The increasing demand for high performance and miniature high frequency electronics has motivated the development of Micro-electro Mechanical Systems (MEMS) resonators, some of which have already become a commercial success for the making of filters, duplexers and oscillators used in radio frequency (RF) front-end systems for portable electronic devices. These MEMS components not only enable size, power and cost reduction with respect to their existing counterparts, but also open exciting opportunities for implementing new functionalities when used in large arrays. Almost all MEMS resonators require interfacing with one or more Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) integrated circuit components or modules in processing raw signals from individual MEMS devices. Hence, these devices should be integrated with CMOS circuits in an efficient and robust way in order to facilitate their deployment in large arrays with minimal parasitics, delay and power losses due to signal routing and CMOS-MEMS interconnects. Among the MEMS resonators developed to date, Aluminum Nitride (AlN) MEMS Contour-Mode Resonators (CMRs) offer high electro-mechanical coupling coefficient (𝑘𝑡2) and quality factor (Q), and a center frequency (f0) that can be set lithographically by varying the device in-plane dimensions. Also, AlN MEMS CMRs can be fabricated using state-of-the-art CMOS processes and micromachining techniques. These properties allow the synthesis of multi-frequency band-pass filters (BPFs) on a single chip with a low insertion loss and the capability of direct matching to 50 Ω systems. All these advantages, along with a sufficiently mature fabrication process, make AlN CMRs one of the ideal candidates for pursuing their integration with CMOS technology and implement high performance filters with programming capability. In this work we develop for the first time a three-dimensional (3D) heterogeneously integrated AlN MEMS-CMOS platform that enables the realization of such systems as self- healing filters for RF front-ends and programmable filter arrays for cognitive radios. We collaborated with the A*STAR, Institute of Microelectronics (IME), Singapore in the development of AlN MEMS platform on an 8" silicon (Si) wafer; on the other hand, CMOS chips were fabricated in 65 nm International Business Machines Corporation (IBM) and 28 nm Samsung processes. Solder bumps were placed on CMOS chips by Tag and Label Manufacturers Institute (TLMI) under the supervision of Metal Oxide Semiconductor Implementation Service (MOSIS). We demonstrated 3D integrated chip stacks with primary RF signal routing on MEMS and on CMOS for self-healing filters, and showcased the other system via wire-bonding to off-the-shelf CMOS components on a printed circuit board (PCB) because of the inability to continue to have access to the CMOS wafers and bumping processes over the last two years of the project.

There are many ways in which the surrounding media, such as air between an oscillating MEMS structure and a fixed substrate, can affect the dynamic response of a MEMS transducer. Some of these effects involve dissipation while others involve energy transfer. Transverse oscillations of a planar structure can cause a lateral air flow in small gaps that results in pressure gradients. The forces due to the built–up pressure are always against the vibration of the structure and have characteristics of damper and stiffener. In this work, we study the squeeze film phenomenon due to the interaction between the air–film and the structure in the presence of restrictive flow boundary conditions. It is known that the squeeze film damping due to the air trapped between the oscillating MEMS structure and the fixed substrate often contributes to maximum energy dissipation. We carry out an analysis to estimate damping and stiffness in cases with restrictive flow boundaries in dynamic MEMS devices. While the studies reported in the present work address fluid flow damping with restrictive flow boundaries, the analysis of air-flow shows another important phenomenon of enhanced air-spring stiffness. This study is discussed separately in the context of spring stiffening behavior in MEMS devices exhibiting squeeze film phenomenon. First a theoretical framework for modeling squeeze film flow is established and this is followed with analytical and numerical solutions of problems involving squeeze film phenomenon. Modeling of squeeze film effects under different flow conditions is carried out using Reynold’s equation. The problem of squeeze film damping in MEMS transducers is more involved due to the complexities arising from different boundary conditions of the fluid flow. In particular, we focus our attention on estimation of damping in restricted flow boundaries