Dans le cadre de la thèse, l'étude porte sur le développement de microbatteries lithium tout solide, dans l'objectif d'alimenter les microsystèmes radiofréquences. On s'est intéressé particulièrement à la miniaturisation et à certains aspects de l'intégration de ces microbatteries. Une première étape a consisté à établir une étude physiochimique des couches actives, et particulièrement l'électrode positive en pentoxyde de vanadium (V2O5), et d'évaluer le comportement électrochimique de ce composé au sein de la microbatterie. Le suivi du matériau par différentes méthodes de caractérisation pendant la phase de croissance a permis l'observation de variations significatives de ses propriétés structurales et morphologiques. Une corrélation a été établie entre ces caractéristiques physiochimiques et le comportement électrochimique à la fois en électrolyte liquide et solide (V2O5/LiPON/Li). Un procédé de microfabrication a été ensuite proposé pour la miniaturisation des microbatteries. Le procédé comporte plusieurs briques technologiques faisant appel à la photolithographie et différentes techniques de gravure. Un protocole expérimental a été établi afin d'optimiser, qualifier et valider le développement de chaque brique technologique, et de rendre compte de la fonctionnalité des dépôts actifs après microfabrication. La conception de microbatteries a été finalement réalisée en se basant sur le cahier des charges du microsystème radiofréquence considéré et en tenant compte du procédé de microfabrication développé. / Within the context of this thesis, achieved works focuses on developing all solid state thin film microbatteries, with the aim of powering radio frequency microsystems (RF MEMS). It was particulary interested on the miniaturization and specific aspects of the integration of these microdevices. A first step xas related to physicochemical investigations on active layers. It has been particulary focused on the positive electrode of vanadium pentoxide (V2O5), so as to assess the electrochemical behaviour of this compound within the microbattery architecture. The monitoring of the material through several characterization techniques during the growth phases has allowed the observation of changes in its structural and morphological properties. A correlation was established between these physicochemical characteristics and the electrochemical behavior in both liquid and solid electrolyte configurations. A microfabrication process was then proposed for the miniaturization of microbatteries. The process involves several process blocks using photolithography and etching techniques. An experimental protocol has been established to optimize, qualify and validate the development of each process block, and investigate the functionality of deposited active layers after microfabrication steps. The design of microbatteries was finally achieved on the basis of the specifications of the selected RF MEMS and taking into account the developed global microfabrication process flow.

La notion de micro-systèmes est née avec la microélectronique, mais n'a jamais connu le même essor. Les raisons de cette différence de développement sont nombreuses : multiplicité des domaines à maîtriser, complexité des circuits de traitement du signal nécessaires, et surtout manque de procédés de fabrication standards. Jusqu'à nos jours, pour presque chaque circuit micro-système conçu puis réalisé, un procédé de fabrication spécifique a dû être développé en Laboratoire. En outre, en raison du manque de marché apparent pour ce type de composant, rares sont les applications qui ont pu être industrialisées, les investissements nécessaires étant trop importants. Les micro-systèmes sont donc, depuis leur naissance, restés des sujets de recherche en laboratoire, et n'ont pu connaître de phase d'industrialisation. Le but de mon travail de recherche a été l'utilisation des capacités et des compétences offertes par l'industrie de la microélectronique (technologie de fabrication, outils et méthodes de conception, de simulation et de test), pour concevoir et réaliser des circuits micro-systèmes monolithiques, grâce au procédé de gravure anisotropique du silicium cristallin, il est possible d'obtenir des éléments suspendus sur des micro-cavités à partir de puces fabriquées avec des technologies VLSI. Ces éléments peuvent être utilisés pour réaliser des fonctions micro-électroniques. Ce procédé de gravure a été étudié et caractérisé, et des règles de dessin pour la conception et la fabrication de structures suspendues ont été établies. Un environnement de conception assisté par ordinateur, basé sur le logiciel CADENCE, a de plus été développé afin de rendre ce procédé de fabrication accessible à tous les concepteurs.

