Cette habilitation à diriger des recherches résume la majeure partie des activités que nous avons menées dans le domaine des systèmes communicants hautes fréquences, et qui nous ont permis d'en explorer l'élément central "synthèse de fréquences", dans ses déclinaisons intégrées sur silicium, véritables lignes directrices de nos travaux. Si la synthèse de fréquences est essentielle, c'est qu'elle permet aux différents standards de communication actuels (WiFi, Bluetooth, ZigBee, ...) et futurs (Wireless-HD, ...) d'exister et de cohabiter, de commuter entre les canaux des différents utilisateurs, et dans certaines techniques d'étalement de spectre, d'assurer des sauts de fréquences ultra rapides. De multiples aspects ont été abordés, dont l'originalité réside dans le croisement des approches analogiques, numériques, mixtes, basses et hautes fréquences, impliquant les niveaux composants, circuits et systèmes, depuis l'optimisation très ciblée de fonctions élémentaires jusqu'à une application de métrologie de bruit de phase totalement atypique car entièrement intégrée et reconfigurable, en passant par la remise en question d'architectures habituelles de synthèse visant à en résoudre certains défauts récurrents. En tout premier lieu, nous avons mené une activité de conception analogique " classique " d'oscillateurs intégrés, que notre participation à un projet européen nous a permis de coupler pour la première fois à des résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW) très sélectifs dans une approche SoC "above-IC" à 5 GHz. Ils ont affiché des performances en bruit de phase à l'état de l'art au moment de leur publication. À côté de cela, nous avons développé des activités autour de la boucle à verrouillage de phase (PLL), fonction complexe standard des synthèses de fréquences. Avec elles, nous avons pu mettre en oeuvre des techniques de conception originales dans la numérisation haute fréquence des fonctions de la boucle, diviseurs, comparateurs phase/fréquence et filt res, ce qui nous a permis de dépasser certaines limitations au regard des technologies standards utilisées, en termes de chemins critiques, de parasites et de fréquences de fonctionnement notamment. En nous intéressant à la numérisation du dernier bloc de la PLL, l'oscillateur contrôlé en tension (VCO), nous nous sommes tournés vers le synthétiseur de fréquences digital direct (DDS). C'est avec cette fonction, dont le domaine d'application se révéla bien plus large que le seul oscillateur numérique (NCO), que nous avons pu apporter les solutions les plus singulières, voire les plus osées, en totale rupture avec les habitudes du domaine basse fréquence dont elle est issue. Nous avons ainsi été les premiers à proposer une architecture basse consommation de plusieurs milliers de transistors et fonctionnant au-delà de la gamme RF (6 GHz) sur une technologie pourtant grand public. Un brevet nous a également permis de mettre en valeur un fonctionnement spécial du DDS, capable de lui faire générer facilement des impulsions ultra-large bande (UWB). Dans une dernière partie, nous avons abordé les systèmes de mesure sur puce, et en particulier la mesure intégrée de bruit de phase, paramètre dont la minimisation est essentielle à la qualité des systèmes communicants. Nous avons montré qu'il était possible de concevoir sur une technologie courante des fonctions analogiques d'instrumentation dont la contribution minime en bruit a pu permettre la création d'un banc de mesure de bruit de phase reconfigurable totalement intégré. Les déclinaisons de ce banc, décrites dans un brevet, le rendent capable aussi bien de mesurer le bruit de phase de sources de fréquences que celui résiduel de quadripôles. Nul doute que les micro et nano systèmes hétérogènes multiphysiques du futur sauront tirer bénéfice de tels bancs de mesure miniatures intégrés, autorisant un traitement du signal des plus fidèle car effectué "au plus proche" des différents capteurs à interroger. Notre contribution s' est toujours voulue volontairement appliquée, en gardant à l'esprit certaines notions élémentaires telles que le coût et la consommation raisonnés des techniques et technologies mises en oeuvre, que la quête de l'innovation et de l'excellence doit malgré tout motiver, mais que le Graal de la performance ultime peut facilement faire oublier.

