La lutte contre le terrorisme et le trafic de narcotiques sont devenus des enjeux sociétaux majeurs. Par exemple, l’identification rapide des colis piégés est aujourd’hui indispensable dans les lieux publics, motivant le développement de systèmes de détection de types nez électroniques. Ce travail de recherche, porte sur l’étude des transducteurs MEMS de type microleviers et SAW (surface acoustic wave), choisis parmi les différentes familles de biocapteurs existants pour leurs nombreux avantages tels que leur grande sensibilité à détecter tous types de molécules. Cette thèse est axée sur l’étude de ces deux types de MEMS en diamant combinés à des biorécepteurs olfactifs spécifiquement impliqués dans la perception et la reconnaissance des odeurs. Les propriétés physiques et chimiques exceptionnelles du diamant déposé sur leur surface ont permis le développement de détecteurs à la fois miniaturisés, robustes et sensibles. La chimie unique du diamant a permis en particulier d’immobiliser sur la surface de ces transducteurs différents types de biorécepteurs de type OBP (Odorant Binding Protein), MUP (Major Urinary Protein) et OR (récepteurs olfactifs) comme couche sensible. L’immobilisation de ces LBP sur les MEMS en diamant a été caractérisée par diverses techniques telles que la spectroscopie électrochimique d’impédance (EIS), la spectroscopie de fluorescence ou encore la spectroscopie XPS. Les performances des capteurs ont été suivies par vibrométrie laser dans le cas des microleviers et à l’aide d’un système d’acquisition commercial dans le cas des SAW, en mesurant les déplacements de fréquence de résonance lors d’exposition aux composés cibles. Une comparaison entre les différents types de LBP provenant de différentes espèces (mammifères, insectes) a été effectuée en termes de sensibilité lors d’exposition à des drogues et des composés explosifs. Les limites de détections (LOD) obtenues dans nos conditions de mesures se situent dans la gamme d’1µg jusqu’à 35 ng par exemple pour l’héroïne, en fonction des espèces cibles testées. La LOD du TNT est d’environ 100 ng. / Over the last decade, the need for resources devoted to counter terrorism as well as narcotic trafficking has grown. Thus the effective fight against those scourges requires the development of advanced physical and chemical detection systems and sensor systems such as electronic noses able to detect drugs and explosives compounds. In this context, ligand binding proteins (LBP) combined to diamond MEMS such as resonant microcantilevers and surface acoustic wave (SAW) sensors are foreseen as highly promising transducers for the design of label free biosensors in particular for the detection of small organic molecules. LBP are small proteins involved in the perception and recognition of odorant molecules. In this study, OBP (Odorant Binding Protein), MUP (Major Urinary Protein) and OR (olfactory receptor) were used to bind selected analytes. The carbon nature of diamond offers wide opportunities for stable grafting of such bioreceptors. The performances of these transducers present a real improvement in terms of speed, miniaturization and sensitivity. Immobilization of LBP on diamond transducers was investigated using fluorescence methods, electrical impedance spectroscopy (EIS) and X-Ray photoelectron spectroscopy (XPS). The sensing performances of the resulting biosensors were assessed by monitoring the frequency shift in real time upon exposure to the target molecules. We compared different kind of LBP, coming from vertebrates, insects, mutant or wild type in terms of sensitivity, selectivity and for their capability to bind odors, explosive and drug compounds. Within our experimental conditions, the detection of a wide variety of drugs and explosives was possible in the concentration range typically from 1 µg to e.g. 35 ng in the case of heroin, depending on the test substances. The limit of detection of TNT compound is about 100 ng.

The aim of this master’s thesis was to describe the basic measurement methods for measurement of inertial sensor, their physical principles and errors. The next step was to select a specific parameter, then test it on a number of sensors and evaluate the results. Measurement of inertial sensors is very important for the parametrization of their errors and their subsequent mathematical model by which it is possible to minimize their impact on inertial navigation. The practical part is dedicated to the measurement of stability of the offset. Data acquisition card NI-USB 6215, which can supply two accelerometers at the same time using analog outputs, was used for data acquisition and power supply. It was tested on seven inertial sensor from four manufacturers. Two connection methods with NI-USB 6215, by whose it was determined which one is better to suppress the crosstalk between channels, were used for measurement. The NI PXI 4462 was used to verify that the NI-USB 6215 card is sufficient. The parameters for description of the changes in inertial sensors were established, transition between the initial and final value of the output measurement, variance of the values on which the sensor fixates after 72 iterations, and the fixation time of the sensor.

