L'intégration sur puce d'opérations successives d'un protocole plus ou moins complexe d'analyse biologique ou chimique et mettant en jeu la circulation de petits volumes d'échantillons et de réactifs dans des canalisations de taille micrométrique constitue le coeur des technologies microfluidiques. Les technologies de réalisation de micro canalisations sont aujourd'hui bien maîtrisées. Cependant, la manipulation des fluides et l'intégration technologique des éléments de contrôle comme les valves, les actionneurs, les mélangeurs dans les micro canalisations posent des problèmes essentiellement liés aux très faibles dimensionnalités. Des solutions originales et pratiques pour manipuler des volumes très faibles (entre 1nl et 10nl) doivent être développées pour déplacer, mélanger ou séparer ces liquides. Dans ce cadre, nous avons proposé un projet de recherche ANR Blanc (PYRACT) animé par le LAAS et associant des équipes de recherche des laboratoires LCC et IRMCP. Les travaux de thèse s'insérant dans le cadre du projet PYRACT, ont porté sur la conception, la simulation et la réalisation d'un micro actionneur à base de matériau énergétique pour la manipulation de faibles quantités de fluides (10-100nl). L'actionneur, tel que nous l'avons conçu, consiste en une plate-forme chauffante sur laquelle sont déposés en couche très mince un matériau énergétique et une membrane élastique permettant de faire l'étanchéité entre le gaz d'actionnement et le fluide. Le principe de fonctionnement est simple : lorsque le matériau énergétique atteint 225°C, sa décomposition exothermique (333J/g) génère des gaz (N2, H2O, O2) qui augmentent la pression sous la membrane fine élastique (30¼m). La pression ainsi générée et la déformation induite de la membrane élastique permettent d'actionner le fluide dans la micro canalisation. Ce concept simple d'actionnement présente l'avantage d'être compact, intégrable directement dans la canalisation contenant le fluide à actionner, biocompatible, bas c oût et nécessite seulement quelques mW (quelques V) pour générer des surpressions qui peuvent être réglées entre quelques dizaines de kPa et quelques centaines de kPa. Son caractère monocoup le rend adapté aux applications portables et jetables. Tout d'abord, un modèle multi physique a été développé sous COMSOL pour simuler le fonctionnement de l'actionneur intégré dans une micro canalisation. Ensuite, un modèle global de conception a été construit permettant de prédire les performances de l'actionnement (pression, déformation, volume et vitesse du fluide éjecté) en fonction des caractéristiques de l'actionneur et de la puissance électrique d'actionnement. Enfin, deux démonstrateurs ont été fabriqués : un actionneur de 1mm²×100¼m et un de 0.25mm²×100¼m. Un travail important a porté sur l'intégration technologique en utilisant des procédés compatibles MEMS et microfluidique des différents matériaux (énergétique et de structure) sur des surfaces très petites et nécessitant des traitements de surface particuliers. Le principe d'actionnement a été validé.

Au sein de l'équipe Microsystèmes Magnétiques du Laboratoire d' Electrotechnique de Grenoble, nous avons conçu et modélisé un micro-actionneur bistable entièrement intégré, ayant une partie mobile se déplaçant de 120 µm en moins de 500 µs et de surface inférieure à 10 mm². L'actionnement est magnétique. La partie mobile, constituée d'un micro-aimant en CoPt, se déplaçe verticalement sans aucun contact mécanique (lévitation) entre ses deux butées, également constituées de micro-aimants. La modélisation statique puis dynamique (6 DDL) a été faite grâce à deux logiciels : Dipole 3D et Mathcad. L'optimisation avec Pro@Design des paramètres géométriques du micro-actionneur a permis de fortement réduire le courant et donc l'énergie de commutation (20 µJ). Une étude thermique expérimentale et théorique du micro-actionneur montre que les conducteurs peuvent être alimentés par des impulsions de courant de 90000 A/mm² pendant 500 µs. Les briques de bases technologiques ont été mises au point et validées dans les salles blanches du CEA-LETI. Le micro-actionneur est en cours de prototypage.