Afin d'accélérer ce processus de conception des systèmes embarqués, un environnement de simulation rapide et performant peut s'avérer indispensable. Pour la rendre performante, les modèles comportementaux des composants élémentaires du système doivent être capables de remplacer les éléments réels dans leurs influences et réponses à tous les phénomènes influents: perturbations, affaiblissements, retards... Nos travaux de thèse visent à contribuer à cette approche méthodologique : ils traitent le développement d'un émulateur des RCSFs. Pour ce faire deux types de simulateurs ont été étudiés: * le premier est un simulateur " software " basé sur la création de modèles comportementaux, décrits en langage VHDL-AMS. * le deuxième est un simulateur hardware basé sur la création des modèles logiques comportementaux, décrits en langage VHDL synthétisable. La simulation s'effectuera sur un composant FPGA cible. Des modifications peuvent être faites sur l'architecture de manière dynamique.

De nombreuses études récentes ont montré la présence de quantités élevées de polluants à l'intérieur de l'habitacle automobile. La solution proposée pour pallier ce problème est l'élaboration d'un capteur de gaz capable de détecter les polluants pénétrant à l'intérieur du véhicule, engendrant la fermeture des volets d'aération lors de l'observation d'un pic de pollution. Les micro-capteurs chimiques à oxydes métalliques sont les meilleurs candidats pour résoudre cette problématique : ils présentent une grande sensibilité à de nombreux gaz, des temps de réponse rapides, et leur coût de production est faible. Leur principal défaut est un manque de sélectivité. Les travaux de recherches effectués ont consisté à mettre au point un micro-dispositif intégrant un réseau multicapteur de gaz à détection conductimétrique : sur une même puce micro-usinée en silicium sont intégrées plusieurs couches sensibles différentes, visant à détecter sélectivement plusieurs gaz : le monoxyde de carbone (CO), le dioxyde d'azote (NO2), l'ammoniac (NH3), l'acétaldéhyde (C2H4O) et le sulfure d'hydrogène (H2S). Pour se faire, trois axes d'études principaux se sont dégagés. La première partie de cette étude s'est portée sur la conception des micro-plateformes chauffantes à l'aide d'un outil de simulations numériques multiphysiques, pour optimiser, d'une part leur structure et leur géométrie afin d'atteindre les performances thermiques escomptées (optimisation du rendement thermoélectrique et minimisation d'interaction d'une cellule à l'autre), et d'autre part les performances thermomécaniques compte tenu de la possibilité d'utiliser un mode de fonctionnement des capteurs en transitoires thermiques rapides. Le modèle obtenu a été validé par comparaison à des mesures physiques. Celui-ci nous a permis d'améliorer le comportement thermique à la surface de la membrane et de réduire les coûts de fabrication en simplifiant le design. La fabrication en centrale technologique de la plateforme multicapteurs a ensuite été réalisée en tenant compte des améliorations proposées par la modélisation. Une étude spécifique sur l'intégration dans le procédé d'une technique industrielle des dépôts des matériaux sensibles par jet d'encre a été menée. Nous avons ainsi mis au point une méthode permettant de déposer rapidement et à bas coûts plusieurs couches sensibles (ZnO, CuO et SnO2) sur une même structure de détection. Enfin, nous avons procédé à l'élaboration d'un système décisionnel, comprenant deux éléments : la mise au point d'un profil optimisé de contrôle des résistances chauffantes et sensibles permettant d'améliorer la sensibilité, la sélectivité et la stabilité, et une analyse multivariée des données. Il a de ce fait été possible de détecter sélectivement la plupart des gaz ciblés (seuls et mélangés) à de faibles concentrations (0,2 ppm de NO2, 2 ppm de C2H4O, 5 ppm de NH3 et 100 ppm de CO).

