L'évolution de notre société est spectaculaire. Les nouvelles technologies apportent sans cesse des bouleversements dans nos vies, dont nous n'avons d'ailleurs pas toujours conscience tellement ces changements sont rapides et naturels. Qui aujourd'hui ne possède pas un téléphone portable extra miniature, possédant de multiples fonctionnalités intégrées: appareil photo, boussole, loupe...? Qui n'a pas entendu parlé des progrès phénoménaux réalisés en médecine avec, par exemple, la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) ou encore l'utilisation par les chirurgiens d'outils extrêmement précis, assistés par ordinateur? Parmi ce contexte très général de révolutions technologiques, ma simple contribution se situe dans le développement de microsystèmes hyperfréquences, que ce soit :  pour les communications et transfert d'informations avec des modules toujours plus performants et agiles (multifonctionnalité),  et plus récemment pour les domaines de la biologie et du médical avec le développement de systèmes d'analyse par ondes électromagnétiques hautes fréquences. La démarche scientifique adoptée vise à établir, grâce aux microtechnologies, de nouvelles perspectives d'exploitation des microsystèmes hyperfréquences, au-delà des technologies conventionnelles. Ceci commence par l'élaboration de circuits passifs à fort coefficient de qualité, leur intégration tridimensionnelle vers toujours plus de miniaturisation et fréquences de fonctionnement plus élevées, l'évaluation de matériaux inédits (notamment à base de nanotubes de carbone) qui apportent de nouvelles possibilités aux concepteurs HF, de concepts innovants de composants à forte reconfigurabilité, que ce soit par une approche mécanique avec les MEMS RF, ou encore avec des liquides, jusque de nouvelles applications pour les domaines de la biologie et du médical, l'environnement et même l'agro-alimentaire.

La manipulation à grande l'échelle de microparticules dispersées dans une solution peut être réalisée, même si cela reste délicat, en employant la force de diélectrophorèse (DEP). Cette force résulte de la polarisation des microparticules sous l'influence d'un champ électrique non uniforme. L'objectif de ma thèse de doctorat est d'exploiter la force de diélectrophorèse en vue de réaliser un tri ou un assemblage de particules. Le système de tri de particules développé est entièrement fabriqué au sein de la salle blanche du LAAS. Les dimensions et géométries du système ont été déterminées grâce à des simulations préliminaires en utilisant le logiciel COMSOL. Ce système nous a permis de trier et séparer des billes de latex de 5µm et 10µm avec un taux d'erreur inférieur à 2% et un flux d'environ 100µm/s. Nous avons également séparé des levures mortes et vivantes. En effet, les propriétés électriques des levures diffèrent selon leur état de viabilité. Après tri, la portion de cellules viables a été enrichie par un facteur 4. Les erreurs de tri sont principalement dues au fait que les levures ont des tailles inhomogènes ce qui influe sur la force de diélectrophorèse. Les forces de diélectrophorèse permettent aussi d'attirer divers objets vers les zones de fort gradient de champ électrique. Ces travaux se focalisent sur l'assemblage par DEP de nanotubes de carbone et de nanofils de silicium. Nous avons développé un procédé de salle blanche qui permet d'assembler ces objets, à grande échelle, sur des sites spécifiques. Ces objets sont ensuite connectés individuellement en vue d'une caractérisation électrique. L'intégration contrôlée à grande échelle des ces objets est importante en vue d'un éventuel transfert industriel vers les acteurs de la microélectronique. Ce procédé d'intégration à grande échelle (plusieurs cm2) permettra d'avoir une approche statistique lors des caractérisations électriques. Tous ces travaux ont pour but d'étudier le mouvement de particules en solut ion soumises à des champs électriques afin de contrôler leurs mouvements et leur localisation.

