Ohmic nanoswitches have been recently regarded to complement transistors in applications where electrical current leakage is becoming a problem. Although the solid state metal oxide silicon field effect transistor (MOSFET) has fueled a global technology revolution, it is now reaching its performance limits because of device leakage. To avoid electric field-induced damage in MOSFETs, operating voltage and hence threshold voltage must be reduced as linewidth is reduced. However, below a limit, the current cannot be turned off. The ohmic switch approach solves this problem because an air gap that separates the electrical contacts provides excellent electrical isolation when the relay is open. Some applications require these relays to perform billions to trillions of cycles, yet typical devices that are exposed to ambient environment degrade electrically after just a few thousand cycles. A critical challenge here is that trace amounts of volatile hydrocarbons in air adsorb on the electrical contact surfaces for a large variety of coating materials, causing an insulating deposit to form that prevents signal transmission during switch closure. We address this challenge by exploring the interactions of hydrocarbon contaminants with contact materials and operating environment on device lifetime. Our materials of choice are Pt, a common contact material in switch applications due to its resistance to wear, and RuO2, which is believed to be somewhat resistant to hydrocarbon adsorption. We test our devices in N2 and O2 background environments with controlled hydrocarbon contaminant concentrations. We illustrate that the insulating hydrocarbon deposit can be electrically broken down and its resistance lowered. We show how electrical contacts that have degraded electrically due to contamination can have their performance restored to the original level by actuating them in clean N2-O2 environment. It is then shown how this process creates a highly conductive carbonaceous deposit that protects the contact from wear. It is also v demonstrated that RuO2 does not exhibit contaminant-induced degradation even at very high hydrocarbon presence, as long as O2 is also present. These results show that even though the contaminant is ubiquitous in the environment, there are many ways to reduce its effect on ohmic switches.

We present the design and analysis of a new type of MEMS inertia switch with a tunable threshold, which can passively sense angular acceleration. The designs have a big proof mass for inducing rotation due to the angular impacts and also flexible cantilever beams to tune the acceleration threshold. The proposed designs were simulated using COMSOL Multiphysics, analytically modeled, and numerically integrated using MATLAB. The results showed that the acceleration can be tuned from 0 rad/s$^2$ to 65,000 rad/s$^2$ based on the used electrostatic voltage. The designs experience less than 10% overshot for shock durations higher than 20 ms. The rise time was less than 10 ms for all designs when the applied shock duration was less than 30 ms. The designs’ tunabilities were studied and characteristic angular acceleration versus tuning voltage graphs were developed for each design. The tuning voltage varied between the designs where the maximum pull-in voltage was 179 V in Design 2 and the minimum pull-in voltage was 59 V in Design 4.

Les microcommutateurs MEMS ohmiques comportent un contact électrique sous très faible force, très sensible à des paramètres difficiles à maîtriser. Ce contact a été l'objet d'une méthode de modélisation développée précédemment au LAAS-CNRS, dont le principe consiste à effectuer une simulation par éléments finis du contact mécanique avec les données AFM puis évaluer analytiquement la résistance électrique. Cette thèse a pour objectif d'évaluer les possibilités d'extension de cette méthode à des simulations multiphysiques.La thèse comporte une partie dédiée à la validation de la simulation mécanique par éléments finis par rapport à des résultats expérimentaux obtenus précédemment.Des simulations multiphysiques sont alors réalisées et les résultats en termes de résistance électrique sont comparés avec des résultats expérimentaux. On observe une très forte sous estimationde la résistance électrique, et donc des élévations de température. Ce constat est attribué à la présence de films isolants en surface d'une au moins des surfaces de contact.Enfin, des modèles qui incluent un film isolant sont développés avec une géométrie simplifiée d'aspérité. Les modèles les plus intéressants incluent des "nanospots": le film isolant est parsemé de zones conductrices, de très faibles dimensions. Les résultats permettent de cerner les caractéristiques typiques possibles de la géométrie dans cette configuration. / MEMS ohmic microswitches include very low force electrical contacts. These are very sensitive to parameters which reveal difficult to control. A previously developed modelization method consists in computing mechanical contact using finite elements, then estimating electrical resistance using analytical expressions. Here we focus on the possibilities of multiphysical finite element computations instead.Validation of the contact mechanical computation is first attempted, based on experimental results of previous works. Multiphysical contact computations are carried out. Resulting electrical contact resistance isfound to be much lower than experimental results. The presence of insulating surface films is supposedly the cause for that. Eventually, a simplified geometry for asperities is used to build models with insulating films.The most relevant models feature “nanospots”: some very small conductive areas are scattered on the contact area. The results allow us to determine some possible geometry configurations that could lead to contact resistance values such as those measured on real devices.