Le but du travail est de montrer la faisabilité du tissage de filament de très faible diamètre (de l'ordre de 10 à 25 -tm) et de matières différentes (cuivre, or, polyester...). Les essais du comportement mécanique (traction, fatigue) du micro filament de cuivre ont montré la possibilité du tissage de ce type du filament à cette échelle. A partir de ces résultats, il est possible d'entrevoir des solutions techniques de tissage pour réaliser des tissus à partir de ces filaments. Ce travail a permis donc de concevoir les différentes parties de la machine de micro tissage : système d'alimentation des fils de chame, système de formation de la foule, système d'insertion du fil de trame, système de mouvement du peigne, système d'appel et de stockage du tissu. Le système de formation de la foule de type Jacquard représente le cœur de la machine à tisser. Il lève un verrou technologique persistant depuis de très nombreuses années. Les résultats prometteurs des micros actionneurs fluidiques ont permis de montrer la faisabilité du micro tissage. Ils ont permis également de valider le procédé de la fabrication d'un bloc des plusieurs actionneurs capable de séparer les filaments de chaîne pour former la foule. Le logiciel de contrôle et de dessin conçu permet à la fois de réaliser des armures et de les compiler en format convenable pour pouvoir les transmettre à la carte de contrôle. Cette dernière permet de contrôler les différentes parties de la machine à tisser.

Disposer au sein d'un système miniature, de micro actionneurs puissants intégrables, compatibles MEMS, bas coût et dont l'énergie est disponible facilement est un challenge permanent depuis la naissance des microsystèmes dans les années 90 et qui s'accentue avec la miniaturisation croissante. Dans les années 95, les matériaux énergétiques ont suscité l'intérêt de la communauté scientifique car ils sont une source très intéressante d'énergie embarquable. Typiquement, la combustion de composés hydrocarbonés produit 50MJ/kg, celle de matériaux énergétiques solides produit entre 3-6MJ/kg alors qu'une batterie Lithium moderne stocke à peine 0.9MJ/kg. Si les matériaux énergétiques peuvent être intégrés facilement dans des microsystèmes fonctionnels à partir des techno MEMS, la micro pyrotechnie peut représenter une avancée importante pour le micro actionnement de puissance. <br />Le LAAS a initié la micropyrotechnie en 1995 pour des applications médicales et de micro micropropulsion, micro amorçage. Depuis d'autres équipes en Europe, aux USA et en Asie ont initié des travaux dans le domaine en intégrant divers matériaux énergétiques dans des microsystèmes pour générer des micro poussées, des gaz, réaliser des micro amorçages ou tout simplement servir de sources d'énergie pour chauffer, altérer des surfaces, souder. A partir d'une idée innovante, est née une nouvelle discipline technologique que l'on a appelée micropyrotechnie mais que d'autres nomment « explosives technology », « micro detonic », « micro energetic ». L'exposé donnera les points clés et les travaux majeurs réalisés au LAAS en micropyrotechnie pour le micro actionnement de puissance embarqué. Parmi eux on peut citer les travaux sur la micro initiation, la micro combustion, l'intégration technologique... <br />Aujourd'hui la tendance à la miniaturisation extrême et à la complexification soulève de nouveaux verrous technologiques et scientifiques et place le matériau énergétique au centre des préoccupations fondamentales. Nous discuterons en perspective, de l'évolution de la micropyrotechnie avec notamment, la recherche et l'élaboration de nouveaux matériaux énergétiques nano structurés ainsi que le développement d'outils de modélisation multi physiques nécessaires pour la conception de systèmes de plus en plus complexes où cohabitent des fonctions chimiques, thermiques, fluidiques, mécaniques, électroniques...