La miniaturisation des gravures des transistors résulte en une augmentation de la sensibilité aux soft-erreurs des circuits intégrés face aux particules énergétiques présentes dans l'environnement dans lequel ils opèrent. Une expérimentation, présentée au cours de cette thèse, concernant l'étude de la sensibilité face aux soft-erreurs, dans l'environnement réel, des mémoires SRAM provenant de deux générations de technologies successives, a mis en évidence la criticité de cette thématique. Cela pour montrer la nécessité de l'évaluation des circuits faces aux effets des radiations, surtout les circuits commerciaux qui sont de plus en plus utilisés dans les applications spatiales et avioniques et même dans les hautes altitudes, afin de trouver les méthodologies permettant leurs durcissements. Plusieurs méthodes d'injection de fautes, ayant pour but l'évaluation de la sensibilité des circuits intégrés face aux soft-erreurs, ont été le sujet de plusieurs recherches. Les travaux réalisés au cours de cette thèse ont eu pour but le développement d'une méthode automatisable, avec son outil, permettant l'émulation des effets des radiations sur des circuits dont on dispose de leurs codes HDL. Cette méthode, appelée NETFI (NETlist Fault Injection), est basée sur la manipulation de la netlist du circuit synthétisé pour permettre l'injection de fautes de types SEU, SET et Stuck_at. NETFI a été appliquée sur plusieurs architectures pour étudier ses potentialités ainsi que son efficacité. Une étude sur un algorithme tolérant aux fautes, dit self-convergent, exécuté par un processeur LEON3, a été aussi présenté dans le but d'effectuer une comparaison des résultats issus de NETFI avec ceux issus d'une méthode de l'état de l'art appelée CEU (Code Emulated Upset).

Grâce à l'augmentation continue des performances des circuits intégrés, l'électronique s'est largement développée dans la plupart des secteurs d'activité et tout particulièrement dans les systèmes embarqués. Ces systèmes doivent répondre à des contraintes de fiabilité sévères pour résister à des agressions issues de phénomènes transitoires variés, comme les décharges électrostatiques (ESD). À l'heure actuelle, l'impact de ces agressions sur le taux de retours clients des circuits intégrés est de 40 à 50 %. Pour améliorer l'immunité du système, et réduire ainsi les coûts de production et de suivi des produits, il devient nécessaire de prendre en compte ces perturbations dès la conception et d'avoir une approche globale de protection. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous avons développé une méthodologie de simulation, des modèles et les techniques de caractérisation associées afin d'évaluer l'impact d'un stress ESD en tous points d'une carte électronique en fonction des caractéristiques de chaque composant et du placement/routage. L'approche de modèlisation choisie s'appuie sur les outils informatiques de conception fonctionnelle des circuits et cartes et utilise le langage VHDL-AMS dont la certification IEEE en fait un standard industriel. Pour la caractérisation, l'originalité concerne l'utilisation d'un banc de test en impulsions de type Very Fast-TLP, couplé à différentes méthodes d'injection, qui permet à la fois, l'extraction des paramètres pour les modèles et d'observer la réponse du circuit intégré agressé sur la carte. Le résultat majeur de cette étude est la possibilité de simuler la réponse d'une carte électronique à une agression ESD (ex : ESD de type IEC) depuis son impact jusqu'au niveau de toute entrée/sortie des composants de la carte. L'approche est validée sur un circuit test simple mais aussi sur une application plus complexe à base d'un microcontrôleur. Elle permet de s'assurer que chaque composant est adéquat en termes de robustesse et de détecter des couplages indésirés.

L'expansion du marché des semi-conducteurs dans tous les secteurs d'activité résulte de la capacité de créer de nouvelles applications grâce à l'intégration de plus en plus de fonctionnalités sur une surface de plus en plus faible. Pour chaque entreprise, la compétitivité dépend du coût de fabrication mais aussi de la fiabilité du produit. Ainsi, la phase de test d'un circuit intégré, et plus particulièrement des circuits analogiques et mixtes, est le facteur prédominant dans les choix d'un compromis entre ces deux critères antagonistes, car son coût est désormais proche du coût de production. Cette tendance contraint les acteurs du marché à mettre en place de nouvelles solutions moins onéreuses. Parmi les recherches dans ce domaine, la conception en vue du test (DfT) consiste à intégrer pendant le développement de la puce, une circuiterie additionnelle susceptible d'en faciliter le test, voire d'effectuer un auto-test (BIST). Mais la sélection d'une de ces techniques nécessite une évaluation de leur capacité de différencier les circuits fonctionnels des circuits défaillants. Ces travaux de recherche introduisent une méthodologie d'estimation de la qualité d'une DfT ou d'un BIST dans le flot de conception de circuits analogiques et mixtes. Basée sur la génération d'un large échantillon prenant en compte l'impact des variations d'un procédé technologique sur les performances et les mesures de test du circuit, cette méthodologie calcule les métriques de test exprimant la capacité de chaque technique de détecter les circuits défaillants sans rejeter des circuits fonctionnels et d'accepter les circuits fonctionnels en rejetant les circuits défaillant. Ensuite, le fonctionnement d'un auto-test numérique adapté aux convertisseurs sigma-delta est présenté ainsi qu'une nouvelle méthode de génération et d'injection du stimulus de test. La qualité de ces techniques d'auto-test est démontrée en utilisant la méthodologie d'estimation des métriques de test. Enfin, un démonstrateur développé sur un circuit programmable démontre la possibilité d'employer une technique d'auto-test dans un système de calibrage intégré.

