Les travaux de cette thèse portent sur le développement (modélisation, conception, réalisation et tests) d’une surface intelligente (smart surface) composée d’un réseau d'actionneurs numériques MEMS, capables de mouvoir des charges posées dessus. Pour la réalisation de ces smart-surfaces, deux voies ont été explorées : un actionnement par voie électromagnétique, constituée d’aimants fixes et mobiles, et un actionnement utilisant des éléments bistables couplés à des alliages à mémoire de forme. Dans le premier cas, la simulation de l’interaction magnétique entre un micro-actionneur et le champ créé par des pistes conductrices placées à proximité a été réalisée. Un réseau de 5x5 micro-actionneurs électromagnétiques quadristables a été ensuite conçu, réalisé et caractérisé. Ce démonstrateur est fonctionnel en convoyage d’objets légers en translation et en rotation. Dans le second cas, la conception et la réalisation d’un actionneur MEMS élémentaire ont été menées : des modèles analytiques ont été confrontés aux résultats obtenus par éléments finis, et enfin comparés aux résultats expérimentaux. Ces travaux ciblent la problématique de la commande des systèmes mécatroniques, à actionneurs multiples, aux échelles méso ou microscopique. La connectique associée est un problème récurrent dans les systèmes fortement miniaturisés, les structures présentées ici présentent un fort potentiel de réduction des connexions filaires, voire leur élimination complète. / The work of this doctoral thesis involves in developing a smart surface (including modelling, design, fabrication and tests), composed of an array of MEMS digital actuators, capable of moving objects placed on it. In order to produce these smart surfaces, two actuation types were explored: electromagnetic actuation on fixed and mobile magnets and optothermal actuation of shape memory alloys on bistable elements. In the first case, simulation of the magnetic interaction between a micro-actuator and the magnetic field generated by nearby current wires was performed. Then, an array of 5x5 quadristable electromagnetic micro-actuators was designed, produced and characterized. This demo prototype is functional for small-weight object conveyance by translation and rotation. In the second case, design and fabrication of an elementary MEMS actuator were carried out: analytical models were confronted with the results from Finite Element Analysis, and at last compared to experimental ones. This work targets at the issue of controlling multiple-actuator mechatronics systems, at meso- or micrometric scale. Since the associated connectors are a recurring problem in highly miniaturized systems, the structures presented herein demonstrate important potential of cabling reduction, even towards complete wireless configurations.

L’utilisation des technologies MEMS dans la navigation aéronautique présente deux difficultés majeures.D’une part, le bon fonctionnement des appareils de mesure de l’aviation civile requiert l’anticipation des défaillances susceptibles de se produire durant des décennies. D’autre part, le remplacement des capteurs macroscopiques traditionnels par des cellules MEMS ne peut se faire qu’à niveau de performances équivalent. Vis-à-vis de ces deux enjeux de fiabilité et de performance, le comportement fortement non-linéaire des résonateurs MEMS est souvent considéré comme un frein voire une limite infranchissable aux progrès technologiques.Cependant, l’exploitation de ces phénomènes non-linéaires constitue en réalité une source extrêmement riche d’améliorations. Au prix d’une complexité mathématique accrue et d’efforts de conception spécifiques, la modélisation précise des phénomènes non-linéaires affectant le comportement des MEMS donne accès à des informations précieuses, aussi bien pour la détection de défaillances que pour l’amélioration des performances.Dans cette thèse, on développe une procédure de caractérisation linéaire et non-linéaire de cellules MEMS résonantes. Après avoir démontré l’intérêt et vérifié expérimentalement la précision d’une telle caractérisation, on montre comment la connaissance des caractéristiques non-linéaires permet de déterminer des points de fonctionnement optimaux en termes de stabilité fréquentielle des capteurs oscillants, et donc de précision et de justesse des mesures. / The use of MEMS technologies in navigation measurements faces two main challenges.On the one hand, reliability improvement requires a deep understanding of MEMS failure mechanisms. These components are meant for long-term use and are subject to harsh mechanical and thermal constraints during their expected lifetime, usually longer than a decade. On the other hand, the replacement of macroscopic navigation sensors by MEMS components remains impossible as long as the performances of MEMS sensors do not match those of their macroscopic equivalents. With respect to these two challenges, the nonlinear behavior of MEMS resonators is usually seen as an obstacle, if not an insurmountable barrier to technological progress.However, nonlinear phenomena are actually a rich source of potential improvements. At the cost of increased mathematical complexity and specific design efforts, a precise model of MEMS nonlinear behaviors gives access to valuable information about the internal structure of the device. This information may then be used for failure detection and performance optimization.In this thesis, a linear and nonlinear characterization method is developed and experimentally-demonstrated. The knowledge of such nonlinear characteristics allows the determination of optimal operating points in terms of frequency stability and, hence, measurement accuracy.

