La demande pour des appareils portables multifonctionnels encourage les manufacturiers à intégrer des microsystèmes électromécaniques (MEMS) ou optoélectromécaniques (MOEMS) à leurs produits pour réaliser de nouvelles fonctions ; les pico projecteurs constituent un excellent exemple. Or, dans le but d'utiliser ce type de composants, des tensions de polarisation variant entre 100 V et 300 V sont parfois nécessaires. La génération de ces tensions à partir de la pile de l'appareil exige des convertisseurs continu-continu (DC-DC) miniatures procurant un gain de tension de l'ordre de 100. C'est dans ce contexte général que ce projet réalisé pour Teledyne DALSA, un manufacturier de MEMS et concepteur de circuits intégrés haut voltage, a été réalisé. En intégrant ce circuit à ses circuits de contrôle de MEMS, Teledyne DALSA sera ainsi en mesure de proposer des systèmes plus complets à ses clients. Ce mémoire présente la conception d'un convertisseur DC-DC dans la technologie CO8G CMOS/DMOS haut voltage de Teledyne DALSA. Pour que la solution développée soit assez flexible, le circuit permet un ajustement de la tension de sortie entre 100 V et 300 V pour une puissance de sortie inférieure ou égale à 210 mW à partir d'une tension de batterie entre 2,7 V et 5,5 V. Afin de permettre une longue autonomie des appareils portables, ce projet vise une efficacité de transfert d'énergie de 70 % à la puissance de sortie typique de 75 mW à 220 V. De plus, la solution développée doit être la plus petite possible. À partir de l'état de l'art des circuits de gestion de l'alimentation, ce mémoire présente une conception haut niveau du circuit basée sur des raisonnements et calculs mathématiques simples. Bâtissant sur ces concepts, ce travail détaille la conception des composants de puissance, du circuit de puissance et du contrôleur nécessaire à la réalisation de ce projet. Bien que certaines difficultés, notamment le niveau moyen de l'oscillation de la tension de sortie de 1,6 V, ne permettent pas d'utiliser dès maintenant le circuit développé dans une application commerciale, la solution proposée démontre une amélioration entre 15 % et 43 % de l'efficacité de conversion par rapport au circuit flyback actuel de Teledyne DALSA. De plus, la solution proposée intègre un transistor de puissance 78 % plus petit que les transistors standards disponibles dans la technologie CO8G. Étant donnée l'innovation du circuit présenté au niveau des composants de puissance, du circuit de puissance et du contrôleur, ces résultats de l'implémentation initiale laissent envisager un bon potentiel pour cette architecture après une révision.

