Les travaux de thèse s‟inscrivent dans le cadre de la conception des systèmes de production/assemblage pour les produits de taille micrométrique, appelés micro-produits. Il s‟agit de produits constitués de composants de taille submillimétrique, si bien qu‟il est difficile, voire impossible, de les observer à l‟oeil nu et encore de les manipuler précisément soit directement avec les doigts, soit avec un outillage manuel. FEMTO-ST, dans son équipe SAMMI - Systèmes Automatisés de Micromanipulation et de Micro assemblage - propose des solutions robotisées pour la manipulation et l‟assemblage de ces microproduits. Ces microrobots sont conçus et réalisés pour tenir compte des forces en présence à cette échelle et les exploiter au mieux pour une manipulation dextre et précise. L‟intégration de ces microrobots pour concevoir des systèmes de production - nous traitons ici le problème du micro-assemblage - a fait émerger le concept de micro-usine. Au niveau international, nous avons pris un positionnement original en proposant une modularité non seulement au niveau des cellules de production mais également à l‟intérieur de ces cellules. Cette modularité porte à la fois sur les structures physiques mais également sur les systèmes de commande et de supervision. Dans ce manuscrit, nous proposons d‟étudier la pertinence de cette décomposition modulaire en fonction des conditions de production. Notamment, nous nous placerons dans le contexte de production changeante nécessitant réorganisation et/ou reconfiguration du système de production. Trois parties composent le travail de thèse. Nous avons établi une structure de micro-usine et une stratégie de commande dont nous avons identifié les propriétés. Nous avons ensuite formalisé une architecture des données. Enfin, l‟étude du comportement a été obtenue par simulation d‟un modèle réalisé par réseau de Petri stochastique et T-temporisé. L‟évolution stochastique se justifie par l‟incertitude inhérente au micromonde, celle-ci est d‟autant moins importante que s‟accroit la connaissance et le savoir-faire dans une situation donnée. La temporisation permet de prendre en considération les durées relatives des reconfigurations ou réorganisations qui évoluent au gré des expérimentations. Dans le cadre d‟une conception orientée objet, les modélisations sont établies au moyen du langage de modélisation graphique UML qui autorise une analyse syntaxique. Concernant les études menées avec le modèle mathématique discret de réseau de Pétri, l‟outil de simulation utilisé est PACE - IBE Simulation Engineering Gmbh -. Ce logiciel permet une programmation conditionnant les transitions grâce au langage de programmation orienté objet, SMALLTALK, pour temporiser et rendre stochastique l‟exécution du modèle. PACE comporte par ailleurs une interface graphique utilisateur souple et lisible. Les résultats de simulation sont ensuite analysés et mis en forme avec MATLAB. Ces résultats nous ont montré la pertinence de l‟approche modulaire et du choix de décomposition mis en place pour assurer de bonnes performances à une cellule de micro-assemblage.

L’exploitation de l’énergie nucléaire pour la production d’électricité présente un défi de gestion des e˜uents radiotoxiques pour les générations présentes et futures. Face à ce constat, la communauté des chimistes recherche continument à améliorer les solutions de traitement et de recyclage du combustible usé. Dans le contrôle de ces procédés, les opérations d’analyse jouent un rôle primordial. La miniaturisation des procédés est un des enjeux principaux de la recherche en sûreté nucléaire, dans un e˙ort de réduction des risques, des délais et des coûts des activités de laboratoire. Dans ce contexte, les travaux présentés ici sont issus d’une collaboration entre le CEA de Marcoule et l’IMEP-LAHC et traitent de la mise au point d’un microsystème optofluidique sur verre, adapté à la mesure de concentration de plutonium (VI) en acide nitrique. Une source de lumière sonde est confinée dans un guide d’onde obtenu par échange d’ions et interagit par onde évanescente avec un canal microfluidique. La raie d’absorption à 832 nm du Pu(VI) dans la solution à analyser devient donc observable dans le spectre de la lumière après une certaine longueur d’interaction. Un des enjeux principaux est de fabriquer un capteur très robuste, fonctionnel en boîte à gants. L’assemblage du dispositif est e˙ectué par collage moléculaire avec un procédé permettant d’atteindre une énergie de surface > 2, 5 J·m2 suÿsante à garantir la tenue du dispositifs