Issus de l'industrie de la microélectronique, les MEMS envahissent progressivement le marché avec des applications dans de nombreux domaines tels que l'aérospatiale, la médecine, l'industrie ou encore le grand public. Une des vocations de ces microstructures est de permettre le déploiement de réseaux de capteurs autonomes. Grâce à la miniaturisation, les systèmes deviennent de moins en moins consommateurs d'énergie et ceci permet de concevoir de nouvelles sources d'énergie basées sur la récupération de l'énergie ambiante (soleil, gradients de température,…). Il est par exemple possible de récupérer l'énergie des vibrations ambiantes à l'aide de systèmes piézoélectriques, électromagnétiques ou encore électrostatiques. Dans ce travail de thèse, nous nous concentrons sur l'étude de structures électrostatiques utilisant les électrets (diélectriques chargés électriquement). / Developed from the microelectronics industry, MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) gradually invade the market with applications in many fields such as aerospace, medicine, industry or the general public. One of the purposes of these microstructures is to allow the deployment of autonomous sensor networks, that is to say a set of structures that can collect information from their environment, process, transmit and interact between them, without any human intervention. How to power these autonomous Microsystems? Use batteries… Unfortunately, the major flaw of batteries is their lifetimes, since it will be necessary to replace or to refill them after some months or some years. Actually, thanks to miniaturization, microsystems consume less and less energy, giving them the opportunity to harvest energy from their surrounding environment (sunlight, temperature gradients…). It is also possible to harvest energy directly from ambient vibration using piezoelectric, electromagnetic or electrostatic devices. In this mid-thesis work, we focus on the study of electrostatic structures using electret (electrically charged dielectrics). From the study of electrets to the fabrication and the optimization of electrostatic energy harvesters, we expose in this report, the results we obtained during this thesis.

Des MEMS supraconducteurs ont été développés par l’IRAM pour des besoins instrumentaux dans les récepteurs hétérodyne large bande en millimétrique. Dans ce mémoire, la caractérisation de ces MEMS capacitifs par des mesures profilométriques, vibrométriques, aux rayons X , électriques et thermiques est présentée. Ils ont en outre été modélisés avec un modèle analytique électromécanique simple. Ce modèle est complété par un schéma équivalent haute fréquence semi-distribué facilement implantable dans le simulateur multiphysique COMSOL pour prendre en compte la supraconductivité. Ce travail a permis de déterminer quelles géométries de ces MEMS sont satisfaisantes pour une utilisation dans les récepteurs hétérodyne large bande en hyperfréquence. / Superconducting MEMS were developed by IRAM for millimetre wave heterodyne receivers improvements. In this report, the characterization of these capacitive MEMS is presented (profilometry, vibrometry, X rays, electric and thermal). They were described with a simple analytical electromechanical model which can be easily implemented with an equivalent high frequency circuit in the COMSOL multiphysic software to take into account the superconductivity. This work answers to the question of what are the MEMS geometries well suited for broadband heterodyne receivers requirements.