La connexion entre un générateur photovoltaïque (GPV) et une charge de type continu reste encore un sujet d'étude. L'adaptation d'impédance entre un générateur PV et une charge de type continu est un problème technologique que signifie essentiellement le transfert du maximum de puissance du générateur PV à la charge. La littérature propose une grande quantité de solutions sur l'algorithme de contrôle effectuant une recherche de PPM lorsque le GPV et la charge sont connectés à travers un convertisseur statique. Le problème est abordé dans sa globalité dans cette thèse par une approche systémique du point de vue architecture de conversion et mode de commande associée visant des rendements, fiabilités et flexibilités élevés. Deux voies de recherches ont été menées sur les étages d'adaptation selon d'une part, le concept de transformateur DC et d'autre part, celui de girateur DC. Le premier correspond à une modélisation classique des fonctions basiques idéalisées d'un convertisseur DC/DC en régime établi. Le second correspond au comportement en régime établi d'un girateur de puissance. Concernant les girateurs de puissance, comme ces structures sont peu connues dans le domaine de la conversion de puissance, nous avons mis au point une méthodologie pour la conception et la classification des différents types de girateurs de puissance existants. Dans les deux cas, la réalisation d'étages d'adaptation pour GPV a été menée à travers plusieurs structures simples de convertisseurs statiques pour valider les performances réelles de chacun et en préciser l'utilisation la plus appropriée.

L'objectif de cette étude est de montrer la faisabilité d'un nouveau capteur de gaz a transduction RF, passif et sans fil. Ce nouveau capteur est composé de deux lignes coplanaires sur membrane et d'un résonateur diélectrique (RD). L'association de ces deux éléments permet de réaliser un filtre que nous excitons par une onde électromagnétique hyperfréquence en modes de galerie. Grâce à l'effet de " Relaxation Diélectrique ", nous pouvons détecter une variation de l'ambiance gazeuse par un décalage d'une fréquence de résonance du filtre. Les résultats de simulations électromagnétiques ont montré que la détermination de la fréquence de résonance d'un des modes de galerie permettait de détecter facilement la présence de gaz avec une grande sensibilité. Le développement de ce circuit simulé a été réalisé en deux étapes : la fabrication des lignes coplanaires sur membrane et l'élaboration du résonateur diélectrique à base d'un matériau sensible aux gaz. La réalisation d'un RD en TiO2 a été abordée en collaboration avec le CIRIMAT en utilisant la technique SPS (une voie prometteuse mais non encore maitrisée pour nos structures). Compte tenu des difficultés rencontrées, nous avons validé le concept du capteur en utilisant un résonateur en céramique (BaSmTiOxide) réalisé par Temex-Ceramics. L'assemblage des deux parties du capteur a permis d'obtenir les premiers dispositifs et de les caractériser sous différentes ambiances. Les résultats obtenus coïncident bien avec ceux de simulation ce qui valide le principe et la conception de ce nouveau capteur. Enfin, une dernière partie de l'étude est focalisée sur la communication sans fil de ce capteur passif à l'aide d'un RADAR FMCW.

