Durant ces vingt dernières années l'émergence des technologies MEMS a rendu possible l'intégration de capteurs au sein de systèmes complexes de taille réduite. Quelques-uns de ces capteurs se retrouvent dans des dispositifs tels que les téléphones mobiles, GPSs, ordinateurs portables… Il existe néanmoins une contrainte majeure, quand à l’utilisation de capteurs dans les applications fonctionnant sur batterie : leurs «consommation». En effet du fait de cette contrainte la plus part des capteurs développés de nos jours sont basés sur des modes de transduction capacitif limitant ainsi la consommation mais par la même occasion complexifiant lourdement la conception de l’élément sensible. Cette complexité de réalisation de l’élément sensible se répercute donc sur le prix du produit final. Le meilleur moyen de diminuer le prix de revient d’un capteur est l’utilisation d’une technologie de transduction qui permet de diminuer la complexité structurelle du capteur. La transduction résistive répond bien à ce problème, cependant les structures de conditionnement de signal les plus utilisées dissipent une puissance excessive. Cette thèse propose donc l’étude d’une structure électronique faible bruit / faible consommation innovante (le pont Actif) permettant le conditionnement de signaux issus de capteurs résistifs. Les critères d’évaluation du pont actif sont ici le gain, le bruit intrinsèque de l’électronique (facteur limitant de la résolution) et, le plus important, la consommation globale du capteur (éléments sensible + électronique de traitement). / Since resistive sensors exist, the Wheatstone bridge has been the most commonly used conditioningand read-out architecture. Even with the development of MEMS in the last decade, the Wheatstonebridge remains the preferred solution to transpose a physical magnitude into the electrical domain assoon as a resistive transduction method is used. Nevertheless the Wheatstone bridge introduces amajor issue for low-power sensors, the dependence of resolution to power consumption. Moreover,the output signal is directly proportional to the supply voltage. Finally, power consumption is theprice to pay for high resolution in a Wheatstone bridge.Low-power requirement, in mobile applications, is probably one of the main reasons to explain whycapacitive transduction has been preferred for many MEMS. Indeed, even if the fabrication process isoften more complex than for resistive sensors, the power consumption of capacitive transduction isfar below the one of dissipative resistor-based sensors.In order to extend the potential application of resistive MEMS, a power-efficient interface circuit isrequired. My PhD thesis deals with the design and manufacturing of an innovative conditioning andread-out interface for resistive MEMS sensor. The proposed structure includes a digital offsetcompensation for robustness to process, voltage, temperature variations, and/or analog to digitalconversion. Results demonstrate good resolution to power consumption ratio and a good immunityto environmental parameters. Experimental results on a fully integrated CMOS/MEMS sensor finallydemonstrate the efficiency of this promising read-out architecture called The active bridge.

Neste trabalho aborda-se o projeto de um conversor analógico-digital (ADC) que deve atingir as especificações do padrão Bluetooth. Este bloco faz parte do estágio de recepção de um transceptor sem fio integrado em tecnologia CMOS. Inicialmente é feita a análise do ADC como sistema, ao mesmo tempo que as especificações nesse nível são desenvolvidas. A arquitetura adaptada da literatura é conhecida como time-interleaved pipeline. Os seus principais blocos, o S&H e o estágio básico incluindo o sub-ADC e o MDAC, são explicados posteriormente junto com a estratégia de correção digital através do bit de redundância entre estágios consecutivos. Seguindo essa ordem de ideias, é estudada a implementação com portas digitais da estratégia anterior e da geração das fases de relógio necessárias para os blocos da cadeia pipeline. Os dois circuitos mais elementares, o amplificador operacional de transcondutância (OTA) e o comparador de tensão, também são apresentados antes de introduzir a programação geométrica como ferramenta de projeto auxiliar. Tal ferramenta permite otimizar o consumo de potência desses circuitos básicos e, portanto, descobrir uma nova perspectiva no projeto de circuitos analógicos do estado da arte. Finalmente, os resultados obtidos e as simulações dos diferentes blocos e circuitos que constituem o ADC são mostrados. Esses resultados também incluem as medições e testes feitos em um OTA projetado com PG e fabricado em tecnologia CMOS 0,35 micrômetros. A conclusão mais importante deste trabalho se deriva da aplicação simultânea da programação geométrica e a análise cuidadosa dos requisitos reais dos circuitos, levando portanto à otimização do desempenho global do ADC projetado. / In this work, an Analog to Digital Converter (ADC) fulfilling the Bluetooth standard specifications is designed. This block stays at the reception side of an integrated wireless transceiver in CMOS technology. Initially, an analysis of the ADC as a system is carried out, at the same time that the specifications at that level are developed. The architecture adapted from the literature is known as time-interleaved pipeline. Its main blocks, the S&H and the basic cell including sub-ADC and MDAC circuits, are then explained together with the digital correction strategy based on the bit of redundancy between consecutive stages. Furthermore, digital gate implementation of previous strategy and generation of the different clock phases required by pipeline chain blocks, are covered. The two most elementary circuits, operational transconductance amplifier (OTA) and voltage comparator, are also presented before introducing geometric programming (PG) as an auxiliary design tool. Such a tool allows the power consumption optimization of these basic circuits and thus leads to a new perspective in analog circuit design for the state of the art. Finally, the reached results and the different ADC block simulations are presented. Those results include tests and measurements of an OTA designed using PG and fabricated in a CMOS 0,35 micrometers technology. The most important conclusion of this work is derived from the joint application of geometric programming and careful analysis of the real circuit requirements, allowing the global performance optimization in the designed ADC.