Afin d'atteindre leur cible, les projectiles guidés d'artillerie nécessitent d'être dotés d'un dispositif de pilotage. Des surfaces de contrôle déployables et orientables sont donc nécessaires. Toutefois, le montage de gouvernes ajustables sur une ogive est une tâche mécaniquement ardue. En effet, lors du tir effectué par canon, l'équipement de bord subit une accélération significative, ce qui implique que des liaisons mécaniques particulièrement robustes doivent être conçues entre les ailettes et le corps. Cette technologie est bien maîtrisée lorsqu'elle est employée sur des projectiles de gros calibre, mais devient bien plus compliquée quand elle doit être adaptée pour être intégrée dans des petits ou moyens calibres. Néanmoins, dans des conditions de vol supersonique, des ondes de choc qui interagissent avec des surfaces solides sont susceptibles de considérablement modifier la distribution de pression. Ce principe a permis d'imaginer une méthode alternative de pilotage de projectiles supersoniques en exploitant des ondes de choc générées au moyen de petites perturbations créées à partir d'un micro-actionneur de forme cylindrique, aussi appelé micro-plot. Comme les forces de portance exercée sur un corps sont essentiellement dues à une pression appliquée sur de grandes surfaces, il a été choisi de se baser sur une configuration stabilisée par empennage. En vue de simplifier l'étude, le travail a été effectué sur un projectile académique de référence bien connu appelé le Basic Finner.Des expériences ont tout d'abord été effectuées dans la soufflerie supersonique de l'ISL sur une plaque plane comportant un plot et deux ailettes verticales. Ces mesures ont permis de valider la capacité de simulations numériques stationnaires RANS à prédire à la fois la distribution pariétale de la pression que génère un tel actionneur et le champ de vitesse de l'écoulement dans son voisinage. Les distributions de pression et de vitesse ont été mesurées en utilisant des méthodes optiques appelés Pressure Sensitive Paints (PSP) et Particle Image Velocimetry (PIV) afin d'être comparés avec les résultats de la CFD. Une étude paramétrique a ensuite été menée en se basant exclusivement sur ces simulations RANS. Ces calculs ont permis de déterminer l'emplacement optimal pour lequel le plot est le plus efficace sur toute l'enveloppe de vol du projectile. A partir de cette position optimale, deux configurations spécifiques ne générant aucun moment de roulis ont été étudiées numériquement et comparés en termes d'efficacité. En utilisant les coefficients aérodynamiques résultants de ce travail, des simulations de trajectoires à 6 degrés de liberté (6-DOF) ont été réalisées avec le code de BALCO (OTAN). Celles-ci ont permis de déterminer la déviation potentielle qui peut être obtenue sur une des deux configurations retenues en employant un tel micro-actionneur. Ces simulations 6-DOF ainsi que l'effet de du plot sur le projectile ont enfin été validés lors d'une campagne d'essai en vol libre qui a eu lieu sur le champ de tir de l'ISL. / In order to reach their target, guided artillery projectiles need some steering capability. Folding and adjustable control surfaces are thus necessary. However, mounting adjustable rudders on a shell is a difficult task, mechanically speaking. Indeed, during the gun launch, the onboard equipment undergoes significant acceleration so that robust mechanical joints have to be designed between the rudders and the body. This technique performs very well on large-caliber projectiles, but becomes more complicated when it has to be embedded in small- or medium-caliber ones. Nevertheless, under supersonic flight conditions, shock waves interacting with solid surfaces are likely to strongly modify the pressure distribution. This principle made it possible to imagine a way of steering small-caliber vehicles using shock waves generated by means of small disturbances created by a cylindrical-shaped micro-actuator, also called micro-pin. As lift forces exerted on a body are mainly due to the pressure applied to large surfaces, a finned configuration has been chosen. To simplify the study, the work has been conducted on the Basic Finner, a well known academic reference projectile.Experiments were first performed in the ISL supersonic wind tunnel on a flat plate on which a pin and two vertical projectile-like fins were mounted in order to validate the capability of steady RANS numerical simulations to predict both the pressure footprint of such an actuator and the flow velocity in its vicinity. Pressure and velocity distributions have been measured by using optical methods called Pressure-Sensitive Paint (PSP) and Particle Image Velocimetry (PIV) in order to be compared with the calculation results. A parametric study was then conducted with these RANS simulations so that the optimum location for which the pin is the most effective over the complete flight envelope of the projectile could be determined. Using this optimum position two specific no-roll momentum configurations were studied numerically and compared in terms of effectiveness. By using the aerodynamic coefficients resulting from this work, 6-Degree-Of-Freedom (6-DOF) trajectory simulations were performed with the NATO BALCO code on one of these configurations in order to determine the potential deviation which can be obtained with such an actuator. These 6-DOF simulations as well as the pin effect on the projectile could finally be validated during a free-flight campaign that took place at the ISL open-range testing site.

