Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation d’un capteur de pression 3D flexible pouvant être intégré dans un gant ou sur un outil de chirurgie pour qualifier et quantifier les forces de préhension notamment sous contraintes normales et de cisaillement. Un état de l’art présente d’abord les technologies se prêtant à cette application. Puis, le choix est porté sur la conception et le dimensionnement à partir de la loi de Hooke, d’un capteur matriciel capacitif tri-axe de 8 x 8 x 3 cellules/cm² à partir d’un diélectrique flexible de faible module d’Young autour de 1 MPa. Les cellules conçues ont une capacité nominale voisine de 0,5 pF. Une variation de 30% est attendue à une force maximale envisagée de 100 N/cm². La dynamique visée est de 1 à 1000. Elle correspondant à une résolution de 0,15 fF ou 100 mN/cm². La fabrication du capteur souple est abordée en prenant en compte la caractérisation des matériaux support, notamment le Kapton, dans un flux de microfabrication. Les problèmes de métallisation et d’adhérence d’électrodes sur PDMS conduisent au développement d’un procédé basé sur la technologie de transfert de film adapté aux électrodes enfouies dans le PDMS. Des résultats de simulation sous ANSYS valident le principe physique exploité. Ils sont confirmés par des mesures électriques statiques et en charge du capteur tactile pour des forces de 10 mN à 20 N. / This PhD work presents the design and realization of a 3D flexible force sensor that can be integrated in surgical gloves or tools to qualify and quantify the grip forces including normal and shear stress. A state of the art first presents the suitable technologies for this application. Then, the choice is focused on the design and dimensioning, using Hooke’s law, of a capacitive tri-axis sensor of 8 x 8 x 3 cells/cm² matrix from a flexible dielectric of low Young’s modulus around 1 MPa. Designed cells have a nearby nominal capacitance of 0.5 pF. A variation of 30% is expected at maximum force range of 100 N/cm². The aimed dynamic is 1 to 1000. It corresponds to a resolution of 0.15 fF or 100 mN/cm². The flexible sensor fabrication is tackled by taking into account the characterization of support materials, notably the Kapton, in a stream of microfabrication. Metallization and adhesion of electrodes on PDMS problems lead to the development of a process based on film transfer technology adapted to electrodes buried in PDMS. On the basis of ANSYS simulations, the operating physical principle is validated. They are confirmed by static and in charge electrical measurements of the tactile sensor for forces ranging from 10 mN to 20 N.

Les micro-dispositifs comportant des structures libérées et mobiles sont d’une part très sensibles aux variations de leur environnement de travail, et d’autre part très fragiles mécaniquement. L’étape de découpe du substrat en plusieurs puces est extrêmement agressive et peut entrainer la destruction totale des micro-dispositifs. L’encapsulation avant la découpe va alors prémunir les micro-composants lors de cette étape critique et continuer à garantir leur bon fonctionnement tout au long de leur utilisation en conservant la stabilité et la fiabilité de leur performance. Le conditionnement doit en outre interfacer les micro-dispositifs encapsulés avec le monde macroscopique en vue de leur utilisation. De nombreux procédés de fabrication ont déjà été développés pour l’élaboration d’un conditionnement. C’est le cas de l’encapsulation puce par puce, substrat - substrat, par couche sacrificielle par exemple. Ils sont toutefois très contraignants (encombrement, compatibilité, coût, …). Nous avons étudié, au cours de cette thèse, un procédé innovant de conditionnement hermétique par transfert de film utilisant une couche à adhésion contrôlée. Cette technologie consiste à élaborer des capots protecteurs sur le substrat moule puis à les reporter collectivement pour encapsuler les micro-dispositifs. Ce procédé est totalement compatible avec un interfaçage électrique de composant qui traverse les cordons de scellement ou le capot. Ce procédé nécessite la maîtrise de la croissance de divers films (C, CxFy, Ni, AlN, parylène, BCB, Au-In) et permet d’obtenir des boitiers étanches, hermétiques et robustes qui devraient très rapidement pouvoir être utilisés pour le conditionnement de MEMS. / Micro-devices which are composed of free standing or mobile structures are very sensitive to the working condition and mechanically very fragile. The saw dicing steps is very aggressive and it can destroy the micro-devices. Packaging will prevent the micro devices from any damage during this critical step and also take care of it all along its life by controlling its performance stability and reliability. Moreover, the suited devices use needs a connection to the macroscopic word through the packaging. Many packaging process flow has already developed such as pick and place, wafer to wafer, thin film packaging with a sacrificial layer. Nevertheless, they have got many drawbacks (footprint, process compatibility, cost …). We have developed an attractive wafer level hermetic packaging process by film transfer technology during this these. It relies on a transferred molded film cap from a carrier wafer to the donor wafer. Electrical path can be done through the cap or the bonding ring. Cap manufacturing need a high layer growth skill for example in C, CxFy, Ni, AlN, parylène, BCB, Au-In films to make robust, hermetic encapsulation which should be soon used for MEMS packaging.

Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation d'un capteur de pression 3D flexible pouvant être intégré dans un gant ou sur un outil de chirurgie pour qualifier et quantifier les forces de préhension notamment sous contraintes normales et de cisaillement. Un état de l'art présente d'abord les technologies se prêtant à cette application. Puis, le choix est porté sur la conception et le dimensionnement à partir de la loi de Hooke, d'un capteur matriciel capacitif tri-axe de 8 x 8 x 3 cellules/cm² à partir d'un diélectrique flexible de faible module d'Young autour de 1 MPa. Les cellules conçues ont une capacité nominale voisine de 0,5 pF. Une variation de 30% est attendue à une force maximale envisagée de 100 N/cm². La dynamique visée est de 1 à 1000. Elle correspondant à une résolution de 0,15 fF ou 100 mN/cm². La fabrication du capteur souple est abordée en prenant en compte la caractérisation des matériaux support, notamment le Kapton, dans un flux de microfabrication. Les problèmes de métallisation et d'adhérence d'électrodes sur PDMS conduisent au développement d'un procédé basé sur la technologie de transfert de film adapté aux électrodes enfouies dans le PDMS. Des résultats de simulation sous ANSYS valident le principe physique exploité. Ils sont confirmés par des mesures électriques statiques et en charge du capteur tactile pour des forces de 10 mN à 20 N.

Les micro-dispositifs comportant des structures libérées et mobiles sont d'une part très sensibles aux variations de leur environnement de travail, et d'autre part très fragiles mécaniquement. L'étape de découpe du substrat en plusieurs puces est extrêmement agressive et peut entrainer la destruction totale des micro-dispositifs. L'encapsulation avant la découpe va alors prémunir les micro-composants lors de cette étape critique et continuer à garantir leur bon fonctionnement tout au long de leur utilisation en conservant la stabilité et la fiabilité de leur performance. Le conditionnement doit en outre interfacer les micro-dispositifs encapsulés avec le monde macroscopique en vue de leur utilisation. De nombreux procédés de fabrication ont déjà été développés pour l'élaboration d'un conditionnement. C'est le cas de l'encapsulation puce par puce, substrat - substrat, par couche sacrificielle par exemple. Ils sont toutefois très contraignants (encombrement, compatibilité, coût, ...). Nous avons étudié, au cours de cette thèse, un procédé innovant de conditionnement hermétique par transfert de film utilisant une couche à adhésion contrôlée. Cette technologie consiste à élaborer des capots protecteurs sur le substrat moule puis à les reporter collectivement pour encapsuler les micro-dispositifs. Ce procédé est totalement compatible avec un interfaçage électrique de composant qui traverse les cordons de scellement ou le capot. Ce procédé nécessite la maîtrise de la croissance de divers films (C, CxFy, Ni, AlN, parylène, BCB, Au-In) et permet d'obtenir des boitiers étanches, hermétiques et robustes qui devraient très rapidement pouvoir être utilisés pour le conditionnement de MEMS.

Les matériaux polymères sont à l'heure actuelle peu considérés dans le vaste domaine des micro et nano technologies. Ils présentent toutefois certaines propriétés remarquables en comparaison des matériaux traditionnels de la microélectronique. Par exemple leur déformabilité et leur légèreté permettent d'envisager des fonctions de supports flexibles pour des composants électroniques. Par ailleurs, ils offrent des solutions d'assemblage de matériaux de diverses natures. Cette étude porte précisément sur ces deux thématiques. En premier lieu, nous avons étudié les mécanismes de collage impliqués dans l'assemblage de substrats de type silicium par une couche de polymère. D'autre part, nous avons proposé des modèles de mécanisme de transfert de films monocristallins sur polymère. Les propriétés mécaniques des matériaux considérés, principalement du silicium monocristallin et des polymères de type vitreux et caoutchoutique, ainsi que leurs épaisseurs, peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur selon la configuration considérée. L'originalité de l'étude est de déterminer et d'aborder des configurations expérimentalement favorables, par des modèles mécaniques simples, élaborés à partir de lois d'échelle. Nous avons proposé, dans un premier temps, ces modèles pour expliquer des résultats liés à des configurations particulières et ainsi démontrer la pertinence de cette approche. Le cœur de notre étude porte sur le transfert de films monocristallins, aussi fins qu'une centaine de nanomètres d'épaisseur, sur polymère par adaptation du procédé Smart-CutTM (transfert par implantation ionique et fracture). En comparaison d'une configuration standard de cette technologie, nous avons notamment étudié l'impact des propriétés mécaniques propres aux polymères (de types vitreux ou caoutchoutique). Les méthodes en loi d'échelle nous ont ainsi permis de proposer des mécanismes de transfert, de l'échelle du nanomètre jusqu'à la fracture macroscopique. Nous avons également exposé un exemple d'application concret par la réalisation d'objets microélectroniques modèles sur et dans un film monocristallin de silicium. La structure, composée d'un film de quelques micromètres d'épaisseur supporté par un polymère, constitue ainsi une structure flexible d'un point de vue mécanique.

