Résumé. Ce mémoire concerne la modélisation analytique et l'optimisation d'actionneurs électrostatique basés sur une membrane. Le modèle analytique de fléchissement de la membrane mince de silicium, parfaitement encastrée, décrit par l'équation Lagrange/Newton pour les petites déflexions est présentée en prenant sur compte des phénomènes comme les contraintes résiduelles et les déflexions initiales de la membrane. Les réponses pour la pression uniforme sont obtenues grâce à la méthode de Galerkin et sont étudiées pour décrire le comportement de la membrane avec un modèle réduit. Les deux modèles sont analysés pour l'actionnement électrostatique et sont comparés sur le plan de la précision, le gamme d'usage, le temps des calculs et le facilité d'usage en phase d'optimisation. Puis, le modèle réduit est corrigé pour être complètement applicable pour un actionnement hydrostatique et électrostatique sans perte de précision et est comparé avec la simulation FEM réalisée dans l'ANSYS®. Les résultats obtenus permettent de déterminer les avantages et les inconvénients du modèle. En suite, le modèle analytique est utilisé pour développer un outil d'optimisation et de statistique sous MATLAB®. Ce dernier permet d'estimer l'influence de la dispersion des paramètres technologiques sur le comportement des actionneurs. Finalement la fabrication et la caractérisation de structures de tests ont été réalisées au LAAS-CNRS et ont permis la validation du modèle analytique.

Dans ce travail de thèse, nous avons cherché d'une part, à répondre à la question du dimensionnement des nanosystèmes électromécaniques (NEMS) à base de nanotube de carbone (NTC) multiparois, à la fois théoriquement et expérimentalement, et d'autre part, à appliquer le savoir-faire développé à la réalisation de composants de types interrupteurs.<br /> Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la déflexion d'un nanotube de carbone suspendu soumis à une force d'attraction électrostatique. Notre modèle montre qu'il existe une loi d'échelle reliant la déflexion électrostatique aux paramètres géométriques, électriques, et physiques des NEMS à base de NTC. Ce résultat constitue, en soi, un outil de dimensionnement pour la conception de ces dispositifs, car il permet de prédire leur comportement électromécanique sur une « large » gamme de paramètres opérationnels.<br /> Parallèlement, nous avons mis au point des procédés de fabrication pour réaliser des nanostructures intégrant un NTC suspendu actionnable électrostatiquement. Parmi ces différentes structures, la plus simple a été utilisée pour sonder les propriétés électromécaniques des NTC multiparois. Nous avons développé une méthode basée sur l'utilisation d'un microscope à force atomique pour mesurer la déflexion en fonction de la tension électrique d'actionnement. Les résultats de ces mesures, pour différents NTC (différents diamètre et longueur), montrent clairement, et sans paramètre ajustable, l'existence de la loi d'échelle prédite par notre modèle théorique. À partir de ces mesures, nous avons extrait le module d'Young des NTC. Pour des diamètres inférieurs à 30 nm, celui-ci est constant et vaut en moyenne 400 GPa. Au-delà, nous observons une forte diminution qui pourrait s'expliquer par l'entrée dans un régime de déformation non-linéaire.<br /> Enfin, nous montrons la réalisation d'un interrupteur électromécanique à base de NTC qui présente de bonnes caractéristiques de commutation.

L'objectif de cette thèse est l'étude de la déformation de gouttes et de films minces sous l'effet du champ électrique, dans le cadre de l'électromouillage.<br />La première partie de cette thèse concerne l'étude des effets de bord électrostatiques au voisinage de la ligne triple. Nous avons pu mettre en évidence une variation de courbure lors d'expériences d'électromouillage par mesure directe de courbure à partir du profil de l'interface liquide/air, due à un effet de pointe dans le coin de liquide.<br />La déformation macroscopique de gouttes est l'objet de la seconde partie de cette thèse. Nous nous sommes intéressés à une géométrie inédite d'électrodes, formant un condensateur bicouche. Nous avons ainsi créé un susbtrat présentant un contraste de mouillage positif, négatif et nul entre deux zones en fonction du choix du rapport des tensions. Nous avons également étudié le champ électrique qui règne dans ce système, ce qui a permis de mettre en évidence des effets de pointe et une taille caractéristique de la distance de variation de contraste entre les deux zones.<br />Enfin, dans la dernière partie nous nous sommes intéressés au comportement d'un film d'huile soumis à une pression électrostatique. Nous avons réalisé des expériences préliminaires dans un système eau/huile/isolant en vue de mesurer la variation d'épaisseur d'un film d'huile sous champ électrique, par ellipsométrie. Ces expériences ont permis de mettre en évidence l'importance de la détermination de l'état de mouillage réel de l'huile sur le diélectrique au cours des expériences.

