Ce travail de thèse porte sur l'étude et la réalisation de micro-capteurs d'accélération à détection thermique. Ils sont basés sur la modification des échanges thermiques par convection naturelle dans un fluide chauffé localement lorsque le dispositif est soumis à une accélération.L'utilisation d'un fluide comme masse sismique est en rupture avec les concepts d'accéléromètres dits traditionnels. Cet avantage a pour conséquence directe leur tenue aux fortes accélérations.Un des objectifs de ce travail consiste à développer et à caractériser des accéléromètres à grande étendue de mesures (> 10 000 g). D'autre part, des études fondamentales menées en parallèle nous ont permis de mieux comprendre les phénomènes thermiques intervenant dans la cavité ainsi que d'en déduire l'effet des paramètres thermo-physiques du fluide, des conditions expérimentales et des dimensions géométriques du capteur sur la sensibilité et la bande passante.Par ailleurs, l'étude de nouveaux concepts de détection thermique basés sur l'utilisation de matériaux pyroélectriques a été entreprise pour aboutir à une amélioration de la sensibilité comme de la bande passante. Après la maîtrise des dépôts en couches minces, ce nouveau mode de détection a été mis en œuvre et le principe validé. / This PhD thesis deals with both study and fabrication of micro-accelerometers based on thermal convection. Under acceleration, convective heat transfer in a locally heated fluid is modified and induces a change in temperature profile. Using a fluid as seismic mass enhances better performances than traditional accelerometers in term of high shock reliability.One goal is to develop and characterize high-g accelerometers (> 10,000 g). Besides, analytical studies carried out in parallel have allowed us to improve our understanding of fluid thermal behaviour. Effects of thermo-physical parameters, experimental set-up and sensor size on both sensitivity and bandwidth were deduced.On the other hand, a new concept of thermal detection based on the use of pyroelectric material was undertaken to improve sensor sensitivity as well as bandwidth. First the thin-film sputtering process is developed. Then the pyroelectric thermal accelerometer principle is confirmed.

Ce travail de thèse s'inscrit dans le contexte des drones vise à réaliser à terme un Nano-dispositif volant (Nano Aerial Vehicle) capable d'imiter le vol des insectes. Ce mode de locomotion est privilégié car il présente des caractéristiques très adaptées au vol en milieu confiné. La solution proposée consiste à développer un drone de la taille d'un insecte s'appuyant sur des ailes vibrantes pour se mouvoir et à utiliser les technologies MEMS pour répondre aux problématiques de fabrication et de réduction d'échelle. La réussite d'un tel projet soulève néanmoins de nombreux défis scientifiques et technologiques, en particulier, les aspects aéro-élastiques des ailes et l'autonomie du drone. Pour répondre à ces défis, nous proposons dans un premier temps de mettre en œuvre des concepts comme la résonance et la torsion passive sur des prototypes en polymère (SU-8) réalisés par photolithographie. Dans un second temps, les différents composants de la chaîne de puissance sont optimisés, notamment l'actionneur électromagnétique, la liaison et les ailes de manière à maximiser la force de portance générée. Suite à ces améliorations, nous démontrons de façon expérimentale que le prototype était capable non seulement de reproduire une cinématique complexe mais également de compenser 75% de son poids. / This manuscript reports a work which aims to develop a tiny flying robots inspired by natural flyers. Our main objective is to devise a flying robot mimicking insects in terms of kinematics and scale using MEMS technologies in order to answer the scale challenges: the large-scale manufacturing and the system's small scale. The success this project faces different challenges such as aeroelastic aspects of wings and drone autonomy.In this work we propose the use of original concepts like resonance and passive torsion of the wings which are implemented on all-polymer prototypes obtained using a micromachining SU-8 photoresist process. In order to achieve a better efficiency of the prototype, each element of the energy transduction has been carefully examined and optimized. Especially, the actuation, the transmission and the wings in order to increase the lift. These improvements demonstrate experimentally that the prototype is able to produce a complex kinematic and compensate 75 % of its weight.