Neste trabalho foi analisado o comportamento de um transistor UTBB FD SOI MOSFET (Ultra-Thin-Bodyand-Buried-Oxide Fully-Depleted Silicon-on-Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) planar, operando em modo convencional, de tensão de limiar dinâmica (DT2-UTBB, onde a tensão de substrato é igual à de porta, VB=VG) e modo DT2 melhorado (kDT, onde a tensão de substrato é um múltiplo da tensão de porta, VB=kVG). O princípio de funcionamento desses modos foi estudado e a influência de diferentes tendências e tecnologias atuais foram analisadas nessas condições de polarização como a presença do plano de terra (Ground Plane - GP), o escalamento da camada de silício e a ausência de uma região de extensão de fonte e dreno. Também foi proposto neste trabalho o modo kDT inverso, onde a tensão de porta é um múltiplo da tensão de substrato (VG=kVB). O efeito do superacoplamento foi identificado e analisado a partir de diferentes técnicas, como nas curvas de capacitância, sua influência no efeito de corpo e no transistor UTBB operando em modo DT2 e DT2 melhorado. Finalmente o efeito da alta temperatura também foi estudado em transistores UTBB nos modos DT2 e DT2 melhorado, bem como nas curvas de capacitâncias. A operação em DT2 apresentou melhores resultados que o método convencional, principalmente para canais mais curtos (redução da inclinação de sublimiar em 36%, elevação da transcondutância máxima em 23% e diminuição do DIBL, Drain Induced Barrier Lowering, em 57%). A presença do GP acentuou esta melhora (redução da inclinação de sublimiar em 51%, elevação da transcondutância máxima em 32% e diminuição do DIBL em 100%), uma vez que há um maior acoplamento entre o substrato e o canal, fortalecendo sua atuação na redução da tensão de limiar. O modo melhorado da tensão de limiar dinâmica apresentou melhores parâmetros elétricos que no modo DT2, devido à redução mais expressiva da tensão de limiar para uma mesma varredura da tensão de porta. No modo kDT inverso, os parâmetros também foram ainda melhores (60% menor SS e 147% maior gm,max para os dispositivos sem GP e 68% menor SS e 189% maior gm,max nos dispositivos com GP) devido ao óxido de porta ser mais fino que o óxido enterrado. Com relação ao escalamento do filme de silício, para maiores valores de sobretensão de porta, a redução da camada de silício apresenta uma maior resistência série e uma maior degradação da mobilidade, reduzindo a corrente de dreno. Já para tensões de porta negativas, o GIDL (Gate Induced Drain Leakage) é mais elevado para menores espessuras do filme de silício. Entretanto, a menor espessura da camada de silício (tSi) mostrou ser vantajoso no modo kDT, devido ao acoplamento mais forte. O filme de silício mais fino melhorou principalmente o DIBL (a espessura de 6nm apresentou um DIBL 3 vezes menor que o dispositivo de 14nm para k=5), diminuindo o campo elétrico do dreno, e o SS (a espessura de 6nm apresentou um SS 7% menor que o dispositivo de 14nm para k=5), onde o campo elétrico vertical não é suficiente para degradar o parâmetro do dispositivo. O superacoplamento mostrou-se benéfico em transistores UTBB operando em modo DT2 e kDT, amplificando o efeito da inversão de volume e elevando consideravelmente a transcondutância e a mobilidade (melhora de até 131% para k=5, NMOS e tSi=7nm, tomando o caso VB=0V como referência). O superacoplamento também apresentou resultados positivos no estudo do escalamento dos dispositivos, apresentando um excelente acoplamento ainda para o menor comprimento de canal medido (0,076 para comprimento de 20nm contra 0,09 para L=1µm). Com relação à engenharia de fonte e dreno, os melhores resultados foram obtidos para os dispositivos sem a implantação da região de extensão (extensionless) e com comprimento dos espaçadores de 20nm. Os mesmos transistores extensionless também demonstraram serem mais suscetíveis com o aumento do fator k, apresentando o melhor comportamento na região de sublimiar (inclinação de sublimiar, SS, até 59% menor), desempenho analógico (elevação de mais de 300% no ganho intrínseco de tensão, AV, e de mais de 600% na tensão Early, VEA) e aplicação em baixas tensões (menor inclinação de sublimiar e tensão de limiar). A única desvantagem observada para a operação em DT2 e kDT foi a elevada corrente de GIDL (elevação de uma ordem de grandeza entre os transistores auto-alinhados com k=5 em relação ao auto-alinhado com k=0), entretanto, os dispositivos sem a implantação da região de extensão de fonte e dreno apresentaram um menor GIDL (redução de 1 ordem de grandeza para os dispositivos sem a implantação de 20nm com k=5 em relação ao dispositivo auto-alinhado com k=5) devido ao menor campo elétrico da porta para o dreno, o que pode ser uma solução para essa desvantagem. A região de extensão mais longa (sem a implantação) e, principalmente a operação em modo kDT, melhoram os parâmetros (elevação de 82% na transcondutância máxima, gm,max, redução de 45% no SS, de 41% no DIBL, elevação de 303% no AV e de 97% no VEA), superando a degradação observada pelo aumento da temperatura (porcentagens apresentadas já estão considerando a degradação da temperatura). Além disso, os modos kDT reduziram a