Orientador: Fabiano Fruett / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-06T06:47:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Garcia_Vitor_M.pdf: 2431852 bytes, checksum: 99df32075176f9b0322278b0ce286ba5 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Apresentamos neste trabalho um sensor de pressão de baixo consumo de potência. totalmente compatível com o processo de fabricação CMOS. constituído por um amplificador operacional sensível ao estresse mecânico fabricado sobre uma membrana. O desenho do layout do amplificador é feito de forma a maximizar o efeito do estresse sobre os transistores do par de entrada e minimizar sobre o restante do circuito. O projeto da membrana. bem como a localização dos elementos sensores sobre a mesma. Foram determinados através de simulação por elementos finitos. O sensor foi fabricado utilizando o processo CMOS 0.35 IJ.m AMS disponibilizado pelo Projeto Multi-Usuário (PMU) Fapesp. A membrana do sensor foi obtida através de um processo de desbaste mecânico da pastilha de silício onde o circuito foi fabricado. Analisamos também a dependência da tensão de limiar e da mobilidade de um transistor PMOS com relação ao estresse mecânico. O sensor fabricado apresentou um consumo de potência da ordem de 3 IJ. W e uma sensibilidade de 8.9 mV/psi / Abstract: A nove I Iow power totally CMOS compatible mechanical-stress sensitive differential amplifier. which can be used as a pressure sensor. is presented. This amplifier is based on a special designed layout where the stress sensitivity of the input differential pair. is maximized and the stress effects on the second stage are minimized. Finite element simulation was used to design the membrane and to locate the element sensor on it. The sensor was fabricated in a CMOS 0.35 IJ.m AMS process supported by the Fapesp Multi -User Project. In order to make a pressure sensor without a backside bulk micro-machining process. the thickness of the die was reduced by a mechanical polishing process. This work also analised the limiar-voltage and the mobility dependence with regard to mechanical stress. The sensor power consumption amounts to 3 IJ. W and the sensitivity amounts to 8.9 m V/psi / Mestrado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Mestre em Engenharia Elétrica

Cette thèse porte sur l'étude de la durée de vie de composants et modules de puissance dans des environnements thermiques sévères, lorsque les modules de puissance sont amenés à travailler à haute température ou sous des cycles de température de forte amplitude. Les domaines visés par cette étude concernent plus particulièrement des applications extrêmement contraignantes telles que les applications aéronautiques. Un module de puissance est un assemblage de plusieurs matériaux (semi-conducteurs, brasures, céramiques, conducteurs) présentant des propriétés mécaniques, notamment de coefficient de dilatation thermiques (CTE) différentes. Les pertes dans les puces actives et les variations de température ambiante (profils de mission) sont responsables de contraintes mécaniques liées aux différences de CTE entre les différents matériaux. Les modes de défaillance étant principalement d'origine mécanique, ces travaux ont été effectués entre le SATIE et le LMT (Institut Farman). L'étude mécanique a complété des travaux expérimentaux de caractérisation et de vieillissement accéléré de modules de puissance à semi-conducteur. Ces études ont nécessité la mise en place d'essais de vieillissement spécifiques, passifs (utilisation d'une étuve permettant de contraindre les assemblages de puissance sous des cycles thermiques de grande amplitude) et actifs (utilisation de régimes extrêmes de fonctionnement tels que le court-circuit pour accélérer le vieillissement de certaines parties de l'assemblage).La première partie de ce manuscrit présente les principes physiques mis en jeu. Nous présenterons succinctement les concepts de mécanique de la rupture ainsi que les couplages physiques.La deuxième partie porte sur la rupture de la céramique des substrats DCB. Cette rupture peut provenir de défauts répartis aléatoirement dans le matériau. Nous aborderons le problème par une approche statistique où nous introduirons la "Théorie du maillon faible". L'autre cause de rupture est la présence de défauts géométriques que l'on appelle singularité où il existe une concentration des contraintes nécessitant une approche déterministe. A cette occasion nous introduirons le facteur d'intensité des contraintes qui permet d'étudier les problèmes de rupture liés à des zones singulières.La dernière partie portera sur la dégradation de la métallisation du transistor. La recherche d'indicateurs de vieillissement a demandé la mise au point de différents bancs de caractérisation électrique pour la mesure fine de différentes grandeurs électriques (courants de fuite, tensions de seuil, chute de tension à l'état passant...) dans un environnement thermique contrôlé. De plus ces caractérisations électriques sont corrélées à des observations de la métallisation effectuées par un microscope électronique à balayage