Cette thèse s’inscrit dans un contexte d’activité en forte croissance dans le domaine des implants médicaux, stimulée par de nombreux progrès dans le domaine des micro-capteurs et de la micro-électronique. L’autonomie en énergie des implants demeure cependant un facteur limitant. Notre travail a pour objectif de repousser les limites actuelles en termes de miniaturisation et de durée de vie. Il contribue au développement d’une solution basée sur la récupération d’énergie mécanique du cœur pour alimenter durablement un pacemaker miniaturisé sans sonde de nouvelle génération, dit « pacemaker leadless ».Le microsystème de récupération d’énergie étudié est composé d’un résonateur mécanique de type masse-ressort associé à un transducteur électrostatique. Il a pour particularité une architecture tridimensionnelle, dont la forme permet de profiter au maximum de l’espace disponible dans la capsule cylindrique du pacemaker. L'utilisation de la troisième dimension associée à un design original permet en outre d’obtenir un effet de pseudo multiplication de fréquence qui doit conduire, d’après les modèles que nous avons développés, à des densités de puissance nettement supérieures à celles présentées dans l'état de l'art. Pour réaliser ce microsystème tridimensionnel, nous avons développé un procédé de fabrication additif qui repose sur des étapes de micro moulage d'un matériaux structurel obtenu par croissance électrolytique (nickel), de croissance d'un matériau sacrificiel (cuivre) et de polissage. L’identification d’imperfections géométriques dues au procédé et aux matériaux utilisés nous a amené à améliorer la conception du transducteur. Par ailleurs, de nombreux verrous de fabrication ont été levés au cours de cette thèse grâce à la mise en œuvre d’une instrumentation dédiée. Ce procédé nous a permis de fabriquer un premier prototype tridimensionnel du micro-transducteur électrostatique composé de 10 couches de nickel. D’autres métaux élaborés par croissance électrolytique pourraient être envisagés pour réaliser des microsystèmes tridimensionnels, suivant les besoins de l’application considérée. Afin d’anticiper d’éventuels problèmes de compatibilité des micro-dispositifs avec l'imagerie par résonance magnétique, nous avons mis au point le procédé de croissance électrolytique d’un matériau non-magnétique à base de nickel dopé au phosphore. / This thesis contributes to the medical implants field, which is stimulated by many advances in the fields of microelectronics and microsensors. However, electrical energy lifespan of implants and large size of batteries are still a problem. Our work aims at pushing back these limits. It contributes to the development of a solution based on mechanical energy harvesting from the heart motion. The objective is to sustainably power a new generation of pacemakers without lead, so-called "leadless pacemakers."The studied energy harvesting microsystem consists in a spring-mass-type mechanical resonator associated with an electrostatic transducer. Its originality comes from a three-dimensional architecture, whose shape fits pretty well with the cylindrical shape of the pacemaker capsule. The use of the third dimension combined with an original design enables to get a pseudo multiplication frequency effect. Thanks to this effect, our simulation models predict power densities significantly higher than state-of-the-art figures reported in literature. To fabricate this three-dimensional microsystem, we have developed an additive manufacturing process based on steps of micro-molding of a structural material (electroplated nickel), electroplating of a sacrificial material (copper) and planarization. Identification of imperfections related to the fabrication process and the materials used allowed us to improve the design of the transducer. Moreover, many manufacturing obstacles were overcome during this thesis through the implementation of dedicated instrumentation. This new process has enabled us to fabricate a first three-dimensional prototype of the electrostatic micro-transducer made of 10 layers of nickel. Other electroplated metals can be envisaged to achieve three-dimensional microsystems, depending on the application requirements. In order to anticipate any compatibility issue of our microsystem with magnetic resonance imaging, we have developed the electrodeposition process of a nonmagnetic material: phosphorous doped nickel.

