Les MEMS magnétiques présentent encore des champs de recherches quasi inexplorées. La course à la recherche de faisabilité d'une nouvelle structure (actionneur, capteur) est un enjeu pour les concepteurs dans ce domaine.<br />Pour répondre à ce besoin, ce travail expose des méthodes et des outils permettant de faciliter et d'automatiser des taches répétitives qui sont à la charge de ces concepteurs. Le processus de génération automatique des équations représentant le modèle est maintenant délégué à l'outil que nous avons développé. La dérivation formelle des modèles est aussi étudiée et réalisée, notamment dans le cas des applications contenant des matériaux non linéaires (ferromagnétiques). A partir de ces travaux, il alors possible de dimensionner rapidement les MEMS magnétiques généralement soumis à de nombreuses contraintes non linéaires. La méthodologie peut être aussi étendu aux MEMS électrostatiques.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Methode vorgestellt, mit welcher die Zuverlässigkeit mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) bezüglich stoßinduzierter Fehlermechanismen bereits in der Entwurfsphase neuer Produkte abgeschätzt bzw. verbessert werden kann. Der Ansatz bezieht sich dabei auf bruch- sowie adhäsionsbedingte Ausfallmechanismen und erfordert zwei wesentliche Schritte. Zuerst werden Systemmodelle der jeweils zu untersuchenden mikromechanischen Systeme erstellt, welche die Berechnung der Stoßantwort wie auch der dabei auftretenden Belastungen in Sinne von Auslenkungen, Deformationen und Aufprallkräften ermöglichen. In einem zweiten Schritt wird die zur Fertigung vorgesehene Technologie bezüglich des Auftretens beider stoßbedingter Ausfallmechanismen sowie deren Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungsbedingungen oder Betriebsparametern systematisch untersucht. Die aus der Prozesscharakterisierung resultierenden Daten dienen zur Ableitung prozessspezifischer Fehlerkriterien, welche die Einschätzung der zuvor berechneten Lasten ermöglichen. Auf diese Weise kann abgeschätzt werden, inwieweit die Zuverlässigkeit der betrachteten mikromechanischen Strukturen beeinflusst wird bzw. mit welchen Maßnahmen diese gesteigert werden kann.

This thesis reports the development of advanced readout and control electronics for MEMS gyroscopes developed at METU. These gyroscope electronics are separated into three main groups: high sensitive interface circuits, drive mode amplitude controlled self oscillation loops, and sense mode phase sensitive amplitude demodulators. The proposed circuits are first implemented with discrete components, and then integrated on CMOS chips. A self oscillation loop enabling constant amplitude drive mode vibrations independent of sensor parameters and ambient conditions is developed. A fully functional angular rate system, which is constructed by employing this advanced control electronics together with the transresistance amplifier type interfaces and sense mode electronics, is implemented on a dedicated PCB having 5.4x2.4 cm2 area. This system demonstrates an impressive performance far better than the best performance achieved by any angular rate system developed at METU. Bias instability and angle random walk values are measured as 14.3 &ordm / /hr and 0.126 &ordm / /&amp / #8730 / hr, respectively. The scale factor of the system is found as 22.2 mV/(&ordm / /sec) with a nonlinearity of 0.01%, and a zero rate output of 0.1 &ordm / /sec, in &plusmn / 50 &ordm / /sec measurement range. CMOS unity gain buffer (UGB) and transimpedance amplifier (TIA) type resistive and capacitive interfaces are characterized through AC, transient, and noise tests. It is observed that on chip biasing mechanisms properly DC-bias the high impedance nodes to 0 V potential. UGB type capacitive interfaces demonstrate superior performance than TIA counterparts due to stability problems associated with TIA interfaces. CMOS differential drive mode control and sense mode demodulation electronics give promising results for the future performance tests.

