Cette thèse propose et démontre une nouvelle approche pour mesurer par vision la position d'une cible dans le plan XY. La mise en œuvre concerne la microscopie optique d'échantillons biologique grâce à des boîtes de culture cellulaire référencées en position. Conçus et réalisés spécifiquement, ces prototypes constituent un référentiel de position solidaire des cultures biologiques. Cela permet le repositionnement très précis des spécimens sous le microscope ainsi que la superposition digitale des images enregistrée au centième de pixel. Cette méthode est validée par le suivi site à site des transformation et déplacements cellulaires au cours du temps, malgré le transfert répété des préparations du microscope à l'incubateur. La méthode repose sur le traitement numérique des images d'un motif pseudopériodique micro-fabriqué en salle blanche et déposé sur la cible à poursuivre. Une mesure binaire -absolue mais pas résolvante_ est combinée avec une mesure linéaire - relative mais très résolvante- pour obtenir un repérage absolu et très précis de la position et de l'orientation de l'objet dans le plan. Le traitement binaire est basé sur un cryptage de la position sous la forme de séquences pseudo-aléatoire de type LFSR étendues à deux dimensions. Le traitement linéaire est basé sur des calcul de phase après filtrage dans le domaine spectral. L'information de phase sert également au calcul du contraste local des séquences binaires, ce qui confère une très grande robustesse au décodage binaire de position. A partir d'un motif de période 4um, les performances obtenues correspondent à 20 nm de résolution en position latérale et 10 -20 en orientation dans le plan.

Aujourd hui, les micro-systèmes distribués de type MEMS (MicroElectroMechanical Systems) peuvent apporter une réponse nouvelle aux exigences de plus en plus pointues d applications aussi innovantes que la micro-manipulation d objet (utilisation de micro-convoyeurs pneumatiques) ou le contrôle des écoulements fluidiques (utilisation de générateurs fluidiques de vortex). Ce manuscrit présente la conception et la réalisation, selon des techniques de micro-fabrication, d une matrice de micro-cellules fluidiques distribuées destinée à la micro-manipulation d objets et au contrôle d écoulements fluidiques. Cette matrice est composée de 64 cellules fluidiques chacune capable de produire un micro-jet d air incliné selon quatre sens de soufflage indépendants (nord, sud, est et ouest). L inclinaison du jet selon un angle particulier est obtenue grâce à une structure fluidique particulière réalisée par gravure DRIE (Deep Reactive Ion Etching) double face du silicium. Cette matrice est en mesure de convoyer à sa surface un objet cylindrique plat de 5 mm de diamètre et 500 m d épaisseur. La modification de l écoulement fluidique turbulent le long d une rampe inclinée, par la matrice pneumatique, a été également constatée pour une fréquence de jets pulsés de 100 Hz. Des vitesses de jets (issus d une de ces structures fluidiques dites escalier dont la buse d éjection présente un diamètre caractéristique moyen d environ 180 m) de l ordre de 160 m/s, pour une pression d alimentation de 0,24 MPa, ont été mesurées par PIV (Particle Image Velocimetry). Deux micro-actionneurs électrostatiques à effet zipping de technologie MEMS ont été étudiés et fabriqués pour réaliser une micro-valve capable de contrôler l'ouverture et la fermeture d une buse d éjection. A vide, une fréquence d actionnement de 1000 Hz a été mesurée sur l un d entre eux pour une consommation de 13 mW sous 150 V. Ces travaux de doctorat rentrent dans le cadre du projet ANR (Agence Nationale de la Recherche) Smart Surface et sont aussi l héritage des projets européens AeroMEMS I et II.

Les travaux présentés dans ce manuscrit s’inscrivent dans le développement de capteurs à ondes élastiques de surface pour la télémesure de grandeurs physiques pour les applications biomédicales, et plus particulièrement la mesure de pression artérielle. Ce mémoire présente tout d abord le développement d un modèle physique inédit permettant la simulation de dispositifs à ondes élastiques de surface en milieu contraint mécaniquement avec une distribution inhomogène de contrainte. L ensemble du modèle est détaillé et utilisé afin d optimiser la géométrie d un capteur de pression à membrane. L étude est dédiée aux capteurs sur quartz mais peut être appliquée à tout type de matériaux piézoélectriques. Ce mémoire présente également la réalisation du capteur. L application en tant que capteur a été validée et comparée avec les résultats obtenus à partir du modèle développé. Les comparaisons théorie/expériences montrent l efficacité du modèle développé et la pertinence des règles de conception, qui jusqu à présent, n avait aucun équivalent. Le modèle développé mis en oeuvre sous forme logicielle permet des études plus poussées dans tout le domaine d application de capteur à base de dispositifs à ondes élastiques et plus particulièrement pour les mesures de grandeur mécaniques comme illustré tout au long de ce mémoire. Pour conclure le manuscrit, nous montrons l utilisation du capteur pour la mesure de la pression artérielle par voie externe.

