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0D nanotransistor biosensors

/ Sivakumarasamy Ragavendran / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 20-04-2015
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L’objectif de cette thèse était d’explorer le potentiel des biocapteurs à base de transistors à 1 électron. Depuis l’invention de l’électrode de verre il y a plus de 100 ans, la réponse monotone du potentiel de surface avec le pH est devenue universelle. Aussi, il est bien connu que les mesures de la concentration en ions dans des solutions complexes, de grande importance pour le domaine biomédical, requière des membranes sélectives aux ions. En utilisant ces transistors nanométriques, nous montrons une rupture dans ces concepts avec l’observation d’une réponse en U au pH et la mesure sélective des cations Na+, K+, Ca2+ et Mg2+ dans le sérum sanguin, sans avoir recours aux membranes sélectives. Par ailleurs, les ions divalents ont été mesurés avec une sensibilité deux fois supérieure à la limite de Nernst. Les équations proposées, à l’origine d’une nouvelle méthode pour les mesures sélectives d’ions, peuvent-être étendues à la mobilité électrophorétique. Nous suggérons que ces nanotransistors 0D devraient également permettre des études biomimétiques de la compensation de charge des protéines. Nous montrons enfin que ces composants peuvent être intégrés sur un laboratoire sur puce en PDMS de 1.5 mm x 1.5 mm, qui promet un système de diagnostic sanguin peu couteux et très intégré.

Adaptive MAC layer for interference limited WSN

/ Toldov Viktor / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 24-01-2017
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A l'époque de l'Internet des Objets, le nombre de dispositifs communicants ne cesse d'augmenter. Souvent, les objets connectés utilisent des bandes de fréquences « industriel, scientifique et médical (ISM) » pour effectuer les communications. Ces bandes sont disponibles sans licence, ce qui facilite le déploiement de nouveaux objets connectés. Cependant, cela mène aussi au fait que le niveau d'interférences augmente dans les bandes ISM. Les interférences ont non seulement un impact négatif sur la qualité de service, mais aussi elles causent des pertes de messages couteuses en énergie, ce qui est particulièrement nocif pour les nœuds capteurs souvent limités en énergie. Dans cette thèse, l'impact des interférences sur la consommation énergétique des nœuds est étudié expérimentalement. Les résultats de ces expérimentations sont utilisés pour estimer la durée de vie des nœuds en fonction de différents niveaux d’interférence subis. Puis, un algorithme de Radio Cognitive (RC) basé sur la technique d’ échantillonnage de Thompson est proposé et évalué par la simulation et implémentation. Les résultats montrent que l'approche proposée trouve le meilleur canal plus vite que les autres techniques. De plus, une extension multi sauts pour RC est proposée et évaluée par expérimentation lors d'une compétition EWSN Dependability Competition. Finalement, le protocole adaptatif WildMAC est proposé pour le cas d'usage du projet LIRIMA PREDNET qui consiste à surveiller des animaux sauvages. Les performances sont évaluées par simulation avec le simulateur WSNet. Les résultats montrent que la solution proposée respecte les contraintes imposées par le projet PREDNET dans la zone ciblée.

Advanced techniques for noise figure and noise parameters measurements of differential amplifiers

/ Andee Yogadissen / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 10-12-2015
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Les circuits différentiels présentent de nombreux avantages par rapport aux circuits 2-ports classiques en termes d’immunité contre les bruits de mode commun, de tensions de sortie doublées et de réduction de distorsion d’ordre pair. Leur usage répandu crée une demande pour le développement de nouvelles techniques de mesures du facteur de bruit différentiel. Le chapitre 1 démontre que le facteur de bruit est fonction de la corrélation des ondes de bruit en sortie du circuit différentiel. Il n’existe toutefois aucun appareil capable de mesurer directement cette corrélation. Le chapitre 2 présente une technique originale pour mesurer cette corrélation. Elle utilise un coupleur hybride connecté aux ports de sortie du circuit différentiel selon 2 configurations de connexion. Cette approche permet de mesurer rigoureusement le facteur de bruit de tous types d’amplificateurs différentiels. Le chapitre 3 propose une technique pour mesurer la corrélation sans utiliser de coupleurs. Une étude de la structure différentielle permet de trouver une expression de la corrélation en fonction des puissances de bruit en sortie et des paramètres S. Une technique rapide et fonctionnelle est ainsi développée sur un analyseur de réseau 4-port pour mesurer le facteur de bruit d’un amplificateur différentiel. Cette approche sans coupleur est étendue à la mesure des paramètres de bruit d’un amplificateur différentiel. L’extraction des 4 paramètres de bruit se fait grâce à la méthode des impédances multiples en utilisant un synthétiseur différentiel d’impédance. Ce travail présente pour la première fois une technique sans coupleur pour la mesure des paramètres de bruit différentiels.