tensão de porta do ponto ZTC (Zero-Temperature-Coefficient) em até 57%, sendo interessante em aplicações de baixa tensão. O modo kDT também permitiu o ajuste da tensão de limiar e da tensão de polarização, ainda com o nível de corrente independente com a temperatura e com o fator k. / In this work, it was analyzed the behavior of a planar UTBOX FD SOI NMOSFET (Ultra-Thin-Buried-Oxide Fully-Depleted Silicon-on-Insulator Metal-Oxide- Semiconductor Field-Effect-Transistor), operating in conventional (VB=0V), dynamic threshold (DT2-UTBB, where the back-gate bias is equal to the front-gate one, VB=VG) and enhanced DT (kDT-UTBB, where the back-gate bias is a multiple value of the front-gate one, VB=kVG) modes. The working principle of these modes has been studied and the effect of different technologies and current trends were analyzed under such biasing conditions as the presence of the ground plane (ground plane - GP), the scaling of the silicon layer and the absence of a doped extended source and drain region. It was also proposed in this paper the inverse kDT-UTBB mode, where the gate voltage is a multiple of the back-gate one (VB=kVG). The supercoupling effect was identified and analyzed through different techniques, such as the capacitance curves, its influence on the body effect and in UTBB SOI transistors operating in DT2 and kDT modes. Finally, the high temperature influence was also studied in UTBB SOI transistors operating in DT2 and kDT modes, as well as on capacitance characteristics. The operation DT2 showed better results than the conventional method, mainly for shorter channels (reduced subthreshold slope, SS, in 36%, increased maximum transconductance, gm,max, in 23% and reduced Drain Induced Barrier Lowering, DIBL, 57%). The presence of GP intensified this improvement (reducing SS by 51%, raising gm,max by 32% and reduced DIBL by 100%), due to the greater coupling of the substrate on the channel, strengthening its influence on reducing the threshold voltage. The kDT mode showed better electrical parameters than the DT2 due to a remarkable reduction of the threshold voltage for the same VG sweep. In the inverse kDT mode, the parameters were also better (60% lower SS and 147% higher gm,max for devices without GP and 68% lower SS and 189% higher gm,max on devices with GP) due to the thinner gate oxide than the buried oxide. With regard to the silicon film scaling, for higher values of gate voltage, the thinner silicon layer presented a larger series resistance and a greater mobility degradation, reducing the drain current. For negative gate biases, the GIDL (Gate Induced Drain Leakage) is higher for smaller thicknesses of the silicon film. However, the lower silicon film thickness showed to be advantageous in kDT due to the stronger coupling. The thinner silicon thickness has improved the DIBL (thickness of 6nm presented a DIBL 3 times smaller than the device of 14nm for k = 5), reducing the drain electric field, and the SS (thickness of 6nm presented an SS 7% smaller than 14nm device for k = 5), where the vertical electric field is not enough to degrade the device parameter. The supercoupling demonstrated beneficial results in UTBB transistors in DT2 and kDT operations, amplifying the volume inversion effect and rising significantly the transconductance and the mobility (improvement of up to 131% for k=5, 7nm-NMOS, taking VB=0V as the reference). Measurements and simulations have also shown positive results in the scalability study, presenting an excellent coupling for the shortest channel considered (0.076 for L=20nm against 0.09 for L=1µm). With respect to source and drain engineering, the best results were obtained for devices without the extension implantation and spacer length of 20nm. They also demonstrated to be more susceptible to the increase of k factor, showing the best behavior in the subthreshold region (59% lower), analog performance (300% higher intrinsic voltage gain, AV and 600% higher Early voltage, VEA) and for low voltages applications (reduced SS and VT). The only drawback observed for operation in kDT was the higher GIDL current (increase of 1 order of magnitude between self-aligned transistors with k=5 and self-aligned ones with k=0). However, the devices without the extension region implantation had a lower GIDL (1 order of magnitude lower for 20nm-extensionless devices with k=5, taking the self-aligned ones with k=5 as the reference) due to the lower gate-to-drain electric field, which can be a solution to this disadvantage. The longer extension region (without implantation) and, mainly, the kDT operation improved the parameters (increase of 82% in gm,max, reduction of 45% in SS, 41% reduced DIBL, rising of 303% in AV and 97% increased VEA), surpassing the degradation caused by rising the temperature (the last percentages is already considering the temperature degradation). Moreover, the DT2 and kDT operations reduced the gate bias of the ZTC point (Zero-Temperature-Coefficient) in 57%, being interesting for low voltage applications. The kDT mode also allowed the threshold voltage and the biases tunning, still with the current level independent of the temperature and the k-factor.

