Lors d'opérations d'urgence, les primo-intervenants (pompiers, protection civile, gendarmerie ou militaires en opération) sont soumis à des contraintes physiologiques importantes responsables d'accidents médicaux graves (déshydratation, coup de chaleur...). Dans l'état actuel, il est absolument impossible d'obtenir un état physiologique réaliste des personnels d'urgence via les systèmes de surveillance de santé. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont eu pour but d'améliorer la prévention des primo-intervenants en développant un bandeau physiologique intégrant des capteurs biochimiques capable d'analyser et de surveiller la concentration en sodium dans la sueur. Des expérimentations ont mis en évidence un lien physiologique entre l'état corporel hyperthermique et la concentration en ions sodium dans la sueur. L'intégration de la technologie pNa-ISFET dans un bandeau physiologique, ainsi que les résultats issus des mesures in-vivo effectuées sur un panel de dix individus sont présentés dans ce manuscrit.

Dans la majeure partie des cas, la séparation en taille de molécules d'ADN, étape primordiale lors d'un séquençage, est réalisée par électrophorèse sur gels, inadaptée à la séparation de longues molécules : la recherche de techniques de séparation alternatives est donc primordiale. Nous avons utilisé une technologie de fabrication alternative, la Lithographie par Décalage de Phase, pour fabriquer des matrices d'obstacles de 80 à 500 nm de diamètre, de formes cylindrique ou ellipsoïdale. Ces matrices nous ont permis de mener une étude des dynamiques de collision ADN-obstacle à l'échelle de la molécule individuelle, par la caractérisation des effets de l'actionnement (électrophorétique ou hydrodynamique), de la dimension et de la forme des obstacles sur ces dynamiques, impliquées dans le processus de séparation en taille. Nous montrons enfin la première séparation hydrodynamique de fragments d'ADN dans des réseaux d'obstacles nanométriques.

Le champ d'application des microsystèmes n'a cessé de s'élargir pendant les quinze dernières années en particulier vers la communication ou vers les biotechnologies. Pour augmenter les fonctionnalités des microsystèmes, l'utilisation de nano-objets semble devenir une voie incontournable, mais qui butte souvent sur des problèmes mes de manipulation spatiale visant à les intégrer dans une architecture fonctionnelle. Pour résoudre ces problèmes d'intégration, l'utilisation de phénomènes d'assemblage dirigé, c'est à dire des phénomènes physiques permettant de manipuler collectivement des nano-objets semble très prometteuse. Dans ce contexte, l'objectif de notre thèse a été de concevoir des outils fluidiques innovants capables de réaliser des opérations de manipulation spatiale ou conformationnelle de nano-objets ou de molécules. Il s'agit d'une recherche pluridisciplinaire à la frontière entre la micro- et nano-fabrication, la micro- et nano-fluidique, la biologie moléculaire, l'imagerie de molécules individuelles, et la biophysique. La thèse est composée de deux projets assez indépendants : une étude de nanofluidique pour le contrôle conformationnel de chromosomes issus de cellules vivantes, et un travail de microfluidique sur un phénomène d'assemblage spontané sur gel hydrophile. Dans un premier temps, nous décrivons un procédé de fabrication d'hydrogels structurés, et nous montrons que ces hydrogels constituent un support efficace pour organiser spatialement des nano-objets. Ce phénomène d'organisation est spontané, et il se produit lors du séchage du liquide. Nous avons donc voulu comprendre les mécanismes fluidiques ayant lieu au cours du séchage en utilisant des traceurs fluorescents. Nous identifions plusieurs phénomènes expliquant les phénomènes d'organisation spatiale de particules, et nous proposons des applications pour ce procédé innovant. Grâce aux dispositifs nanofluidiques que nous avons fabriqués, nous menons des expériences de manipula tion de molécules d'ADN individuelles en milieu confiné. Nous analysons le comportement de l'ADN - son élongation, sa mobilité, l'effet de la salinité, le rôle du matériau dans lesquels le nanocanaux sont inscrits - en utilisant deux modes d'actionnement, à savoir l'électrophorèse et l'hydrodynamique, et nous montrons, pour la première fois, l'intérêt de l'hydrodynamique pour la manipulation d'ADN dans des nanostructures. Nous proposons enfin quelques applications pour ce procédé de manipulation d'ADN innovant.

