Le résonateur étudié s'insère dans un projet industriel porté par NXP Semiconductors. L'objectif est la réalisation d'un résonateur MEMS RF intégrable en vue de remplacer le quartz dans certaines applications. La compatibilité du procédé de fabrication avec les technologies utilisées par la société et le faible coût de production représentent les principaux enjeux du projet. Le résonateur TFEAR (Thin Film Elongation Acoustic Resonator) est un barreau, constitué d'une superposition de couches minces de type Métal/AlN/Métal. Les propriétés piézoélectriques du nitrure d'aluminium (AlN) sont ainsi exploitées : l'application d'un champ électrique alternatif, parallèle à l'épaisseur du barreau, entraîne une propagation d'ondes acoustiques suivant sa longueur. Les dimensions des résonateurs fabriqués correspondent à des fréquences de résonance comprises entre 10MHz et 50MHz. Cette thèse s'intéresse la modélisation et à la caractérisation électrique du résonateur TFEAR. Les modèles théoriques sont développés par simulations numériques 3D et par calculs analytiques 1D. Le comportement électrique du TFEAR est décrit par un schéma équivalent, dont les éléments sont exprimés en fonction des paramètres physiques et des pertes des matériaux le constituant. Un facteur de qualité de 2250 sur un TFEAR résonant à 25,79MHz et dont la résistance motionnelle est de 2,1 kOhms a été relevé. Ces mesures ont été complétées par la caractérisation des paramètres physiques de la couche piézoélectrique. Par exemple, des valeurs de coefficient piézoélectrique d33f atteignant 2,6 pm/V ont été relevées (pour un maximum théorique de 3,93 pm/V) / The studied resonator is part of an industrial project carried by NXP Semiconductors. The objective is the realization of a integrable RF MEMS resonator in order to replace quartz in some applications. The compatibility of the manufacturing process with the technologies used by the company and low cost production represent the main challenges of the project. The resonator TFEAR (Thin Film Elongation Acoustic Resonator) is a bar, consisting of a superposition of thin film type Metal/AlN/metal. The piezoelectric properties of aluminum nitride (AlN) are exploited : the application of an alternating electric field, parallel to the thickness of the bar, resulting in propagation of acoustic waves along its length. The sizes of the manufactured resonators correspond to resonant frequencies between 10MHz to 50 MHz. This thesis focuses on modeling and electrical characterization of the TFEAR resonator. The models are developed by 3D numerical simulations and by 1D analytical calculations. The electrical behavior of TFEAR is described by an equivalent circuit which elements are expressed in terms of physical parameters and losses of the constituent materials. A quality factor of 2250 on a 25.79MHz resonant TFEAR which motional resistance is 2.1 kOhms has been noticed. These measurements were completed by the characterization of the physical parameters of the piezoelectric layer. For example, piezoelectric coefficient d33;f values were recorded up to 2.6 pm/V (for a theoretical maximum of 3.93pm/V)

L'émergence de nouveaux systèmes de radar et de télécommunication nécessite des antennes adaptables en temps réel. Les antennes reconfigurables permettent de répondre à ce besoin par le biais d'une reconfiguration en fréquence, en polarisation ou en diagramme de rayonnement. En outre, les switchs MEMS sont des composants particulièrement attrayants pour reconfigurer une antenne car ils consomment peu et ont de faibles niveaux de pertes. La thèse porte sur l'intégration de MEMS dans une antenne spirale ultra large bande; les objectifs étant : • maitriser l'intégration de MEMS packagés dans une antenne ; • reconfigurer la spirale pour rejeter les fréquences en dehors de la bande utile ; • réaliser des prototypes et effectuer des validations expérimentales. Le mécanisme de rayonnement d'une spirale a été étudié pour identifier les possibilités de reconfiguration de l'élément rayonant. L'une d'elles a été étudiée et mise en œuvre en ajoutant des éléments au cœur de l'antenne spirale. Des antennes spirales avec et sans mécanismes de reconfiguration ont été réalisées et testées. L'antenne de base (sans résonateurs) présente des caractéristiques particulièrement intéressantes : fonctionnement sur la bande 4-20 GHz, gain relativement important de 5 à 9 dBi, et une faible épaisseur de 3.5 mm. La réjection obtenue en simulation s'est avérée difficile à prouver expérimentalement du fait des difficultés d'intégration de MEMS packagés sur l' antenne. / The evolution of radar and telecommunication systems needs antennas, which are able to adapt their performances in real time. Reconfigurable antennas can provides such characteristics through a reconfiguration of the frequency of operation, the polarisation or the radiation patterns. Besides, MEMS switches present attractive assets for reconfiguring a radiating element as they consume low power and have