This thesis derives a first approximation model that will describe the flow of fluid in microfluidic devices such as in microchannels, microdiffusers and micronozzles using electrical network modelling. The important parameter that is of concern is the flow rates of these devices. The purpose of this work is to contribute to the physical component of our interactive Virtual Reality (VR)-prototyping tool for MEMS, with emphasis on fast calculations for interactive CAD design. Current calculations are too time consuming and not suitable for interactive CAD with dynamic animations. This work contributes to and fills the need for the development of MEMS dynamic visualisation, showing the movement of fluid within microdevices in time scale. Microfluidic MEMS devices are used in a wide range of applications, such as in chemical analysis, gene expression analysis, electronic cooling system and inkjet printers. Their success lies in their microdimensions, enabling the creation of systems that are considerably minute yet can contain many complex subsystems. With this reduction in size, the advantages of requiring less material for analysis, less power consumption, less wastage and an increase in portability becomes their selling point. Market size is in excess of US$50 billion in 2004, according to a study made by Nexus. New applications are constantly being developed leading to creation of new devices, such as the DNA and the protein chip. Applications are found in pharmaceuticals, diagnostic, biotechnology and the food industry. An example is the outcome of the mapping and sequencing of the human genome DNA in the late 1990's leading to greater understanding of our genetic makeup. Armed with this knowledge, doctors will be able to treat diseases that were deemed untreatable before, such as diabetes or cancer. Among the tools with which that can be achieved include the DNA chip which is used to analyse an individual's genetic makeup and the Gene chip used in the study of cancer. With this burgeoning influx of new devices and an increase in demand for them there is a need for better and more efficient designs. The MEMS design process is time consuming and costly. Many calculations rely on Finite Element Analysis, which has slow and time consuming algorithms, that make interactive CAD unworkable. This is because the iterative algorithms for calculating the animated images showing the ongoing proccess as they occur, are too slow. Faster computers do not solve the void of efficient algorithms, because with faster computer also comes the demand for a fasters response. A 40 - 90 minute FEA calculation will not be replaced by a faster computer in the next decades to an almost instant response. Efficient design tools are required to shorten this process. These interactive CAD tools need to be able to give quick yet accurate results. Current CAD tools involve time consuming numerical analysis technique which requires hours of numerous iterations for the device structure design followed by more calculations to achieve the required output specification. Although there is a need for a detailed analysis, especially in solving for a particular aspect of the design, having a tool to quickly get a first approximation will greatly shorten the guesswork involved in determining the overall requirement. The underlying theory for the fluid flow model is based on traditional continuum theory and the Navier-Stokes equation is used in the derivation of a layered flow model in which the flow region is segmented into layered sections, each having different flow rates. The flow characteristics of each sections are modeled as electrical components in an electrical circuit. Matlab 6.5 (MatlabTM) is used for the modelling aspect and Simulink is used for the simulation.

