Les micros résonateurs électromécaniques de type MEMS sont aujourd’hui étudiés pour leur intérêt dans les applications nécessitant des fonctions de capteurs ou d’actionneurs de petites dimensions co-intégrées avec des fonctions électroniques. Actuellement, la majorité des résonateurs sont issus des filières silicium et quartz. Cependant, les propriétés du silicium se dégradent lorsque la température dépasse 200°C alors que la co-intégration monolithique des composants en quartz est impossible. Parmi les matériaux possibles pour pallier ces limites, le nitrure de gallium (GaN) semble être un matériau prometteur. Ses propriétés piézoélectriques ainsi que la possibilité de l’intégrer avec des transistors à haute mobilité électronique AlGaN/GaN sont particulièrement intéressantes. Afin d’améliorer les performances des résonateurs électromécaniques à base d’hétérostructures AlGaN/GaN nous proposons de les miniaturiser. Dans ce contexte, nous avons proposé de développer la croissance épitaxiale de plusieurs structures de seulement quelques centaines de nanomètres. Leurs caractéristiques structurales, électriques et mécaniques ont été étudiées afin de définir la structure optimale pour les applications MEMS. Des architectures d’actionneurs piézoélectriques et électrothermiques ainsi que des détecteurs sans grille pouvant répondre aux critères de miniaturisation ont été étudiées. Les étapes du procédé technologique spécifique à ces composants ont développées. Pour finir, les performances des résonateurs fabriqués sur ces couches minces ont été mesurées afin de mettre en avant l’utilité des structures minces et les performances des différentes architectures des transducteurs. / Micro-electro-mechanical resonant systems are widely investigated for their applications in actuators and sensors of small dimensions and co-integrated with electronic functions. In the area of vibrating resonant devices, most are based on silicon and quartz technologies. Even if Si based resonators exhibit ultrasensitive mass/force detection they lose their mechanical and electrical properties for temperature higher than 200°C whereas quartz devices are not easily co-integrated. To overcome these intrinsic limitations, other approaches such as wide bandgap semiconductor have been investigated. Especially GaN exhibits good piezoelectric properties and benefits of co-integration opportunity with AlGaN/GaN high electron mobility transistors. Therefore it seems to be an ideal candidate to address new generation of MEMS sensors that withstand harsh environment. To optimize the actual resonator based on AlGaN/GaN hétérostructures, we have chosen to study the device downscaling process. In this view, we developped the epitaxial growth, by molecular beam epitaxy, of AlGaN/GaN heterostructures on 3 kinds of thin buffers. Structural, electrical and mechanical characterizations were carried out in order to select the best buffer for MEMS applications. Then, we suggested several designs of piezoelectric and electrothermal actuators as well as a gateless detector that are compatible with downscaling. Specific fabrication steps were developed and optimized. Finally, we compare the performances of resonators fabricated on thin buffers with one processed on thick commercial structure in order to bring forward the advantages of thin buffer and the performances of the transductor design.