This work is dedicated to principles of energy harvesting or scavenging from free energy around us. Energy harvesting principles are described in the first part. Following chapter is devoted to description of piezoelectricity and piezoelectric materials. Next part researches already reported results on piezoelectric energy harvesters. Following chapter shows simulations on designed structures in ANSYS® Workbench. Next the fabrication of the structures is described. Measurement are made regarding to maximum generated power.

The aim of this master’s thesis is to describe the basic measurement methods of micro-electromechanical inertial sensor, their physical principles and errors. Measurement of inertial sensors is very important for the parameterization of their errors and their subsequent mathematical model by which it is possible to minimize the measurement error impact on inertial navigation. The practical part is dedicated to create automated measurement setup for measurement stability of the offset. Hardware and software from National Instruments is used in measurement chain. The work is next focused on measuring seven inertial sensors based on three different physical principles. In addition to creating measurement setup, we also defined three inertial sensor parameters, describing theoretical behavior of the sensor output.

This master thesis deals with the technology anodic soldering. It focuses mainly on soldering sandwich glass-silicon structures. Describes the soldering method and highlights its advantages. Theoretically discusses the different methods used soldering these structures and assess their possible benefits. This work explores practical ways possible soldering methods on a particular device. These different soldering methods evaluated on the basis of achieved quality connections. This thesis examines the anodic soldering at low temperatures, while there are demands on the shortening of the technological process.

This thesis is concerned with attitude estimation of small flying robots using low cost, small-sized inertial and magnetic sensors. A quaternion-based extended Kalman filter is used, which adaptively compensates external acceleration. External acceleration is the main source of estimation error. If external acceleration is detected, the accelerometer measurement covariance matrix of the Kalman filter is adjusted. The proposed algorithms are verified through experiments. Selected algorithm is implemented on STM32F4DISCOVERY development board.

This thesis focuses on simulation modelling of a piezoelectric MEMS filter, which may be used as a part of cochlear implant. A model of this filter is created in the programme ANSYS. A research on experimental cochlear implants and materials suitable for this application is also included.