Neste trabalho foi analisado o comportamento de um transistor UTBB FD SOI MOSFET (Ultra-Thin-Bodyand-Buried-Oxide Fully-Depleted Silicon-on-Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) planar, operando em modo convencional, de tensão de limiar dinâmica (DT2-UTBB, onde a tensão de substrato é igual à de porta, VB=VG) e modo DT2 melhorado (kDT, onde a tensão de substrato é um múltiplo da tensão de porta, VB=kVG). O princípio de funcionamento desses modos foi estudado e a influência de diferentes tendências e tecnologias atuais foram analisadas nessas condições de polarização como a presença do plano de terra (Ground Plane - GP), o escalamento da camada de silício e a ausência de uma região de extensão de fonte e dreno. Também foi proposto neste trabalho o modo kDT inverso, onde a tensão de porta é um múltiplo da tensão de substrato (VG=kVB). O efeito do superacoplamento foi identificado e analisado a partir de diferentes técnicas, como nas curvas de capacitância, sua influência no efeito de corpo e no transistor UTBB operando em modo DT2 e DT2 melhorado. Finalmente o efeito da alta temperatura também foi estudado em transistores UTBB nos modos DT2 e DT2 melhorado, bem como nas curvas de capacitâncias. A operação em DT2 apresentou melhores resultados que o método convencional, principalmente para canais mais curtos (redução da inclinação de sublimiar em 36%, elevação da transcondutância máxima em 23% e diminuição do DIBL, Drain Induced Barrier Lowering, em 57%). A presença do GP acentuou esta melhora (redução da inclinação de sublimiar em 51%, elevação da transcondutância máxima em 32% e diminuição do DIBL em 100%), uma vez que há um maior acoplamento entre o substrato e o canal, fortalecendo sua atuação na redução da tensão de limiar. O modo melhorado da tensão de limiar dinâmica apresentou melhores parâmetros elétricos que no modo DT2, devido à redução mais expressiva da tensão de limiar para uma mesma varredura da tensão de porta. No modo kDT inverso, os parâmetros também foram ainda melhores (60% menor SS e 147% maior gm,max para os dispositivos sem GP e 68% menor SS e 189% maior gm,max nos dispositivos com GP) devido ao óxido de porta ser mais fino que o óxido enterrado. Com relação ao escalamento do filme de silício, para maiores valores de sobretensão de porta, a redução da camada de silício apresenta uma maior resistência série e uma maior degradação da mobilidade, reduzindo a corrente de dreno. Já para tensões de porta negativas, o GIDL (Gate Induced Drain Leakage) é mais elevado para menores espessuras do filme de silício. Entretanto, a menor espessura da camada de silício (tSi) mostrou ser vantajoso no modo kDT, devido ao acoplamento mais forte. O filme de silício mais fino melhorou principalmente o DIBL (a espessura de 6nm apresentou um DIBL 3 vezes menor que o dispositivo de 14nm para k=5), diminuindo o campo elétrico do dreno, e o SS (a espessura de 6nm apresentou um SS 7% menor que o dispositivo de 14nm para k=5), onde o campo elétrico vertical não é suficiente para degradar o parâmetro do dispositivo. O superacoplamento mostrou-se benéfico em transistores UTBB operando em modo DT2 e kDT, amplificando o efeito da inversão de volume e elevando consideravelmente a transcondutância e a mobilidade (melhora de até 131% para k=5, NMOS e tSi=7nm, tomando o caso VB=0V como referência). O superacoplamento também apresentou resultados positivos no estudo do escalamento dos dispositivos, apresentando um excelente acoplamento ainda para o menor comprimento de canal medido (0,076 para comprimento de 20nm contra 0,09 para L=1µm). Com relação à engenharia de fonte e dreno, os melhores resultados foram obtidos para os dispositivos sem a implantação da região de extensão (extensionless) e com comprimento dos espaçadores de 20nm. Os mesmos transistores extensionless também demonstraram serem mais suscetíveis com o aumento do fator k, apresentando o melhor comportamento na região de sublimiar (inclinação de sublimiar, SS, até 59% menor), desempenho analógico (elevação de mais de 300% no ganho intrínseco de tensão, AV, e de mais de 600% na tensão Early, VEA) e aplicação em baixas tensões (menor inclinação de sublimiar e tensão de limiar). A única desvantagem observada para a operação em DT2 e kDT foi a elevada corrente de GIDL (elevação de uma ordem de grandeza entre os transistores auto-alinhados com k=5 em relação ao auto-alinhado com k=0), entretanto, os dispositivos sem a implantação da região de extensão de fonte e dreno apresentaram um menor GIDL (redução de 1 ordem de grandeza para os dispositivos sem a implantação de 20nm com k=5 em relação ao dispositivo auto-alinhado com k=5) devido ao menor campo elétrico da porta para o dreno, o que pode ser uma solução para essa desvantagem. A região de extensão mais longa (sem a implantação) e, principalmente a operação em modo kDT, melhoram os parâmetros (elevação de 82% na transcondutância máxima, gm,max, redução de 45% no SS, de 41% no DIBL, elevação de 303% no AV e de 97% no VEA), superando a degradação observada pelo aumento da temperatura (porcentagens apresentadas já estão considerando a degradação da temperatura). Além disso, os modos kDT reduziram a tensão de porta do ponto ZTC (Zero-Temperature-Coefficient) em até 57%, sendo interessante em aplicações de baixa tensão. O modo kDT também permitiu o ajuste da tensão de limiar e da tensão de polarização, ainda com o nível de corrente independente com a temperatura e com o fator k. / In this work, it was analyzed the behavior of a planar UTBOX FD SOI NMOSFET (Ultra-Thin-Buried-Oxide Fully-Depleted Silicon-on-Insulator Metal-Oxide- Semiconductor Field-Effect-Transistor), operating in conventional (VB=0V), dynamic threshold (DT2-UTBB, where the back-gate bias is equal to the front-gate one, VB=VG) and enhanced DT (kDT-UTBB, where the back-gate bias is a multiple value of the front-gate one, VB=kVG) modes. The working principle of these modes has been studied and the effect of different technologies and current trends were analyzed under such biasing conditions as the presence of the ground plane (ground plane - GP), the scaling of the silicon layer and the absence of a doped extended source and drain region. It was also proposed in this paper the inverse kDT-UTBB mode, where the gate voltage is a multiple of the back-gate one (VB=kVG). The supercoupling effect was identified and analyzed through different techniques, such as the capacitance curves, its influence on the body effect and in UTBB SOI transistors operating in DT2 and kDT modes. Finally, the high temperature influence was also studied in UTBB SOI transistors operating in DT2 and kDT modes, as