Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) sont d'excellents candidats pour la métrologie électrique. En effet, grâce au couplage électromécanique dans les MEMS, il est possible de réaliser des références secondaires de tension continue (DC) ou alternative (AC) ayant des valeurs de quelques volts à quelques centaines de volts avec des stabilités relatives pouvant atteindre quelques 10-7. Celles-ci peuvent alors être une alternative aux actuelles références Zener dans le cas de la tension continue, et constitueront une première pour la tension alternative puisque aucune référence n'existe hormis celle basée sur l'effet Josephson. Ce travail de thèse a été dédié au développement et à la fabrication de plusieurs générations de structures MEMS à capacité électrique variable dans lesquelles on exploite le phénomène du pull-in pour réaliser des références de tension AC. Le design des échantillons, basé sur des architectures spécifiques correspondant à différents modes de déplacement de l'électrode mobile, est réalisé grâce à des modélisations sous ConventorWare. On distingue des structures à débattement vertical favorisant un déplacement en mode piston de la membrane mobile et des structures à peignes interdigités à déplacement dans le plan. Ces différentes structures ont été fabriquées à partir d'un procédé technologique industriel MPW (Multi-project Wafer) de la société Tronic's, basé sur un substrat SOI (Silicon On Insulator). En parallèle, un procédé technologique dédié a été mis au point pour s'adapter aux exigences particulières de nos applications. Les références de tension AC ainsi développées présentent des tensions de pull-in variant de 2 V à 100 V avec des fréquences de résonance mécanique mesurées par DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) de seulement quelques kilohertz. Ce dernier résultat permet donc d'envisager l'utilisation de ces références de tension AC sur une large gamme de fréquence, de quelques dizaines de kilohertz jusqu'à quelques Mégahertz. Nou s avons également développé une électronique de commande spécifiquement adaptée aux caractéristiques de nos MEMS et intégrant une régulation de la température au mK près. La stabilité de la tension des MEMS a été mesurée sur plus de 150 heures avec une fluctuation inférieure au millionième à 50 kHz et 100 kHz. Les essais à plusieurs centaines de kHz sont également très prometteurs. La dépendance en température est dix fois plus petite que celle rapportée antérieurement, permettant ainsi de s'affranchir de plateformes de stabilisation thermique sophistiquées.

L'acide glutamique et plus particulièrement son ion associé le glutamate sont des additifs largement utilisés dans l'agro-alimentaire car caractéristiques du gout "umami". Cependant, leur consommation en excès peut être responsable de troubles cérébraux entraînant sueurs, maux de tête, perte d'équilibre, évanouissement et/ou douleurs. Il devient ainsi important de développer des techniques d'analyse en phase liquide des ions glutamates. Les travaux visent ainsi le développement de capteurs enzymatiques basés sur les transistors à effet de champ sensibles au pH (pH-ChemFET), pour la détection du glutamate. Ils visent à la réalisation technologique des microcapteurs Glutamate-EnFET (enzymatic field effect transistor), à leur modélisation et à leur caractérisation en milieux aqueux puis dans la salive, et enfin à leur intégration au sein d'un masticateur électronique développé par le laboratoire FLAVIC-INRA. En parallèle à la réalisation des pH-ChemFET, un nouveau concept de microcapteur, nommé ElecFET, a été mis en place. Ce nouveau concept combine les potentialités de détection des techniques ampérométrique et potentiométrique à la microéchelle. Les différentes étapes technologiques ont été effectuées et les puces ElecFETs ont été fabriquées au sein de la centrale technologique du LAAS-CNRS. Nous avons validé le fonctionnement de l'ElecFET en étudiant d'abord l'électrolyse de l'eau. Ensuite, l'étude des paramètres pouvant influencer la réponse du capteur a été abordée. Enfin, nous avons appliqué ce nouveau concept à la détection du péroxyde d'hydrogène, du glucose et finalement du glutamate.