Les satellites en vol, baignent dans un mélange de particules chargées (et éventuellement de particules neutres). Des électrons et des ions issus de ce plasma interagissent avec les surfaces du satellite et vont ainsi modifier sa charge électrostatique. Nous sommes intéressés particulièrement par ces phénomènes de charge en considérant des plasmas provenant de la magnétosphère et d'un propulseur électrique. Le but est de simuler l'influence de ce type de propulsion sur la charge électrostatique d'un satellite en vol. Pour obtenir des simulations numériques réalistes, il faut choisir des modèles pertinents et des méthodes numériques précises et efficaces.

Cette thèse résume les travaux concernant les essais de fiabilité des commutateurs RF MEMS capacitifs et ohmiques développé par le CEA-Leti.Dans le premier chapitre les mesures de raideur par la technique de nano-indentation sur des commutateurs MEMS réels sont complétées par des observations AFM, MEB et FIB pour expliquer le comportement électrique des différents lots de commutateurs de type ohmique.Le deuxième chapitre présente les résultats de la caractérisation des propriétés structurales et physiques des diélectriques, qui sont généralement utilisés dans nos commutateurs RF MEMS ohmiques et capacitifs. Les analyses élémentaires confirment que tous les nitrures SiNx et oxydes SiO2 fabriqués par la technique PECVD ont une qualité inférieure par rapport à leurs homologues synthétisés à haute température.Les mécanismes de conduction sont identifiés dans SiNx et SiO2 PECVD en mesurant des courbes I-V sur les condensateurs MIM. Pour les deux nitrures SiNx, qui sont déposés en haute (HF) et fréquence mixte (MF), le mécanisme de conduction de type Poole-Frenkel. Pour le SiO2 le mécanisme de conduction est plus susceptible d'être contrôlé par émission Schottky. Les mesures I-V révèlent que tous ces matériaux piègent des charges parasites, il y a en effet une forte hystérésis entre les parties aller et retour de la courbe I-V.Pour étudier la cinétique de piégeage de charge des condensateurs MIM sont utilisés. Pour identifier les propriétés des pièges la technique d'injection à courant constant est utilisée. Le diélectrique SiNx PECVD montre une dépendance logarithmique de la cinétique de piégeage, tandis que le SiO2 montre une dépendance exponentielle. La concentration totale de pièges ne montre aucune dépendance pour les SiNx HF et SiO2 MF, ou une dépendance faible en fonction du champ pour le SiNx MF. La section efficace de capture dépend du champ pour les deux types de nitrures, ce qui est cohérent avec le modèle de piégeage à effet répulsif. Pour le SiO2, où un modèle de piégeage du premier ordre a été utilisé, la section efficace de capture est indépendante du champ. Dans le chapitre 4, les dérives de tension expérimentales sont mesurées lors des tests de stress à tension constante, pour différents niveaux de contrainte de tension. Dans la partie suivante, nous proposons une approche originale de modélisation de la dérive de la tension de "pull-in" basée sur le mécanisme de conduction et les propriétés de piégeage des diélectriques. Nous démontrons que grâce a notre modèle, il est possible d'expliquer les dérives de tension mesurée en termes de propriétés diélectriques bien identifiées. Cette procédure donne des résultats simulés en bon accord avec les mesures pour tous les matériaux, et permet de prédire les résultats de n'importe quelle séquence de vieillissement électrique. Nous utilisons ensuite notre modèle pour étudier l'effet des propriétés diélectriques et de la conception du commutateur sur le comportement à long terme de nos commutateurs MEMS.

