Le but de la thèse est de réaliser des filtres accordable en technologie planaire multi-niveaux proposé par l'entreprise allemande IHP. Les filtres sont réalisés aux ondes millimétriques,principalement autour de 60 GHz et 140 GHz. Nous étudions l'accordabilité en fréquence mais aussi l'accordabilité en bande passante ne utilisant un concept nouveau établie au cours de cette thèse. Les premiers résultats concernant les filtres accordables en fréquence ont permit la rédaction de plusieurs articles. Maintenant, nous venons de recevoir les mesures prouvant notre nouveau concept permettant l'accord en fréquence et en bande passante des filtres planaires à base de résonateurs en anneau

La croissance continue de la complexité des systèmes rend inévitable le développement de procédés technologiques pour lesquels différents types de matériaux sont intégrés de manière hétérogène dans le but de réaliser une palette de fonctionnalités, tout en miniaturisant la taille des dispositifs et en abaissant les coûts de fabrication. Cela est particulièrement vrai dans le domaine de la Photonique, pour laquelle ces impératifs peuvent être atteints selon les lignes résumées ci-après : -Miniaturisation photonique, dont la principale motivation réside dans la nécessité d’assurer un faible budget thermique, ainsi qu’une bonne compatibilité topologique avec les circuits microélectroniques, tout en bénéficiant du contrôle de l’interaction lumière-matière offert par les microstructures photoniques. - Intégration photonique hétérogène active/passive, combinant les matériaux actifs (émission de lumière, caractéristiques non-linéaires) les plus efficaces avec les matériaux passifs les mieux adaptés (conduction et confinement de la lumière), en vue de tirer le meilleur parti de chacun. Ce travail de thèse est consacré au développement de nouvelles approches destinées à satisfaire les impératifs évoqués précédemment, l’objectif étant la production de nouvelles classes de dispositifs photoniques associant les matériaux silicium et graphène, exploitant les caractéristiques non-linéaires uniques de ce dernier (absorption saturable ultrarapide et indépendante de la longueur d’onde) et les remarquables capacités du premier pour la fabrication de structures photoniques miniaturisées permettant un fort confinement de la lumière en utilisant les procédés de fabrication avancés et bas coût de la microélectronique silicium. Concernant la miniaturisation photonique, il est proposé de mettre en oeuvre une stratégie de confinement de type diffractif à base de structures périodiques à fort contraste d’indice pour le contrôle spatio-temporel de la trajectoire des photons. 3 Cette stratégie, au cœur des récents développements de la Micro-Nano-Photonique, est usuellement répertoriée sous la nomination de l’approche « Cristal Photonique ». Selon cette approche le matériau silicium a été utilisé en raison de ses remarquables caractéristiques photoniques : son indice optique élevé (autour de 3,5) en fait un excellent candidat pour la réalisation de cristaux photoniques ; cela s’est avéré particulièrement vrai dans la configuration dite membrane, dans laquelle un cristal photonique 1D est formé dans une couche mince de silicium sur isolant, en l’occurrence la silice (SOI). Il a été démontré, théoriquement et expérimentalement, que ces cristaux photoniques 1D peuvent se comporter comme des résonateurs, adressables par la surface verticalement, c’est-à-dire comme des réservoirs de photons où l’énergie électromagnétique peut être accumulée et stockée temporairement de manière à assurer un couplage efficace (absorption) au matériau graphène, moyennant un coût très réduit en termes de la puissance incidente (réduction théorique d’un facteur 25, facteur 7 réalisé expérimentalement). Le résonateur à base de cristal photonique 1D conçu et réalisé dans ce travail fournit également un « sous-produit » photonique très attractif : il se comporte comme un réflecteur compact très efficace, dont les caractéristiques spectrales peuvent être contrôlées à volonté. Un travail important à été consacré à la synthèse du graphène par méthode de dépôt en phase vapeur sur des substrats de nickel et de cuivre : une analyse détaillée de l’influence des paramètres de dépôt et des mécanismes de croissance a été réalisée. Il a été démontré que ces substrats peuvent être utilisés pour la production de une à quelques monocouches de graphène couvrant une surface d’environ 2cm2, de très haute qualité structurale, comme validé par spectroscopie Raman. [...] / No abstract