à des pressions testées jusqu’à 2 bars dans les canaux. Les fonctions optiques et fluidiques du dispositif sont complètement interfacées avec des fibres optiques et des capillaires fluidiques. Des mesures spectrales d’une solution de plutonium (VI) en acide nitrique ont permis de vérifier la compatibilité de la solution technologique abordée pour la manipulation d’acides forts et la résistance à l’irradiation. Le système présente une limite de détection de 1,6·10−2 mol·L−1 Pu(VI) pour un volume sondé inférieur à 1 nano-litre, au sein d’un microcanal de 21 micro-litres. Une structure permettant d’optimiser la sensibilité du capteur ainsi que le volume du canal est étudiée en perspective du travail de thèse, afin d’atteindre les performances équivalentes à des outils commerciaux pour des volumes sondés de l’ordre de quelques nano-litres. / .The use of nuclear energy for electricity production presents an important concern with radiotoxic waste management for present and future generations. In view of this fact, the chemists’ community has been searching for solutions to treat and recycle nu-clear fuel. The miniaturization of chemical processes is extensively sought out nowerdays, in an attempt to reduce laboratory acivity risks, delays and costs. The researched ana-lytical innovation requires subsequent development of appropriate analysis tools. In this respect, the work presented here addresses the development of co-integrated optofluidic micro-systems on borosilicate glass, compatible with nuclear e˜uent analysis constraints. A spectrometric sensor is designed, fabricated, interfaced and characterized in a nuclear environement. An optical waveguide and a microfluidic channel are designed adjacent to one another in order to obtain wide-spectrum absorption spectroscopy measurements by light/fluid evanescent interaction. Both ion-exchange technology and wet-etching tech-nologies were used to create the optical and fluidic planar functions. The device is assem-bled by direct molecular bonding with an optimized protocole which withstands surface energies > 2, 5 J·m2. Sensor optical and fluidic functions are interfaced with fiber optics and fluid capillaries in order for the chip to be used within a plug-and-play detection chain. Spectral measurements of a plutonium(VI) in nitric acid solution have allowed to verify the technological solution’s compatibility with harsh acid manipulation and irra-diation resistance. The system put together for the detection of plutonium(VI) displays a detection limit of 1.6×10−2 mol·L−1 for a probed volume below 1 nano-liter, inside a 21 micro-liter channel. A new sensor design is studied in the thesis work perspectives in order to optimize sensor detection limit and channel volume and reach industrial tools analytical performances with nano-liter sample volumes.

Les travaux de recherches présentés dans ce mémoire ont débuté en 1992 au sein du groupe "Photonique" du LAAS-CNRS. Ils s'inscrivent dans le cadre général des recherches menées par l'équipe animée par F. Lozes-Dupuy, Directrice de Recherches au CNRS. Après une étude approfondie des diodes laser DBR (Distributed Bragg Reflector) monofréquences à émission surfacique, l'étude de ce type d'émetteurs a été poursuivie en recherchant le contrôle et l'optimisation de leurs performances par l'adjonction d'une cavité optique étendue hybridée. Ces travaux ont conduit à élargir le domaine de recherches à celui des microsystèmes et aux technologies associées en vue de proposer une microsource laser stabilisée en fréquence. L'orientation «microsystème» des activités a ensuite été renforcée par des travaux de collaboration sur les microsystèmes optiques et, plus spécifiquement, sur le verrou que constitue l'intégration photonique dans les microsystèmes. Dans une première approche, en mettant à profit les acquis de la technologie conventionnelle de type CMOS, les travaux ont concerné l'étude de nouveaux concepts d'intégration sur silicium. Ces travaux se sont appuyés sur un objet d'étude constitué par un capteur optique de déplacement et ont montré que la microélectronique, l'optoélectronique et l'optique intégrée pouvaient être associées sur silicium pour proposer des fonctions optiques "intelligentes" à partir d'une technologie compatible CMOS. Une deuxième approche d'intégration photonique a ensuite été explorée pour tirer profit des propriétés des cristaux photoniques dans la perspective du développement de nouveaux types de diodes laser compatibles avec une intégration photonique planaire dense.