The benefits of microwave technology in materials processing is well documented and researched. It offers many potential advantages over conventional processing such as rapid heating, faster processing times and more consistent product quality. However the actual implementation of this technology has been lacking and the benefits have gone largely unrealised. This is due largely in part to the non-uniform heating obtained in multimode cavities in conventional microwave processing. Recently, a new processing method dubbed the Variable Frequency Microwave (VFM) Technique has been developed to overcome the inherent problems associated with conventional microwave processing. By sweeping through a bandwidth of frequencies, the limitations observed in conventional processing, and specifically the problem of heat uniformity, are avoided. With the increase in research activities in alternative processing methods for new and current materials that will provide better product quality as well as time and cost savings, the VFM technique has the potential to rejuvenate interest in microwave processing. This thesis documents the research work undertaken on the VFM technique with emphasis on its characterization, optimisation and implementation to suitable applications in particular in the upcoming area of Microfabrication. A commercial Variable Frequency Microwave with an operating bandwidth of 2.5-8.0 GHz was investigated through modelling and experimental work to determine the energy distribution within a multimode cavity and to provide an insight of the mechanisms of the method. Modelling was found to be an efficient and cost-effective tool to simulate VFM and to examine the reported advantages of this new technique. Results obtained confirm the superiority of the VFM method over the conventional fixed-frequency processing showing a marked improvement in the heating uniformity achieved. Quantitative analysis of the three major VFM parameters that influence heat uniformity - Sweep Rate, Bandwidth and Central Frequency - indicate that although slight variation in heat uniformity was observed when changing these parameters, these variations are only small which implies that the VFM technique is quite insensitive to changes in the parameters making it quite a robust system. An analytical model of the Variable Frequency Microwave technique was developed and it was found that the heating uniformity could be further optimised using a sweep rate that varies as the inverse of the frequency squared (weighted-sweep). In this study, VFM Technique was successfully extended to the Micro-Electro- Mechanical Systems (MEMS) industry as an alternative method for the processing of a polymer system - negative-tone SU8 photoresist - which is gaining widespread use in Microfabrication. The VFM method was compared to conventional hotplate curing as well as a new hybrid curing method introduced in this work and the product quality assessed optically and by thermal analysis. Results from this work indicate that the Variable Frequency Microwave technique is a viable alternative to the conventional cure currently used in practice. With proper optimisation of the VFM parameters, VFM was found to provide samples that are comparable or better than conventionally cured samples in terms of properties and microstructure quality. Using the VFM method, enhancement in cure rates and drying rates, which are described by others as microwave effects, were observed and investigated. A significant increase on the degree of cure of up to 20% greater than conventional cure was observed when VFM was utilized and an apparent enhancement in solvent evaporation in the thin SU8 films observed. Experiments undertaken show that microwaves irradiation can enhance diffusion rates of cyclopentanone in the SU8 system by approximately 75-100%. The findings signify that SU8 curing at lower temperatures or rapid curing are possible and long drying times could be reduced significantly thus alleviating many of the problems associated with conventional thermal curing. Outcomes of this study demonstrate the ability of the new VFM technique to provide uniform heating which is essential for materials processing. Its application to the emerging field of Microfabrication exhibits its unique advantages over conventional curing methods and establishes itself to be a versatile and robust processing tool. The experimental observations made under microwave irradiation are further proof of the existence of specific microwave effects which is one of the most debatable topics in the Microwave processing field. A mechanism based on the Cage Model by Zwanzig [1983] was put forward to explain the increase in transport rates.

Ce travail porte sur l'étude d'antennes agiles en directivité et polarisation, et de leurs circuits d'alimentation. Cette agilité est obtenue au moyen de différents éléments actifs dont les propriétés sont mises à profit pour modifier le fonctionnement électromagnétique des antennes. Des composants semi-conducteurs classiques comme les diodes PIN ou les varactors sont ainsi reportés sur des circuits d'alimentation des antennes selon les techniques MIC (microwave integrated circuit). Une architecture innovante de coupleur reconfigurable à base de varactors est proposée, étudiée et théorisée. Ce coupleur hybride est associé à une antenne à double alimentation orthogonale. Le système complet permet une reconfiguration de la polarisation de l'onde rayonnée par l'antenne, allant d'une polarisation parfaitement linéaire à une polarisation circulaire. Les mesures de cette antenne montrent un rapport axial pour la polarisation circulaire de 0,8dB. Une seconde application proposée permet de réaliser électroniquement une variation sur un angle de 90° de la direction de polarisation d'une antenne. Les mesures montrent qu'une polarisation linéaire de qualité est conservée tout au long de la rotation. Dans une troisième étude, une antenne microruban est associée à deux éléments parasites sur un même substrat. En modifiant la réactance de charge des deux éléments parasites, une reconfiguration du diagramme de rayonnement de l'antenne est observée. Enfin, différentes solutions sont proposées pour alimenter un réseau linéaire. Une première solution utilisant deux coupleurs hybrides en mode réflexion et des diodes PIN permet de réduire le nombre de composants nécessaires à la conception. Un second déphaseur basé sur le coupleur reconfigurable et la méthode de la sommation des vecteurs en quadrature est étudiée. Ce déphaseur est associé à un réseau de deux antennes pour modifier l'angle de focalisation du réseau. Enfin, une solution totalement intégrée sur Silicium haute résistivité à 60 GHz utilisant des composants microsystèmes est étudiée et réalisée grâce au procédé micro-électronique de la société MEMScap. Les déphaseurs utilisent la technique des lignes commutées. Des commutateurs MEMS de type série et parallèles sont conçus, simulés et réalisés. Le système final occupe une place de 0,5*1mm².