Le développement des techniques d'ingénierie génétique et celles d'imagerie en microscopie de fluorescence ont ouvert la voie à l'étude du mouvement et de la structure des chromosome dans les cellules vivantes. Depuis quelques années, l'avènement de ces outils a fait naître une biophysique du noyau, dont l'objectif est de comprendre avec des modèles physiques comment s'organise le génome dans une cellule et comment il se réorganise sous l'effet de stimuli biologiques ou chimiques. L'objectif de mon travail de thèse a consisté à développer des outils permettant de mesurer précisément les déplacements des chromosomes dans les cellules vivantes, d'automatiser le processus de traitement des données et de développer des modèles quantitatifs d'analyse des données expérimentales. Dans ce travail de thèse pluridisciplinaire, nous avons à la fois optimisé une chaîne d'acquisition de microscopie de fluorescence afin de maximiser la qualité de films de levures vivantes, réalisé un algorithme de suivi de particules et de reconnaissance de forme dédiés à la levure, ainsi que des outils de traitement automatisés des trajectoires pour systématiser le processus de traitement des données. Ces méthodes ont permis de construire des modèles originaux de structure et de dynamique des chromosomes in vivo chez la levure saccharomyces cerevisiae.

Avec l'évolution de la complexité et des performances des circuits intégrés, l'occurrence de défaillances non modélisables par de simples collages devient importante et même prépondérante. Ces effets ne sont généralement pas pris en compte par les méthodes classiques de diagnostic. Cette thèse a pour objectif le développement d'une méthode de diagnostic ciblant un ensemble élargi de modèles de fautes.<br />La méthode de diagnostic développée est présentée dans ce manuscrit de manière progressive. Dans un premier temps, les modèles de fautes considérés sont analysés afin de dégager les conditions de sensibilisation. La deuxième partie est consacrée à la présentation globale de la méthode de diagnostic développée. Cette méthode utilise principalement une approche " Effet à Cause " basée sur le traçage de chemins critiques. La troisième partie présente l'amélioration de cette méthode pour la prise en compte de pannes à effets spécifiques. La dernière partie est consacrée à la validation de chaque étape de l'évolution de la méthode de diagnostic au travers de diverses expérimentations.