low losses. The thesis is about the integration of MEMS within an ultra wide band spiral antenna. The objectives of the thesis are: • To master the integration of packaged MEMS in an antenna • To reconfigure the spiral antenna for the achievement of a band rejection • To manufacture some prototypes and carry out experimental validations The radiation property of the spiral antenna has been studied. A reconfiguration of the spiral, which consists of inserting added elements within the radiating structure, has been investigated and applied. Spiral antennas with and without the reconfiguration mechanism have been manufatured and tested. The basic spiral antenna (without the reconfiguration mechanism) presents interesting properties: ultra wide band characteristics from 4 to 20 GHz, a relatively high gain of 5 to 9 dBi, and a low profile thickness of 3.5 mm. In practice, the achieved rejection has been difficult to prove due to the difficulties related to the integration of the packaged MEMS.

La navigation par système inertiel strapdown est aujourd’hui la plus répandue. L’architecture est bien connue et a été très largement améliorée au cours des dernières décennies. Néanmoins, le principe fondamental n’a subi de bouleversement et reste constitué d’une triplette d’accéléromètres et de gyromètres permettant de revenir aux informations d’attitude et de cap.La précision de l’estimation de position repose principalement sur la gamme de performance des capteurs utilisés. En particulier, des applications telles que des lanceurs spatiaux requièrent une très haute précision et des capteurs d’une technologie éprouvée sont utilisés. L’arrivée sur le marché de capteurs inertiels MEMS de haute précision ouvre une alternative à coût réduits couplée à une réduction de masse, volume et de consommation. Les moyens de production des MEMS ainsi qu’une meilleure connaissance des propriétés des matériaux ont permis l’arrivée d’accéléromètres MEMS pouvant rivaliser avec les technologies éprouvées de gamme tactique. Toutefois, les gyromètres de technologie MEMS existantes restent dans une gamme de performance de type industrielle.La présente étude vise à analyser la possibilité d’utiliser des accéléromètres de haute précision pour améliorer les performances gyrométriques, dans l’objectif de réaliser une solution tout MEMS d’unité de mesure inertielle. Une brève introduction sur les techniques de filtrage de Kalman pour la fusion de données est présentée, ainsi que son implémentation pour notre étude. L’analyse théorique se poursuit avec une présentation des résultats expérimentaux.L’étude conclut que l’utilisation d’une paire d’accéléromètres de haute performance et d’un gyroscope de type consommateur permet d’atteindre les performances d’un gyromètre tactique. Les contraintes de définition et de mesure pour l’implémentation du système sont présentées en détail.Cette étude est menée pour la mesure angulaire autour d’un axe unique de rotation, un complément d’étude est nécessaire à l’extrapolation de cette approche pour une mesure générique en 3D. / Strapdown inertial navigation units are the most popular systems used for navigation. The system architecture is well established and has been extensively improved over the past decades. However, the core idea remains same where a triad of accelerometers and gyroscopes provide the attitude and heading information.The accuracy of the position estimate depends on the performance grade of the sensors employed. For applications like space launchers requiring very high accuracy, high-grade devices using traditional technologies are used. The advent of accurate MEMS based sensors offer an exciting low-cost alternative with expected reduction in size and power consumption. MEMS fabrication technology, assisted by improved understanding of material properties have led to accelerometers that can compete with traditional devices for tactical applications. However, the MEMS based solutions currently available for gyroscopes can replace only industrial grade applications.This study attempts to investigate if the currently available high-grade accelerometers can be used to improve the gyroscope performance, towards the final goal of a complete MEMS based solution for inertial navigation units. The study begins with a literature review of current status of technology. A brief explanation of linear Kalman filtering technique for data fusion is presented, along with its implementation concerning this work. The theoretical discussion is then followed by presentation of experimental results.The study found that using a pair of high-grade accelerometers, a consumer grade gyroscope can have its performance upgraded for tactical applications. The design and sensing constraints for realizing this system are discussed in detail.Since this research work primarily concerns with angular rate estimation around a single axis of rotation, further research is recommended for extrapolating this approach for a more general 3-D sensing case.

