Cette thèse a fait partie du projet MIMOC (Méthodes d'Intégration et de Miniaturisation d'Objets Communicants) qui a été mené à terme en partenariat avec le laboratoire IM2NP de Marseille, la société InsightSiP à Sophia Antipolis et Orange Labs La Turbie. Le projet cible les systèmes de transmission par impulsions occupant une très large bande de fréquences (signaux Ultra Large Bande : ULB). Au sein de ce projet, les travaux de cette thèse ont été concentrés sur le développement, la miniaturisation et l'intégration des antennes dans des systèmes de communications ULB conformes aux normes Américaines (FCC :3.1-10.6 GHz) et Européennes (ECC : 6-8.5 GHz). Le développement d'une antenne consiste à en maîtriser les différents paramètres en analysant leurs influences sur l'adaptation et le rayonnement de celle-ci. Une étude préliminaire a permis de créer une base de données qui a été utilisée par la suite dans les différentes phases du projet afin de réadapter l'élément en fonction de l'évolution de son environnement. Un élément rayonnant imprimé constitué de plusieurs étages rectangulaires, alimenté par la ligne ground coplanaire (GCPW), adapté dans la bande de fréquence FCC, a servi de base d'étude. Cette antenne a été étudiée dans deux configurations correspondant à deux types d'applications : un format carte de crédit et un format clé USB, principalement distinguées par leur encombrement lié à la largeur des plans de masse. L'étude a débuté avec une structure à plan de masse large et a été suivie, dans une deuxième phase, par des travaux de miniaturisation. La miniaturisation consiste à réduire la largeur des plans de masse en modifiant la géométrie de la structure afin de conserver ses performances radioélectriques. Plusieurs techniques ont été étudiées, notamment la réduction de l'encombrement par repliements 2D et 3D. La technique la plus efficace fut celle basée sur l'insertion de découpes au niveau des plans de masse latéraux ainsi qu'au niveau des plans de masse inférieurs. Une bonne maîtrise des dimensions de ces encoches a permis d'obtenir une structure réduite d'un facteur 5 avec une bonne adaptation sur toute la bande de fréquences. Ces structures ont ensuite été réalisées et les prototypes ont été caractérisés. La caractérisation s'est déroulée lors de plusieurs campagnes de mesures au LEAT et à Orange Labs à La Turbie. Un banc de test a été entièrement développé et des mesures dans les domaines temporel et fréquentiel ont permis d'extraire les performances des antennes : gain, diagramme de rayonnement, réponse impulsionnelle, facteur de fidélité, etc. La capacité d'une transmission à travers ces prototypes a été vérifiée en environnement réel. Des débits allant jusqu'à 500Mbits/s ont été atteint. La troisième phase des travaux a consisté à modéliser une puce génératrice d'impulsions ULB et l'intégrer en l'assemblant avec l'antenne dans un système. Cette étude a été réalisée dans la bande ULB européenne ECC. Un nouvel élément imprimé et miniaturisé adapté dans cette bande de fréquences a du être conçu. La puce a totalement été modélisé et paramétrée de façon à ce qu'elle soit prise en compte lors de la conception du système. Le projet MIMOC a été achevé avec succès. Le bon partenariat avec tous les membres s'est avéré très constructif et a permis de réaliser le codesign de la partie "antenne" et de la partie "microélectronique". Suite à ces travaux, un autre projet qui consiste à développer des systèmes communicants en contact avec le corps humain (RUBY) vient de démarrer.

L'électrochromatographie capillaire (ECC) est une méthode séparative très prometteuse. En effet, elle combine l'efficacité due au profil plat du flux électroosmotique (ECZ) et la sélectivité due aux interactions avec une phase stationnaire (CPL). Les phases stationnaires monolithiques ont été développées comme alternative aux phases particulaires de par leur facilité de synthèse in situ. C'est pourquoi ces nouvelles phases stationnaires peuvent être facilement intégrées dans des microsystèmes analytiques. Cependant un des inconvénients majeurs lié aux techniques miniaturisées est leur faible sensibilité lors d'analyses de traces. Ces difficultés peuvent être circonvenues en réalisant une étape appropriée de préconcentration des composés d'intérêt avant l'étape d'analyse proprement dite. Une telle stratégie serait particulièrement pertinente pour des échantillons environnementaux et d'intérêts biologiques. Dans un premier temps nous avons étudié l'optimisation de la synthèse in situ de phases stationnaires monolithiques à base d'acrylates. Des facteurs tels que la dose énergétique appliquée ainsi que le prétraitement du capillaire ont été étudiés afin de déterminer dans quelle mesure ceux-ci peuvent influer sur les performances structurales et séparatives de ces colonnes. Dans un deuxième temps, les résultats obtenus en ECC avec des colonnes monolithiques testées en tant que matériau de préconcentration et de séparation sont présentés. Ces études ont été menées avec des composés modèles environnementaux. De très bonne efficacité (250 000 à 350 000 plateaux par mètre) et des facteurs de préconcentration supérieurs à 10 000 ont été obtenus, avec succès. Enfin le couplage en ligne d'une étape de préconcentration avant la séparation dans des microsystèmes comportant une phase stationnaire monolithique a été réalisé, des hydrocarbures polyaromatiques ont ainsi été analysés.