Cette thèse s'inscrit dans la continuité des études menées pour améliorer la fiabilité des relais MEMS ohmiques et comprendre les mécanismes de dégradation se produisant au niveau du contact électrique aux échelles micro et sub-micrométriques. Les deux premiers chapitres de ce manuscrit permettent d'établir l'état de l'art du domaine et de décrire les différentes techniques expérimentales utilisées afin de caractériser les mécanismes physiques se produisant lors de l'ouverture et la fermeture d'un relais MEMS sous courant. Le troisième chapitre étudie qualitativement et quantitativement le transfert de matière aux distances sub-micrométriques. L'utilisation d'un microscope à force atomique (AFM) permet d'identifier les paramètres clés, notamment la tension de contact à l'état ouvert et la vitesse de commutation. L'origine de ce transfert de matière est attribuée à des émissions de courant se produisant dans les derniers nanomètres avant la fermeture du contact. Un plasma métallique est également observé et caractérisé pendant les phases de commutations. Ces observations conduisent à l'élaboration d'un scénario permettant d'expliquer le transfert de matière à ces dimensions. Le quatrième chapitre se consacre en première partie à l'étude des rebonds lors de la fermeture du contact. On montre que des rebonds peuvent apparaître quelques µs après la fermeture du contact au cours des cycles. Ceux-ci semblent être des indicateurs de la fin de vie du composant. D'autres rebonds, liés aux forces électrostatiques de contact, sont également mis en évidence lors de fermetures à faibles vitesses (qq nm/s). L'importance de ces forces est néanmoins du second ordre et ces derniers rebonds n'interviennent pas directement dans la phase de fermeture d'un relais MEMS. L'étude de la quantification de la résistance de contact lors de l'ouverture du contact constitue la deuxième partie de ce dernier chapitre. La nature quantique de ce phénomène est mise en évidence dans deux dispositifs : un interrupteur MEMS et à l'aide d'un AFM. Il est notamment montré que ce phénomène est seulement observable pour des courants inférieurs à 100µA. Finalement, l'ensemble de ces travaux mènent à différentes recommandations, détaillées en conclusion, nécessaires pour assurer le bon fonctionnement des relais MEMS. / This thesis aims to improve the reliability of ohmic MEMS switches and focuses on the degradation mechanisms of the electrical contact at the micro and nano-scales. The two first chapters of the manuscript provide a state-of–the-art of MEMS switches and describe the different experimental techniques used to characterize the physical phenomena involved in the opening and closure of a MEMS switch under current (“hot switching actuation”). The third chapter studies qualitatively and quantitatively the material transfer at sub micrometer scale. An Atomic Force Microscope (AFM) is used to identify the main parameters involved in this phenomenon such as the opening contact voltage and the closing velocity. The origin of the material transfer is attributed to field emission in the last tens of nanometers before the contact closure. A metallic plasma is also observed and characterized during switching operations. According to the different observations, a scenario is suggested to explain material transfer at such small dimensions. The fourth chapter deals with dynamic observation during switching operations. First, bounces can be detected after a few millions of operations, they usually appear a few µs just after the first contact. Such bounces seem to be an early indicator of the lifetime of those devices. Other types of bounces related to the electrostatic contact force can be observed at very low closing velocity (a few nm/s). Nevertheless in a MEMS switch the closing and opening velocity is high enough to avoid such bounces. The second part of this chapter investigates the contact conductance quantization during the opening phase of a contact. We show that this phenomenon can be observed in a MEMS switch and with an AFM when the current is lower than 100µA. As a conclusion, several recommendations are provided to improve the reliability of MEMS switches.

Este trabalho, desenvolvido junto ao Grupo de Novos Materiais e Dispositivos (GNMD) pertencente ao Laboratório de Microeletrônica (LME) da Universidade de São Paulo, apresenta a modelagem de um defasador passivo miniaturizado com baixas perdas para aplicações em ondas milimétricas (mmW-milimeter waves). Este defasador é baseado em um conceito inovador utilizando sistemas micro-eletromecânicos (MEMS) distribuídos e linhas de transmissão coplanares de ondas lentas. Este conceito é proposto no projeto Jovem Pesquisador FAPESP (Processo no. 2011/18167-3), ao qual este projeto está vinculado. A defasagem neste tipo de dispositivo é conseguida pela liberação das fitas da camada de blindagem de uma linha de transmissão tipo S-CPW (Shielded-Coplanar Waveguide). As fitas liberadas podem ser movimentadas eletrostaticamente, o que praticamente não consome energia. Este projeto pretende projetar um defasador para fabricação com a tecnologia do Laboratório de Microeletrônica da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Adicionalmente, este trabalho apresenta resultados experimentais de um processo de fabricação IN-HOUSE baseado