In this study, gas sensing systems that are based on piezoelectric smart material and structures are proposed, designed, developed, and tested, which are mainly aimed to address the temperature dependent CO2 gas sensing in a real environment. The state-of-the-art of gas sensing technologies are firstly reviewed and discussed for their pros and cons. The adsorption mechanisms including physisorption and chemisorption are subsequently investigated to characterize and provide solutions to various gas sensors. Particularly, a QCM based gas sensor and a C-axis inclined zigzag ZnO FBAR gas sensor are designed and analyzed for their performance on room temperature CO2 gas sensing, which fall into the scope of physisorption. In contrast, a Langasite (LGS) surface acoustic wave (SAW) based acetone vapor sensor is designed, developed, and tested, which is based on the chemisorption analysis of the LGS substrate. Moreover, solid state gas sensors are characterized and analyzed for chemisorption-based sensitive sensing thin film development, which can be further applied to piezoelectric-based gas sensors (i.e. Ca doped ZnO LGS SAW gas sensors) for performance enhanced CO2 gas sensing. Additionally, an innovative MEMS micro cantilever beam is proposed based on the LGS nanofabrication, which can be potentially applied for gas sensing, when combined with ZnO nanorods deposition. Principal component analysis (PCA) is employed for cross-sensitivity analysis, by which high temperature gas sensing in a real environment can be achieved. The proposed gas sensing systems are designated to work in a high temperature environment by taking advantage of the high temperature stability of the piezoelectric substrates.

Ces travaux de thèse portent principalement sur la génération de signal d'horloge haute fréquence. Dans un premier temps, la faisabilité d'un oscillateur à base de BAW y est démontrée par la conception d'un circuit en technologie CMOS 65 nm. Les deux principales innovations sont les performances en terme de stabilité (bruit de phase de -128dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) et en précision (implémentation d'une banque de capacités ayant un pas de 0.4ppm) de l'oscillateur. Sa consommation est optimisée (0.9mW). Il est suivi d'un diviseur faible bruit (-140dBc/Hz à 100kHz de la porteuse) délivrant un signal à 500MHz. Dans un second temps, les imperfections des résonateurs BAW sont analysées. Une procédure de calibration comprenant une calibration initiale et une calibration en boucle ouverte est alors proposée. Cette dernière repose sur l'identification et l'utilisation d'un modèle comportemental du dispositif, régulièrement mis à jour grâce à un filtre de Kalman. Une précision de 0.4 ppm est atteinte

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEALeti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clef dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'une collaboration tripartite entre STMicroelectronics, le CEA-Leti et le TIMA. Elle a pour objet la caractérisation et l'étude de la fiabilité des composants à ondes acoustiques de volume (ou BAW pour Bulk Acoustic Wave) fabriqués à partir de couches piézoélectriques minces déposées sur un miroir de Bragg réalisé sur silicium (la technologie SMR pour Solidly Mounted Resonator) pour des applications Radiofréquence (RF). Dans ce travail, on s'intéresse particulièrement aux résonateurs et filtres à modes longitudinaux à base de Nitrure d'Aluminium (AlN) excités et piégés dans des capacités de type Métal-Insolant-Métal (MIM) dans le but de caractériser leur adéquation à répondre aux critères industriels et de permettre la compréhension et la modélisation des phénomènes physiques entrant en jeu dans la dégradation des composants. Le premier chapitre introduit la problématique des composants radiofréquences pour la téléphonie cellulaire et plus particulièrement les composants à ondes acoustiques de volume. Ce chapitre décrit le principe de fonctionnement de la technologie BAW, ses avantages ainsi que la problématique de la fiabilité comme étant un point clé dont l'étude est nécessaire avant la commercialisation. Le deuxième chapitre est consacré à l'analyse des propriétés électriques et acoustiques de la brique de base de la technologie BAW SMR qui est la structure MIM. Dans le troisième chapitre, on s'intéresse à l'étude de résonateurs sur miroir de Bragg sous différentes conditions de fonctionnement afin d'évaluer leur stabilité, de mettre en évidence les modes de défaillance et d'expliquer les phénomènes physiques observés. Enfin, le quatrième chapitre de ce manuscrit est consacré à l'étude d'un filtre complet exploitant ces résonateurs comme éléments d'impédance. La conclusion du mémoire reprend les principaux résultats des travaux effectués et fournit des lignes directrices en vue d'améliorer la stabilité et la fiabilité de la technologie BAW.