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés (cMUT : capacitive Micromachined Ultrasound Transducers) sont aujourd'hui une nouvelle alternative à la transduction d'ondes ultrasonores. En comparaison avec la technologie piézoélectrique, ils offrent de nombreuses potentialités en termes de fiabilité, de production, de miniaturisation et d'intégration, d'une électronique associée mais aussi en termes de performances acoustiques. Les voies d'application de ces dispositifs, dédiés initialement à l'imagerie médicale, sont aujourd'hui étendues à de nombreux domaines tels que la thérapie, les capteurs biochimiques ou encore l'émission paramétrique d'ondes sonores. Néanmoins, leur mise en œuvre n'en est encore qu'à ses balbutiements et la compréhension de leurs comportements à la fois statique et dynamique nécessite d'être approfondie. C'est dans ce cadre que s'inscrit le présent travail de thèse. Ce mémoire adresse deux aspects majeurs de ces micro-systèmes : leur caractérisation mécanique et l'impact de la non-linéarité des forces électrostatiques sur la réponse temporelle. La caractérisation des micro-systèmes, notamment en termes de contraintes initiales et de modules d'élasticité, est une problématique récurrente de ces dispositifs. Dans le contexte des technologies cMUT, fabriquées par procédé de micro-usinage de surface, nous avons souhaité reposer les bases de cette étape de mesure et proposer des méthodes de caractérisation basées sur l'utilisation de dispositifs fonctionnels plutôt que s'appuyer sur des structures dédiées (micro-poutre, ponts, structures rotatives). L'impact de la non-linéarité sur la dynamique dans le fluide d'une cellule, puis d'un réseau de cellules, est ensuite étudié en s'appuyant à la fois sur des mesures d'interférométrie laser et sur un modèle temporel intégrant les effets du fluide. Nous exposons ici une étude à plusieurs échelles, allant de la cellule unitaire du dispositif à la pression rayonnée par un élément de barrette. Une optimisation de l'excitation dans l'objectif de réduire l'effet de la non-linéarité tout en conservant des niveaux de pressions optimum est proposée. En fin, à travers l'étude dynamique effectuée, un nouveau régime de fonctionnement des cMUTs est identifié et vérifié. Celui-ci s'appuie sur l'exploitation du régime forcé dans l'air ou dans l'eau de ces dispositifs pour la génération d'ondes ultrasonores basse-fréquence.

Les transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés sont aujourd'hui une nouvelle alternative à la transduction d'ondes ultrasonores. En comparaison avec la technologie piézo-électrique, ils offrent des potentialités en termes de production, de miniaturisation et d'intégration d'une électronique associée mais aussi en termes de performances. Néanmoins,leur mise en œuvre n'en est encore qu'à ces balbutiements et la compréhension de leurs comportements nécessite d'être approfondie. C'est dans ce cadre que s'inscrit le présent travail de thèse. Nous proposons, dans un premier temps, à l'aide d'un modèle numérique basé sur une mécanique linéaire de plaques multicouches, d'étudier l'effet des contraintes initiales sur le comportement statique. Dans un second temps, l'impact de la non-linéarité de la dynamique d'une cellule, puis d'un réseau de cellules, est étudiée en s'appuyant à la fois sur des mesures d'interférométrie et sur un modèle temporel intégrant les effets du fluide. Enfin, nous proposons une optimisation de l'excitation et l'utilisation de ces dispositifs en régime forcée pour la génération d'onde basse fréquence dans l'air et dans l'eau. / Capacitive tvIicromachined Ultrasound Transducers (cMUTs) are today a new alternative for the generation of ultrasonic waves. Compared lo the piezoelectric technology, theyoffer some potentialities in terms of reliability, production, miniaturization and electronicintegration but also in term of acoustic performance. Nevertheless, their implementationis relatively new and the understanding of their static and dynamic behaviors needs to bestudied further. This is in this context that this PhD is developed. We propose, in a firsttime, with the help of a numeric model based on the linear mechanic theory of multilayeredplates, to study the impact of initial stresses on the static behavior. In a second time, the impact of the nonlinearity on the dynamic of the cell first, and a cell array next, is studiedwith the help of a temporal model and measurements made by laser interferometry both.Finally, thanks to this dynamic study, a new operation mode of cMUTs is identified andverified. This one is based on the use of forced regime in air and water of these device togenerate low frequencies ultrasonic waves.