This paper aims to design a high-quality-factor suspending micro-inductor and to establish its equivalent circuit model for performance optimization. Two commercial software (Ansoft HFSS and Agilent ADS) are adopts to analysis the influences of quality factor on the geometric parameters and substrate materials. The designed micro-inductors are constructed by one bottom GSG electrode, two supporting copper vias and a spiral suspending copper conducting layer. As the simulated results of this research, the quality factor of the suspending micro-inductor is increased with the height of air gap, the thickness and width of suspending copper conducting layer and decrease with the number of turns, line space and outer diameter of suspending copper conducting layer. The influences of different shapes of the spiral suspending copper conducting layers on the quality factor of micro-inductors were also investigated. The simulation results well match to the theoretical prediction. Finally, this thesis has successfully derived two experiential formulas based on the analysis results to estimate quickly the inductance of the suspending micro-inductors with circular and square shape. Compared with the simulation results and realistic measurement results, these experiential formulas demonstrate 94-95% and 90% accuracies respectively.

High-quality factor oscillators are often used in measurements of verysmall force since they exhibit an enhanced sensitivity in the narrow frequencyband around resonance. Forces containing frequencies outside this frequencyband are often not detectable and the total force acting on the oscillatorremains unknown. In this thesis we present methods to eciently use theavailable bandwidth around resonance to reconstruct the force from partialspectral information.We apply the methods to dynamic atomic force microscopy (AFM) wherea tip at the end of a small micro-cantilever oscillates close to a sample surface.By reconstructing the force between the tip and the surface we can deducedierent properties of the surface. In contrast, in conventional AFM only oneof the many frequency components of the time-dependent tip-surface forceallowing for only qualitative conclusions about the tip-surface force.To increase the number of measurable frequency components we developed Intermodulation AFM (ImAFM). ImAFM utilizes frequency mixing ofa multifrequency drive scheme which generates many frequencies in the response to the nonlinear character of the tip-surface interaction. ImAFM,amplitude-modulated AFM and frequency-modulated AFM can be considered as special cases of narrow-band AFM, where the tip motion can bedescribed by a rapidly oscillating part and a slowly-varying envelope function. Using the concept of force quadratures, each rapid oscillation cycle canbe analyzed individually and ImAFM measurements can be interpreted as arapid measurement of the dependence of the force quadratures on the oscillation amplitude or frequency. To explore the limits of the force quadraturesdescription we introduce the force disk which is a complete description of thetip-surface force in narrow-band AFM at xed static probe height.We present a polynomial force reconstruction method for multifrequencyAFM data. The polynomial force reconstruction is a linear approximativeforce reconstruction method which is based on nding the parameters of amodel force which best approximates the tip-surface force. Another classof reconstruction methods are integral techniques which aim to invert theintegral relation between the tip-surface force and the measured spectraldata. We present an integral method, amplitude-dependence force spectroscopy (ADFS), which reconstructs the conservative tip-surface force fromthe amplitude-dependence of the force quadratures. Together with ImAFMwe use ADFS to combine high-resolution AFM imaging at high speeds withhighly accurate force measurements in each point of an image. For the measurement of dissipative forces we discuss how methods from tomography canbe used to reconstruct forces that are a function of both tip position andvelocity.The methods developed in this thesis are not limited to dynamic AFM andwe describe them in the general context of a harmonic oscillator subject to anexternal force. We hope that theses methods contribute to the transformationof AFM from a qualitative imaging modality into quantitative microscopy andwe hope that they nd application in other measurements which exploit theenhanced sensitivity of a high-quality factor oscillator. / <p>QC 20130527</p>

For the application of 4G wireless communication system, this thesis aims to develop a high-quality-factor and low-power-dissipation suspending micro-inductor using electrochemical deposition and surface micromachining technologies. This research presents three technical points to improve the quality factor and reduce the power dissipation of micro inductor, including (i) to adopt a low resistivity material (copper) as the conducting layer to decrease the Eddy current due to the skin effect and reduce the total series resistance and energy loss, (ii) to utilize a suspending structure to diminish the power loss through the substrate and (iii) to replace the silicon wafer with a high resistance substrate (Corning 7740) to compress effectively the power dissipation in high frequency operation. The implemented suspending micro-inductors were characterized by a commercial network analyzer (Agilent E5071C) under 0.5~20 GHz testing frequency range. All the inductances and quality factors of the micro-inductors proposed in this thesis are extracted by the Agilent ADS software. The optimized value of the quality factor is around to 24.9 and the corresponding inductance is equal to 5.43 nH .

