Dissertationen zum Thema „Capteurs flexibles“

L’avènement de l’Internet des Objets a fait de la récupération d’énergie ambiante un enjeu majeur dans le but d’alimenter les microsystèmes communicants. Dans ce contexte, les travaux réalisés dans cette thèse portent sur le développement d'un micro-générateur piézoélectrique flexible, capable de convertir l’énergie mécanique de faibles flux d’air. L’objectif est de rendre certains microsystèmes autonomes en énergie, ou du moins de permettre de prolonger leur durée d’utilisation avec la récupération d'énergie. Les micro-générateurs flexibles sont fabriqués à partir de films minces de zircono-titanate de plomb (PZT) de 3 μm d’épaisseur encapsulés entre des films de poly(téréphtalate d'éthylène) (PET). Le procédé de fabrication des micro-générateurs a été optimisé afin d’accroître leur rendement. Ainsi, l’optimisation de la structure d’électrodes et de la géométrie du générateur a permis de multiplier par 625 la puissance maximale récupérée. Dans cette étude, les micro-générateurs ont été soumis à différents types de sollicitations mécaniques (pot-vibrant, système de traction/compression et soufflerie) de manière à évaluer leur aptitude à la récupération d’énergie. Ainsi, les essais en soufflerie ont montré qu’il était possible de récupérer une puissance de 38 μW à 10 Hz lorsqu‘un générateur était soumis à un faible courant d'air (6 m/s). Ce générateur a permis d’alimenter un capteur de température communicant durant plusieurs cycles de mesures/envoi des données
The advent of the Internet of Things has rendered the ambient energy harvesting a major issue for powering communicating microsystems. In this context, this work focuses on the development of a flexible piezoelectric micro-generator able to convert the mechanical energy from low airflows. The objective is to develop autonomous microsystems, or at least to extend their lifespan with energy harvesting. To harvest ambient energy, the flexible micro-generators are made of 3 μm-thick lead zirconate titanate (PZT) thin films encapsulated between polyethylene terephthalate (PET) films. The manufacturing process of the micro-generators has been optimized in order to increase their energy efficiency. Both the optimization of the electrode structure and the geometry of the generator made the maximum harvested power increase by a factor of 625. In this work, to characterize the energy harvesting, the micro-generators were excited with different systems (shaker, traction/compression system and wind tunnel). Thus, wind tunnel tests have shown that it was possible to harvest a power of 38 μW at 10 Hz when the generator was subjected to a low airflow (6 m/s). This generator allowed to power a communicating temperature sensor during several measurement/data transmission cycles

Ce travail porte sur la réalisation de capteurs interdigités (IDT pour InterDigital Transducer) sur des supports piézoélectriques. L’enjeu est double puisqu’il s’agit premièrement de disposer de capteurs efficaces pour générer des ondes de surface acoustiques (SAW pour Surface Acoustic Wave) afin de caractériser la qualité des revêtements et des surfaces de structures. Le deuxième objectif de cette étude est de rendre ces capteurs IDT flexibles afin qu’ils puissent s’adapter non seulement aux différentes géométries planes ou non mais aussi pour qu’ils soient capables de supporter les déformations des structures au cours de leur utilisation. En général, les matériaux piézoélectriques sont rigides et le caractère souple des matériaux est souvent en opposition avec les performances piézoélectriques de ces derniers ; nous avons donc développé des matériaux qui répondent à ces deux exigences : la performance piézoélectrique et la souplesse. Enfin, nous avons privilégié des technologies relativement bon marché pour développer ces capteurs afin d’envisager par la suite, un contrôle continu des structures en intégrant ces capteurs à demeure sur ces dernières
This work deals with the realization of interdigital sensors (IDT for InterDigital Transducer) on piezoelectric substrates. There is a dual challenge since firstly, the aim is to have efficient sensors to generate surface acoustic waves (SAW) in order to characterize the quality of the coatings and structure surfaces. The second objective of this study is to make these IDT sensors flexible so as to adapt to different geometries of structures and to be able to put up with the deformations of structures in use. Typically, piezoelectric materials are rigid and the flexible nature of the materials is often in opposition to the piezoelectric performance of the latter. We developed materials that meet these two requirements: piezoelectricity and flexibility. Finally, we gave greater importance to relatively cheap technologies to develop these sensors because this allows then to consider continuous monitoring (structural health monitoring) by incorporating these sensors permanently on the structures to be tested

Les NWs de ZnO hautement résistifs sont destinés à être utilisés comme capteurs de pression dans des substrats flexibles. Pour cela, il était important de développer le rôle important des défauts liés à l'hydrogène et à l'azote dans les NWs de ZnO cultivés par CBD, comme cela a été largement étudié dans cette thèse. Le chapitre 1 détaille l'état de l'art de la présente thèse et le chapitre 2 détaille les procédures expérimentales utilisées pour développer les différentes études de cette thèse. Dans le chapitre 3, la conduction électrique de type métallique des NWs de ZnO cultivés spontanément a été attribuée à une forte densité de porteurs de charge libre due aux défauts liés à l'hydrogène (c'est-à-dire le HBC et le VZn-3H agissant comme des donneurs superficiels). Ensuite, le chapitre 4 démontre la capacité d'ingénierie des NWs de ZnO par recuit thermique sous une atmosphère d'oxygène, montrant que la densité des défauts liés à l'hydrogène diminue à ~300 °C, et que l'activation thermique de VZn-NO-H (agissant comme accepteur profond) à ~450 °C favorise une compensation importante. De plus, l'incorporation intentionnelle d'atomes dopants de Sb dans les NWs de ZnO apporte une nouvelle approche en réalisant les croissances dans les régions à faible et à fort pH, comme cela a été fait dans le chapitre 5. Ainsi, le chapitre 6 élucide la modulation complexe entre les défauts liés à l'hydrogène, à l'azote et à l'antimoine dans les différentes conditions de croissance et de recuit. En particulier, le nouveau recuit en deux étapes à 300 °C pendant 4 heures et une heure consécutive à 450 °C illustre la possibilité de diffuser exogène les donneurs d'hydrogène et d'activer thermiquement les défauts liés au VZn-NO-H et au Sb. Enfin, le chapitre 7 montre l'incorporation de ces NWs de ZnO hautement résistifs comme capteurs piézoélectriques flexibles
Highly resistive ZnO NWs are intended for their application as pressure sensors in flexible substrates. To achieve this, it was important to develop the important role of hydrogen- and nitrogen-related defects in ZnO NWs grown by CBD, as it has been extensively studied in this thesis. Chapter 1 details the state-of-the-art of the present thesis and Chapter 2 details the experimental procedures used to develop the different studies of this thesis. In Chapter 3, the metal-like electrical conduction of spontaneously grown ZnO NWs was attributed to a high density of free charge carriers due to hydrogen-related defects (i.e., HBC and VZn-3H acting as shallow donors). Then, Chapter 4 demonstrates the capacity to engineer the ZnO NWs by thermal annealing under an oxygen atmosphere, showing that the density of hydrogen-related defects would decrease at ~300 °C, and the thermal activation of VZn-NO-H (acting as deep acceptor) at ~450 °C would promote an important compensation. Furthermore, the intentional incorporation of Sb dopant atoms in the ZnO NWs bring a novel approach by performing the growths in the low- and high-pH regions, as performed in Chapter 5. Hence, Chapter 6 elucidates the complex modulation between the hydrogen-, nitrogen- and antimony-related defects at the different growth conditions and the different annealing conditions. Particularly, the novel two-step annealing at 300 °C for 4 h and a consecutive 1 h at 450 °C will illustrate the possibility to exo diffuse the hydrogen-donors and thermally activate the VZn-NO-H and Sb-related defects. Finally, Chapter 7 shows the incorporation of these highly resistive ZnO NWs as flexible piezoelectric sensors

Cette these traite de la modelisation et de la commande des structures flexibles. Dans un premier temps, il est presente synthetiquement les principaux concepts concernant les systemes a parametres distribues; en rappelant les problemes occasionnes par l'approximation des systemes, d'ordre infini, par un nombre fini d'equations differentielles ordinaires. Compte tenu des particularites de la representation d'etat des structures flexibles, la reduction du modele est obtenue a partir d'une mesure de l'energie communiquee en sortie par chaque mode vibratoire en reponse a une entree test. Le probleme du positionnement des capteurs et des actionneurs est considere de deux facons distinctes: une premiere approche consiste a faire le placement a partir des mesures du degre de commandabilite et d'observabilite. La deuxieme approche associe le calcul des lois de commande au probleme du placement. Dans ce cas, la mesure adoptee porte sur la solution de l'equation de riccati. Grace a des proprietes de concavite qui decoulent de l'utilisation de ces mesures, il a ete possible de mettre en uvre les procedures necessaires pour resoudre le probleme de location optimale. Pour tenir compte des variations des parametres du modele, la synthese des lois de commande est realise par des methodes de commande robuste, tout en faisant apparaitre le rapport entre les equations du type riccati modifiees et la theorie de jeux pour les strategies de nash et de stackelberg. Finalement, plusieurs exemples sont presentes pour illustrer les methodes developpees

L’avènement des interfaces tactiles ouvre des perspectives d’enrichissement de l’interaction entre l’homme et la machine. Nous proposons un nouveau concept de surfaces tactiles souples dont l’objectif est d’étudier l’interaction entre le signal électrique et l’environnement résistif et diélectrique du support, afin de réaliser le système d’acquisition fournissant une information exploitable par la machine.La base technologique est un guide d’ondes sur substrat souple sur lequel le toucher crée une réflexion au port d’entrée. Nous avons développé une méthode de localisation alternative à la réflectométrie temporelle, nommée Harmonic Detection and Location (HDL), permettant l’utilisation d’une électronique d’acquisition de faible complexité, en bande étroite, autour de 100 MHz. Le concept a été validé à partir de mesures sur des dalles tactiles souples et rigides connectées à un analyseur de réseau, utilisé comme référence. Un système d’acquisition compact basé sur un pont de Wheatstone associé à un détecteur de phase a été développé. Pour ce faire, un travail de caractérisation et d’identification des sources d’erreurs a été mené sur les interactions électromagnétiques entre le doigt et le guide d’onde, les imperfections du guide d’onde et la nature du substrat ainsi que l’impact des erreurs induites par l’électronique d’acquisition.Cette connaissance a permis de co-développer la partie matérielle et l’algorithme de détection pour démontrer une précision de localisation de 2cm. Les fondamentaux posés dans ce travail ouvrent la possibilité de réalisation d’interfaces de grande surface, avec une connectique simple, conformables sur des objets sensitifs en trois dimensions
The advent of sensitive interfaces is promising prospects to the human-machine interaction. We propose a new concept of sensitive flexible surface. Its aim is to study the interaction between electrical signal and resistive and dielectric environment of the support in order to realize an acquisition system providing machine readable information.The technological base is a waveguide on flexible substrate on which the touch creates a reflection at the input port. We have developed a location method as an alternative to the time domain reflectometry (TDR). It is named Harmonic Detection and Location (HDL) and it allows using a narrow band, around 100 MHz, low complexity acquisition system. The concept has been approved using measures on flexible and rigid sensitive surfaces connected to a vector network analyzer (VNA) used as reference. A compact acquisition system based on a Wheatstone bridge associated to a phase detector has been developed. For this purpose, errors characterization and identification work has been done. Electromagnetic interactions between the finger and the waveguide, waveguide imperfections, substrate nature and acquisition system errors’ impact have been studied. This knowledge has provided the possibility to co-develop the hardware and the detection algorithm to demonstrate a location accuracy of 2cm. Fundamental principles of this work provide the possibility of realizing large surface interfaces, with simple connection and conformable, for 3D sensitive objects