This thesis reports the development of various high performance readout and control electronics for implementing angular rate sensing systems using MEMS gyroscopes developed at METU. First, three systems with open loop sensing mechanisms are implemented, where each system has a different drive-mode automatic gain controlled (AGC) self-oscillation loop approach, including (i) square wave driving signal with DC off-set named as OLS_SquD, (ii) sinusoidal driving signal with DC off-set named as OLS_SineD, and iii) off-resonance driving signal named as OLS_OffD. A forth system is also constructed with a closed loop sensing mechanism where the drive mode automatic gain controlled (AGC) self-oscillation loop approach with square wave driving signal with DC off-set named as CLS_SquD. Sense and drive mode electronics employ transimpedance and transresistance amplifiers as readout electronics, respectively. Each of the systems is implemented with commercial discrete components on a dedicated PCB. Then, the angular rate sensing systems are tested with SOG (Silicon-on-Glass) gyroscopes that are adjusted to have two different mechanical bandwidths, more specially 100 Hz and 30 Hz. Test results of all of these cases verify the high performance of the systems. For the 100 Hz bandwidth, the OLS_SquD system shows a bias instability of 4.67 &amp / #730 / /hr, an angle random walk (ARW) 0.080 &amp / #730 / /&amp / #8730 / hr, and a scale factor of 22.6 mV/(&amp / #730 / /sec). For the 30 Hz bandwidth, the OLS_SquD system shows a bias instability of 5.12 &amp / #730 / /hr, an ARW better than 0.017 &amp / #730 / /&amp / #8730 / hr, and a scale factor of 49.8 mV/(&amp / #730 / /sec). For the 100 Hz bandwidth, the OLS_SineD system shows a bias instability of 6.92 &amp / #730 / /hr, an ARW of 0.049 &amp / #730 / /&amp / #8730 / hr, and a scale factor of 17.97 mV/(&amp / #730 / /sec). For the 30 Hz bandwidth, the OLS_SineD system shows a bias instability of 4.51 &amp / #730 / /hr, an ARW of 0.030 &amp / #730 / /&amp / #8730 / hr, and a scale factor of 43.24 mV/(&amp / #730 / /sec). For the 100 Hz bandwidth, the OLS_OffD system shows a bias instability of 8.43 &amp / #730 / /hr, an ARW of 0.086 &amp / #730 / /&amp / #8730 / hr, and a scale factor of 20.97 mV/(&amp / #730 / /sec). For the 30 Hz bandwidth, the OLS_OffD system shows a bias instability of 5.72 &amp / #730 / /hr, an ARW of 0.046 &amp / #730 / /&amp / #8730 / hr, and a scale factor of 47.26 mV/(&amp / #730 / /sec). For the 100 Hz bandwidth, the CLS_SquD system shows a bias instability of 6.32 &amp / #730 / /hr, an ARW of 0.055 &amp / #730 / /&amp / #8730 / hr, and a scale factor of 1.79 mV/(&amp / #730 / /sec). For the 30 Hz bandwidth, the CLS_SquD system shows a bias instability of 5.42 &amp / #730 / /hr, an ARW of 0.057 &amp / #730 / /&amp / #8730 / hr, and a scale factor of 1.98 mV/(&amp / #730 / /sec). For the 100 Hz bandwidth, the R2 nonlinearities of the measured scale factors of all systems are between 0.0001% and 0.0003% in the &plusmn / 100 &amp / #730 / /sec measurement range, while for the 30 Hz bandwidth the R2 nonlinearities are between 0.0002% and 0.0062% in the &plusmn / 80&amp / #730 / /sec measurement range. These performance results are the best results obtained at METU, satisfying the tactical-grade performances, and the measured bias instabilities and ARWs are comparable to the best results in the literature for a silicon micromachined vibratory gyroscope.