well as on capacitance characteristics. The operation DT2 showed better results than the conventional method, mainly for shorter channels (reduced subthreshold slope, SS, in 36%, increased maximum transconductance, gm,max, in 23% and reduced Drain Induced Barrier Lowering, DIBL, 57%). The presence of GP intensified this improvement (reducing SS by 51%, raising gm,max by 32% and reduced DIBL by 100%), due to the greater coupling of the substrate on the channel, strengthening its influence on reducing the threshold voltage. The kDT mode showed better electrical parameters than the DT2 due to a remarkable reduction of the threshold voltage for the same VG sweep. In the inverse kDT mode, the parameters were also better (60% lower SS and 147% higher gm,max for devices without GP and 68% lower SS and 189% higher gm,max on devices with GP) due to the thinner gate oxide than the buried oxide. With regard to the silicon film scaling, for higher values of gate voltage, the thinner silicon layer presented a larger series resistance and a greater mobility degradation, reducing the drain current. For negative gate biases, the GIDL (Gate Induced Drain Leakage) is higher for smaller thicknesses of the silicon film. However, the lower silicon film thickness showed to be advantageous in kDT due to the stronger coupling. The thinner silicon thickness has improved the DIBL (thickness of 6nm presented a DIBL 3 times smaller than the device of 14nm for k = 5), reducing the drain electric field, and the SS (thickness of 6nm presented an SS 7% smaller than 14nm device for k = 5), where the vertical electric field is not enough to degrade the device parameter. The supercoupling demonstrated beneficial results in UTBB transistors in DT2 and kDT operations, amplifying the volume inversion effect and rising significantly the transconductance and the mobility (improvement of up to 131% for k=5, 7nm-NMOS, taking VB=0V as the reference). Measurements and simulations have also shown positive results in the scalability study, presenting an excellent coupling for the shortest channel considered (0.076 for L=20nm against 0.09 for L=1µm). With respect to source and drain engineering, the best results were obtained for devices without the extension implantation and spacer length of 20nm. They also demonstrated to be more susceptible to the increase of k factor, showing the best behavior in the subthreshold region (59% lower), analog performance (300% higher intrinsic voltage gain, AV and 600% higher Early voltage, VEA) and for low voltages applications (reduced SS and VT). The only drawback observed for operation in kDT was the higher GIDL current (increase of 1 order of magnitude between self-aligned transistors with k=5 and self-aligned ones with k=0). However, the devices without the extension region implantation had a lower GIDL (1 order of magnitude lower for 20nm-extensionless devices with k=5, taking the self-aligned ones with k=5 as the reference) due to the lower gate-to-drain electric field, which can be a solution to this disadvantage. The longer extension region (without implantation) and, mainly, the kDT operation improved the parameters (increase of 82% in gm,max, reduction of 45% in SS, 41% reduced DIBL, rising of 303% in AV and 97% increased VEA), surpassing the degradation caused by rising the temperature (the last percentages is already considering the temperature degradation). Moreover, the DT2 and kDT operations reduced the gate bias of the ZTC point (Zero-Temperature-Coefficient) in 57%, being interesting for low voltage applications. The kDT mode also allowed the threshold voltage and the biases tunning, still with the current level independent of the temperature and the k-factor.

Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) sont une des révolutions issues de la microélectronique de ces dernières années qui ont permis l’apparition de nouveaux objets connectés à leur environnement tels que les smartphones. Pour répondre entre autres à la problématique de miniaturisation, ces capteurs doivent être assemblés avec les transistors qui les pilotent via des procédés d’intégration en trois dimensions. Les études de la littérature montrent que la brasure à base d’alliage eutectique Al-Ge permet de répondre de ce besoin. Dans le procédé de scellement eutectique Al-Ge, les constituants de l’alliage sont déposés sur au moins une des deux surfaces à coller. La fusion puis la solidification de la brasure va donner lieu à une structure eutectique et fermer mécaniquement l’interface pour former un assemblage. Cependant, des points cruciaux restent encore à approfondir, notamment la fuite de l’alliage liquide en dehors de la zone à coller ainsi que l’apparition de trous à l’interface de scellement.Le but de cette thèse est donc d’étudier dans un premier temps les phénomènes physiques (mouillage, solidification, diffusion) qui déterminent la qualité finale des assemblages. Dans un second temps, ces résultats sont mis à profit pour développer des procédés de scellement hermétiques et avec une bonne tenue mécanique pour l’encapsulation des MEMS. L'étude porte sur l'influence des paramètres tels que la température, l’épaisseur et l’état surfacique des couches, mais également sur les mécanismes de réactivité aux interfaces entre l'alliage liquide et les substrats. / Electromechanical microsystems (MEMS) are one of the main revolutions of microelectronics in recent years. It has permitted the emergence of new objects connected to their environment such as smartphones. To answer the problem of miniaturization, these sensors need to be assembled with their control transistors by three-dimensional packaging. Existing studies show that Al-Ge eutectic bonding meets these criteria. In this process, the constituents of the alloy are deposited on at least one of the two wafers. The melting and then the solidification of the solder will result in a eutectic structure which mechanically closes the interface to form an assembly. However, there are still some issues to be addressed, in particular the leakage of the liquid alloy outside of the bonding area and the presence of voids at the sealing interface.The first goal of this thesis is to study the physical phenomena (wetting, solidification, diffusion) that determine the final quality of the assemblies. Secondly, these results are used to develop hermetic sealing processes, with a high mechanical strength for the packaging of MEMS. The study focuses on the influence of parameters such as temperature, thickness and oxidation of the surfaces, but also on the mechanisms of interfacial reactivity between the liquid alloy and substrates.