Un système mécanique donné est dépendant de son environnement au moment de son fonctionnement. Cet environnement est caractérisé par l'ensemble des sources d'excitations, les liaisons et les effets indésirables tels que les bruits et les vibrations que produit la structure. Un tel système évolue selon des lois naturelles positives et globales. Le contrôle actif a pour objectif d'agir sur ces lois et permet de conférer au système un comportement avec de meilleures performances dynamiques. Pour ce faire on intègre à la structure de base un jeu de capteurs pour mesurer son état vibratoire et un jeu d'actionneurs pour appliquer une commande générée par un contrôleur afin d'amener la structure à un état fixé auparavant. Dans ce travail, il s'agit d'étudier le contrôle actif de structures légères et flexibles à l'aide de matériaux piezoélectriques. En effet, ces structures sont abondamments utilisées en construction aéronautique. Un problème fondamental se pose lors du contrôle de telles structures : c'est le phénomène de la contamination modale (effet de Spillover) qui se manifeste sous forme d'instabilités
A given mechanical system is dependant on its environment at the time of its operation. The excitation sources and the connections with its environment makes the system produces adverse effects such as the noises and the vibrations. Such a system behaves according to positive and total natural laws'. Active control aims to act on these laws and makes it possible to confer on the system a behavior with better dynamic performances. With this intention one integrates into the basic structure a set of sensors to measure its vibratory state and a set of actuators to apply a command generated by a controller in order to bring the structure in a state fixed before. In this work, it is a question of studying the active control of light and flexible structures using peizoelectric materials. These structures are abundantly used in aeronautical construction. A fundamental problem arises during the control of such structures : it is the phenomenon of the modal contamination (effet Spillower) which occurs as instabilities

Dans le domaine du contrôle actif des structures flexibles, l'efficacité de la loi de commande dépend beaucoup du positionnement des capteurs et des actionneurs. Dans ce travail, nous présentons un nouveau critère de positionnement de capteurs et d'actionneurs non colocalisés : celui-ci consiste à assurer que le système "structure flexible/actionneurs/capteurs" se comporte comme un système positif réel dans le domaine des basses fréquences. Le contrôle d'une plaque, munie d'un actionneur ponctuel fixe et de capteurs piézo-électriques, est d'abord étudié. Nous pouvons alors formuler notre critère comme un problème d'optimisation topologique dans la mesure où la position et la topologie des capteurs sont inconnus a priori, Des résultats théoriques essentiels pour ce problème sont montrés et nous présentons des résultats numériques. Notre méthode est ensuite étendue au cas où les capteurs et les actionneurs, tous deux piézo-électriques, sont optimisés simultanément, La dernière partie de ce travail est consacrée à la stabilisation du système. Plusieurs lois de commande ont été mises en oeuvre et les résultats numériques montrent que notre système peut être stabilisé de manière satisfaisante par des contrôleurs d'ordre peu élevé.

Les capteurs de déformation flexibles et biocompatibles constitués d’assemblages de nanoparticules (NPs) sont prometteurs pour diverses applications futures, telles que la peau électronique, les écrans tactiles flexibles ou la robotique. Le principe de ces capteurs de déformations repose sur la conduction par effet tunnel entre les NPs qui varie de façon exponentielle lorsque que le film de NPs est déformé. Cependant, la sensibilité, la reproductibilité et la stabilité de ces capteurs sont affectées par les variations d'épaisseur, de morphologie et de densité des films lors de la fabrication ou au cours de leur utilisation. L’objectif de ces travaux est de développer des capteurs de déformations basés sur l'utilisation d’assemblages de nanohélices de silice recouvertes de NPs métalliques conductrices ou de NPs d’oxydes métalliques semi-conductrices pour surmonter ces aspects critiques. Dans la première partie, des NPs d’or sont synthétisées et fonctionnalisées avec différentes compositions de ligands isolants et sont ensuite greffées à la surface des nanohélices de façon covalente. Dans la seconde partie, des NPs semi-conductrices transparentes d’oxyde d’étain dopé à l’antimoine sont synthétisées, fonctionnalisées et assemblées à la surface des nanohélices par interactions électrostatiques ou covalentes. Enfin, les différents assemblages obtenus sont déposés par diélectrophorèse entre des électrodes interdigitées sur un substrat flexible. Les propriétés de flexibilité, de sensibilité et de stabilité des capteurs fabriqué sont ensuite caractérisées à l’aide de mesures électromécaniques couplées à des observations en microscopie électronique à balayage
Flexible and biocompatible strain sensors based on nanoparticle (NPs) assemblies show great potential for various future applications, such as electronic skin, flexible touch screens, and robotics. The high sensitivity of such strain sensing devices is due to the exponential dependence of the tunnel resistance on the distance between adjacent NPs, which is altered by the strain. However, the sensitivity, reproducibility and stability of these sensors are affected by variations in thickness, morphology and density of the films during manufacture or during their application. The objective of this work is to develop strain sensors based on assemblies of silica nanohelices covered with conductive metallic NPs or semiconducting metal oxide NPs to overcome these critical aspects. In the first part, gold NPs are synthesized and functionalized with different compositions of insulating ligands and are further grafted on the surface of the nanohelices with a covalent bond. In the second part, transparent semiconducting NPs of antimony-doped tin oxide are synthesized, functionalized and assembled on the surface of nanohelices by electrostatic or covalent interactions. Finally, the various assemblies obtained are deposited by dielectrophoresis between interdigitated electrodes on a flexible substrate. The flexibility, sensitivity and stability properties of the sensors are then characterized by electromechanical measurements coupled with scanning electron microscopy observations

Mon travail de thèse s'inscrivait dans celui, plus général, de développement d'un système de détection biologique portable affichant sensibilité, précision et répétabilité et dont le champ d'applications visait les domaines médicaux et phytosanitaires. Ce système est basé sur le principe physique de base qui est la Résonance Plasmonique de Surface. Le but était alors de démocratiser cette technique au niveau du chevet du patient ou du champ. Dans ce contexte et dans le cadre du projet INTERREG FWVL BIOSENS, je me suis plus particulièrement attaché à l'étude de différentes innovations au niveau du capteur. Parmi toutes les techniques de détection biologique, la technique de mesure à base de SPR a déjà été amplement étudiée car elle présente des avantages indéniables comme sa sensibilité, sa mesure en temps réel ou encore la non-nécessité de marquage des molécules. Bien que cette technique soit donc bien connue dans le domaine de la détection, la température de tout échantillon influe sur son indice optique, qui est la seule valeur détectée par un tel capteur, et peut donc être interprétée comme le résultat d'une interaction biologique. Ceci amène un réel défi dans le cas d'un système portable pour lequel l'intégration d'une enceinte thermostatée est source d'encombrement et de consommation énergétique. Un capteur SPR 4 canaux a été développé et la température des échantillons est directement contrôlée par chauffage par effet Joule de la couche plasmonique elle-même. Le fonctionnement de ce type de chauffage a été modélisé sous COMSOL et la caractérisation expérimentale a montré qu'il ne perturbait pas le principe de détection. De l'eau a été chauffée par injection de courant et la variation d'indice optique obtenue comparée à la théorie. Nous avons aussi démontré qu'il était possible de contrôler en température indépendamment chacun des quatre canaux sans apparition d'interférence thermique. De manière à contrôler plus finement la température, un capteur de température a aussi été intégré au niveau de la couche plasmonique. Ce contrôle de la température peut alors être utilisé soit pour maintenir une température constante au niveau des échantillons soit pour déterminer l'effet de la température sur une interaction biologique. De manière à diminuer le coût du capteur, un capteur sur film plastique a été fabriqué et testé. Il a permis d'obtenir une réponse plasmonique sur l'air et l'eau. L'utilisation d'un prisme en PDMS ainsi que son couplage avec le capteur sur film a été investiguée de manière à obtenir une plateforme de test la moins coûteuse possible
The overall goal of this study was to develop a portable biological detection system with high sensitivity, accuracy and repeatability to be used in either the phytosanitary or the medical domain. This system is based on the Surface Plasmon Resonance (SPR) physical principle. Such a use of this principle is already achieved but leads to laboratory equipment. The goal here is to democratize its use up to an on field or point of care measurement system. In this context and within the frame of the BIOSENS INTEREG FWVL project, I worked more particularly on several developments around the sensor. From all the existing biosensor technologies, surface plasmon resonance (SPR) sensing technology has received continuous attention due to its advantages of a high-sensitivity, label-free and fast response time. Although the SPR sensing technique being legend in the sensor community, currently the temperature of the sample needs to be carefully maintained and controlled because SPR signal varies with temperature and any change in SPR signal can be interpreted as a biological interaction. This gives a huge challenge in the portable application that is targeted since embedding of a temperature controlled chamber size and energy consuming. A SPR sensor design including 4 SPR channels has been made and the temperature is controlled in real time by using Joule effect. Temperature behavior has been modelled under COMSOL and we experimentally demonstrated that the temperature modulation of SPR channel by Joule effect does not affect the detection scheme. Water was heated by injecting current through the plasmonic layer and the refractive index change of water due to temperature was measured and compared with the theory. We also demonstrated that the temperature of each of the 4 channels can be controlled independently without any thermal crosstalk. In order achieving a more precise monitoring of sample temperature, a temperature sensor was also fabricated on top of the plasmonic layer, allowing the real temperature at the sensor surface to be monitored in real time. This temperature control can so be used either to maintain the temperature of biologic samples or to identify the effect of temperature on biomolecular interactions. On addressing the cost of the sensing tool, a flexible and cheap SPR sensor made on tape has been fabricated and tested. Air and water plasmonic responses were measured using such a "tape sensor". A PDMS prism has already been investigated and combined to the tape sensor making then a very cheap sensing platform