La technologie MIMO est une solution intéressante pour répondre à l'augmentation des débits liée au développement des services multimédia dans les systèmes de communications sans fil. Elle promet une augmentation linéaire des débits en fonction du nombre d'antennes à l'émission et à la réception en exploitant la diversité du réseau d'antennes et en tirant parti de la propagation multi-trajets. Cette technologie, déjà utilisée dans les réseaux WLAN, rencontre quelques problèmes en téléphonie<br />mobile. En effet, il n'est pas évident d'implanter plusieurs capteurs sur un terminal de taille compatible avec un téléphone mobile tout en conservant de bonnes performances. La proximité des éléments engendre des couplages provoquant des pertes de puissance émise et des déformations de diagramme.<br /><br />Cette thèse présente la conception d'une antenne à deux éléments rayonnants pour téléphone portable suivie d'une étude sur les performances des systèmes MIMO pour la téléphonie mobile dans des conditions réalistes. La conception d'un simulateur de capacité basé sur un modèle de propagation complet a permis de comparer les antennes et leurs caractéristiques en environnement cellulaire urbain dans la bande UMTS.

Ce manuscrit est consacré à l'élaboration de phases stationnaires monolithiques organiques pour lesmicrosystèmes électrochromatographiques plastiques. La partie bibliographique situe d'abord l'intérêt destechniques électrocinétiques en microsystème. Ensuite, l'état de l'art sur l'utilisation des monolithes dans cestechniques séparatives est présenté en portant une attention particulière à la description du processus dephotopolymérisation. La fonctionnalisation de surface du copolymère d'oléfine cyclique (COC) est ensuitedétaillée afin d'envisager l'ancrage du monolithe aux parois du canal.La partie expérimentale a porté tout d'abord sur le développement et la caractérisation de deux monolithesacrylates dédiés à la chromatographie à polarités des phases inversées. Le travail expérimental s'est ensuiteorienté vers le développement d'un nouveau procédé permettant la synthèse et l'ancrage du monolithe dansles microcanaux en COC, ceci en une seule étape et à partir des photoinitiateurs de type I. Ce protocolepermet l'obtention d'efficacités intéressantes qui restent cependant inférieures à celles obtenues en capillaire.Des adaptations des conditions d'irradiation ont alors été apportées pour la synthèse de ces monolithes àl'intérieur des microsystèmes afin d'obtenir des efficacités de l'ordre de 250 000 plateaux/m. Pour terminer,les domaines d'applications et la longévité du dispositif ont été illustrés par la séparation de différentesfamilles de solutés (PAH, mycotoxines, catécholamines, acides aminés, amines biogènes) et l'analysed'échantillons réels tels que les vins (pour déterminer la teneur en certaines amines biogènes : histamine ettyramine).

Actuellement, les objets communicants sans fils occupent une place prépondérante. Pour faciliter leur utilisation, ces objets sont de plus en plus petits et nécessitent de très petites antennes. Cette miniaturisation d'antennes implique forcément une détérioration de leurs performances. La conception d'antennes électriquement petites (AEP) nécessite une très bonne compréhension théorique des mécanismes électromagnétiques mis en jeu notamment quelles limites précises peut-on atteindre pour une AEP étant circonscrive dans un volume donné. Un des paramètres essentiels d'une AEP est son facteur de qualité intrinsèque qui est inversement proportionnel à sa bande passante en impédance. Ainsi, maximiser la bande passante en impédance d'une antenne consiste à minimiser son facteur de qualité. Face à ce problème, de nombreux travaux ont été développés pour déterminer les limites possibles pour des AEP. C'est dans ce cadre que s'inscrit le premier axe de recherche de la thèse : étudier le facteur de qualité d'AEP, afin de déterminer s'il existe des dimensions optimales permettant de s'approcher de ces limites. Le second axe de recherche a consisté à étudier des AEP fonctionnant à 2,45 GHz pour des implants biomédicaux. Celles-ci sont imprimées sur de nouveaux types de substrat pour avoir une meilleure résolution de trace métallique favorisant une réduction de l'encombrement, et une intégration facilitant ainsi les interconnexions avec les frontaux RF. Le challenge consiste à maximiser les performances de ces antennes. Plusieurs prototypes ont été réalisés pour valider les simulations.

