Ces travaux de recherches s’inscrivent dans le cadre d’une amélioration du bilan de liaison des données de télémesures sur les lanceurs spatiaux. Pour cela, un dispositif d’antenne à pointage électronique a été choisi. Celui-ci utilise un réseau de quatre antennes patchs alimentés par un prototype composé d’un diviseur de puissance 1 vers 4 et de quatre déphaseurs. Les états de phases choisis pour chacun des déphaseurs sont 0°, 90° et 180°. Après une étude bibliographique, les meilleurs déphaseurs pouvant assurer cette fonction sont les déphaseurs à base de coupleur hybride. Grâce à l’utilisation de MEMS-RF dans ces circuits, il est n’est pas nécessaire de rajouter des amplificateurs de puissance, car ces composants sont faibles pertes RF et linéaires. Plusieurs topologies de déphaseurs à base de coupleur hybride utilisant ces commutateurs ont été étudiés. D’après cette étude, il a été possible de réduire la taille des circuits sans détériorer les performances RF, ce qui nous a permis d’en choisir deux d’entre eux. Un commande à distance est nécessaire pour ces dispositifs alors une boîte à relais a été choisie pour assurer ce rôle. Le premier prototype est composé d’un diviseur de puissance qui a été commandé et de quatre déphaseurs fabriqués. Le deuxième prototype est entièrement intégré sur puce, ce qui a permis de réduire la surface du dispositif ainsi que d’améliorer les pertes RF. Ces travaux ont donc pu montrer la faisabilité de fabriquer un prototype simple, faible pertes, et linéaire. / These research works is within the context of an improved link budget telemetry data on space launchers. For this device, an electronically steerable antenna was chosen. It uses an array of four patch antennas supplied by a prototype composed of a power splitter 1 to 4 and four phase shifters. For each selected phase shifters, the phase states are 0 °, 90 ° and 180 °.After a bibliographical study, the best phase shifters that can perform this function are the shifters based on hybrid coupler. Thanks to the use of RF-MEMS in these circuits, it is not necessary to add power amplifiers because these components are linear and present low RF losses. Several topologies of phase shifters based on hybrid coupler using RF-MEMS were studied. According to this study, it was possible to reduce the size of circuits without damaging the RF performance, which allowed us to choose two of them. A remote control is needed for these devices to relay box then was chosen for this role. The first prototype consists of a power divider which was commissioned and produced phase shifters. The second prototype is fully integrated on-chip, which has reduced the device surface and improves the RF losses.These studies were able to demonstrate the feasibility to produce a simple linear prototype with low RF losses.

Ce manuscrit traite de la fiabilité de micro-composants électro-mécaniques que l'on appelle des MEMS (Acronyme anglais signifiant Micro-Electro-Mechanical Systems). Les MEMS sont utilisés dans un grand nombre de domaines et le domaine qui nous concerne est celui des télécommunications. Plus précisément, notre domaine de travail se situe autour des radio-fréquences où les MEMS vont principalement réaliser des fonctions de commutation. On appellera ainsi nos composants des MEMS-RF, RF signifiant Radio-Fréquence. Dans ce domaine, les MEMS sont des candidats à fort potentiel grâce à une faible consommation de puissance, leur performance dans le domaine RF, leur encombrement et leur poids. De plus, en utilisant un procédé de fabrication dérivé de celui des semi-conducteurs, leur coût de production reste relativement faible. Dans ce manuscrit, on s'intéresse à la fiabilité de ces composants car c'est le dernier verrou avant une éventuelle industrialisation. Les principaux mécanismes de défaillance sont abordés dans une première partie, puis ce manuscrit se concentre sur l'étude du fluage mécanique et des facteurs d'accélération de modes de défaillance. On verra notamment l'influence de la température et des conditions de fonctionnement sur la durée de vie des commutateurs. / The thesis deals with reliability of tiny electro-mechanical components called MEMS. MEMS stands for Micro-Electro-Mechanical Systems. These components, designed for switching applications, are suitable candidates for telecommunications due to their low power consumption, Radio-Frequencies (RF) performances, compactness and lightness. A MEMS is fabricated using processes of integrated circuit manufacturing that makes its cost relatively low. Few of these components are commercially available and more are expected to be in the market as soon as reliability issues will be solved. Reliability issues studied in the thesis regard mechanical creep and acceleration factors. The mechanical creep occurs in our suspended structures whilst enduring a constant force, it results in deformation of structures and shift of parameters. Two innovative test benches are developed to assess mechanical creep in RF-MEMS switches. The acceleration factors are keys to conduct accelerated testings and predict lifetime of RF-MEMS switches. Parameters such as bias voltage, input-to-output voltage, temperature are varied to assess lifetime of switches and extract these acceleration factors.