Ce travail de recherche porte sur le développement et la mise au point d'un récupérateur d'énergie vibratoire MEMS à transduction capacitive dédié aux applications biomédicales et plus particulièrement aux stimulateurs cardiaques sans sondes autonomes. Cette application impose une miniaturisation poussée (volume inférieur à 1 cm³), une puissance de sortie dans la gamme allant de 1 à 10 µW et une compatibilité vis-à-vis des systèmes d'Imagerie à Résonance Magnétique (IRM). Ces contraintes ainsi que l'effet de la gravité ont été pris en compte sur tout le flot de conception afin d'obtenir un dispositif innovant en technologie MEMS silicium capable de fournir une puissance de sortie suffisante quelle que soit son orientation une fois implanté. Afin de convertir efficacement les battements cardiaques ayant un spectre étendu (de 1 à 50 Hz) pour une amplitude d'accélération faible (inférieure à 1 g), le système emploie des bras de suspension ayant une raideur non-linéaire ce qui permet d'étendre notablement la bande passante effective du système. Cette non-linéarité est ici induite de manière originale en faisant en sorte que la forme initiale des bras de suspension soit une combinaison linéaire des modes de déformée propre d'une poutre doublement encastrée. Un soin particulier a été apporté afin de modéliser ceci dans le but de prédire la réponse mécanique du système quels que soient les stimuli imposés. Afin de réaliser les différents dispositifs de test, une technologie MEMS de type SOG (Silicon-On-Glass) a été développée. Cette technologie permet d'obtenir des structures en silicium monocristallin avec un fort rapport d'aspect tout en limitant le budget thermique et se montre donc compatible avec une éventuelle industrialisation. Ceci a été prouvé via la réalisation de multiples véhicules de test qui se sont montrés totalement fonctionnels. Ainsi la pertinence des modèles théoriques permettant de prédire le comportement non-linéaire des ressorts employés a été prouvée de manière expérimentale. De même, les récupérateurs d'énergie réalisés ont été testés en régime harmonique mais également via des stimuli cardiaques et ont montré une large bande passante avec une puissance de sortie équivalente à celle donnée dans l'état de l'art et ce, quelle que soit leur orientation par rapport à la gravité. / Present work addresses question of MEMS capacitive vibrational energy harvesting for biomedical applications, and notably for powering an autonomous leadless pacemaker system. Such an application imposes several critical requirements upon the energy harvesting system, notably the sufficient miniaturization (<1cm³), power output in range of 1-10 µW, compatibility with Magnetic Resonant Imaging (MRI). This work addresses a problematic of MEMS energy harvester design, simulation, fabrication and characterization fulfilling such a requirement. Moreover, a gravity effect is studied and taken into account in the conception of the device to ensure the power output at various orientations of the harvester. To attain a heartbeat frequencies (1-50 Hz) and acceleration amplitudes (<1g), the use of nonlinear springs is proposed. A nonlinear stiffness is implemented in original way of introducing a natural bending mode shapes in the initial beam form. A mechanical description of bending mode coupling along with its impact on a reaction force of the suspension springs is presented. An innovative clean room technology based on silicon-on-glass (SOG) wafers is developed for the fabrication of the innovative energy harvesters with high width-to-depth aspect ratio. A straightforward and rapid low-temperature process with the possibility of future industrialization is validated by multiple experimental realizations of miniaturized MEMS energy harvesters. Fabricated microsystems are tested mechanically and electrically. Proposed theoretical model of the curved beam is validated with reactive force measurements of the MEMS springs. Energy harvesting experiments are performed for both harmonic and heartbeat mechanical excitations, which demonstrate the large bandwidth in low frequencies domain and a sufficiently large state-of-the-art power output for envisaged application under different orientations with respect to the gravity.