such as only one side vented and no side vented passive boundary conditions. Damping coefficient for these cases are extracted when the fluid is subjected to an input velocity profile according to a specific mode shape at a given frequency of oscillation. We also explain the squeeze film flow in restricted boundaries by introducing the concept of passive and active boundary conditions and analyzing the pressure gradients which are related to the compressibility of the air in the cavity. Passive boundary conditions is imposed by specifying the free flow or no flow along one of the edges of the cavity, whereas, active boundary condition is imposed by the velocity profile being specified at the interface of the cavity with the oscillating structure. Some micromechanical structures, such as pressure sensors and ultrasound transducers use fully restricted or closed boundaries where the damping for such cases, even if small, is very important for the determination of the Q–factor of these devices. Our goal here is to understand damping due to flow in such constrained spaces. Using computational fluid dynamics (ANSYS–FLOTRAN), the case of fully restricted boundaries is studied in detail to study the effect of important parameters which determines the fluid damping, such as flow length of the cavity, air–gap height, frequency of oscillations and the operating pressure in the cavity. A simulation strategy is developed using macros programming which overcomes some of the limitations of the existing techniques and proves useful in imposing a non–uniform velocity and the extraction of damping coefficient corresponding to the flexibility of the structure in specific oscillation modes. Rarefaction effects are also accounted for in the FEM model by introducing the flow rate coefficient, or, alternatively using the concept of effective viscosity. The analysis carried out for the fully restricted case is motivated by the analytical modeling of squeeze film phenomenon for a wide range of different restricted boundaries, and analyzing the resulting pressure gradient patterns. We show that significant damping exists even in fully restricted boundaries due to lateral viscous flow. This is contrary to known reported results, which neglect damping in such cases. The result indicates that in fully restrictive fluid flow boundaries or in a closed cavity, air damping cannot be neglected at lower oscillation frequencies and large flow length to air-gap ratio if the active boundary has a non-uniform velocity profile. Analysis of air-flow in the case of restricted flow boundaries shows another important phenomenon of enhanced air-spring stiffness. It is found that fluid film stiffness has a nonlinear dependence on various parameters such as air-gap to length ratio, fluid flow boundary conditions and the frequency of oscillation. We carry out analysis to obtain the dynamic response of MEMS devices where it is significantly affected by the frequency dependent stiffness component of the squeeze film. We show these effects by introducing frequency dependent stiffness in the equation of motion, and taking examples of fluid boundary conditions with varying restriction on flow conditions. The stiffness interaction between the fluid and the structure is shown to depend critically on stiffness ratios, and the cut-off frequency. It is also inferred that for a given air–gap to flow length ratio, the spring behaviour of the air is independent of the flow boundary conditions at very high oscillation frequencies. Hence, we limit our focus on studying the effect of fluid stiffness in the regime where it is not fully compressible. For non-resonant devices, this study finds its utility in tuning the operating frequency range while for resonant devices it can be useful to predict the exact response. We show that it is possible to design or tune the operating frequency range or shift the resonance of the system by appropriate selection of the fluid flow boundary conditions. The emphasis of the present work has been toward studying the effect of squeeze film flow on dynamic response of MEMS structures with restrictive flow boundary conditions. Estimation of energy dissipation due to viscous flow cannot be ignored in the design of MEMS which comprise of restricted flow boundaries. We also remark that modeling of a system with squeeze film flow of the trapped air in terms of frequency independent parameters, viz. damping and stiffness coefficient, is unlikely to be very accurate and may be of limited utility in specific cases. Although the central interest in studying squeeze film phenomenon is on the damping characteristics because of their direct bearing on energy dissipation or Q–factor of a MEMS device, the elastic behaviour of the film also deserves attention while considering restrictive flow boundary conditions.