L'objectif de cette thèse a consisté à étudier différentes topologies d’oscillateur à faible bruit de phase et de synthèses de fréquence à 4.6 GHz pour une application de la micro-horloge atomique au Césium. Nous avons étudié 7 topologies d'oscillateur à 2,1 GHz (à base du résonateur BAW utilisant la filière technologie 0.25μm SiGe:C BiCMOS de chez STMicroelectronics) à faible bruit de phase présentant des performances à l’état de l’art pour certaines topologies. Une comparaison expérimentale de ces différentes topologies a confirmé les résultats théoriques. En particulier, les résultats expérimentaux ont montré que la topologie différentielle possède de meilleures performances en bruit de phase et qu'elle est moins sensible aux bruits provenant des alimentations comparées aux topologies single-ended. Enfin, une topologie Double-Colpitts-Différentiel a été proposée. Elle a permis d'obtenir théoriquement des performances en bruit de phase, en encombrement au delà de l'état de l'art. Différentes architectures des synthèses de fréquence à 4,6 GHz ont été étudiées. Nous avons réalisé une synthèse de fréquence utilisant un circuit DDS piloté par un FPGA. Pour obtenir de bonnes performances au niveau de la pureté du spectre, différents circuits commerciaux constituant cette synthèse de fréquence ont été caractérisés finement. Finalement, l’architecture proposée a été utilisée au sein d'un dispositif complet de micro-horloge de césium. Nous avons obtenu un signal verrouillé présentant une stabilité de 2.5 10 – 9 à 1seconde. / The objective of this thesis is to study different topologies of low phase noise oscillator as well as a frequency synthesizer at 4.6 GHz for the application of Cs vapor microcell atomic clock. We have studied 7 topologies of low-phase-noise oscillators combined with BAW resonator and 0.25μm SiGe:C BiCMOS Technology from ST Microroelectronics at 2.1 GHz, which present the stat of the art performances. An experimental comparison of these different topologies confirmed the theoretical results. In particular, experimental results showed that the differential topology has better performance in phase noise and is less sensitive to the noise from power supply compared to the single-ended topologies. Finally, a Double-differential-Colpitts topology was proposed, because it was theoretically possible to obtain performance beyond the state of the art in phase noise and in size. Different architectures of frequency synthesizer at 4.6 GHz were studied. We have realized a frequency synthesizer in which a DDS controlled by a FPGA was used. To get good performance in terms of purity of the spectrum, different commercial circuits constituting the frequency synthesis were finely characterized. Finally, the proposed architecture has been used within a completed Cs vapor microcell atomic clock. We got a signal locked with a stability of 2.5 10 – 9 at 1second.

Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur dont la filière est en plein essor. Ses propriétés ont permis d’en faire le deuxième matériau semi-conducteur le plus utilisé pour les composants optiques et électroniques, après le silicium. Cependant, comparativement à ces domaines, peu d’études ont été menées quant à la réalisation de microsystèmes électromécaniques (MEMS) malgré des propriétés mécaniques favorables. Dans ce contexte, ces travaux présentent le développement de premiers accéléromètres MEMS résonants en filière GaN. Ces derniers reposent sur l’utilisation de poutres vibrantes possédant une forte contrainte mécanique en tension, avec un actionnement et une détection électriques intégrés. La présence de contrainte modifie significativement les performances de l’accéléromètre. Une étude théorique analytique de l’impact de la contrainte démontre ses bénéfices, notamment en termes de facteur de qualité et d’étendue de mesure. Les étapes du procédé de fabrication des composants ont été développées. Enfin, la caractérisation des accéléromètres démontre de très bonnes performances par rapport à l’état de l’art des autres filières technologiques et en accord avec les modèles préalablement établis. / The gallium nitride (GaN) is a semiconductor material for which the sector is rapidly expanding. Thanks to its properties, it have become the second most used semiconductor material for optic and electronic components, after the silicon. However, relatively to those sectors, few studies have been performed about the production of microelectromechanical systems (MEMS) despite the favorable mechanical properties. In this frame, this work presents the development of first resonant MEMS accelerometer in GaN. They are based on the use of vibrating beams which have a high tensile stress, with an integrated electrical actuation and detection. The existence of stress results in a significant modification of the performances of the accelerometer. An analytical theoretical study of the impact of the stress demonstrates its benefits, particularly for the quality factor and the measuring range. The process flow for the fabrication of the component has been developed. Finally, the characterization of the accelerometers shows very good performances compared to the state of the art of the other technologies and in agreement with the models previously established.