Ce travail de thèse porte sur le développement et l’optimisation de capteurs dans le cadre du contrôle non destructif (CND) par courants de Foucault (CF). Le manuscrit présente plusieurs réalisations de capteurs CF souples gravés sur film Kapton. Un premier volet décrit l’évaluation des paramètres électromagnétiques (conductivité électrique σ et perméabilité magnétique µ) des matériaux typiquement rencontrés en CND par CF. Des méthodes conventionnelles pour estimer σ et µ ont été investiguées et mises en œuvre : il s’agit de la méthode à quatre pointes et du perméamètre. Néanmoins, ces méthodes présentent des difficultés pratiques au regard de l’état de surface (peinture, corrosion,…) et de la géométrie de l’échantillon. Deux capteurs ont donc été conçus : le premier composé d’une bobine d’émission et d’une bobine de réception afin d’évaluer la conductivité des matériaux purement conducteurs, puis le second composé d’un bobinage émetteur et d’une GMR pour évaluer la perméabilité magnétique. La conception des motifs et des résultats expérimentaux sont présentés dans le manuscrit. Le second volet décrit le développement d’un imageur CF flexible statique. L’imageur est un capteur multiélément composé de 576 récepteurs disposés en matrice permettant d’inspecter la surface d’une pièce sans déplacement du capteur par rapport à cette dernière. Le contrôle par l’imageur statique permet d’obtenir une image pixélisée de la surface sous le capteur. L’imageur a été optimisé de manière à détecter un défaut surfacique d’au moins 1 mm de long et d’orientation donnée quel que soit son emplacement vis-à-vis des bobines réceptrices. La conception du capteur et son évaluation expérimentale sont donnés dans le manuscrit
The work of this thesis focuses on the development and the optimization of probes for non-destructive testing (NDT) by Eddy Currents (EC). The manuscript presents several achievements of flexible EC probes engraved on Kapton film. The first part describes the evaluation of the electromagnetic parameters (electrical conductivity σ and magnetic permeability µ) of materials typically encountered in NDT by EC. Conventional methods to estimate σ and μ have been investigated and implemented: it is the four-point probe and the permeameter. However, these methods present practical difficulties relating to the surface condition (paint, corrosion,…) and the sample geometry. Two probes have therefore been designed: the first is composed of a transmitting and a receiving coil in order to evaluate the conductivity of purely conductive materials, and the second is composed of a transmitter coil and a GMR for evaluate the magnetic permeability. Design patterns and experimental results are presented in the manuscript. The second part describes the development of a flexible static EC imager. The imager is a multielement probe composed of 576 receivers arranged in a matrix allowing to inspect the surface of a structure under test without moving the probe relative to the sample surface. The inspection by the static imager provides a pixelated image of the surface under the probe. The imager has been optimized to detect a surface defect of at least 1 mm long of given orientation regardless of its location relative to the receiver coils. The design of the probe and its experimental evaluation are given in the manuscript

Le but principal du projet MARS est d'augmenter la flexibilité des cellules flexibles en facilitant la reconfiguration de la cellule pour de nouvelles productions et en récupérant automatiquement les erreurs. Les erreurs conduisent généralement à un arrêt de la cellule nécessitant, pour la reprise de fonctionnement, une intervention humaine toujours délicate en milieu robotique. Notre but est de concevoir et d'implanter des mécanismes de récupération automatique. Le projet MARS utilise une représentation de haut niveau pour l'environnement robotique basé sur le modèle sémantique PDM. Notre implantation s'inspire des travaux réalisés sur le comportement des organisations humaines. Nous utilisons des concepts comme la coopération ou la négociation parmi une population d'agents indépendants qui contrôlent la cellule flexible. Chaque agent ayant son propre processeur, communique avec les autres agents par envoi de messages à travers un réseau Ethernet. Deux agents particuliers ont sollicité un approfondissement de leur étude, il s'agit de l'agent spécialiste dans l'exécution des tâches d'assemblage et de l'agent coordinateur des récupérations d'erreurs. Notre approche innove en récupérant l'erreur par un raisonnement sur une représentation haut niveau de l'environnement robotique. Il faut noter que chaque agent possède sa propre représentation de la scène robot et la fait évoluer à la fois par sa perception propre (capteur) et par observation des messages circulant sur le réseau Ethernet. La solution multi-agent permet, de plus, de récupérer des erreurs dont on n'a pas réussi à en connaitre l'origine. Ce point est important car il est impossible de réaliser une énumération exhaustive des problèmes susceptibles d'apparaitre dans une cellule flexible.

L’analyse du mouvement humain intervient dans de nombreux domaines, permettant par exemple de comprendre les subtilités de la performance physique ou de la biomécanique. Les données et les informations issues de cette analyse des mouvements peuvent permettre d’améliorer les performances, de prévenir les blessures ou d’optimiser la rééducation. De nombreux systèmes existent comme la vidéo, mais sa mise en place et le traitement des données constituent des limites. Une solution consiste à développer des systèmes portables intégrés offrant un suivi discret et continu des activités. Les enjeux se situent dans le domaine des matériaux et de l’instrumentation pour répondre aux exigences des systèmes portables et autonomes. Ces travaux de thèse portent sur la conception de transducteurs piézorésistifs jusqu’au développement de systèmes autonomes en énergie comme une semelle permettant d’estimer la force plantaire et un vêtement pour la détermination des angles articulaires. Un modèle viscoélastique du transducteur piézorésistif a été établi permettant ainsi en l’inversant d’estimer la force plantaire. Des expérimentations de comparaison avec des systèmes commerciaux comme une plateforme de force ont été menées
Human motion analysis plays a vital role in numerous fields, enabling, for instance, the understanding of the nuances of physical performance or biomechanics. The data and information derived from this motion analysis can enhance performance, prevent injuries, or optimize rehabilitation. Various systems exist, such as video, but their implementation and data processing pose limitations. One solution is to develop integrated wearable systems offering discreet and continuous activity tracking. One challenge lies in the materials and instrumentation domain, where the objective is to develop wearable and autonomous systems that meet the requisite specifications. This thesis work focuses on the design of piezoresistive transducers for the development of energy-autonomous systems, such as an insole for estimating plantar force and a garment for determining joint angles. A viscoelastic model of the piezoresistive transducer has been established, which enables the estimation of plantar force by inversion. Comparative experiments have been conducted with commercial systems, including a force platform

L’électrophysiologie est l’étude des signaux électriques et électrochimiques générés par certaines cellules spécifiques tout comme par des organes entiers. Elle donne aux médecins l’opportunité de suivre le fonctionnement d’un seul neurone mais aussi de l’intégralité du cerveau. L’enregistrement de ces activités est essentiel pour le diagnostic de pathologies aussi diverses que les arythmies cardiaques, l’épilepsie ou la dégénération musculaire. Dans cette thèse, nous étudions différents types d’électrodes cutanées à base de matériaux organiques, de leur conception à leur évaluation préclinique. Notre approche est basée sur l’utilisation du polymère conducteur PEDOT :PSS et de gels ioniques, qui réduisent l’impédance de l’interface électrode-peau. De plus, nos électrodes sont conçues avec différents substrats fins et souples, plastiques ou textiles. Ceci appelle de nouvelles techniques de fabrications adaptées à ces substrats et aux matériaux organiques. Les électrodes sont caractérisées puis testées sur des volontaires afin de démontrer leurs excellentes performances par rapport aux électrodes médicales usuelles. L’évaluation de leur capacité à réduire le bruit et de leur stabilité sur plusieurs jours est effectuée sur des signaux venant des activités musculaires, cardiaques et cérébrales. Nous présentons également une électrode microscopique dite « active », basée sur le transistor organique électrochimique. Celui-ci permet d’amplifier et de filtrer in situ le signal. Parce que nos électrodes organiques cutanées possèdent un important potentiel industriel et clinique, nous étudions maintenant leur intégration dans des dispositifs médicaux de pointe
Electrophysiology is the study of electrical and electrochemical signals generated by specific cells or whole organs. It gives doctors the opportunity to track the physiological behavior of a single neuron, as well as the integral brain. The recording of these activities is essential to diagnose and better understand diseases like cardiac arrhythmias, epilepsy, muscular degeneration and many more. In this thesis, we study different types of cutaneous electrodes based on organic materials, from conception to pre-clinical evaluation. Our approach is based on the usage of PEDOT:PSS conducting polymer and ionic gels in order to reduce impedance at the skin-electrode interface. Moreover, the substrate of our electrodes is made with different materials such as thin and conformable plastics and textiles. Our devices are then flexible, motion resistant and can be integrating into clothes. We developed new fabrication processes, considering the different substrates and organic materials specifics. The electrodes were characterized and then tested on human volunteers to show their excellent performance in comparison to standard medical electrodes. The evaluation of noise reduction capabilities and possibilities to perform long-term recordings were established on signals coming from muscles, heart and brain. Furthermore, we present a hundred micrometer-small “active” electrode, based on the organic electrochemical transistor. It enables in situ amplification and filtering of recorded signals. The wearable organic electrodes developed in this work are of great industrial and clinic interest. Future work will aim to integrate these technologies into state-of-the-art medical devices

Ce projet doctoral a été réalisé au laboratoire BioMaps de l'Université Paris-Saclay et au CMPBME de l'Université Médicale de Vienne. Afin d’améliorer la valeur diagnostique de l'IRM, il est souhaitable de réduire les durées d’acquisition, d’avoir une prise en charge plus efficace des patients et une meilleure qualité des images. Dans ce but, une instrumentation portable avec un matériel optimisé permettrait de réduire le poids, d’augmenter la flexibilité et de transmettre sans fil les signaux RMN, améliorant ainsi la sensibilité, le confort, la sécurité et la facilité d'utilisation de ces dispositifs.Dans ce contexte, nous avons étudié des antennes RF souples à câbles coaxiaux basées sur le principe des résonateurs à lignes à transmission. Ces résonateurs, pouvant posséder plusieurs tours et/ou plusieurs fentes, permettent d'optimiser la taille de l’antenne RF en fonction de l'application visée. Le concept a d'abord été étudiée in silico. De nombreux prototypes ont été construits et leurs performances ont été testées sur table et en IRM à 3 et 7 T. Les antennes coaxiales ont révélé avoir des performances robustes à la déformation, ne dégradent pas le TAS et peuvent améliorer le RSB et l'efficacité de transmission lorsqu'elles sont conformées au relief de la zone imagée. En parallèle, nous avons mené une étude approfondie des technologies de transmission sans fil en IRM. Un premier prototype de communication optique sans fil pour la transmission de données de capteurs de mouvements a été réalisé et testé. Les antennes coaxiales portables que nous avons étudiées offrent une alternative intéressante aux antennes standard en raison de leur faible poids et de leur flexibilité
This PhD thesis work was conducted at the BioMaps laboratory at the Université Paris-Saclay and the Center for Medical Physics and Biomedical Engineering (CMPBME) at the Medical University of Vienna.To improve diagnostic value in MRI, shorter acquisitions, more efficient patient handling and improved image quality are needed. Wearable technology with optimized hardware reduces weight, increases flexibility, and could be wireless, thereby improving sensitivity, comfort, safety, and usability.In this work, flexible self-resonant coaxial transmission line resonators were investigated. Coaxial coils with multiple turns and gaps enable size optimization depending on the target application. The design was first studied in silico. Numerous prototypes were constructed and their performance was tested on the bench and in 3 and 7 T MRI. Coaxial coils were shown to be robust against bending, have no SAR penalty and improve SNR and transmit efficiency when form-fitted.A review of wireless MR, associated hardware developments and data transmission technology is given.An optical wireless communication module for sensor data transmission was demonstrated experimentally.Wearable coaxial coils offer an attractive alternative to standard coils due to low weight and flexibility. With wireless motion sensors diagnostic value in e.g. breast, knee, or cardiac MRI could be increased