Les travaux de recherche présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans la dynamique de progrès liés au développement de la microélectronique, des télécommunications à courtes portées et de la fusion de données multicapteurs. Ils portent sur l'étude de microsystèmes autonomes communicants interconnectés pour des fonctions de surveillance. Ces nouveaux dispositifs ont pour objectif d'offrir des capacités de traitement-communication inexistant initialement dans des objets physiques de types senseurs/actionneurs. Leur développement sera considérable dès lors qu'ils pourront constituer un réseau local communicant et s'insérer de manière simple dans un système plus global. De nouvelles fonctionnalités de supervision sont alors envisageables. Ces travaux contribuent par une approche globale et méthodologique à cet objectif en étudiant les principaux constituants de tels microsystèmes depuis la conception jusqu'à la réalisation : capteurs de présence, dispositifs de communication intégrés sans fil et algorithmes de diagnostic. La démarche scientifique s'appuie sur quelques exemples d'application dans le domaine de la domotique qui ont permis d'une part, d'élaborer et de valider expérimentalement les concepts technologiques proposés, et d'autre part, d'élaborer des solutions techniques pour des architectures de communication adaptées. Deux systèmes d'intelligence ambiante reposant sur le concept original d'apprentissage automatisé des habitudes de présence servent de support aux différents développements : PROSAFE pour la surveillance de personnes âgées et ERGDOM pour la gestion du confort thermique ressenti. Ces démonstrateurs réalisés et évalués sur sites réels contribuent à l'avancée des travaux effectués pour l'habitat intelligent

Les pathologies du système nerveux central sont souvent caractérisées par des pertes de populations cellulaires. Une voie thérapeutique prometteuse en développement consiste à utiliser des biomatériaux bioactifs, associant une greffe de cellules et des biopolymères servant d'échafaudage pour la confection des nouveaux tissus in vitro, implantés in vivo. Dans cette thèse, nous développons une bioprothèse cérébrale qui combine le potentiel régénératif des cellules souches adultes humaines avec un pilotage du comportement de ces cellules par la microtopographie et les nanotubes de carbone. Dans une première partie, dédiée aux études in vitro des interactions entre différents types de cellules neuronales et des indices topographiques, nous montrons que la variation de la géométrie de microsillons créés sur la surface d'un polymère non cytotoxique, le PDMS, permet de déterminer l'architecture des réseaux neuronaux développés. Nous démontrons aussi que les nanotubes de carbone déposés sur des surfaces sous forme de couches constituent un substrat favorable pour le développement des cellules neuronales, et proposons une nouvelle explication de leur rôle dans la culture cellulaire. Dans une deuxième partie, nous utilisons ces résultats pour élaborer une bioprothèse cérébrale pour le rat visant à reconstituer un tissu lésé, dans le cortex moteur responsable de la motricité. L'architecture de la bioprothèse développée intègre les impératifs liés à la culture de cellules souches et liés à la neurochirurgie. Elle est faite en PDMS qui est microstructuré en surface et comporte des cellules souches neurales adultes prédifférenciées en neurones. Nos premiers essais d'implantation chez le rat montrent une récupération fonctionnelle partielle de la motricité des animaux

L'analyse et la conception des systèmes en électronique de puissance nécessitent la prise en compte de phénomènes complexes propres à chaque composant du système mais aussi en accord avec son environnement. La description précise du comportement d'un système passe par la simulation utilisant des modèles suffisamment précis de tous ces composants. Dans notre étude, les modèles basés sur la physique des semiconducteurs permettent de décrire le comportement de la charge stockée dans la base large et peu dopée des composants bipolaires. Cette description fine est indispensable à la bonne précision de nos modèles car l'évolution des porteurs dans la base est indissociable du comportement en statique et en dynamique du composant. Ainsi, les modèles physiques analytiques de diode PiN mais surtout d'IGBT NPT ou PT, ayant une technologie de grille 'planar' ou à tranchées sont présentés puis validés. La modélisation de systèmes complexes en électronique de puissance est abordée au travers de deux études. La première concerne l'association des modèles de semiconducteurs avec des modèles de la connectique dans un module de puissance du commerce (3300V /1200A). Une analyse sur les déséquilibres en courant entre les différentes puces en parallèle est donnée. La seconde présente une architecture innovante issue de l'intégration fonctionnelle. Cette architecture faibles pertes permet d'améliorer le compromis chute de tension à l'état passant/ énergie de commutation à l'ouverture inhérent aux composants IGBT. Sa réalisation technologique est présentée au travers de mesure.