Die komplexen Strukturen von MEMS-Drehratensensoren führen immer wieder zu Herausforderungen bei der Systembeschreibung. Die zunehmende Miniaturisierung der Bauteile steigert den Einfluss von mechanischen Nichtlinearitäten und AVT-Einflüssen. Daher sind ein tiefer gehendes Verständnis dieser Effekte und verbesserte Simulationsmethoden zur effizienten Entwicklung neuer Sensoren von großer Bedeutung. In dieser Arbeit wird die TPWL-Methode, ein Ansatz für ein transientes nichtlineares ROM, vorgestellt und erfolgreich auf MEMS-Drehratensensoren angewendet. Im Fokus der Untersuchungen stehen die Implementierung der Methode und die Zeitersparnis gegenüber FE-Simulationen - diese beträgt bis zu 3 Größenordnungen. Weiterhin finden sich Untersuchungen der ROM-Daten, mit einem Schwerpunkt auf deren Interpretation, in den Ausführungen. Hierdurch werden Limitierungen, Rahmenbedingungen und Aussagekraft der Methodik aufgezeigt. Diese Erkenntnisse ermöglichen es, zukünftige Simulationen durch geeignet gewählte Parameter und Trainingsdaten effektiv aufzusetzen. Es werden TPWL-Ansätze auf Basis von POD und modaler Superposition verglichen, um systematische Vorteile der POD zu erklären. Die Validierung der Modelle erfolgt qualitativ sowie mit Messungen, analytischen und FE-Rechnungen. Bestehende Ansätze zur Simulation von AVT-Einflüssen, mit einem Schwerpunkt auf mechanischen Stresswirkpfaden, auf MEMS-Drehratensensoren werden untersucht und erweitert. Als Basis für Package- und statische Struktursimulationen dienen FE-Modelle und für die transiente Systemsimulation ein ROM. Es stehen Verständnis und Analyse der Wirkpfade im Vordergrund. Die resultierenden Erkenntnisse werden erfolgreich in die Modelle eingebracht. Ein einfacher, dennoch aussagekräftiger Ansatz zur Abschätzung des Drehraten-Offsets gestresster Sensoren wird vorgestellt. Zudem wird ein vielversprechendes neuartiges FE-Modell zur Simulation von Die-attach- und Lötsimulationen hergeleitet. Oberflächen- und Signalmessungen von durch eine Leiterplattenbiegung gestressten Sensoren dienen zur Validierung. Die vorgestellten Modelle werden erfolgreich validiert und können zukünftig zur Optimierung des Entwicklungsprozesses von MEMS-Drehratensensoren verwendet werden.:Abkürzungen und Symbole I. Einführung, Grundlagen und Methoden 1. Einleitung 1.1. Hintergrund und aktuelle Entwicklung 1.2. Motivation und Zielsetzung der Arbeit 1.3. Struktur der Arbeit 2. Grundlagen MEMS 2.1. Definition der Mikrosystemtechnik 2.2. Technologie und Aufbau von MEMS Bausteinen 2.3. Funktionsprinzipien und physikalischen Grundlagen von MEMS-Gyroskopen 3. Rechenmodelle für mechanische Systeme 3.1. Analytische Rechnungen mithilfe der Balkentheorie 3.2. Finite-Elemente-Methode 3.3. Ordnungsreduktionsverfahren 3.4. Ordnungsreduzierte Systemmodelle in der Signalflusssimulation II. Mechanische Nichtlinearitäten 4. Nichtlinearitäten in MEMS-Gyroskopen 4.1. Einleitung und Motivation 4.2. Gegenüberstellung nichtlinearer Effekte und deren Einflüsse auf MEMS-Gyroskope 4.3. Konzepte zur Vermeidung von Stress-Stiffening und deren Grenzen 5. Methoden zur Simulation mechanischer Nichtlinearitäten 5.1. Nichtlineare Effekte in der FE-Rechnung 5.2. Konzept der Trajectory Piecewise Linearization 5.3. Werkzeuge zur Implementierung eines TPWL-Verfahrens in die Systemsimulation 5.4. Generierung einer ordnungsreduzierten TPWL-Simulation von Drehratensensoren 6. Die Trajectory Piecewise Linearization in der Praxis 6.1. Beidseitig eingespannter Biegebalken in der TPWL mit POD 6.2. Die TPWL anhand eines perforierten Einmassenschwingers 6.3. Untersuchung einer stark nichtlinearen Sensorgeometrie III. Einfluss von mechanischem Stress durch die Aufbau- und Verbindungstechnik auf Sensoren und Sensor-Packages 7. Messungen und Simulationen in der AVT 7.1. Einleitung und Motivation 7.2. Einfluss von mechanischem Stress auf die Sensorgeometrie 7.3. Schema einer Stresssimulation 7.4. Experimentelles Setup 7.5. Viskoelastische Eigenschaften in Experiment und Simulation 8. FE-Package Simulationen 8.1. Annahmen 8.2. Struktur und Inhalt einer FE-Package-Simulation 8.3. CAD-Modellierung und Vernetzung 8.4. Prozesssimulationen 8.5. Biegesimulation 8.6. Validierung durch Weißlichtinterferometrie 9. FE-Modelle von MEMS Strukturen 9.1. Transfer des AVT Stresses aus den Package Simulationen 9.2. Stresseinfluss auf Eigenfrequenzen 10.Berücksichtigung von AVT-Einflüssen in Signalflusssimulationen 10.1. Signalflussmodelle mit AVT-Einfluss 10.2. Sensormoden und Dämpfungsmatrix 10.3. Validierung der Modelle anhand des Closed-Loop Systems 10.4. Simulation des Dreikanalsensors IV. Abschluss 11.Zusammenfassung 11.1. Mechanische Nichtlinearitäten 11.2. Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik 12.Fazit und Ausblick V. Anhang A. Faktoren der Newmark-Integration B. Einfluss der Samplingrate auf die Schwingungsfrequenz in einer transienten FE-Simulation C. Ergebnisstabellen zu Kapitel 6.1 D. Einseitig eingespannter Biegebalken mit Streckbiegung D.1. Aufbau des Systems D.2. Systemtraining D.3. Systemsimulation und Auswertung D.4. Fazit E. Modenabbildungen zu Kapitel 6.2 F. Vergleich von TPWL und linearer Ordnungsreduktion mit nichtlinearen Kräften G. Modellbeispiel Schwingungsform H. Mathematische Ergänzungen I. Einfluss von Prozessparametern Quellenangaben Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Danksagung Versicherung Thesen / The complex structures of MEMS yaw-rate sensors continuously lead to challenges in their system description. The continuing miniaturization of the components increases the effects of mechanical nonlinearities and packaging influences. Therefore, a deeper understanding of these effects and improved simulation methods are of great importance for the efficient development of new sensors. In this work the TPWL-method, an approach for a transient nonlinear ROM, is introduced and successfully applied to MEMS yaw-rate sensors. The focal points of the study, are the implementation of the method, and the time savings compared to FE-simulations; which are up to 3 magnitudes. Furthermore, the analysis of the ROM-data with a focus on its interpretation is included. This highlights limits, boundary conditions and the informative value of the method. These insights enable the future set up of simulations effectively with appropriately chosen parameters and training data. TPWL-approaches with POD and modal superposition are compared to highlight systematic advantages of the POD. The validation of the models is realized qualitatively as well as with measurements, analytical and FE-calculations. Existing approaches for the simulation of packaging influences with a focal point on mechanical stress root causes are studied and extended. As a baseline for package and static structure simulations FE-models are used, and for transient system simulations a ROM is used. Understanding and analysis of the root causes stand in the foreground. The resulting insights are successfully implemented into the models. A simple but significant approach for an estimation of the yaw-rate offset of stressed sensors is introduced. Additionally, a promising and new FE-model for the simulation of die attach and solder simulations is derived. Surface and signal measurements of sensors, stressed by the bending of a printed circuit board, serve for validation. The introduced models were validated successfully and can be used in the future to optimize the development process of MEMS yaw-rate sensors.:Abkürzungen und Symbole I. Einführung, Grundlagen und Methoden 1. Einleitung 1.1. Hintergrund und aktuelle Entwicklung 1.2. Motivation und Zielsetzung der Arbeit 1.3. Struktur der Arbeit 2. Grundlagen MEMS 2.1. Definition der Mikrosystemtechnik 2.2. Technologie und Aufbau von MEMS Bausteinen 2.3. Funktionsprinzipien und physikalischen Grundlagen von MEMS-Gyroskopen 3. Rechenmodelle für mechanische Systeme 3.1. Analytische Rechnungen mithilfe der Balkentheorie 3.2. Finite-Elemente-Methode 3.3. Ordnungsreduktionsverfahren 3.4. Ordnungsreduzierte Systemmodelle in der Signalflusssimulation II. Mechanische Nichtlinearitäten 4. Nichtlinearitäten in MEMS-Gyroskopen 4.1. Einleitung und Motivation 4.2. Gegenüberstellung nichtlinearer Effekte und deren Einflüsse auf MEMS-Gyroskope 4.3. Konzepte zur Vermeidung von Stress-Stiffening und deren Grenzen 5. Methoden zur Simulation mechanischer Nichtlinearitäten 5.1. Nichtlineare Effekte in der FE-Rechnung 5.2. Konzept der Trajectory Piecewise Linearization 5.3. Werkzeuge zur Implementierung eines TPWL-Verfahrens in die Systemsimulation 5.4. Generierung einer ordnungsreduzierten TPWL-Simulation von Drehratensensoren 6. Die Trajectory Piecewise Linearization in der Praxis 6.1. Beidseitig eingespannter Biegebalken in der TPWL mit POD 6.2. Die TPWL anhand eines perforierten Einmassenschwingers 6.3. Untersuchung einer stark nichtlinearen Sensorgeometrie III. Einfluss von mechanischem Stress durch die Aufbau- und Verbindungstechnik auf Sensoren und Sensor-Packages 7. Messungen und Simulationen in der AVT 7.1. Einleitung und Motivation 7.2. Einfluss von mechanischem Stress auf die Sensorgeometrie 7.3. Schema einer Stresssimulation 7.4. Experimentelles Setup 7.5. Viskoelastische Eigenschaften in Experiment und Simulation 8. FE-Package Simulationen 8.1. Annahmen 8.2. Struktur und Inhalt einer FE-Package-Simulation 8.3. CAD-Modellierung und Vernetzung 8.4. Prozesssimulationen 8.5. Biegesimulation 8.6. Validierung durch Weißlichtinterferometrie 9. FE-Modelle von MEMS Strukturen 9.1. Transfer des AVT Stresses aus den Package Simulationen 9.2. Stresseinfluss auf Eigenfrequenzen 10.Berücksichtigung von AVT-Einflüssen in Signalflusssimulationen 10.1. Signalflussmodelle mit AVT-Einfluss 10.2. Sensormoden und Dämpfungsmatrix 10.3. Validierung der Modelle anhand des Closed-Loop Systems 10.4. Simulation des Dreikanalsensors IV. Abschluss 11.Zusammenfassung 11.1. Mechanische Nichtlinearitäten 11.2. Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik 12.Fazit und Ausblick V. Anhang A. Faktoren der Newmark-Integration B. Einfluss der Samplingrate auf die Schwingungsfrequenz in einer transienten FE-Simulation C. Ergebnisstabellen zu Kapitel 6.1 D. Einseitig eingespannter Biegebalken mit Streckbiegung D.1. Aufbau des Systems D.2. Systemtraining D.3. Systemsimulation und Auswertung D.4. Fazit E. Modenabbildungen zu Kapitel 6.2 F. Vergleich von TPWL und linearer Ordnungsreduktion mit nichtlinearen Kräften G. Modellbeispiel Schwingungsform H. Mathematische Ergänzungen I. Einfluss von Prozessparametern Quellenangaben Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Danksagung Versicherung Thesen

Afin de contribuer à étendre le champ d'applications des microsystèmes à des nouvelles applications à haute valeur ajoutée mais faible série, il apparait nécessaire d'estimer et d'analyser la fiabilité d'un microsystème en prenant en compte les conditions d'utilisation. C'est pour répondre à cette problématique que les travaux de cette thèse ont été réalisés en vue de mettre en place une méthodologie d'étude de la fiabilité des microsystèmes par le biais de la modélisation. En effet, en réalisant un prototype virtuel complet d'un microsystème, on peut non seulement prédire son comportement dans n'importe quelles conditions environnementales d'utilisation mais aussi l'optimiser avant de lancer sa fabrication. Pour démontrer la faisabilité de cette méthode, les travaux ont été menés sur les actionneurs électrothermiques. Pour cela, nous avons (1) mis en place un modèle analytique du comportement idéal de la structure en utilisant la méthode des éléments finis mais surtout le langage VHDL-AMS, (2) fabriqué et caractérisé des véhicules de tests pour valider ce modèle, (3) réalisé des tests de vieillissement pour mettre en évidence les mécanismes de défaillance et enfin (4) avons mis en place des modèles empiriques de ce vieillissement pour compléter la description analytique.

Le but de cette thèse est l'amélioration, en termes de performances et de fiabilité, du contact électrique d'un micro-interrupteur en technologie MEMS. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration entre la Direction de l'Innovation de Schneider Electric et le Département d'Intégration Hétérogène sur Silicium du CEA-Leti. De cette collaboration a résulté un micro-interrupteur MEMS dont la fiabilité est supérieure à l'état de l'art mondial. Sa durée de vie est cependant limitée par la dégradation de son contact électrique. La première partie de cette thèse a ainsi porté sur l'étude des mécanismes à l'origine des défaillances de ce contact. Les essais d'endurance électrique avec courant coupé (« hot switching ») réalisés directement sur les prototypes de micro-interrupteurs, couplés à des analyses physico-chimiques et électriques ont permis d'identifier cinq mécanismes de défaillance principaux, différant en fonction du matériau de contact utilisé et du calibre de test. La seconde partie de la thèse présente le développement d'un banc permettant d'évaluer l'endurance de nouveaux matériaux de contact en remplacement de l'or et du ruthénium utilisés dans le micro-interrupteur. Ce banc d'endurance a été intégralement développé, réalisé et testé durant la thèse. Il reproduit le fonctionnement d'un micro-contact électrique et permet de réaliser plusieurs millions de cycles de fermeture/ouverture en faisant varier de nombreuses conditions de test telles que l'atmosphère environnante. La troisième partie de ce travail porte sur l'étude des mécanismes d'établissement et d'interruption du courant lorsque l'espace inter-contacts est réduit à quelques dizaines de nanomètres. L'utilisation non conventionnelle d'un microscope à force atomique à pointe conductrice en mode approche-retrait a permis de simuler à vitesse réduite l'actionnement d'un micro-contact. Cette étude a mis en évidence un phénomène d'émission électronique Fowler-Nordheim lors des derniers instants précédant la fermeture du contact. Les conséquences de cette émission électronique sont une dégradation des matériaux de contact, aboutissant à un transfert du matériau de contact de l'anode vers la cathode. L'ensemble de ces travaux est alors utilisé dans le chapitre de conclusion pour définir les règles de conception d'un micro-contact fiable.