Abstract : This project aims at the simulation, design, fabrication and testing of a microscale shock tube. A step by step procedure has been followed to develop the different components of the microscale shock tube and then combine them together to realize the final device. The document reports on the numerical simulation of flows in a microscale shock tube, the experimental study of gas flow in microchannels, the design, microfabrication, and the test of a microscale shock tube. In the first step, a one-dimensional numerical model for simulation of transport effects at small-scale, appeared in low Reynolds number shock tubes is developed. The conservation equations have been integrated in the lateral directions and threedimensional effects have been introduced as carefully controlled sources of mass, momentum and energy, into the one-dimensional model. The unsteady flow of gas behind the shock wave is reduced to a quasi-steady laminar flow solution, similar to the Blasius solution. The resulting one-dimensional equations are solved numerically and the simulations are performed for previously reported low Reynolds number shock tube experiments. Good agreement between the shock structure simulation and the attenuation due to the boundary layers has been observed. The simulation for predicting the performance of a microscale shock tube shows the large attenuation of shock wave at low pressure ratios. In the next step the steady flow inside microchannels has been experimentally studied. A set of microchannels with different geometries were fabricated. These microchannels have been used to measure the pressure drop as a function of flow rate in a steady compressible flow. The results of the experiments confirm that the flow inside the microscale shock tube follows the laminar model over the experiment's range of Knudsen number. The microscale shock tube is fabricated by deposition and patterning of different thin layers of selected materials on the silicon substrate. The direct sensing piezoelectric sensors were fabricated and integrated with microchannels patterned on the substrate. The channels were then covered with another substrate. This shock tube is 2000 µm long and it has a 2000 µm wide and 17 µm high rectangular cross section equipped with 5 piezoelectric sensors along the tube. The packaged microscale shock tube was installed in an ordinary shock tube and shock waves with different Mach numbers were directed into the channel. A one-dimensional inviscid calculation as well as viscous simulation using the one-dimensional model have also been performed for the above mentioned geometry. The comparison of results with those of the same geometry for an inviscid flow shows the considerable attenuation of shock strength and deceleration of the shock wave for both incident and reflected shock waves in the channel. The comparison of results with numerically generated results with the one-dimensional model presents good agreement for incident shock waves. // Résumé : Ce projet vise à la simulation, la conception, la fabrication et l'essai d'un tube à choc a l'échelle micrométrique. Une procédure étape par étape a été suivie pour développer les différentes composantes du tube à choc à l'échelle micrométrique, puis les assembler pour la réalisation finale du dispositif. Le document rend compte de la simulation numérique, de l'étude expérimentale de l'écoulement du gaz dans les microcanaux, de la conception, de la microfabrication, et de l'essai d'un tube à choc à l'échelle micrométrique. Dans la première étape, un modèle numérique unidimensionnel pour la simulation des effets de transport à des petites échelles dans des tubes à choc à faible nombre de Reynolds, est développé. Les équations de conservation ont été intégrés latéralement et les effets tridimensionnels ont été mis en place avec des sources bien contrôlées de masse, du moment et de l'énergie, dans un modelé à une dimension. L'écoulement non stable du gaz après le choc est réduit à un flux laminaire quasi permanent, solution similaire à la solution de Blasius. Les équations unidimensionnelles résultantes sont résolues numériquement et des simulations sont effectuées pour des expériences précédemment rapportées de tube à choc en faible nombre de Reynolds. II y a une bonne correspondance entre la structure du choc et la simulation. L'atténuation due à la couche limite a été observée. La simulation pour prédire les performances d'un tube à choc à l'échelle micrométrique a montré la grande atténuation de l'onde de choc à faible taux de pression. Dans l'étape suivante, le flux constant à l'intérieur des microcanaux a été étudié expérimentalement. Quelques microcanaux avec différentes géométries ont été fabriqués. Ces microcanaux ont été utilises pour mesurer la chute de pression en fonction du débit dans un écoulement compressible flux stable. Les résultats de l'expérience confirment que l'écoulement à l'intérieur du tube à choc à l'échelle micrométrique suit le modèle laminaire sur un large éventail de nombre de Knudsen. Le tube à choc à l'échelle micrométrique est fabrique par les dépôts et gravure des différentes couches minces de certains matériaux sur un substrat de silicium. Des capteurs piézoélectriques à détection directe sont fabriques et intégrés avec les microcanaux caïques sur le substrat. Les canaux sont ensuite recouverts d'un autre substrat. Le tube à choc est long de 2000 µm et a une section rectangulaire de 2000 µm de large et 17 µm de haut et es téquipé avec 5 capteurs piézoélectriques dans le tube. Le tube à choc à l'échelle micrométrique est installé dans un tube à choc standard afin d'entre exposés à une onde de choc avec différents nombres de Mach. Un calcul unidimensionnel inviscide ainsi que la simulation visqueuse avec le modèle unidimensionnel a aussi été effectué pour cette géometrie. La comparaison des résultats avec ceux obtenus avec la même géométrie avec avec un flux Inviscid montre une large atténuation de la force de choc et une décélération de l'onde de choc pour les deux ondes de choc incidentes et réfléchies dans le canal. La comparaison de résultats avec les résultats générés numériquement par modèle unidimensionnel pressent un bon accord pour onde de choc de l'incident.