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The aim of this project was to work towards developing a droplet-based microfluidic device which can perform cell lysis, Whole Genome Amplification (WGA) and storage of the amplified DNA. This would provide an automated biobanking device capable of high-throughput sample processing whilst shielding the samples from the sample loss and contamination commonly experienced by conventional, isolated sample handling methods.WGA has been examined using two commercially available WGA kits (GenomiPhi V2 and HY) to produce a continuous flow device that is capable of amplifying both human genomic DNA (gDNA) and bacterial plasmid DNA samples in nanolitre volume droplets. A positive effect of reducing reaction volumes on the amplification of bacterial plasmid DNA was shown by obtaining an increase in yield with decreasing volumes. It was shown, however, that a reduction in the volume of the WGA reaction has a negative impact on the amplification of human gDNA, in terms of both reduced yield and copy number variation (CNV). Furthermore, a novel method for reducing this CNV has been achieved by pooling the products of multiple reaction volumes. Finally, a cell lysis device has been developed which can perform rapid lysis of a human neuroblastoma cell line in continuously flowing droplets through addition of an alkaline solution.These devices provide an advantage over previously developed methods, displaying cell lysis of a human cell line and amplification of both human gDNA and plasmid DNA, while the continuous flow design of the devices allows for both high-throughput processing of samples and the future integration of the devices to form a μTAS biobanking device.

Les technologies de type laboratoire sur puce (« lab on chip » LOC) mettent à profit la miniaturisation pour réaliser production, traitement, et analyse physico-chimiques sur un même substrat de petite taille avec comme résultat des dispositifs portables, plus rapides, demandant de plus petites quantités de réactifs, produits et opérés à plus faible coût. Les produits et les applications développés pour tirer profit de ces avantages ont le potentiel de transformer plusieurs secteurs comme ceux de la médecine et de la surveillance environnementale. Les mesures de calorimétrie revêtent un intérêt particulier pour l’intégration aux plateformes de type LOC notamment parce que la production de chaleur est un phénomène ubiquitaire. Or, cette intégration repose avant tout sur la capacité de produire des dispositifs miniaturisés suffisamment performants et compatibles avec la construction des plateformes LOC. La calorimétrie miniaturisée est un champ relativement peu développé même si, comme à l’échelle conventionnelle, elle permet d’obtenir des informations utiles pour la compréhension des phénomènes de transformations de la matière. Or, la calorimétrie miniaturisée fait face à un défi de taille. La taille réduite des échantillons résulte inévitablement en une diminution de la quantité de chaleur à mesurer. Possiblement pour faire face à cette limite, la grande majorité des calorimètres miniaturisés adopte une configuration planaire, car le positionnement du système cellule calorimétrique-échantillon sur membrane a pour effet de maximiser leur sensibilité. La configuration membranaire réduit la conduction thermique à travers le substrat ce qui, à puissance égale, résulte en davantage de signal. Cette configuration demande toutefois certains compromis. Elle pousse par exemple à construire les thermopiles à partir de films de plus en plus minces afin d’éviter d’annuler les gains. Or, des effets de « film mince », sont observés qui dégradent significativement les propriétés attendues des matériaux. Les gains apportés par la configuration membranaire peuvent aussi être annulés par la conduction thermique hors substrat qui est très sensible à la géométrie de la source de chaleur ainsi qu’aux conditions ambiantes. Ces deux phénomènes affectent significativement la sensibilité des calorimètres miniaturisés et peuvent résulter en une diminution de la précision des mesures. Dans le premier cas, on estime à 20-30% l’erreur évitée; dans le second cas, on estime à près de 30% l’erreur évitée. Les contributions présentées dans cette thèse proposent des moyens d’améliorer la précision des calorimètres miniaturisés, en renforçant la compréhension des compromis fondamentaux à négocier dans la conception de tels dispositifs et d’établir un « modèle » pour prédire avec une plus grande fidélité la performance de calorimètres miniaturisés à partir des paramètres de l’architecture. On peut donc plus précisément évaluer le potentiel de différents designs de calorimètres miniaturisés et explorer la manière de faire des calorimètres miniaturisés de bons candidats à l’intégration sur les plateformes LOC, que ce soit sur structure membranaire ou d’autres substrats.

Le but de la thèse est de réaliser des filtres accordable en technologie planaire multi-niveaux proposé par l'entreprise allemande IHP. Les filtres sont réalisés aux ondes millimétriques,principalement autour de 60 GHz et 140 GHz. Nous étudions l'accordabilité en fréquence mais aussi l'accordabilité en bande passante ne utilisant un concept nouveau établie au cours de cette thèse. Les premiers résultats concernant les filtres accordables en fréquence ont permit la rédaction de plusieurs articles. Maintenant, nous venons de recevoir les mesures prouvant notre nouveau concept permettant l'accord en fréquence et en bande passante des filtres planaires à base de résonateurs en anneau / The thesis aim is to realize tunable filters using the BiCMOS planar technologie provided by thegerman company IHP. We are working on millimeterwaves, mainly 60 GHz and 140 GHz. Westudy the frequency tunability but also the bandwidth tunability using a new concept provided bythe study carried during this thesis. The first study about frequency tunability aimed to severalconference articles. Now, we just have the measurements proving the new concept of frequencycontrol while maintening a bandwidth control of planar ring filters