Un microgyromètre 3 axes permet avec une structure unique de mesurer la vitesse de rotation d’un objet autour des trois axes de l’espace. Les micro-gyromètres 3 axes existants sont peu nombreux et typiquement résonants, fabriqués en technologie silicium par micro-usinage de surface, à transductions électro-statiques, et conçus pour des applications de fort volume ou la taille et le coût sont des critères majeurs. Dans cette thèse nous avons étudié la transduction et le procédé de fabrication d’un gyromètre résonant 3 axes à actionnement et détection piézoélectriques, fabriqué par micro-usinage de volume dans du GaAs semi-isolant, et dont les performances sont potentiellement très supérieures à l’état de l’art tout en conservant une taille et un coût limité. Ce microgyromètre nécessite une transduction piézoélectrique 3D et un routage des connexions électriques qui ont été modélisés et optimisés pour réduire les couplages parasites entre les modes de détection et le mode pilote. Un procédé original de fabrication collective du microgyromètre a été développé, modélisé et caractérisé. Ce procédé utilise notamment une gravure ionique réactive très profonde et traversante du GaAs dans un plasma BCl3-Cl2. Il est démontré pour la première fois qu’une gravure anisotrope traversante de tranchées de 450 μm de profondeur peut être réalisée grâce à une optimisation des paramètres de gravure et à l’utilisation d’un masque en résine. Un procédé original de dépôt et de délimitation d’électrodes Au/Cr sur les flancs verticaux d’une structure gravée par évaporation sous incidence oblique avec rotation du substrat et à travers un masque pochoir en film sec photosensible a aussi été étudié en détail. Une caractérisation fine de la structure cristalline, de la résistivité et des contraintes mécaniques avant, pendant et après recuit des couches Au/Cr poreuses évaporées sous incidence oblique a été menée. Des micro-gyromètres complets avec tout le système de transduction 3D ont été réalisés. Des premières caractérisations par vibrométrie optique hors du plan et dans le plan des gyromètres réalisés démontrent des résultats encourageants. Enfin, différentes voies d’amélioration de la conception et du procédé sont proposées. / A 3 axis gyroscope allows, with a single mechanical structure, the measurement of rotation rates of an object around 3 perpendicular spatial axes. Existing 3 axis microgyroscopes are scarce and typically resonating, made in silicon technology by surface micromachining, use electrostatic transductions and are designed for high volume applications where size and cost are major characteristics. In this thesis we investigated the transduction and fabrication process of a resonating 3 axis microgyroscope having piezoelectric actuation and detection, made in semi-insulating GaAs by bulk micromachining, and with performances potentially much higher than state of the art while limiting the size and cost. This microgyroscope requires a 3D piezoelectric transduction and circuitry which were modelled and optimized to reduce cross-talks effects. An original batch fabrication process was developed, modelled and characterized. This process notably makes use of very deep through wafer reactive ion etching of GaAs in a BCl3-Cl2 plasma. It is demonstrated for the first time that a through wafer highly anisotropic etching of 450 μm deep trenches can be realized owing to etching parameters optimization and the use of a resist masking layer. An original deposition and patterning process of Au/Cr electrodes on the vertical walls of an etched structure by oblique evaporation on rotated substrate through a dry film shadow mask has also been investigated in details. A fine characterization of the crystallographic structure, resistivity and mechanical stress before, during and after annealing of Au/Cr films evaporated under oblique incidence has been performed. Full microgyroscopes with the whole 3D tranduction system were realized. Preliminary characterizations of realized gyroscopes by out-of-plane and in-plane optical vibrometry demonstrated promising results. Finally, different ways to improve the design and fabrication process are proposed.

Die Arbeit stellt ein Messsystem zur Überwachung von hochbelastbaren Leichtbauwerkstoffen, den Faserkunststoffverbunden vor. Speziell die Materialdehnung und die Eigenfrequenzen rotatorischer Systeme stellen als Schäden im makroskopischen Bereich eine Herausforderung an das Messsystem dar. Aber auch mikroskopische Erscheinungen wie Delaminationen oder Zwischenfaserbrüche gilt es an diesen Bauelementen zu erfassen.