Les microsystèmes intégrant des techniques microfluidiques offrent la possibilité de réaliser des analyses biologiques directement sur le site de prélèvement de l’échantillon. Ils ont pour objectifs notamment d’augmenter l’efficacité, la rapidité et l’accessibilité de ces tests. Pour développer efficacement un tel dispositif, un ensemble de critères doit être fixé tels que la limitation du coût, la portabilité, la simplicité d’utilisation et la précision des résultats. Un objectif de cette thèse est également de proposer un nouveau système portable permettant de répondre à un maximum d’applications. Pour cela, il convient d’intégrer et d’automatiser des protocoles biologiques complexes c’est-à-dire nécessitant l’ajout de plusieurs réactifs et des réactions en parallèle. A titre d’exemple, les tests ELISA sont abordés.Pour répondre à cette problématique, une technique innovante utilisant un matériau hyperélastique est combinée à une architecture X-Y. Des chambres étirables, permettant de calibrer et de mélanger des volumes compris entre 1 µL et une centaine de µL, sont ainsi réalisées. Différents protocoles sont intégrés et validés par ordre de complexité croissante dans des cartes microfluidiques en commençant par une gamme de dilution qui est la première étape pour la calibration des protocoles biologiques, puis un test enzymatique et un test ELISA homogène, avant d’aborder le test ELISA hétérogène qui est le protocole visé.Un démonstrateur permettant de piloter les cartes microfluidiques est ensuite présenté. Cette plateforme est générique et compatible avec les cartes microfluidiques développées. Enfin, pour automatiser complétement la mise en œuvre des protocoles, une nouvelle technique d’embarquement de réactifs liquide est proposée. / Microsystems utilizing microfluidic techniques offer the possibility to perform point-of-need biological analysis. An objective of these systems is to increase the efficiency, speed and accessibility of these analyses. In order to effectively develop this kind of device, a set of criteria must be established and adhered to. This set should address cost limitations, portability, user-friendliness, and accuracy of the results. Another objective is to propose a new portable system that has the capability to address as many applications as possible. To this end, complex biological assays with multiple steps and multiple reagents must be integrated and automated. ELISA is one such assay being considered.To deal with this issue, an innovative technique employs a hyper-elastic material joined to an X-Y architecture. The resulting chambers are flexible, thus allowing for calibration and mixing on the range of 1 µL to hundreds of µL. Several protocols are integrated and validated in microfluidic chips in order of increasing complexity. To start, a range of dilutions is performed, which is then used to calibrate biological assay. Next, an enzymatic assay and a homogeneous ELISA are integrated. Finally, heterogeneous ELISA, which is the aimed assay, is achieved.We present here a prototype to demonstrate the handling of the microfluidic chip. This platform is versatile and compatible with those that have been previously developed. Additionally, the introduction and integration of liquid reagents is proposed in order to completely automate the protocol.

Cette thèse se situe dans le domaine de la microélectronique à haute température, et concerne particulièrement les applications industrielles à bas coût et grand volume de production. A partirde l'étude de la physique des composants semiconducteurs et des<br />matériaux pour la microélectronique, cette thèse élargit jusqu'à environ 250C la plage de température d'utilisation des technologies CMOS et BiCMOS standards, sur substrat de silicium, à travers des techniques de conception de circuits intégrés, sans toutefois modifier les procédés de fabrication. Les études et les tests ont été expérimentés sur une technologie CMOS et une technologie BiCMOS commerciales. Deux applications industrielles, représentatives du marché potentiel des applications des circuits intégrés à haute température, ont permis de vérifier dans la pratique les résultats théoriques obtenus.

Considérant les systèmes microélectroniques actuels, circuits comprenant des millions de transistors, cartes électroniques multi – couches et les MCMs (Modules Multi-puces), les activités de test et de diagnostic, que ce soit pour la validation de prototypes ou la maintenance, prennent de plus en plus d'importance et sont de plus en plus difficiles à réaliser.<br />Certes, l'adoption du standard IEEE 1149.1, plus connu sous le label Boundary Scan (BS) a permis de résoudre une grande partie des problèmes posés par les difficultés d'accès aux nœuds à tester, en remplaçant l'accès mécanique par un accès électronique. Mais actuellement le maché est loin d'être exclusivement fourni en composants munis de ce standard . par conséquent, on assise à l'apparition de systèmes hétérogènes du point de vue de la testabilité, composés de parties BS et d ‘autres non BS, pour lesquels il faut développer des méthodes de test et de diagnostic rencontrés dans ce type de systèmes.<br />Nous proposons dans le cadre de ce travail une méthodologie globale ainsi que son implémentation permettant de rapprocher cet objectif. Elle permet la génération et l'ordonnancement de séquences de test optimales permettant la détection de fautes à la fois dans les conglomérats de circuits BS et non BS, ainsi que sur leurs inter-connexions. Les modèles de collage logique, coupure et court-circuit sont pris en compte.<br />Au niveau du diagnostic, une première estimation des candidats à la faute est effectuée à l'aide d'une approche semi-qualitative. Le diagnostic est ensuite raffiné à l'aide d'une stratégie de recherche des meilleurs nœuds à tester, basée sur l'utilisation de la logique floue.<br />Cette méthodologie, qui s'applique aussi bien aux cartes qu'aux MCMs a été implémentée sous forme d'un outil interfacé avec des ATPGs commerciaux. Les résultats expérimentaux obtenus confirment la validité de l'approche.