AlGaSb/InAs vertical tunnel field effect transistors for low power electronics

/ Chinni Vinay Kumar / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 28-03-2017
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Depuis une dizaine d’années, la miniaturisation des circuits microélectroniques silicium est freinée par l’augmentation de la densité de puissance consommée car la réduction de la tension d’alimentation n’a pas suivi celle des dimensions. Cela est inhérent au mécanisme thermo-ionique d’injection des porteurs dans les transistors de type MOSFET et conduit à envisager un mécanisme d’injection des porteurs différent, basé sur l’effet tunnel. Pour être efficace, cette solution doit s’accompagner de l’introduction de semi-conducteurs III-V à faible masse effective et petite bande interdite. Parmi ces derniers, l’hétérojonction (Al)GaSb/InAs semble prometteuse grâce à la possibilité de passer d’un alignement des bandes de type "échelon" à "brisé". Ce travail de thèse porte sur la fabrication de transistors à effet tunnel (TFET) à base d’héterostructures (Al)GaSb/InAs. L’influence des paramètres matériaux et géométriques sur les performances du transistor a été évaluée à l’aide des simulations utilisant le logiciel Silvaco. Le développement d’un procédé technologique complet de fabrication de diodes et transistors verticaux de taille nanométrique a ensuite permis la réalisation d’un TFET sur substrat GaAs. Sa caractérisation électrique a révélé un courant dans l’état ON de 433 μA/μm à VDS = VGS = 0.5 V. A basse température, une pente sous le seuil de 71 mV/décade et un rapport ON/OFF de 6 décades ont été obtenus. Ce compromis à l’état de l’art entre courant ON et capacité de commutation démontre que le TFET à base de l’hétérojonction (Al)GaSb/InAs pourrait constituer une alternative de choix pour les technologies futures après optimisation de l’empilement de grille.

Artificially induced anisotropy of thermal conductivity in 2D Si phononic membranes

/ Didenko Stanislav / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 17-06-2019
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Ce travail de thèse est consacré au développement de mécanismes pratiques pour le guidage de chaleur dans des nanostructures de silicium de faible dimension. Les applications vont du domaine de la gestion thermique des circuits intégrés aux technologies et matériaux thermoélectriques émergents à base de Si, dans lesquels le guidage thermique de la chaleur peut jouer un rôle important. L'objectif est d'étudier expérimentalement la faisabilité d'une anisotropie de conductivité thermique (κ) dans le plan, induite artificiellement, des membranes nanostructurées en Si. En combinant la thermométrie Raman, la modélisation optique et la modélisation par éléments finis (FEM), il a été possible de mesurer le gradient thermique, la conductance de la membrane et de déterminer les conductivités thermiques effectives. Cette expérience confirme la possibilité d’induire artificiellement une anisotropie élevée de κ dans des membranes en silicium. Un modèle FEM paramétré conçu à dessein a démontré la mise en œuvre possible des effets anisotropes induits dans le domaine de la gestion thermique des circuits intégrés.

