Parallèlement à l'accroissement de la part dévolue à la mémoire au sein des circuits, l'évolution technologique s'accompagne d'uneaugmentation de la variabilité des performances, notamment dues aux variations de procédés de fabrication, de la tension d'alimentation et de la température. En terme de conception, ces variations de procédés de fabrication et de conditions de fonctionnement sont généralement prises en compte en adoptant une approche pire et meilleur cas(méthode des corners). Cependant, l'accroissement de la variabilité des procédés de fabrication conduit à l'accroissement relatif de la fourchette d'estimation des performances, comme la marge temporelle de lecture dans une mémoire embarquée de type SRAM. Ainsi la seule alternative, permettant de s'affranchir de la méthode des corners, réside dans l'adoption de techniques statistiqueset notamment l'analyse statistique des performances temporelle. Cette analyse statistique des performances des SRAMs constitue le cœur de cette thèse. Dans un premier temps, nous avons démontré les limites de la méthode des corners sur la marge temporelle de lecture de la SRAM. Puis, nous avons développé une approche de modélisation permettant de s'affranchir de la méthode des corners. Cette approche a ensuite été utilisée dans le dimensionnement statistique de la mémoire afin d'optimiser ses performances temporelles, réduisant ainsi lamarge excessive de lecture introduite par l'approche traditionnelle.

Le fort développement actuel des systèmes électroniques embarqués nous conduit à relever le défi de leur fiabilisation, ceci d'autant plus que des organes de sécurité sont souvent concernés et que ces systèmes opèrent dans des conditions environnementales difficiles avec une exigence de réduction de coût drastique. Ce qui caractérise le mieux l'évolution récente de ces systèmes électroniques embarqués c'est une forte intégration qui conduit à réduire leur encombrement et leur poids tout en augmentant la puissance électrique convertie. Il en résulte automatiquement une augmentation de la densité de puissance dissipée et l'étude de leur comportement électrothermique prend, dans ces conditions, une importance fondamentale. Le présent travail concerne le développement d'outils précis de modélisation électrothermique qui permettent d'appréhender l'impact de la technologie choisie (conception, connectiques, matériaux ...) sur les phénomènes causés par les défauts qui apparaissent avec le vieillissement. Des règles de robustesse spécifiques à chaque technologie pourront être édictées à l'aide de simulations 3D distribuées présentées dans le mémoire. Dans un premier temps la modélisation électrothermique compacte a été abordée. Ensuite, en se limitant aux modules MOS de puissance, une première classe de problèmes caractérisée par l'absence de commutation peut être traitée en ayant recours à une modélisation électrothermique par éléments finis qui considère que le composant est constitué par un ensemble de zones de résistivités électriques et de conductivités thermiques différentes. Une tentative a été faite en vue d'étendre l'étude électrothermique aux classes de problèmes mettant en œuvre des MOS de puissance fonctionnant en régime de commutation. Le modèle électrique distribué doit alors être capable de calculer et de répartir les pertes totales (état passant, état bloqué et commutation) pour un régime de commutation rapide. Enfin, un soin particulier a été accordé à l'étude du fonctionnement en avalanche, une méthode basée sur l'expérimentation et l'utilisation d'un modèle électrothermique simple afin d'estimer la température de jonction d'un MOSFET de puissance lors de son fonctionnement en régime d'avalanche de courte durée a été développée. Pour conclure, on a démontré qu'il n'existe pas une réponse unique en termes de modélisation électrothermique et que chaque méthode vise à résoudre une classe spécifique de problèmes.

Dans le contexte global de recherches d'améliorations des performances d'un système photovoltaïque (PV), il nous a paru nécessaire de commencer cette thèse par une synthèse sur la compréhension des phénomènes physiques impliqués dans l'effet photovoltaïque. En effet, en comprenant mieux leurs interactions par une démarche systématique de recherche sur le comportement des générateurs PV et les origines des effets limitant la production d'énergie PV. Il est possible de mieux situer la problématique de ces travaux de recherche. Tout au long de ces trois années passées, nous nous sommes attachés à rechercher les causes des défaillances des systèmes PV pour proposer des solutions techniques de conversion et rendre les systèmes dans leurs globalités plus fiables et surtout plus efficaces que les produits existants. Ainsi dans la littérature, nous avons pu constater que plusieurs études se focalisent encore de nos jours sur la recherche de modèles plus ou moins précis du comportement de cellules PV puis de modules et de générateurs PV complets soumis à des environnements changeant comme c'est le cas en condition réelle d'ensoleillement. Par ces modèles, à travers diverses simulations reproduisant les conditions d'ensoleillement et d'utilisation des générateurs PV, il est ainsi possible de dissocier les phénomènes et par exemple de différencier les pertes de productible liées à l'environnement des pertes liées à une désadaptation électrique. Ainsi, en quantifiant le potentiel d'amélioration et en comprenant mieux les interactions, la recherche de solutions sur l'amélioration de performances des systèmes peut être ciblée et couvrir un large spectre de fonctionnement.