International Telemetering Conference Proceedings / October 25-28, 1999 / Riviera Hotel and Convention Center, Las Vegas, Nevada / Obtaining a projectile’s free-flight motion profile and its aerodynamic coefficients is typically accomplished at indoor test ranges using photographic techniques synchronized to timing stations. Since these ranges are relatively short, many discrete tests are necessary to compile a complete understanding of the projectile’s behavior. When Time Space Position Information (TSPI) is requested over long-range flights, it has been gathered with expensive video, laser, and radar trackers. These can be inaccurate at times and are limited to locations where the range equipment is able to track the projectile’s entire flight. With the ever-increasing sophistication of ordnance, such as smart and competent munitions that have multi-stage thrusting and maneuvering capability, it is becoming increasingly difficult to make the necessary measurements using current measurement techniques. Microelectromechanical Systems (MEMS) sensors and other electro-optical and magnetic sensors referenced to the sun and earth allow the projectile’s angular rates (spin, pitch, and yaw) and accelerations (axial and radial) to be measured throughout the flight. These sensors have been packaged into miniaturized telemetry instrumentation systems and placed within empty voids of the munition or in place of the fuze or warhead section. By combining this sensor data with a 6-DOF trajectory code, many of the projectiles aerodynamic coefficients including drag, static moment, and damping moment over a large Mach Number range and over multiple flight paths have been obtained. These techniques decrease the number of test shots required, reduce the complexity of the test setup, and reduce the test costs. Test data from instrumented tank, artillery, and rocket flight tests are presented in this report to show the current capability of making inflight measurements using telemetry-based techniques.

International Telemetering Conference Proceedings / October 25-28, 1999 / Riviera Hotel and Convention Center, Las Vegas, Nevada / It is tempting to conceive a program that is self-contained and to fiscally control the all the necessary developments. Such a path will lead to a program that is technically stovepiped and extremely expensive. For the test and evaluation (T&E) community, products are often developed only for single application. We do not exist in such times. The use of other program’s products and commercial products is basically required. This is the path that the Hardened Subminiature Telemetry and Sensor System (HSTSS) has taken. The HSTSS philosophy required that the technologies common to telemetry systems be examined for reduction in cost, size, ease of use, and above all the survivability under high-g or high shock environments. It was clear that HSTSS could not support all of these requirements for transmitters, batteries, electronic packaging, and sensors and be realistically affordable with a good return on investment. This paper describes how the HSTSS program has accomplished the development of new batteries, transmitters, and data acquisition devices based upon a leveraged acquisition strategy.

International Telemetering Conference Proceedings / October 25-28, 1999 / Riviera Hotel and Convention Center, Las Vegas, Nevada / In the past, typical telemetry systems for munitions and small missiles have often comprised adaptations of monolithic components originally conceived for aircraft or large missile applications. Programs have developed expensive monolithic systems to meet the needs of specific programs, but they often require extensive redesign for use by other potential users. The tri-service HSTSS Integrated Product Team (IPT) determined that a monolithic “one size fits all” approach has technical and fiscal risks. Thus, a modular approach to system development has been adopted. The HSTSS IPT is flight qualifying commercial microelectronic products designed for environments similar to that of munition interiors, and is developing microelectronic components required to complete a subminiature system. HSTSS components can then be integrated to support the form factor and measurement needs of any given user. In addition to offering a flexible system to the user, the HSTSS lends itself to upgradability (modernization through spares).