Neste trabalho foi analisado o comportamento de um transistor UTBOX FD SOI MOSFET (Ultra-Thin-Buried-Oxide Fully-Depleted Silicon-on-Insulator Metal- Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor) planar do tipo N, em sua aplicação como uma célula de memória 1T-DRAM, dando ênfase no estudo das polarizações e propostas de melhorias de desempenho para viabilizar sua aplicação como uma célula de memória. Dessa forma, foram analisados os efeitos das diferentes polarizações (de porta, de dreno e de substrato), bem como a influência da concentração de uma região de extensão de fonte e dreno menos dopada (LDD Lightly Doped Drain), nos principais parâmetros da referida memória. Assim, foram analisados alguns parâmetros da memória tais como tensão de disparo no dreno, margem de sensibilidade, janela de leitura e tempo de retenção, além dos mecanismos atuantes em cada estado da memória (escrita, leitura e repouso). Por fim, foram propostas algumas melhorias de desempenho para o tempo de retenção. Foi observado que o aumento da temperatura facilita a escrita na memória diminuindo a mínima tensão no dreno (até 72% para temperatura de 25 a 300°C, ficando limitada a 0,8V) e o tempo necessários para a escrita (até 95%), porém reduz a margem de sensibilidade (até 90%) e o tempo de retenção (até 2 ordens de grandeza). Verificou-se também que, apesar da menor espessura do filme de silício e do óxido enterrado aumentar a tensão no dreno necessária para ativar o efeito BJT (efeito bipolar parasitário), um potencial positivo no substrato pode reduzir este requisito (61% para tensão de substrato variando de 0 V até 1,5 V). Além disso, foi visto que pode haver uma geração ou uma recombinação de portadores, dependendo da tensão na porta durante o repouso, degradando o bit \'0\' ou \'1\'. Já a otimização da polarização de substrato demonstrou ser limitada pelo compromisso de ser alta o suficiente para ativar o efeito de corpo flutuante durante a escrita, sem prejudicar a leitura do \'0\'. Os resultados também demonstraram que a margem de sensibilidade é menos dependente da tensão do substrato que o tempo de retenção, levando a este último parâmetro ser considerado mais crítico. Com relação à leitura, maiores tensões no dreno resultaram na presença do efeito BJT também neste estado, aumentando a margem de sensibilidade (60%) e diminuindo o tempo de retenção (66%) e o número de leituras possíveis sem atualização do dado (de mais de 30 para 22 leituras). No tópico da concentração das extensões de fonte e dreno, os dispositivos sem extensão de fonte e dreno apresentaram uma taxa de geração de lacunas menor (aproximadamente 12 ordens de grandeza), levando a um tempo de retenção muito maior (aproximadamente 3 ordens de grandeza) quando comparado ao dispositivo referência. Em seu estudo no escalamento, verificou-se uma diminuição no tempo de retenção para canais mais curtos (quase 2 ordens de grandeza), demonstrando ser um fator limitante para as futuras gerações das memórias 1T-DRAM. Apesar disso, quando comparados com os dispositivos convencionais com extensão de fonte e dreno (com extensão), seu tempo de retenção aumentou (quase 1 ordem de grandeza), permitindo a utilização de menores comprimentos de canal (30nm contra 50nm do dispositivo com extensão) e polarizações de substrato menores. Outra proposta de melhoria no tempo de retenção apresentada foi a utilização da polarização de substrato pulsada apenas durante a escrita do nível \'1\', o que resultou no aumento do tempo de retenção em 17%. Finalmente, estudou-se também a variação da banda proibida motivado pela utilização de novos materiais para o filme semicondutor. Observou-se que o aumento da banda proibida aumentou o tempo de retenção em até 5 ordens de grandeza, possibilitando retenções mais próximas das DRAMs convencionais atuais. / In this work, it was analyzed the behavior of a planar UTBOX FD SOI NMOSFET (Ultra-Thin-Buried-Oxide Fully-Depleted Silicon-on-Insulator Metal- Oxide-Semiconductor Field-Effect-Transistor), as a 1T-DRAM (Single Transistor Dynamic Random Access Memory) cell, focusing on the best biases and other proposals for enabling the 1T-DRAM applications. Therefore, it was analyzed the effects of different biases (gate, drain and substrate), as well as the influence of the concentration of a less doped source/drain extension region on the main parameters of this kind of memory. Thus, it was analyzed some of the main memory parameters such as the trigger drain voltage, the sense margin, the read window and the retention time, as well as the mechanisms operating in each state of the memory (writing, reading and holding). Finally, it were proposed some performance enhancements for the retention time of this kind of memory. It was observed that the increase in temperature facilitates the memory write decreasing the minimum drain bias and time required for writing, but reduces the sense margin. It was also verified that, despite the thinner silicon film and buried oxide increase the drain voltage required to activate the BJT effect (parasitic bipolar effect), a positive potential on the substrate may reduce this requirement (61% for back gate bias varying from 0 to 1,5V), being an alternative for solving the problem and allowing the use of smaller devices as a memory cell. Furthermore, it was seen that there can be a carriers generation or recombination, depending on the gate voltage during the holding state, degrading the bit \'0\' or \'1\'. Moreover, the optimization of substrate bias proved to be limited by enabling the writing state, without degrading the reading of \'0\'. The results also demonstrated the sense margin is less dependent on the substrate voltage than the retention time, therefore, the retention time was considered as a more critical parameter. With respect to the reading state, there was the presence of BJT effect also in this state, increasing the margin of sensitivity (60%) and reducing the retention time (66%) and the number of possible readings without updating the data (over 30 for 22 readings) in cases of higher drain bias. On the topic of the concentration of the source and drain extensions, the devices with source and drain extensions presented a generation rate lower (about 12 orders of magnitude), resulting in a retention time far longer than the reference one (about 3 orders of magnitude). About its downscaling, the retention time decreased for shorter channel lengths (almost 2 orders of magnitude), which is a limiting factor for 1T-DRAM future generations. Nevertheless, when it was compared to the conventional devices with source and drain extensions, theirs retention time increased (almost 1 order of magnitude), allowing the use of shorter channel lengths (30nm against 50nm of reference device) and lower back gate biases. Another proposal presented to improve the retention time was the pulsed back gate only during the writing \'1\' state, which resulted in an increase on the retention time by 17%. Finally, we also studied the band gap influence motivated by the use of new materials for the semiconductor film. It was observed that higher band gaps increase the retention time by up to 5 orders of magnitude, allowing a retention time closer to the current conventional DRAMs.