na metodologia de integração por flip-chip. A tecnologia de integração implementada é baseada na soldagem de um chip sobre um substrato, no qual são construídos uma nova geração de pilares de cobre finos, cujo espaçamento entre pilares é menor que 100 ?m. Essa redução nas dimensões pode ser usada com a nova geração de dispositivos de comunicações na faixa das mmW. Em termos de fabricação, foram obtidos pilares de cobre altamente miniaturizados com uma altura significativa e uniforme que permite a integração com o chip. Além do mais, os resultados obtidos representam avanços significativos no processo de fabricação que será usado como tecnologia de integração híbrida em um interposer baseado em substrato de alumina nanoporosa (MnM-Metallic Nanowire Membrane). Esse interposer desempenha um papel indispensável no GNMD, já que atualmente estão sendo estudadas suas propriedades elétricas e já foram construídos dispositivos sobre o substrato com resultados promissores. / This work, performed at the New Materials and Devices Group (GNMD) of the Microelectronics Laboratory of the Polytechnic School of the University of São Paulo, presents the modeling of a miniaturized passive phase shifter with low losses for applications in millimeter waves. It is based on an innovated concept, which uses distributed MEMS phase shifters and slow-wave coplanar wave guides. Such concept is proposed under the FAPESP Youth Researcher project (Process number 2011/18167-3). The phase shifter on this kind of device is achieved by releasing the shielding layer of the Shielded-Coplanar Waveguide. The released ribbons are electrostatically displaced, which does not consume energy. The aim of this project is to design a phase shifter for fabrication with the technology available at the Microelectronics Laboratory. Additionally, this work presents experimental results of a flip-chip fabrication process. This technology is based on next generation of fine pitch copper pillar bumping, with pillar pitch of less than 100 ?m that support next generation of communication devices at the millimeter wave frequency range. From the fabrication point-of-view, highly miniaturized copper pillars with appropriate thicknesses were obtained. Furthermore, the results obtained represent a significant advance in the fabrication process that will be used as a hybrid integration technology on an interposer based on a nanoporous alumina substrate (MnM-Metallic Nanowire Membrane).

Pas de résumé disponible / No abstract available.

Ces travaux de recherches s’inscrivent dans le cadre d’une amélioration du bilan de liaison des données de télémesures sur les lanceurs spatiaux. Pour cela, un dispositif d’antenne à pointage électronique a été choisi. Celui-ci utilise un réseau de quatre antennes patchs alimentés par un prototype composé d’un diviseur de puissance 1 vers 4 et de quatre déphaseurs. Les états de phases choisis pour chacun des déphaseurs sont 0°, 90° et 180°. Après une étude bibliographique, les meilleurs déphaseurs pouvant assurer cette fonction sont les déphaseurs à base de coupleur hybride. Grâce à l’utilisation de MEMS-RF dans ces circuits, il est n’est pas nécessaire de rajouter des amplificateurs de puissance, car ces composants sont faibles pertes RF et linéaires. Plusieurs topologies de déphaseurs à base de coupleur hybride utilisant ces commutateurs ont été étudiés. D’après cette étude, il a été possible de réduire la taille des circuits sans détériorer les performances RF, ce qui nous a permis d’en choisir deux d’entre eux. Un commande à distance est nécessaire pour ces dispositifs alors une boîte à relais a été choisie pour assurer ce rôle. Le premier prototype est composé d’un diviseur de puissance qui a été commandé et de quatre déphaseurs fabriqués. Le deuxième prototype est entièrement intégré sur puce, ce qui a permis de réduire la surface du dispositif ainsi que d’améliorer les pertes RF. Ces travaux ont donc pu montrer la faisabilité de fabriquer un prototype simple, faible pertes, et linéaire. / These research works is within the context of an improved link budget telemetry data on space launchers. For this device, an electronically steerable antenna was chosen. It uses an array of four patch antennas supplied by a prototype composed of a power splitter 1 to 4 and four phase shifters. For each selected phase shifters, the phase states are 0 °, 90 ° and 180 °.After a bibliographical study, the best phase shifters that can perform this function are the shifters based on hybrid coupler. Thanks to the use of RF-MEMS in these circuits, it is not necessary to add power amplifiers because these components are linear and present low RF losses. Several topologies of phase shifters based on hybrid coupler using RF-MEMS were studied. According to this study, it was possible to reduce the size of circuits without damaging the RF performance, which allowed us to choose two of them. A remote control is needed for these devices to relay box then was chosen for this role. The first prototype consists of a power divider which was commissioned and produced phase shifters. The second prototype is fully integrated on-chip, which has reduced the device surface and improves the RF losses.These studies were able to demonstrate the feasibility to produce a simple linear prototype with low RF losses.