Au cours des dernières années, l’essor spectaculaire des microsystèmes (ou MEMS), qui touche tous les domaines industriels, est à l’origine de nombreux et nouveaux progrès technologiques. Néanmoins, dans ce contexte prometteur de large envergure, la fiabilité des MEMS s’avère être la problématique à améliorer pour franchir la phase d’industrialisation à grande échelle. C’est dans le cadre de cette thématique de fiabilité des microsystèmes, que s’inscrit ce travail.La température étant un paramètre majeur entrant dans de nombreux mécanismes d’endommagement des MEMS, notre étude présente la conception et la réalisation d’un banc de thermographie infrarouge de haute résolution (2 µm), associé à la mise en œuvre d’une méthodologie d’analyse et de traitement des mesures infrarouges.Ce dispositif innovant permet un diagnostic in-situ, sans contact et rapide des défaillances des MEMS par mesures locales et quantitatives des pertes thermiques associées. Cet outil constitue une avancée importante pour détecter, mesurer et comprendre les mécanismes d’endommagement des MEMS. Il nous permet de reconstituer des images thermiques de tout type de microsystème en cours de fonctionnement ou soumis à des tests de vieillissement accéléré, et ceci afin de réaliser une analyse fine et rapide de leur fiabilité.Ce travail apporte de nouveaux résultats en ce qui concerne la détection des mécanismes de défaillance de différents types de MEMS-RF et tout particulièrement des MEMS-RF avec contact électrique. / Over the last few years, considerable effort has gone into the study of the failure mechanisms and reliability of MicroElectroMechanical Systems (MEMS). MEMS performance and reliability are affected by many parameters, such as the complex physical interactions between thermo-mechanical deformation, current flow, high power actuation and contact heating. In particular, temperature is a key issue for the design of a low loss and reliable MEMS. In order to improve device reliability it is essential to understand the thermal behaviours of RF-MEMS under standard or harsh current conditions. In this work, we present a new approach to investigate the failure mechanism of MEMS. An original set-up has been developed to localise and measure the heat loss of MEMS during actuation. Thermal characterization has been performed using infrared thermography to investigate the thermal sensitivity of MEMS. A brand new infrared bench was developed for temperature distribution measurement. An infrared camera, operating in the 1,5 - 5 µm bandwidth, was coupled to a new specific optic to reach an enhanced spatial resolution better than 2 µm/pixel. This work presents several results obtained on different advanced RF-MEMS including RF-MEMS switches where failure mechanism had been diagnosed.