L'intégration de systèmes optiques au plus près des détecteurs est un domaine en pleine expansion dans le monde scientifique et industriel. La diminution de l'encombrement et des coûts de ces systèmes contribuerait en effet à une meilleure diffusion de ces derniers dans des applications très diverses. L'objectif de la thèse est d'explorer de nouvelles briques de conception pour les systèmes infrarouges refroidis. J'ai montré qu'une première étape de miniaturisation peut être apportée en intégrant les systèmes optiques directement à l'intérieur du cryostat (intégration dewar-level). Les contraintes cryogéniques imposent cependant une simplification et une miniaturisation plus poussée de manière à réduire au maximum la charge supplémentaire à refroidir. Je me suis orienté, dans un premier temps, vers une approche minimaliste qui a consisté à rendre imageant le cryostat sans intégrer la moindre optique supplémentaire. J'ai ainsi réalisé une camera obscura infrarouge en donnant un effet sténopé au diaphragme froid. Ce concept a été amélioré en codant sur ce diaphragme un réseau circulaire qui associe la propriété de grande profondeur de champ du sténopé avec une bonne résolution angulaire. Les deux solutions proposées, bien que remarquables par leur simplicité, souffrent néanmoins d'un faible bilan radiométrique. Celui-ci peut être amélioré en intégrant une architecture de type ménisque de Wollaston, qui a fait l'objet d'une demande de brevet. J'ai alors montré qu'une seule optique refroidie permet d'atteindre simplement une très bonne qualité optique. Enfin, une réflexion a été menée pour miniaturiser cette architecture. Elle s'appuie sur des systèmes multivoies s'inspirant de l'œil à facettes apposées des invertébrés et de la vision du Xenos Peckii. Cette réflexion permettra de franchir une étape d'intégration supplémentaire en proposant d'aménager directement au niveau du détecteur (intégration wafer-level) des architectures optiques.

Des travaux de recherche sont actuellement menés pour miniaturiser les systèmes optiques : moins volumineux et moins chers, ils peuvent prétendre à être diffusés dans des applications diverses. L'objectif de cette thèse est de concevoir des systèmes d'imagerie extrêmement compacts, intégrés au plus près du détecteur infrarouge refroidi, et idéalement solidaires de celui-ci. J'ai tout d'abord mis en évidence des stratégies pour la simplification et la miniaturisation des systèmes optiques. Parmi elles, les approches menant à des systèmes multivoies semblent être les plus prometteuses pour concevoir des systèmes à la fois compacts et performants. J'ai alors proposé deux architectures multivoies simples, compactes et intégrées au plus près du détecteur infrarouge. La première, de champ d'observation égal à 120°, intègre une matrice de microlentilles à quelques centaines de micromètres seulement du détecteur infrarouge : elle est qualifiée de caméra sur puce. Des défis technologiques ont dû être relevés pour réaliser ce composant. J'ai développé un algorithme de reconstruction d'images et évalué expérimentalement les performances de la caméra. Ce système produit, après traitements, une image échantillonnée au pas de 7,5 µm. Cette valeur est deux fois meilleure que celle qui pourrait être obtenue avec une caméra monovoie classique, associée à un détecteur infrarouge à l'état de l'art actuel, avec un pas pixel de 15 µm. J'ai contribué à la réalisation du second système en développant une méthode originale et simple pour en fabriquer les matrices de microlentilles. Cette technique consiste à mouler par compression de la poudre de bromure de potassium à température ambiante. Ces travaux ouvrent la voie à une nouvelle génération de détecteurs infrarouges, qui intègrent une fonction d'imagerie.

