Certains problèmes d'audition trouvent leur origine dans des anomalies de transmission de l'énergie des vibrations acoustique par la chaîne des osselets de l'oreille moyenne. Il se pratique aujourd'hui des opérations chirurgicales visant à la reconstruire. Un outil permettant d'évaluer la qualité de transmission des vibrations par de la chaîne ossiculaire pendant l'opération apporterait une aide substantielle au praticien afin dans le but d'optimiser la configuration des osselets. Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de la conception d'un capteur microsystème adapté à la mesure de l'amplitude de vibrations des osselets. Nous y avons particulièrement développé les travaux de modélisation de la structure mécanique du capteur. Il s'agit d'une structure communément employée pour les capteurs tactiles dont nous modélisons le comportement en régime harmonique. Dans une la deuxième partie nous présentons une étude d'optimisation du capteur en vue de son utilisation " tenu en main " par le chirurgien. Celle-ci repose notamment sur l'utilisation d'un modèle électrique équivalent de l'oreille moyenne et d'un logiciel d'optimisation multicritères. Nous présentons dans cette partie un concept de filtre mécanique des basses fréquences par l'utilisation des propriétés viscoélastiques des matériaux polymères. La dernière partie traite des travaux de réalisation des différents composants d'un capteur basé sur les matériaux polymères. Les travaux de réalisation et de test de membranes en résine SU8 y sont présentés ainsi que l'intégration de jauges en matériaux électroactifs chargés en nanoparticules. L'utilisation d'une technique de moule perdu pour réaliser la structure mécanique du capteur est discutée.

Le Morphisme Electroactif est un axe multidisciplinaire, associant l’aérodynamique, les matériaux innovants et la mécatronique. Ce concept consiste en l’amélioration des performances aérodynamiques par l’utilisation d’actionneurs déformant la surface portante d’un aéronef en temps réel. Soutenue par Airbus, la modélisation, conception et réalisation d’un démonstrateur petite échelle est une première étape. Basée sur un profil d’aile A320, il est équipé d’actionnements pour le morphisme électroactif hybride : de grandes déformations à faibles vitesses par des Alliages à Mémoire de Forme sont associés à l’intégration au bord de fuite d’actionneurs piézoélectriques permettant de hautes fréquences d’actionnement à amplitude moindre. Une seconde étape de la thèse est dédiés aux essais en soufflerie. La mesure de forces et la vélocimétrie d’images de particules permettent de comprendre la physique de l’écoulement et de la turbulence. L’étude de ce couplage fluide-structure-actionneurs présente les effets du morphisme par actionnement indépendant ; puis le couplage non linéaire de l’actionnement hybride. La troisième étape consiste au passage vers une échelle réaliste des actionneurs, par la conception d’un volet « électro-morphé ». Une approche de dimensionnement par optimisation est proposée. Basé sur des technologies nouvelles d’actionnement, un prototype d’un tel macroactionneur est alors conçu pour être testé. / Electroactive Morphing is a multidisciplinary axis, combining aerodynamics, innovative materials and mechatronics. This concept consists in improving the aerodynamic performance by the use of actuators deforming the airfoil of an aircraft in real time. Supported by Airbus, the modeling, design and implementation of a small scale demonstrator is a first step. Based on an A320 wing profile, it is equipped with actuators for hybrid electroactive morphing: large deformations at low speeds by Shape Memory Alloys are associated with the integration at the trailing edge of piezoelectric actuators allowing high operating frequencies at lower amplitude. A second step of the thesis is dedicated to wind tunnel tests. The measurement of forces and the Particle Image Velocimetries allow for the understanding of the flow and turbulence physics. The study of this fluid-structure-actuator coupling presents the effects of the morphism by independent actuation; then the nonlinear coupling of the hybrid actuation. The third step is the transition to a realistic scale of actuators, by designing an "electro-morphed" macro-actuator. An optimization sizing approach is proposed. Based on new actuation technologies, a prototype of such a macro-actuator is then designed to be tested.

Certains problèmes d’audition trouvent leur origine dans des anomalies de transmission de l’énergie des vibrations acoustique par la chaîne des osselets de l’oreille moyenne. Il se pratique aujourd’hui des opérations chirurgicales visant à la reconstruire. Un outil permettant d’évaluer la qualité de transmission des vibrations par de la chaîne ossiculaire pendant l’opération apporterait une aide substantielle au praticien afin dans le but d’optimiser la configuration des osselets. Les travaux présentés dans ce manuscrit traitent de la conception d’un capteur microsystème adapté à la mesure de l’amplitude de vibrations des osselets. Nous y avons particulièrement développé les travaux de modélisation de la structure mécanique du capteur. Il s’agit d’une structure communément employée pour les capteurs tactiles dont nous modélisons le comportement en régime harmonique. Dans une la deuxième partie nous présentons une étude d’optimisation du capteur en vue de son utilisation « tenu en main » par le chirurgien. Celle-ci repose notamment sur l’utilisation d’un modèle électrique équivalent de l’oreille moyenne et d’un logiciel d’optimisation multicritères. Nous présentons dans cette partie un concept de filtre mécanique des basses fréquences par l’utilisation des propriétés viscoélastiques des matériaux polymères. La dernière partie traite des travaux de réalisation des différents composants d’un capteur basé sur les matériaux polymères. Les travaux de réalisation et de test de membranes en résine SU8 y sont présentés ainsi que l’intégration de jauges en matériaux électroactifs chargés en nanoparticules. L’utilisation d’une technique de moule perdu pour réaliser la structure mécanique du capteur est discutée. / Acoustic transmission anomalies of the middle ear ossicular chain can result in hearing losses. Nowadays some surgical interventions allow significant hearing improvements by reconstructing the ossicular chain. A tool able to evaluate vibration transmission along the ossicular chain would be of great help to the surgeon. The work presented in this manuscript deals with the conception design of a MEMS sensor adapted suitable ftoor ossicle’s vibration amplitude measurement. Modelling of the sensor structure mechanical behaviour has been particularly developed. The presented structure which is similar to onethat widely used in tactile sensors conception design that wewas modelled ins the harmonic vibrating regime here.

