Au cours de la dernière décennie, des travaux de recherche importants ont été effectués dans le domaine de la microrobotique. Ces travaux concernent la conception, la fabrication et la commande de microrobots destinés à exécuter diverses tâches dans le micromonde (le monde des objets de taille micrométrique). Il s'agit notamment de tâches de manipulation d'objets artificiels ou biologiques à des fins de positionnement, de caractérisation ou de tri mais aussi pour le micro-assemblage industriel. Les recherches effectuées ont montré l'efficacité des matériaux actifs pour l'actionnement des microrobots. Toutefois, en dépit de leur haute résolution intrinsèque, ces matériaux présentent des inconvénients qui rendent la commande des microrobots difficile. Le comportement de ces matériaux et plus généralement des actionneurs qui les utilisent est souvent complexe, non linéaire et parfois non stationnaire. L'implantation de lois de commande nécessite donc l'emploi de capteurs et d'instruments coûteux et encombrants pour le traitement des signaux et l'exécution en temps réel. Dans le but de lever les difficultés citées précédemment et d'ouvrir des perspectives nouvelles pour la conception et la commande de microrobots, nous proposons une nouvelle approche pour la microrobotique appellée « microrobotique numérique » qui utilise un concept de modularité et une commande en boucle ouverte. Ces nouveaux microrobots sont construits à partir de « modules élémentaires » possédant deux états mécaniques stables et répétables. La position de l'extrémité du microrobot dépend de l'état des différents modules bistables qui le composent. Cette approche introduit un nouveau paradigme en microrobotique permettant la conception de cinématiques diverses adaptées au micromonde. Les principaux avantages de cette nouvelle microrobotique sont la modularité, l'absence de capteurs, la flexibilité, la possibilité de réaliser des robots microfabriqués et l'absence d'asservissement. Cette thèse propose la conception, la microfabrication et la caractérisation d'un module bistable.

L’utilisation des ultrasons pour l’imagerie présente plusieurs avantages : elle est extrêmement sure car ellen'utilise pas de radiations ionisantes et ne présente pas d'effets néfastes sur la santé. D’autre part, elle donne desrésultats d’excellente qualité avec un coût relativement faible. Historiquement, les matériaux piézoélectriques et leurscomposites ont été très tôt utilisés pour la génération d’ultrasons. Les transducteurs fabriqués à partir de ces matériauxdominent actuellement le marché des sondes ultrasonores. Cependant, pour certaines applications, ils ne peuvent pasêtre utilisés pour des raisons de dimensionnement et de limitations dues aux propriétés des matériaux. Une solutionpeut être apportée par l’utilisation des transducteurs ultrasonores capacitifs micro-usinés dits CMUTs. Ces dernierssuscitent un intérêt croissant dans le milieu de l’imagerie ultrasonore et sont considérés comme une alternativepotentielle et viable aux transducteurs piézoélectriques. Cette nouvelle technologie CMUTs est caractérisée par uneplus large bande passante, une sensibilité élevée, une facilité de fabrication et une réduction des coûts de production.Cette thèse est consacrée à la mise en place d’un certain nombre d’outils théoriques et expérimentaux permettant lamodélisation/conception, la fabrication et la caractérisation de transducteurs CMUTs à membrane circulaire pourl’émission des ultrasons. Nous commençons par développer des outils de simulation à base de calculs par élémentsfinis, permettant la compréhension et la modélisation du comportement électromécanique des CMUTs pour laconception et le dimensionnement des cellules élémentaires et des réseaux. Nous proposons par la suite un nouveauprocédé de fabrication de transducteurs CMUTs basé sur le collage anodique d’une couche de silicium monocristallind’épaisseur fixe d’une plaquette de SOI sur un substrat de verre. L’évolution du procédé de fabrication est détailléepour chaque étape technologique en soulignant à chaque fois les améliorations/modifications apportées pour unefiabilité et une répétitivité accrue associées à une connaissance des limites de faisabilité. Dans la dernière partie de cetravail, on s’intéresse à la mise en œuvre de plusieurs plateformes expérimentales permettant différentescaractérisations électromécaniques statiques et dynamiques des dispositifs CMUTs fabriqués / The use of ultrasound imaging has several advantages: it is extremely safe because it does not use ionizingradiation and has no adverse effects on health. It gives excellent quality results with a relatively low cost. Historically,piezoelectric materials and their composites have been early used for ultrasound generation. Transducers made fromthese materials dominate currently the ultrasonic probes market. However, for some applications, they can’t bebecause of design and limitation reasons due to material properties. A solution can be provided by the use ofcapacitive micromachined ultrasonic transducers CMUTs. A growing interest in the field of the ultrasound imaging isshown to this technology considered as a potential and viable alternative to piezoelectric transducers andcharacterized by a wide bandwidth, high sensitivity, ease of manufacture and reduce production costs. This thesis isdevoted to the establishment of a number of experimental and theoretical tools for the modeling/design, fabricationand characterization of circular membrane CMUTs transducers for ultrasound transmission. We begin by developingsimulation tools based on finite elements method in order to understand/model the CMUTs electromechanicalbehavior for the design and dimensioning of elementary cells and networks. Thereafter, we introduce a new CMUTtransducers fabrication process based on the anodic bonding a fixed thickness single crystal silicon layer of a SOIwafer on a glass substrate. The process evolution is detailed for each technological step highlighting everyimprovements/changes introduced for increased reliability and repeatability associated with an increased knowledgeof feasibility limits. In the last part of this work, we focus on the implementation of several experimental platformsallowing different static and dynamic electromechanical characterizations of the fabricated CMUTs devices.