Dans ce mémoire, nous proposons une structure IGBT symétrique en courant et en tension. Cet interrupteur monolithique et commandé par MOS devrait pouvoir remplacer la structure triac, actuellement le seul dispositif bidirectionnel monolithique commercialisé, dans des applications sur le réseau alternatif. En effet, le triac est un composant commandé en courant et nécessite une énergie de commande élevée par rapport aux structures commandées en tension. Nous avons dans un premier temps analysé les principales structures bidirectionnelles commandées en tension proposées dans la littérature afin de déterminer leurs avantages et leurs limitations. Nous avons ensuite étudié, conçu et réalisé la structure IGBT bidirectionnelle en courant et en tension. L'étude menée utilise des simulations 2D afin d'évaluer l'influence des paramètres technologiques et géométriques sur les performances en conduction et en commutation de l'IGBT bidirectionnel. Deux voies technologiques pour la réalisation du composant ont été proposées et intégrées dans la filière IGBT du LAAS. La première voie est basée sur l'utilisation de la technique de photolithographie double face et la deuxième est basée sur la technique de soudure directe Si/Si. Une analyse approfondie des deux techniques nous a permis de mettre en évidence les atouts et les limites de chaque technique. Enfin, nous avons proposé une autre structure bidirectionnelle en courant et en tension, commandée par MOS et à électrodes coplanaires. En effet, cette structure originale a toutes ses électrodes de puissance et de commande sur une seule face du substrat ce qui permet de remédier à la difficulté d'encapsulation rencontrée avec la plupart des structures bidirectionnelles proposées dans la littérature. Cette architecture originale devrait en outre faciliter, en utilisant des techniques d'interconnexion 3D, l'intégration in package du dispositif de puissance avec sa commande. Une analyse du fonctionnement de cette structure est effectu ée à l'aide de simulations 2D et des éléments de conception et de réalisation ont été donnés.

L'autonomie énergétique des systèmes embarqués est un frein majeur au développement de l'intelligence ambiante et de l'internet des objets. Cette thèse présente un système générique de gestion de micro-puissance capable d'alimenter un nœud de réseau de capteurs autonomes et communicant sans fil (WSN). L'architecture proposée est basée sur un convertisseur DC/DC abaisseur simple inductance multi-entrées multi-sorties (SI MIMO) associé à un circuit de recherche du point de puissance maximal (MPPT) très basse consommation. Nous montrons dans ce travail que cette famille de convertisseurs permet d'hybrider efficacement plusieurs sources et plusieurs éléments de stockage pour fournir les tensions régulées nécessaires à l'alimentation électrique d'un nœud de WSN. Pour ce faire, et dans le cadre du projet PCB², nous avons réalisé un convertisseur SI MIMO à base de composants discrets ultra basse consommation sur carte PCB. Ce convertisseur interface un récupérateur piézoélectrique, une cellule photovoltaïque et une batterie fine au LIPON (Lithium Phosphorous Oxynitride) enterrée dans le circuit imprimé, pour alimenter un capteur de température enregistreur. Le développement de modèles pour chacun de ces dispositifs et leur implémentation dans un environnement de simulation système en VHDL-AMS a permis, dans un premier temps, de valider le concept présenté, puis, a guidé le travail de conception et d'optimisation du circuit du démonstrateur. Le rendement ainsi obtenu avoisine 55% dans les conditions normales d'utilisation et tend vers 70% lorsque le niveau de puissance qui transite dans le convertisseur dépasse 500 µW.

Depuis plusieurs années de nombreuses technologies non volatiles sont apparues et ont pris place principalement dans le monde de la mémoire, tendant à remplacer tout type de mémoire. Leurs atouts laissent à penser que certaines d'entre elles, et en particulier les technologies MRAM, pourraient améliorer les performances des circuits intégrés en utilisant leurs composants magnétiques, si connus notamment sous le nom de jonctions tunnel magnétiques, dans la logique. Pour évaluer ces éventuels gains, il faut être capable de concevoir de tels circuits. C'est pourquoi nous proposons dans ces travaux d'une part un kit de conception complet pour les flots de conception full custom et numérique, permettant de couvrir l'ensemble des étapes de conception pour chacun d'entre eux. Une partie de ce kit a servi à plusieurs partenaires de projets de recherche ANR, pour concevoir des démonstrateurs. Nous proposons également dans ce kit de conception un latch magnétique non volatil innovant ultra compact, pour lequel deux brevets d'invention ont été déposés, intégré à une flip-flop. Enfin, nous présentons l'intégration de composants magnétiques à deux applications, sécurité et faible consommation, ainsi qu'une étude qui montre que les gains en consommation statique peuvent être considérables.