Nous présentons ici un nouveau type de capteurs chimiques dont le principe repose sur la modification des propriétés mécaniques d'une micropoutre recouverte d'une couche sensible. L'adsorption d'espèces chimiques par cette couche modifie sa fréquence de résonance mais également sa courbure. La modélisation analytique des phénomènes physiques mis en jeu a permis l'optimisation de la géométrie des structures. Pour réaliser la mesure de la fréquence de résonance des micropoutres, celles-ci ont été insérées dans un oscillateur à contre-réaction. Les résultats expérimentaux ont mis en évidence la diminution de la fréquence de résonance en fonction de la masse additionnelle lors des dépôts de la couche sensible. Enfin, des détections de vapeur d'éthanol ont été réalisées. Les résultats obtenus ont ensuite été comparés aux modèles analytiques validant ainsi les mises en équation effectuées

L'utilisation croissante de MEMS dans des applications dont le mauvais fonctionnement aurait un impact important sur la sécurité ou la vie des personnes a accéléré le besoin de méthodes robustes de test. Les mécanismes de défaillance et les dynamiques de MEMS sont complexes et plus souvent mal compris. C'est dû à leur nature multi-physique qui les rend complexes pour la conception et le test. La fabrication en outre est compliquée par le besoin de nouvelles étapes de fabrication en particulier quand des techniques de System-in-Package (SiP) sont employées. Ces techniques d'encapsulation posent beaucoup de problèmes de test. Dans ce secteur, les techniques de BIST des circuits analogiques et mixtes ont attiré un intérêt industriel considérable pour aider à réduire les difficultés de test. Dans cette thèse nous proposons un BIST fonctionnel pseudo-aléatoire pour MEMS. Nous présentons l'utilisation des impulsions électriques pseudo-aléatoires qui ont l'avantage d'être facilement produit sur-puce. Nous montrons comment différents types de stimuli pseudo-aléatoires peuvent être exploités en vue de BIST pour les MEMS linéaires et non linéaires. En général, nous prouvons que les séquences pseudo-aléatoires à deux niveaux sont suffisantes pour examiner les MEMS linéaires et non linéaires. En outre, alors que les séquences à deux niveaux sont suffisantes pour caractériser les MEMS linéaires, nous décrivons comment l'utilisation des séquences pseudo-aléatoires à multi niveaux est nécessaire pour la caractérisation des MEMS non linéaires. La réponse de test est digitalisée en utilisant un CAN intégré et autotestable, et un circuit numérique simple vient après pour calculer des échantillons de la réponse impulsionnelle de MEMS linéaire, ou des échantillons du noyau de Volterra de MEMS non linéaire. Après, ces échantillons (appelés signature de test) sont comparés avec leurs intervalles de tolérance et finalement un signal binaire est produit par le BIST pour indiquer si le MEMS a passé où échoué le test. Nous employons les simulations Monte Carlo pour dériver les intervalles de tolérance de la signature de test. Les simulations Monte Carlo sont également employées pour former la signature de test en effectuant une analyse de sensibilité, et pour injecter les variations paramétriques pour calculer les métriques de test et optimiser les paramètres de conception du BIST pseudo-aléatoire. Nous avons appliqué le BIST pseudo-aléatoire pour des MEMS tel que les accéléromètres commercialisés et des micropoutres fabriquées au sein du Group RMS. Des résultats expérimentaux satisfaisants ont été obtenus.

Dans un contexte de développement durable et d’automatisation de notre environnement, l’utilisation de capteurs sans-fil distribués est croissante. Hors l’usage et le remplacement de piles s’avère coûteux. La consommation énergétique de plus en plus faible de l’électronique rend l’extraction énergétique de l’énergie ambiante envisageable. La chaleur résiduelle est une source d ’énergie intéressante puisqu’elle est la forme finale de la majeure partie de l’énergie utilisée par l’humain. Cependant, à petite échelle, seuls les éléments thermoélectriques sont disponibles. Les présents travaux s’intéressent donc à explorer et comparer des mécanismes de génération alternatifs. Puisque la majorité des mécanismes de transduction alternatifs sont dynamiques, leur utilisation requiert une transformation de l’énergie thermique continue en oscillations. Les mécanismes étudiés ont donc tous en commun de posséder un oscillateur thermique en plus d’un mécanisme de transduction vers la forme d ’énergie électrique. Parmi les divers mécanismes identifiés, deux sont étudiés en détails pour comprendre leurs comportements ainsi que connaître leur efficacité et leur puissance potentielle. Le premier générateur étudié théoriquement est basé sur le changement de ferromagnétisme d’une masse suspendue par des ressorts au-dessus d’un aimant. Les comportements du modèle développé correspondent aux comportements reportés dans la littérature. Deux paramètres de conception principaux ont été identifiés, perm ettant un contrôle de la fréquence, de la plage de températures d’opération. De plus le mécanisme peut opérer avec de faibles différences de température et des températures proches de l’ambiant, ouvrant la porte à des applications utilisant la chaleur du corps humain. L’utilisation de matériau pyroélectrique comme mécanisme de transduction pourrait offrir des densités de puissance électrique envisageables de l’ordre de 1 m W / c m 3. Le second générateur étudié expérimentalement est basé sur l’évaporation explosive d’un liquide surchauffé en absence de sites de nucléation. Un premier prototype a permis de démontrer, pour la première fois, le fonctionnement d’un tel cycle. Une étude de l’effet de la température de la source de chaleur et de l’effet du débit de liquide montre qu’une zone d’opération idéale est présente. La puissance de sortie maximale mesurée est de l’ordre de 1.6//W. Des améliorations sont proposées pour faire croître cette puissance de deux ordres de grandeur. Finalement, l’utilisation du pompage capillaire pour rendre le système autonome est démontré, mais reste sensible aux variations de conditions. Finalement, l’étude des dispositifs montre que les microgénérateurs à base d’oscillateurs thermiques peuvent présenter un intérêt, par rapport aux éléments thermoélectriques, dans les applications où les températures sont faibles ou incertaines. Cependant, ces mécanismes souffrnt d’une très faible efficacité causée par les multiples transformations énergétiques à faible couplage. [symboles non conforme]