L'intégration de composants passifs sur silicium constitue l'une des voies envisagées pour répondre aux préoccupations de miniaturisation des systèmes électroniques radiofréquences. Une autre réponse à cette évolution est apportée par l'introduction de microsystèmes électromécaniques pour remplacer des fonctions électroniques. Ce projet explore une approche mixte afin d'intégrer simultanément les composants passifs et un MEMS résonant. Le procédé de fabrication des puces passives est le point de départ pour réaliser des résonateurs susceptibles de remplacer les quartz. Les travaux concernant trois types de structures sont détaillés dans cette thèse : des anneaux en aluminium avec des vibrations hors-plan, une géométrie tubulaire en silicium vibrant sur un mode de contour et des résonateurs carrés et circulaires en silicium monocristalIin fonctionnant sur un mode extensionnel. Le principe de fonctionnement y est expliqué, ainsi que le moyen de les réaliser sans avoir recours à un substrat SOI. La confrontation des mesures électriques avec différents modèles analytiques ou numériques a orienté les travaux vers une solution offrant de bonnes performances. Avec un facteur de qualité dépassant 50000 à une fréquence de 24 MHz, une résistance motionnelle de 2 kiloohms. et une puissance dissipée de 16 µ W pour une polarisation de 5 V, les derniers prototypes montrent le potentiel d'une telle approche / The integration of passive components on silicon is one of the solutions to meet the concerns of miniaturization of electronic radio frequency systems. Another response to these evolution is provided by the introduction of microelectromechanical systems to replace electronic functions. This project explores a mixed approach to simultaneously integrate passive components and MEMS resonant. The manufacturing process of passive chips is the starting point for making resonators as an alternative to quartz. Work on three types of structures are detailed in this thesis: aluminum rings with out-of-plan vibrations, a tubular geometry made of silicon vibranting on a contour mode and single-crystal silicon contour-mode resonators. The operating principle is explained, as weIl as the means to achieve them without resorting to a SOI substrate. The comparison between electrical measurements and various analytical or numerical models has guided the work towards a solution with good performance. With quality factor exceeding 50000 at a frequency of 24 MHz, motional resistance of 2 kiloohms. and power dissipation of 16 µW for a polarization of 5 V the latest prototypes show the potential of such an approach.

Dans l’optique de développer de nouveaux système RF les plus intégrés possibles, les technologies above-IC compatibles avec les technologies silicium ouvrent des perspectives prometteuses sur un plan économique pour l’industrie du semi-conducteur. En effet, a contrario des résonateurs SAW et céramiques, les résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW) peuvent être fabriqués en utilisant des matériaux compatible CMOS VLSI pour des performances électriques comparables, voir supérieures dans certains cas en termes de fréquence et de puissance. Les travaux de cette thèse ont connus deux grandes partie ; la première a été focalisée sur le développement d’une nouvelle topologie de filtre BAW accordable pour des applications de quatrième génération de téléphone mobile (4G). La seconde partie a été orientée vers une étude de faisabilité d’un filtre BAW-SMR autour d’une fréquence de travail à 7GHz pour une application spatiale. / Abstract

Les travaux que nous présentons dans cette thèse portent sur l'étude des résonateurs optiques à l'état solide munis de miroirs coniques et holographiques. Nous présentons brièvement dans une première partie une méthode de duplication que nous avons proposée afin de remédier aux défauts liés au matériau photosensible dans lequel sont fabriqués les réseaux holographiques apodisants. Cette méthode de duplication s est avérée être peu reproductible. Nous avons alors proposé d'utiliser la méthode de gravure par plasma. Nous montrons que le transfert de la structure périodique du matériau photosensible au verre de silice fondue change la forme sinusoïdale de son profil en profil rectangulaire. Nous montrons que les profils spatiaux des faisceaux réfléchis par ces réseaux à profil rectangulaire sont similaires à des profils gaussiens. Nous avons introduit cet élément holographique comme coupleur de sortie en configuration Littrow dans un résonateur optique avec un miroir convexe. Le profil du faisceau de sortie obtenu est proche de la limite de diffraction (i.e. similaire à un profil gaussien) dans le champ lointain. En second lieu, nous avons étudié les résonateurs optiques avec un miroir conique convexe et avec différents coupleurs de sortie. Nous montrons que ces résonateurs optiques ont une sélectivité angulaire très faible. Les faisceaux de sortie correspondent à des modes Bessel-Gauss avec un ordre angulaire élevé ou des faisceaux du type Mathieu-Gauss lorsqu'il y a un désalignement du coupleur de sortie. Finalement, nous proposons une méthode originale pour fabriquer des réseaux holographiques circulaires qui permettent de générer des faisceaux de Bessel. L'intérêt que présentent ces axicons holographiques est que la période du réseau est inversement proportionnelle à l'angle caractéristique d'un axicon conventionnel utilisé pour l'inscription du réseau. Ceci nous permet de faire des axicons avec des angles caractéristiques inférieurs à 0.5°. Nous avons introduit ce type de réseau dans un résonateur avec un miroir convexe et le faisceau de sortie dans le champ lointain présente une forme annulaire très caractéristique des faisceaux de Bessel.