L'énergie solaire photovoltaïque est une forme d'énergie renouvelable permettant de produire de l'électricité par transformation d'une partie du rayonnement solaire grâce à des modules solaires photovoltaïques, comprenant plusieurs cellules photovoltaïques reliées entre elles. Les impacts locaux du solaire sont très réduits : pas de bruit, pas de rejets et, sur le plan visuel, une relative discrétion voire, pour certaines structures intégrées au bâtiment une réelle élégance. L'électrification par l'énergie solaire photovoltaïque est une solution alternative pour un habitat en site isolé, éloigné du réseau électrique. Elle permet de couvrir les besoins domestiques d'une résidence principale en utilisant des appareils standards (petit électroménager, téléviseur, chaine haute-fidélité, micro-informatique, etc...) et des équipements spécifiques économes en énergie (éclairage et froid). Le photovoltaïque raccordé au réseau représente une filière émergente pour la production décentralisée d'électricité. Toute personne disposant d'un habitat résidentiel, d'un bâtiment communal ou d'un autre lieu d'implantation susceptible de recevoir un champ de modules photovoltaïques, peut devenir un producteur d'énergie renouvelable en injectant toute ou partie de l'électricité localement produite dans le réseau de distribution public. Cependant, à ce jour, le développement massif du solaire photovoltaïque, en tant que moyen de production d'électricité raccordé au réseau, reste pénalisé par son coût de production encore très élevé. Cest dans ce contexte que se situent les travaux de recherche présentés dans cette habilitation à diriger des recherches. Depuis 1996, les recherches du LAAS se sont orientées sur l'Optimisation, la Gestion et le Traitement de l'Energie, et plus particulièrement sur l'optimisation de chaines modulaires de conversion d'énergie photovoltaïque, en complémentarité avec la communauté scientifique française, majoritairement orientée vers la synthèse de matériaux e t le développement de nouveaux types de cellules. L'objectif est de concevoir, réaliser et caractériser des systèmes en liaison avec un aspect intégration technologique fort. Actuellement, différentes architectures de gestion de lénergie photovoltaïque sont proposées sur le marché et permettent de valoriser plus ou moins bien la production de ce type dénergie. Nous nous consacrerons ici aux architectures de conversion DC-DC discrétisées, permettant dapporter une solution technologique novatrice en termes damélioration du rendement de la chaîne de conversion, avec une volonté forte dintégration de lensemble. Après avoir rappelé le concept et la validité du concept de discrétisation, nous nous focaliserons sur létude dun micro-convertisseur pour une cellule photovoltaïque Tandem. Enfin, nous proposons diverses perspectives de recherches inhérentes à la thématique du photovoltaïque. Bien que la fourniture dénergie décentralisée comporte de nombreux avantages, la transition vers un " smart grid " représente plusieurs défis. Un des enjeux majeurs des réseaux d'électricité de demain consiste en lassimilation de la production d'électricité intermittente. Le développement des énergies renouvelables, sources de production d'électricité décentralisées, est souvent freiné par une inadéquation de ces moyens de production avec le fonctionnement du réseau actuel. Ainsi, partant du constat que la production intermittente d'énergie est en effet difficile à intégrer au réseau et ne correspond pas aux périodes de consommation de pointe, nous envisagerons différentes solutions pour intégrer la production d'électricité d'origine renouvelable, notamment par lintroduction de moyens de stockage. Pour valider notre approche qui se veut globale sur la problématique de lénergie, nous évoquerons la constitution du démonstrateur ADREAM en cours de construction au LAAS-CNRS, conçu dès le départ comme un outil de validation grandeur réelle.

La micro-robotique est une extension de la robotique à l'échelle micrométrique, c'est-à-dire autour de la résolution de l'÷uil humain soit environ 100 m. Sa naissance remonte aux années 90 à la suite de l'émergence des MEMS et MOEMS, une dizaine d'années plus tôt. Elle développe des solutions pour les applications de caractérisation de structures et de leur assemblage en produits composés, ou pour les applications de chirurgie minimalement invasive. Nos travaux sont dans le prolongement de la micro-robotique. Ils portent sur la micro vision robotique, une thématique mariant judicieusement la micro-robotique et la micro-vision, c'est-à-dire la vision arti cielle à l'échelle micro-métrique. Nous avons identi é et élucidé trois problématiques : l'imagerie avec les problèmes de modélisation et d'étalonnage, la synthèse d'images virtuelles avec les problèmes de calcul de microscopes virtuels exploitables, et l'asservissement visuel avec les problèmes de suivi robuste et précis d'informations dans les ux d'images, et les problèmes de calcul de lois de commande robustes et précises. Les développements ont été validés sur des applications d'instrumentation scienti que et industrielle : manipulation de micro-structures en vue de leur caractérisation ou de leur assemblage en structures 3D évoluées. Ces travaux vont se poursuivre sur une application de chirurgie minimalement invasive : pilotage de la position d'un spot laser en vue d'intervention sur les tissus du larynx. Puis ils vont s'étendre aux échelles inférieures, c'est-à-dire entre 10 m et 10 nm : la micro-nano et la nano visions robotiques. Les problématiques démeurent inchangées mais de nouveaux développements sont nécessaires pour prende en compte les propriétés spéci ques des imageries (microscopes électroniques) et des robots. Les applications ciblées par ces nouvelles thématiques sont la fabrication, la caractérisation et l'assemblage des micro-nano structures pour les systèmes opto-électroniques ou acousto-optiques.