This thesis is about the design of a biosensor system for detection of multiple cancer biomarkers. Accurate diagnosis and prognosis of cancer requires early detection. Equally important, though, is the measurement of biomarker-velocity and detection of multiple biomarkers. Early detection requires highly sensitive biosensors capable of detection at very low concentrations of target molecules. Biomarker-velocity can be measured by monitoring concentration of target molecule over a period of time. This requires a system which is very easy to use, fast, flexible, inexpensive and portable, thus enabling its ubiquitous presence at the point of care. For detection of multiplexed biomarkers, biosensors which easily lend to array configuration are required. Conventional techniques do not fulfill either all or some aspects of the requirements listed above. In this work, we present the design of a biosensor system, keeping in view the desired features described above, to achieve the ultimate goal of enabling ubiquitous presence of biosensor at the point of care. We focus on acoustic transducer based biosensors. The two fundamental components of design in an acoustic biosensor are the design of an acoustic transducer and the design of a novel electrical interface for the transducer. For transducer design, we introduce and present the design of a single structure, GHz range, multi-mode acoustic resonator. We present this as a suitable transducer for liquid phase biosensors, which is the preferred medium for sensing of cancer biomarkers. We explore the underlying physics and do experimental and theoretical characterization of this device. The transducer needs to be functionalized with a chemically sensitive layer which performs the molecular recognition of cancer biomarkers. We present the experimental exploration of a reversible and oriented immobilization based Histidine-Ni(2+) interaction which used NTA as the chelator for anchoring onto the device. Then we discuss the microfluidic design to enable liquid phase operation. We used SU-8 polymer barriers for liquid containment and addressed the challenges of making it compatible with ZnO based devices. An electrical interface is needed to excite and extract the sensor response. We have presented here a novel method to measure and track a resonator's response and extract its characteristic parameters. This method measures the wideband frequency response of the resonator with a much simpler setup as compared to conventional methods. We have proposed and demonstrated the use of a white noise signal as a viable signal for broadband excitation of resonator-based sensing platforms. We have also established, shown through simulation and prototype measurements, the feasibility of the proposed method. The accuracy and speed of the system can be further greatly improved by FFT-based digital implementation of the spectral analysis system. We have presented an example hardware implementation of FFT-based signal analyzer, and have discussed the hardware resources required for actual implementation in a chip form. Lastly we discuss the measurement protocol and sensor results for head and neck cancer and prostate cancer biomarkers. These results demonstrate the usability of the proposed sensor system for detection of cancer biomarkers.