La localisation précise d’un train sur la voie ferrée est une information vitale pour la gestion du trafic et la sécurité des passagers. Le système européen de contrôle des trains (ETCS) embarque ainsi un accéléromètre mono axe mesurant l’accélération longitudinale du train. Ce capteur est l’un des nombreux capteurs présents à bord permettant une odométrie précise. Cependant, sa mesure est faussée par la projection de la gravité sur l’axe sensible en fonction de l’inclinaison de la voie. L’objectif de ce mémoire est donc d’augmenter l’intérêt de ce capteur en développant une solution basée sur une centrale inertielle complète dans le but de fournir une accélération longitudinale fiable. Pour cela, un estimateur d’état a été développé à partir d’un filtre de Kalman étendu et de la prise en compte de contraintes sur le vecteur d’état. L’utilisation d’une équation de réactualisation du gain de Kalman force ainsi l’estimation d’état à évoluer dans un espace contraint. De plus, le vecteur d’observation du système a été augmenté par les informations fournies par un estimateur de vitesse et un estimateur d’attitude du train. L’estimateur de vitesse utilise une analyse fréquentielle des mesures accélérométriques et l’estimateur d’attitude exploite la complémentarité fréquentielle des mesures gyrométriques et accélérométriques pour estimer les angles de roulis et de tangage. Ces informations sont ensuite fusionnées avec les mesures de la centrale. Enfin, des expérimentations ont été réalisées en Turquie dans un train et les performances de l’estimateur ont été validées en comparant les résultats obtenus aux données fournies par une centrale de navigation haut de gamme. / The precise location of a train on the rail network is vital information for traffic management and passenger safety. The European Train Control System (ETCS) features a single-axis accelerometer which measures the longitudinal acceleration of the train. This sensor is one of many sensors onboard providing a precise odometry. However, its measurement is corrupted by the projection of the gravity on the sensitive axis as a function of the inclination of the track. The purpose of this work is to increase the value of this sensor by developing a solution based on a complete inertial system in order to provide a reliable longitudinal acceleration. For this, a state estimator was developed based on an extended Kalman filter and the consideration of constraints on the state vector. The use of updating equation of the Kalman gain forces the state estimation to evolve in a constrained space. In addition, the observation vector has been increased with the information provided by a velocity estimator and a train attitude estimator. The velocity estimator uses a frequency analysis of the accelerometer measurements and the attitude estimator operates the frequency complementarity of gyro and accelerometer measurements, to estimate the roll and pitch angles. This information is then merged with the measurements of the IMU. Finally, experiments were carried out in Turkey on a train and the estimator's performance was validated by comparing the results with data from a high-performance inertial navigation system.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sensor térmico de vazão integrado a um microcanal. Todo o ciclo de desenvolvimento é abordado: conceito, modelagem e simulação, fabricação e caracterização. O sensor é composto por um filamento de níquel fabricado sobre uma lâmina de vidro que é soldada a um bloco de polidimetilsiloxano (PDMS) contendo microcanais. A aferição da vazão no interior do microcanal é feita indiretamente através da medida da troca de calor entre o filamento e o fluido. As simulações por elementos finitos mostraram que o sensor apresenta três faixas de operação, sendo que em duas delas (fluxos menores do que 20 L/min ou maiores do que 130 L/min) a resposta elétrica do sensor varia linearmente com a vazão. Diversos sensores foram fabricados seguindo o processo de fabricação proposto e alguns dispositivos foram caracterizados eletricamente, tendo sido levantadas as curvas da tensão elétrica sobre o filamento em função da vazão no microcanal. Os resultados experimentais mostraram que os sensores fabricados são capazes de medir vazões da ordem de