Thèse de doctorat : Sciences et ingénierie des matériaux : Paris Est : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre.

A novel process based on the principle of layered photolithography has been proposed and tested for making real three-dimensional micro-structures. An experimental setup was designed and built for doing experiments on this micro-fabrication process. An ultraviolet (UV) excimer laser at the wavelength of 248 nm was used as the light source and a single piece of photo-mask carrying a series of two dimensional (2D) patterns sliced from a three dimensional (3D) micro-part was employed for the photolithography process. The experiments were conducted on the solidification of liquid photopolymer from single layer to multiple layers. The single-layer photolithography experiments showed that certain photopolymers could be applied for the 3D micro-fabrication, and solid layers with sharp shapes could be formed from the liquid polymer identified. By using a unique alignment technique, multiple layers of photolithography was successfully realized for a micro-gear with features at 60 microns. Electroforming was also conducted for converting the photopolymer master to a metal cavity of the micro-gear, which proved that the process is feasible for micro-molding. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

A MEMS based electrostatic field sensor is presented which uses capacitive interrogation of an electrostatic force deflected microstructure. First the deflection of the sensor’s membrane which is caused by electrostatic force in the presence of electric field is calculated both by simulation and theoretical model and it has been shown that the results of the simulations have acceptable values compared to the theoretical ones. Simulation models have also been designed to improve the vibration of the membrane for measuring the ac electric fields. It has been shown that by adding perforations to the surface of the membrane, it is possible to reduce the air drag force effect on the membrane and still have similar electrostatic force on the membrane. Therefore, it is possible to reduce the damping due to air resistance in membrane movement when measuring ac fields. After successful modeling of the sensor structure, the fabrication process for the sensor has been designed. The electroplating process as the most important fabrication step has been studied in detail prior to starting the fabrication of sensor. The process parameters for electroplating process, such as current amplitudes, duty cycle and frequency have been optimized to get the lowest surface roughness to thickness ratio for the electroplated films. A lithography molding process was developed for the electroplating. Both dc and pulse plated films have been studied to show the role of pulse plating in improving the quality of the electroplated films. It was found during the release process that the electroplated copper interacted with sulfur during plasma etching of silicon. However, the result of the releasing process was very helpful to find the best recipe of releasing and they can be used in next projects.

La miniaturisation des transistors ayant atteint ses limites, des technologies alternatives capables de traiter les données sont aujourd’hui beaucoup étudiées. Dans ce contexte, nous développons une architecture de réseau de neurones mécaniques, capable de résoudre effi- cacement des problèmes non-triviaux comme la classification ou la prédiction de fonctions chaotiques. Cette architecture est inspirée des travaux sur les réseaux de neurones récur- rents (RNN), et plus particulièrement du reservoir computing. Le dispositif est un réseau d’oscillateurs MEMS anharmoniques, lui permettant ainsi d’être compact et de consom- mer peu d’énergie. Les poutres en silicium bi-encastrées ont été choisies pour réaliser le dispositif, sachant qu’elles ont été largement étudiées et sont simples à implémenter. Nous présentons ici le travail expérimental sur les MEMS non linéaires qui seront utilisés par la suite pour réaliser le dispositif. Des simulations numériques du réseau ont permis, dans un premier temps, d’identifier les requis sur la dynamique des résonateurs. Ceux-ci ont été par la suite conçus de manière à répondre le mieux possible à ces requis. Un couplage méca- nique efficace a été élaboré pour relier chacun des oscillateurs. Afin de prédire précisément le comportement des résonateurs couplés dans le régime linéaire et non linéaire, des ana- lyses par éléments finis ont été réalisées. Un procédé de micro fabrication rapide et simple a été développé. Enfin, les structures ont été caractérisées optiquement et électriquement. Les résultats expérimentaux sont en accord avec les simulations ce qui suggère que notre approche convient à la conception et à la fabrication d’un dispositif neuromorphique.

Micro-electro-mechanical systems (MEMS) became possible thanks to the silicon based technology used to fabricate integrated circuits. Originally, MEMS fabrication was limited to silicon based techniques and materials, but the expansion of MEMS applications brought the need of a wider catalog of materials, including polymers, now being used to fabricate MEMS. Polyimide is a very attractive polymer for MEMS fabrication due to its high temperature stability compared to other polymers, low coefficient of thermal expansion, low film stress and low cost. The goal of this thesis is to expand the Polyimide usage as structural material for MEMS by the development of a multi-user fabrication process for the integration of this polymer along with multiple metal layers on a silicon substrate. The process also integrates amorphous silicon as sacrificial layer to create free-standing structures. Dry etching is used to release the devices and avoid stiction phenomena. The developed process is used to fabricate platforms for micro-hotplate gas sensors. The fabrication steps for the platforms are described in detail, explaining the process specifics and capabilities. An initial testing of the micro-hotplate is presented. As the process was also used as educational tool, some designs made by students and fabricated with the Polyimide-MEMS process are also presented.

Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation d’un capteur de pression 3D flexible pouvant être intégré dans un gant ou sur un outil de chirurgie pour qualifier et quantifier les forces de préhension notamment sous contraintes normales et de cisaillement. Un état de l’art présente d’abord les technologies se prêtant à cette application. Puis, le choix est porté sur la conception et le dimensionnement à partir de la loi de Hooke, d’un capteur matriciel capacitif tri-axe de 8 x 8 x 3 cellules/cm² à partir d’un diélectrique flexible de faible module d’Young autour de 1 MPa. Les cellules conçues ont une capacité nominale voisine de 0,5 pF. Une variation de 30% est attendue à une force maximale envisagée de 100 N/cm². La dynamique visée est de 1 à 1000. Elle correspondant à une résolution de 0,15 fF ou 100 mN/cm². La fabrication du capteur souple est abordée en prenant en compte la caractérisation des matériaux support, notamment le Kapton, dans un flux de microfabrication. Les problèmes de métallisation et d’adhérence d’électrodes sur PDMS conduisent au développement d’un procédé basé sur la technologie de transfert de film adapté aux électrodes enfouies dans le PDMS. Des résultats de simulation sous ANSYS valident le principe physique exploité. Ils sont confirmés par des mesures électriques statiques et en charge du capteur tactile pour des forces de 10 mN à 20 N. / This PhD work presents the design and realization of a 3D flexible force sensor that can be integrated in surgical gloves or tools to qualify and quantify the grip forces including normal and shear stress. A state of the art first presents the suitable technologies for this application. Then, the choice is focused on the design and dimensioning, using Hooke’s law, of a capacitive tri-axis sensor of 8 x 8 x 3 cells/cm² matrix from a flexible dielectric of low Young’s modulus around 1 MPa. Designed cells have a nearby nominal capacitance of 0.5 pF. A variation of 30% is expected at maximum force range of 100 N/cm². The aimed dynamic is 1 to 1000. It corresponds to a resolution of 0.15 fF or 100 mN/cm². The flexible sensor fabrication is tackled by taking into account the characterization of support materials, notably the Kapton, in a stream of microfabrication. Metallization and adhesion of electrodes on PDMS problems lead to the development of a process based on film transfer technology adapted to electrodes buried in PDMS. On the basis of ANSYS simulations, the operating physical principle is validated. They are confirmed by static and in charge electrical measurements of the tactile sensor for forces ranging from 10 mN to 20 N.

Ce travail de thèse porte sur le développement technologique d’outils miniaturisés micro- (10 µm) et milli- (1 mm) fluidique, pour l’étude in situ de procédés de filtration frontale, en collaboration avec l’entreprise Solvay. Les outils développés permettent le suivi visuel de la formation de gâteaux de filtration en opérant des essais à pression ou à débit constant sur diverses suspensions colloïdales, jusqu’à des pressions trans-membranaires de l’ordre de 7 bars.L’étude millifluidique de la filtration de dispersions industrielles de silice colloïdale (Solvay, Silica), a permis de mettre en évidence la croissance de gâteaux compressibles et de corréler ces données aux signaux de pression, obtenus à débit imposé. Ces mêmes données sont confrontées aux lois classiques de la filtration (« cake filtration theory »), mettant en évidence que les modélisations classiques ne peuvent pas reproduire les comportements observés.La seconde partie de la thèse porte sur le développement d’un outil microfluidique, intégrant des membranes hydrogel nano-poreuses, pouvant résister à de fortes pressions (quelques bars). Ces membranes sont fabriquées in-situ par photo-polymérisation de formulations aqueuses contenant des PEG-diacrylates et des agents porogènes. Notre travail a permis une caractérisation précise de leur perméabilité en fonction de divers paramètres (formulation, temps d’exposition, géométrie). Ces mêmes membranes ont été utilisées pour suivre la filtration frontale de nanoparticules aux échelles microfluidiques, et ainsi estimer quantitativement la perméabilité des gâteaux formés. / This work deals with the technological development of miniaturized micro- (10 µm) and milli- (1 mm) fluidic tools for in-situ investigations of frontal filtration processes, in collaboration with Solvay. The tools that we developed, make it possible to monitor visually the formation of the filter cake, operating at constant-pressure or constant-flow rate filtration, on various colloidal suspensions, and up to trans-membrane pressures of 7 bars.We performed a millifluidic study of the filtration of industrial silica colloidal dispersions (Solvay, Silica), and we evidenced the growth of compressible cakes. We correlated these data to the pressure signals obtained at imposed flow rates. The comparison with theoretical predictions given by the classical laws of cake filtration theory, shows that such conventional models cannot reproduce the observed behaviors.The second part of this thesis reports the development of high pressure-resistive (several bars) microfluidic tools integrating nano-porous hydrogel-based membranes. These membranes are fabricated in situ by photo-polymerization of aqueous formulations containing PEG-diacrylates and porogen agents. We reported precise characterizations of their permeability in function of several parameters (formulation, exposure time, geometry). The same membranes were used to monitor frontal filtration of nanoparticles at the microfluidic scale, and thus to quantitatively estimate the permeability of the formed cakes.