L'émergence des nouvelles applications dans le domaine de la micro et nanotechnologie requière de faibles coûts de fabrication et la caractérisation de dispositifs électroniques ayant des propriétés telles que la flexibilité, la portabilité, la légèreté, et des matériaux de faibles coûts. Les méthodes traditionnelles de fabrication impliquent de longues étapes de production, et des procédés de fabrication impliquant des étapes avec des produits chimiques. Le but de cette thèse est d'étudier la conception et la caractérisation de capteurs d'ammoniac et d'ozone sur support souple fabriqués par des processus de photolithographie et de gravure laser. Le support flexible est composé de Kapton avec des électrodes interdigitées de Ti/Pt pour la détection de gaz et un microchauffage. Les motifs du circuit ont été réalisés par photolithographie et gravure laser. L'utilisation de gravure laser sur support souple permet de réduire les coûts liés au temps de fabrication, aussi représente une excellente alternative aux processus chimiques. Des nanoparticles de ZnO déposées par gouttes ont été utilisées comme matériaux sensibles en raison de leurs excellentes propriétés dans la détection de gaz. Les conditions de détection de gaz ont été étudiées pour différentes concentrations d'ozone et d'ammoniac. Afin de tester une méthode de dépôt utilisée dans la production industrielle à grande échelle, un dépôt par spray ultrasonique a été effectué. Les capteurs réalisés montrent une large gamme de détection de 5 ppb à 500 ppb à 200 °C pour l'ozone et de 5 ppm à 100 ppm à 300 °C pour l'ammoniac avec une bonne reproductibilité, stabilité et de rapides temps de réponse et de retourn
Nowadays the emerging of new applications in the micro and nanotechnology field required to reduce fabrication costand to improve electronic devices with properties such as flexibility, portability, lightweight, and low cost. Traditional methods involve expensive and long production steps, and chemical vapor deposition. The purpose of this work is to present the conception and characterization of flexible ammonia and ozone sensors fabricated by photolithography and laser ablation processes. The flexible platform is composed of Kapton substrate with interdigitated Ti/Pt electrodes for gas detection and a micro-heater device. The circuit patterns were realized by photolithography and laser ablation. Photolithography is a well-known and reliable patterning process used on rigid substrate. The application of laser ablation process not only reduces fabrication time, but also represents an excellent viable alternative instead of chemical processes. ZnO thin films deposited by drop coating have been used as sensitive materials due to their excellent properties in the gas detection. The gas sensing condition and the performances of the devices are investigated for ozone and ammonia at different gas concentrations and different thin film thicknesses. In order to test a deposit methodology used in large scale industrial production, an ultrasonic spray deposition was done. The sensor provides a wide range of detection from 5 ppb to 500 ppb for ozone and from 5 ppm to 100 ppm for ammonia. Their best sensibilities were obtained at 200°C for ozone and 300 °C for ammoniac with good repeatability, stability and fast response/recovery time

Avec le fort développement de l'Internet des Objets (IoT), il devient nécessaire de converger vers de nouveaux capteurs dit intelligents. Ces capteurs doivent permettre d'analyser l'environnement extérieur, comprendre le contexte dans lequel ils sont utilisés et être conscient des besoins utilisateurs. Ils doivent cependant rester petits, fiables, bon marché et avoir une autonomie de plusieurs années. La conversion analogique-paramètre (Analog-to-Feature, A2F) est une nouvelle méthode d'acquisition pensée pour les appareils IoT, et semble être une solution adaptée pour de tels capteurs. Cette conversion consiste à extraire des paramètres directement sur le signal analogique. Une sélection pertinente des paramètres permet d'extraire uniquement l'information nécessaire à une tache particulière. Le convertisseur proposé est basé sur la technique de l'échantillonnage non-uniforme en ondelettes (NUWS). L'architecture mélange le signal analogique avec des ondelettes paramétrables avant d'intégrer et convertir le signal en données numériques. L'objectif de la thèse est de proposer une méthode pour concevoir un convertisseur A2F générique basé sur le NUWS. Il est ainsi nécessaire de définir les caractéristiques des ondelettes afin d'acquérir une large gamme de signaux basse fréquence (ECG, EMG, EEG, parole…). Cette étape nécessite l'utilisation d'algorithmes de sélection de paramètres et d'algorithmes d'apprentissage automatique pour sélectionner le meilleur ensemble d'ondelettes pour une application donnée et qui doit permettre de définir les spécifications du convertisseur. L'étape de sélection des paramètres doit tenir compte des contraintes de mise en œuvre pour optimiser au mieux la consommation d'énergie. Un algorithme de sélection de paramètres est proposé pour choisir des ondelettes pour une application donnée, afin de maximiser la précision de classification tout en diminuant la consommation d'énergie, grâce à un modèle de consommation réalisé dans une technologie CMOS 0.18μm
The Internet of Things (IoT) is currently experiencing huge developments. IoT includes lots of different devices such as Wireless Sensors Networks (WSN) or wearable electronics that rely on wireless communications. These networks need to understand the context in which they are used. This mean that the system must know what is happening around it, i.e. sense the environment, and understands the needs of the user. This requires always-on sensing on many sensors while being small, cheap, reliable and having a lifetime of several years. Analog-to-Feature (A2F) conversion is a new acquisition method that was thought for IoT devices. The converter aims at extracting useful features directly on the analog signal. By carefully choosing a set of features, it is possible to acquire only the relevant information for a given task. The proposed converter is based on the Non-Uniform Wavelet Sampling (NUWS) architecture. The architecture mixes the analog signal with tunable wavelets prior to integration and digital conversion. The aim of the thesis is to propose a method to design a generic A2F converter based on the NUWS. It includes the definition of the wavelet parameters in order to acquire a broad range of low frequency signals (ECG, EMG, EEG, speech …). This step requires the use of feature selection algorithms and machine learning algorithms for selecting the best set of wavelets for a given application and should be used to define the specifications for the converter. The feature selection step must be aware of physical implementation constraints to optimize energy consumption as much as possible. A feature selection algorithm is proposed to choose wavelets for a given application, in order to maximize classification accuracy while decreasing power consumption, through a power model designed in CMOS 0.18μm

La technologie d’identification radiofréquence (RFID) se décline aujourd’hui dans des milliers d’applications. Parmi elles nous pouvons citer les applications de gestion logistique des palettes/cartons dans les entrepôts industriels (RFID UHF) ainsi que l’identification des abonnés dans les réseaux de transports urbains (RFID HF). Depuis quelques années, des contributions scientifiques autour des technologies d’identification radiofréquence (RFID) avec un couplage capteur sont de plus en plus visibles. L’intérêt grandissant pour ce type de technologie s’appuie sur la possibilité d’une utilisation en masse de capteurs bon marchés pouvant être intégrés sur chaque objet. On parle alors d’objet connecté ou d’internet des objets (IoT). Dans cette thèse, nous nous focalisons sur l’étude et le développement d’un capteur RFID passif fonctionnant en bande UHF. Cette orientation technologique est dictée par l’application visée, l’agro-alimentaire, qui requiert des coûts de fabrication les plus faibles possibles et une distance de lecture supérieure au mètre. Pour l’élément sensible, nous utilisons un bio-polymère, plus précisément le gluten de blé dont les propriétés diélectriques en fonction de l’humidité relative ont été étudiées précédemment. Nous nous attachons à traiter toutes les problématiques liées à la communication entre un lecteur et un capteur RFID passif, l’objectif ultime de cette thèse étant de récupérer une information capteur à l’aide d’un lecteur RFID conventionnel respectant les standards du domaine et les directives radio en vigueur dans les différentes régions du monde. Pour valider cette étude, nous mettons en œuvre des capteurs-RFID pour réaliser un démonstrateur d’emballage « intelligent » permettant le suivi de la qualité des aliments
Radio frequency identification (RFID) technology is available today in thousands of applications. Among them we can mention the logistics management applications pallets / cardboard in industrial warehouses (RFID UHF) and the identification of subscribers in urban transport networks (RFID HF). In recent years, scientific contributions around the radio frequency identification (RFID) technologies with a sensor coupling are increasingly visible. The growing interest in this type of development rely heavily on a mass use of inexpensive sensors that can be integrated on each object.It is calledconnected objects or Internet of Things (IoT). In this thesis, we focus on the study and development of a passive RFID sensor operating in UHF band. This technological orientation is dictated by the targeted application, the food industry, which requires the lowest possible manufacturing costs and a reading distance greater than one meter. For the sensitive element, we use a biopolymer, specifically wheat gluten whose dielectric properties as a function of relative humidity have been studied previously. We are committed to dealing with all the issues related to the communication between a reader and a passive RFID sensor, the ultimate objective of this thesis being to get a sensor information using a conventional RFID reader complying with the standards and the radio directives imposed in different regions of the world. To validate this study, we are implementing RFID sensors to create a smart packaging demonstrator for monitoring the quality of food

Dans les réseaux de capteurs urbains, les nœuds émettent des signaux en utilisant plusieurs protocoles de communication qui coexistent. Ces protocoles étant en évolution permanente, une approche orientée radio logicielle semble être la meilleure manière d’intégrer tous les protocoles sur la passerelle collectant les données. Tous les signaux sont donc numérisés en une fois. La grande plage dynamique des signaux reçus est alors le principal problème : ceux-ci peuvent être reçus avec une puissance très variable selon les conditions de propagation. Dans le cas d’une réception simultanée, le Convertisseur Analogique-Numérique (CAN) doit être capable d’absorber une telle dynamique. Une première étude est menée afin d’établir les caractéristiques requises du CAN sur une passerelle d’un tel réseau de capteurs. La résolution minimale de 21 bits obtenue s’avérant trop importante pour être atteinte au vu de l’état de l’art actuel, deux approches différentes sont explorées pour réduire la plage dynamique des signaux avant la numérisation. La première approche s’appuie sur la technique du companding. Des lois de compression connues sont explorées afin d’étudier leur viabilité dans le cas de la numérisation de signaux multiples, et deux nouvelles implémentations sont proposées pour la plus performante d’entre elles. La deuxième technique proposée consiste en une nouvelle architecture de réception utilisant deux voies de réception. La première d’entre elles est dédiée au signal le plus fort sur la bande : celui-ci est démodulé et sa fréquence d’émission est mesurée. À partir de cette mesure, la seconde branche est reconfigurée de manière à atténuer ce signal fort, en réduisant ainsi la plage dynamique. Les autres signaux sont ensuite numérisés sur cette branche avec une résolution du CAN réduite. Cette deuxième approche semblant plus prometteuse, elle est testée en expérimentation. Sa viabilité est démontrée avec des scénarios de réception de signaux prédéfinis représentant les pires cas possibles
In this thesis, a receiver architecture for a gateway in a urban sensors network was designed. To embed the multiple protocols coexisting in this environment, the best approach seems to use a reconfigurable architecture, following the scheme of the Software-Defined Radio (SDR). All the received signals should be digitized at once by the Analog-to-Digital Converter (ADC) in order to sustain the reconfigurability of the architecture: then all the signal processing will be able to be digitally performed. The main complication comes from the heterogeneity of the propagation conditions: from the urban environment and from the diversity of the covered applications, the signals can be received on the gateway with widely varying powers. Then the gateway must be able to deal with the high dynamic range of these signals. This constraint applies strongly on the ADC whose resolution usually depends on the reachable digitized frequency band. A first study is led to evaluate the required ADC resolution to cope with the dynamic range. For this the dynamic range of the signals is first evaluated, then the required resolution to digitize the signals is found theoretically and with simulations. For a 100~dB power ratio between strong and weak signals, we showed that the ADC resolution needed 21 bits which is far too high to be reached with existing ADCs. Two different approaches are explored to reduce analogically the signals' dynamic range. The first one uses the companding technique, this technique being commonly used in analog dynamic range reduction in practice (\emph{e.g.} in audio signals acquisition), its relevance in multiple signal digitization is studied. Three existing compression laws are explored and two implementations are proposed for the most efficient of them. The feasibility of these implementations is also discussed. In the second approach we propose to use a two-antennas receiver architecture to decrease the dynamic range. In this architecture two digitization paths are employed: the first one digitizes only the strongest signal on the band. Using the information we get on this signal we reconfigure the second branch of the architecture in order to attenuate the strong signal. The dynamic range being reduced, the signals can be digitized with an ADC with a lower resolution. We show in this work that the ADC resolution can de decreased from 21 to 16 bits using this receiver architecture. Finally, the promising two-antennas architecture is tested in experimentation to demonstrate its efficiency with dynamic signals (\emph{i.e.} with appearing and disappearing signals)