Cette habilitation à diriger des recherches résume la majeure partie des activités que nous avons menées dans le domaine des systèmes communicants hautes fréquences, et qui nous ont permis d'en explorer l'élément central "synthèse de fréquences", dans ses déclinaisons intégrées sur silicium, véritables lignes directrices de nos travaux. Si la synthèse de fréquences est essentielle, c'est qu'elle permet aux différents standards de communication actuels (WiFi, Bluetooth, ZigBee, ...) et futurs (Wireless-HD, ...) d'exister et de cohabiter, de commuter entre les canaux des différents utilisateurs, et dans certaines techniques d'étalement de spectre, d'assurer des sauts de fréquences ultra rapides. De multiples aspects ont été abordés, dont l'originalité réside dans le croisement des approches analogiques, numériques, mixtes, basses et hautes fréquences, impliquant les niveaux composants, circuits et systèmes, depuis l'optimisation très ciblée de fonctions élémentaires jusqu'à une application de métrologie de bruit de phase totalement atypique car entièrement intégrée et reconfigurable, en passant par la remise en question d'architectures habituelles de synthèse visant à en résoudre certains défauts récurrents. En tout premier lieu, nous avons mené une activité de conception analogique " classique " d'oscillateurs intégrés, que notre participation à un projet européen nous a permis de coupler pour la première fois à des résonateurs à ondes acoustiques de volume (BAW) très sélectifs dans une approche SoC "above-IC" à 5 GHz. Ils ont affiché des performances en bruit de phase à l'état de l'art au moment de leur publication. À côté de cela, nous avons développé des activités autour de la boucle à verrouillage de phase (PLL), fonction complexe standard des synthèses de fréquences. Avec elles, nous avons pu mettre en oeuvre des techniques de conception originales dans la numérisation haute fréquence des fonctions de la boucle, diviseurs, comparateurs phase/fréquence et filt res, ce qui nous a permis de dépasser certaines limitations au regard des technologies standards utilisées, en termes de chemins critiques, de parasites et de fréquences de fonctionnement notamment. En nous intéressant à la numérisation du dernier bloc de la PLL, l'oscillateur contrôlé en tension (VCO), nous nous sommes tournés vers le synthétiseur de fréquences digital direct (DDS). C'est avec cette fonction, dont le domaine d'application se révéla bien plus large que le seul oscillateur numérique (NCO), que nous avons pu apporter les solutions les plus singulières, voire les plus osées, en totale rupture avec les habitudes du domaine basse fréquence dont elle est issue. Nous avons ainsi été les premiers à proposer une architecture basse consommation de plusieurs milliers de transistors et fonctionnant au-delà de la gamme RF (6 GHz) sur une technologie pourtant grand public. Un brevet nous a également permis de mettre en valeur un fonctionnement spécial du DDS, capable de lui faire générer facilement des impulsions ultra-large bande (UWB). Dans une dernière partie, nous avons abordé les systèmes de mesure sur puce, et en particulier la mesure intégrée de bruit de phase, paramètre dont la minimisation est essentielle à la qualité des systèmes communicants. Nous avons montré qu'il était possible de concevoir sur une technologie courante des fonctions analogiques d'instrumentation dont la contribution minime en bruit a pu permettre la création d'un banc de mesure de bruit de phase reconfigurable totalement intégré. Les déclinaisons de ce banc, décrites dans un brevet, le rendent capable aussi bien de mesurer le bruit de phase de sources de fréquences que celui résiduel de quadripôles. Nul doute que les micro et nano systèmes hétérogènes multiphysiques du futur sauront tirer bénéfice de tels bancs de mesure miniatures intégrés, autorisant un traitement du signal des plus fidèle car effectué "au plus proche" des différents capteurs à interroger. Notre contribution s' est toujours voulue volontairement appliquée, en gardant à l'esprit certaines notions élémentaires telles que le coût et la consommation raisonnés des techniques et technologies mises en oeuvre, que la quête de l'innovation et de l'excellence doit malgré tout motiver, mais que le Graal de la performance ultime peut facilement faire oublier.

In both, cell secretome analysis and bacteria evolution, controlled handling of particles with a few to sub-micrometers in size and media exchange are inevitable in order to investigate body fluid’s proteins or change the surrounding culture conditions for pivoted evolution. Typically, nanofiltration and ultra-centrifugation are employed which can lead to cell damage, need large sample volumes and have a high sample loss. Using contactless and label-free acoustic cell manipulation, disadvantages of other magnetic, dielectric or hydrodynamic methods can be avoided. Here, a novel design using acoustic forces for small particle trapping and media exchange is thoroughly numerically investigated including first- and second-order acoustic effects. The device comprises parallel aligned medium and air channels separated by a thin wall. Particle trapping occurs at this thin wall. The medium channel dimensions (height and width) and thin wall thickness are optimized with respect to trapping forces. Thinnest walls are preferable and an aspect ratio of 0.8. First preliminary experimental variation with polystyrene particles showed good agreement with the simulations. Thereby the particle trapping efficiency is evaluated under quiescent flow conditions. For particle trapping, a device with a channel height of 290μm and an aspect ratio of 0.7 is superior which supports the numerical results. Finally, medium exchange of E. coli bacteria is demonstrated with best results for a device with a channel height of 450μm and an aspect ratio of 0.8 showing that 13.4% of the initial bacteria were released after medium exchange which can be used for further processing.