Ce travail de thèse propose une méthodologie et des outils pour un environnement d'aide à la conception. L'objectif est le support des outils et méthodes du concepteur durant le processus de conception en considérant la complexité des produits à concevoir et l'imprévisibilité de ce processus. Nous utilisons pour cela le concept de composant logiciels métiers à partir duquel il est possible, par exemple, d'intégrer des logiciels de simulation existants sans programmation, puis de les utiliser dans des services tels que l'optimisation. L'environnement dispose également d'un service de composition visuelle et récursive pour agréger les modèles, ainsi que pour définir et mettre en oeuvre le séquencement du processus de conception. Nous détaillons des applications de l'environnement pour dimensionner un transformateur de tensions triphasées, concevoir un micro-actionneur magnétique ou assister la conception collaborative d'un contacteur électromécanique.

Depuis 1996, mes activités de recherche se sont inscrites dans les champs des nanosciences, de la physique des semi-conducteurs, des micro/nanotechnologies, et des MEMS/NEMS (Micro/Nanosystèmes électromécaniques). En particulier, j'ai rejoint en octobre 2000 le groupe Microsystèmes Silicium de l'IEMN sur le sujet des résonateurs micro-électromécaniques et de leurs applications pour le traitement du signal en gamme RF et IF. Cette activité a permis de développer les techniques de caractérisation électrique des dispositifs ainsi que leur modélisation électromécanique. A partir de 2002, j'ai étendu mes activités dans le domaine des MEMS vers les micro-actionneurs et les micro-capteurs, dont les applications concernent les nanotechnologies et la biologie. Je me suis appliqué au développement d'actionneurs électrostatiques pour un fonctionnement en milieu liquide, et au développement de capteurs capacitifs et piézorésistifs aux performances ultimes pour des applications nanométriques. Depuis 2007, l'activité de recherche se concentre sur l'utilisation des résonateurs MEMS en tant que nouvelle génération de sondes de microscopie à force atomique (AFM) à hautes performances. Cette activité est actuellement soutenue par le Conseil Européen de la Recherche (ERC) dans le cadre d'un financement Starting Grant dont je suis le bénéficiaire. En 2009, nous avons démontré le concept des sondes MEMS AFM en obtenant les premières images de microscopie, et en 2010 nous avons obtenu des images d'origamis d'ADN à la cadence rapide d'une image par seconde. Le travail de recherche se focalise maintenant sur le développement des sondes afin d'en améliorer les performances en termes de fréquence de vibration, de résolution en force et de vitesse d'acquisition. Un autre aspect concerne l'utilisation de ces sondes pour l'analyse rapide du comportement dynamique de nanobiosystèmes en milieu liquide. Ces travaux s'inscrivent dans une vision à plus long terme visant à développer des solutions à base de MEMS et de NEMS pour l'instrumentation scientifique et la nanocaractérisation multimodale.