Cette thèse se focalise sur l’étude du procédé de désalliage de couches minces d’alliages métalliques Au- Cu et Ag-Al déposés par pulvérisation cathodique magnétron. Une très large gamme de morphologie et de composition est obtenue grâce à ce procédé de dépôt. L’influence des paramètres de dépôt et des paramètres de désalliage sur la morphologie finale des couches minces nanoporeuses d’or et d’argent est étudiée. La possibilité de créer une structure lamellaire nanoporeuses d’or par la gravure chimique dans l’acide nitrique d’un empilement de couches d’or et de cuivre est également démontrée. Nous montrons aussi qu’il est possible de réaliser des réseaux bien organisés de nanofils d’or nanoporeux de plusieurs centimètres de long en combinant des dépôts sur des surfaces « template » et un désalliage par électrochimie. L’évaluation des couches minces d’or nanoporeux pour application comme capteur à effet SERS de petites molécules a été réalisée. On obtient des limites de détection de l’ordre du picomolaire (entre 10-12 et 10- 14 mol.L-1) pour la bipyridine comme molécule sonde sur des structures lamellaires d’or nanoporeux. Enfin, nous avons développé un nouveau procédé de désalliage basé sur l’utilisation de vapeur d’acide permettant la création de membranes nanomaillées d’or pour des applications comme électrodes flexibles transparentes. On atteint des performances de 44 Ω/□ avec une transmittance de 79 % avec une variation de résistance de moins de 8 % après 10 000 cycles de courbure sous une déformation de 1 %
The main objective of this thesis is to study the dealloying process of metal alloy thin films and nanowires deposited by magnetron sputtering which is a versatile process allowing growing alloys with a large panel of morphologies. We explore the influence of the deposition parameters on the morphology of the alloy films and nanowires and how in turn they impact the dealloying process. We further demonstrate that it is possible to create nanoporous lamellar films by selective etching in nitric acid of multilayered thin films consisting of stacks of gold/copper nanolayers. Furthermore, we show how by combining the deposition of gold-copper alloy by magnetron sputtering on “template” substrate and electrochemical dealloying one can create planar arrays of nanoporous gold nanowires with a tunable morphology. In term of application, the various nanoporous structures developed so far in this work are then used for the development of SERS-based sensors for the detection of small molecules. We obtain a detection limit at picomolar level (between 10-12 and 10-14 mol.L-1) with bipyridine as probe molecule using the nanoporous lamellar films. Moreover, we demonstrate a novel process based on applying dealloying using acidic vapors allowing fabricating highly flexible and transparent gold nanomesh electrodes suitable for flexible electronics. The obtained gold nanomesh electrodes may exhibit a resistivity as low as 44 Ω/□ and a transmittance of 79 % with a slight increase in resistance of less than 8 % after 10 000 bending cycles at 1 %

La thèse s’inscrit dans le cadre du projet de recherche collaborative VEADISTA (Veille à distance et alerte intelligente) qui repose sur la conception d’une technologie ergonomique à bas coût. L’objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser des capteurs de température et de pression imprimés sur support flexible pour des applications biomédicales. Ils doivent être adaptés à une intégration sur un transpondeur passif télé-alimenté, conformables pour s’adapter au bras du patient, bas coût et permettant un transfert technologique vers l’industrie.Des prototypes de tests ont été réalisés dans le but d’identifier la topologie et la couche active les plus prometteuses pour la réalisation des capteurs de température en tout imprimé sur support souple. A l’issue de cette étude préliminaire, une thermorésistance à base d’encre d’argent a été réalisée par jet d’encre sur un substrat flexible. La caractérisation de ces capteurs a permis d’évaluer leur sensibilité et d’attester de leur bonne linéarité.Des tests préliminaires sur des capteurs commerciaux ont ensuite été effectués pour démontrer qu’il était possible de détecter le rythme cardiaque avec un capteur de pression. A la suite de cette étude, des capteurs de pression sur support souple ont été fabriqués en utilisant la technologie jet d’encre. Ces capteurs ont été caractérisés électriquement sous contrainte mécanique contrôlée. Pour aboutir à ces résultats, de nombreux développements technologiques ont été réalisés autour de la technique d’impression par jet d’encre. La maîtrise du triptyque encre-tête d’impression-substrat est en effet indispensable pour l’obtention de motifs de qualité
This thesis is a part of the collaborative research project VEADISTA (Remote monitoring of vital parameters and smart alerts) based on the conception of an ergonomic technology at low-cost.The objective of this thesis is to design and to realize printed temperature and pressure sensors on flexible support for biomedical applications. Subsequent to this, these sensors must be suitable to an integration on a passive transponder remotely powered, conformable to fit the patient's arm, low cost and allowing a technological transfer towards industry.Prototype tests were realized in order to identify the most promising topology and active layer to achieve printed temperature sensors on flexible support. At the end of this preliminary study, a RTD based on a silver ink was performed by inkjet on a flexible substrate (Kapton). The characterization of these sensors allowed to assess their sensitivity and to attest to their good linearity.The preliminary tests on commercial sensors were then made to demonstrate that it was possible to detect the heart rate with a pressure sensor. Following this study, pressure sensors were manufactured on flexible support using inkjet technology. These sensors were electrically characterized under controlled mechanical constraint. To achieve these results, many technological developments were realized around the inkjet printing technique. The mastery of the ink – inkjet head – substrate interaction is indeed essential for obtaining good printed quality and functional sensors

La thèse s’inscrit dans le cadre du projet de recherche collaborative VEADISTA (Veille à distance et alerte intelligente) qui repose sur la conception d’une technologie ergonomique à bas coût. L’objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser des capteurs de température et de pression imprimés sur support flexible pour des applications biomédicales. Ils doivent être adaptés à une intégration sur un transpondeur passif télé-alimenté, conformables pour s’adapter au bras du patient, bas coût et permettant un transfert technologique vers l’industrie.Des prototypes de tests ont été réalisés dans le but d’identifier la topologie et la couche active les plus prometteuses pour la réalisation des capteurs de température en tout imprimé sur support souple. A l’issue de cette étude préliminaire, une thermorésistance à base d’encre d’argent a été réalisée par jet d’encre sur un substrat flexible. La caractérisation de ces capteurs a permis d’évaluer leur sensibilité et d’attester de leur bonne linéarité.Des tests préliminaires sur des capteurs commerciaux ont ensuite été effectués pour démontrer qu’il était possible de détecter le rythme cardiaque avec un capteur de pression. A la suite de cette étude, des capteurs de pression sur support souple ont été fabriqués en utilisant la technologie jet d’encre. Ces capteurs ont été caractérisés électriquement sous contrainte mécanique contrôlée. Pour aboutir à ces résultats, de nombreux développements technologiques ont été réalisés autour de la technique d’impression par jet d’encre. La maîtrise du triptyque encre-tête d’impression-substrat est en effet indispensable pour l’obtention de motifs de qualité
This thesis is a part of the collaborative research project VEADISTA (Remote monitoring of vital parameters and smart alerts) based on the conception of an ergonomic technology at low-cost.The objective of this thesis is to design and to realize printed temperature and pressure sensors on flexible support for biomedical applications. Subsequent to this, these sensors must be suitable to an integration on a passive transponder remotely powered, conformable to fit the patient's arm, low cost and allowing a technological transfer towards industry.Prototype tests were realized in order to identify the most promising topology and active layer to achieve printed temperature sensors on flexible support. At the end of this preliminary study, a RTD based on a silver ink was performed by inkjet on a flexible substrate (Kapton). The characterization of these sensors allowed to assess their sensitivity and to attest to their good linearity.The preliminary tests on commercial sensors were then made to demonstrate that it was possible to detect the heart rate with a pressure sensor. Following this study, pressure sensors were manufactured on flexible support using inkjet technology. These sensors were electrically characterized under controlled mechanical constraint. To achieve these results, many technological developments were realized around the inkjet printing technique. The mastery of the ink – inkjet head – substrate interaction is indeed essential for obtaining good printed quality and functional sensors