Des films minces de chrome sont élaborés par pulvérisation cathodique DC magnétron. Les conditions expérimentales de pression et de température conduisent à une croissance colonnaire. La mise en oeuvre de la technique originale << GLAD > (GLancing Angie Deposition) permet de contrôler l orientation du substrat par rapport au flux de vapeur incident. Ainsi l architecture des colonnes constituant les couches minces est modifiée. Trois types de structures sont élaborés : des colonnes inclinées (1D) des structures zigzags (20) et des structures spiralées (BD). La texturation des substrats par un réseau de plots permet d organiser ces différentes architectures sur la surface. Les propriétés physiques de ces couches minces telles que la densité la rugosité et la résistivité électrique, sont affectées par la structuration des colonnes. L élaboration de ces architectures est réalisée en lien étroit avec une simulation Monte Carlo de la croissance de structures équivalentes. Cette double approche permet de mieux comprendre les mécanismes de croissance mis en jeu ainsi que les propriétés résultantes. Un modèle théorique est ensuite proposé pour prédire l évolution de la résistivité électrique des films minces à colonnes inclinées.

La thèse propose un concept de microbancs optiques reconfigurables (MOEMS 3D hybrides) à base d'éléments microfabriqués et assemblés à l aide d une station robotique : ces nouveaux bancs optiques combinent les avantages du micro-assemblage robotique et des techniques de microfabrication sur silicium. Le positionnement fin des supports optiques sur un substrat s'effectue par une tâche de guidage. La réalisation d'une telle tâche à l'échelle micrométrique est une contribution majeure de la thèse. Elle a nécessité plusieurs avancées. L absence de modèles fiables et de mesures disponibles pour des contacts plan / plan, un type de contact très fréquent en micro-assemblage, nous a conduit au développement d un banc de moeurs robotisé pour évaluer la force de pull-off. Ensuite, un système robotique équipé de préhenseur à deux doigts de serrage instrumentés a été mis en oeuvre pour mesurer simultanément la force de serrage et la force de Contact latéral qui agit sur le micro-objet manipulé durant le guidage. Un modèle de l évolution de la force de serrage lors de l apparition de la force de contact latéral est présenté et confronté à une modélisation par éléments nis ainsi qu'à des résultats expérimentaux. Enfin, une stratégie de guidage est établie en prenant en compte la stabilité de la saisie et les spécificités du micromonde. Une commande hybride force/ position est choisie pour automatiser le guidage par deux doigts instrumentés (GDDI). Elle a été mise en oeuvre avec succès sur un système robotique.

Ce travail de thèse étudie la démonstration numérique et expérimentale de la génération de signaux chaotiques à partir d'une nouvelle architecture optoélectronique appartenant à la catégorie des systèmes d'Ikeda, et destinée aux communications de données optiques sécurisées par chaos à haut débits. Le principe s'appuie sur une dynamique électro-optique non linéaire à multiples retards, dont la non linéarité est construite grâce à un interféromètre à 4 ondes réalisé en optique intégrée (LiNbO3), et disposant de 2 électrodes de modulation indépendantes, autrement dit : une non linéarité bidimensionnelle (2D). Cet interféromètre est un modulateur QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), qui fait partie de la famille des modulateurs Mach-Zehnder à 4 bras; il permet pratiquement de relier 2 boucles de rétroaction opto-électroniques, pour produire un chaos sur la variable dynamique intensité optique. La dynamique particulière obtenue peut se résumer à un modèle théorique de deux équations intégro-rérentielles, excitées par un terme non linéaire retardé qui est fonction de deux variables dynamiques couplées. Au travers d'une étude numérique et expérimentale, nous avons cherché à analyser certains des nombreux comportements dynamiques que peut présenter cet oscillateur, en fonction de divers paramètres physiques du montage: régimes de point fixe stable, périodiques, et chaotiques. La mise en oeuvre du montage expérimental a permis de valider le modèle théorique adopté pour les simulations. Ainsi, cet oscillateur permet de disposer d'une part, d'une dynamique ultra-rapide jusqu'à des fréquences de plusieurs GHz, et d'autre part, de générer un chaos de grande dimension destiné au cryptage physique de données optiques. En fin, le potentiel de décryptage du système cryptographique complet, composé d'un émetteur et d'un récepteur, a été mis en évidence numériquement, en modulant chaotiquement une information binaire à plus de 3 Gbit/s.