Ce manuscrit traite de la fiabilité de micro-composants électro-mécaniques que l'on appelle des MEMS (Acronyme anglais signifiant Micro-Electro-Mechanical Systems). Les MEMS sont utilisés dans un grand nombre de domaines et le domaine qui nous concerne est celui des télécommunications. Plus précisément, notre domaine de travail se situe autour des radio-fréquences où les MEMS vont principalement réaliser des fonctions de commutation. On appellera ainsi nos composants des MEMS-RF, RF signifiant Radio-Fréquence. Dans ce domaine, les MEMS sont des candidats à fort potentiel grâce à une faible consommation de puissance, leur performance dans le domaine RF, leur encombrement et leur poids. De plus, en utilisant un procédé de fabrication dérivé de celui des semi-conducteurs, leur coût de production reste relativement faible. Dans ce manuscrit, on s'intéresse à la fiabilité de ces composants car c'est le dernier verrou avant une éventuelle industrialisation. Les principaux mécanismes de défaillance sont abordés dans une première partie, puis ce manuscrit se concentre sur l'étude du fluage mécanique et des facteurs d'accélération de modes de défaillance. On verra notamment l'influence de la température et des conditions de fonctionnement sur la durée de vie des commutateurs. / The thesis deals with reliability of tiny electro-mechanical components called MEMS. MEMS stands for Micro-Electro-Mechanical Systems. These components, designed for switching applications, are suitable candidates for telecommunications due to their low power consumption, Radio-Frequencies (RF) performances, compactness and lightness. A MEMS is fabricated using processes of integrated circuit manufacturing that makes its cost relatively low. Few of these components are commercially available and more are expected to be in the market as soon as reliability issues will be solved. Reliability issues studied in the thesis regard mechanical creep and acceleration factors. The mechanical creep occurs in our suspended structures whilst enduring a constant force, it results in deformation of structures and shift of parameters. Two innovative test benches are developed to assess mechanical creep in RF-MEMS switches. The acceleration factors are keys to conduct accelerated testings and predict lifetime of RF-MEMS switches. Parameters such as bias voltage, input-to-output voltage, temperature are varied to assess lifetime of switches and extract these acceleration factors.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・論文博士 / 博士(工学) / 乙第12694号 / 論工博第4083号 / 新制||工||1555(附属図書館) / 29946 / (主査）教授 田畑 修, 教授 中部 主敬, 教授 西脇 眞二 / 学位規則第4条第2項該当

The subject of this thesis is the development of a hybrid-integrated scanning grating spectrometer based on a micro-opto-electro-mechanical device or a micro-opto-electromechanical system, respectively. Features of spectral measurement system to be emphasized are a miniaturized construction with the volume of about a sugar cube, a corresponding low mass and low power consumption. In contrast to comparable and currently available spectroscopic instruments with compact physical dimensions, the system offers advantages in terms of enhanced mobility, portability, energy efficency, feasibility for on-site analysis and sensor integration. Miniaturized spectroscopes can help to address new areas of application as well as improve already existing applications. Food analysis, medical care, environmental monitoring, qualtiy inspection, process control, generation of bioenergy as well as safety and security tasks are exemplary fields of application. Within these areas, organic compounds ubiquitously to our everyday life play an important role. The near-infrared spectral band, that is the measurement range of the hybrid-integrated grating spectrometer, is well suited for the detection as well as the qualitative and quantitative analysis of organic compounds. The