L’objectif de la thèse est de réaliser un système de convoyage flexible permettant de déplacer des micro-objets. Ce système pourra être amené à être intégré dans une micro-usine ce qui nécessite une forte reconfigurabilité et une faible consommation d’énergie. Ces deux critères ont donc été considérés lors de la conception du système de convoyage. Ce dernier est basé sur un actionneur planaire électromagnétique, développé au sein du laboratoire Roberval, et sur une surface intelligente composée de 5 × 5 cellules élémentaires permettant chacune de déplacer la partie mobile dans les deux directions du plan et des rotations autour de l'axe perpendiculaire au plan. Un modèle analytique de l’actionneur a été développé afin de calculer les efforts électromagnétiques ainsi que le déplacement de la partie mobile. Ce modèle a été utilisé lors de la phase de conception du système de convoyage. Un prototype expérimental a ensuite été fabriqué et testé ce qui a permis de valider le principe de fonctionnement proposé. Des tests expérimentaux ont montré la possibilité de réaliser des déplacements de grande étendue dans les deux directions du plan. De multiples tests expérimentaux (pilotage en boucle ouverte, caractérisation des performances telles que rectitude de déplacement, répétabilité de positionnement, charge déplaçable, …) a été réalisée afin de qualifier les performances du système de convoyage. Les points sur la réalisation : - Une modélisation statique sous RADIA a été développée afin de concevoir la surface intelligente notamment la zone de transition entre deux cellules voisines. Une modélisation dynamique réalisée sous MATLAB a permis de simuler le comportement d’un moteur en boucle ouverte et en boucle fermée. - Un prototype de surface intelligente, composé d’un circuit imprimé multicouches (4 couches) de dimensions 130 mm x 130 mm, a été conçu sous EAGLE software. L’influence de la distance entre les deux premières couches a été étudiée à l’aide des modèles développés afin d'assurer un déplacement uniforme dans les deux directions. - Un test expérimental avec LABVIEW interface d'une cellule élémentaire de la surface intelligente avec une partie mobile composée de deux moteurs magnétiques orthogonaux a été réalisé et a permis de valider le fonctionnement du système de convoyage dans les deux directions du plan. - Une autre série de tests avec LABVIEW interface a été réalisée afin de valider expérimentalement le déplacement de la partie mobile avec la surface intelligente au niveau des zones de transition entre les cellules élémentaires. Ces tests expérimentaux ont montré des déplacements de grande étendue dans les deux directions du plan et de rotation autour de l'axe perpendiculaire au plan. Des déplacements de grande étendue et des rotations de la partie mobile ont été mesurés à l’aide d’une méthode de traitement d'image réalisée sous MATLAB. - Parallèlement, on a étudié un capteur à déplacement optique à haute résolution qui peut être intégré dans le convoyeur. Un algorithme robuste pour le traitement du signal de capteur à fibres optiques à haute résolution pour mesurer de déplacement est développé. Dans cet algorithme, la position optimale de la partie mobile est déterminée pour obtenir un basculement sans arrêt entre les sondes et l'algorithme est implémenté sous MATLAB et validée par la mise en œuvre des signaux expérimentaux. Ces travaux de thèse ont été publiés dans une revue internationale (Computers in Industry (COMIND)) et présentés dans des congrès internationaux (IEEE Sensors, REM Mechatronics, AIM, IWMF) pendant les années 2011 à 2016
The aim of the thesis is to provide a flexible conveyor system for moving micro-objects. The system may need to be integrated into a micro-factory which requires high reconfigurability and low power consumption. These two criteria have been considered in the design of the conveyor system. The conveyor is based on a planar electromagnetic actuator developed in the Laboratoire Roberval of the UTC, and on smart surface composed of 5 x 5 unit cells; each ceii moves th movable part in the two directions of the plane. An analytical model of the actuator has been developed in order to calculate the electromagnetic forces and the displacement of the mobile part. This modei has been used during the design phase of the conveying system. An experimental prototype is then manufactured and tested which has validated the proposed principle of operation. Experimental tests have shown the ability to perform wide area displacement in both directions of the plane. Numerous experimental tests (control in open loop and closed loop performance characterization as straightness of movement, position repeatability, coupled- decoupled analysis...) have been done to qualify the performance of the conveyor system. Experiments for rotations about the axis perpendicular to the olane have also been performed successfully. Work synthesis: - Static modeling under RADIA was developed in order to design the conveyor surface especially for the transitio zone between two neighboring cells. A dynamic modeling under MATLAB allowed to simulate the behavior of single axis motor in open loop and closed loop control. - A conveyor surface prototype, consisting of a multilayer printed circuit board (4 layers) of dimensions 130 mm x 130 mm, was designed under EAGLE software. The influence of the distance between the first two layers was studied using the developed models to ensure uniform displacement in both the directions. - The experimental tests (with LABVIEW interface) of an elementary cell of the intelligent surface with a moving part composed of two orthogonal magnetic motors has been carried out that allowed to validate the operation of the conveying system in both directions of the plane. - Another series of tests with LABVIEW interface were carried out in order to validate experimentally the displacement of the mobile part with the smart surface at the transition zones between the elementary cells. - These experimental tests showed displacements of great extent in the two directions of the plane and of rotation about the axis perpendicular to the plane. - Long displacements and rotations of the moving part were measured using image processing algorithm developed in MATLAB. - At the same time, a high resolution fiber optic displacement sensor was studied that can be integrated into the conveyor surface locally for the precise positioning. A robust signal processing algorithm for high resolution displacement measurement was developed. In this algorithm, - The optimum position of the movable part is determined in order to obtain a continuous switching betwee the two fiber optic probes ; - The usable parts of the signals obtained from two probes were then filtered to measure the displacement using interpolation method ; The algorithm is implemented under MATLAB and validated by the implementation of the experimental signals. The work have been published in an international journal (Computers in Industry (COMIND)) and presented at international congresses (IEEE Sensors, REM Mechatronics, AIM, IWMF) during the years 2011 to 2016

Les préoccupations actuelles de protection de l’environnement et de la santé publique se focalisent sur la qualité de l’air dans l’industrie, les villes et foyers domestiques. De nos jours, les capteurs de gaz sur papier présentent un intérêt croissant au vu de leur faible coût, leur biodégradabilité, leur flexibilité, et leurs applications dans les textiles, les pansements et les emballages intelligents.L’oxyde de graphène (GO) est un dérivé du graphène qui présente des propriétés électriques, mécaniques et thermiques exceptionnelles. Ce matériau est très prometteur pour le développement de capteurs de gaz peu chers et fonctionnant à température ambiante.Dans ce contexte, cette thèse a pour objectif d’intégrer une couche sensible d’oxyde de graphène dans un papier poreux pour la détection de gaz. La première partie de ce travail est consacrée à la mise au point et à l’optimisation d’un processus de fabrication et de fonctionnalisation de capteurs capacitifs poreux sur papier. Un nouveau processus de réduction locale d’oxyde de graphène sur papier en électrodes est également introduit. Il s’agit de la thermocompression, économique et compatible avec la fabrication grande échelle.La seconde partie du travail porte sur l’étude des propriétés de détection d’humidité et d’ammoniac des capteurs. L’oxyde de graphène sur papier, présente une sensibilité élevée à l’ammoniac, l’humidité étant un gaz interférent. La réduction locale du GO en électrodes, et sa fonctionnalisation par de l’oxyde de zinc augmentent la sensibilité et la sélectivité des capteurs à l’humidité. Les capteurs fabriqués sont répétables, stables, reproductibles et flexibles
Current concerns for environmental protection and public health focus on air quality in industries, cities and households. Nowadays, paper-based gas sensors are of increasing interest due to their low cost, biodegradability, flexibility and applications in e-textiles, e-dressings and e-packaging.Graphene oxide is a derivative of graphene with exceptional electrical, mechanical and thermal properties. Graphène oxide is a promising material for the development of low-cost room temperature gas sensors.In this context, this thesis aims to integrate a graphene oxide sensing layer inside a porous paper substrate for humidity and ammonia detection. The first part of this work focuses on the fabrication, functionalization and optimization of capacitive porous gas sensors on paper. A new local reduction process of graphene oxide into electrodes is introduced. The process is hot-plating, a low cost technique compatible with large scale productionThe second part of this work studies the humidity and ammonia sensing capabilities of the sensors. Graphene oxide on paper exhibits a high sensitivity towards ammonia, with humidity as an interfering gas. The local reduction of graphène oxide into electrodes, and its functionalization with zinc oxide increased the sensitivity and selectivity of the device towards humidity. The fabricated sensors exhibit a good repeatability, reproducibility and flexibility

Les contraintes présentes dans les réseaux de capteurs impliquent l'introduction de techniques d'optimisation à différents niveaux de conception : du matériel au logiciel et dans la pile de communication. En effet, le déploiement des réseaux de capteurs, à faible consommation énergétique, exige une conception conjointe du matériel et du logiciel adaptée à l'application visée. Étant donné la nature évènementielle et multitâche des applications dans les réseaux de capteurs, nous pourrions penser à rajouter différentes unités de traitement qui coopèrent pour gérer les évènements et les tâches de manière optimale. Ainsi, la complexité des tâches accomplies par le processeur principal peut être réduite, ce qui contribue à atteindre l'efficacité énergétique. Dans cette thèse nous étudions un ensemble de protocoles qui facilitent l'implémentation des smart radios. L'idée principale des smart radios est l'introduction de l'intelligence dans la puce radio de manière à ce qu'elle soit capable de prendre des décisions ainsi que d'exécuter plusieurs tâches de manière autonome et sans l'intervention du processeur principal. Cette dernière sera responsable du bootstrap du réseau et, après qu'un état stable est atteint, le processeur peut rester inactif la plupart du temps, alors que la puce radio continue à fournir un ensemble de services. Le protocole proposé est appelé Wake on Idle et il fournit la maintenance de voisinage intégrée avec une méthode d'accès au canal. Ces services sont basés sur des transmissions analogiques qui sont codées dans le temps. De cette manière, dès que le réseau entre dans l'état stable (c.à.d. la topologie est formée et les noeuds sont associés et synchronisés), le traitement numérique de trames n'est pas nécessaire. Puisque Wake on Idle est basé sur des informations de bas niveau, il peut être facilement intégré dans la puce radio et fonctionner comme un coprocesseur qui fournit des services de haut niveau au processeur principal, comme la maintenance du voisinage et l'accès au canal. Grâce à une analyse théorique et une implémentation préliminaire, nous démontrons la faisabilité du protocole et nous montrons plusieurs caractéristiques intéressantes qui aident à atteindre l'efficacité énergétique et de bonnes performances. Ensuite, nous exploitons la signalisation analogique afin d'optimiser le duty-cycle des protocoles d'accès au canal existants. Nous proposons également un mécanisme appelé Sleep on Idle qui est basé sur l'échange de signaux analogiques ou busy tones. Sleep on Idle peut être intégré dans la radio et il peut décider quand le processeur doit être réveillé. Enfin, nous avons intégré le mécanisme de notification dans le standard IEEE802.15.4 et nous avons évalué ce mécanisme par des simulations et expérimentations. Les résultats montrent un gain important en termes de consommation en énergie et de réactivité du réseau
The constraints of Wireless Sensor Networks scenarios require the introduction of optimization techniques at different design levels: from the hardware to the software and communication protocol stack. In fact, the design of energy efficient WSNs involves an appropriate hardware/software co-design oriented to the concerned application. Given the event driven and multitasking nature of WSNs applications, one could think of adding different processing units that cooperate to manage events and tasks in an optimal way. Then, the complexity of tasks performed by the main processing unit can be reduced and energy efficiency can be achieved. In this PhD thesis we study protocols that leverage the implementation of smart radios. The idea of smart radios is introducing intelligence into the radio chip; in this way, it will be able to take decisions and perform several tasks in an autonomous way and without any intervention of the main processing unit. The processing unit will be in charge of bootstrapping the network and, after a stable state is reached, it can remain inactive most of the time while the radio chip provides a given set of services. The proposed protocol is called Wake on Idle and it provides integrated neighborhood maintenance and low duty-cycle medium access control. These services are provided based on analog transmissions that are time encoded; then, as soon as the network enters the stable state (i.e. the topology is formed and nodes are associated and synchronized) digital processing of frames is not needed. Since it relies on low-level information, Wake on Idle can be easily implemented on hardware and integrated into the radio chip; then, it works as a coprocessor that provides high-level services (i.e. neighborhood maintenance and medium access) to the main processing unit. Through theoretical analysis and a preliminary implementation we demonstrate the feasibility of the protocol and we show several interesting characteristics that help achieving energy efficiency and good performance. Then, we further exploit analog signaling to optimize duty cycle of existing medium access control protocols. We propose a mechanism called Sleep on Idle and it is based on the exchange of analog busy tones. Sleep on Idle can also be integrated into the smart radio to take decisions about whether the main processing unit has to be woken up. We apply the decision mechanism to the slotted ieee802.15.4 standard and validate it through simulations and experimentations. The results show an important gain in terms of energy consumption and network reactivity