de manière régulière. Nous chercherons à montrer comment la modification de la morphologie de la métallisation peut modifier les caractéristiques électriques des transistors de puissance testés. / This PhD focuses on the study of the lifetime of components and power semiconductor modules under thermal constraints, when power devices are used at high temperature or under high temperature cycles. The areas covered by this study relate more particularly to extremely harsh applications such as aerospace constraints. A power device is an assembly of different materials (semiconductors, solders, ceramics, conductors) with mechanical properties, including coefficient of thermal expansion (CTE). Losses in the die and ambient temperature variations (mission pro les) are responsible for strain constraints at material interfaces due to CTE mismatch between the different materials. Failure modes result for mechanical constraints so study was done in collaboration between LMT and SATIE laboratories (Farman Institute). The mechanical study completed experimental characterizations and accelerated aging of power semiconductor modules. These studies involved the development of specific aging tests allowing thermal cycles (thermal air streamer to force the power assemblies under thermal cycles of high amplitude) and active power cycles (use of hard working conditions such as short circuit for accelerating the aging of parts of the assembly).The first part of this manuscript presents the physical principles set in. We briefly introduce the concepts of fracture mechanics and the physical couplings.The second part focuses on the fractured DCB ceramic substrates. This failure can arise from defects randomly distributed in the material. We consider the problem using a statistical approach where we introduce the "weak link theory". The other cause of failure is the presence of geometrical defects called singularity where there is stress concentration requiring a deterministic approach. On this occasion we introduce the stress intensity factor which allows to study the failure problems associated with singular zone.The last part will focus on the aging of the transistor metallization. The search for indicators of aging has requested the development of several electrical characterization test benches for the precise measurement of different electrical parameters (leakage currents, threshold voltages, voltage drop in the on state ...) in a controlled thermal environment. Moreover, these electrical characterizations are correlated with observations at different aging states of the metallization degradation using a scanning electron microscope. We seek to show how the change in the morphology of the metallization can change the electrical characteristics of tested power transistors.

Ce travail de thèse porte sur la réalisation de MEMS organiques dans un dispositif original, le microévaporateur, couplant la technique MIMIC (Micromolding in Capillaries) à la pervaporation microfluidique. Il est expliqué comment le phénomène de pervaporation peut être utilisé pour concentrer des solutions polymériques diluées jusqu'à l'obtention de matériaux composites dans des géométries de dimensions typiques 25 μm x 100 μm x 10 mm. Il a été montré qu'il est possible d'établir des modèles décrivant cette croissance en excellent accord avec l'expérience et l'étude de l'influence de différents paramètres (concentration, géométrie...) sur la croissance a alors permis de prédire les vitesses de croissance des matériaux composites. Deux systèmes ont été réalisés à partir de ces derniers, associés à deux effets : l'effet bilame thermique et l'effet piezorésistif mettant en avant une preuve de concept d'une nouvelle voie de fabrication des MEMS organiques : la voie microfluidique. Un dispositif plus complexe comprenant également des vannes microfluidiques a permis de programmer des matériaux à gradients de composition dans la longueur de divers matériaux allant des cristaux colloïdaux aux matériaux polymères. / This work deals with the making of organic MEMS within an original device, the microevaporator, coupling the MIMIC technique (Micromolding in Capillaries) and microfluidic pervaporation. It is shown how the pervaporation phenomenon can be used to concentrate polymeric diluted solutions until we obtain composite materials into geometries with typical dimensions about 25 μm x 100 μm x 10 mm. We showed that it is possible to establish models which describe this growth in excellent agreement with experiments and the study of the influence of different parameters (concentration, geometry...) upon the growth thus allowed us to predict the growth velocities of those composite materials. Two systems have been made associated to two effects : bimetallic strip effect and piezoresistive effect in order to demonstrate a new proof of concept of a new way to make organic MEMS using microfluidics. A more complex device including microfluidic valves allowed us to encode materials with a gradient of composition within their largest dimension from colloidal cristals to polymeric materials.