De nos jours, les antennes sont de plus en plus complexes en raison notamment de la nécessité de réaliser une reconfigurabilité en fréquence et/ou en diagramme. Les réseaux réflecteurs et les surfaces sélectives en fréquence sont des candidats particulièrement intéressants pour couvrir les besoins actuels. Cependant, en raison de leur grande taille et de la complexité géométrique croissante de leurs cellules élémentaires, l‘analyse électromagnétique complète de ces structures rayonnantes nécessite énormément de ressources informatiques (mémoire) et exige des temps de calcul prohibitifs, notamment lorsque des éléments de commande tels que des MEMS-RF sont intégrés au sein des cellules. Les techniques numériques classiques basées sur un maillage (spatial ou spectral) systématique ne parviennent pas à simuler de manière efficace de telles structures multi-échelles et nécessitent souvent des ressources informatiques difficiles d’accès pour le concepteur d'antennes. Une technique originale baptisée « Scale Changing Technique (SCT) » tente de résoudre ce problème en segmentant le réseau en de multiples domaines imbriqués les uns dans les autres et présentant divers niveaux d'échelle. Le multi-pôle par changement d’échelle, appelé « Scale Changing Network (SCN) », modélise le couplage électromagnétique entre deux niveaux d’échelle successifs. Ce multi-pôle peut être calculé en résolvant les équations de Maxwell à partir d’une Formulation par Equations Intégrales. La mise en cascade des multi-pôles par changement d’échelle permet alors le calcul de la matrice impédance (ou admittance) de surface du réseau complet. Cette matrice peut à son tour être utilisée pour simuler la diffusion électromagnétique d’une onde incidente par le réseau. Le calcul des différents multi-pôles par changement d’échelle peut être effectué séparément de sorte que le temps de simulation du réseau complet peut être considérablement réduit en parallélisant le calcul. Par ailleurs, la modification de la géométrie de la structure à une échelle donnée, lors de la phase de conception, nécessite seulement le calcul de deux multi-pôles par changement d’échelle et ne requiert pas une nouvelle simulation de toute la structure. Cette caractéristique fait de la SCT un outil de conception modulaire. Dans le cadre de cette thèse, la SCT a permis de tenir compte de la taille finie des réseaux et de modéliser efficacement les couplages électromagnétiques entre les cellules élémentaires. Des réseaux réflecteurs uniformes et non uniformes ont été simulés par la SCT et les performances numériques de la méthode ont été analysées. / Future antenna architectures especially for space applications are becoming more and more complex due to the need of reconfigurability. This reconfigurability is needed in terms of frequency, reliability, radiation pattern and power consumption. In this context, reflectarrays and frequency selective surfaces (FSSs) are particularly the hottest domains of RF design. The accurate analysis of electromagnetic (EM) scattering from such type of complex finite-sized reflectarray antenna structures is of great practical interest. However due to their large electrical size and complex cellular patterns specially when tuning elements such as RF-MEMS are also integrated within the array elements, conventional full-wave EM analysis of such multiscale structures either fail or require enormous amount of computational resources to resolve prohibitively large number of unknowns. Moreover the characterization of large structures would normally require a second step for optimization and fine-tuning of several design parameters, as the initial design procedure assumes several approximations. Therefore a full-wave analysis of the initial design of complete structure is necessary prior to fabrication to ensure that the performance conforms to the design requirements. A modular analysis technique which is capable of incorporating geometrical changes at individual cell-level without the need to rerun the entire simulation is extremely desirable at this stage. An indigenous technique called Scale Changing Technique (SCT) addresses this problem by partitioning the cellular reflectarray geometry in numerous nested domains and subdomains defined at different scale-levels in the array plane. Multi-modal networks, called Scale Changing Networks (SCNs), are then computed to model the electromagnetic interactions between any two successive partitions by method of moments (MoM) based integral equation approach. The cascade of these networks allows the computation of the equivalent surface impedance matrix of the complete array which in turn is utilized to compute far-field radiation patterns. Full-wave analysis of both passive and active (electronically tunable by RF-MEMS) reflectarrays has successfully been performed by the SCT while utilizing very small amount of computational resources as compared to conventional full wave methods. Moreover, to speed up the SCT modeling of the reflectarrays, equivalent electrical circuit models have been extracted and applied for individual design and optimization of the reflectarray phase shifter elements.

Ces dernières années ont vu l'émergence de nouveaux composants micro-ondes, les micro-commutateurs MEMS RF, possédant des performances très attrayantes pour de nombreux domaines d'application : spatial, automobile, téléphonie mobile& Cependant, une problématique majeure retarde actuellement leur industrialisation : leur fiabilité. Ce manuscrit de thèse a pour but principal de mettre en place les procédures d'investigation de la fiabilité des MEMS RF comprenant le développement des outils matériels et méthodologiques permettant d'analyser et de modéliser les phénomènes régissant la fiabilité de ces composants. Le premier chapitre effectue un état de l'art critique des bancs de tests et des résultats publiés par les laboratoires internationaux travaillant sur la fiabilité des MEMS RF. Le second chapitre détaille le banc de fiabilité développé dans le cadre de nos travaux. Nous présentons les différentes parties le constituant ainsi que les mesures des propriétés des MEMS RF qu'elles permettent d'effectuer en vue d'analyser leur fiabilité. Le troisième chapitre se focalise sur la méthodologie mise en place en vue d'étudier la fiabilité des micro-commutateurs capacitifs. Cette méthodologie est basée sur la détection et l'analyse des modes de défaillance d'une part et sur la modélisation du mécanisme de défaillance d'autre part. Nous proposons ainsi un modèle du chargement du diélectrique, principale cause de défaillance de ce type de composants, et introduisons un facteur de mérite de la fiabilité des MEMS RF permettant une évaluation comparative de leur durée de vie. Dans un quatrième chapitre, nous présentons les trois axes de recherche sur lesquels des études préliminaires ont été effectuées en vue d'améliorer la fiabilité des MEMS RF capacitifs : l'optimisation technologique, l'optimisation de la commande et l'optimisation de la topologie des micro-commutateurs