Depuis 1954, où leffet piézorésistif a été découvert dans Silicium, la démarche pour mesurer la pression a changé et de nouveaux dispositifs avec des performances remarquables sont apparus sur le marché. Grâce au développement des microtechnologies, une nouvelle famille de capteurs de pression piézorésistifs miniatures sest ainsi progressivement imposée pour de nombreuses applications. Même si le principe de fonctionnement des capteurs de pression piézorésistif en silicium reste le même depuis de nombreuses années, loptimisation des capteurs pour une application donnée reste toujours une étape couteuse. Cest pourquoi de nombreux travaux ont été effectués pour développer des outils de conception les plus performants possibles afin de limiter les phases de validation expérimentales. Il existe ainsi sur le marché des logiciels de simulation 3D multiphysiques qui permettent de prendre en compte aussi bien les phénomènes thermomécaniques quélectriques qui sont nécessaires pour ce type de capteurs. Malgré les progrès constants dans la puissance de calcul des ordinateurs, loptimisation de ces capteurs par des méthodes de simulation élément fini peut savérer couteuse en temps si on veut prendre en compte lensemble des caractéristiques du capteur. Cest notamment le cas pour les jauges de contraintes en silicium dont le profil de dopage nest pas constant dans lépaisseur car les caractéristiques électriques et piézoélectriques dépendent du niveau de dopage. Les travaux de cette thèse portent donc sur le développement dun outil de simulation analytique qui permet dune part une optimisation rapide du capteur par une technique multi-objectif semi-automatique et dautre part une analyse statistique des performances pour estimer le rendement de fabrication potentiel. Le premier chapitre décrit le contexte de ces travaux de thèse. Le second chapitre présente le principe de fonctionnement du capteur ainsi que tous les modèles analytiques mis en oeuvre pour modéliser le c apteur. Ces modèles analytiques sont validés par des simulations élément finis. Le troisième chapitre porte sur loutil doptimisation et danalyse statistique développé dans un environnement MATLAB. Le quatrième chapitre décrit la fabrication et la caractérisation des cellules de tests dont le comportement est ensuite comparé aux modèles analytiques. Ces caractérisations ont permis de montrer notamment que les modèles utilisés généralement pour décrire la dérive thermique des piézorésistances présentaient des erreurs notables. Des structures de tests spécifiques ont ainsi été mise en oeuvre pour avoir des données plus fiables. Finalement la dernière partie du manuscrit donne les conclusions générales ainsi que les perspectives de ce travail.

Résumé. Ce mémoire concerne la modélisation analytique et l'optimisation d'actionneurs électrostatique basés sur une membrane. Le modèle analytique de fléchissement de la membrane mince de silicium, parfaitement encastrée, décrit par l'équation Lagrange/Newton pour les petites déflexions est présentée en prenant sur compte des phénomènes comme les contraintes résiduelles et les déflexions initiales de la membrane. Les réponses pour la pression uniforme sont obtenues grâce à la méthode de Galerkin et sont étudiées pour décrire le comportement de la membrane avec un modèle réduit. Les deux modèles sont analysés pour l'actionnement électrostatique et sont comparés sur le plan de la précision, le gamme d'usage, le temps des calculs et le facilité d'usage en phase d'optimisation. Puis, le modèle réduit est corrigé pour être complètement applicable pour un actionnement hydrostatique et électrostatique sans perte de précision et est comparé avec la simulation FEM réalisée dans l'ANSYS®. Les résultats obtenus permettent de déterminer les avantages et les inconvénients du modèle. En suite, le modèle analytique est utilisé pour développer un outil d'optimisation et de statistique sous MATLAB®. Ce dernier permet d'estimer l'influence de la dispersion des paramètres technologiques sur le comportement des actionneurs. Finalement la fabrication et la caractérisation de structures de tests ont été réalisées au LAAS-CNRS et ont permis la validation du modèle analytique.