Many people around the world suffer from neurological injuries of various sorts that cause serious difficulties in their lives, due to the loss of important sensory and motor functions. Functional electrical stimulation (FES) provides a possible solution to these difficulties by means of a feedback connection allowing the target organ (or organs) to be controlled by electrical stimulation. The control signals can be provided using recorded data extracted from the nerves (electroneurogram, ENG). The most common and safe approaches for interfacing with nerves is called cuff electrodes which deliver the required feedback path for the implantable system with minimum risk. The amount of recorded information can be improved by increasing the number of electrodes within a single cuff known as multi-electrode cuffs (MECs) configuration. This strategy can increase the signal to noise ratio for the recorded signals which have typically very low amplitude (less than 5μV). Consequently multiple high gain amplifiers are used in order to amplify the signals and supply a multi-channel recorded data stream for signal processing or monitoring applications. The signal processing unit within the implantable system or outside the body is employed for classification and sorting the action potential signals (APs) depending on their conduction velocities. This method is called velocity selective recording (VSR). Basically, the idea of this approach is that the conduction velocity of AP can be determined by timing the appearance of the signal at two or more points along the nerve and then dividing the distance between the points by the delay. The purpose of this thesis to investigate an alternative approach using artificial network for APs detection and extraction in neural recording applications to increase the velocity selectivity based on VSR using MECs. The prototype systems impose four major requirements which are high velocity selectivity, small size, low power consumption and high reliability. The proposed method has been developed for applications which require online AP classification. A novel time delay neural network (TDNN) approach is used to decompose the recorded data into several matched velocity bands to allow for individual velocity selectivity at each band to be increased. Increasing the velocity selectivity leads to more accurate recording from the target fibre (or fibres) within the nerve bundle which can be used for applications that require AP classification such as bladder control and the adjustment of foot drop. The TDNN method was developed to obtain more information from an individual cuff without increasing the number of electrodes or the sampling rate. Moreover, the optimization of the hardware implementation for the proposed signal processing method permits savings in power consumption and silicon area. Finally, a nerve signal synthesiser and noise generator for the evaluation of the VSRmethod is described. This system generates multiple artificial AP signals with a time offset between the channels with additive white Gaussian noise (AWGN) to simulate the MEC and hence reduce the cost and the number of the animals required for experimental tests.

Neste trabalho aborda-se o projeto de um conversor analógico-digital (ADC) que deve atingir as especificações do padrão Bluetooth. Este bloco faz parte do estágio de recepção de um transceptor sem fio integrado em tecnologia CMOS. Inicialmente é feita a análise do ADC como sistema, ao mesmo tempo que as especificações nesse nível são desenvolvidas. A arquitetura adaptada da literatura é conhecida como time-interleaved pipeline. Os seus principais blocos, o S&H e o estágio básico incluindo o sub-ADC e o MDAC, são explicados posteriormente junto com a estratégia de correção digital através do bit de redundância entre estágios consecutivos. Seguindo essa ordem de ideias, é estudada a implementação com portas digitais da estratégia anterior e da geração das fases de relógio necessárias para os blocos da cadeia pipeline. Os dois circuitos mais elementares, o amplificador operacional de transcondutância (OTA) e o comparador de tensão, também são apresentados antes de introduzir a programação geométrica como ferramenta de projeto auxiliar. Tal ferramenta permite otimizar o consumo de potência desses circuitos básicos e, portanto, descobrir uma nova perspectiva no projeto de circuitos analógicos do estado da arte. Finalmente, os resultados obtidos e as simulações dos diferentes blocos e circuitos que constituem o ADC são mostrados. Esses resultados também incluem as medições e testes feitos em um OTA projetado com PG e fabricado em tecnologia CMOS 0,35 micrômetros. A conclusão mais importante deste trabalho se deriva da aplicação simultânea da programação geométrica e a análise cuidadosa dos requisitos reais dos circuitos, levando portanto à otimização do desempenho global do ADC projetado. / In this work, an Analog to Digital Converter (ADC) fulfilling the Bluetooth standard specifications is designed. This block stays at the reception side of an integrated wireless transceiver in CMOS technology. Initially, an analysis of the ADC as a system is carried out, at the same time that the specifications at that level are developed. The architecture adapted from the literature is known as time-interleaved pipeline. Its main blocks, the S&H and the basic cell including sub-ADC and MDAC circuits, are then explained together with the digital correction strategy based on the bit of redundancy between consecutive stages. Furthermore, digital gate implementation of previous strategy and generation of the different clock phases required by pipeline chain blocks, are covered. The two most elementary circuits, operational transconductance amplifier (OTA) and voltage comparator, are also presented before introducing geometric programming (PG) as an auxiliary design tool. Such a tool allows the power consumption optimization of these basic circuits and thus leads to a new perspective in analog circuit design for the state of the art. Finally, the reached results and the different ADC block simulations are presented. Those results include tests and measurements of an OTA designed using PG and fabricated in a CMOS 0,35 micrometers technology. The most important conclusion of this work is derived from the joint application of geometric programming and careful analysis of the real circuit requirements, allowing the global performance optimization in the designed ADC.