Il existe un besoin important de développer des capteurs intégrés à faible coût qui ne nécessitent pas de grandes performances. Les technologies de fabrications de MEMS avec un procédé CMOS monolithiques offrent un coût réduit de production collective. Cependant plusieurs verrous subsistent dans le développement de ce type de capteurs. Ce sont : la conception d'une interface de capteur robuste aux fortes dispersions de la technologie, le test à faible coût des parties mécaniques et la mise en boîtier. Cette thèse propose des solutions nouvelles qui adressent les deux premiers points. Elle est illustrée par le développement d'une micro boussole.<br />L'approche proposée part de l'optimisation de l'élément sensible, de l'évaluation de ses performances intrinsèques et de sa modélisation complète qui inclue les effets parasites.<br />Ensuite, les choix au niveau de l'interface sont expliqués et l'utilisation d'un environnement CAO est détaillée. Les solutions proposées permettent à l'électronique de s'auto ajuster ou s'auto étalonner au capteur. Enfin, l'évaluation des stratégies de test basées sur l'utilisation de stimuli électrothermiques montre leur efficacité sur un ensemble de défauts considérés. Nous<br />montrons que ces méthodes permettent un test à faibles coûts du capteur, intégré et en ligne.

L'organisation à grande échelle des chromosomes à l'intérieur du noyau des cellules est complexe et reste encore mal comprise. Durant ma thèse, nous avons exploité les ressources technologiques du LAAS pour développer et optimiser une nouvelle méthode de visualisation en 3D rapide - à l'échelle de la dizaine de millisecondes - avec une résolution spatiale de ~20 nanomètres. Cette méthode est fondée sur la fabrication de micromiroirs en forme de V par gravure humide du silicium, et sur l'analyse d'images avec les techniques de stéréovision qui permettent de recombiner des vues collectées sous différents angles dans un environnement 3D. Ces micromiroirs ont ensuite été intégrés dans un laboratoire sur puce, et plusieurs versions de la technologie ont été proposées afin d'améliorer leurs propriétés. Nous avons démontré que cette technologie est adaptée pour le suivi des mouvements des chromosomes dans les cellules vivantes, que nous avons pu retracer avec les meilleures cadences de la littérature. Ces résultats nous ont ensuite permis d'explorer les mécanismes physiques à l'origine des fluctuations spatiales des chromosomes, et de montrer que les modèles de physique des polymères génériques peuvent être utilisés pour extraire des informations quantitatives décrivant l'organisation et la dynamique spatiale du génome.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement des microtechnologies pour l'amélioration des techniques d'analyse médicale et propose d'améliorer le confort du patient hémodialysé par un suivi en continu de l'efficacité de l'épuration. Il vise la mise au point de microcapteurs chimiques jetables de type ChemFETs pour la détection des ions H+, de l'urée et de la créatinine. Le principe de détection est basé sur la réalisation d'une couche enzymatique générant une catalyse au niveau de grille du ChemFET. Cette réaction chimique induit une variation de pH que le microcapteur mesure. La première partie des travaux de recherche a consisté à élaborer un procédé de fabrication technologique, fiable, peu complexe et utilisant une technologie standard pour la réalisation des microcapteurs chimiques SiO2/Si3N4 pH-ChemFETs. Le procédé de fabrication a été validé à l'aide du logiciel de simulation technologique ATHENA" et du logiciel de simulation électrique ATLAS". Les composants ont ensuite été réalisés dans la centrale technologique du LAAS-CNRS, puis assemblés sur un circuit imprimé; un silicone biocompatible assurant l'étanchéité du système. Les microcapteurs ont ensuite été caractérisés électriquement pour la mesure du pH. L'obtention d'une bonne reproductibilité de mesure et de sensibilités quasi-nernstiennes (55 mV/pH) a validé le procédé technologique de fabrication. Ils ont donc été adaptés à la détection biochimique, et plus précisément de l'urée et de la créatinine. Les membranes enzymatiques ont tout d'abord été déposées manuellement à la microgoutte, puis, afin de considérer le développement industriel des microcapteurs enzymatiques, fabriquées collectivement en utilisant les techniques de photolithographie. La faisabilité de la détection de l'urée et de la créatinine a finalement été démontrée et les propriétés de détection enzymatiques ont été optimisées dans des solutions de dialysat.