Ce mémoire traite de l'étude d'antennes reconfigurables à base de MEMS RF. L'approche<br />retenue est la diversité de diagramme de rayonnement de la station de base et du mobile. Elle<br />peut être particulièrement intéressante dans un environnement indoor (à l'intérieur d'un bâtiment)<br />pour lutter contre les évanouissements provoqués par les réflexions multiples et augmenter la<br />portée des systèmes, ce qui optimise les bilans de liaison améliore les débits de transmission,<br />l'autonomie et permet par ailleurs d'augmenter le nombre d'utilisateurs en diminuant les<br />interférences entre eux.<br />Un état de l'art des solutions d'antennes reconfigurables ainsi qu'une introduction des MEMS RF<br />est présentée. Ces composants présentent à la fois des performances RF très élevées, une<br />linéarité accrue, pour un encombrement, un poids et une consommation de puissance bien plus<br />faible que leurs équivalents à semi-conducteurs. Ces avantages deviennent encore plus évidents<br />aux fréquences millimétriques où de nouvelles applications émergent. De plus, ils peuvent être<br />intégrés à des circuits en technologie CMOS sur du silicium ou encore fabriqués sur de nombreux<br />substrats avec l'antenne.<br />Les développements essentiels de cette étude sont la mise en oeuvre d'une méthode de<br />modélisation et d'optimisation de réseaux à éléments parasites afin de former des diagrammes<br />dépointés et l'intégration, via des modèles électriques équivalents, d'interrupteurs<br />microélectromécaniques radiofréquences (MEMS RF) afin de rendre ces antennes<br />reconfigurables en diagramme de rayonnement.<br />Il s'est en effet avéré qu'il était nécessaire de modéliser ces systèmes afin de développer une<br />démarche de conception efficace des réseaux à antennes parasites commutées. Suite à ces<br />efforts de modélisation, des prototypes d'antennes passifs ont été réalisés et mesurés,<br />permettant de valider la méthode de conception. Un prototype actif utilisant des composants<br />MEMS RF a ensuite été développé. Des antennes à formation de faisceaux ont également été<br />développées sur la base de cellules composées chacune d'une antenne reconfigurable<br />constituant un sous réseau d'un réseau plus large.

Les futures architectures des systèmes de communication présenteront une forte complexité due à des besoins de reconfiguration à la fois en termes de fréquence, de puissance émise et/ou reçue, de puissance consommée et de fiabilité. Une solution consiste à utiliser les MEMS RF pour obtenir ces fonctionnalités augmentées. Ces composants seront soumis à des agressions à la fois électrostatiques et/ou électromagnétiques dont il est important d'analyser et de comprendre leur impact. D'autre part la tenue en puissance de ces composants est un paramètre qualitatif de leur robustesse. Étant donné qu'ils présentent également des intérêts pour les applications spatiales, il est important de comprendre leur sensibilité face au rayonnement. Le sujet de thèse vise à analyser l'impact de ces agressions sur les paramètres fonctionnels (tensions d'actionnements, vitesse de fonctionnement, pertes d'insertion et isolation) à partir du développement d'une plateforme appropriée ainsi qu'une analyse fine des mécanismes de dégradation apparaissant suite aux stress appliqués ; tension continu, décharges électrostatiques (de type HBM ou TLP), puissance RF et rayonnement. Ces stress seront appliqués sur des composants aux architectures différentes (types de diélectrique différentes, épaisseur membrane, géométrie des dispositifs, topologie des zones d'actionnement) afin de déterminer si certaines architectures et ou filières technologiques sont plus résistantes que d'autres. Enfin, afin de valider ces travaux, il sera conçu un design plus complexe présentant des résistances aux ESD/EMI améliorées et un circuit de vieillissement de ces composants sera également proposé. Ce projet de thèse rentre dans le cadre d'un réseau d'excellence AMICOM sur les microsystèmes RF où la fiabilité a été identifiée comme étant un des enjeux majeurs pour leur intégration et commercialisation.

L'émergence d'applications aux fréquences millimétriques et sub-millimétriques a conduit à une augmentation significative du nombre d'utilisateurs du spectre de fréquence et, par conséquent, des contraintes sur les performances des dispositifs en termes de pertes, de bande passante, de réjection hors bande, notamment pour les filtres. Afin d'adapter ces systèmes à plusieurs standards tout en réduisant les coûts de production, on assiste à la multiplication de fonctions reconfigurables en fréquence. Nos travaux ont consisté à déterminer la technologie la mieux adaptée à la réalisation de filtres reconfigurables en bande millimétrique. Les topologies proposées, ainsi que leurs synthèses associées, autorisent une excursion en fréquence importante tout en conservant un bon niveau d'adaptation. La pertinence des concepts proposés est illustrée par la réalisation d'un résonateur accordable de la bande W (94 GHz) à la bande V (60 GHz) à partir de MEMS RF répondant à des critères de performances et de fiabilité.