Les matériaux polymères sont à l'heure actuelle peu considérés dans le vaste domaine des micro et nano technologies. Ils présentent toutefois certaines propriétés remarquables en comparaison des matériaux traditionnels de la microélectronique. Par exemple leur déformabilité et leur légèreté permettent d'envisager des fonctions de supports flexibles pour des composants électroniques. Par ailleurs, ils offrent des solutions d'assemblage de matériaux de diverses natures. Cette étude porte précisément sur ces deux thématiques. En premier lieu, nous avons étudié les mécanismes de collage impliqués dans l'assemblage de substrats de type silicium par une couche de polymère. D'autre part, nous avons proposé des modèles de mécanisme de transfert de films monocristallins sur polymère. Les propriétés mécaniques des matériaux considérés, principalement du silicium monocristallin et des polymères de type vitreux et caoutchoutique, ainsi que leurs épaisseurs, peuvent varier sur plusieurs ordres de grandeur selon la configuration considérée. L'originalité de l'étude est de déterminer et d'aborder des configurations expérimentalement favorables, par des modèles mécaniques simples, élaborés à partir de lois d'échelle. Nous avons proposé, dans un premier temps, ces modèles pour expliquer des résultats liés à des configurations particulières et ainsi démontrer la pertinence de cette approche. Le cœur de notre étude porte sur le transfert de films monocristallins, aussi fins qu'une centaine de nanomètres d'épaisseur, sur polymère par adaptation du procédé Smart-CutTM (transfert par implantation ionique et fracture). En comparaison d'une configuration standard de cette technologie, nous avons notamment étudié l'impact des propriétés mécaniques propres aux polymères (de types vitreux ou caoutchoutique). Les méthodes en loi d'échelle nous ont ainsi permis de proposer des mécanismes de transfert, de l'échelle du nanomètre jusqu'à la fracture macroscopique. Nous avons également exposé un exemple d'application concret par la réalisation d'objets microélectroniques modèles sur et dans un film monocristallin de silicium. La structure, composée d'un film de quelques micromètres d'épaisseur supporté par un polymère, constitue ainsi une structure flexible d'un point de vue mécanique. / Polymers are little considered at the moment, in the wide domain of micro- and nano- technologies. They present however certain remarkable properties by comparison with the materials used in microelectronics. For example their flexibility and their lightness allow thinking to polymers as flexible supports for microelectronic components. Besides, they offer solutions for assembling various materials.This study concerns exactly these two items. First of all, we studied bonding mechanisms implied in the assembly of silicon wafers via polymer layers. Then we proposed models for mechanism of single-crystalline layer transfers onto polymers. The mechanical properties of the considered materials (mainly single-crystalline silicon and glassy or rubber polymers) as well as their thicknesses can vary on several orders of magnitude according to the application.The originality of the study is to determine favorable experimental configurations, by simple mechanical models developed from scale laws, and to realize demonstrators. The heart of our study concerns the transfer of single-crystalline layers as thin as about hundred nanometers onto polymers by tuning of the Smart-CutTM technology (based on ion implantation and splitting for transfer). By comparison with a standard configuration of this technology, we studied the impact of the specific mechanical properties of polymers (glassy or rubber types). The methods in scale laws allowed us proposing transfer mechanisms, from the nanometer scale up to the macroscopic one. Finally we reported on a realization of micro-technology devices, made in and on single-crystalline thin silicon membranes. The stacked structures, consisting in silicon membranes thick of a few micrometers supported by polymer films, may be considered as very flexible structures.