La mise au point d'une cellule de SOFC haute performance de configuration anode support pour un fonctionnement sous méthane pur nécessite l'élaboration d'un film mince d'électrolyte et le développement d'une architecture innovante permettant le reformage d'hydrocarbures. La première partie du travail a consisté en l'élaboration de films minces d'électrolyte de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium par atomisation électrostatique sur un substrat composite poreux NiO-8YSZ. Cette technique originale a permis l'obtention de films minces, denses et étanches à partir d'une suspension, présentant des propriétés électriques comparables à celles d'un échantillon massif de même composition. La seconde partie du travail a porté sur la mise au point d'une cellule de SOFC optimisée dont l'architecture innovante intégrant une membrane anodique catalytique est basée sur le concept associant le reformage interne progressif et le découplage électro-catalytique. Une séquence d'élaboration établie spécifiquement conditionne l'assemblage des éléments optimisés de la cellule. L'adaptation de la cellule dans un banc de mesures a permis la réalisation de tests électrochimiques sous hydrogène et méthane à haute température. Le fonctionnement stable du dispositif pendant plus de 1000 h sous méthane pur avec un taux d'utilisation optimisé, sans apport extérieur d'eau et sans dépôt de carbone a validé le concept étudié.

Cette thèse résume les travaux concernant les essais de fiabilité des commutateurs RF MEMS capacitifs et ohmiques développé par le CEA-Leti.Dans le premier chapitre les mesures de raideur par la technique de nano-indentation sur des commutateurs MEMS réels sont complétées par des observations AFM, MEB et FIB pour expliquer le comportement électrique des différents lots de commutateurs de type ohmique.Le deuxième chapitre présente les résultats de la caractérisation des propriétés structurales et physiques des diélectriques, qui sont généralement utilisés dans nos commutateurs RF MEMS ohmiques et capacitifs. Les analyses élémentaires confirment que tous les nitrures SiNx et oxydes SiO2 fabriqués par la technique PECVD ont une qualité inférieure par rapport à leurs homologues synthétisés à haute température.Les mécanismes de conduction sont identifiés dans SiNx et SiO2 PECVD en mesurant des courbes I-V sur les condensateurs MIM. Pour les deux nitrures SiNx, qui sont déposés en haute (HF) et fréquence mixte (MF), le mécanisme de conduction de type Poole-Frenkel. Pour le SiO2 le mécanisme de conduction est plus susceptible d'être contrôlé par émission Schottky. Les mesures I-V révèlent que tous ces matériaux piègent des charges parasites, il y a en effet une forte hystérésis entre les parties aller et retour de la courbe I-V.Pour étudier la cinétique de piégeage de charge des condensateurs MIM sont utilisés. Pour identifier les propriétés des pièges la technique d'injection à courant constant est utilisée. Le diélectrique SiNx PECVD montre une dépendance logarithmique de la cinétique de piégeage, tandis que le SiO2 montre une dépendance exponentielle. La concentration totale de pièges ne montre aucune dépendance pour les SiNx HF et SiO2 MF, ou une dépendance faible en fonction du champ pour le SiNx MF. La section efficace de capture dépend du champ pour les deux types de nitrures, ce qui est cohérent avec le modèle de piégeage à effet répulsif. Pour le SiO2, où un modèle de piégeage du premier ordre a été utilisé, la section efficace de capture est indépendante du champ. Dans le chapitre 4, les dérives de tension expérimentales sont mesurées lors des tests de stress à tension constante, pour différents niveaux de contrainte de tension. Dans la partie suivante, nous proposons une approche originale de modélisation de la dérive de la tension de "pull-in" basée sur le mécanisme de conduction et les propriétés de piégeage des diélectriques. Nous démontrons que grâce a notre modèle, il est possible d'expliquer les dérives de tension mesurée en termes de propriétés diélectriques bien identifiées. Cette procédure donne des résultats simulés en bon accord avec les mesures pour tous les matériaux, et permet de prédire les résultats de n'importe quelle séquence de vieillissement électrique. Nous utilisons ensuite notre modèle pour étudier l'effet des propriétés diélectriques et de la conception du commutateur sur le comportement à long terme de nos commutateurs MEMS. / This thesis summarizes the work concerning reliability testing of electrostatic capacitive- and ohmic-type RF MEMS switches developed by the CEA-Leti. In the first chapter the measurement of stiffness by the nanoindentation technique on real MEMS switches are completed by AFM, SEM and FIB observations in order to explain the electrical behavior of different wafers of the ohmic-type switches. The second chapter presents the results of the characterization of the structural and physical properties