This thesis presents the development of wafer level vacuum packaging processes using Au-Si eutectic and glass frit bonding contributing to the improvement of packaging concepts for a variety of MEMS devices. In the first phase of this research, micromachined resonators and pirani vacuum gauges are designed for the evaluation of the vacuum package performance. These designs are verified using MATLAB and Coventorware finite element modeling tool. Designed resonators and pirani vacuum gauges and previously developed gyroscopes with lateral feedthroughs are fabricated with a newly developed Silicon-On-Glass (SOG) process. In addition to these, a process for the fabrication of similar devices with vertical feedthroughs is initiated for achieving simplified packaging process and lower parasitic capacitances. Cap wafers for both types of devices with lateral and vertical feedthroughs are designed and fabricated. The optimization of Au-Si eutectic bonding is carried out on both planar and non-planar surfaces. The bonding quality is evaluated using the deflection test, which is based on the deflection of a thinned diaphragm due to the pressure difference between inside and outside the package. A 100% yield bonding on planar surfaces is achieved at 390&ordm / C with a v holding time and bond force of 60 min and 1500 N, respectively. On the other hand, bonding on surfaces where 0.15&mu / m feedthrough lines exist can be done at 420&ordm / C with a 100% yield using same holding time and bond force. Furthermore, glass frit bonding on glass wafers with lateral feedthroughs is performed at temperatures between 435-450&ordm / C using different holding periods and bond forces. The yield is varied from %33 to %99.4 depending on the process parameters. The fabricated devices are wafer level vacuum packaged using the optimized glass frit and Au-Si eutectic bonding recipes. The performances of wafer level packages are evaluated using the integrated gyroscopes, resonators, and pirani vacuum gauges. Pressures ranging from 10 mTorr to 60 mTorr and 0.1 Torr to 0.7 Torr are observed in the glass frit packages, satisfying the requirements of various MEMS devices in the literature. It is also optically verified that Au-Si eutectic packages result in vacuum cavities, and further study is needed to quantify the vacuum level with vacuum sensors based on the resonating structures and pirani vacuum gauges.

This research explores a novel in-situ technique for monitoring film thickness in the reactive etching process that incorporates a micromachined sensor. The sensor correlates film thickness with changes in resonant frequency that occurs in the micromachined platform during etching. The sensor consists of a platform that is suspended over drive and sense electrodes on the surface of the substrate. As material is etched from the platform, its resonant vibrational frequency shifts by an amount that is proportional to the amount of material etched, allowing etch rate to be inferred. This RIE monitoring methodology exploits the accuracy of resonant micromechanical structures, whereby shifts in the fundamental resonant frequency measure a physical parameter. A majority of these systems require free-standing mechanical movement and utilize a sacrificial layer process as the key technique to develop and release the structure on a substrate. A sacrificial layer technique that incorporates a low temperature sacrificial polymer was utilized to develop and release the suspended RIE sensor with excellent performance and is capable of fabricating other low cost, high performance and reliable suspended MEMS devices. The integration of sensors and electronic circuitry is a dominant trend in the semiconductor industry, and much work and research has been devoted to this effort. The RIE sensor relies on capacitive transduction to detect small capacitance changes and the resulting change in resonant frequency during the RIE process. The RIE sensor's overall performance is limited by the interface circuit, and integration with the proper circuit allows the RIE sensor to function as a highly sensitive measure of etch rate during the RIE process. A capacitive feedback charge amplifier interface circuit, when configured with the RIE senor at the input achieves very low noise sensing of capacitance changes and offers the potential for wide dynamic range and high sensitivity. As an application vehicle, process control was demonstrated in the PlasmaTherm SLR series RIE system located in the Georgia Tech Microelectronics Research Center.