Les demandes du marché sont toujours plus exigeantes dans le domaine de la micro- électronique. Les besoins en termes de fréquence de fonctionnement (> 10GHz) des dispositifs ainsi qu'en termes de puissance délivrée (> 1W/mm) sont en constante augmentation. De ce fait, on commence à atteindre les limites du matériau silicium. Ceci présente une grande opportunité pour les matériaux III-V, en particulier ceux à base de nitrure de gallium (GaN) qui offrent un très grand gap (3.4 eV) et une très bonne mobilité grâce au 2DEG (1500-2000 cm[indice supérieur 2]/V.s) [Touati, 2007]. Bien que ce soient les composants actifs (transistors) qui définissent les performances d'un circuit, les composants passifs doivent être correctement étudiés afin de ne pas nuire au reste du circuit. Le matériau de base étant fixé : le GaN, il est ici question de développer le procédé de fabrication des dits composants passifs. L'objectif est donc ici de déterminer et d'adapter les procédés de fabrication permettant d'obtenir des composants passifs fonctionnant à hautes fréquences (30-300GHz) dans l'optique de réaliser des circuits MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit). La durée d'une seule maîtrise ne permettant pas d'étudier une technologie de fabrication dans son ensemble, nous nous focaliserons sur une série restreinte d'étapes de fabrication. Les dites étapes seront la fabrication et la caractérisation de résistances à base de NiCr (Nickel-Chrome), l'étude de la gravure de diélectriques (SiO2, Si3N4) ainsi que la réalisation et la caractérisation de capacités et d'inductances. Pour ce qui est des résultats attendus, la littérature montre qu'on est déjà capables de fabriquer des composants passifs fonctionnant au moins jusqu'à 40GHz. On peut noter par exemple, des capacités MIM (Métal Isolant Métal) allant de 0,5 à 10 pF, des inductances spirales allant de 0,25 à 12 nH, des résistances de plusieurs centaines d'Ohms ou encore des lignes de transmissions de différentes longueurs (quelques micromètres jusqu'à quelques millimètres) [Martin, 2007; Richard, 2009].

Thèse doctorat : Physique : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 5 p.

abstract: This thesis presents approaches to develop micro seismometers and accelerometers based on molecular electronic transducers (MET) technology using MicroElectroMechanical Systems (MEMS) techniques. MET is a technology applied in seismic instrumentation that proves highly beneficial to planetary seismology. It consists of an electrochemical cell that senses the movement of liquid electrolyte between electrodes by converting it to the output current. MET seismometers have advantages of high sensitivity, low noise floor, small size, absence of fragile mechanical moving parts and independence on the direction of sensitivity axis. By using MEMS techniques, a micro MET seismometer is developed with inter-electrode spacing close to 1μm, which improves the sensitivity of fabricated device to above 3000 V/(m/s^2) under operating bias of 600 mV and input acceleration of 400 μG (G=9.81m/s^2) at 0.32 Hz. The lowered hydrodynamic resistance by increasing the number of channels improves the self-noise to -127 dB equivalent to 44 nG/√Hz at 1 Hz. An alternative approach to build the sensing element of MEMS MET seismometer using SOI process is also presented in this thesis. The significantly increased number of channels is expected to improve the noise performance. Inspired by the advantages of combining MET and MEMS technologies on the development of seismometer, a low frequency accelerometer utilizing MET technology with post-CMOS-compatible fabrication processes is developed. In the fabricated accelerometer, the complicated fabrication of mass-spring system in solid-state MEMS accelerometer is replaced with a much simpler post-CMOS-compatible process containing only deposition of a four-electrode MET structure on a planar substrate, and a liquid inertia mass of an electrolyte droplet encapsulated by oil film. The fabrication process does not involve focused ion beam milling which is used in the micro MET seismometer fabrication, thus the cost is lowered. Furthermore, the planar structure and the novel idea of using an oil film as the sealing diaphragm eliminate the complicated three-dimensional packaging of the seismometer. The fabricated device achieves 10.8 V/G sensitivity at 20 Hz with nearly flat response over the frequency range from 1 Hz to 50 Hz, and a low noise floor of 75 μG/√Hz at 20 Hz. / Dissertation/Thesis / Ph.D. Electrical Engineering 2014