of the dielectrics, which are typically used in our ohmic- and capacitive-type RF MEMS switches. Elemental analyses confirm that all SiNx and SiO2 samples fabricated by the PECVD technique have inferior quality compared to their high-temperature counterparts.The conduction mechanism are identified in PECVD SiNx and SiO2 by measuring I-V curves on MIM capacitors. For both SiNx materials, that is deposited in high- (HF) and mixed-frequency (MF) mode, the conduction process is controlled by Poole-Frenkel mechanism. For the MF SiO2 the conduction mechanism is most likely to be controlled by Schottky emission. The I-V measurements reveal, that all these materials are prone to trapping parasitic charge, which is observed as hysteresis between the ramp-up and ramp-down parts of the I-V curve.For studying the kinetics of charge trapping the MIM capacitors are used. To identify the trapping properties the constant current injection technique is used. The PECVD SiNx dielectric turns out to show logarithmic dependence of the trapping kinetics, while the SiO2 shows an exponential dependence. The total concentration of traps shows no field-dependence for the HF SiNx and MF SiO2 or weak field dependence for the MF SiNx sample. The capture cross section is field dependent for both samples with SiNx, which is consistent with the repulsive trapping model. For the SiO2, where the first order trapping model was used, the capture cross-section is not field dependent.In the chapter 4, experimental voltage drifts are measured during constant voltage stress tests for different voltage stress levels. In the following part we propose an original approach to modeling of the voltage drifts based on the identified conduction mechanism and trapping properties of the dielectrics. We demonstrate that thanks to our model it is possible to explain the measured voltage drifts in terms of the identified dielectric properties. The simulated results are in good agreement with experimental ones for all investigated materials and it allows to predict the voltage drift for any aging conditions. In the next step, we use our model to study the effect of the dielectric properties and the switch design on the long term behavior of RF MEMS switches.

La mise au point d'une cellule de SOFC haute performance de configuration anode support pour un fonctionnement sous méthane pur nécessite l'élaboration d'un film mince d'électrolyte et le développement d'une architecture innovante permettant le reformage d'hydrocarbures. La première partie du travail a consisté en l'élaboration de films minces d'électrolyte de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium par atomisation électrostatique sur un substrat composite poreux NiO-8YSZ. Cette technique originale a permis l'obtention de films minces, denses et étanches à partir d'une suspension, présentant des propriétés électriques comparables à celles d'un échantillon massif de même composition. La seconde partie du travail a porté sur la mise au point d'une cellule de SOFC optimisée dont l'architecture innovante intégrant une membrane anodique catalytique est basée sur le concept associant le reformage interne progressif et le découplage électro-catalytique. Une séquence d'élaboration établie spécifiquement conditionne l'assemblage des éléments optimisés de la cellule. L'adaptation de la cellule dans un banc de mesures a permis la réalisation de tests électrochimiques sous hydrogène et méthane à haute température. Le fonctionnement stable du dispositif pendant plus de 1000 h sous méthane pur avec un taux d'utilisation optimisé, sans apport extérieur d'eau et sans dépôt de carbone a validé le concept étudié. / The design of a high performance anode supported SOFC operating under pure methane requires the elaboration of a thin film of electrolyte and the development of an original architecture adapted to the reforming of hydrocarbons. The first part of this work was dedicated to the elaboration of yttria stabilized zirconia thin films of electrolyte by ESD onto a NiO-8YSZ porous substrate. This original technique has allowed the fabrication of thin, dense and gas-tight films starting from a suspension, with good electrical properties comparable to that of a bulk sample of the same nature. The second part of this work concerned the design of an optimized SOFC cell with an original architecture integrating an anodic catalytic membrane based on a concept gathering the gradual internal reforming and the electro-catalytic dissociation. The assembly of the optimized components is conditioned by an elaboration sequence specifically established. The adjustment of the cell in a test bench led to the achievement of electrochemical tests in hydrogen and methane at 800°C. The stable operating of the cell fueled by pure and dry methane with optimized faradaic efficiency for more than 1000 h without carbon deposition proved the viability of the studied concept.