Diffraktive Mikrospiegelarrays sind eine seit Jahren etablierte innovative Lösung zur ortsaufgelösten Beleuchtungsmodulation im UV-Spektralbereich. Sie werden hauptsächlich als Schlüsselbauelement in mikrolithografischen Industrieanlagen eingesetzt. Gegenwärtige Untersuchungen befassen sich mit der Erweiterung der Technologie hin zu multispektralen Anwendungen, beispielsweise in der Mikroskopie zur strukturierten Objektausleuchtung. Aufgrund des diffraktiven Arbeitsprinzips mit Phasenmodulationen im Nanometerbereich sowie der Vielzahl von Einzelspiegeln mit individuellem Auslenkverhalten stellt die präzise Ansteuerung der Bauelemente eine wesentliche Herausforderung dar. In diesem Kontext steht die Entwicklung und Validierung eines Verfahrens im Fokus dieser Arbeit, das die Gesamtheit von mehreren Tausend oder auch Millionen Mikrospiegeln abhängig von gewünschtem Beleuchtungsmuster und -wellenlänge auf korrekte Kippwinkel einstellen kann. Der gewählte Ansatz liegt in einem Mess- und Korrekturverfahren aller Einzelspiegelverkippungen. Die als Kalibrierung bezeichnete Methode nutzt ein Weißlichtinterferometer zur profilometrischen Charakterisierung der elektro-mechanischen Übertragungsfunktionen der Aktuatoren, wodurch erstmalig auf diesem Themengebiet der multispektrale Bauelementeinsatz gewährleistet werden kann. Zentrales Ergebnis der Kalibrierroutine ist eine Reduzierung der Streuung der Spiegelverkippungen um einen Faktor größer fünf. Direkte Folge sind erheblich verbesserte optische Projektionsmuster, aufgenommen an einem parallel entwickelten optischen Lasermessplatz mit spektral verschiedenen Quellen. Nachgewiesen wurden im Vergleich zum unkalibrierten Ausgangszustand Kontrastverdoppelungen, Homogenitätssteigerungen und die Sicherstellung der Abbildung von mindestens 64 Graustufen. Die Ergebnisse dokumentieren einerseits die Leistungsfähigkeit von diffraktiven Mikrospiegelarrays in multispektralen Umgebungen mit sehr guten Abbildungseigenschaften. Gleichzeitig konnte die wesentliche Grundlage für einen deutlich erweiterten Einsatz optischer Mikrosysteme im stark wachsenden Anwendungsbereich der diffraktiven Optik bzw. der Ultrapräzisionsoptik geschaffen werden.

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.

Fabrication of hemispherical structures for application in hemispherical resonator gyro-scopes (HRG) is an integral part of modern sensing systems, especially in relation to space navigation. First, it is important for these structures to be as symmetric as possible in order to accurately track both in-plane and out-of-plane acceleration that occurs in fast moving satellites and space crafts. Next, they need to be larger for easier application in current mm scale systems and to maintain a lower noise floor and high quality factor. The work in this paper introduces a methodology for the analyzation of the micromachining process for larger symmetric hemispherical shell resonators (HSR). This is in order to increase their size while maintaining symmetry through isotropic etching using HNA and the pop-up ring mask design. The implementation of the pop-up ring mask allows for symmetric etching of<111> silicon and larger MEMS structures at a low cost while giving more design control to the user in comparison to alternative designs such as the pinhole. The investigation of how hemispheric structures are affected based on the adjustment of the pop-up ring design serves to both create larger symmetric HSRs and create a better model for future designs and applications. During this investigation, a range of design tests were done to create the hemispherical resonator molds in order to gauge the effectiveness of the pop-up ring changes. These results were then used to develop a method for achieving the desired larger symmetric HSRs.