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Methode der modalen Superposition als Ordnungsreduktionsverfahren in der Mikrosystemtechnik. Typische Anwendungsgebiete sind Inertialsensoren und dabei im Besonderen Drehratensensoren, für die die Simulation von zeitabhängigen Phänomenen von entscheidender Bedeutung ist. Im Rahmen der Weiterentwicklung der Ordnungsreduktion nach der Methode der modalen Superposition ist es gelungen für typische lineare Kräfte eine auf analytischen Gleichungen basierende Beschreibung im reduzierten Raum zu finden. Für die Beschreibung von nichtlinearen Kräften ist im Rahmen dieser Arbeit ein Verfahren entwickelt worden, das es erlaubt, bestehende Modelle im Finite-Elemente-Raum in der modalen Beschreibung zu nutzen. In dieser Arbeit werden die theoretischen Grundlagen zur Berücksichtigung von Einflüssen der Aufbau- und Verbindungstechnik in ordnungsreduzierten Modellen dargestellt. Neben der Einkopplung äußerer Kräfte und der Veränderung der mechanischen Randbedingungen wird auch der Einfluss der Aufbau- und Verbindungstechnik auf die elektrostatischen Eigenschaften untersucht. Die Parametrisierung des Verfahrens der modalen Superposition über Fit- und Interpolationsverfahren erlaubt es, parametrisierte ordnungsreduzierte Modelle für die zeitabhängige Systemsimulation zu generieren. Damit wird die Durchführung von Designoptimierung und die Berücksichtigung von Fertigungs- und Prozessschwankungen in ordnungsreduzierten Modellen auf Systemebene möglich.

A l'heure actuelle, les Micro-Electro-Mechanical-Systems (MEMS) sont devenusincontournables dans les produits technologiques quotidiens. De par leur taille,leurs performances et leur intégration, les microsystèmes résonants se sontinscrits dans la diversification de la fameuse Loi de Moore. Cependant les applications detype base de temps demeurent le segment de marché où les MEMS ne parviennent pas às'imposer durablement. En effet, grâce à une stabilité en fréquence de quelques parties parmillions, l'oscillateur à base de résonateur en Quartz reste le produit numéro 1 d'unmarché estimé à dix-sept milliards de dollars.Etant donné le lien entre la fréquence d'un résonateur silicium MEMS et ses dimensionsintrinsèques, les différentes étapes de fabrication induisent un décalage de cette fréquencepar rapport à la valeur visée. C'est donc cet écart que nous tenterons d'adresser. Dans cecontexte, nous avons proposé une nouvelle méthode de correction à l'échelle du substrat.Cette méthode consiste en une ultime étape technologique, après une première mesureélectrique des dispositifs qui permet de quantifier l'erreur, à ramener la fréquence à lavaleur souhaitée par un ajout localisé de matière. Nous montrerons qu'il est possible, enune seule étape, de réduire la Gaussienne représentative de la variation de la fréquence ausein du substrat à quelques parties par million. Pour cela, nous avons développé deuxmodèles physiques qui permettent de quantifier la correction pour atteindre les objectifs.En parallèle, nous avons mis en place un processus de fabrication compatible avec la filièreCMOS avec seulement dix-sept étapes et deux masques photolithographiques dont le pointde départ est un substrat de type SOI. Ce procédé a permis la fabrication de résonateur àmodes de flexion et ondes de volume, dont les performances intrinsèques (f et Q)permettent de concurrencer les résonateurs Quartz. Enfin, nous avons validé notre conceptet nos modèles physiques par des caractérisations électriques de nos dispositifs.L'analyse des résultats nous a permis de dresser une liste des pistes d'amélioration pourétablir une voie vers l'industrialisation durable des résonateurs MEMS. Dans un premiertemps, une attention toute particulière se portera sur le choix du substrat et la technologieutilisée pour garantir des performances optimales. La méthode de correction nécessite unemesure électrique intermédiaire, cette étape doit être précisée et il faudra s'assurer qu'ellen'augmente pas le coût global de la fonction. Bien que discutés, le packaging du MEMS etl'intégration seront des points à étudier, tout particulièrement pour conserver lesspécifications du résonateur lui-même.