L’extrême sensibilité des résonateurs mécaniques (NEMS) aux variations physiques à l’échelle atomique a permis le développement d’un nouveau concept de spectrométrie de masse à base de NEMS capable de mesurer la taille d’une particule unique. L’utilisation de large réseau de capteurs doit permettre à terme de palier la faible surface de capture des résonateurs tout en ouvrant de nouvelles perspectives pour les applications qui nécessitent des informa- tions sur la répartions spatiale des particules au sein du faisceau de mesure. Pour réaliser un spectromètre de masse à base de NEMS viable pour des applications de mesures réelles, il est impératif de développer une technologie de co-intégration NEMS CMOS permettant de fortement densifier le niveau d’interconnexion entre le capteur et l’électronique de lecture. Dans ce travail, nous présentons les premiers résultats mettant en oeuvre une telle techno- logie au travers de mesures de laboratoire et de la conception de circuit intégré co-intégré avec les résonateurs mécaniques. L’électronique de lecture capable de suivre la fréquence de nombreux NEMS simultanément est encore un facteur limitant la forte intégration nécessaire à la lecture de grand réseau de NEMS (>1000), les travaux de cette thèse mettent l’accent sur les problématiques liées à la lecture d’un grand nombre de résonateurs en termes de surface de silicium, de consommation et de performances. Nous présentons dans ce manuscrit une nouvelle architecture d’oscillateur hétérodyne bimode qui doit permettre de répondre à la fois au besoin de compacité tout en assurant le suivi simultané des différents modes de résonances des capteurs. Les travaux présentent également l’effort de modélisation et de co-simulation électro mécanique mis en oeuvre pour la conception des trois circuits. Enfin, nous présentons les résultats de mesure physique obtenue avec l’un des circuits revenus de fabrication et testé au sein du banc de spectrométrie de masse mise en place par les équipes du CEA/LETI. / The extreme sensitivity of nano electro mechanical system (NEMS) to atomic scale physical variations has led to the breakthrough development of NEMS- based mass spectrometry sys- tems capable of measuring a single molecule. Parallel sensing using thousands of devices will help to circumvent the small effective sensing area while opening new perspectives for applica- tions which require spatial mapping. While the development of NEMS CMOS co-integration technology is of paramount importance to achieve high density sensor arrays (>1000 devices), the readout circuitry capable of tracking NEMS resonator frequency shifts is still the limiting factor for the very large scale integration of individually addressed sensors. Moreover, in order to resolve the mass and position of an adsorbed analyte, single particle mass sensing appli- cations require to track simultaneously and in real time at least two modes of the resonators. This requirement adds complexity to the design of the overall system. To respond to the size, power consumption and resolution constraints linked to NEMS array measurement, this work focuses on the development of a new readout architecture based upon a dual mode heterodyne oscillator. This work also emphasis the effort made on the modelization and co-simulation of the NEMS devices with their readout electronics. Then, the manuscript describe the first results of the CEA/LETI CMOS co-integraton process developed to tackle the sensor density challenge of mass spectrometry application. Finally, present the two integrated circuit that were designed during this thesis. The first one was a proof of concept for the aforementioned oscillator architecture while the second one combine the architecture with the co-integration processus developed.