Les matériaux ferroélectriques sont de bons candidats pour réaliser des microdispositifs photostrictifs, capables de se déformer mécaniquement sous éclairement. En effet, lorsqu’ils sont soumis à un rayonnement d’énergie supérieure à leur bande interdite, les charges photoinduites sont séparées par le champ électrique interne du matériau qui dépend de sa polarisation rémanente. Cette séparation de charges génère alors une modification photoinduite du champ électrique et par conséquent une déformation puisque le matériau ferroélectrique est aussi piézoélectrique. Dans cette thèse, le matériau ferroélectrique Pb(ZrₓTi₁₋ₓ)O₃ (PZT) a été choisi pour son coefficient piézoélectrique important. Des couches minces de PZT de haute qualité cristalline ont été déposées par ablation laser pulsé (PLD), et intégrées dans une géométrie capacitive, entre deux électrodes afin de contrôler électriquement les propriétés du matériau. Dans un premier temps, les propriétés piézoélectriques, diélectriques, ferroélectriques et de conduction électrique des couches minces de PZT ont été étudiées et ont montré l’influence des interfaces électrode/ferroélectrique. Les propriétés photovoltaïques des couches minces ont ensuite été étudiées, en fonction de la longueur d’onde d’excitation et de l’état de polarisation, et les résultats obtenus ont démontré l’importance de l’ingénierie sur les réponses photoinduites dans le PZT, notamment le choix de l’électrode supérieure et de la longueur d’onde d’excitation. Le choix de l’électrode supérieure s’est en effet révélé très important pour contrôler le signe des courants et tensions photoinduites ainsi que leur stabilité temporelle. Finalement, les déformations photoinduites dans des films minces de PZT après une impulsion UV ont été étudiées par diffraction des rayons X résolue en temps. L’une des avancées les plus importante de ces travaux réside dans le contrôle in situ de la photostriction (à la fois du signe et de l’amplitude des déformations photoinduites) en faisant varier l’état de polarisation. En considérant les différentes contributions intervenant dans le champ électrique total dans la couche mince, un modèle a été proposé pour expliquer le rôle de la polarisation dans la photostriction. Pour aller plus loin dans l’étude et le contrôle de la photostriction et son optimisation, plusieurs approches ont été explorées, comme la modification de la polarisation rémanente, de la longueur de pénétration des UV, de la fréquence d’excitation UV ou de l’interface électrode/PZT, qui ont montré des effets plus ou moins forts sur la dynamique et l’amplitude de la réponse photostrictive. / Ferroelectric materials are good candidates for photostrictive actuators that deform under illumination. When illuminated above the bandgap energy, photoinduced charges will be separated by the internal electric field of the material, which depends on its remnant polarization. This separation leads to both a photoinduced modification of the electric field and a deformation since a ferroelectric material is also piezoelectric. In this thesis, the ferroelectric material Pb(ZrₓTi₁₋ₓ)O₃ (PZT) was chosen for its high piezoelectric coefficient. PZT thin films of high crystalline quality were grown by pulsed laser deposition (PLD), and integrated in a capacitance geometry between two metallic electrodes to enable the control of the material properties. First, the ferroelectric, dielectric and transport properties were studied to determine the influence of the electrode/ferroelectric interface. The photovoltaic behavior of PZT thin films was subsequently investigated, specifically its dependence on the incident wavelength and the polarization state. The results show that photoinduced response in PZT can be engineered. The choice of the electrodes and the incident energy were found to be particularly important in controlling the sign of the photoinduced current and voltage as well as the temporal stability of the device. Finally, the photoinduced deformation of a PZT thin film after a UV was studied by time-resolved X-ray diffraction. The novelty of this work comes from the in-situ control of the photostriction (both in sign and amplitude) by manipulating the polarization state. By considering the competition between the different components of the total electric field present in the sample, a model was proposed to determine the polarization’s contribution on the photostriction. In order to further control and optimize the photoinduced strain in devices, various approaches were studied, such as tuning the remnant polarization, the UV depth penetration and UV pulses frequency, and developing asymmetric electrodes, and all these approaches were found to affect dynamics and amplitude of photostriction.

This paper presents the development of building up a controlled MEMS acceleration sensor. The first samples have archived a resolution of better than 500 ug and a bandwidth of more than 200 Hz. A theoretical model is built from the physical principles of the complete sensor system, consisting of the MEMS sensor, the charge amplifier and the PWM driver for the sensor element. A reduced order model of the system is used to design a robust control with the Mixed-Sensitivity H-infinity Approach. Limitations for the control design are given since the system contains time delays and an unstable pole imposed by the electrostatic spring softening effect. The theoretical model might be inaccurate or lacks of completeness, because the parameters for the theoretical model building vary from sample to sample or might be not known. A new two-stage identification scheme is deployed to obtain directly the system parameters from the samples. The focus of this paper is the complete system development and identification process including practical tests in a DSP TI-TMS320C3000 environment with 12/14-bit A/D-D/A converters. / Der Artikel beschreibt die Entwicklungsschritte eines geregelten MEMS-Beschleunigungssensors. Die ersten Prototypen erreichten dabei eine Auflösung von weniger als 500 ug und eine Bandbreite von mehr als 200 Hz. Ein theoretisches Modell für den Reglerentwurf wird aus den physikalischen Zusammenhängen des Gesamtsystems, bestehend aus dem mechanischen Sensorelement, dem Ladungsverstärker und der PWM-Treiberstufe, gebildet. Für den Reglerentwurf wird der H-Infinity Mixed-Sensitivity Approach verwendet. Wegen Systemtotzeiten und dem Effekt der elektrostatischen Federerweichung sind Grenzen für die Wahl der Bandbreite zu beachten. Da Parameter für das theoretische Modell stark variieren oder schwer zu bestimmen sind, wird eine 2-Stufen-Identifikationsmethode vorgeschlagen, um ein Modell für den Reglerentwurf zu erhalten. Praktische Tests wurden mit einem DSP TI-TMS320C3000 mit 12/14-Bit A/D-D/A Wandlerstufen durchgeführt.