L'intégration complète des dispositifs de conversion d'énergie destinés à créer des circuits d'alimentation compacts se heurte encore aujourd'hui à des contraintes technologiques fortes sur l'intégration des composants passifs inductifs et capacitifs. La fréquence de fonctionnement de ces dispositifs, d'ores et déjà de l'ordre du MHz, en augmentant pourrait réduire la taille de ces composants passifs et donc permettre leur intégration. Cependant, les pertes fortement liées à la fréquence et à la technologie, freinent encore cette augmentation.<br />Cette thèse a pour objectif l'étude systématique de structures d'inductances intégrées à travers le développement d'une modélisation accompagnée de simulations précises pour le développement d'une méthodologie de simulation valable sur la plage de fréquence de 0Hz à 1GHz. Pour cela, un modèle analytique basé sur la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) a d'abord été développé. Ce type de modèle a du être adapté aux topologies des composants étudiés : symétrie cylindrique, conducteurs de section non négligeable, milieux non homogènes... Ce modèle décompose l'étude du composant en deux étapes : calculs électromagnétiques menés sur des sous-parties du composant (éléments partiels) et calcul de la réponse fréquentielle globale à partir de modèles électriques des éléments partiels. Un procédé complet de réalisation technologique des composants inductifs a également été mis au point en parallèle afin de valider expérimentalement la modélisation. L'amélioration de la résolution des motifs et l'augmentation de l'épaisseur des dépôts lors des étapes de croissance électrolytique du cuivre, ainsi que la planarisation des niveaux de conducteurs avec de la résine SU8 ont fait l'objet d'études spécifiques. Ces avancées ont permis la réalisation de selfs multibrin et multiniveau qui présentent des caractéristiques électriques intéressantes en haute fréquence. Enfin, la caractérisation des prototypes en basse fréquence a été rendue possible par la mise en oeuvre d'un banc de mesure d'impédance pour la gamme de fréquence de 40 Hz à 110MHz et des caractérisations en haute fréquence effectuées à l'aide d'un analyseur de réseau. Ces travaux ont été complétés par la mise au point d'une méthode analytique de calcul du champ magnétique. Les calculs permettent de prédire la répartition du champ magnétique généré par des actionneurs magnétiques planaires intégrés excités en courant continu.

Ce mémoire décrit la conception, la modélisation et la commande d'un manipulateur pneumatique, fondé sur un principe de traction aérodynamique original. De puissants jets d'air verticaux permettent de créer un flux d'air horizontal pour manipuler des objets sans contact. Les objets sont maintenus en constante lévitation sur la surface grâce à un coussin d'air, et peuvent être positionnés selon trois degrés de liberté du plan, grâce à la combinaison adéquate et distribuée de jets d'air verticaux. Nous détaillons la conception d'un prototype original de manipulateur exploitant ce principe fluidique. Ce prototype a été intégré dans une plate-forme expérimentale afin de valider le principe de manipulation : le système permet de déplacer des objets à une vitesse atteignant 180 mm/s. Nous avons modélisé le fonctionnement de la surface selon plusieurs méthodes. Un premier modèle comportemental, fondé sur des données expérimentales, a été établi. Il permet de simuler l'évolution de la position d'un objet sur la surface, selon un degré de liberté. Deux modèles de connaissance, fondés sur une étude aérodynamique fondamentale, donnent l'évolution de la position de l'objet selon respectivement deux et trois degrés de liberté du plan. Chacun des modèles a été validé expérimentalement. Nous avons synthétisé différents contrôleurs afin d'asservir la position de l'objet : un premier, de type PID, et un second, de type robuste (méthode H1). La commande de un, puis deux degrés de liberté du système, a permis d'atteindre de bonnes performances : temps de réponse d'environ 2 s et dépassement souvent inférieur 'a 5%. Nous avons également étudié un micro-manipulateur pneumatique permettant de déplacer des objets de taille millimétrique selon deux directions, grâce à des jets d'air inclinés. Ces objets peuvent atteindre des vitesses de 123 mm/s. La résolution du positionnement est inférieure 'a 0.4 μm.