Le faisceau Bessel, solution exacte de l’équation d’onde, possède une zone où il garde pratiquement la même forme et les mêmes dimensions ; dans cette zone, il ne diffracte pas. Cette propriété intéressante a amené, depuis les années 80, plusieurs groupes de recherche à concevoir des cavités laser produisant ce type de faisceau non-diffractant. Une des difficultés de cette tâche réside dans la sélection des modes transverses du résonateur. Dans la plupart des cas, le problème est résolu en bloquant les modes supérieurs avec un iris, ce qui limite souvent le faisceau en propagation et en puissance. Ce projet de résonateur Bessel propose une nouvelle manière de sélectionner les modes en utilisant un miroir coupleur de petite taille, laquelle est adaptée aux dimensions du lobe central du faisceau Bessel J0. Le faisceau Bessel est généré à l’intérieur de la cavité grâce à un miroir conique, ou axicon, conçu et caractérisé dans nos laboratoires tout comme le coupleur. Une fois la cavité montée et alignée, nous avons mesuré les différentes distributions en champ proche, en champ lointain et à l’intérieur de la cavité. Les simulations numériques faites à l’aide de la méthode de Prony, pour le calcul de la proportion des principaux modes transverses présents dans le résonateur, nous ont permis d’observer de grandes similitudes avec les distributions mesurées. Il s’avère que le mode principal, comme le révèlent les simulations du champ lointain, n’est pas tout à fait un faisceau Bessel J0, quoique très ressemblant. Le calcul de l’énergie encerclée du mode dominant en champ lointain est presque identique à celui de l’énergie encerclée sur les distributions obtenues expérimentalement, le bruit en moins, ce qui semble confirmer l’unicité du mode transverse issu de la cavité.

Un système de communication fiable dans un environnement confiné, en particulier les mines souterraines, peut largement accroître la sécurité et la production. Actuellement, les réseaux de communication sans fil en milieu confiné offrent un débit maximal de 1 Gbits/s. Toutefois, la disponibilité de systèmes offrants des débits de l'ordre de 2 à 10 Gbits/s deviendra dans un proche avenir, une nécessité compte-tenu de l'introduction des systèmes 4G avancés et les technologies 5G qui pointent à l’horizon. L’utilisation de fréquences élevées, particulièrement en bandes millimétriques, telle que la bande ISM à 60 GHz offrant 7 GHz de bande passante, est l'une des voies les plus directes et les plus simples pour atteindre un débit souhaitable entre 2-10 Gbits/s. Il est bien connu toutefois que les signaux à 60 GHz se propagent de façon erratique dans les endroits où se trouvent de nombreux obstacles, les composantes réfléchies et diffractées étant considérablement atténuées. Le type de polarisation de l'antenne d'émission et de réception est l'un des critères affectant la qualité de réception du signal, en plus des pertes additionnelles liées à l'absorption par l'oxygène dans l’air et les pertes de propagation associées au parcours. Pour palier partiellement à ces problèmes, les antennes doivent être directionnelles à polarisation circulaire avec un gain élevé et une large bande passante. Ce travail présente une nouvelle approche pour améliorer les propriétés de rayonnement des antennes BIE (Bande Interdite Électromagnétique) en utilisant une combinaison entre les antennes à résonateurs diélectriques DRA (Dielectric Resonator Antenna) et les superstrats métamatériaux pour profiter des avantages individuels de chacun d’eux. L’objectif est de concevoir, étudier analytiquement, numériquement et expérimentalement de nouvelles structures performantes de type BIE et de caractériser leur potentiel en termes de la bande passante, du gain, de l’efficacité et de la polarisation pour un fonctionnement optimal autour de 60 GHz, conformément aux exigences d’un canal minier. Initialement, une antenne émettrice originale BIE fonctionnant à 60 GHz, caractérisée par un gain élevé et une polarisation circulaire à large bande est proposée. Cette antenne est constituée d’un résonateur diélectrique en forme de croix (XDRA) et elle est utilisée comme une source d’alimentation pour générer la polarisation circulaire avec une couche supérieure de type FSS (surface sélective en fréquence) pour améliorer le gain et la bande passante de la source d’excitation. Ensuite, une nouvelle approche analytique pour calculer les propriétés de rayonnement des antennes BIE est développée. Pour satisfaire aux exigences des ondes millimétriques en termes de gain, on présente une autre antenne hybride basée sur la combinaison de la théorie des réseaux et la notion des antennes BIE monosource. Cette nouvelle structure multisources permet d’atteindre une amélioration de gain de 3.5 dB par rapport à l’antenne monosource mais, la bande passante de