Cette thèse porte sur l'amortissement actif des vibrations des structures flexibles planes homogènes. L'objectif fixé à moyen terme concerne la réduction des vibrations subies par les cartes électroniques au sein de dispositifs embarqués. Dans la première partie, outre une introduction générale sur la piézoélectricité et sur la modélisation des structures flexibles, est présentée une expérience de contrôle actif sur une poutre simplement encastrée. Les principales problématiques du contrôle actif sont décrites successivement: lamodélisation, l'optimisation du placement d'actionneurs et de capteurs, et enfin la synthèse d'une loi de commande. Dans la seconde partie, on aborde la modélisation d'une structure flexible de type plaque rectangulaire. Une approche analytique basée sur une décomposition en fonctions de Ritz est présentée, puis sont développés un modèle analytique de capteur piézoélectrique et un modèle analytique d'actionneur piézoélectrique, en deux dimensions. Le modèle analytique est ensuite comparé à un modèle obtenu par éléments finis. On montre comment obtenir un modèle d'état à partir des deux types d'approche. Ces deux modèles sont ensuite confrontés à l'identification d'un dispositif expérimental. Dans la troisième partie, des méthodes de placement optimal de capteurs et d'actionneurs en vue du contrôle actif sont exposées, basées sur des considérations énergétiques. Un degré de commandabilité(calculé à partir du gramien de commandabilité) et un degré d'observabilité (déterminé par le gramien d'observabilité) y sont proposés. Enfin, dans la quatrième partie, après un panorama des techniques de commande existantes, est présentée une synthèse de type H. , robuste vis à vis des dynamiques négligées.

Les travaux de thèse portent sur le développement de méthodologies d'élaboration de dispositifs à base de polymères PDMS, destinés à des applications médicales. Ce travail s'appuie sur deux volets applicatifs : le développement de matrices de micro-capteurs capacitifs souples portables destinées à la mesure de champs de pression dans un contexte de suivi d'appuis du corps humain, et le développement d'une technique de collage réversible de composants PDMS dans une application de laboratoire sur puce en micro-fluidique. Dans ces travaux, les propriétés mécaniques du PDMS sont déterminées expérimentalement et à l'aide de modélisations numériques, afin d'identifier les éléments essentiels du dimensionnement des micro-capteurs capacitifs. Différents types de micro-capteurs de pression souples sont réalisés par un procédé de microfabrication à transfert de films. Ce procédé est optimisé à chacune de ses étapes afin d'obtenir un procédé fiable et reproductible. Les caractérisations électromécaniques montrent que les capteurs fabriqués sont opérationnels et adaptés aux applications médicales visées. Les capteurs de pression normale ont une variation de capacité de 3 à 17 % à 10 N - 300 kPa, adaptée à une application dentaire. Les capteurs à trois axes de sensibilité ont une résolution spatiale de 25 mm2, et une sensibilité de 4 % à 3 N en compression et 1,4 % par Newton en cisaillement pur, et sont adaptés à une application de mesure de la pression plantaire destinée à l'analyse de la marche et la détection des hyper-appuis. Par ailleurs, deux méthodes différentes permettant le collage réversible de composants PDMS sont développées. Les dispositifs microfluidiques fabriqués avec ces méthodes peuvent être utilisés avec jusqu'à 5 cycles de collage/décollage, et travailler à débit élevé (500 µL/min, correspondant à une pression de 148 kPa). Les méthodologies développées dans ces travaux ouvrent la voie à l'élaboration de dispositifs à base de PDMS performants et optimisés pour répondre à des cahiers des charges exigeants pour des applications biomédicales ciblées
This thesis focuses on the development of methodologies dedicated to the development of PDMS-based devices, which are required in medical applications. Two objective applications are considered in this work: i) the development of wearable flexible micro-sensors arrays for measuring pressure fields on human body and ii) the development of a reversible bonding technique of PDMS components dedicated to microfluidic chips. In this work, the mechanical properties of PDMS are determined using experiments and computations; they allow identifying the essential elements of the design of capacitive micro-sensors. The manufacturing process is reliable and reproducible, and different types of flexible pressure sensor have been fabricated by a film transfer process. Electromechanical characterizations show that the fabricated sensors are fully operational and suitable for the intended applications. Normal pressure sensors have a capacitance change ranging from 3 to 17% under a 10 N - 300 kPa - load, which is suitable for dental applications. Fabricated triaxial sensor arrays have a spatial resolution of 25 mm2, and a sensitivity of 4% under 3 N load in compression, and 1.4% / N under shear. These features are suitable for plantar pressure measurements required in gait analyses or for the detection of over-pressures. Besides, two different process methods for the reversible bonding of PDMS devices are developed. The microfluidic devices fabrcitated with these methods can be used within up to 5 “bonding & peeling off” cycles, and can be working at high microfluidic flows (500 µL / min, corresponding to a pressure of 148 kPa). The methodologies developed in these works open the way to the design and fabrication of PDMS-based devices suitable for demanding biomedical applications

Depuis la révolution industrielle les niveaux des concentrations atmosphériques des gaz à effet de serre ne cessent d’augmenter provocant ainsi une accélération du réchauffement climatique. Les composés organiques volatils (COVs) contribuent non seulement à cet effet de serre mais aussi à la pollution environnementale qui a un impact négatif sur toutes les espèces vivantes de la planète. Par exemple, au cours de l’année 2012, la pollution de l'air a été à l’origine 7 millions de décès, selon l'Organisation mondiale de la santé (OMS) [1]. Très récemment, une étude médicale de la commission Lancet sur la pollution et la santé a révélé qu'en 2015 un décès sur six était lié à la pollution de l'air et de l'eau, 6,5 millions de décès dans le monde chaque année sont liés à la pollution de l'air intérieur et extérieur [2]. En effet, les COVs, très volatils et utilisés comme solvants par exemple, peuvent être indirectement à l’origine de toux, d’inconfort thoracique, de gêne douloureuse, d’essoufflement respiratoire, d’irritation nasale ou oculaire ou encore de la gorge. Ils peuvent aussi être directement toxiques ou explosifs ou encore perturbateurs de la réponse immunitaire. De plus certains d’entre eux sont classés CMR (cancérogène, mutagène et reprotoxique). Dans ces conditions une meilleure connaissance des effets liés à l’exposition aux COVs sur la santé et l’environnement est vraiment nécessaire. Cette connaissance passe également par la détection et la quantification des concentrations de COVs afin de proposer un meilleur aménagement des environnements et d'alerter les individus concernés en temps réel sur les dangers encourus. La plupart des plateformes déjà existantes ou commercialisées sont soient trop coûteuses, soient très consommatrices d'énergie, soient fonctionnelles à des températures élevées, soient instables pour la détection en temps réel ou à long terme ce qui limite la prolifération des sites de mesures. Ainsi, cette thèse s’inscrit dans le domaine des capteurs de gaz dédiés pour la détection de la pollution dans l’air. Elle porte sur le développement d’une plateforme de détection, de suivi et de quantification des composés organiques volatils (COVs) en temps réel, utilisant un capteur de gaz différentiel flexible et imprimé basé sur des transducteurs micro-ondes et des matériaux carbonés polymères composites comme couches sensibles. Le dispositif proposé vise à fournir des informations directement exploitables pour constituer à terme une plateforme de faible coût embarquée, dédiée à l’internet des objets pour faciliter la prolifération des sites de détection et de contrôle en réalisant des réseaux de capteurs communicants sans fil fonctionnant en environnements variés
Since the Industrial Revolution, the levels of atmospheric concentrations of greenhouse gases have been increasing, causing an acceleration of global warming. Volatile organic compounds (VOCs) contribute not only to this greenhouse effect, but also to environmental pollution, which has a negative impact on all living species on the planet. For example, in the year 2012, air pollution caused 7 million deaths, according to the World Health Organization (WHO) [1]. In addition, a very recent medical study by the Lancet Commission on Pollution and Health found that one in six deaths in 2015 was related to air and water pollution [2]. Also, indoor and outdoor air pollution is linked to 6.5 million deaths worldwide each year. VOCs can indirectly cause cough, chest discomfort, painful discomfort, shortness of breath, as well as nasal, ocular or throat irritation. They can also be directly toxic or explosive or disruptive of the immune response. In addition, some of them are classified as CMR (carcinogenic, mutagenic and reprotoxic). They are very volatile and often used as solvents for example. In these conditions, a better understanding of the health and environmental effects of exposure to VOCs is necessary. Such knowledge also involves the detection and quantification of VOC concentrations in order to propose a better management of the environments and to alert people in real time of the dangers incurred. Most of the existing or commercially available platforms are either too expensive, energy intensive, high temperature functional, unstable for real-time or long-term detection, which limits the proliferation of measurement sites. This thesis is in the field of dedicated gas sensors for the detection of pollution in the air. It deals with the development of a platform for the detection, monitoring and quantification of volatile organic compounds (VOCs) in real time, using a flexible and printed differential gas sensor based on microwave transducers and composite polymeric carbon materials as sensitive layers. The proposed device aims at providing directly exploitable information such as a low-cost embedded platform dedicated to the Internet of things and which offers increasing possibilities for the proliferation of detection and control sites by realizing networks of wireless communicating sensors operating in various environments

Les matériaux composites à base de fibre carbone suscitent un intérêt grandissant dans l'industrie en général et avionique en particulier. Très appréciés pour leur résistance exceptionnelle aux efforts de traction ils présentent également un poids bien plus faible que les métaux y compris l'aluminium. Cela permet d'envisager la construction d'aéronefs d'une très grande solidité tout en réduisant significativement leur consommation en carburant. Cependant les composites carbone sont relativement fragiles sous des efforts en flexion ou compression. Leur durée de vie est peu connue et dépend fortement de la géométrie des pièces qui sont souvent surdimensionnées par sécurité. Afin de prévenir d'éventuels accidents et conserver des pièces légères il est indispensable d'évaluer leur état de santé. L'objectif de cette thèse est la conception d'une solution d'instrumentation à base de capteurs miniaturisés en technologie silicium sensibles aux vibrations mécaniques et capables de détecter l'apparition d'un défaut dans la structure. Nous développé un procédé de fabrication simple et robuste pour des capteurs dont l'élément sensible est une jonction PN de type Zéner implémentée dans du polysilicium. Nous avons démontré dans un premier temps une sensibilité aux vibrations mécaniques. La capacité de ces capteurs à faire du suivi de réticulation en autoclave a également été démontrée. La phase suivante a concerné l'étude d'un procédé de packaging souple robuste et modulable pour la mise en réseau des capteurs. Enfin la dernière étape concerne l'étude d'un circuit électronique permettant la lecture du signal et la réduction du bruit de fond
Manufacturers are using more and more carbon fibers composite materials in their structures. The aviation industry in particular is very interested by these new materials. Carbon fibers are capable of sustaining greater axial strain than their metallic equivalents and are lighter. Their properties allow for the design of more robust and lightweight aircrafts which would in turn bring about lots of benefits: longer lifespan, less fuel consumption, etc. For the time being, aircraft components in carbon composites are oversized for security reasons. Carbon fiber composites are not as good at withstanding torsion and flexion as they are at withstanding axial strain. The lifetimes of the components are not well known and investigation results are not easily transferable from one design to another. In order to ensure operational safety while keeping parts lightweight, health monitoring becomes indispensable. The goal of this PhD thesis is to propose a monitoring solution based on small sensors using silicon technology. These sensors are sensitive to mechanical vibrations and can be used to detect the appearance of faults in the structure. We developed a process which is simple yet robust for manufacturing sensors. The sensitive element is a polysilicon Zener PN. First we demonstrate that the sensors are sensitive to mechanical vibrations. Then we demonstrate the usage of our sensors in monitoring the annealing step in autoclave for carbon fiber polymer pieces. Next step consists in the study of a strong and flexible packaging that can be used with any shape of piece. Finally, we studied the electronic circuits able to read the signal and reduce the background noise