Bien que développés depuis plus de 50 ans, les capteurs chimiques (au sens large) et les capteurs de gaz plus particulièrement, sont toujours aujourd'hui en plein développement. Côté industriel, le marché global des capteurs chimiques et biochimiques connait la plus forte progression (+9,6%/an) depuis la fin des années 2000 avec un volume de 15 milliards de dollars en 2010 (10% pour le seul marché des capteurs de gaz). Ces dispositifs de détection offrent potentiellement des applications dans les principaux domaines qui sont le transport, l'environnement, la santé, l'industrie et l'agroalimentaire. On conçoit dès lors, que le marché de capteurs de gaz bas coût soit florissant et plein d'avenir. Les défauts des détecteurs actuels performants et commercialisés tels que les systèmes basés sur la détection infrarouge, électrochimiques ou encore à photo-ionisation, sont leur consommation en puissance de l'ordre du Watt, leur prix de revient mais aussi la complexité de leur électronique associée. Avec l'émergence des micro/nanosystèmes, nous assistons de plus en plus au développement de dispositifs miniatures, portables, " intelligents ", intégrant le (ou les) capteurs, l'alimentation, l'électronique de traitement et bien d'autres éléments ; on parle alors de nez électroniques intégrés. Parmi les capteurs développés à ce jour, les capteurs de gaz semi-conducteurs répondent le mieux encore aujourd'hui à ces besoins avec un coût de fabrication modéré (d'autant plus faible que le nombre fabriqué sera grand) ; ils sont en effet non seulement très bien adaptés aux techniques de la microélectronique mais peuvent intégrer également une grande diversité de matériaux tels que les oxydes métalliques, les polymères semiconducteurs et autres composites. De très nombreux travaux de recherches ont été réalisés et le sont encore à ce jour pour améliorer leurs performances, toujours perfectibles notamment en termes de sensibilité, de sélectivité, de stabilité, de reproductibilité, de rév ersibilité, de temps de réponse et de recouvrement. Les trois principales voies de recherche explorées dans nos travaux sont au niveau : i) de la technologie du détecteur (optimisation des matériaux et des étapes de fabrication), ii) de son mode de fonctionnement et iii) du traitement du signal au travers de quatre thèses. Les performances de nos structures sont à ce jour très largement supérieures à celles des capteurs commerciaux de même type. Depuis 2007, une thèse a été menée en collaboration avec l'équipe MINC (Micro et Nano systèmes pour les Communications sans fil) du LAAS pour développer, en totale rupture technologique, un nouveau transducteur électromagnétique permettant la détection de gaz à distance sans fil, sans consommation d'énergie par conséquent voué au déploiement de réseau de capteurs communicants. Les prospectives de recherche à court, moyen et long termes sur les dix prochaines années sont abordées. Elles s'appuient sur trois grandes idées en totale complémentarité : i. l'intégration de nouveaux matériaux nanostructurés vers une ultra sensibilité. L'étude des phénomènes de surface et de différentes voies de transduction permettrait d'envisager de nouvelles générations capteurs pour l'environnement mais aussi pour la santé. ii. le développement de nouveaux microsystèmes multicellules de détection, permettant une grande sélectivité en jouant sur des modes de fonctionnement évolués. L'objectif est de réaliser des nez électroniques intégrés pour de multiples applications. iii. le développement de nouvelles générations de capteurs communicants sans fil pour une cartographie olfactive de l'environnement encore appelée " intelligence ambiante ".

L'électroperméabilisation est une technique permettant, entre autre, l'entrée de molécules cytotoxiques dans les tumeurs. Elle consiste en la perméabilisation transitoire de la membrane plasmique suite à l'application de champs électriques pulsés. Certaines conditions électriques permettent le transfert de gène, ouvrant le champ d'application de la technique à la thérapie génique. Cette thèse s'est intéressée à étudier les effets des champs électriques sur cellules et tissus, dans le cas de l'électro-transfert de gène. En effet, la compréhension mécanistique de ce transfert est indispensable à l'optimisation de la technique pour les futures applications cliniques. Dans ce contexte, nous nous sommes attachés à étudier les 3 barrières rencontrées par le gène lors de son transfert, à savoir la complexité de l'environnement multicellulaire au niveau du tissu, la membrane plasmique et l'enveloppe nucléaire au niveau de la cellule. i) L'efficacité de l'electrotransfer de gène a été étudié sur le modèle de tumeur in vitro/ex vivo dit sphéroïde. Dans un premier temps ce modèle a été validé pour l'étude de l'électrotransfection et dans un deuxième temps les raisons de l'absence d'efficacité en structure tissulaire ont été mises en évidence et l'optimisation de la technique a été amorcée. ii) Une deuxième partie a été dédiée à l'étude nano-mécanique des cellules à l'échelle de la membrane plasmique par microscopie à force atomique. La microscopie à force atomique a été utilisée afin d'imager et mesurer par spectroscopie de force l'effet de l'électroperméabilisation sur la membrane plasmique. Nous avons imagé la perturbation membranaire et mesuré une diminution d'élasticité membranaire suivant l'application des champs électriques. Ce phénomène a été relié aux effets secondaires de l'électroperméabilisation affectant l'actine corticale. iii) Une dernière partie s'est intéressée aux effets des nanopulses. Ces impulsions très courtes (ns) et intenses (plusieurs kV/cm) représentent la nouvelle génération d'impulsions, dont les effets sont encore peu décrits, mais pourraient permettre une déstabilisation spécifique de l'enveloppe des organelles. L'impact de ses impulsions nanosecondes sur la membrane ont été analysée par Patch-Clamp pour déterminer l'implication du cytosquelette d'actine dans la forme des nanopores créés. Dans un deuxième temps leur impact sur l'enveloppe nucléaire a été étudié, dans le but de déterminer d'éventuels effets néfastes sur le fonctionnement cellulaire, et la potentielle augmentation de transfection résultant d'une déstabilisation de la deuxième barrière rencontré par le gène lors de son transfert. Il est montré que l'actine ne joue pas de rôle dans la formation des nanopores, et que les impulsions nanosecondes ne permettent pas d'augmenter l'efficacité de transfection. En conclusion ces travaux ont apporté de nouveaux éléments dans la compréhension du mécanisme d'électroporation et des barrières au transfert de gène. Des protocoles, modèles, et outils ont été mis en place et sont aujourd'hui validés et disponibles pour une investigation poussée des effets des champs électriques sur le vivant.