dezenas de microlitros por minuto na faixa de operação de menor sensibilidade. Métodos de fabricação alternativos foram propostos com o intuito de aumentar a sensibilidade do sensor, produzindo filamentos auto-sustentados no interior dos microcanais. Foi proposto um modelo para simulação comportamental dos sensores otimizados por elementos concentrados e os resultados preliminares tanto de simulação quanto de fabricação desses sensores foram apresentados. / This project presents the development of a thermal flow sensor integrated into a microchannel. The whole design cycle is discussed: concept, modeling and simulation, fabrication and characterization. The sensor consists of a nickel filament fabricated on a glass substrate which is bonded to a polydimethylsiloxane (PDMS) block containing the microchannels. The flow inside the microchannel is indirectly measured through the heat exchange between the filament and the fluid. Finite methods analysis revealed that the sensor has three operating ranges and in two of them (flows below 20 ìL/min or higher than 130 ìL/min) the electric response of the sensor varies linearly with respect to the flow. Several flow sensors were fabricated according to the fabrication method presented in this project and some of them were characterized electrically. The response of the voltage on the filament as a function of the flow inside the microchannel was obtained. The experimental results demonstrated that the flow sensors could measure flow rates as small as tens of microliters per minute even when working on the less sensitive operating range. Alternative fabrication methods were proposed in order to improve the sensor sensitivity, leaving the filaments self-sustained inside the microchannels. A lumped element model was introduced in order to simulate the behavior of the optimized flow sensors. Some preliminary results of these simulations and of the fabrication processes were presented.

This thesis presents the theory and design of fixed and Radio Frequency (RF) Microelectromechanical Systems (MEMS) -based tunable microwave filters for RF and microwave applications. The methodology for the design of coupled resonator filters is explained in detail and is used to design an end-coupled microstrip filter at 1.5 GHz with inductive loading using a stepped microstrip discontinuity to lower the resonance frequency of the half-wavelength microstrip resonator. The fabricated endcoupled filter shows center frequencies of 1.36 GHz and 1.03 GHz in the unloaded and loaded state respectively, with insertion losses between 1.2-1.5 dB and return loss better than 10 dB in both states. The filter response shows spurious passbands at approximately twice the filter center frequencies. To overcome this problem and improve the upper rejection skirt of the filter, microstrip resonators with tapped input/output coupling and mixed inter-resonator coupling are used to suppress the spurious passband by introducing a transmission zero at spurious resonance frequency. Measurement results for the fabricated tapped-resonator filters show an improvement of the upper rejection skirt due to spurious suppression to a level of -40 dB, with insertion loss of 1.2-1.5 dB for the same center frequencies. The concepts developed from fabrication and measurement of fixed-tuned microstrip filters are used to design an inductively-loaded RF MEMS tunable filter with adjustable spurious suppression implemented using packaged metal-contact switches. The two-pole 5% filter has a tuning range of 17% from 1.06 GHz to 1.23 GHz with an insertion loss of 1.56-2.28 dB and return loss better than 13 dB over the tuning range. The inductive loading mechanism is used to tune the open-ended quarter wavelength stub such that a tunable transmission zero supresses the spurious resonance as the filter center frequency is tuned. The spurious passband response in both states is suppressed below -20 dB. The unloaded quality factor (Q) of the filter varies from 127 to 75 as the filter is tuned. The equivalent circuit model for the series metalcontact packaged RF MEMS switch used in the tunable filter is derived from full-wave electromagnetic simulations and used to predict the effect of MEMS switch parasitics on the overall performance of the tunable filter.