Au cours des dernières années, l’essor spectaculaire des microsystèmes (ou MEMS), qui touche tous les domaines industriels, est à l’origine de nombreux et nouveaux progrès technologiques. Néanmoins, dans ce contexte prometteur de large envergure, la fiabilité des MEMS s’avère être la problématique à améliorer pour franchir la phase d’industrialisation à grande échelle. C’est dans le cadre de cette thématique de fiabilité des microsystèmes, que s’inscrit ce travail.La température étant un paramètre majeur entrant dans de nombreux mécanismes d’endommagement des MEMS, notre étude présente la conception et la réalisation d’un banc de thermographie infrarouge de haute résolution (2 µm), associé à la mise en œuvre d’une méthodologie d’analyse et de traitement des mesures infrarouges.Ce dispositif innovant permet un diagnostic in-situ, sans contact et rapide des défaillances des MEMS par mesures locales et quantitatives des pertes thermiques associées. Cet outil constitue une avancée importante pour détecter, mesurer et comprendre les mécanismes d’endommagement des MEMS. Il nous permet de reconstituer des images thermiques de tout type de microsystème en cours de fonctionnement ou soumis à des tests de vieillissement accéléré, et ceci afin de réaliser une analyse fine et rapide de leur fiabilité.Ce travail apporte de nouveaux résultats en ce qui concerne la détection des mécanismes de défaillance de différents types de MEMS-RF et tout particulièrement des MEMS-RF avec contact électrique. / Over the last few years, considerable effort has gone into the study of the failure mechanisms and reliability of MicroElectroMechanical Systems (MEMS). MEMS performance and reliability are affected by many parameters, such as the complex physical interactions between thermo-mechanical deformation, current flow, high power actuation and contact heating. In particular, temperature is a key issue for the design of a low loss and reliable MEMS. In order to improve device reliability it is essential to understand the thermal behaviours of RF-MEMS under standard or harsh current conditions. In this work, we present a new approach to investigate the failure mechanism of MEMS. An original set-up has been developed to localise and measure the heat loss of MEMS during actuation. Thermal characterization has been performed using infrared thermography to investigate the thermal sensitivity of MEMS. A brand new infrared bench was developed for temperature distribution measurement. An infrared camera, operating in the 1,5 - 5 µm bandwidth, was coupled to a new specific optic to reach an enhanced spatial resolution better than 2 µm/pixel. This work presents several results obtained on different advanced RF-MEMS including RF-MEMS switches where failure mechanism had been diagnosed.

Le travail présenté dans ce mémoire concerne la réalisation d’un microsystème intégrant une centrale inertielle permettant la détection de mouvements. Le microsystème étudié est composé d’un accéléromètre capacitif associé à son électronique de traitement. L’accéléromètre capacitif a conduit à l’élaboration d’un outil logiciel afin de le pré-dimensionner. Ce pré-dimensionnement a été effectué en fonction des spécifications de l’application et de la technologie de fabrication. Cet outil intègre des modèles fluidiques et électrostatiques en vue de calculer des paramètres du modèle de l’accéléromètre pour une simulation système. L’électronique de traitement de l’accéléromètre capacitif a été conçue autour d’un convertisseur ”Sigma-Delta”. L’architecture ”Sigma-Delta” a nécessité des modifications pour pouvoir être adaptée au capteur. Nous avons alors développé, sous ”Matlab-Simulink”, une bibliothèque de composants permettant d’ajuster le fonctionnement du convertisseur. Une fois l’architecture optimisée et les caractéristiques des composants connues, la conception de l’architecture ”Sigma-Delta” est ainsi réalisable sous le logiciel CADENCE. / The aim of this thesis is the realisation of microsystem for movements detection. This microsystem is composed of capacitive accelerometers and of their electronics. The conception of capacitive accelerometers has induced developement of a software for the first dimensionnement of sensors. This software computes parameters of capacitive accelerometers thanks to electrostatic models, flow models, specifications of application and fabrication process. The electronics of capacitive accelerometer is a ”Sigma-Delta” convertor. The adaptation of convertor leads to developement of components libraries for ”Matlab-Simulink”. The simulation systems allows to fit parametres convertor for the application. After that,the conception of convertor under CADENCE software is then possible.