A l'heure où la demande en quantité d'informations et le nombre d'utilisateurs explosent, toujours avec des limitations en allocation en fréquence et bande passante, les systèmes de télécommunication tendent à optimiser la gestion de leur capacité en s'orientant vers des systèmes reconfigurables. Dans le cas des filtres d'OMUX, apporter de l'accordabilité en conservant d'excellentes performances électriques, thermiques et mécaniques soulève de nombreuses difficultés.Nous avons dans un premier temps démontré la faisabilité sur un filtre à saut de canal à bande passante constante par le biais d'une cavité métallique chargée par un perturbateur en alumine en mouvement de rotation. Ensuite, nous avons proposé des solutions pour avoir un contrôle de la fréquence et de la bande passante en se basant sur la translation de matériaux diélectriques. Les facteurs de qualité mis en jeu sont de l'ordre de la dizaine de milliers. Enfin nous avons tiré profit de l'évolution des technologies d'impression plastique 3D pour valider différents concepts de filtres accordables. / At a time when the amount of information and the number of users go through the roof in telecommunication market, the telecommunication systems tend to improve the management of their capacity by moving toward reconfigurable RF devices. However frequency and bandwidth allocated are still restricted. Regarding tunable OMUX filters, the actuation systems generally degrade the overall performances of the device and raise questions in terms of mechanic and thermic.We first demonstrated the feasability of a two state filter with constant narrowband, using a dielectric material (alumina) in rotation inside a metallic housing. Then, we suggested solutions to control both frequency and bandwidth with the translation of a ceramics. We deal with quality factor in the range of ten of thousands for these applications. Eventually, we validated some principle for tunable filters thanks to the efficiency of 3D plastic printer.

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Au cours de ces dernières années, les chercheurs ont démontré l’importance de l’accordabilité dans les systèmes de télécommunications fonctionnant pour des multiples bandes de fréquences, afin de réduire leur complexité et leur coût. Ce travail se focalise sur des filtres innovants accordables optiquement et propose ainsi une solution alternative aux méthodes plus classiques comme les MEMS ou les diodes. Cette thèse retrace la conception de trois résonateurs pouvant être de bons candidats à intégrer dans le système accordable optiquement développé au travers du manuscrit. Ces éléments sont conçus par le biais de différentes technologies comme : la technologie « Substrate Integrated Waveguide » combinée avec un effet dit métamatériau et la méthode de cavité chargée par un plot capacitif. Tous ces résonateurs ont été créés dans le but d’avoir des performances intéressantes pour trois critères : le facteur de qualité à vide (Q0), la plage d’accord (TR) et la taille. La dernière partie, quant à elle, se consacre au système d’accordabilité basé sur l’utilisation de capacité CMS et de switches RF contrôlés optiquement et fabriqués à l’aide de la technologie silicium CMOS. Plusieurs méthodes ont été utilisées afin d’améliorer les pertes d’insertion des switches RF et par conséquent les performances du système global, démontrant la faisabilité de ce concept innovant accordable optiquement. / Researchers have demonstrated over the last decade the importance of tunability to reduce the complexity and the cost of telecommunication systems operating at multiple frequency bands and standards. This work focuses on novel optically tunable filters for microwave applications and therefore proposes alternative solution to commonly used tuning methods such as MEMS or diodes. The thesis has investigated different resonators for having good candidates for the novel optically tunable system developed throughout this manuscript. Different technologies are used to design such components, namely: Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology combined with metamaterial effect and cavity loading. All manufactured resonators are designed to be balanced between three features: the unloaded quality factor (Q0), the tuning range (TR) and the size. The last part deals with the tuning system based on SMT capacitance and optically controlled RF switches based on Si CMOS technology. Several methods have been used to improve the insertion loss of manufactured switches and therefore the performance of the whole system, demonstrating the feasibility of this novel optically based tunable concept.