Face à la volonté d'intégrer une quantité toujours plus importante de nouveaux services au sein des terminaux mobiles de nouvelle génération et afin de répondre à leurs contraintes d'encombrement, des nouveaux concepts d'antennes intelligentes font l'objet de nombreuses recherches. Parmi les solutions proposées dans la littérature, la technique consistant à charger l'antenne par un matériau aux propriétés commandables apparaît particulièrement intéressante puisque elle cumule les effets de miniaturisation et d'agilité. Le travail de cette thèse concerne l'intégration des films minces La-Ti-O-N et BST dans des antennes miniatures et agiles en fréquence. Pour cela, une étude systématique des propriétés diélectriques (constante, tangente de pertes et accordabilité) des films La-Ti-O-N a été réalisée en basses et hautes fréquences. Ces propriétés sont fonction des caractéristiques structurales des films, elles-mêmes issues de la nature du substrat utilisé et des conditions de dépôt. En parallèle, une étude sur l'intégration de ces matériaux dans des structures rayonnantes pour atteindre l'agilité souhaitée a été menée. De premiers démonstrateurs d'antennes miniatures et reconfigurables à base des films minces La-Ti-O-N et BST ont été réalisés et caractérisés.

La plupart des efforts de développements actuels des STT-MRAM est centrée sur des jonctions tunnels magnétiques à aimantation hors du plan. Les derniers empilements mis au point utilisent avantageusement l’anisotropie perpendiculaire induite aux interfaces magnétiques métal / oxydes, qui permet de réconcilier la forte anisotropie demandée pour assurer une rétention suffisante de la mémoire ainsi qu’une faible densité de courant de retournement STT grâce au couplage spin-orbite faible. Cependant, pour des cellules mémoire de taille inférieure à 20 nm, il est difficile d’atteindre une rétention de 10 ans à 100°C en utilisant uniquement l’anisotropie interfaciale. Pour augmenter encore plus l’anisotropie magnétique, ceci impose l’utilisation de couches magnétiques de CoFeB ultraminces (épaisseur inférieure à 1.4nm) qui présentent un coefficient d’amortissement Gilbert augmenté ainsi qu’une magnétorésistance tunnel TMR réduite. Pour des nœuds technologiques inférieurs à 20 nm, des nouveaux matériaux présentant une forte anisotropie magnétocrystalline et faible coefficient d’amortissement doivent être trouvés. De plus, l’anisotropie interfaciale est très sensible aux propriétés structurelles et chimiques aux interfaces entre les métaux magnétiques et la barrière tunnel de MgO. Avec des techniques de nanofabrication conventionnelles, ces interfaces peuvent être endommagées durant notamment l’étape de gravure, ce qui conduit à une variabilité importante cellule à cellule. Pour résoudre ce genre de problèmes pour des cellules STT-MRAM de tailles très petites, nous proposons l’utilisation d’empilements jonctions tunnel magnétiques dans lesquels l’anisotropie de la couche de stockage est contrôlée uniquement par son anisotropie de forme hors du plan. Ceci donne notamment une couche de stockage de forme cylindrique avec un aspect de forme suffisamment large (épaisseur / diamètre environ > 1). De cette façon, pour des raisons purement magnétostatiques, l’aimantation de la couche de stockage sera orientée perpendiculairement au plan de la cellule. Dans cette approche, la géométrie planaire classique des couches minces est ainsi remplacée par une géométrie tridimensionnelle. Cette approche innovante a plusieurs avantages : (i) elle génère une source fiable et robuste d’anisotropie perpendiculaire, beaucoup moins sensible aux défauts de structure et aux fluctuations thermiques; (ii) permet d’utiliser des matériaux connus et facile à croître, avec des coefficients d’amortissement faible, comme le Permalloy, en combinaison avec du CoFeB aux interfaces avec la barrière tunnel de MgO et (iii) donne une approche miniaturisable, même à des diamètres sub-10 nm, car le même matériau peut être utilisé pour des nœuds technologiques très petits. / Most of the actual STT-MRAM development effort is nowadays focused on out-of-plane magnetized MTJ taking advantage of the perpendicular magnetic anisotropy (PMA) arising at magnetic metal/oxide interface. This interfacial anisotropy allows conciliating large anisotropy required to insure a sufficient retention of the memory together with low switching current density thanks to weak spin-orbit coupling. However this PMA is too weak to insure 10 year retention up to 100°C in sub-20 nm devices. For deeply sub-20 nm nodes, new materials with large bulk PMA and low damping still have to be found. Furthermore, because this PMA is an interfacial effect, it is very sensitive to the structural and chemical properties of the magnetic metal/MgO interfaces contributing to dot to dot variability. To solve these problems in very small feature size STT-MRAM, we propose a totally novel approach: use MTJ stacks in which the storage layer anisotropy is uniquely controlled by its out-of-plane shape anisotropy i.e. by giving the storage layer a cylindrical shape with large enough aspect ratio (thickness / diameter typically > 1). In such structure, for purely magnetostatic reasons, the storage layer magnetization lies out-of-plane. With this approach, the geometry of conventional 2D thin layers is thus replaced by a 3D geometry. This innovative approach had several advantages: (i) it creates a strong and robust source of perpendicular anisotropy, much less sensitive to interfacial defects and thermal fluctuations; (ii) allows the use of well-known materials with mastered growth and low magnetic damping, such as Permalloy in combination with FeCoB at the interface of the MgO tunnel barrier and (iii) yields to an extreme scalability of the memory point, down to the sub-10 nm node, as the same materials can be used at very low nodes.