Le fil rouge guidant nos travaux de recherche correspond à la convergence des techniques hyperfréquences, des micro- et nano-technologies et plus récemment de la fluidique, amenant le développement de microsystèmes hyperfréquences innovants pour des applications en télécommunication et en biologie. Nous retraçons, au travers de notre habilitation à diriger des recherches, nos travaux sur les approches multidisciplinaires permettant le développement de microsystèmes hyperfréquences communicants pour lesquels notre leitmotiv fut de tirer au mieux partie des potentialités des micro et nano-technologies. Des composants et circuits RF-MEMS (RadioFrequency MicroElectroMechanical Systems), à l'intégration des nanotechnologies au sein de microsystèmes hyperfréquences, à la miniaturisation de fonctions passives ainsi qu'à leur co-intégration avec des circuits actifs au sein de microsystèmes. Nous présentons de plus notre projet de recherche visant à explorer l'alliance des microsystèmes hyperfréquences avec d'autres disciplines telles que la fluidique et la biologie pour de nouvelles fonctionnalités et applications. Nous tenterons de répondre aux questions scientifiques : "comment les microsystèmes hyperfréquences peuvent aller au delà des fonctionnalités et applications traditionnelles, quelles sont les opportunités ainsi ouvertes ?"

Antenne de l'avenir surtout pour les applications spatiales sont de plus en plus complexe en raison de la nécessité de reconfigurabilité en termes de fréquence, la puissance rayonnée et reçues, la consommation d'énergie et de la fiabilité. Dans ce contexte, réflecteurs et des surfaces sélectives en fréquence (FSS) sont particulièrement les plus intéressantes dans les domaines de la conception RF. Mais en raison de leur grande taille et de la complexité des cellules élémentaires, l'analyse complète de ces structures nécessite énormément de mémoire et des temps de calcul excessif spécialement lorsque des éléments de réglage tels que RF-MEMS sont également intégrés au sein des cellules. Par conséquent, les techniques classiques basées sur maillage linéaire soit ne parviennent pas à simuler de telles structures soit, exiger des ressources non disponibles à un concepteur d'antenne. Une technique appelée "technique par changement d'échelle" tente de résoudre ce problème par partitionnement de la géométrie du réseau par de nombreux domaines imbriqués définis à différents niveaux d'échelle du réseau. Le multi-pôle par changement d'échelle, appelé "Scale Changing Network (SCN)", modélise le couplage électromagnétique entre deux échelles successives, en résolvant une formulation intégral des équations de Maxwell par une technique basée sur la méthode des moments. La cascade de ces multi-pôles par changement d'échelle, permet le calcul de la matrice d'impédance de surface de la structure complète qui peut à son tour être utilisées pour calculer la diffraction en champ lointain. Comme le calcul des multi-pôles par changement d'échelle est mutuellement indépendant, les temps d'exécution peuvent être réduits de manière significative en parallélisant le calcul. Par ailleurs, la modification de la géométrie de la structure à une échelle donnée nécessite seulement le calcul de deux multi-pôles par changement d'échelle et ne requiert pas la simulation de toute la structure. Cette car actéristique fait de la SCT un outil de conception et d'optimisation très puissant. Des structures planaires uniformes et non uniformes excité par un cornet ont étés modélisés avec succès, avec des temps de calcul délais intéressants, employant les ressources normales de l'ordinateur. Avec l'intérêt croissant pour des réflecteurs hautement reconfigurables pour les applications spatiales, différentes technologies pour réaliser la reconfigurabilité du diagramme de rayonnement ont été explorées ces dernières années. L'une d'elles consiste à imprimer un déphasage approprié en différent point du front d'onde incident à l'aide de cellule déphaseuse à MEMS-RF. En raison de la grande diversité des échelles dans de telles structures reconfigurables, les outils classiques de simulation électromagnétique se révèlent souvent inefficaces en termes des ressources informatiques et de temps de calcul. Les approches basées sur un circuit électrique équivalent se sont avérées plus utiles pour les concepteurs.