L'électronique organique est un domaine de recherche récent en pleine expansion. La plupart des composants de l'électronique classique trouvent à ce jour un équivalent utilisant des matériaux semi-conducteurs organiques (OSCs) : diodes électroluminescents organiques (OLEDs), transistors à effet de champ organiques (OFETs) ou encore cellules photovoltaïques organiques (OPVs). Depuis la réalisation des premières vannes de spin organiques en 2002 et 2004, le domaine de la spintronique organique connaît un certain essor. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte, avec pour objectif de fabriquer des vannes de spin organiques et de les étudier afin de mieux comprendre les mécanismes d'injection et de transport de spin dans les OSCs. Les jonctions réalisées sont constituées de deux électrodes ferromagnétiques, dont la polarisation en spin se conserve audelà de la température ambiante, entre lesquelles un film mince de 50 à 200 nm d'un matériau OSC est pris en sandwich. Au cours de cette thèse, plusieurs molécules ont été étudiées, au regard de leurs différentes propriétés électroniques : le tris-(8-hydroxyquinoline) aluminium (Alq3), le tétraéthyl pérylène 3, 4, 9, 10- tétracarboxylate (PTCTE) et le benzofurane bithiophène (BF3). Des études morphologiques et structurales ont été réalisées afin de contrôler la qualité des interfaces métal/OSC. Des mesures VSM (Vibrating Sample Magnetometer) ont permis de s'assurer du comportement vanne de spin de nos échantillons de 10 K à 300 K. Enfin, des mesures de transport avec ou sans champ magnétique ont été réalisées en fonction de la température. Elles ont permis de mettre en évidence la limitation du courant par les charges d'espace en présence de pièges profonds, avec une conduction par sauts de type Various Range Hopping de Mott. Des méthodes alternatives de fabrication de l'électrode supérieure ont été comparées afin d'améliorer la stabilité des composants réalisés. Pour finir, 3 % de magnétorésistance ont été obtenus à 5 K pour le PTCTE et à 40 K pour le BF3, suggérant que ces matériaux sont de bons candidats pour le transport polarisé en spin.

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont axés sur la caractérisation et l'analyse des mécanismes de défaillances qui apparaissent dans une nouvelle famille de composants microondes : les MEMS-RF (Systèmes Micro-Electro-Mécanique RadioFréquence). Si ces composants ont rapidement suscité beaucoup d'espoirs pour résoudre un grand nombre de verrous concernant les nouvelles architectures de communication, il est apparu que la fiabilité de ces composants a énormément ralenti leur développement industriel. De plus, ces micro-commutateurs résultent d'un couplage multi-physique qui a ajouté une forte complexité et une difficulté de compréhension de leur fonctionnement et donc leur fiabilité. Actuellement, de nombreux et intenses efforts sont réalisés par la communauté scientifique (universitaire et industrielle), car ce sujet reste ouvert à de nombreuses questions et problèmes non résolues. Ce document se propose d'apporter une contribution sur ce sujet à la fois sur le plan expérimental, théorique et technologique.

Cette thèse étudie des matrices d'alimentations. Dans un premier temps, l'intérêt se porte sur la matrice de Butler symétrique de taille N x N. Des formules permettant d'accéder à sa matrice [S] de manière analytique sont trouvées et démontrées. Dans un deuxième temps, la source focale d'une antenne multifaisceaux basée sur une géométrie originale constituée de coupleurs directionnels tridimensionnels est étudiée. Cette structure possède un fort niveau de ré- utilisation de ses éléments rayonnants et donc limite son encombrement global. La conception est détaillée. Les validations expérimentales effectuées sont montrées. Enfin, un système antennaire hybride mécanique / électronique pour de la poursuite est étudié. Sa conception est divisée en plusieurs parties. Les dépendances entre ces différents éléments sont mises en évidence, ainsi que la complexité de construction et les choix et compromis à effectuer.