<div>Some of the biggest challenges with analog signal processing at radio frequencies (RF) are: RF loss at the frequency of interest, large enough fractional bandwidth, and sufficient delay. It is difficult to achieve enough delay in radio front ends using a purely electromagnetic approach since it is limited to a fraction of the speed of light. A solution has been the use of acoustic RF devices, such as surface acoustic wave (SAW) delaylines and MEMS filters. For some acoustic RF devices, like high performance Transmit and Receive SAW correlators, the long delays introduce significant propagation losses. These propagation losses can be compensated within the device by integrating a low noise amplifier into the acoustic correlator architecture. This can be accomplished by designing the SAW correlator on a high performance acoustoelectric (AE) platform. The AE effect is a phenomenon where nearby free carriers can interact with a travelling acoustic wave. Free carriers in close proximity to a piezoelectric material can interact with a travelling acoustic wave through its periodic potential. When a drift field is applied, depending on the relative velocity difference between the free carriers and acoustic wave, energy can either be transferred into (amplification) or out of (attenuation) the acoustic wave. </div><div><br></div><div>This thesis investigates the design and feasibility of AE MEMS devices on several Lithium Niobate (LN) platforms. First, the key acoustic and free carrier parameters are discussed and optimized for an ideal high performance AE material stack. In order to debug and analyze the performance of intermediate steps in the process of making high performance AE MEMS devices, three LN-based platforms are used throughout this work. These platforms help further examine some of the key challenges associated with making a high performance AE platform, like wafer bonding, fabrication, device design, and device operating conditions. These material stacks consist of: thin film LN bonded to a silicon wafer (LNOSi), thin film LN bonded to a silicon on insulator wafer (LNOSOI), and epitaxial indium gallium arsenide bonded to a LN wafer (InGaAs-LN).</div><div><br></div><div>The acoustic and piezoelectric performance of SAW devices on the LNOSi and LNOSOI platforms are modeled using COMSOL Multiphysics. A full study is performed to determine the piezoelectric coupling coefficient variation vs. device wavelength, propagation angle, transducer metal, and acoustic mode. A lumped element cross-field Mason model is modified to include substrate conductivity and simulated in Advanced Design System (ADS) software. SAW delaylines are then fabricated with both aluminum (Al) and gold (Au) Interdigital Transducers (IDT) and measured to compare to the simulated results. The analytical AE theory is then presented and calculations are performed to determine the desired (optimum) carrier concentration for AE devices. In addition to the 1D analytical AE model, initial work is done on developing a generalized 2D Finite Element Analysis (FEA) AE modeling scheme in COMSOL. The results for a piezoelectric semiconductor bulk acoustic wave (BAW) resonator and SAW delayline amplifier are presented. </div><div><br></div><div>On the LNOSi platform, gate controlled passive AE delaylines are fabricated and measured to examine the effects of LN bonding on Silicon free carrier concentrations and interface charges. Then, the fabrication and initial measurement results for doped Silicon AE delayline amplifiers are outlined. Based on the device design, the non-reciprocal nature of the AE effect can be used for more than just amplification and loss compensation. Using the InGaAs-LN platform, several classes of AE devices are designed and tested in pulsed mode operation. First, a series of segmented AE delayline amplifiers are measured to look at how the relative AE gain performance and input DC power scale with acoustic frequency, segment unit length, and number of segments. By taking advantage of the non-reciprocal shift in acoustic velocity, a dual-voltage AE delayline phase shifter is designed and tested. Routing of the acoustic waves between parallel delaylines can be accomplished through multistrip couplers (MSC) and can increase the library of possible AE device designs. The simplest example is a 3-port AE switch, which is designed and tested. The demonstration of these AE MEMS devices opens the door to a larger library of non-reciprocal acoustic devices utilizing the AE effect in high performance integrated material platforms.</div>

Modern electronic technologies allow for the design and production of Micro Electro-Mechanical Systems, also called MEMS. These microchips are widely used as sensors in many fields of application, also in embedded systems in heavy-duty and agricultural vehicles and in automotive applications. In addition to the classic uses of these sensors, new architectures and sensor topologies exploit electromechanical principles of great interest for the field of hydraulic applications. This paper presents some examples of the application of a new MEMS architecture based on self-oscillating microresonators, which offer interesting capabilities in the measurement of mechanical deformation of mechanical components. MEMS are applied as non-invasive pressure and oil flow sensors, and represent an interesting option for creating smart components. All the applications described are intended to show the sensor potential and have a qualitative and exemplary character, but they can provide a basis for in-depth studies on the potential and applicability of these sensors.