International Telemetering Conference Proceedings / October 23-26, 2000 / Town & Country Hotel and Conference Center, San Diego, California / A novel approach combines GPS receiver technology with micro-electromechanical inertial sensors to improve performance of single object tracking radar. The approach enhances range safety by integrating an airborne Global Positioning System/Inertial Movement Unit (GPS/IMU) with a C-band transponder to downlink time-space-position information (TSPI) via FPS-16 instrumentation radar. This improves current telemetry links and the Range Application Joint Program Office (RAJPO) data link for downlinking TSPI because of the inherent long-range advantage of the radar. The goal of the project is to provide distance independent accuracy, and to demonstrate continuous 15-meter or better position accuracy over the entire flight envelope out to slant ranges up to 1,000 Km with at least 50 updates per second. This improves safety coverage for the wide area flight testing. It provides risk reduction for the Air Force Flight Test Center (AFFTC), Edwards Air Force Base, California and other ranges planning TSPI system upgrades.

International Telemetering Conference Proceedings / October 25-28, 1999 / Riviera Hotel and Convention Center, Las Vegas, Nevada / The GPS/INS equipment is used at the Air Force Flight Test Center (AFFTC) to collect time space position information (TSPI) during testing. The GPS-based test instrumentation is lagging behind available commercial technologies. Advancing technologies for test use requires investigation of affordable commercial equipment. To enable technology insertion for state of the art testing, there is a need for more robust, flexible, reliable, modular, affordable low cost TSPI systems capable of operating in all flight environments. Modular (plug-and-play) hardware and software, quick and easy to re-configure, are required for supporting various test platforms from fighter aircraft to cargo size aircraft. Flight testing dynamics are such that, GPS-only systems tend to lose data during critical maneuvers. To minimize this data loss, inertial measurement systems coupled with GPS sensors are used in most sophisticated range instrumentation packages. However, these packages have required fairly expensive inertial units, are usually very large and not very flexible in terms of quick and easy reconfiguration to meet the unique needs of AFFTC’s test customers. WADDAN SYSTEMS has begun to address this problem with a modular design concept, which incorporates their high-performance navigation quality inertial measurement unit, but with costs comparative to that of lower-end performance inertial units. This paper describes WADDAN’s concept and the components that make up MAGI; and addresses some of the preliminary testing and near-term proposed activities. In general, the system will provide GPS, inertial and discrete MIL-STD 1553, RS-232/422 and video data from the participant. The MAGI will be structured around the Compact personal computer interface (PCI) backplane bus with on-board recording and processing and will include real-time command and control through a UHF data link.

This dissertation discusses the design, simulation and characterization of process-compatible accelerometers and gyroscopes for the implementation of multi-degree-of-freedom (multi-DOF) systems. All components presented herein were designed to operate under the same vacuum-sealed environment to facilitate batch fabrication and wafer-level packaging (WLP), enabling the development of small form-factor single-die inertial measurement units (IMUs). The high-aspect-ratio poly and single-crystal silicon (HARPSS) process flow was used to co-fabricate the devices that compose the system, enabling the implementation ultra-narrow capacitive gaps (< 300 nm) in thick device-layer substrates (40 um). The presented gyroscopes were implemented as high-frequency BAW disk resonators operating in a mode-matched condition. A new technique to reduced dependencies on environmental stimuli such as temperature, vibration and shock was introduced. Novel decoupling springs were utilized to effectively isolate the gyros from their substrate, minimizing the effect that external sources of error have on offset and scale-factor. The substrate-decoupled (SD) BAW gyros were interfaced with a customized IC to achieve supreme random-vibration immunity (0.012 (deg/s)/g) and excellent rejection to shock (0.075 (deg/s)/g). With a scale factor of 800 uV/(deg/s), the complete SD-BAW gyro system attains a large full-scale range (2500 deg/s) with excellent linearity. The measured angle-random walk (ARW) of 0.36 deg/rthr and bias-instability of 10.5 deg/hr are dominated by the thermal and flicker noise of the IC, respectively. Additional measurements using external electronics show bias-instability values as low as 3.5 deg/hr. To implement the final monolithic multi-DOF IMU, accelerometers were carefully designed to operate in the same vacuum environment required for the gyroscopes. Narrow capacitive gaps were used to adjust the accelerometer squeeze-film damping (SFD) levels, preventing an under-damped response. Robust simulation techniques were developed using finite-element analysis (FEA) tools to extract accurate values of SFD, which were then match with measured results. Ultra-small single proof-mass tri-axial accelerometers with Brownian-noise as low as 30 ug/rtHz were interfaced with front-end electronics exhibiting scale-factor values in the order of 5 to 10 mV/g and cross-axis sensitivities of less than 3% before any electronic compensation.