Abstract The development of MEMS industry had been around 27 years, but it grows dramatically in recent years. The developed country, USA, Japan, German, have first mover advantage in MEMS; the economic of Taiwan is less mature than those countries, lack of lot resources also. The positioning and strategy of Taiwan MEMS become more important. MEMS do not only apply electrical but also mechanical character for sensing or manipulating sound, heat, force, magnetism, light, etc to construct sensor and actuator that can react with environment. By using MEMS, we can build up more friendly user interface to conduct more application than IC. Semiconductor chip is so thin and small to derive low transportation cost and low geometry boundary of competition. The cluster effect of Taiwan semiconductor IC industry is so famous to consider MEMS to become important choice for another future Silicon industry due to MEMS can use IC FAB and the talent of engineer and management. We can acquire more Taiwan competence by taking good position in MEMS through extending IC cluster effect and proper positioning and strategy. This paper wants to understand the trajectory and competence of USA, Japan, German through analysis with five forces, diamond model. Apply SWOT to find out positioning of Taiwan MEMS in the future 10 years; then propose the possible way to quickly, firmly develop Taiwan MEMS industry by apply diamond model, management route, dynamic strategy. Keyword: MEMS, MEMS industry, industry development, SWOT, diamond model, industry structure

In this work, MEMS based fabrication is used to engineer multifaceted enhancements to microfluidic systems such as lab-on-a-chip devices. Two specific elements of microfluidic systems are the focus of this study: microfluidic chambers and microneedles. Microfluidic chambers, which are back-end passive elements, via proposed material and structural modifications, are shown to exhibit reduced non-specific DNA binding and enable increased cell lysis efficiency. Microneedles, which are front-end interfacing elements, have been fabricated in silicon and in silicon dioxide varieties. The geometry of silicon microneedles has been varied via DRIE processing to yield sharpened tips. Sharpening of microneedle tips provides reduced skin insertion force without compromising structural strength. Variation of skin insertion force of microneedles with change in tip sharpness has been studied, and toughness of human skin derived to be approximately 26 kJ/m². The axial and shear fracture limits of the microneedles have also been studied. Axial fracture of 36 gauge silicon needles takes place at an average force of 740gf. Shear fracture force of silicon needles varies from 275gf (33 gauge needles) to 35.6gf (36 gauge needles). Fracture limits of circular and square shaped silicon dioxide needles show reduced strength of square needles; which is pronounced in the case of shear fracture.

Un nombre croissant d’appareils électroniques portatifs et portables entraîne une demande croissante de module d’alimentation électrique durable et localisé de petite taille et de poids, et offrant une puissance de sortie élevée. En tant que choix prometteur pour l’alimentation électrique, les moissonneuses d’énergie cinétiques (REC), qui transforment les vibrations ou les mouvements ambiants en énergie électrique, sont étudiées de manière intensive ces dernières années. Les performances des RECs miniatures disponibles dans la littérature sont généralement limitées par leur taille. Les vibrations ambiantes sont généralement abondantes en basse fréquence, ce qui est également un facteur majeur limitant la puissance de sortie du REC. Afin d’améliorer la puissance de sortie, nous devrions améliorer l’efficacité de la conversion d’énergie, qui est liée au principe de transduction. Ce travail présente l’amélioration de la puissance de sortie des RECs électrostatiques basse fréquence grâce à un mécanisme de conversion de fréquence mécanique couplé par impact, et propose un modèle numérique prédictif du prototype qui prend en compte l’effet d’amortissement de l’air et les impacts dans le prototype. Un prototype est proposé avec une géométrie améliorée du module capacitif réduisant la force d’amortissement de l’air. Des approches alternatives pour ajuster les RECs à des applications variées sont proposées, y compris un REC entièrement flexible conçue pour l’électronique portable, et un REC à basse fréquence 2-D sensible aux vibrations suivant deux directions orthogonales. De plus, un système d’étiquette RFID entièrement autonome en énergie mettant en œuvre le REC à basse fréquence en tant que module d’alimentation électrique et un module de communication RFID semi-passif est présenté / A growing number of portable and wearable electronics results in an increasing demand of sustainable and