Le but du travail est de montrer la faisabilité du tissage de filament de très faible diamètre (de l'ordre de 10 à 25 -tm) et de matières différentes (cuivre, or, polyester...). Les essais du comportement mécanique (traction, fatigue) du micro filament de cuivre ont montré la possibilité du tissage de ce type du filament à cette échelle. A partir de ces résultats, il est possible d'entrevoir des solutions techniques de tissage pour réaliser des tissus à partir de ces filaments. Ce travail a permis donc de concevoir les différentes parties de la machine de micro tissage : système d'alimentation des fils de chame, système de formation de la foule, système d'insertion du fil de trame, système de mouvement du peigne, système d'appel et de stockage du tissu. Le système de formation de la foule de type Jacquard représente le cœur de la machine à tisser. Il lève un verrou technologique persistant depuis de très nombreuses années. Les résultats prometteurs des micros actionneurs fluidiques ont permis de montrer la faisabilité du micro tissage. Ils ont permis également de valider le procédé de la fabrication d'un bloc des plusieurs actionneurs capable de séparer les filaments de chaîne pour former la foule. Le logiciel de contrôle et de dessin conçu permet à la fois de réaliser des armures et de les compiler en format convenable pour pouvoir les transmettre à la carte de contrôle. Cette dernière permet de contrôler les différentes parties de la machine à tisser. / The aim of this work is to demonstrate the feasibility ofweaving filaments of very small diameter (about 10 to 25 -tm) made ofvarious materials (copper, gold, polyester, etc...). The possibility of weaving copper micro filaments at this scale has been proved via the fatigue and traction mechanical tests. According to these results, it was possible to foresee weaving technical solutions to produce fabrics from these micro filaments. This work has permitted the design of the different parts of the micro weaving machine: warp let-off system, warp shedding system, filling insertion system, beat-up system and take-up system. Warp shedding system of Jacquard type represents the heart of the weaving machine. It solved the complicated technical problem ofweaving materials that persists since many years. The positive results of micro fluidic actuators have demonstrated the feasibility of micro weaving. They have also validated the process of manufacturing a block of severa! actuators capable of separating the warp filament's to form the shed. The created software of control and design allows to make weaves and to compile them into a convenient format to be transmitted to the control card. This card controls the different parts of the weaving machine.

Lorsqu'on applique une réduction d'échelle aux systèmes mécatroniques habituellement rencontr és dans le macromonde, la miniaturisation n'est possible que si elle est accompagnée d'une intégration fonctionnelle de ces systèmes. Cette tendance générale pousse les microsystèmes à posséder une densité fonctionnelle de plus en plus importante, qui les fait converger progressivement vers le concept d'adaptronique. L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle méthode de synthèse optimale de structures flexibles monolithiques, pour permettre la conception d'actionneurs intégrés. Notre méthode de synthèse est basée sur l'agencement optimal de blocs flexibles élémentaires grâce à un algorithme génétique multi-critères. Ces blocs flexibles sont de type treillis de poutres et décrits par une méthode aux éléments finis. Ils peuvent être passifs ou rendus actifs par effet piézoélectrique inverse, permettant ainsi l'intégration de la fonction d'actionnement au sein même de la structure du mécanisme. En outre, une représentation dynamique du comportement entrée(s)-sortie(s) de ces mécanismes flexibles permet la prise en compte dans la méthode d'optimisation, dès la phase amont de conception, de nouvelles spécifications permettant de garantir certaines performances lors de la commande ultérieure des systèmes ainsi synthétisés. Enfin, un prototype de micropince piézoélectrique monolithique est conçu de manière optimale grâce à l'outil logiciel développé : les tests expérimentaux effectués permettent de valider la démarche de conception mécatronique dans son ensemble, depuis l'étape amont de l'étude complète de sa topologie, jusqu'à l'étape finale de sa commande robuste en boucle fermée.

La complexité des microsystèmes, leur multidisciplinarité, l'hétérogénéité des matériaux utilisés et les interfaces avec l'environnement extérieur rendent difficiles l'évaluation et la maîtrise de leur fiabilité indispensables pour l'exploitation des nombreuses possibilités innovantes qu'ils offrent. L'approche que nous avons proposée dans ce travail, afin de prédire la fiabilité des microsystèmes, se fonde sur l'usage intensif de la modélisation et de la simulation, dans les conditions d'usage du microsystème (profil de mission), en associant donc l'évaluation de la fiabilité à la démarche de conception : avant d'entreprendre une modélisation fonctionnelle de type VHDL-AMS, les objectifs de fiabilité sont exprimés explicitement dans le cahier des charges du microsystème, au même titre que les objectifs plus habituels de performances. Afin de supporter nos travaux, nous avons appliqué cette démarche de prédiction de la fiabilité sur deux types de microsystèmes : - des micro-actionneurs électrothermiques. - des commutateurs RF capacitifs à actionnement électrostatique.