La récupération d'énergie mécanique de vibration à l’aide de transducteurs à capacité variable mène à l’étude de systèmes non linéaires complexes, mais présente des perspectives applicatives très prometteuses. Notre travail a porté sur l’étude d’une nouvelle famille de circuits d'interface pour transducteurs capacitifs. Entre autres avantages, ces circuits sont réalisables avec des rendements élevés à très basse puissance, typiquement dès quelques dizaines de nano-watts de puissance moyenne, ce qui les distingue des solutions présentées dans de l’état de l’art. De plus, Les circuits étudiés dans cette thèse ne contiennent aucun composant magnétique, ce qui constitue un atout considérable en termes de miniaturisation et d’intégration et permet eu outre la compatibilité avec l’imagerie par résonance magnétique. Les différentes structures qui constituent la famille de circuits proposés permettent de répondre à différentes contraintes imposées par le transducteur capacitif, en particulier le rapport des capacités maximale et minimale Cmax/Cmin. A partir d’une tension de sortie donnée, la tension appliquée sur le transducteur capacitif peut être modifiée en utilisant différents circuits ou en utilisant un circuit unique dont la topologie est modifiée à l’aide d’un interrupteur électronique. Les modèles théoriques développés prennent en compte le couplage électromécanique du transducteur de manière à décrire le comportement global des systèmes étudiés. Les circuits étudiés ont été validés expérimentalement avec deux transducteurs capacitifs de structure différente. En pratique, le rendement de ces circuits est proche de 80% pour des puissances converties aussi basses que la centaine de nano watts. / The mechanic vibration energy harvesting using variable capacitance transducers leads to the study of complex nonlinear systems but has very promising application perspectives. Our work focused on the study of a new family of interface circuits for capacitive transducers. Among all the advantages, these circuits are achievable with high efficiencies at very low power, typically a few tens of nanowatts average power, which distinguishes them from the solutions presented in the state of the art. Moreover, the circuits studied in this thesis do not contain any magnetic components, which is a considerable asset in terms of miniaturization and integration and also allows compatibility with magnetic resonance imaging. The various structures which constitute the family of circuits proposed make it possible to satisfy various constraints imposed by the capacitive transducer, in particular, the ratio of the maximum and minimum capacities Cmax / Cmin. For a given output voltage, the voltage applied to the capacitive transducer can be varied by using different circuits or by using a single circuit whose topology is modified by the operation of an electronic switch. In order to describe the overall behavior of the studied systems, the electromechanical coupling of the transducer is taken into account in the developed theoretical models. The studied circuits have been validated experimentally with two capacitive transducers of different structure. In practice, the output of these circuits is close to 80% for converted powers as low as the hundred nanowatts.