De nouvelles applications émergent avec le développement de l’électronique souple comme des panneaux tactiles pliables, ou des capteurs de mouvement humain portables (wearable). Les technologies bien maîtrisées des jauges silicium sont mal adaptées à ces usages (faible élongation maximale, hautes températures de fabrication). Dans ce contexte, il est nécessaire de développer de nouveaux types de jauges. De nombreuses alternatives sont étudiées, qu’on peut diviser en deux catégories principales : les transducteurs nanoscopiques et les transducteurs composites. Dans ce travail, on étudie la possibilité d’utiliser une jonction tunnel MIM (Métal Isolant Métal) comme jauge de contrainte. Ce genre de dispositif est très peu étudié dans la littérature et la structure utilisée est généralement de type MIS (Métal Isolant Semi-conducteur). À chaque fois, la sensibilité du dispositif est expliquée par les propriétés du semi-conducteur (silicium). Les objectifs de cette thèse sont donc la compréhension des propriétés piézorésistives des jonctions MIM, l’optimisation de leur sensibilité et la fabrication d’un démonstrateur exploitant les technologies de la plastronique. Des jonctions de différentes natures (électrodes de différents métaux) sont fabriquées par évaporation et par ALD (Atomic Layer Deposition). La variation du courant en fonction de la contrainte est mesurée grâce à un banc de flexion. Le facteur de jauge associé est indépendant de la nature des électrodes mais varie fortement (de 40 à 75) en fonction du sens de polarisation de la jonction. Le facteur de jauge associé à la variation sous contrainte des paramètres géométriques (épaisseur et surface) est calculé mais reste inférieur à 13. Les phénomènes géométriques ne peuvent donc pas expliquer la sensibilité observée. L’étude de l’équation du courant Fowler Nordheim (identifié comme courant dominant dans nos jonctions) montre que cette sensibilité doit être associée à la variation sous contrainte de la hauteur de barrière aux interfaces métal/isolant, et/ou de la masse effective des électrons dans l’alumine. Des mesures de photoémission sont réalisées pour mesurer la hauteur de barrière des jonctions. À terme, cette méthode pourrait permettre de mesurer la variation sous contrainte, et donc de comprendre pleinement l’origine de la sensibilité des jonctions MIM. Pour finir, un démonstrateur intégrant des jauges MIM à effet tunnel (capteur de pression) est réalisé avec un substrat souple en polyimide rigidifié par une structure imprimée en 3D. Ce dispositif démontre la compatibilité des méthodes de fabrication des MIM avec les technologies souples et plastiques. / New applications are emerging with de development of flexible electronic like flexible touch panels and wearable movement sensors. The well mastered silicon technologies are ill adapted to these uses (low maximal elongation, high fabrication temperatures). In this context, it is necessary to develop new types of strain gauges. Numerous possibilities have been studied that can be divided in two main categories: nanosomic transducers and composite transducers. In this work, we study the possibility to use a MIM (Metal Insulator Metal) tunnel junction as strain gauge. This kind of structure is very unusual in the literature were the only similar article are based on MIS (Metal Insulator Semiconductor) junctions. The objectives of this thesis are thus the understanding of the piezorisistive properties of MIM structures, the optimisation of their sensitivity, and the realisation of a sensor prototype exploiting plastonic technologies.

Elektro-ultrazvuková spektroskopie je založena na interakci dvou signálů, elektrického střídavého signálu s frekvencí fE a ultrazvukového signálu s frekvencí fU. Ultrazvukový signál mění vzdálenost mezi vodivými zrny ve vzorku a tím mění jeho celkový elektrický odpor R. Změna odporu R je proměnná s frekvencí ultrazvukového signálu fU. Vzorek, který obsahuje mnoho defektů ve své struktuře, vykazuje vysokou změnu odporu R v porovnání se vzorkem bez defektů při stejné hodnotě ultrazvukového a elektrického signálu. V disertační práci je popsána elektro-ultrazvuková metoda na tlustovrstvých rezistorech, hořčíkových slitinách, monokrystalech Si a CdTe, varistorech a také jeden z prvních pokusů aplikace elektro-ultrazvukové spektroskopie na horninové vzorky a tak diagnostikovat jejich stav poškození. V našem případě byl proměřen vzorek žuly. Jelikož se jedná o nedestruktivní metodu testování, tak má tato metoda velmi perspektivní budoucnost. Tato metoda je citlivá na všechny defekty ve vzorku. Její výhodou je, že se měří velikost signálu ne frekvenci danou rozdílem nebo součtem budících frekvencí fE a fU a tím se dá dosáhnout vysoké citlivosti. V mém případě byl vždy měřen signál na rozdílové frekvenci fi = fE-fU.