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L’étude du contact électrique quasi statique à plusieurs échelles permet de comprendre celui des micro-relais MEMS. Au cours de ce travail, une modélisation fine du contact est développée pour valider des lois de comportement établies à partir des mesures obtenues grâce à la mise au point de deux dispositifs expérimentaux originaux : la balance de précision, qui permet de réaliser un contact à l’échelle macroscopique entre barreaux croisés recouverts des films minces des matériaux à tester, et un nanoindenteur instrumenté pour la mesure électrique reproduisant un micro-contact identique à celui des micro-relais. Ils permettent tous deux de mener une étude comparative de différents échantillons en fonction de la force (de la dizaine de µN à quelques N), du courant (du µA à l’A), de l’état de surface (rugosité) ou encore du temps ; le contact étant caractérisé par sa résistance électrique. Ce travail concerne principalement le contact réalisé entre films minces en Au, matériau de contact de référence pour les applications micro-relais MEMS. L’étude des contacts de grande dimension a néanmoins été élargie à Ru, Rh, Pt et à l’alliage Au-Ni.Les résultats obtenus à l’aide de la balance de précision ont démontré la nécessité de prendre en compte l’influence de la configuration en film mince des matériaux de contact, tant du point de vue mécanique (rugosité) qu’électrique (répartition des lignes de courant). Leur comparaison à une modélisation statistique du contact rugueux donne des résultats satisfaisants. Cette approche a par ailleurs nécessité le développement d’un algorithme d’analyse d’image des relevés topographiques réalisés au microscope à force atomique, permettant ainsi de quantifier précisément les positions, taille et rayon de courbure de chaque aspérité de la surface.Les mesures effectuées à l’aide du nanoindenteur ont mis en évidence l’effet de la durée de fermeture des microcontacts sur la valeur de la résistance électrique. Le fluage des aspérités serait en partie responsable de la décroissance temporelle observée, aboutissant à des valeurs de résistance limite comparables à celles calculées à l’aide d'une modélisation numérique du contact entre des aspérités discrétisées et une sphère lisse. / The multi scale study of quasi static electrical contact is aimed at understanding those in MEMS microswitches. In this work, an accurate modeling of contact is developed to validate constitutive relations based on measurements obtained through the development of two original experimental set ups: a precision balance, which enables to perform a macroscopic contact between crossed roads coated with thin films of the materials to be tested, and a nanoindenter instrumented for electrical measurements reproducing microswitches contacts. They both allow a comparative study of different samples depending on the force (from μN to N), current (µA to A), surface condition (roughness) or time, while the contact is characterized through its electrical resistance. The measurements are obtained in the first place for gold, the reference contact material for MEMS microswitches applications. The study of large contacts was nevertheless extended to Ru, Rh, Pt and Au-Ni alloy.The results obtained using the precision balance showed the need to take into account the influence of the thin film configuration of contact materials, both in terms of mechanical (roughness) and electrical (distribution of current lines). Their comparison to a statistical model of rough contact gives satisfactory results. This approach also required the development of an image analysis algorithm of topographic maps obtained through atomic force microscopy. It allows quantifying precisely the position, height and radius of curvature of each surface asperity.Measurements made using the nanoindenter showed the effect of the time of closure of the micro contact on electrical resistance values. The creep of asperities may be partly responsible for the observed time decay, leading to limit resistance values comparable to those calculated using a numerical modeling of the contact between discretized asperities and a smooth sphere.

This diploma thesis deals with the design of pneumatic pressure switch with adjustable hysteresis. In the thesis is carried out the introduction in the theory of compressed air and research of the pressure switches at the market. Based on the gathered information and customer specification, the design draft of the pressure switch has been created. In the thesis are described three main parts of the prototype: transform of the pressure, adjustable hysteresis and synchronization of the microswitches. In the end of the thesis is described the testing of prototype and summary of the results.

Le but de cette thèse est l'amélioration, en termes de performances et de fiabilité, du contact électrique d'un micro-interrupteur en technologie MEMS. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration entre la Direction de l'Innovation de Schneider Electric et le Département d'Intégration Hétérogène sur Silicium du CEA-Leti. De cette collaboration a résulté un micro-interrupteur MEMS dont la fiabilité est supérieure à l'état de l'art mondial. Sa durée de vie est cependant limitée par la dégradation de son contact électrique. La première partie de cette thèse a ainsi porté sur l'étude des mécanismes à l'origine des défaillances de ce contact. Les essais d'endurance électrique avec courant coupé (« hot switching ») réalisés directement sur les prototypes de micro-interrupteurs, couplés à des analyses physico-chimiques et électriques ont permis d'identifier cinq mécanismes de défaillance principaux, différant en fonction du matériau de contact utilisé et du calibre de test. La seconde partie de la thèse présente le développement d'un banc permettant d'évaluer l'endurance de nouveaux matériaux de contact en remplacement de l'or et du ruthénium utilisés dans le micro-interrupteur. Ce banc d'endurance a été intégralement développé, réalisé et testé durant la thèse. Il reproduit le fonctionnement d'un micro-contact électrique et permet de réaliser plusieurs millions de cycles de fermeture/ouverture en faisant varier de nombreuses conditions de test telles que l'atmosphère environnante. La troisième partie de ce travail porte sur l'étude des mécanismes d'établissement et d'interruption du courant lorsque l'espace inter-contacts est réduit à quelques dizaines de nanomètres. L'utilisation non conventionnelle d'un microscope à force atomique à pointe conductrice en mode approche-retrait a permis de simuler à vitesse réduite l'actionnement d'un micro-contact. Cette étude a mis en évidence un phénomène d'émission électronique Fowler-Nordheim lors des derniers instants précédant la fermeture du contact. Les conséquences de cette émission électronique sont une dégradation des matériaux de contact, aboutissant à un transfert du matériau de contact de l'anode vers la cathode. L'ensemble de ces travaux est alors utilisé dans le chapitre de conclusion pour définir les règles de conception d'un micro-contact fiable.