Avec l'évolution de la densité d'intégration et la forte complexité des procédés de fabrication des circuits intégrés actuels, l'occurrence de défaillances non modélisables par de simples collages devient importante voire prépondérante. Cette thèse s'intéresse particulièrement à des défaillances dues à des défauts physiques. Au niveau du produit final, ces défaillances se traduisent soit par la mise en relation de deux nœuds indépendants dans le circuit sain, soit par la dégradation d'une interconnexion. Deux défauts paramétriques sont étudiés dans cette thèse. Il s'agit des circuits ouverts résistifs et des courts-circuits résistifs. La résistance a priori inconnue de ces défauts est le paramètre prépondérant de leur modélisation. La première partie s'intéresse particulièrement aux circuits ouverts résistifs. A partir d'une analyse électrique approfondie de leur comportement dynamique, un simulateur de fautes spécifiques est développé et validé sur une série de circuits référence et le cahier des charges d'un générateur automatique de vecteurs de test (ATPG) est proposé. Dans la seconde partie, ce sont les courts-circuits résistifs qui sont analysés et un modèle mathématique représentant leur comportement dynamique est proposé et validé.

Les structures planaires de tailles finies sont de plus en plus utilisées dans les applications des satellites et des radars. Deux grands types de ces structures sont les plus utilisés dans le domaine de la conception RF à savoir Les Surfaces Sélectives en Fréquence (FSS) et les Reflectarrays. Les FSSs sont un élément clé dans la conception de systèmes multifréquences. Elles sont utilisées comme filtre en fréquence, et trouvent des applications telles que les radômes, les réflecteurs pour antenne Cassegrain, etc. Les performances des FSSs sont généralement évaluées en faisant l'hypothèse d'une FSS de dimension infinie et périodique en utilisant les modes de Floquet, le temps de calcul étant alors réduit quasiment à celui de la cellule élémentaire. Plusieurs méthodes permettant la prise en compte de la taille finie des FSSs ont été développées. La méthode de Galerkin basée sur l'approche rigoureuse permet la prise en compte des interactions entre les différents éléments du réseau, mais cette technique ne fonctionne que pour les FSSs de petite taille, typiquement 3x3 éléments. Pour les grands réseaux, cette méthode n'est plus adaptée, car le temps de calcul et l'exigence en mémoire deviennent trop grands. Donc, une autre approche est utilisée, celle basée sur la décomposition spectrale en onde plane. Elle permet de considérer un réseau fini comme un réseau périodique infini, illuminé partiellement par une onde plane. Avec cette approche, des FSSs de grande taille sont simulées, mais elle ne permet pas dans la plupart des cas, de prendre en compte les couplages qui existent entre les différentes cellules du réseau, les effets de bord non plus. La simulation des FSSs par les méthodes numériques classiques basées sur une discrétisation spatiale (méthode des éléments finis, méthode des différences finies, méthode des moments) ou spectrale (méthodes modales) aboutit souvent à des matrices mal conditionnées, des problèmes de convergence numérique et/ou des temps de calcul e xcessifs. Pour éviter tous ces problèmes, une technique appelée technique par changements d'échelle tente de résoudre ces problèmes. Elle est basée sur le partitionnement de la géométrie du réseau en plusieurs sous-domaines imbriqués, définis à différents niveaux d'échelle du réseau. Le multi-pôle de changement d'échelle, appelé Scale-Changing Networks (SCN), modélise le couplage électromagnétique entre deux échelles successives. La cascade de ces multi-pôles de changement d'échelle, permet le calcul de la matrice d'impédance de surface de la structure complète et donc la modélisation globale du réseau. Ceci conduit à une réduction significative en termes de temps de calcul et d'espace mémoire par rapport aux méthodes numériques classiques. Comme le calcul des multi-pôles de changement d'échelle est mutuellement indépendant, les temps d'exécution peuvent encore être réduits de manière significative en parallélisant le calcul. La SCT permet donc de modéliser des FSSs Finies tout en prenant en compte le couplage entre les éléments adjacents du réseau.