localized power supply module of small size and weight, and offering high output power. As a promising choice for the power supply, Kinetic energy harvesters (KEHs), transforming the ambient vibrations or motions into electrical energy, are studied intensively in recent yeas. The performance of the miniature KEHs available in literature are generaly confined by their sized. The ambient vibrations are usually abundant in low frequency, which is also a major factor restricting the output power of the KEH. In order to enhance the power output, we should improve the energy conversion efficiency, which is related to the transduction principle. This work presents the improvement of the output power of low frequency electrostatic KEHs through impact-coupled mechanical frequency up conversion mechanism, and proposes a predictive numerical model of the prototype which considers the squeeze film air damping effect and the impacts in the prototype. A prototype is proposed with improved geometry of capacitive module reducing the air damping force. Alternative approaches to adjust the KEHs to varied applications are proposed, including a fully flexible KEH designed for wearable electronics, and a 2-D low frequency KEH that is sensible to vibrations along two orthogonal directions. In addition, a fully energy-autonomous RFID tag system implementing the low frequency KEH as the power supply module and a semi-passive RFID communication module is presented

Au cours de ces dernières années, les progrès technologiques dans le domaine dumicro-usinage sur silicium ont permis le développement de Micro/Nano SystèmesÉlectro Mécaniques (M/NEMS) pour réaliser des capteurs ou des actionneurs.Dans le domaine des NEMS, dont les dimensions sont par définition submicroniques,les propriétés obtenues permettent de viser des applications en analyse biochimiqueou biomédicale. Il a été démontré que ces nano capteurs de masse (ou de force)atteignent des résolutions de l’ordre du zeptogramme (10−21 g) ou du picoNewtonce qui permet d’envisager des diagnostics précoces de certains cancers.Tous ces systèmes utilisent `a l’heure actuelle des moyens d’actionnement et dedétection électriques: de nombreuses équipes ont néanmoins démontré que la photoniqueactionne et détecte des mouvements de très faibles amplitudes, de l’ordredu femtomètre. Cette technologie hybride, circuit photonique associé au M/NEMS,offre potentiellement un gain de performance important par rapport aux moyens detransduction électromécanique.L’objectif de la thèse est le développement de la transduction optomécanique afinde détecter le déplacement de résonateurs NEMS. Un simple modèle analytique estproposé avec le support d’un simulation numérique. Les performances de transductionoptique sont comparées aux caractéristiques de la transduction électrique. Lacomparaison se base sur des critères objectifs (sensibilité, bruit, encombrement) puisde proposer des structures optomécaniques originales. Un banc de caractérisationoptique et mécanique est développé pour la caractérisation des échantillons dans unenvironnement contrôlé. Des mesures sur des composants fabriqués permettent demieux appréhender les contraintes de dimensionnement et, de façon plus général, latransduction optomécanique appliqué aux dispositifs NEMS. / During several last years, technological advances in the field of silicon micromachininghave initiated the industrial growth of Micro/Nano Electro Mechanical Systems(M/NEMS) for fabricating sensors or actuators.In the field of NEMS with sub-micron sizes, the properties allow for targeting applicationsin biomedical or biochemical analyses. It has been demonstrated that thesenano mass (or force) sensors achieve resolutions of the order of zeptogram (10−21 g)or picoNewton, hence allowing early diagnosis of certain cancers.Transduction schemes of these systems are currently based on electrical principles:many teams have nevertheless shown that photonics operates and detects tiny displacementin the order of femtometer. This hybrid technology, photonic circuitassociated with M/NEMS, potentially offers a significant improvement compared toelectrical transduction.The purpose of the thesis consists of developing the optomechanical transductionfor NEMS resonators displacement. A simple analytical model is presented togetherwith a numerical simulation. The performance of optical detection is compared toelectrical detection features. The comparison is based on objective criteria (sensitivity,noise, crowding) for designing original optomechanical structures. A dedicatedbench has been developed for the optical and mechanical characterizations of thesamples placed in a controlled environment. Measurements on fabricated devicesallow a better understanding of the design constrains and, more in general, of theoptomechanical detection applied to NEMS.i