La technologie de la microencapsulation comprend généralement deux procédés : les procédés de production de microgouttes/microémulsions et les procédés de leur encapsulation. A cause de difficultés de calibrer la taille de microgouttes, des microcapsules ont souvent une grande dispersion sur leur taille. La technologie microfluidique permet d'améliorer la monodispersité de microcapsules.<br />Cette thèse a pour objet la conception et la réalisation d'un système microfluidique pour la production de gouttes calibrées et leur encapsulation. La contribution de cette thèse consiste en trois aspects : le premier concerne les effets géométriques sur la formation de goutte ; le deuxième concerne la dynamique des écoulements, le comportement d'écoulement laminaire, les propriétés physico-chimiques des couples diphasiques sur la taille de gouttes, les lois corrélant la taille de gouttes. Troisièmement, un système microfluidique est conçu dans lequel le procédé complet de la microencapsulation est réalisé pour la fabrication de microcapsules monodisperses. Les perspectives d'applications sont nombreuses.

Au sein de l'équipe Microsystèmes Magnétiques du Laboratoire d' Electrotechnique de Grenoble, nous avons conçu et modélisé un micro-actionneur bistable entièrement intégré, ayant une partie mobile se déplaçant de 120 µm en moins de 500 µs et de surface inférieure à 10 mm². L'actionnement est magnétique. La partie mobile, constituée d'un micro-aimant en CoPt, se déplaçe verticalement sans aucun contact mécanique (lévitation) entre ses deux butées, également constituées de micro-aimants. La modélisation statique puis dynamique (6 DDL) a été faite grâce à deux logiciels : Dipole 3D et Mathcad. L'optimisation avec Pro@Design des paramètres géométriques du micro-actionneur a permis de fortement réduire le courant et donc l'énergie de commutation (20 µJ). Une étude thermique expérimentale et théorique du micro-actionneur montre que les conducteurs peuvent être alimentés par des impulsions de courant de 90000 A/mm² pendant 500 µs. Les briques de bases technologiques ont été mises au point et validées dans les salles blanches du CEA-LETI. Le micro-actionneur est en cours de prototypage.

La fin des années 1990 a été marquée par une profonde mutation des applications utilisant les systèmes électroniques radiofréquences et micro-ondes. Depuis, de très nombreux dispositifs innovants et performants ont été développés. Malgré leurs performances très attrayantes, les succès commerciaux de ces dispositifs restent limités en raison notamment de problèmes de fiabilité qui subsistent toujours et retardent leurs industrialisations. Cette étude concerne l'amélioration de la fiabilité des micro-interrupteurs à actionnement électrostatique dont le mécanisme de défaillance principal est lié à l'accumulation de charges dans les couches isolantes lors de l'actionnement. La thématique de cette thèse porte donc sur le développement d'outils de caractérisation permettant d'évaluer les performances des différents diélectriques utilisés dans les micro commutateurs RF capacitifs pour systèmes électroniques hautes fréquence. L'objectif de la première partie est de présenter à la fois des généralités sur les différents types de commutateurs RF, de passer en revue les mécanismes de chargement des diélectriques présents dans ces composants, puis de présenter les objectifs détaillés du travail de thèse. La seconde partie de nos travaux est dédiée à l'étude des caractéristiques physico-chimiques des différents dépôts de nitrure de silicium PECVD utilisés dans la filière technologique du composant, ainsi qu'à la description des pré-requis nécessaires à la mise en place des matériaux déposés par plasma, afin de relier le comportement électrique des couches à leur structure et leur composition. Une analyse de la composition chimique et de la stSchiométrie des films a été réalisée par analyse FTIR et RBS. Lors de la troisième partie une structure MIM est utilisée. Ce type de structure de test élémentaire présente des avantages par rapport à un micro commutateur RF : simplicité de fabrication, contrôle de la qualité du contact, suppression des effets mécaniques. Elle permet donc d'é tudier la réponse du diélectrique à se charger sans avoir à prendre en compte des défauts de contact ainsi que les effets mécaniques toujours présents dans un micro-commutateur. Enfin, les nano caractérisations par AFM sont présentées. Il s'agit d'une nouvelle méthode de caractérisation développée pour la première fois au LAAS pour évaluer la capacité d'une couche diélectrique à se charger sous champ élevé. En effet, cette technique a permis de tendre vers les conditions réelles d'utilisation du micro commutateur en réalisant une injection de charges localisée puis en suivant l'évolution spatio-temporelle des charges en condition de circuit ouvert.