Les microrésonateurs à mode de galerie passifs à base de cristal ou de verre fabriqués par la méthode de fusion possèdent un facteur de qualité limité à quelques 10E8. Ceci est généralement dû à la contamination de la surface du résonateur lors de sa fusion. Dans ces travaux, nous proposons de contourner cette limitation en utilisant des microrésonateurs actifs pour compenser les pertes. Afin de caractériser les microrésonateurs actifs de très haut facteur de qualité ainsi obtenu, nous nous appuyons sur la méthode CRDM (Cavity Ring Down Measurement). Cette méthode interférométrique est d'une part bien adaptée à la caractérisation de résonateurs de très haut facteur de qualité et d'autre part elle permet de remonter de manière univoque aux facteurs de qualité intrinsèque Qo et extrinsèque Qe du résonateur. Dans un régime de compensation de pertes, nous avons pu atteindre tous les régimes de couplage et obtenus des facteurs de qualité intrinsèques excédant les 10E10. En régime d'amplification sélective, nous avons démontré expérimentalement que l'on pouvait obtenir des gains élevés allant jusqu'à 33 dB et des retards de groupe excédant 2,3 µs dans ces microrésonateurs actifs. Ces microrésonateurs de très haut facteur de qualité et de très haute finesse peuvent présenter un couplage modal se manifestant par un doublet de résonances. Une confrontation théorie/expérience avec la méthode CRDM permet de mesurer un écart très faible entre les doublets. Par ailleurs, ces microrésonateurs présentant un fort confinement spatial et une forte surtension, sont propices à l'observation d'effets non-linéaires. Une modélisation intégrant l'effet thermique et l'effet Kerr a été réalisée. Une confrontation théorie/expérience nous a permis d'estimer la puissance réellement injectée dans le mode ainsi qu'à estimer le volume du mode. / Glass-based whispering gallery mode (WGM) microresonators are easy to produce by melting techniques. However, they suffer from surface contamination which limits their long term quality factor to only about 10E8. In this thesis, we show that an optical gain provided by erbium ions can compensate for residual losses. The optical characterization method is based on frequency-swept “Cavity-Ring-Down-Measurement”. This method can fully describe the linear properties of microcavities such as coupling regime and group delay. In compensation loss regime we demonstrate that it is possible to control the coupling regime of an ultrahigh Q-factor microresonator from undercoupling to spectral selective amplification. Under the selective amplification regime, we obtain an internal Q-factor exceding 10E10. In selective amplification, we experimentally show that it is possible to obtain high amplification up to 33 dB and a high group delay. The microresonators with high Q-factor and high finesse could give rise to a modal coupling which exhibits a splitting of the resonance in the transmission. A characterization of this phenomenon with the cavity ring down method was realized. Moreover, these microresonators, are conducive to the non-linear effect observation. A model incorporating the thermal effect and the Kerr effect has been achieved. Confrontation between theory and experiment allowed us to estimate the real optical power injected into the mode as well as estimating the mode volume.

L’objectif de ces travaux est le développement en technologie intégrée standard d’une topologiede ligne de propagation optimisée en termes de pertes, d’encombrement et de facteur de qualitéaux fréquences millimétriques. Cette topologie nommée S-CPW (Shielded CoPlanarWaveguide) utilise le phénomène d’ondes lentes afin de miniaturiser longitudinalement la ligned’un facteur compris entre 1,3 et 3,2 par rapport à des topologies classiques. Disposantégalement de faibles pertes, les lignes développées présentent un facteur de qualité élevé parfoissupérieur à 40, à 60 GHz. A partir de l’étude du champ électromagnétique dans la structure, unmodèle électrique a été développé. C’est le premier modèle dans la littérature prenant en compteles pertes dans ce type de guide d’onde. Plusieurs dispositifs passifs intégrés réalisés avec deslignes S-CPW dans différentes technologies CMOS ont été caractérisés jusqu’à 110GHz. Lacompacité et les faibles pertes d’insertion obtenues pour la mesure de filtres à stubs et dediviseurs de puissance permettent de réussir l’intégration de circuits passifs compacts entechnologie microélectronique CMOS standard aux fréquences millimétriques. / This work focuses on high-performance S-CPW (Shielded CoPlanar Waveguide) transmissionlines in classical CMOS integrated technologies for the millimeter-wave frequency band.Thanks to an important slow-wave phenomenon, the physical length of S-CPW decreases by afactor from 1.3 to 3.2 compared with classical transmission lines. Presenting also lowattenuation loss, the developed transmission lines show very high quality factor (higher than 40at 60 GHz). The precise study of the electromagnetism field leads to an electrical model forS-CPWs. This is the first model that takes the losses in this topology into account. Then, somebasic passive circuits designed with S-CPWs and characterized up to 110 GHz are presented invarious CMOS technologies. The low insertion losses and relative low surfaces of a powerdivider and a passband filter show the great interest of S-CPW to integrate compact passivecircuits in classical CMOS technologies at millimeter-wave frequencies.