Accelerometer sensors fabricated with micromachining technologies started to take place of yesterday&rsquo / s bulky sensors in many application areas. The application areas include a wide range from consumer electronics and health systems to military and aerospace applications. Therefore, the performance requirements extend form 1 &mu / g&rsquo / s to 100 thousand g&rsquo / s. However, high performance strategic grade MEMS accelerometer sensors still do not exist in the literature. Smart designs utilizing the MEMS technology is necessary in order to acquire high performance specifications. This thesis reports a high performance accelerometer with a new process by making the use of bulk micromachining technology. The new process includes the utilization of Silicon-on-Insulator (SOI) wafer and its buried oxide (BOX) layer. The BOX layer helps to realize interdigitated finger structures, which commonly find place in surface micromachined CMOS-MEMS capacitive accelerometers. The multi-metal layered CMOS-MEMS devices inherently incorporate interdigitated finger structures. Interdigitated finger structures are highly sensitive to acceleration in comparison with comb-finger structures, which generally find usage in bulk-micromachined devices, due to absence of anti-gap. The designed sensors based on this fabrication process is sought to form a fully-differential signal interfaced sensor with incorporation of the advantages of high sensitive interdigitated finger electrodes and high aspect ratio SOI wafer&rsquo / s bulk single crystal silicon device. Under the light of the envisaged process, sensor designs were made, and verified using a computing environment, MATLAB, and a finite element analysis simulator, CoventorWARE. The verified two designs were fabricated, and all the tests, except the centrifuge test, were made at METU-MEMS Research Center. Among the fabricated sensors, the one designed for the high performance achieves a capacitance sensitivity of 178 fF with a rest capacitance of 8.1 pF by employing interdigitated finger electrodes, while its comb-finger implementation can only achieve a capacitance sensitivity of 75 fF with a rest capacitance of 10 pF.

To investigate quantum confinement effects on silicon (Si) light source electroluminescence (EL) properties like quantum efficiency, external power efficiency and spectral emission, thin Si finger junctions with nanometre-scale dimensions were designed and manufactured in a fully customized silicon-on-insulator (SOI) semiconductor production technology. Since commonly available photolithography is unusable to consistently define and align nanometre-scale line-widths accurately and electron-beam lithography (EBL) by itself is too time-expensive to expose complete wafers, the wafer manufacturing process employed a selective combination of photolithography and EBL. The SOI wafers were manufactured in the clean-rooms of both the Carl and Emily Fuchs Institute for Microelectronics (CEFIM) at the University of Pretoria (UP) and the Georgia Institute of Technology’s Microelectronic Research Centre (MiRC), which made a JEOL JBX-9300FS electron-beam pattern generator (EPG) available. As far as is known this was the first project in South Africa (and possibly at the MiRC) that employed EBL to define functional nanometre-scale semiconductor devices. Since no standard process recipe could be employed, the complete design and manufacturing process was based on self-obtained equipment characterization data and material properties. The manufacturing process was unprecedented in both the CEFIM and MiRC clean-rooms. The manufacture of nanometre-scale Si finger junctions not only approached the manufacturing limits of the employed processing machinery, but also had to overcome undesirable physical effects that in larger-scale semiconductor manufacture usually are negligible. The device design, mask layout and manufacturing process therefore had to incorporate various material, equipment limitation and physical phenomena like impurity redistribution occurring during the physical manufacturing process. Although the complicated manufacturing process allowed many unexpected problems to occur, it was expected that at least the simple junction breakdown devices be functional and capable of delivering data regarding quantum confinement effects. Although due to design and processing oversights only 29 out of 505 measured SOI light sources were useful light emitters, the design and manufacture of the SOI light sources was successful in the sense that enough SOI light sources were available to conduct useful optical characterization measurements. In spite of the fact that the functional light sources did not achieve the desired horizontal (width) confinement, measured optical spectra of certain devices indicate that vertical (thickness) confinement had been achieved. All spectrometer-measured thickness-confined SOI light sources displayed a pronounced optical power for 600 nm < λ < 1 μm. The SOI light source with the highest optical power output emitted about 8 times more optical power around λ = 850 nm than a 0.35 μm bulk-CMOS avalanche light-source operating at the same current. Possible explanations for this effect are given. It was shown that the buried oxide (BOX) layer in a SOI process could be used to reflect about 25 % of the light that would usually be lost to downward radiation back up, thereby increasing the external power efficiency of SOI light sources. This document elaborates on the technical objectives, approach, chip and process design, physical wafer manufacture, production process control and measurement of the nanometre-scale SOI light sources. Copyright / Dissertation (MEng)--University of Pretoria, 2010. / Electrical, Electronic and Computer Engineering / unrestricted