ces structures reste encore incompatible avec de nombreuses applications à 60 GHz. Pour remédier au problème de la bande passante limitée, une nouvelle approche hybride est subséquemment introduite. Cette technique est basée sur l’excitation de la structure BIE par des antennes à résonateur diélectrique multi segments et, ensuite, le concept du superstrat métamatériau est introduit pour améliorer le produit gain- bande passante. Finalement, pour rendre la communication plus flexible soit que les antennes peuvent être utilisées simultanément en tant qu’émetteur et récepteur, une structure BIE unique à polarisation configurable est conçue. La structure est composée d'une excitation sous la forme d'une antenne à résonateur diélectrique pyramidal DRA recouvert avec un superstrat FSS. Ce dispositif est capable de basculer entre la polarisation circulaire et linéaire par une simple rotation mécanique du résonateur diélectrique de 45 degrés. L'avantage de cette structure réside dans le fait que les propriétés de la bande passante, du gain, de l’efficacité et de la forme des diagrammes de rayonnement sont maintenues stables lors de la commutation entre les deux configurations de polarisation circulaire et linéaire. / A reliable communication system in confined areas, in particular underground mines, can largely increase safety and production output. Today’s, wireless data rates in confined environments are limited to a maximum of about 1 Gbits/s. The demand for wireless 2 to 10 Gbits/s data rate systems will , however, become a necessity due to the introduction of advanced 4G technologies and the foreseeable implementation of 5G. The potential use of millimeter wave communication systems, such as ISM 60 GHz band, which offers 7 GHz of bandwidth, is one of the most direct and easiest ways to achieve such high data rate of 2–10 Gbits/s. It is well known that 60 GHz signals propagate erratically through in environments with many obstructions, since both the reflected and diffracted waves are significantly attenuated. The polarization of the transmitting and receiving antennas is one of the important parameter to take into account, along with additional losses due to oxygen absorption and propagation path loss in assessing received signal quality. These situations limit the communication achievable distance link and overcoming of these disadvantages requires circular polarization directive antennas with a high gain and broadband capability. This work presents a novel approach to improve the radiation properties of Electromagnetic Band Gap antennas (EBG) using a combination between dielectric resonator and metamaterial superstrate to take advantage of the individual benefits of each of them. The aim is to design, study analytically, numerically and experimentally new performant EBG structures and characterize their potential in terms of bandwidth, gain, efficiency and polarization for an optimum performance around 60 GHz fulfilling the requirements of a mining environment. Initially, an original transmitting 60 GHz antenna with high gain, broadband, circularly polarized Electromagnetic Band Gap (EBG) antenna is presented. The designed antenna is configured with a superstrate based on a frequency selective surface (FSS) placed in front of a Cross Dielectric Resonator (XDRA), installed into a ground plane, which acts as an excitation source. Then, a new analytical approach is developed to derive the radiation properties of the proposed EBG antenna. To satisfy millimeter wave requirements in terms of gain, another hybrid antenna based on the combination of superstrate structures and array technology has been developed. This new multi-source structure has achieved a gain improvement of 3.5 compared to the monosource antenna. However, the bandwidth of these structures remains incompatible with many applications at 60 GHz. To overcome the problem of the limited bandwidth, a new hybrid approach is introduced. This technique is based, on the excitation of the structure by a multilayer cylindrical dielectric resonator antenna, and then, the concept of metamaterial superstrate is introduced for enhancing the gain-bandwidth product. Finally, to make communication more flexible so that the antennas can be used for transmission and reception simultaneously, a new reconfigurable polarisation EBG antenna is designed. The structure is composed of an exciting pyramidal DRA source covered with FSS superstrate. The device can switch between circular and linear polarization by a simple mechanical rotation of the pyramidal DRA by 45°. The advantage of this structure resides in the fact that it maintain stable bandwidth gain, efficiency and radiation properties when switching between the two configurations of circular and linear polarization.

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