Le diagnostic de l'occlusion dentaire reste actuellement un défi majeur pour les chirurgiens-dentistes. Des outils dédiés existent, comme le papier à articuler et le T-Scan®, mais sont limités pour diverses raisons. L'objectif de cette thèse est alors de développer un nouvel outil sous forme de matrice de capteurs de pression sur substrat flexible alliant les avantages des outils nommés précédemment, à savoir un produit électronique, informatisé et de faible épaisseur pour ne pas être intrusif. Nous avons choisi une technologie piézorésistive et l'utilisation de jauges de contrainte en silicium microcristallin. Ce matériau est déposé à basse température (< 200°C) directement sur substrat Kapton® par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) dans une perspective de faible coût. Ces jauges ont d'abord été caractérisées mécaniquement et électriquement lors de tests de courbure. Les facteurs de jauge longitudinaux et transversaux du silicium microcristallin ont été étudiés afin de maîtriser son comportement sous déformation. Les dispositifs restent fonctionnels jusqu'à des contraintes de 0,6 %, à partir de laquelle des dégradations apparaissent. Ces valeurs de contraintes permettent d'atteindre des rayons de courbure de l'ordre du millimètre pour des substrats de 25 µm d'épaisseur. Deux types de matrices ont ensuite été développées : une première de 800 jauges pour l'étude de la surface occlusale d'une dent puis une seconde de 6400 jauges pour l'étude d'une moitié de mâchoire. Dans les deux cas, des corrélations intéressantes entre le papier à articuler et nos réponses électriques ont été observées lors de caractérisations en conditions « semi-réelles » à l'aide d'un articulateur dentaire. Ces deux prototypes ont ainsi permis une preuve de concept fonctionnelle de l'objectif visé en utilisant des jauges en silicium microcristallin
Dental occlusion diagnosis is still a major challenge for dentists. A couple of tools are dedicated to occlusal analysis, such as articulating papers and the T-Scan® system, but they are limited for various reasons. That's why, the goal of this thesis is to develop a novel system consisting in pressure sensor arrays on flexible substrates combining the positive aspects of both previously cited tools: an electronic and computerized system, on a very thin non-invasive flexible substrate. We chose a piezoresistive technology based on microcrystalline silicon strain gauges and 25-µm- or 50-µm-thick Kapton® substrates. Microcrystalline silicon is deposited directly on plastic at low temperature (< 200°C) using PECVD technique (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) in a cost-effective solution perspective. Strain gauges have firstly been characterized using bending tests. Longitudinal and transversal gauge factors have been studied in order to understand the behavior of our deposited materials under bending. Those gauges remained functional until strains up to 0.6 % and degradations appeared for higher values. These values correspond to bending radius on the order of 1 mm for 25-µm-thick substrates. Then, those gauges have been integrated in arrays with two different designs: one was an 800-element array to study the occlusal surface of one tooth, and the second was a 6400-element array to study the occlusal surface of a hemiarcade. Those prototypes have showed interesting correlations between articulating paper marks and our electrical responses during characterizations using a dental articulator to simulate a human jaw. Thus, we have developed in this work a proof-of-concept of a flexible strain sensor using microcrystalline silicon dedicated to dental occlusion diagnosis

Un grand défi actuel consiste à réaliser des capteurs innovants tirant partie des propriétés singulières de nanoparticules colloïdales synthétisées par voie chimique et assemblées de manière contrôlée sur des surfaces. L’objet de cette thèse est le développement de jauges de contrainte résistives à base de nanoparticules. Ces jauges de contrainte sont constituées de lignes parallèles, de quelques micromètres de large, denses, de nanoparticules colloïdales d’or synthétisées par voie chimique et assemblées sur des substrats souples par assemblage convectif contrôlé. Le principe de ces capteurs résistifs repose sur la conduction tunnel entre les nanoparticules qui varie de manière exponentielle lorsque que l’assemblée est déformée. Des mesures électro-mécaniques couplées à des observations en microscopie électronique à balayage et à force atomique ont permis d’identifier, de quantifier et de comprendre l’impact de la taille et de la nature des ligands des nanoparticules sur la sensibilité et les phénomènes de dérive de la résistance à vide des jauges de contrainte. Ces travaux, associés à des mesures de diffusion de rayons X aux petits angles ont permis de corréler les variations macroscopiques de résistance électrique des jauges de contrainte aux déplacements relatifs des nanoparticules. Finalement, ces jauges de contrainte ultra-sensibles et miniatures, mises en matrices, ont été exploitées pour réaliser des surfaces tactiles souples multi-points et sensibles à l’intensité de l’appui
One recent big challenge is to implement innovative sensors that take advantage of the unique properties of colloidal nanoparticles chemically synthesized and assembled on various surfaces. The goal of this work is the development of nanoparticle based resistive strain gauges. These strain gauges are constructed of few micrometers wide parallel wires of close packed colloidal gold nanoparticles, chemically synthesized, and assembled on flexible substrates by convective self assembly. The principle of these resistive sensors is based on the tunnel conduction between the adjacent nanoparticles which varies exponentially as the assembly is stretched. Electro-mechanical measurements coupled with scanning electron microscopy and atomic force microscopy observations were used to identify, quantify and understand the impact of the nanoparticle size and the nature of the protecting ligands, on the gauge sensitivity and the drift of the resistance at rest of the nanoparticle based strain gauges. Coupled with small angle x-ray scattering measurements, these studies allowed us to correlate the macroscopic changes in electrical resistance of the strain gauges to the relative displacement of the nanoparticles at the nanoscale. Finally, a matrix of these miniature ultra-sensitive gauges was used to construct flexible touch screen panels capable of measuring the intensity of several touches simultaneously

Ce travail de thèse porte sur le développement d'outils de modélisation pour le contrôle non destructif (CND) par courants de Foucault (CF). Il existe actuellement une tendance à la mise en œuvre de capteurs souples qui représentent une solution pertinente pour inspecter des pièces ayant une surface complexe. L'objectif principal de cette thèse est l'élaboration de techniques permettant la modélisation de ce type de capteurs au sein de la méthode des éléments finis (MEF).Lors de la modélisation d'un capteur souple avec la MEF, trois problématiques se manifestent. La première concerne le maillage des milieux fins qui apparaissent dans ce type de configuration (distance capteur-pièce contrôlée, bobine plate, revêtement fin...). Le maillage de ces régions par des éléments simpliciaux peut poser des problèmes numériques (éléments déformés quand un maillage grossier est considéré et grand nombre d'inconnues quand un maillage fin est utilisé). La deuxième problématique concerne le déplacement du capteur. Si les différents sous-domaines géométriques (air, pièce, capteur...) sont convenablement remaillés pour chaque position du capteur, le temps total pourra être pénalisant. La troisième problématique relative à la modélisation d'un capteur souple porte sur l'imposition du courant dans des bobines déformées.Une comparaison de différentes approches nous a conduit à retenir la méthode overlapping, qui permet de considérer simultanément des milieux fins avec maillages non-conformes. Cette méthode permet d'effectuer le recollement de deux surfaces non planes et/ou de géométries différentes. La méthode overlapping a été implantée dans deux formulations duales (magnétique et électrique) en 2D et 3D intégrées dans le code de calcul DOLMEN (C++) du LGEP. La méthode overlapping a été validée pour la prise en compte de plusieurs types de régions minces (air, milieux conducteurs, milieux magnétiques, bobines plates...). La modélisation des capteurs souples nécessite aussi l'implantation d'une technique permettant d'imposer correctement les courants dans un inducteur de forme arbitraire. Une technique a été sélectionnée et programmée, d'abord pour des bobines classiques (volumiques) déformées puis pour des bobines plates flexibles. Afin de valider les développements réalisés, différentes configurations de test ont été traitées et les résultats comparés avec des solutions de référence analytiques ou expérimentales.

Pour sécuriser le processus de fabrication, garantir la qualité des pièces et atteindre une pleine productivité, des Systèmes de Surveillance Automatiques de l'Usinage (SSAU) sont nécessaires. Cependant, si des solutions sont proposées pour la production de grandes séries, il n'existe pas actuellement de SSAU pour les systèmes de production flexible en fraisage (ces derniers fabriquant notamment les pièces complexes à forte valeur ajoutée). L'objectif des travaux de thèse présentés dans ce manuscrit, est donc de répondre à ce besoin industriel en proposant une solution efficace et fiable de Surveillance Automatique de l'Usinage pour la production flexible par fraisage.
Tout d'abord, plusieurs critères issus de la bibliographie et susceptibles de résoudre notre problématique, ont été testés dans des conditions de coupe et de trajectoires industrielles, ce qui n'avait pas été fait auparavant. L'analyse de leur comportement a permis de mettre en évidence leurs faiblesses et de faire évoluer notre réflexion, avant de proposer une nouvelle méthode : la Surveillance d'Usinage Intermittente. L'état de l'outil est estimé à partir des efforts de coupe, puis reporté sur une carte de contrôle. Pour plus de fiabilité, seules les zones où la coupe est stable sont surveillées.
Afin d'augmenter la précision, la robustesse et le domaine de validité de la méthode, des améliorations ont ensuite été apportées, quant au conditionnement et à l'analyse des signaux d'efforts. Par ailleurs, les estimations de l'état de l'outil sont affinées pendant l'usinage, grâce à des simulations numériques effectuées au préalable. Des expérimentations ont validé l'approche, par des détections fiables de l'état d'un outil possédant 5 dents (dont une endommagée ou non).
Enfin, nous avons montré que notre méthode permet de détecter de très faibles endommagements de l'outil, survenant au cours de l'usinage d'une pièce. Nous proposons également de coupler notre SSAU à un système d'inspection des outils hors-usinage pour confirmer les détections. Nous avons ensuite montré que notre méthode n'est pas perturbée par l'usure des outils. Une table dynamométrique n'étant pas viable industriellement, nous avons cherché des alternatives. Nous avons finalement montré que la mesure d'efforts peut être réalisée en instrumentant la broche par des capteurs inductifs. L'application de notre méthode permet alors, dans un cadre industriel, de détecter de très faibles endommagements de l'outil, lors de production flexible en fraisage.