L’utilisation de micromembranes suspendues chauffées par effet Joule comme source de rayonnement infrarouge est une piste prometteuse pour la réalisation de détecteurs de gaz compacts, basse consommation et à bas coût. Afin d’améliorer l’efficacité de ces dispositifs récemment introduits, il est nécessaire d’optimiser ceux-ci à la fois du point de vue optique et thermique.En ajoutant des résonateurs plasmoniques frustrés sur les membranes, il est possible de modifier l’émissivité de ces dernières, afin de contrôler spectralement et angulairement le rayonnement émis. De cette façon, la puissance utile est augmentée, tandis que la consommation électrique diminue. D’autre part, l’étude en profondeur des rôles des différents canaux thermiques conduit à relier rayon de la membrane, temps de chauffe et énergie disponible par mesure et de définir un régime optimal de fonctionnement dynamique.Finalement les membranes sont fabriquées en salle blanche et caractérisées électriquement, optiquement et mécaniquement afin d’estimer les gains en performances. La réalisation d’un prototype de capteur de CO2 à 4,26 µm à partir de ces sources indique des précisions de l’ordre de la vingtaine de ppm pour une consommation d’un milliwatt, en compétition favorable avec l’état de l’art mondial dans ce domaine. / Joule-heated suspended microhotplates can be used as infrared sources in cheap, low-consumption spectroscopic gas sensors. To enhance the very low efficiency of first generation structures, both their thermal and optical designs have to be optimized.The implementation of frustrated plasmonic resonators on top of the membrane grants both spectral and angular control of its emissivity. It is thus possible to make it radiate only at the frequencies absorbed by the gas under study, and in the solid angle of the detector. This leads to an increase in useful radiated power while the overall electrical consumption is decreased. Dynamical studies of membrane heating provide welcome insight on the relationship between membrane radius, heating time and energy consumption per measurement. The existence of a compromise is demonstrated in order to maximize the radiative efficiency, and its physical interpretation is detailed.Eventually, membranes fabricated in LETI’s clean room were characterized to measure their electrical, optical and mechanical properties. The implementation of such sources in a CO2 prototype sensor led to state-of-the-art results, with a few dozen ppm sensitivity with a power consumption of only one milliwatt.

Les microcommutateurs MEMS ohmiques comportent un contact électrique sous très faible force, très sensible à des paramètres difficiles à maîtriser. Ce contact a été l'objet d'une méthode de modélisation développée précédemment au LAAS-CNRS, dont le principe consiste à effectuer une simulation par éléments finis du contact mécanique avec les données AFM puis évaluer analytiquement la résistance électrique. Cette thèse a pour objectif d'évaluer les possibilités d'extension de cette méthode à des simulations multiphysiques.La thèse comporte une partie dédiée à la validation de la simulation mécanique par éléments finis par rapport à des résultats expérimentaux obtenus précédemment.Des simulations multiphysiques sont alors réalisées et les résultats en termes de résistance électrique sont comparés avec des résultats expérimentaux. On observe une très forte sous estimationde la résistance électrique, et donc des élévations de température. Ce constat est attribué à la présence de films isolants en surface d'une au moins des surfaces de contact.Enfin, des modèles qui incluent un film isolant sont développés avec une géométrie simplifiée d'aspérité. Les modèles les plus intéressants incluent des "nanospots": le film isolant est parsemé de zones conductrices, de très faibles dimensions. Les résultats permettent de cerner les caractéristiques typiques possibles de la géométrie dans cette configuration. / MEMS ohmic microswitches include very low force electrical contacts. These are very sensitive to parameters which reveal difficult to control. A previously developed modelization method consists in computing mechanical contact using finite elements, then estimating electrical resistance using analytical expressions. Here we focus on the possibilities of multiphysical finite element computations instead.Validation of the contact mechanical computation is first attempted, based on experimental results of previous works. Multiphysical contact computations are carried out. Resulting electrical contact resistance isfound to be much lower than experimental results. The presence of insulating surface films is supposedly the cause for that. Eventually, a simplified geometry for asperities is used to build models with insulating films.The most relevant models feature “nanospots”: some very small conductive areas are scattered on the contact area. The results allow us to determine some possible geometry configurations that could lead to contact resistance values such as those measured on real devices.