Ce manuscrit présente l'étude et l'analyse d'écoulements de gaz raréfiés, induits par la transpiration thermique. Le terme de transpiration thermique désigne le mouvement macroscopique d'un gaz raréfié engendré par l'effet du seul gradient de température. L'aspect principal de ce travail est centré autour de la mesure du débit stationnaire déclenché en soumettant un micro tube à un gradient de température appliqué le long de son axe. On a développé à cet effet un appareillage expérimental original ainsi qu'une méthodologie expérimentale innovatrice basée sur la dépendance du phénomène, analysé dans son ensemble, à l'égard du temps. Les résultats obtenus pour le débit stationnaire initial de transpiration thermique et pour les paramètres thermo-moléculaires caractérisant l'équilibre final de débit nul, ont été comparés aux résultats obtenus numériquement par la résolution de l'équation cinétique modèle de Shakhov et par la méthode de simulation directe de Monte-Carlo. / This thesis presents the study and analysis of rarefied gas flows induced by thermal transpiration. Thermal transpiration refers to the macroscopic movement of rarefied gas generated by a temperature gradient. The main aspect of this work is centered around the measurement of the mass flow rate engendered by subjecting a micro-tube to a temperature gradient along its axis. In this respect, an original experimental apparatus and an original time-dependent experimental methodology was developed. The experimental results for the initial stationary thermal transpiration mass flow rate and for the final zero- flow thermal molecular parameters were compared with the results obtained from the numerical solution of the Shakhov model kinetic equation and the direct simulation Monte Carlo method.

De nos jours, les antennes sont de plus en plus complexes en raison notamment de la nécessité de réaliser une reconfigurabilité en fréquence et/ou en diagramme. Les réseaux réflecteurs et les surfaces sélectives en fréquence sont des candidats particulièrement intéressants pour couvrir les besoins actuels. Cependant, en raison de leur grande taille et de la complexité géométrique croissante de leurs cellules élémentaires, l‘analyse électromagnétique complète de ces structures rayonnantes nécessite énormément de ressources informatiques (mémoire) et exige des temps de calcul prohibitifs, notamment lorsque des éléments de commande tels que des MEMS-RF sont intégrés au sein des cellules. Les techniques numériques classiques basées sur un maillage (spatial ou spectral) systématique ne parviennent pas à simuler de manière efficace de telles structures multi-échelles et nécessitent souvent des ressources informatiques difficiles d’accès pour le concepteur d'antennes. Une technique originale baptisée « Scale Changing Technique (SCT) » tente de résoudre ce problème en segmentant le réseau en de multiples domaines imbriqués les uns dans les autres et présentant divers niveaux d'échelle. Le multi-pôle par changement d’échelle, appelé « Scale Changing Network (SCN) », modélise le couplage électromagnétique entre deux niveaux d’échelle successifs. Ce multi-pôle peut être calculé en résolvant les équations de Maxwell à partir d’une Formulation par Equations Intégrales. La mise en cascade des multi-pôles par changement d’échelle permet alors le calcul de la matrice impédance (ou admittance) de surface du réseau complet. Cette matrice peut à son tour être utilisée pour simuler la diffusion électromagnétique d’une onde incidente par le réseau. Le calcul des différents multi-pôles par changement d’échelle peut être effectué séparément de sorte que le temps de simulation du réseau complet peut être considérablement réduit en parallélisant le calcul. Par ailleurs, la modification de la géométrie de la structure à une échelle donnée, lors de la phase de conception, nécessite seulement le calcul de deux multi-pôles par changement d’échelle et ne requiert pas une nouvelle simulation de toute la structure. Cette caractéristique fait de la SCT un outil de conception modulaire. Dans le cadre de cette thèse, la SCT a permis de tenir compte de la taille finie des réseaux et de modéliser efficacement les couplages électromagnétiques entre les cellules élémentaires. Des réseaux réflecteurs uniformes et non uniformes ont été simulés par la SCT et les performances numériques de la méthode ont été analysées. / Future antenna architectures especially for space applications are becoming more and more complex due to the need of reconfigurability. This reconfigurability is needed in terms of frequency, reliability, radiation pattern and power consumption. In this context, reflectarrays and frequency selective surfaces (FSSs) are particularly the hottest domains of RF design. The accurate analysis of electromagnetic (EM) scattering from such type of complex finite-sized reflectarray antenna structures is of great practical interest. However due to their large electrical size and complex cellular patterns specially when tuning elements such as RF-MEMS are also integrated within the array elements, conventional full-wave EM analysis of such multiscale structures either fail or require enormous amount of computational resources to resolve prohibitively large number of unknowns. Moreover the characterization of large structures would normally require a second step for optimization and fine-tuning of several design parameters, as the initial design procedure assumes several approximations. Therefore a full-wave analysis of the initial design of complete structure is necessary prior to fabrication to ensure that the performance conforms to the design requirements. A modular analysis technique which is capable of incorporating geometrical changes at individual cell-level without the need to rerun the entire simulation is extremely desirable at this stage. An indigenous technique called Scale Changing Technique (SCT) addresses this problem by partitioning the cellular reflectarray geometry in numerous nested domains and subdomains defined at different scale-levels in the array plane. Multi-modal networks, called Scale Changing Networks (SCNs), are then computed to model the electromagnetic interactions between any two successive partitions by method of moments (MoM) based integral equation approach. The cascade of these networks allows the computation of the equivalent surface impedance matrix of the complete array which in turn is utilized to compute far-field radiation patterns. Full-wave analysis of both passive and active (electronically tunable by RF-MEMS) reflectarrays has successfully been performed by the SCT while utilizing very small amount of computational resources as compared to conventional full wave methods. Moreover, to speed up the SCT modeling of the reflectarrays, equivalent electrical circuit models have been extracted and applied for individual design and optimization of the reflectarray phase shifter elements.