system follows the construction of a Czerny-Turner grating monochromator that is characterized by a rotatable mounted diffraction grating as well as separated optics for collimation and refocusing. By the rotation of the dispersive element, the spectrum is scanned across the fixed detector and sampled time-discretely. In the case of the hybrid-integrated spectrometer, the grating is part of a micro-opto-mechanical system, with the size of about 50 mm², developed at the Fraunhofer IPMS. Additionally to the grating, the corresponding driving mechanism, the position detection for the deflection angle and two optical slits are part of this device, as well. Integrating several functional components into one structural element is the main strategy of the construction process and is applied to all remaining features. A potentioally serial manufacturing is taken into account by the assembly and joining technology involved. Apart from the theoretical basics, the state of the art, the system specifications as well as the constructive and experimental results, a major part of this thesis is concerned with the technological and constructive boundary conditions, an analytical system description and the discussion of the solution space of this class of spectroscopic instruments. / Das Thema der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung eines hybrid-integrierten Gitterspektrometers basierend auf einem mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelement. Auszeichnen soll sich das spektrale Messsystem durch einen miniaturisierten Aufbau mit dem Volumen eines Stück Würfelzuckers, einem dementsprechend geringen Gewicht und einer niedrigen Leistungsaufnahme. Im Vergleich zu bereits verfügbaren kompakten Spektralapparaten gleicher Funktionsweise ergeben sich Vorteile hinsichtlich Mobilität, Portabilität, Energieeffizienz, Anwendbarkeit in der Vor-Ort-Analytik und Sensorintegration. Mit miniaturisierten Spektrometern lassen sich neue Anwendungsgebiete adressieren und für bestehende Applikation bislang ungenutzte Entwicklungspotenziale erschließen. Exemplarische Einsatzfelder sind die Lebensmittelanalytik, Medizin- und Umweltmesstechnik, Qualitäts- und Prozesskontrolle, Bioenergiegewinnung sowie Sicherheitsanwendungen. In diesen Gebieten spielen die in unserem Alltag oft vorkommenden organischen Verbindungen eine wichtige Rolle. Zu ihrer qualitativen und quantitativen Analyse ist insbesondere der nahinfrarote Spektralbereich geeignet, in welchem das hybrid-integrierte Gitterspektrometer messen soll. Der Aufbau des Systems entspricht einem Czerny-Turner-Gittermonochromator, der durch ein drehbar gelagertes Beugungsgitter sowie eine getrennte Kollimations- und Refokussieroptik charakterisiert wird. Durch die Drehung des dispersiven Elementes verschiebt sich das Spektrum über einen ortsfesten Detektor, der die zeitdiskrete Abtastung durchführt. Im miniaturisierten Spektrometer ist das Gitter Teil eines am Fraunhofer IPMS hergestellten mikro-opto-elektro-mechanischen Bauelementes mit einer Fläche von nur 50 mm². In dieser Komponente sind neben dem dispersiven Element auch dessen Antrieb, die Positionsdetektion zum Bestimmen der Gitterauslenkung und zwei optische Spalte zusammengefasst. Die Strategie, mehrere Funktionskomponenten über geeignete Mikrofertigungstechniken in ein Bauteil zu integrieren, wird auch auf alle anderen Systembestandteile angewendet. Die Aufbau- und Verbindungstechniken zum Justieren und Montieren der komplexen Bauelemente berücksichtigt eine potenzielle Serienfertigung. Neben den theoretischen Grundlagen, dem Stand der Technik, den Systemspezifikationen sowie den konstruktiven und experimentellen Resultaten befasst sich die Arbeit eingehend mit technologischen und konstruktiven Randbedingungen, einer analytischen Systembeschreibung und der Behandlung des Lösungsraumes für diese Klasse von Spektralapparaten.