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.

Detta examensarbete syftar till att hitta ett MEMS-gyroskop till W2000, en rengöringsrobot som finns hos Weda AB. Gyroskopet ska användas för att korrigera rengöringsrobotens kurs när den avviker från sin bestämda rutt. I dagsläget har inte W2000 någon sensor för att kunna rätta till sig. För att hitta det lämpligaste för rengöringsroboten så undersöktes ett antal MEMS-gyroskop genom att samla information och fakta samt kontakta olika företag för vägledning med vårt problem. Det MEMS-gyroskop som hittades och implementerades i W2000 var OMNI LPMS-CU2. Gyroskopet valdes på grund av att den hade samma utgångstyp och kommunikationsspråk som PLC:n som var inbyggd i W2000. Ett test utfördes för att se om det implementerade gyroskopet kunde kurskorrigera när den vreds från programmerade väg. Det blev ett lyckat resultat av testandet, W2000 kunde justera sig när den avvek. Examensarbetet föreslår rekommendationer och förbättringar för vidare arbete med det här projektet. Anledningen är att trots att det var ett tillfredställande resultat så var det bara det första steget för att göra W2000 optimal för att kunna använda gyroskopet och dess funktioner till fullo. Det måste göras ett antal mer tester och undersökningar på W2000 för att kunna implementera MEMS-gyroskopet i helhet. / The thesis work aims to find a MEMS gyroscope for the W2000, a cleaning robot available at Weda AB. The gyroscope will be used to correct the course of the cleaning robot when it deviates from its specified route. Currently the W2000 does not have a sensor to adjust. To find the most suitable gyroscope for the cleaning robot, several MEMS gyroscopes were examined by gathering information and contacting various companies for guidance with our situation. The MEMS gyroscope which was found and implemented in W2000 was OMNI LPMS-CU2. The gyroscope was chosen because it had the same output type and communication protocol as the PLC built into the W2000. A test was performed to see if the implemented gyroscope could correct the course as it was turned from programmed path. The result of testing was successful which shows that the W2000 was able to adjust when it deviated. The degree project proposes recommendations and improvements for further work on this project. Although it was a satisfying result, it was only the first step in making it functional. Several tests and investigations must be done on the W2000 in order to implement the MEMS gyroscope as a whole.to insert text

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A low-cost, low-temperature packaging concept is proposed for localized sealing and control of the ambient of a device cavity appropriate for Radio-Frequency (RF) Micro- Electro-Mechanical (MEMS) devices, such as resonators and switches. These devices require application specific packaging to facilitate their integration, provide protection from the environment, and control interactions with other circuitry. In order to integrate these devices into standard integrated circuit (IC) process flows and minimize damage due to post-fabrication steps, packaging is performed at the wafer level. In this work Indium and Silver are used to seal a monolithic localized hermetic pack- age. The cavity protecting the device is formed using standard lithography-based processing techniques. Metal walls are built up from the substrate and encapsulated by a glass or silicon lid to create a monolithic micro-hermetic package surrounding a predefined RF microsystem. The bond for the seal is then formed by rapid alloying of Indium and Silver using a temperature greater than that of the melting point of Indium. This ensures that the seal formed can subsequently function at temperatures higher than the melting temperature of pure Indium. This method offers a low-temperature bonding technique with thermal robustness suitable for wafer-level process integration. The ultimate goal is to create a seal in a vacuum environment. In this dissertation, design trade-offs made in wafer-level packaging are explained using thermo-mechanical stress and electrical performance simulations. Prototype passive microwave circuits are packaged using the developed packaging process and the performance of the fabricated circuits before and after packaging is analyzed. The effect of the package on coplanar waveguide structures are characterized by measuring scattering parameters and models are developed as a design tool for wafer-level package integration. The small scale of the localized package is expected to provide greater reliability over conventional full chip packages. / Ph. D.