Broad band electromagnetic perfect metamaterial absorbers

/ Hao Jianping / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 05-10-2016
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Ce travail de thèse concerne les structures artificielles à base de métamatériaux permettant la réalisation d’absorbants parfaits. Après une brève introduction des métamatériaux, de leur fonctionnement en tant qu’absorbants et de l’état de l’art, quatre types de structures fonctionnant en bandes centimétrique ou millimétrique ont été conçus puis fabriqués à savoir (i) des réseaux de cubes BaSrTiO3 (BST) basés sur les résonances de Mie, (ii) des réseaux désordonnés composés d’anneaux métalliques mettant en jeu des effets de résonance semblables aux systèmes plasmoniques (iii) des absorbants à quatre résonateurs élémentaires sur substrat flexible et (iv) des réseaux multicouches métal-diélectrique de forme pyramidale. Pour l’ensemble, des simulations numériques, corroborées par l’expérience en guide d’onde ou en espace libre, montrent l’existence d’un moment magnétique. Celui-ci est induit par une boucle des courants de déplacement et de conduction. Pour les structures périodiques, les conditions de grande largeur de bande d’absorption ont été établies sur la base du piégeage et de la dissipation de l’énergie incidente. Pour les réseaux désordonnés, il est montré le rôle capital des couplages entre résonateurs. Des structures périodiques à base de ferroélectrique de dimensions sous longueur d’onde ont été assemblées avec succès tandis que des absorbants flexibles ont été réalisés par technique d’impression jet d’encre montrant l’amélioration d’un facteur quatre de la bande d’absorption. Des améliorations comparables ont été obtenues à l’aide de réseaux d’anneaux, dont les positions dans le plan sont désordonnées, résultant de la distribution des fréquences de résonance par effet de couplage fort entre les résonateurs.

Carbon-based materials : application in electrochemical sensing

/ Wang Qian / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 24-10-2016
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Les nanomatériaux à base de carbone ont suscité un intérêt considérable en raison de leurs applications potentielles dans divers domaines. Ces matériaux sont également considérés comme des matrices idéales pour le développement de capteurs/biocapteurs électrochimiques avec une grande sensibilité. Au cours de ce travail de thèse, on a utilisé des nanotubes de carbone alignés verticalement dopés à l'azote (VA-NCNT), des électrodes d’or modifiées avec des nanofibres de carbone/hydroxyde de cobalt (CNFs/Co(OH)2) par dépôt électrophorétique, ou avec des nanoparticules de cuivre /oxyde de graphène réduit (Cu NPs/rGO), ainsi que des électrodes de carbone vitreux modifiées avec des nanoparticules d'or/rGO (Au NPs/rGO), et évalué leurs caractéristiques électrochimiques pour la construction de capteurs/biocapteurs. La modification des électrodes de VA-NCNT avec des aptamères lysozyme a permis une détection sensible (du l’ordre du femtomolaire) de lysozyme dans le sérum. Cette méthode a été appliquée avec succès pour la détection de lysozyme chez des personnes atteintes de la maladie inflammatoire de l'intestin (IBD). Les électrodes d'or modifiés par rGO/Cu NPs et CNFs/Co(OH)2 ont montré un excellent comportement pour l’oxydation électro-catalytique du glucose. Ils ont été utilisés pour la détection non enzymatique du glucose dans des solutions tampons de façon sélective mais aussi pour la détermination du glucose dans le sérum humain. La détection non enzymatique du peroxyde d'hydrogène a également été réalisée sur des électrodes modifiés par rGO/Au NPs, ce dernier a été préparé en utilisant la tyrosine pour la réduction d'oxyde de graphène (GO) et le sel d’Au.