Carbon nanotubes (CNTs) have attracted a significant attention in a wide variety of applications due to their excellent physical and chemical properties. Specifically, CNTs reinforced polymer nanocomposites have considerable potential for the realization of highly sensitive, flexible, stable and durable strain sensors. However, the performance of polymer/CNTs strain sensors is influenced by many factors. Especially, the homogeneity of the CNTs distribution within the polymer matrix and the adhesion of nanocomposite film to the polymer substrate play a decisive role. Additionally, the electrical and piezoresistive responses of polymer/CNTs nanocomposites, as well as their response under variable environmental conditions need to be considered. The main aim of this thesis is to develop polymer/CNTs nanocomposites for strain sensing applications. Thereby, the focus is on the development of suitable, cost-effective and simple preparation methods of polymer/CNTs-based strain sensitive nanocomposites and on the selection of suitable flexible substrate. However, during deposition, residual stress can be formed at the interface between the film and the substrate, which leads to thin film failures. Therefore, an analytical model is developed to predict the stress distribution in the film aiming to define the suitable processing conditions for low residual stress formations. Furthermore, specific surface treatments are proposed in order to enhance the adhesion between the substrate and the thin film, which are investigated by contact angle measurement (CAM), X-rays spectroscopy (XPS)and atomic force microscopy (AFM). Nanocomposites with up to 1 wt.% multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were prepared using a simple direct mixing method. The process parameters, such as sonication time and curing time, have been determined based on several characterization techniques. Dispersions qualities were examined using morphological and topography characterizations including scanning electron microscopy (SEM) and AFM. Additionally, DC measurements were performed on the polymer/CNTs nanocomposites in order to optimize the process parameters depending on the electrical conductivity and piezoresistivity of the nanocomposite. The impact of surface treatment on the strain sensing behavior was evaluated. Furthermore, electrical and piezoresistive responses under humidity and temperature effects were investigated. Analytical investigations show that the residual stresses can be minimized by using low deposition temperatures and by increasing the film thickness. Comparison of surface treatment techniques demonstrates that oxygen plasma cleaning improves adhesion at the interface by enlarging the surface area and enhancing the surface wettability and the surface polarity due to the introduction of functional groups. Morphological characterizations show the good homogeneity of MWCNTs and depict the importance of optimization of sonication time for the uniform filler distribution. Furthermore, AFM analysis show that the surface roughness is reduced as sonication time is increased due to the debundling of CNTs agglomeration. However, excessive sonication time can lead to higher roughness caused by breaking of CNTs, which get thereby the tendency to re-agglomerate. A low percolation threshold was achieved at a CNTs concentration of 0.3 wt.% which is significantly lower than the CNT concentrations reported in literature and demonstrating the quality of dispersion process adopted. Higher sensitivity is achieved at this CNTs concentration with approximately linear piezoresistive behavior of around R 2 = 0.9904. The novel strain sensitive nanocomposites show good stability at ambient conditions and good durability under mechanical cyclic test. In addition, it is found that the sensing behavior depends greatly on the surface roughness. A high stability and linearity with good sensitivity were observed for the sensor having low surface roughness. The temperature and humidity dependency of the composite is affected by the environmental changes. Therefore, an encapsulation of the film is required to minimize moisture absorption in addition to get better sensor recovery under mechanical load comparing to non-encapsulated film. / Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) genießen aufgrund ihrer hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungen eine große Aufmerksamkeit. Insbesondere CNT-verstärkte polymere Nanokomposite