Nos travaux ont visé le développement de biocapteurs hyperfréquences microfluidiques pour l'analyse de fluides biologiques et notamment la mesure de glucose en solution aqueuse avec pour contexte applicatif la mesure de la glycémie humaine. Nous présentons dans un premier temps la modélisation du fonctionnement des biocapteurs développés et de l'interaction fluide/champ électrique sous-jacente afin d'en comprendre les mécanismes et d'optimiser les performances en sensibilité des dispositifs. Ces premiers résultats ont nourri la conception et fabrication de nouveaux biocapteurs hyperfréquences résonants microfluidiques. Nous avons validé expérimentalement les capacités en sensibilité et fiabilité de ces dispositifs pour la mesure de glucose à des concentrations physiologiques. Nous avons de plus démontré que l'ajout de constituants comme le chlorure de sodium ne remettait pas en cause les capacités de mesures de fluides complexes (comme le sang) de nos biocapteurs. Enfin, la dernière partie ouvre vers de nouvelles perspectives permises par les techniques hyperfréquences microfluidiques. Nous pointons ici le pouvoir sélectif de la technique rendant possible la mesure, sur un unique échantillon, de la concentration de plusieurs solutés (glucose et chlorure de sodium). Nous démontrons également que la convergence des techniques de conception et microfabrication hyperfréquence microfluidique et des propriétés des techniques de caractérisation hyperfréquence rend possible la mesure simultanée de plusieurs échantillons de liquides.

Ce travail évalue la potentialité de couches minces LSMO (La0,7Sr0,3MnO3) déposées sur substrat comme détecteur de rayonnement à température ambiante, en exploitant la variation de sa résistance électrique au voisinage de 300 K. Un banc de mesure optique a été mise en place (conception et réalisation) pour achever cet objectif. Ce banc a été utilisé pour caractériser les échantillons LSMO comme détecteur de rayonnement bolométrique. Un modèle thermique analytique détaillé de la structure couche-mince-sur-substrat est proposé. Il interprète les variations de la sensibilité optique par rapport la fréquence de modulation de la puissance laser rayonnée. La discussion du modèle comprend la présentation de la diffusion de la chaleur dans le substrat et la résistance thermique d'interface couche-substrat. Ce modèle a été analysé et validé à l'aide des résultats de mesure de plusieurs surfaces de détection (méandre forme) pour différents matériaux de substrat. La valeur de la résistance thermique de l'interface couche-substrat a été estimée pour les différents substrats. La caractérisation de bolomètre inclut les paramètres thermiques et électriques, comme le TCR et la conductance thermique, nécessaires pour qualifier sa performance. Ainsi, la mesure et l'analyse de sensibilité optique et le bruit de plusieurs pixels surfaces sur différents substrats sont présentés. Le rôle de pixel géométrie (pixel surface, l'épaisseur du film, nombre de méandres) et le matériau de substrat (SrTiO3, MgO, SrTiO3/Si) sur les performances du bolomètre est étudiée, en utilisant les résultats de mesure et les données de calcul issus du modèle. La détectivité spécifique mesurée augmente pour une taille du pixel plus grand et une conductivité thermique du substrat plus petit. On estime 2x107 cm.W-1.Hz1/2 pour échantillon 200x200 µm² LSMO/STO. Pour LSMO/Si, un temps de réponse 21 µs été obtenue pour 50x50 µm², ce qui est comparable à celui des détecteurs photonique.