Channel estimation algorithms for OFDM in interference scenarios

/ Zaarour Farah / Université Lille1 - Sciences et Technologies / 27-11-2015
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La rareté du spectre radio et la demande croissante de bande passante rendent l'optimisation de l'utilisation du spectre essentiel. Tandis qu'une efficacité maximale devrait être atteinte, un niveau minimal d'interférence devrait être maintenu. L’OFDM a été retenu comme un schéma de modulation dans plusieurs normes sans fil. L'estimation de canal est une tâche fondamentale dans les systèmes OFDM et elle devient plus difficile en présence d'interférence. Dans cette thèse, notre objectif est de proposer des algorithmes d'estimation de canal pour les systèmes OFDM en présence d’interférence, où les algorithmes classiques échouent. Tout d'abord, nous considérons l'environnement radio intelligente et nous proposons un nouveau cadre d'estimation de canal pour les canaux à variations rapides contaminés par des interférences bandes étroites (NBI). Cela est accompli avec l'algorithme EM et une expression explicite pour l'estimation de la puissance du bruit est obtenue. Ensuite, nous considérons un nouveau schéma de pilotes superposés (DNSP) qui assure des pilotes sans interférence au détriment d'interférence des donnés. Donc, un récepteur adapté à son design doit être conçu. Nous proposons un annuleur d’interférences (IC) à faible complexité pour les canaux à variations lentes avec DNSP. Cependant, la performance de l'IC proposé n'est fiable que quand l'erreur de l'estimation du canal est faible. Donc, dans une autre contribution, nous proposons un IC pour DNSP en tenant compte des erreurs d'estimation du canal. Enfin l'estimation robuste du canal est considérée comme l’une des perspectives de cette thèse.

Channel modeling for the investigation of human absorption in realistic indoor environments

/ Bamba Aliou / Université Lille1 - Sciences et Technologies, Rijksuniversiteit te Gent / 30-06-2015
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Nous montrons après une revue des modèles de canaux sans fil que le «room electromagnetics» est un modèle approprié pour aborder l'absorption humaine due aux ondes électromagnétique diffuses. Une méthode pour déterminer le temps de réverbération dans une chambre réverbérante est présentée et validée avec un algorithme à haute résolution. La section transversale d'absorption due aux champs diffus (ACSwb,dmc) est ensuite presentee. Une méthode expérimentale pour déterminer le ACSwb,dmc d'un fantôme est développée et validée par des simulations numériques. Les propriétés du temps de réverbération sont étudiées dans plusieurs environnements à Gand et Aalborg, en utilisant le sondeur de canal virtuel MIMO et le sondeur de canal réel. Les valeurs du temps de réverbération permettant ensuite la détermination du ACSwb,dmc. En outre, nous présentons pour la première fois une méthode expérimentale pour déterminer le débit d'absorption spécifique (SARwb) dans des conditions de propagation réalistes en environnements intérieurs. Plusieurs scénarii ont été envisagés et il s’avère que la contribution des champs diffus dans le débit d'absorption spécifique peut être importante et ne peut être systématiquement négligé. Par ailleurs, une simple formule (comme une alternative aux méthodes numériques et expérimentales) est proposée pour déterminer le SARwb d’humains en présence de champs diffus. La formule est validée par des simulations numériques de fantômes humains hétérogènes et peut être utilisée en dosimétrie pour évaluer rapidement et avec précision le SARwb,total des humains. Enfin, la conclusion et des futures possibilités de recherche concluent cette thèse.

Characterization and design of gallium nitride semiconductors for waveguiding applications

/ Saraswati Irma / Université Lille1 - Sciences et Technologies, Universitas Indonesia / 03-12-2015
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Ce travail de thèse est lié concerne l’étude de composants optoélectroniques à base de nouveaux matériaux semi-conducteurs, les nitrures de gallium (GaN) déposés sur silicium. Les défis qui nous attendent concernent essentiellement la qualité microstructurale des couches et la fabrication de composants fonctionnant à hautes fréquences avec des faibles pertes optiques. Durant ces recherches, il a été nécessaire d’évaluer les propriétés optiques et électro-optiques par la technique du couplage prisme, sur des configurations GaN/Si. Il a été démontré que les indices de réfraction du GaN restent relativement élevés (n0=2.285 à la longueur d’onde λ=1.5µm), assez comparables à ceux obtenus sur le substrat de référence, le saphir. Des analyses en température ont également permis de vérifier la stabilité des indices. Par contre, nous avons pu observer une augmentation des pertes de propagation optique, liées à la forte densité de dislocations dans la couche GaN. Une première démonstration des effets électro-optiques de type Pockels a pu être réalisée au cours de cette thèse. Pour une structure d’épaisseur 1µm, nous avons relevé des coefficients r13 de l’ordre de +1pm/V et r33 de +1.67 pm/V, soit 50% supérieurs à ceux du GaAs. L’ensemble de ces travaux doit permettre la conception de composants de type modulateurs et commutateurs optiques.

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