Pour optimiser l'énergie vibratoire extraite d`une structure il faut choisir convenablement les paramètres du transducteur électrodynamique employé. Dans le cas d une boucle de récupération d énergie linéaire, pour maximiser la puissance extraite il faut que les amortissements électriques créés par la boucle de rétroaction) et mécaniques (dû aux pertes internes de la structure flexible) soient égaux. Cela revient à choisir le gain permettant de se placer à l`abscisse égale au double de celle en circuit ouvert sur le tracé du lieu d Evans. Si la boucle est trop petite pour obtenir cette condition, alors il faut l agrandir en changeant le placement du transducteur ou bien en utiliser plusieurs. Lorsque la boucle de récupération devient non linéaire l égalité des amortissements est toujours valide, mais dans ce cas de figure il faut définir un amortissement électrique équivalent. Des mesures expérimentales ont confirmé que le même critère peut être utilisé dans le cas linéaire que dans le cas non linéaire. Pour optimiser la puissance récupérée d'une structure vibrante, même si celle-ci n est pas excitée à sa pulsation de résonance, utiliser un récupérateur d`énergie inertiel est envisageable. En choisissant sa masse, sa pulsation de résonance et son amortissement de façon adéquate, la puissance extraite peut être maximisée

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 micro-produits. Ces micro-robots 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 micro-robots 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 Pétri 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.

Le pronostic industriel est aujourd'hui reconnu comme un processus clef pour renforcer la sûreté de fonctionnement des matériels tout en réduisant les coûts de maintenance. Cependant, il est difficile de construire un outil de pronostic efficace, prenant en compte l'incertitude inhérente aux processus de défaillance mal appréhendés. L'objet de cette thèse est de proposer un système de pronostic qui, partant des données capteurs, permette de générer les indicateurs utiles à l'optimisation des stratégies de maintenance. Le travail vise en outre à pallier certains problèmes inhérents au manque de connaissance sur les phénomènes de dégradation (quantité de données, expertise dans la construction d'un modèle). Les développements sont fondés sur l'utilisation du système neuro-flou évolutif exTS comme outil permettant de prédire la dégradation d'un bien. Une procédure de sélection automatique des entrées du système prédictif est proposée. L'approche est basée sur le principe de parcimonie. Elle permet de déterminer la structure du réseau neuro-ffiou en regard d'exigences de performance de prédiction. Une méthode d'estimation a priori de la distribution des erreurs de prédiction du système neuro-flou, ainsi que de propagation de cette erreur pour tout horizon est ensuite proposée et illustrée. Cette contribution permet d'intégrer la confiance au processus de pronostic. Enfin, les mécanismes d'évaluation de la fiabilité d'un bien sont adaptés au cas prédictif affin de générer les métriques de pronostic permettant d'optimiser les stratégies de maintenance, notamment le temps résiduel avant défaillance (Remaining Useful Life - RUL).

Cette thèse a pour contexte la micromanipulation en milieu liquide. Cette thématique scientifique vise à comprendre les phénomènes qui interviennent lors de la manipulation dans un liquide de microcomposants, dont la taille peut varier entre 1 m et quelques millimètres. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur l étude des forces de tension de surface en milieu immergé, car elles bénéficient d effets d échelle favorables. L idée poursuivie est d utiliser des bulles de gaz comme un moyen d actionnement dans les milieux liquides, et nécessite d étudier les propriétés mécaniques de ces bulles. L originalité de l approche repose sur la combinaison de deux effets : la tension de surface et la compressibilité du gaz. La première étape a été l étude d un moyen efficace pour générer une unique bulle de gaz de taille voulue. Après une analyse exhaustive, il est apparu que la génération de bulle par le contrôle en volume était une méthode prometteuse. Nous avons alors développé un modèle permettant de prédire la taille d une bulle, et mis en évidence la possible existence d une instabilité de la croissance de ces bulles. Une étude analytique adimensionnelle nous a permis de définir un critère pour prédire l existence ou non de cette instabilité. La seconde étape a porté sur la caractérisation mécanique en régime quasi statique d une bulle de gaz en contact avec deux solides. Le but étant de prédire la force générée par une bulle de gaz sur les solides ainsi que sa raideur. Le modèle implémenté a permis de déduire des propriétés intéressantes des bulles de gaz, notamment une grande compliance dont la valeur peut être contrôlée par des paramètres fluidiques. Cette propriété de compliance étant très recherchée en micromanipulation, un démonstrateur exploitant les bulles de gaz a été conçu. Il s agit d une microtable compliante actionnée par trois bulles. Ces travaux ouvrent la voie vers de nouveaux modes d actionnement ou de capteur utilisant la transduction entre une énergie fluidique et mécanique opérée par un ménisque capillaire.