Les composants passifs électro-acoustiques sont des éléments critiques des architectures RF. Les plus représentés sont les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW) ou de volume (BAW), qui permettent le filtrage RF (filtre d'antenne). Pour le filtrage de canal, les solutions SAW sont actuellement en place, bien que des travaux récents aient montré l'intérêt des résonateurs à ondes de Lamb pour ce type d'application. Ces derniers composants présentent l'avantage d'être compatibles avec une technologie de fabrication de filtres BAW réalisés sur membrane suspendue (FBAR), permettant une co-intégration des deux types de composants à moindre coût. Toutefois, le choix technologique de STMicroelectronics et du CEA-Leti s'est porté sur une technologie de résonateurs BAW réalisés sur miroir de Bragg (SMR). Le but de cette thèse est donc de démontrer la possibilité de réaliser des résonateurs reprenant le principe des résonateurs à ondes de Lamb, mais co-intégrables avec des BAW-SMR. Après une présentation de l'état des lieux des composants électromécaniques utilisés dans les architectures RF et des diverses propositions de dispositifs semblables présentes dans la littérature, nous abordons une étude théorique du principe de fonctionnement de ce type de composants, ce qui nous permet d'en cerner les caractéristiques : coefficients de couplage électromécaniques proches de ceux des résonateurs à ondes de Lamb, mais fonctionnement à des fréquences proches de celles des résonateurs BAW. Nous présentons ensuite les méthodes de dimensionnement employées. Enfin, nous présentons un procédé de réalisation proche de celui des BAWSMR fabriqués au CEA-Leti, mais adapté à nos composants. A l'issue de caractérisations électriques, nous sommes en mesure de présenter les premiers composants de ce type fonctionnels, et une liste d'améliorations possibles. Ces travaux ont permis des publications dans quatre conférences dont trois internationales, un journal, un dépôt de brevet d'invention et deux publications internes au laboratoire commun IEMNSTMicroelectronics. Mots clés : Résonateur, Filtre, BAW, SAW, Ondes de Lamb, Ondes guidées, MEMS, Architecture RF, Télécommunication mobile, Acoustique, Miroir de Bragg, Modélisation FEM, Matrice de réflexion. Glossaire : SAW : Surface Acoustic Wave Resonator/Résonateur à ondes acoustiques des surface, BAW : Bulk Acoustic Wave/Ondes de volume, FBAR : Film Bulk Acoustic Resonator/Résonateur à ondes de volume sur une membrane, SMR : Solidily Mounted Resonator/Résonateur à ondes de volume sur un miroir de Bragg.

In the past decade, there has been an increased interest in low-cost, low-power, high data rate wireless systems for both commercial and defense applications. Some of these include air defense systems, remote sensing radars, and communication systems that are used for unmanned aerial vehicles, ground vehicles, and even the individual consumer. All of these applications require state-of-the-art technologies to push the limits on several design factors such as functionality, weight, size, conformity, and performance while remaining cost effective. There are several potential solutions to accomplish these objectives and a highly pursued path is through the utilization of advanced integrated system platforms with high frequency, versatile, multilayered materials. This work intends to explore advanced 3-D integration for state-of the art components in wireless systems using LCP multilayer organic platforms. Several packaging techniques are discussed that utilize the inherent benefits of this material. Wire bond, via interconnect, and flip-chip packages are implemented at RF and millimeter-wave (mm-wave) frequencies to explore the benefits of each in terms of convenience, reliability, cost, and performance. These techniques are then utilized for the demonstration of bulk acoustic waveguide (BAW) filter applications and for the realization of highly integrated phased-array antenna systems.

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse consistent principalement en la conception de fonctions intégrées radiofréquences BiCMOS SiGe exploitant des résonateurs à ondes acoustiques de volume FBAR. Contrairement aux techniques actuelles rencontrées dans l'industrie qui consistent à réaliser des filtres et des résonateurs discrets et à les associer par la suite avec les circuits actifs des émetteurs-récepteurs au niveau du boîtier, nos résonateurs sont directement réalisés sur le substrat silicium des circuits actifs RF par une technique appelée intégration " above-IC ". Avec cette méthode d'intégration, les parasites et la modélisation associés aux microsoudures (Wire Bonding) sont éliminés. Elle permet aussi de se passer des circuits d'interface et d'adaptation nécessaires dans le cas de filtres RF discrets. Ceci permet de réduire considérablement la consommation et le volume des systèmes. Des amplificateurs faible bruit filtrants et des oscillateurs visant le standard WLAN IEEE 802.11a ont ainsi été implantés en utilisant cette technique d'intégration "above IC". Les circuits obtenus sont très compacts, et leurs performances, notamment celles des oscillateurs, sont à l'état de l'art. Par ailleurs, des amplificateurs faible bruit et des VCO LC SiGe intégrés pour application WLAN 5GHz sont également présentés et leurs techniques d'optimisation sont données.