Ce travail de thèse s'inscrit dans une thématique pluridisciplinaire qui regroupe des domaines comme la dynamique des structures, le biomimétisme, les technologies de réalisation de microsystème et l'aérodynamique. Le but de ce travail est de progresser dans la conception et la réalisation d'un microsystème à ailes résonantes à l'échelle de l'insecte en utilisant des technologies issues des microsystèmes. Des concepts sont développés dans cette thèse. En particulier, l'obtention d'un battement de grande amplitude par l'utilisation de la résonance de l'aile et la rotation de l'aile de façon passive. Des prototypes ont été réalisés en utilisant le polymère SU-8 dont les caractéristiques mécaniques sont proches de celles d'une aile d'insecte. Cette structure a été mise en vibration an de génerer de la portance mais n'a pour l'instant pas été capable de se propulser dans les airs. Les concepts d'aile résonante et de torsion passive ont toutefois pu être validés. Une étude plus spécique de simulation de vibration en grands déplacements a été menée et un premier modèle élément ni est proposé. Les questions d'amortissement des ailes dans l'air sont également traitées en vu de pouvoir poursuivre l'étude et différencier les efforts aérodynamiques de l'amortissement propre à la structure. Nous disposons d'un outil expérimental pour étudier à l'échelle de l'insecte la cinématique des ailes et les effets aérodynamiques.

L'étude du contact électrique quasi statique à plusieurs échelles permet de comprendre celui des micro-relais MEMS. Au cours de ce travail, une modélisation fine du contact est développée pour valider des lois de comportement établies à partir des mesures obtenues grâce à la mise au point de deux dispositifs expérimentaux originaux : la balance de précision, qui permet de réaliser un contact à l'échelle macroscopique entre barreaux croisés recouverts des films minces des matériaux à tester, et un nanoindenteur instrumenté pour la mesure électrique reproduisant un micro-contact identique à celui des micro-relais. Ils permettent tous deux de mener une étude comparative de différents échantillons en fonction de la force (de la dizaine de µN à quelques N), du courant (du µA à l'A), de l'état de surface (rugosité) ou encore du temps ; le contact étant caractérisé par sa résistance électrique. Ce travail concerne principalement le contact réalisé entre films minces en Au, matériau de contact de référence pour les applications micro-relais MEMS. L'étude des contacts de grande dimension a néanmoins été élargie à Ru, Rh, Pt et à l'alliage Au-Ni.Les résultats obtenus à l'aide de la balance de précision ont démontré la nécessité de prendre en compte l'influence de la configuration en film mince des matériaux de contact, tant du point de vue mécanique (rugosité) qu'électrique (répartition des lignes de courant). Leur comparaison à une modélisation statistique du contact rugueux donne des résultats satisfaisants. Cette approche a par ailleurs nécessité le développement d'un algorithme d'analyse d'image des relevés topographiques réalisés au microscope à force atomique, permettant ainsi de quantifier précisément les positions, taille et rayon de courbure de chaque aspérité de la surface.Les mesures effectuées à l'aide du nanoindenteur ont mis en évidence l'effet de la durée de fermeture des microcontacts sur la valeur de la résistance électrique. Le fluage des aspérités serait en partie responsable de la décroissance temporelle observée, aboutissant à des valeurs de résistance limite comparables à celles calculées à l'aide d'une modélisation numérique du contact entre des aspérités discrétisées et une sphère lisse.