This dissertation presents the design, fabrication, and characterization of low-voltage capacitive RF MEMS switches. Although, RF MEMS switches have shown superior performance as compared to the existing solid-state semiconductor switches and are viable alternate to the present and the future communication systems, not been able to match the commercial standards due to their poor reliability. Dielectric charging due high actuation is one of the major concerns that limit the reliability of these switches. Hence, the focus of this thesis is on the development of low actuation voltage RF MEMS switches without compromising much on their RF and dynamic performances i.e., low insertion loss and high isolation. Four different switch topologies are studied and discussed. Electromechanical and electromagnetic modelling is presented to study the effect of various components that comprise a MEMS switch on the transient and the RF behaviour. The analytical expressions for switching and release times are established in order to estimate the switching and release times. An in-house developed surface micromachining process is adapted for the micro fabrication. This process eliminates the need for an extra mask used for the anchors and restricts the overall process to four-masks only. These switches are fabricated on 500 µm thick glass substrate. A 0.5 µm thick gold film is used as the structural material. For the final release of the switch, chemical wet etching technique is employed. The fabricated MEMS switches are characterized mechanically and electrically by measuring mechanical resonant frequency, quality factor, pull-in, and pull-up voltages. Since, low actuation voltage switches have slow response time. One of the key objectives of this thesis is to realize switches with fast response time at low actuation voltage. Measurements are performed to estimate the switching and release times. The measured Q-factors of switches are found to be in between 1.1 -1.4 which is the recommended value for Q in MEMS switches for a suppressed oscillation after the release. Furthermore, the effect of hole size on the switching dynamics is addressed. RF measurements are carried out to measure the S-parameters in order to quantify the RF performance. The measured results demonstrate that these switches need low actuation voltage in range of 4.5 V to 8.5 V for the actuation. The measured insertion loss less than -0.8 dB and isolation better than 30 dB up to 40 GHz is reported. In addition, the robustness of realized switches is tested using in-house developed Lab View-based automated measurement test set-up. The reliability test analysis shows no degradation in the RF performance even after 10 millions of switching cycles. Overall yield of 70 -80% is estimated in the present work. Finally, the experimentally measured results presented in this work prove the successful development of low actuation voltage capacitive RF MEMS switches and also offers that even with 0.5 µm thick gold film better reliability for MEMS switches can be achieved.

Current day VLSI systems have started seeing increasing percentages of multiple energy domain components being integrated into the mainstream. Energy domains such as mechanical, optical, fluidic etc. have become all pervasive into VLSI systems and such systems are being manufactured routinely. The framework required to design such an integrated system with diverse energy domains needs to be evolved as a part of conventional VLSI design methodology. This is because manufacturing and design of these integrated energy domains although based on semiconductor processing, is still very ad-hoc, with each device requiring its dedicated design tools and process integration. In this thesis three different approaches in different energy domains, have been pro-posed. These three domains include modelling & simulation, synthesis & compilation and formal verification. Three different scenarios have been considered and it is shown that these tasks can be co-performed along with conventional VLSI circuits and systems. In the first approach a micro-mechanical beam bending case is presented. A thermal heat ow causing the beam to bend through thermal stress is analyzed for change in capacitance under a single analysis and modelling framework. This involves a seamless analysis through thermal, mechanical and electrical energy domains. The second part of the thesis explores synthesis and compilation paradigms. The concept of a Gyro-compiler analogous to a memory compiler is proposed, which primarily generates soft IP models for various gyro topologies. The final part of this thesis deals in showcasing a working prototype of a formal verification framework for MEMS based hybrid systems. The MEMS verification domain today is largely limited to simulation based verification. Many techniques have been proposed for formal verification of hybrid systems. Some of these methods have been extended to demonstrate, how MEMS based hybrid systems can be formally verified through ex-tensions of conventional formal verification methods. An adaptive cruise control (ACC) system with a gyro based speed sensor has been analyzed and formally verified for various specifications of this system.