Les réfrigérateurs thermoacoustiques classiques sont constitués d'une source acoustique couplée à un résonateur à ondes stationnaires dans lequel est disposé un empilement de plaques (ou tout autre matériau poreux), qui est le coeur du processus thermoacoustique. L'interaction entre les ondes acoustiques et thermiques au voisinage des plaques conduit à la création d'un flux de chaleur thermoacoustique et d'un gradient de température le long de l'empilement. L'étude de tels systèmes thermoacoustiques fait l'objet des travaux de la thèse, dont l'objectif est double. <br>D'une part, dans le cadre des études menées sur la miniaturisation des systèmes thermoacoustiques, avec pour objectif l'évacuation de la chaleur des composants électroniques, une nouvelle architecture de réfrigérateurs thermoacoustiques est étudiée. Ce réfrigérateur, qui est dit "compact" car ses dimensions sont ramenées à celle de l'empilement, offre la possibilité de générer indépendamment les champs de vitesse particulaire et de pression acoustique à partir de quatre sources sonores. Ainsi, un champ acoustique optimal, qui est différent de celui obtenu dans un réfrigérateur à ondes stationnaires, peut être généré dans ce système. Ce type de réfrigérateur est étudié analytiquement et expérimentalement. Une modélisation du champ acoustique dans l'empilement d'un système compact en fonction des débits des sources, ou en fonction des tensions électriques fournies à ces sources, est proposée. La caractérisation expérimentale en terme de champ de vitesse particulaire (mesuré par Vélocimétrie Laser Doppler et Vélocimétrie par Images de Particules), et de température d'une maquette décimétrique, pour différents points de fonctionnement, est ensuite présentée. Un comportement thermique, plus complexe que celui obtenu dans un système à ondes stationnaires, est observé. Ce comportement pouvant se traduire par une diminution de ses performances, des améliorations du système sont proposées en vue de sa miniaturisation. <br>D'autre part, dans le cadre des études menées en thermoacoustique afin d'améliorer la compréhension des phénomènes physiques qui prennent place dans les systèmes, un modèle analytique du comportement en régime transitoire des réfrigérateurs thermoacoustiques classiques est mis en place. Ce modèle permet d'obtenir l'évolution temporelle de la température en tous points de l'empilement en prenant en compte les effets du flux de chaleur thermoacoustique le long de l'empilement de plaques, du flux de chaleur par conduction retour dans les plaques de l'empilement et dans le fluide, des pertes thermiques à travers les parois du tube, de l'échauffement dû aux frottements visqueux dans l'empilement, et des pertes thermiques à chacune des extrémités de l'empilement. Ce modèle est utilisé pour interpréter qualitativement le comportement transitoire d'un prototype de réfrigérateurs observé lors d'études expérimentales antérieures et permet en particulier d'interpréter les rôles joués par les différents flux de chaleur mis en jeu.

Protein biomarkers are important diagnostic tools for detection of non-communicable diseases, such as cancer and cardiovascular conditions. In order to be used as diagnostic tools they need to be detected at very low concentrations in biological samples (e.g. whole blood, serum or urine). This has been currently performed in central laboratories using expensive, bulky equipment and time consuming assays.