La Fabrication Additive (FA) est un procédé de fabrication qui a commencé à se développer dans les années 80 et qui atteint actuellement une maturité qui lui permet d’être utilisé de manière rentable et fonctionnelle par les industriels. La fabrication additive est définie comme étant le procédé de mise en forme d’une pièce par ajout de matière, à l’opposé de la mise en forme traditionnelle par enlèvement de matière (usinage). Cette nouvelle technologie est une réelle révolution et permet de relever de nouveaux défis technologiques sans précédent. Que ce soit sur un axe matériau ou plus largement dans le cadre de l’usine du futur, la fabrication additive est un réel levier de croissance, mais de nombreux travaux de recherche sont encore à mener afin de perfectionner cette nouvelle technologie. C’est autour de cette problématique que les travaux de thèses se sont focalisés avec un accent sur l’intégration de matériaux électroactifs pour la réalisation de fonction mécatronique tirant profit des procédés de Fabrication Additive. Les actions de recherche montrent que la fabrication additive de matériaux électroactifs sera de plus en plus employée pour la réalisation de fonctions mécatroniques hybrides qui combineront à la fois la structure mécanique, des circuits intégrés en silicium, des pistes conductrices et des matériaux couplés imprimés, intégrant ainsi des fonctionnalités, telles que des capteurs, des affichages ou des sources d’énergie. Les travaux montrent le potentiel applicatif autour du contrôle de santé des structures en composites, mais aussi du contrôle de forme d’instrument pour la chirurgie. Pour arriver au développement de ces dispositifs, les points suivants ont été développés autour des matériaux électroactifs et de leurs règles d’intégrations et d’optimisation. / Additive Manufacturing (FA) is a manufacturing process that began to develop in the 1980s and is now mature enough to be used in a cost-effective and functional way by manufacturers. Additive manufacturing is defined as the process of shaping a part by adding material, as opposed to traditional shaping by material removal (machining). This new technology is a real revolution and enables us to meet new unprecedented technological challenges. Whether on a material axis or more widely as part of the plant of the future, additive manufacturing is a real growth driver, but many research work is yet to be conducted to perfect this new technology. It is around this issue that the work of theses focused with a focus on the integration of electroactive materials for the realization of mechatronics function taking advantage of Additive Manufacturing processes. Research shows that additive manufacturing of electroactive materials will be increasingly used for the realization of hybrid mechatronic functions that will combine both the mechanical structure, silicon integrated circuits, conductive tracks and printed coupled materials, integrating as well as features, such as sensors, displays or power sources. The work shows the potential application around the health control of composite structures, but also the instrument shape control for surgery. To arrive at the development of these devices, the following points have been developed around electroactive materials and their integration and optimization rules.

Ce travail de thèse porte sur le développement et la modélisation d'actionneurs piézo-électriques à densité d'efforts élevés et pouvant produire des mouvements de rotation et de translation. Une étude comparative des différentes structures d'actionneurs a mis en évidence le potentiel électromécanique intéressant de l'actionneur cylindrique à rotation de mode. Une étude approfondie de ce dernier a été entreprise et a permis de le modéliser analytiquement par des schémas de Mason ou par des méthodes variationnelles. Cette dernière approche a permis également de retrouver les paramètres électromécaniques du moteur à partir de simulations par éléments finis (ANSYS). Des prototypes d'actionneurs diphasés et monophasés ont été réalisés et ont permis de valider les modèles développés. Leurs alimentations résonantes associées ont également été étudiées. L'objectif suivant a été d'intégrer au sein de la structure du moteur à rotation de mode un dispositif permettant d'assurer le degré de liberté supplémentaire en translation. Le choix s'est porté ici sur un fonctionnement original de type inchworm permettant de découpler cette fonction du mouvement rotatif résonant. Un prototype a permis de valider le principe de fonctionnement en translation de l'actionneur. Une alimentation MLI à commutation douce a été réalisée afin de pouvoir générer les formes d'ondes exigeant une large plage de fréquences (du continu à plusieurs dizaines de kHz).