L’intégration de plusieurs capteurs inertiels au sein d’un même dispositif de type MEMS afin de pouvoir estimer plusieurs degrés de liberté devient un enjeu important pour le marché de l’électronique grand public à cause de l’augmentation et de la popularité croissante des applications embarquées. Aujourd’hui, les efforts d'intégration se concentrent autour de la réduction de la taille, du coût et de la puissance consommée. Dans ce contexte, la co-intégration d’un accéléromètre trois-axes avec un gyromètre trois-axes est cohérente avec la quête conjointe de ces trois objectifs. Toutefois, cette co-intégration doit s’opérer dans une même cavité basse pression afin de préserver un facteur de qualité élevé nécessaire au bon fonctionnement du gyromètre. Dans cette optique, un nouveau système de contrôle, qui utilise le principe de l’amortissement électrostatique, a été conçu pour permettre l’utilisation d’un accéléromètre sous amorti naturellement. Le principe utilisé pour contrôler l’accéléromètre est d’appliquer dans la contre-réaction une force électrostatique générée à partir de l’estimation de la vitesse du MEMS. Cette technique permet d’augmenter le facteur d’amortissement et de diminuer le temps d’établissement de l’accéléromètre. L’architecture proposée met en oeuvre une méthode novatrice pour détecter et contrôler le mouvement d’un accéléromètre capacitif en technologie MEMS selon trois degrés de liberté : x, y et z. L'accélération externe appliquée au capteur peut être lue en utilisant la variation de capacité qui apparaît lorsque la masse se déplace. Lors de la phase de mesure, quand une tension est appliquée sur les électrodes du MEMS, une variation de charge est appliquée à l’entrée de l’amplificateur de charge (Charge-to-Voltage : C2V). La particularité de cette architecture est que le C2V est partagé entre les trois axes, ce qui permet une réduction de surface et de puissance consommée. Cependant, étant donné que le circuit ainsi que l’électrode mobile (commune aux trois axes du MEMS) sont partagés, on ne peut mesurer qu’un seul axe à lafois. Ainsi, pendant la phase d'amortissement, une tension de commande, calculée pendant les phases de mesure précédentes, est appliquée sur les électrodes d'excitation du MEMS. Cette tension de commande représente la différence entre deux échantillons successifs de la tension de sortie du C2V et elle est mémorisée et appliquée trois fois sur les électrodes d’excitation pendantla même période d’échantillonnage. Afin d’étudier la faisabilité de cette technique, des modèles mathématiques, Matlab-Simulink et VerilogA ont été développés. Le principe de fonctionnement basé sur l’amortissement électrostatique simultané a été validé grâce à ces modèles. Deux approches consécutives ont été considérées pour valider expérimentalement cette nouvelle technique : dans un premier temps l’implémentation du circuit en éléments discrets associé à un accéléromètre sous vide est présentée. En perspective, un accéléromètre sera intégré dans la même cavité qu’un gyromètre, les capteurs étant instrumentés à l’aide de circuits CMOS intégrés. Dans cette cadre, la conception en technologie CMOS 0.18μm de l’interface analogique d’amortissement est présentée et validée par simulation dans le manuscrit. / Recently, consumer electronics industry has known a spectacular growth that would have not been possible without pushing the integration barrier further and further. Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) inertial sensors (e.g. accelerometers, gyroscopes) provide high performance, low power, low die cost solutions and are, nowadays, embedded in most consumer applications. In addition, the sensors fusion has become a new trend and combo sensors are gaining growing popularity since the co-integration of a three-axis MEMS accelerometer and a three-axis MEMS gyroscope provides complete navigation information. The resulting device is an Inertial measurement unit (IMU) able to sense multiple Degrees of Freedom (DoF). Nevertheless, the performances of the accelerometers and the gyroscopes are conditioned by the MEMS cavity pressure: the accelerometer is usually a damped system functioning under an atmospheric pressure while the gyroscope is a highly resonant system. Thus, to conceive a combo sensor, aunique low cavity pressure is required. The integration of both transducers within the same low pressure cavity necessitates a method to control and reduce the ringing phenomena by increasing the damping factor of the MEMS accelerometer. Consequently, the aim of the thesis is the design of an analog front-end interface able to sense and control an underdamped three-axis MEMSaccelerometer. This work proposes a novel closed-loop accelerometer interface achieving low power consumption The design challenge consists in finding a trade-off between the sampling frequency, the settling time and the circuit complexity since the sensor excitation plates are multiplexed between the measurement and the damping phases. In this context, a patenteddamping sequence (simultaneous damping) has been conceived to improve the damping efficiency over the state of the art approach performances (successive damping). To investigate the feasibility of the novel electrostatic damping control architecture, several mathematical models have been developed and the settling time method is used to assess the damping efficiency. Moreover, a new method that uses the multirate signal processing theory and allows the system stability study has been developed. This very method is used to conclude on the loop stability for a certain sampling frequency and loop gain value. Next, a 0.18μm CMOS implementation of the entire accelerometer signal chain is designed and validated.