Le but de ce travail de thèse est de réaliser un microswitch magnétique bistable à base d'aimants permanents. De nouveaux designs de tels microswitch ont été dessinés afin d'obtenir à la fois des forces de contact plus élevés et des courants de commutation plus faibles que les systèmes semblables existants déjà. Des logiciels de simulations magnétiques ont été utilisés afin d'évaluer le comportement statique et dynamique de ces micro relais. Des couches épaisses (>1 µm) de matériaux magnétiques durs hautes performances (NdFeB, SmCo) ont été déposées par pulvérisation cathodique triode. Cette technique de pulvérisation permet d'avoir des vitesses de dépôt élevées sur de grandes surfaces. Les conditions de dépôt et de traitements thermiques de ces couches ont été étudiés afin d'obtenir de grandes coercivités, de grandes rémanences et des textures particulières. Enfin, des briques de base technologiques ont été développées afin d'intégrer ces films magnétiques dans un process de microtechnologie et de réaliser finalement de nouveaux microsystèmes magnétiques. Ce travail est inclus dans le projet ANR Nanomag2 dont le but final est de fabriquer des micro-relais RF pour des applications spatiales.

L'association de la microélectronique sur silicium avec la technologie de micro-usinage a rendu possible la réalisation de systèmes sur puces complets. La technologie des MEMS permet le développement de composants intelligents ; elle ajoute à la capacité de calcul de la microélectronique, l'aptitude de percevoir et de contrôler des micro-capteurs et des micro-actuateurs. Le marché des accéléromètres est l'un des domaines des microsystèmes en pleine expansion. On trouve les accéléromètres principalement dans l'automobile, mais ils sont également utilisés dans de nombreux domaines publics et industriels. L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est la conception et la modélisation d'accéléromètres avec une technologie à faible coût : la technologie CMOS-FSBM.<br />Deux types de transductions compatibles avec cette technologie ont été retenus pour nos capteurs, la détection piézorésistive et la détection thermique. Une structure simple pour la transduction piézorésistive a été proposée. Elle permet la détection de l'accélération verticale. Un modèle a été proposé pour ce type d'accéléromètre à détection piézorésistive. Ce modèle est vérifié d'une part par des simulations par éléments finis et enfin par les résultats expérimentaux d'un premier prototype.<br />Le principe de la transduction thermique est basé sur le transfert de chaleur par convection. Cette transduction permet, elle, la mesure de l'accélération latérale. L'approche de modélisation a été de dégager des règles simples de conception pour ce type d'accéléromètre. Cette modélisation s'appuie, ici aussi, sur des simulations par éléments finis et sur les résultats expérimentaux d'un prototype.<br />L'étude préliminaire d'un accéléromètre trois-axes a enfin été abordée. Une première structure entièrement piézorésistive a été évaluée. Une seconde solution combinant les deux types de transductions piézorésistive et thermique a été proposée.