haben ein erhebliches Potenzial für die Realisierung hochempfindlicher, flexibler, stabiler und langlebiger Dehnungssensoren. Die Eigenschaften von Polymer/CNT-Dehnungssensoren werden von vielen Faktoren beeinflusst. Insbesondere die Homogenität der CNT-Verteilung innerhalb der Polymermatrix und die Haftung des Nanokompositfilms auf dem Polymersubstrat spielen eine entscheidende Rolle. Darüber hinaus müssen die elektrischen und piezoresistiven Eigenschaften von Polymer/CNTs-Nanokompositen sowie deren Reaktion auf variable Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Polymer/CNT-Nanokompositen für die Anwendung als Dehnungsmessstreifen. Der Fokus liegt auf der Entwicklung geeigneter, kostengünstiger und einfacher Präparationsmethoden von Polymer/CNT-basierten dehnungsempfindlichen Nanokompositen und deren Realisierung auf geeigneten flexiblen Substraten. Während der Abscheidung kann an der Grenzfläche zwischen Film und Substrat Eigenspannung entstehen, die zu Dünnschichtfehlern führt. Daher wird ein analytisches Modell zur Vorhersage der Spannungsverteilung im Film entwickelt, um die geeigneten Verarbeitungsbedingungen für geringe Eigenspannungsformationen zu definieren. Darüber hinaus werden spezifische Oberflächenbehandlungen vorgeschlagen, um die Haftung zwischen dem Substrat und dem Dünnfilm zu verbessern, die durch Kontaktwinkelmessung (CAM), Röntgenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht werden. Nanokompositen mit bis zu 1 wt.% mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren (MWCNTs) wurden mit einem einfachen Direktmischverfahren hergestellt. Die Prozessparameter, wie Ultraschallzeit und Aushärtezeit, wurden auf der Grundlage verschiedener Charakterisierungstechniken bestimmt. Die Dispersionsqualitäten wurden mittels morphologischer und topographischer Charakterisierungen einschließlich Rasterelektronenmikroskopie (REM) und AFM untersucht. Zusätzlich wurden DC-Messungen an den Polymer/CNT-Nanokompositen durchgeführt, um die Prozessparameter in Abhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit und der Piezoresistivität des Nanokomposits zu optimieren. Der Einfluss der Oberflächenbehandlung auf das Verhalten des Dehnungssensors wurde bewertet. Darüber hinaus wurden elektrische und piezoresistive Reaktionen unter Feuchtigkeits- und Temperatureinflüssen untersucht. Analytische Untersuchungen zeigen, dass die Eigenspannungen durch niedrige Depositionstemperaturen und eine Erhöhung der Schichtdicke minimiert werden können. Der Vergleich von Oberflächenbehandlungstechniken zeigt, dass die Sauerstoff-Plasma-Reinigung die Haftung an der Grenzfläche verbessert, in dem sie die Oberfläche vergrößert und die Benetzbarkeit der Oberfläche sowie die Oberflächenpolarität durch die Einführung von Funktionsgruppen verbessert. Morphologische Charakterisierungen zeigen die gute Homogenität vom Epoxid /MWCNTs Nanokompositen und die Bedeutung der Optimierung der Ultraschallzeit für die gleichmäßige Füllstoffverteilung. Darüber hinaus zeigt die AFM Analyse, dass die Oberflächenrauhigkeit durch die Entbündelung der CNT-Agglomerate für eine längere Ultraschallzeit reduziert wird. Eine übermäßige Ultraschallzeit kann jedoch zu einer höheren Rauigkeit durch Brüche von CNTs führen, die dadurch zu einer erhöhten Reagglomerationsneigung führen. Ein niedriger Perkolationsschwellenwert wurde bei einer CNT-Konzentration von 0.3 wt.% erreicht, welches deutlich niedriger als die in der Literatur berichteten CNT-Konzentrationen ist. Dies belegt die hohe Qualität des vorgeschlagenen Dispersionsprozesses. Eine höhere Empfindlichkeit wird bei dieser CNT-Konzentration mit einem annähernd linearen piezoresistiven Verhalten von etwa R 2 = 0.9904 erreicht. Die neuartigen spannungsempfindlichen Nanokompositen weisen eine gute Stabilität der Umgebungsbedingungen und eine gute Haltbarkeit im mechanischen Zyklustest auf. Darüber hinaus wird festgestellt, dass das Abtastverhalten stark von der Oberflächenrauheit abhängt. Eine hohe Stabilität und Linearität bei guter Empfindlichkeit wurde für den Sensor mit geringer Oberflächenrauigkeit beobachtet. Das Verhalten des Sensors wird durch Umweltveränderungen aufgrund von Temperatur und Luftfeuchtigkeit beeinflusst. Daher ist eine Verkapselung des Films erforderlich, um die Feuchtigkeitsaufnahme zu minimieren. Die realisierte Verkapselung hat zusätzliche Vorteile in Bezug auf die Sensor Rückgewinnung unter mechanischer Belastung im Vergleich zu nicht gekapseltem Film gezeigt.