Le développement de l’électronique embarquée et miniaturisée est pleinement d’actualité de nos jours, dans les domaines tels que l’armement, la médecine, et les télécommunications. La miniaturisation des antennes large-bande, opérationnelles sur plus d’une décade, présentent un défi particulier. Ces travaux de thèse proposent de travailler sur la miniaturisation d’une antenne spirale, afin d’en réduire l’encombrement, à savoir son diamètre, tout en conservant au mieux ses caractéristiques de rayonnement et polarisation intrinsèques. Cette recherche sera appliquée à la bande des Très hautes Fréquence (Very High Frequencies – VHF), allant de 30MHz à 300MHz La géométrie inédite proposée consiste à associer à une antenne spirale un ensemble d’anneaux résonnants, dont le diamètre n’excède pas celui de la spirale, et permettant de diminuer la fréquence basse de fonctionnement. Pour un ensemble de cinq anneaux associé à la spirale, la réduction de la fréquence basse de fonctionnement est de plus de 30%. Pour deux antennes spirales de même fréquence basse de fonctionnement, l’antenne miniaturisée a donc un diamètre réduit de 30%, soit une surface réduite de 50%. Les performances de l’état de l’art d’après lesquelles les réductions sur le diamètre des antennes spirales n’excèdent pas 15% sont donc dépassées. De plus, d’après cet état de l’art, les méthodes de réduction appliquées aux antennes large bande dégradent en général le gain et l’axial ratio dans les bandes basses de fréquences de fonctionnement. La méthode proposée permet de conserver l’efficacité de l’antenne, voire de l’augmenter, dans les fréquences proches de la fréquence basse de fonctionnement. Le rayonnement de l’antenne spirale miniaturisée dans la bande passante de l’antenne sans anneaux n’est pour autant pas modifiée. Ces résultats très encourageant ont été confirmés par la mesure d’antennes spirales miniaturisées, réalisées pour un diamètre de 8cm et de 1m : une réduction de 30% du diamètre sans dégradation du rayonnement a été observée. Les mesures ont par ailleurs donné lieu à l’étude de la réalisation d’une antenne en bande VHF, avec pour implication les problématiques de réalisation (masse, encombrement, résistance mécanique) et de mesure (isolation, effets parasites en VHF avec une longueur d’onde de 4m). / Miniaturizing electronic devices is a great challenge in crucial research domain such as defense, medicine, and telecommunications. Wideband antenna miniaturization operating on more than a decade is a particular issue. This thesis presents an original method for miniaturizing a spiral antenna, reducing its diameter while keeping its bandwidth, its radiating performances and its axial ratio characteristics. This method is applied to UHF spiral antenna (from 750MHz) and VHF antenna (from 75MHz). The new geometry adds stacked resonant rings to an Archimedean spiral antenna. Their diameter are the same, hence no rise of the antenna diameter. For a 5-ring spiral antenna, the lowest operating frequency reduction is higher than 30%. That is equivalent to a 30% reduction of the diameter for two antennas sharing the same lowest operating frequency, hence a 50% reduction of the area of the antenna. These reduction factors surpass the reduction factors of the state of art of 15%. Besides, according to the state of art, the miniaturizing techniques imply some degradation of the gain and axial ratio performances at the lowest operating frequencies. The new method improves on the other hand these characteristics at these frequencies. At higher frequencies, the rings do not interfere with the matching of neither the spiral antenna nor its radiation characteristics. These results were validated by fabricated antenna measurements. A 30% reduction of the diameter was obtained on a 5-ring-8cm-large antenna as well as on a 5-ring-1m-large antenna. No impairment was noticed on the radiation of the antennas, even at the lowest operating frequencies. The thesis also discusses the difficulties which came in addition for the fabrication (mass, size and mechanical resistance) and measurement (radiation interferences and measurement isolation – the wavelength being 4m) of the VHF antenna.