Ces dernières années, le secteur spatial connait des évolutions rapides (nouveaux acteurs, nouvelles technologies) qui tendent à réduire le coût des applications télécom et d’observation via des satellites défilants de plus petite taille. En particulier la réduction de la taille et du poids des antennes large bande à polarisation circulaire aux fréquences VHF-UHF constitue un enjeu majeur. Cependant la miniaturisation d’une antenne s’accompagne généralement d’une dégradation de son efficacité et de sa bande passante. Afin de contourner ce compromis, la technique d’agilité fréquentielle constitue une solution intéressante qui permet de maintenir les performances de l’antenne miniaturisée sur une sous bande qui peut être pilotée sur une excursion en fréquence plus large.L’antenne « dipôles magnéto-électriques croisées » DMEC basée sur le concept de la source de Huygens est retenue pour ces travaux. En effet, cette antenne fait partie des antennes large bande les plus compactes dont le rayonnement est uni-directionnel. Le premier objectif de cette thèse est d’étudier et de développer des techniques de miniaturisation originales de l’antenne. Le deuxième axe de recherche s’intéresse à l’agilité fréquentielle de l’antenne miniature initialement développée afin de couvrir plusieurs octaves.Plusieurs techniques de miniaturisation (repliement géométrique, ajout d’éléments discrets) se sont appuyées sur des simulations électromagnétiques, de la modélisation théorique et des expérimentations. Un prototype d’antenne compact actif dans la bande VHF est développé. L’épaisseur de l’antenne est réduite à 0,1λ. L’antenne couvre une bande passante de 94 MHz à 366 MHz avec de bande passante instantanée de 60%. Le gain maximal varie entre 5 et 10 dBic avec un taux d’ellipticité toujours inférieur à 2 dB. / These past years, the space sector is experiencing rapid growth (new players, new technologies) that tend to reduce the cost of telecom and observation applications via smaller satellites. In particular, reducing the size and weight of circularly polarized broadband antennas at VHF-UHF frequencies is a major challenge. However the miniaturization of an antenna is generally accompanied by a degradation of its efficiency and its bandwidth. In order to overcome this problem, the frequency agility technique constitutes an interesting solution to maintain the performance of the miniaturized antenna on a sub-band that can be driven on a wider frequency tuning range.The "crossed magneto-electric dipole" antenna based on the Huygens source concept is chosen for this work. Indeed, this antenna is part of the most compact broadband antennas with excellent unidirectional radiation. The first objective of this thesis is to study and develop original miniaturization techniques of the antenna. The second area of research focuses on the frequency agility of the miniature antenna initially developed to cover several octaves.Several miniaturization techniques such as geometric folding and capacitive loading were developed based on electromagnetic simulations, theoretical modeling and experiments. A frequency-reconfigurable compact VHF antenna is developed and realized. The thickness of the antenna is reduced to 0.09λ. The antenna covers a band from 94 MHz to 366 MHz thanks to only two tuning states (60% instant bandwidth for each). The broadside gain varies between 5 and 10 dBic over frequency with an axial ratio always lower than 2 dB.

La microfluidique en gouttes permet l’analyse de systèmes biochimiques à grand débit, en utilisant de faibles volumes réactionnels, à faible coût. Dans l’état de l’art, le volume des gouttes varie entre 2 pL et 4 nL, un millier à million de fois inférieur au volume d’un puit de microplaque. Miniaturiser d’avantage les volumes réactionnels permettrait d’augmenter encore les débits d’analyse, de d’avantage réduire les coûts et ouvre également l’accès à de nouvelles études, telles que les études sur molécule unique ou la délivrance de médicaments. La première partie de ce travail de thèse concerne la miniaturisation des opérations classiques de la microfluidique en gouttes à l’échelle femtolitrique: production, stabilité, biocompatibilité, mélange en gouttes, coalescence, tri, division de gouttes, production à la demande ont été démontrés avec succès sur des gouttelettes femtolitriques. Le tout a été permis en restant dans les limites de la technologie PDMS et des standards classiques de la lithographie. La seconde partie s’intéresse à certaines applications biologiques issues du couplage de gouttelettes picolitriques et femtolitriques. Une plateforme permettant l’encodage in situ de gouttes à l’aide de codes barres d’ADN lisibles par séquençage a été construite. Deux autres applications ont été envisagées: un projet concernant l’émergence des chromosomes dans un monde prébiotique qui nécessitait des facteurs de dilution de l’ordre de 1:1000 et un projet de cartographie génotype-phénotype sur une enzyme qui nécessitait deux dilutions par 10 ont bénéficié de la miniaturisation à l’échelle femtolitrique. / Droplet-based microfluidics has demonstrated its multiple advantage over standard microtiter plates technologies by increasing analysis throughputs, decreasing costs and enabling the encapsulation of single cells into individual reservoirs. In the state-of-the-art, droplet volumes usually range from 2 pL to 4nL, one thousand to one million times smaller than microtiter plate wells. This PhD work focuses on the miniaturization of biological reservoirs down to the femtoliter scale which would enable an increase of throughputs of analysis and open up access to new studies, such as single-molecule studies or drug delivery. The first part of this manuscript concentrates on the miniaturization of elementary operations of droplet-based microfluidics down to the femtoliter scale. Production, mixing, electrocoalescence, DEP sorting, splitting, drop-on-demand, stability, biocompatibility were successfully demonstrated on droplets of a few micrometers diameter. The second part of this manuscript focuses on some biological applications that were developed with the LBC. A platform for the in situ encoding of droplets with DNA barcodes readable per sequencing was developped. Two other applications were envisioned: a project studying the conditions that prevailed the apparition of chromosomes in an early RNA world and a genotype-phenotype mapping project benefited from downscaling to the femtoliter scale.