Cette thèse concerne la construction d’un microrhéomètre. Il assure la mesure des propriétés viscoélastiques linéaires des fluides complexes sur une large gamme de fréquence (de 1Hz à 100kHz). Afin de répondre à la problématique de mesure des propriétés rhéologiques de petites quantités de fluide pour des gammes de fréquence étendues, la dynamique en milieu liquide des microstructures résonantes en silicium a été analysée. A cette échelle micrométrique, les vibrations de micropoutre dépendent non seulement des propriétés de la microstructure (géométrie, matériaux) mais aussi des propriétés du fluide environnant (densité, viscoélasticité). En effet, de façon schématique, la présence du fluide se traduit par deux phénomènes : un phénomène d’inertie (‘effet de masse’) et un phénomène dissipatif (‘effet de pertes visqueuses’). Ainsi l’analyse de la réponse fréquentielle des microstructures mobiles permet de remonter aux propriétés des fluides en fonction de la fréquence. / Abstrac

Les Dispositifs Médicaux d’Injection (DMI) se développent de plus en plus. De nouveaux dispositifs apportent des innovations en terme de performances et d’utilisation par rapport aux seringues classiques. Le DMI développé par Eveon est un dispositif bio-inspiré possédant des capteurs, une micropompe, un flacon et une aiguille. Il permet une injection automatique, précise au microlitre garantissant une faible perte de liquide médicamenteux grâce aux techniques de miniaturisation utilisées dans la fabrication des microsystèmes. En effet, une micropompe à membrane en silicium intégrant des capteurs a été réalisée par des procédés issus de la microélectronique. Deux types d’actionneurs ont été couplés à la membrane : un actionneur bimétallique intégré et un actionneur piezoélectrique externe. Dans le cas de l’actionneur bimétallique, des thermo-résistances ont été conçues, fabriquées et caractérisées pour permettre de mesurer le profil thermique de la membrane lors de l’actionnement avec une erreur de 5%. Dans le cas de l’actionneur piezoélectrique externe, des piezorésistances ont été intégrées selon l’axe radial de la membrane afin de contrôler le profil de contraintes dans la membrane, asservir l’actionneur en fonction de la contre-pression et maximiser les caractéristiques de la pompe. Afin d’assurer la délivrance d’une dose précise de médicament, un capteur de débit est intégré dans les canaux microfluidiques de la micropompe. Ce capteur innovant permet de détecter des débits de liquide dans la gamme spécifiée par les dispositifs médicaux d’injection, à savoir une plage de débit allant de 0.5mL/min à 4mL/min. / Injection Medical Devices are more and more developed. New devices bring innovations in terms of performances and use for classical syringes. Eveon develops a bio-inspired device including some sensors, a micropump, a reservoir and a needle. This automatic injection can be microliter precise with a small loss of medical liquid thanks to microfabrication techniques used for microsystems. Indeed, a silicon membrane micropump integrating sensors was fabricated using processes from microelectronic fabrication. Two actuation types were coupled to the membrane: an integrated bimetallic actuator and an external piezoelectric actuator. In the case of the bimetallic actuator, thermo-resistances were designed, fabricated and characterized to measure the thermal profile of the membrane during the actuation with a 5% error. In the case of piezoelectric actuation, piezoresistances were integrated within the membrane profile along the radial axis to control its stress, feedback the actuation as a function of the pressure and maximize the pump characteristics. To ensure that the dose of medicine was delivered, a flow rate sensor was integrated in the microfluidic channels of the micropump. This innovative sensor can detect liquid flow rate in a range specified for injection medical devices, namely flow rates from 0.5mL/min to 4mL/min.