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.

La microfluidique est un domaine relativement récent, elle est réellement apparue qu'au début des années 90. Mais ce domaine a connu une très forte progression et a atteint une certaine maturité qui lui permet d'intervenir dans un large spectre d'applications, chimiques, biologiques, génomiques, optiques... Cet essor a été permis par le développement de technologiques spécifiques et particulièrement par les technologies polymères. Le travail de thèse présenté ici s'appuie donc sur le savoir-faire technologique du laboratoire en microfabrication pour réaliser un couplage entre la microfluidique et les hyperfréquences et ainsi élargir encore un peu plus son spectre d'application. Un des challenges actuels pour les circuits d'émissions-réceptions est la miniaturisation des éléments passifs reconfigurables. Des filtres accordables grâce à des moyens microfluidique ont donc été étudiés de la conception à la caractérisation, en passant par un important travail de fabrication. Celui-ci est basé sur la technique de laminage de film sec de SU-8 et a permis d'intégrer des canaux microfluidiques aux substrats de filtres micro-rubans. La circulation d'eau distillée a montré de très bons résultats en termes de décalages de la fréquence centrale. D'autres pistes d'interactions liquides-micro-ondes sont également présentées telles qu'une utilisation de filtres comme capteur d'élément chimiques ou biologiques.La microfluidique est un domaine relativement récent, elle est réellement apparue qu'au début des années 90. Mais ce domaine a connu une très forte progression et a atteint une certaine maturité qui lui permet d'intervenir dans un large spectre d'applications, chimiques, biologiques, génomiques, optiques... Cet essor a été permis par le développement de technologiques spécifiques et particulièrement par les technologies polymères. Le travail de thèse présenté ici s'appuie donc sur le savoir-faire technologique du laboratoire en microfabrication pour réaliser un couplage entre la microfluidique et les hyperfréquences et ainsi élargir encore un peu plus son spectre d'application. Un des challenges actuels pour les circuits d'émissions-réceptions est la miniaturisation des éléments passifs reconfigurables. Des filtres accordables grâce à des moyens microfluidique ont donc été étudiés de la conception à la caractérisation, en passant par un important travail de fabrication. Celui-ci est basé sur la technique de laminage de film sec de SU-8 et a permis d'intégrer des canaux microfluidiques aux substrats de filtres micro-rubans. La circulation d'eau distillée a montré de très bons résultats en termes de décalages de la fréquence centrale. D'autres pistes d'interactions liquides-micro-ondes sont également présentées telles qu'une utilisation de filtres comme capteur d'élément chimiques ou biologiques.

Avec les évolutions technologiques, les composants électroniques deviennent de plus en plus sensibles aux décharges électrostatiques (ESD). De nos jours, la fiabilité des circuits intégrés dans les étapes de fabrication est garantie par un ensemble de normes définissant des niveaux de robustesse. Mais les stratégies de protection implémentées dans les circuits intégrés, visant à respecter ces normes, ne suffisent pas toujours à garantir la robustesse des composants dans leur application finale. Ces nouveaux problèmes de fiabilité ne sont pas encore bien compris, étant donnée la complexité des phénomènes mis en jeu dans un système réel en fonctionnement. En tenant compte de ces faits, nous pouvons nous interroger sur l'efficacité des stratégies de protection contre les ESD utilisées de façon conventionnelle pour protéger contre des stress de type système. L'ensemble des travaux de thèse présentés vise à l'amélioration de la robustesse, quant à ces nouvelles exigences, de composants analogiques dédiés aux applications portables (téléphonie, multimédia). En partant d'un cas concret, pour lequel il existe une grande différence de robustesse entre le produit alimenté et non-alimenté, nous présenterons les différents résultats d'analyse (analyse de défaillance, caractérisation électrique en impulsion de type TLP et VFTLP, simulations de type SPICE) qui nous ont conduits à proposer une solution de protection intégrée respectant les exigences.

La nanotechnologie est un domaine en voie d'expansion qui a attiré l'attention de la recherche en raison de ses applications potentielles illimitées. La technologie des ondes millimétriques est un autre domaine intéressant qui joue un rôle de premier plan dans le développement des systèmes de communications sans fil. La combinaison de ces deux champs de recherche avancée, donne naissance à l'innovation du Dispositif Ratchet qui est une nouvelle application qui représente un vrai défi. Ce dispositif est de taille nanométrique et son concept d'opération consiste à générer une tension DC lorsque le dispositif, basé sur le gaz d'électron bidimensionnel, est rayonné par l'énergie des micro-ondes. L'objectif de cette thèse est d'essayer d'améliorer la réponse du dispositif, ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans la fabrication de générateurs de courant et des détecteurs de champ à haute fréquence et dans l'échelle nanométrique. Malheureusement, les Dispositifs Ratchet actuels, basés sur des hétérostructures de semiconducteurs, réalisés jusqu'à présent fonctionnent à basse température pour assurer une grande mobilité électronique. Cette condition nécessite l'utilisation d'un setup expérimental complexe qui a un grand impact sur la tension induite et sur la reproductibilité du phénomène Ratchet observé. Dans ce contexte, le travail effectué dans le cadre de cette thèse a abordé ce problème en deux parties. La première partie concerne l'analyse électromagnétique du setup expérimental. Ceci a été réalisé par la mise en oeuvre des simulations électromagnétiques intenses. D'autre part, différentes solutions ont été proposées afin d'optimiser le setup et ainsi améliorer la tension Ratchet produite. Outre l'étude électromagnétique, certaines mesures de modulation ont été réalisées pour tester la faisabilité du Dispositif Ratchet comme un démodulateur d'amplitude. La deuxième partie de cette thèse traite l'étude de la matière qui compose le Dispositif Ratchet. Récemment, le graphène commence à envahir le monde scientifique et technologique avec ses fascinantes propriétés électroniques, tels que sa mobilité d'électrons élevée à température ambiante, où les matériaux conventionnels sont en train de confronter des obstacles. En conséquence, l'idée de fabriquer un Dispositif Ratchet à base de graphène au lieu des hétérojonctions de semiconducteurs, a été introduite. Plusieurs modèles de conception, caractérisation et mesures RF ont été accomplis en vue d'obtenir un Dispositif Ratchet fiable approprié pour de nombreuses applications pratiques à la température ambiante, dans la gamme de fréquences micro-ondes et pourraient s'étendre à la bande térahertz