Ce travail de recherche a été mené afin d'introduire une nouvelle classe de résonateurs Fabry-Pérot (FP) : les cavités FP incurvées basées sur des miroirs de Bragg sans revêtement, de forme cylindrique sont obtenues par micro-usinage du silicium. Une autre spécificité est la longueur de la cavité relativement grande (L> 200 µm) combinée à un haut facteur de qualité Q (jusqu'à 10^4 ), pour répondre aux applications de type spectroscopie d'absorption améliorée par résonance optique, dans lesquelles le produit Q.L est une figure de mérite. Dans ce contexte, l'architecture de base a été modélisée analytiquement pour déterminer les modes transverses d'ordre élevé supportés par de telles cavités. Par conséquent, les conditions expérimentales qui conduisent à une excitation préférentielle (ou rejet) de ces modes ont été testées menant à la validation de notre modèle théorique et à une meilleure compréhension du comportement de la cavité. Une seconde architecture,basée sur la cavité FP incurvée avec une lentille cylindrique a été développée dans le but de fournir une architecture plus stable. Cette dernière a été également modélisée, fabriquée et caractérisée, menant à l'amélioration attendue en termes de performances. D'un autre côté, un point surlignant l'une des applications potentielles que nous avons identifiées pour les cavités incurvées est présentée en insérant la cavité dans un système électromécanique. Ceci consiste à exciter et mesurer les vibrations d'amplitude nanométrique par couplage opto-mécanique dans un résonateur mécanique MEMS intégrant une cavité optique FP. Enfin, comme complément à notre étude sur les résonateurs, nous avons commencé à explorer les applications des interféromètres optiques à base de miroirs de Bragg en silicium. À cette fin, un microsystème de mesure optique a été conçu, fabriqué et caractérisé, il consiste en une sonde optique pour la profilométrie de surface dans des milieux confinés, basé sur un interféromètre de Michelson monolithique en silicium / This research work has been conducted to introduce a novel class of Fabry-Perot (FP) resonators : curved FP cavity based on coating-free Bragg mirrors of cylindrical shape, obtained by silicon micromachining. Another specificity is the rather large cavity lengths (L>200 µm) combined with high quality factor Q (up to 104), for the purpose of applications requiring cavity enhanced absorption spectroscopy, in which the product Q.L is a figure of merit. In this contest, the basic architecture has been modeled analytically to know the high order transverse modes supported by such cavities. Hence, the experimental conditions which lead to preferential excitation (or rejection) of these modes have been tested experimentally leading to the validation of our theoretical model and to a better understanding of the cavity behaviour. A second architecture, based on the curved FP together with a fiber rod lens has been developed for the purpose of providing stable designs. It was also modeled, fabricated and characterized leading to the expected performance improvements. On another side, a highlight on one of the potential applications that we identified for the curved cavities is presented by inserting the cavity into an electro-mechanical system. It consists of exciting and measuring tiny vibration through opto-mechanical coupling in a MEMS mechanical resonator embedding an FP cavity.Finally, as a complement to our study on resonators, we started exploring applications of optical interferometers based on similar micromachined silicon Bragg mirrors. For this purpose, an optical measurement microsystem was designed, fabricated and characterized ; it consists of an optical probe for surface profilometry in confined environments, based on an all-silicon Michelson interferometer