Les microrobots MEMS sont des éléments miniaturisés qui peuvent capter et agir sur l'environnement. Leur taille est de l'ordre du millimètre et ils ont une faible capacité de mémoire et une capacité énergétique limitée. Les microrobots MEMS continuent d'accroître leur présence dans notre vie quotidienne. En effet, ils peuvent effectuer plusieurs missions et tâches dans une large gamme d'applications telles que la localisation d'odeur, la lutte contre les incendies, le service médical, la surveillance, le sauvetage et la sécurité. Pour faire ces taches et missions, ils doivent appliquer des protocoles de redéploiement afin de s'adapter aux conditions du travail. Ces algorithmes doivent être efficaces, évolutifs, robustes et ils doivent utiliser de préférence des informations locales. Le redéploiement pour les microrobots MEMS mobiles nécessite actuellement un système de positionnement et une carte (positions prédéfinies) de la forme cible. La solution traditionnelle de positionnement comme l'utilisation d'un GPS consommerait trop d'énergie. De plus, l'utilisation de solutions de positionnement algorithmique avec les techniques de multilatération pose toujours des problèmes à cause des erreurs dans les coordonnées obtenues.Dans la littérature, si nous voulons une auto-reconfiguration de microrobots vers une forme cible constituée de P positions, chaque microrobot doit avoir une capacité mémoire de P positions pour les sauvegarder. Par conséquent, si P est de l'ordre de milliers ou de millions, chaque noeud devra avoir une capacité de mémoire de positions en milliers ou millions. Parconséquent, ces algorithmes ne sont pas extensibles ou évolutifs. Dans cette thèse, on propose des protocoles de reconfiguration où les noeuds ne sont pas conscients de leurs positions dans le plan et n'enregistrent aucune position de la forme cible. En d'autres termes, les noeuds ne stockent pas au départ les coordonnées qui construisent la forme cible. Par conséquent, l'utilisation de mémoire pour chaque noeud est réduite à une complexité constante. L'objectif desalgorithmes distribués proposés est d'optimiser la topologie logique du réseau des microrobots afin de chercher une meilleure complexité pour l'échange de message et une communication peu coûteuse. Ces solutions sont complètement distribués. On montre pour la reconfiguration d'une chaîne à un carré comment gérer la dynamicité du réseau pour sauvegarder l'énergie, on étudie comment utiliser le parallélisme de mouvements pour optimiser le temps d'exécution et lenombre de mouvements. Ainsi, on propose une autre solution où la topologie physique initiale peut être n'importe quelle configuration initiale. Avec ces solutions, les noeuds peuvent exécuter l'algorithme indépendamment du lieu où ils sont déployés, parce que l'algorithme est indépendant de la carte de la forme cible. En outre, ces solutions cherchent à atteindre la forme de la cible avec une quantité minimale de mouvement. / MEMS microrobots are miniaturized elements that can capture and act on the environment. They have a small size, low memory capacity and limited energy capacity. These inexpensive devices can perform several missions and tasks in a wide range of applications such as locating odor, fighting against fires, medical service, surveillance, search, rescue and safety. To do these tasks and missions, they have to carry out protocols of redeployment to adapt to the working conditions. These algorithms should be efficient, scalable, robust and should only use local information. Redeployment for mobile MEMS microrobots currently requires a positioning system and a map (predefined positions) of the target shape. Traditional positioning solutions such as using GPS consumes a lot of energy and it is no applicable in the micro scale. Also, the use of an algorithmic solution positioning with multilateration techniques causes problems due to errors in the coordinates obtained. In the literature works, if we want a microrobots self-reconfiguring to a target shape consisting of P positions, each microrobot must have a storage capacity of at least P positions to save them. Therefore, if P equals to thousands or millions, every node must have a storage capacity of thousands or millions of positions. However, these algorithms are notscalable. In this thesis, we propose protocols of self-reconfiguration where nodes are not aware of their position in the plane and do not record the positions of the target shape. Therefore, the memory space required for each node is significantly reduced at a constant complexity. The purpose of these distributed algorithms is to optimize the logical topology of the network of mobile MEMS microrobots to seek a better complexity for message exchange and inexpensive communication.In this work, we show for the reconfiguration of a chain into a square, how to handle the dynamicity of the network to save energy, and we study how to use parallelism in motion to optimize the execution time and the number of movements. Furthermore, another solution is proposed where the initial physical topology may be any connected configuration. With thesesolutions the nodes can execute the algorithm regardless of where they are deployed, because the algorithm is independent of the map of the target shape. Furthermore, these solutions seek to achieve the shape of the target with a minimum amount of movement.