La thèse s'articule autour du thème des FPGA embarqués(eFPGAs). Ce manuscrit analyse les solutions existantes actuellement et discute les challenges et opportunités de ces technologies; une analyse en profondeur des échecs des tentatives passées est également donnée. Sur la base des solutions existantes dans la littérature, une structure de eFPGA à topologie de type grille est proposée, décrite en langage VHDL RTL. Cette solution comporte également les outils de programmation associés. Sur la base de cette proposition, des explorations sont menées quant à la pertinence des solutions proposées au sens de métriques d'actualité tells que densité logique, performance et consommation. Une des contributions notables de cette thèse repose sur la proposition d'une architecture de switch unifiée éliminant les blocs de connexions ainsi que l'interconnexion locale typique des FPGA actuels(telles que ceux modélisables dans le logiciel VPR) tout en autorisant une bonne routabilité. Toutes les expérimentations ont été menées sur une technologie CMOS 65nm faible puissance du fondeur STMicroelectronics, qui permet de fait d'obtenir des évaluations pertinentes. Une seconde contribution notable repose sur l'exploration de l'intégration de eFPGA dans un contexte système sur puce (SoC). Cette approche repose sur l'adjonction d'un eFPGA au sein d'un système intégré, au côté d'un processeur de type LEON3, la programmation s'effectuant sur la base d'une approche de type ESL. Deux explorations sont ainsi déclinées, comme unité intégrée au sein du processeur et comme coprocesseur. Les résultats présentés permettent ainsi d'analyser sous plusieurs angles les compromis possibles ainsi que les perspectives et limitations de ce type d'approches. Finalement, un cas d'étude est également présenté quant à l'intégration de mémoires de type magnétique (MRAM) au sein-même de l'architecture du eFPGA.