Une des conditions fondamentales de la performance des système repose sur leur capacité à généré des déplacement avec précision de positionnement élevée. Cependant, à l'échelle micrométrique, de nombreux paramètres agissent et réduisent cette précision. A cette échelle, il est également particulièrement complexe de mesurer la précision de positionnement d'un système micro ou nanorobotique et donc d'identifier les différentes sources d'imprécision. L'étalonnage géométrique des systèmes micro et nanorobotiques prenant en compte ces différents sources est rarement étudié. Pour ces raisons, l'originalité et les contribution de cette thèse portent sur deux aspects principaux (i) la caractérisation des perperformances des systèmes micro et nanorobotiques et l'analyse des paramètres affectant leur précision de positionnement (ii) l'amélioration des performances de ces robots fondés sur différents types de modèles robotiques.

Mes recherches se placent dans ce cadre général du développement de nouveaux microsystèmes pour différentes applications. Le cheminement scientifique général que j'essaye d'appliquer à l'ensemble de mes activités peut être décrit par quatre phases dont la durée varie en fonction des thèmes, des moyens mis en œuvre et de l'environnement : Validation de nouveaux concepts, Optimisation des dispositifs en rapport avec un cahier des charges, Etude de fiabilité, Transfert industriel. Les trois premières phases mettent en œuvre des cycles de travaux que l'on peut classer en trois catégories : Conception/Simulation, Fabrication, Caractérisation/Modélisation. Pour chaque phase, un nombre plus ou moins important de cycles est alors nécessaire afin d'arriver à une modélisation acceptable du dispositif qui correspond à une compréhension correcte de son fonctionnement. C'est cette démarche qui m'a amené progressivement à travailler sur trois thématiques scientifiques : les capteurs de pression qui sont dans la phase de transfert industriel, les MEMS RF qui se trouvent dans la phase d'étude de fiabilité et les capteurs sans fil passifs à transduction électromagnétique qui restent encore en grande partie dans la phase de validation des concepts. Mes recherches se placent dans ce cadre général du développement de nouveaux microsystèmes pour différentes applications. Le cheminement scientifique général que j'essaye d'appliquer à l'ensemble de mes activités peut être décrit par quatre phases dont la durée varie en fonction des thèmes, des moyens mis en œuvre et de l'environnement : Validation de nouveaux concepts, Optimisation des dispositifs en rapport avec un cahier des charges, Etude de fiabilité, Transfert industriel. Les trois premières phases mettent en œuvre des cycles de travaux que l'on peut classer en trois catégories : Conception/Simulation, Fabrication, Caractérisation/Modélisation. Pour chaque phase, un nombre plus ou moins important de cycles est alors nécessaire afin d'arriver à une modélisation acceptable du dispositif qui correspond à une compréhension correcte de son fonctionnement. C'est cette démarche qui m'a amené progressivement à travailler sur trois thématiques scientifiques : les capteurs de pression qui sont dans la phase de transfert industriel, les MEMS RF qui se trouvent dans la phase d'étude de fiabilité et les capteurs sans fil passifs à transduction électromagnétique qui restent encore en grande partie dans la phase de validation des concepts.

Pour les accélérateurs de particules à hautes énergies, le système de verrouillage est une partie clé de la protection de la machine. Le verrouillage de la machine est l'inhibition du faisceau dès lors qu'un équipement critique tombe en panne et/ou qu'un faisceau est de faible qualité. Pour un système de verrouillage, sa sûreté de fonctionnement est la caractéristique la plus importante. Cette thèse présente le développement d'un système de verrouillage pour les collisionneurs linéaires avec une application au projet CLIC (Compact Linear Collider). Son élaboration s'appuie sur la norme d'ingénierie IEEE 1220 et se décline en quatre parties. Tout d'abord, les spécifications sont établies. Une attention particulière est portée sur la sûreté de fonctionnement, plus précisément, la fiabilité et la disponibilité du système. La deuxième étape est la proposition d'un design. Celui-ci est basé sur une analyse fonctionnelle, les interfaces du système et l'architecture du CLIC. Troisièmement, une étude de faisabilité est effectuée en appliquant les concepts dans un environnement opérationnel. Finalement, la dernière étape est la vérification matérielle. Le but est de prouver que le design proposé est capable de remplir le cahier des charges établi.