Tanto nos circuitos integrados para processamento de sinais digitais quanto em microprocessadores, a parte operativa é o núcleo onde a computação dos dados é realizada. A geração deste bloco costuma ser crítica para o desempenho global dos dispositivos. Ferramentas específicas para a geração de parte operativa costumam tirar proveito da regularidade estrutural do circuito para produzir leiautes mais densos e com melhor desempenho. Este trabalho apresenta um novo fluxo de projeto para geração de parte operativa onde foi desenvolvido um gerador automático de leiaute de células CMOS com suporte à lógica não-complementar e um compilador de parte operativa. O uso destas duas ferramentas permite a rápida prototipação de uma biblioteca inteira de células lógicas otimizadas, para atender diferentes requisitos de desempenho, que em seguida são utilizadas para montagem de cada um dos blocos funcionais da parte operativa pelo compilador. Comparações feitas com a ferramenta de síntese de células lógicas mostraram que a metodologia desenvolvida é capaz de produzir resultados similares em área e tempo de geração que métodos exatos e ainda possui a vantagem de suportar o uso de múltiplas métricas de qualidade durante o posicionamento dos transistores. As células geradas automaticamente apresentaram acréscimo de área médio de apenas 14% quando comparado às standard-cells e com resultado de atraso e consumo de potência muito próximos ou melhores. Circuitos de parte operativa foram gerados automaticamente pelo compilador e apresentaram na média, menor área, consumo de potência e atraso que circuitos gerados com um fluxo de síntese automático para standard-cells. / Datapath is the core where all the computations are performed in circuits for digital signal processing and also in microprocessors. The performance of the whole system is frequently determined by the implementation of the datapath. Tools dedicated for synthesis of this unit are called datapath compilers and use to take advantage on the structural regularity of the circuit to produce dense layouts and with good performance. This work presents a new flow for datapath generation. An automatic cell synthesis tool with support to non-complementary logic is used in conjunction with a datapath compiler to achieve timing optimization and technology independence. The cell library produced as result of the synthesis process is used by the compiler to place the cells and generate each one of the datapath operators. Comparisons with other cell sythesis tools shown that our approach was able to produce results comparable in area and generation time. Automatically generated cells were compared to standard-cell layouts and presented an average area overhead of just 14% while our circuits presented better or very close delay and power consumption. The datapaths produced by the compiler were compared to a traditional standard-cell based synthesis design flow and presented smaller area, delay and power consumption in average than this approach.

Ferramentas de projeto de circuitos integrados (do inglˆes, electronic design automation, ou simplesmente EDA) tˆem um papel fundamental na crescente complexidade dos projetos de circuitos digitais. Elas permitem aos projetistas criar circuitos com um n´umero de componentes ordens de grandezas maior do que seria poss´ıvel se os circuitos fossem projetados `a m˜ao como nos dias iniciais da microeletrˆonica. Neste trabalho, dois importantes problemas em EDA ser˜ao abordados: dimensionamento de portas e posicionamento detalhado dirigido a desempenho. Para dimensionamento de portas, uma nova metodologia de relaxac¸ ˜ao Lagrangiana ´e apresentada baseada em informac¸ ˜ao de temporarizac¸ ˜ao locais e propagac¸ ˜ao de sensitividades. Para posicionamento detalhado dirigido a desempenho, um conjunto de movimentos de c´elulas ´e criado usando uma formac¸ ˜ao ´otima atenta `a forc¸a de alimentac¸ ˜ao para o balanceamento de cargas. Nossos resultados experimentais mostram que tais t´ecnicas s˜ao capazes de melhorar o atual estado-da-arte. / Electronic design automation (EDA) tools play a fundamental role in the increasingly complexity of digital circuit designs. They empower designers to create circuits with several order of magnitude more components than it would be possible by designing circuits by hand as was done in the early days of microelectronics. In this work, two important EDA problems are addressed: gate sizing and timing-driven detailed placement. They are studied and new techniques developed. For gate sizing, a new Lagrangian-relaxation methodology is presented based on local timing information and sensitivity propagation. For timing-driven detailed placement, a set of cell movement methods are created using drive strength-aware optimal formulation to driver/sink load balancing. Our experimental results shows that those techniques are able to improve the current state-of-the-art.