Le fil rouge guidant nos travaux de recherche correspond à la convergence des techniques hyperfréquences, des micro- et nano-technologies et plus récemment de la fluidique, amenant le développement de microsystèmes hyperfréquences innovants pour des applications en télécommunication et en biologie. Nous retraçons, au travers de notre habilitation à diriger des recherches, nos travaux sur les approches multidisciplinaires permettant le développement de microsystèmes hyperfréquences communicants pour lesquels notre leitmotiv fut de tirer au mieux partie des potentialités des micro et nano-technologies. Des composants et circuits RF-MEMS (RadioFrequency MicroElectroMechanical Systems), à l'intégration des nanotechnologies au sein de microsystèmes hyperfréquences, à la miniaturisation de fonctions passives ainsi qu'à leur co-intégration avec des circuits actifs au sein de microsystèmes. Nous présentons de plus notre projet de recherche visant à explorer l'alliance des microsystèmes hyperfréquences avec d'autres disciplines telles que la fluidique et la biologie pour de nouvelles fonctionnalités et applications. Nous tenterons de répondre aux questions scientifiques : "comment les microsystèmes hyperfréquences peuvent aller au delà des fonctionnalités et applications traditionnelles, quelles sont les opportunités ainsi ouvertes ?"

Récemment, des travaux montrant la faisabilité des MEMS à base de la technologie CMOS complétée par un micro-usinage en surface sans masque ont été publiés. A la différence de l'approche plus ancienne où la libération des composants MEMS a été faite par une gravure du silicium, la technologie proposée consiste en la gravure des couches d'oxyde afin de libérer les couches métalliques issues de la technologie CMOS. Ce sujet de thèse propose donc de fabriquer des microsystèmes à vocation acoustique à partir d'une technologie CMOS standard : AMS 0.35 μm. Il sera, pour cela, composé de deux parties. Dans la première partie, il s'agit de développer un procédé technologique (déterminer le type de gravure, les temps de gravure, ainsi que les dimensions extrêmes réalisables pour les structures simples en technologie CMOS). En effet, après avoir étudié les différentes possibilités de la technologie CMOS-MEMS proposées dans la littérature, un procédé CMOSMEMS a été mis au point. Ce procédé consiste à graver une couche sacrificielle d'oxyde afin de libérer des microstructures constituées des couches métalliques issues de la technologie CMOS 0.35 μm d'AMS. Le procédé est premièrement testé sur des échantillons contenant des microstructures telles que des ponts et des poutres. La seconde partie du travail est consacrée à la validation du procédé CMOS-MEMS par un développement de structures MEMS acoustiques représentées par un microphone MEMS capacitif. Dans un premier temps, un microphone MEMS capacitif a été réalisé à partir de la technologie CMOS 0.35 μm d'AMS. Après avoir pris connaissance des différents aspects de la technologie CMOS 0.35 μm d'AMS (matériaux, dimensions, règles de dessin,...), une modélisation de microphone MEMS capacitifs est proposée grâce à la réalisation d'un schéma électrique équivalent basé sur les analogies entre les domaines électrique, mécanique et acoustique. Chaque paramètre de ce circuit est déterminé par l'intermédiaire de relations connues et par des logiciels de simulation utilisant la méthode des éléments finis (ANSYS, CoventorWare). Une fois les performances des microphones estimés à partir de ce circuit équivalent, un layout, représentant les différents microphones conçus, a été créé sous Cadence afin d'être envoyé au fondeur AMS. Dès la réception des échantillons, le procédé CMOSMEMS mise en oeuvre précédemment a été appliqué afin de libérer les structures des différents dispositifs. Ensuite, une série de caractérisations a pu être réalisée sur les premiers échantillons. Ces caractérisations visent à déterminer les performances des différents dispositifs fabriqués, mais aussi à estimer les propriétés mécaniques des différentes couches utilisées pour former la structure des microphones. De cette façon, le circuit équivalent pourra être validé ou être amélioré selon les résultats obtenus.