Les structures planaires de grandes tailles sont de plus en plus utilisées dans les applications des satellites et des radars. Deux grands types de ces structures à savoir les FSS et les Reflectarrays sont particulièrement les plus intéressants dans les domaines de la conception RF. Mais en raison de leur grande taille et de la complexité des cellules élémentaires, l'analyse complète de ces structures nécessite énormément de mémoire et des temps de calcul excessif. Par conséquent, les techniques classiques basées sur maillage linéaire soit ne parviennent pas à simuler de telles structures soit, exiger des ressources non disponibles à un concepteur d'antenne. Une technique appelée " technique par changement d'échelle " tente de résoudre ce problème par partitionnement de la géométrie du réseau par de nombreux domaines imbriqués définis à différents niveaux d'échelle du réseau. Le multi-pôle par changement d'échelle, appelé " Scale changing Network (SCN) ", modélise le couplage électromagnétique entre deux échelles successives, en résolvant une formulation intégral des équations de Maxwell par une technique basée sur la méthode des moments. La cascade de ces multi-pôles par changement d'échelle, permet le calcul de la matrice d'impédance de surface de la structure complète qui peut à son tour être utilisées pour calculer la diffraction en champ lointain. Comme le calcul des multi-pôles par changement d'échelle est mutuellement indépendant, les temps d'exécution peuvent être réduits de manière significative en parallélisant le calcul. Par ailleurs, la modification de la géométrie de la structure à une échelle donnée nécessite seulement le calcul de deux multi-pôles par changement d'échelle et ne requiert pas la simulation de toute la structure. Cette caractéristique fait de la SCT un outil de conception et d'optimisation très puissant. Des structures planaires uniformes et non uniformes excité par un cornet ont étés modélisés avec succès, avec des temps de calcul dé lais intéressants, employant les ressources normales de l'ordinateur.

Antenne de l'avenir surtout pour les applications spatiales sont de plus en plus complexe en raison de la nécessité de reconfigurabilité en termes de fréquence, la puissance rayonnée et reçues, la consommation d'énergie et de la fiabilité. Dans ce contexte, réflecteurs et des surfaces sélectives en fréquence (FSS) sont particulièrement les plus intéressantes dans les domaines de la conception RF. Mais en raison de leur grande taille et de la complexité des cellules élémentaires, l'analyse complète de ces structures nécessite énormément de mémoire et des temps de calcul excessif spécialement lorsque des éléments de réglage tels que RF-MEMS sont également intégrés au sein des cellules. Par conséquent, les techniques classiques basées sur maillage linéaire soit ne parviennent pas à simuler de telles structures soit, exiger des ressources non disponibles à un concepteur d'antenne. Une technique appelée "technique par changement d'échelle" tente de résoudre ce problème par partitionnement de la géométrie du réseau par de nombreux domaines imbriqués définis à différents niveaux d'échelle du réseau. Le multi-pôle par changement d'échelle, appelé "Scale Changing Network (SCN)", modélise le couplage électromagnétique entre deux échelles successives, en résolvant une formulation intégral des équations de Maxwell par une technique basée sur la méthode des moments. La cascade de ces multi-pôles par changement d'échelle, permet le calcul de la matrice d'impédance de surface de la structure complète qui peut à son tour être utilisées pour calculer la diffraction en champ lointain. Comme le calcul des multi-pôles par changement d'échelle est mutuellement indépendant, les temps d'exécution peuvent être réduits de manière significative en parallélisant le calcul. Par ailleurs, la modification de la géométrie de la structure à une échelle donnée nécessite seulement le calcul de deux multi-pôles par changement d'échelle et ne requiert pas la simulation de toute la structure. Cette car actéristique fait de la SCT un outil de conception et d'optimisation très puissant. Des structures planaires uniformes et non uniformes excité par un cornet ont étés modélisés avec succès, avec des temps de calcul délais intéressants, employant les ressources normales de l'ordinateur. Avec l'intérêt croissant pour des réflecteurs hautement reconfigurables pour les applications spatiales, différentes technologies pour réaliser la reconfigurabilité du diagramme de rayonnement ont été explorées ces dernières années. L'une d'elles consiste à imprimer un déphasage approprié en différent point du front d'onde incident à l'aide de cellule déphaseuse à MEMS-RF. En raison de la grande diversité des échelles dans de telles structures reconfigurables, les outils classiques de simulation électromagnétique se révèlent souvent inefficaces en termes des ressources informatiques et de temps de calcul. Les approches basées sur un circuit électrique équivalent se sont avérées plus utiles pour les concepteurs.