Le lancement d'une fusée fait appel à de nombreux équipements pyrotechniques chargés de réaliser des fonctions clés comme l'allumage des moteurs, la séparation et la neutralisation des étages, la découpe de la coiffe et la libération de la charge utile, et enfin, l'autodestruction du lanceur en cas de problème. Traditionnellement, les systèmes pyrotechniques utilisés sont basés sur des ordres détoniques transmis et distribués grâce à des lignes et des relais pyrotechniques intégrant donc des explosifs. Ces chaines et systèmes pyrotechniques basés sur des ordres détoniques sont certes robustes et fiables mais présentent l'inconvénient d'être lourds, volumineux, délicats et couteux dans leur mise en œuvre en raison du caractère dangereux inhérent à tout explosif et système les intégrant. Dans ce contexte, Dassault-Aviation, le CNES et le LAAS ont proposé une nouvelle solution technologique de systèmes pyrotechniques basée sur des ordres non plus détoniques mais électriques et codées intégrant des micro systèmes de mise à feu pyrotechniques codés sécurisés et intelligents. Ces derniers, appelé dans le projet µIFI pour Micro Initiateurs à Fonctions Intégrés intègrent dans quelques cm3, outre une adresse numérique permettant de les identifier pour communiquer, un micro initiateur électro-pyrotechnique, des sécurités électriques, une barrière de sécurité mécanique déplaçable par un micromoteur, un stockage local d'énergie et une électronique numérique. Ce travail de thèse a consisté à concevoir, réaliser et caractériser un Micro Initiateur à Fonction Intégré. Après avoir évalué les différentes technologies existantes, nous avons conçu puis fabriqué les différents éléments constitutifs du µIFI permettant de répondre au cahier des charges du spatial. Après fabrication, chacun de ces éléments ont été caractérisés pour valider leur fonctionnalité et leur conformité au cahier des charges. Un important travail s'est porté essentiellement sur deux points. Le premier concerne la conception et la mise en œuvre d'une technologie MEMS innovante pour réaliser une puce d'initiation optimisée à base de nanothermite Al/CuO déposée sur une plateforme en SU-8 qui a permis d'atteindre des performances d'initiation electro-pyrotechnique jusqu'ici jamais atteinte. Le deuxième point concerne le travail important et délicat d'interfaçage mécanique et électrique des différents éléments constitutifs du µIFI : les puces d'initiation MEMS, un micromoteur brushless permettant de sécuriser mécaniquement l'initiateur dans un volume de moins de 0,5mm3, une électronique numérique, une capacité de stockage de l'énergie et les connectiques associées. Ce fut un défi technologique important de par la complexité du système à intégrer dans moins de 3 cm3 et assurant un fonctionnement avec une fiabilité exemplaire. Ce travail de thèse a permis des avancées technologiques certaine et constitue la première étape d'un processus d'innovation très important dans le domaine de la pyrotechnie spatiale.

Ce manuscrit présente une synthèse de mes activités de recherche depuis mon recrutement aux fonctions de maître de conférences à l'Université Montpellier II en 2001. Cette activité est développée au sein de l'équipe « Microsystèmes », dans le département « Microélectronique » du LIRMM.<br />Le contenu de ce mémoire est organisé de façon à présenter pour chaque thème l'approche choisie et les résultats obtenus, en partant du dispositif élémentaire et en allant vers les aspects système, l'intégration et le test. Dans la section 2, je situe ces travaux dans leur contexte scientifique et dans leur chronologie afin à montrer l'évolution de notre démarche au fil des résultats obtenus. Le chapitre 3 est consacré à l'étude des dispositifs élémentaires. Les aspects liés à la modélisation, au prototypage et à la caractérisation y sont développés. Nous avons travaillé sur deux principes de transduction : les capteurs piézorésistifs et les capteurs thermiques. Notre expérience dans le domaine de la fiabilité est également abordée. Le chapitre 4 concerne la conception de systèmes microélectroniques à base de MEMS. Nos contributions s'appuient sur la réalisation de deux systèmes intégrés CMOS : une boussole et un capteur d'accélération thermique. A travers ces deux exemples, je montre nos résultats à la fois sur le plan des performances obtenues sur ces systèmes et sur des aspects plus méthodologiques de conception de MEMS. Je développe à la fin du manuscrit les perspectives de ces travaux et l'orientation de mes recherches pour les prochaines années.