Abstract Compared with the other micro acoustic wave devices, the flexural plate-wave (FPW) device is more suitable for being used in liquid-sensing applications due to its higher mass sensitivity, lower phase velocity and lower operation frequency. However, conventional FPW devices usually present a high insertion loss and low fabrication yield. To reduce the insertion loss and enhance the fabrication yield of FPW device, a 1.5 £gm-thick silicon-trench reflective grating structure (RGS), a high electromechanical coupling coefficient ZnO thin-film and a 5 £gm-thick silicon oxide membrane substrate are adopted in this research. The influences of the amount of silicon trench and the distance between inter-digital transducer (IDT) and RGS on the insertion loss and quality factor of FPW device are investigated. The main fabrication technology adopted in the study is bulk micromachining technology and the main fabrication steps include six thin-film deposition and five photolithography processes. Under the optimized conditions of the sputtering deposition processes (200¢J substrate temperature, 200 W radio-frequency power and 75% gas flow ratio), a high C-axis (002) orientation ZnO piezoelectric thin-film with 31.33% electromechanical coupling coefficient can be demonstrated. The peak of XRD intensity of the standard ZnO film occurs at diffraction angle 2£c = 34.422¢X, which matches well with our results (2£c = 34.282¢X). By controlling the thickness of ZnO/Au/Cr/SiO2/Si3N4 sensing membrane less than 6.5 £gm-thick, the fabrication yield of FPW device can be improved and a low operation frequency (6.286 MHz) and high mass sensitivity (-113.63 cm2 / g) can be achieved. In addition, as the implemented FPW device with four silicon trenches RGS and 37.5 £gm distance between IDT and RGS, a low insertion loss (-40.854 dB) and very high quality factor (Q=206) can be obtained. Keywords¡Gflexural plate-wave; silicon-trench reflective grating structure; electromechanical coupling coefficient; ZnO; bulk micromachining technology

The conventional flexural plate-wave (FPW) device has advantages of high mass sensitivity, low phase velocity and low operation frequency. However, conventional FPW devices usually present a high insertion loss and low fabrication yield. This thesis aimed to reduce the insertion loss of conventional FPW devices. The influences of geometry of inter-digital transducers (IDTs), pair number of IDTs, depth of focus and length of delay line on the insertion loss of FPW device are investigated. This research utilizes bulk micromachining technique to develop a low insertion-loss FPW device and the main fabrication steps include seven thin-film deposition and four photolithography processes. As the wavelength is 100 £gm, pair number of IDTs is 20, depth of focus is 1000 £gm and length of delay line is 500 £gm, the measured insertion loss of the implemented FPW device with conventional parallel-type IDTs and novel focus-type IDTs are equal to -48 dB and -45.06 dB, respectively. On the other hand, the insertion loss of FPW device with focus-type 25-pairs IDTs (-43.69 dB) is smaller than that of FPW device with focus-type 20-pairs IDTs (-45.06 dB). Additional, the measured insertion loss of FPW device with 500 £gm focus depth (-41.47 dB) is smaller than that of FPW devices with 1000 £gm focus depth (-43.69 dB) or with 1500 £gm focus depth (-45.39 dB). Furthermore, the FPW device with 500 £gm delay line presents a smaller insertion loss (-40.46 dB) than that of FPW devices with 250 £gm delay line (-41.47 dB) or with 750 £gm delay line (-40.95 dB). Finally, under the optimized specifications (focus-type/25 pairs IDTs, 500 £gm focus depth and 500 £gm delay line), the FPW-based microsensor demonstrates a high sensitivity (91.53 cm2/g), high sensing linearity (99.18 %) and low insertion loss (-40.46 dB), hence it is very suitable for development of biomedical sensing microsystem.

To achieve the miniaturization and high performance of the mobile phone, notebook, hearing aid and personal digital assistant (PDA), many researchers focus on the developing a new-type microphone with very small dimension, high quality and low manufacturing cost utilizing MEMS technology. By using the surface and bulk micromachining technologies, this thesis designed and fabricated a capacitive MEMS microphone with a polyimide bcakplate microstructure. The main processing steps adopted in this study include five photolithoghaphies and seven thin-film depositions. A MEMS-based microphone with an only 2¡Ñ2 mm2 sensing area of the floating Si3N4/Poly-Si/Si3N4 membrane and a 2 £gm-height gap distance between the top and bottom electrodes was implemented and characterized. Measured in a special isolated-box and under 1 kHz audio frequency, a -60.3 dB/Pa sensitivity (deducted the 22.6 dB output gain of the pre-amplifier) and a 51 dB signal to noise ratio (SNR) of the implemented MEMS microphone can be obtained as the biasing voltage only about 3 volts. The very low driving voltage, moderate SNR and sensitivity demonstrated in this work keep abreast with the results of many outstanding research laboratories in the world.

This paper discusses basic issues of micromachined ultrasonic transducers, including their design and fabrication. First, the acoustic fundamentals of ultrasonic transducers are introduced, and relevant simulation methods are illustrated. Following these topics, important aspects of silicon micromachining are presented. Based on this knowledge, two distinctive micromachining processes for transducer fabrication are proposed. One of them, the bulk process, has been proved to be successful, whereas for the second one, a surface process, some improvements are still needed. Besides these works, an innovative direct bonding technology is also developed. This technology constitutes the basis of the bulk process. Of course, it can also be used for the packaging of other MEMS devices.

This paper discusses basic issues of micromachined ultrasonic transducers, including their design and fabrication. First, the acoustic fundamentals of ultrasonic transducers are introduced, and relevant simulation methods are illustrated. Following these topics, important aspects of silicon micromachining are presented. Based on this knowledge, two distinctive micromachining processes for transducer fabrication are proposed. One of them, the bulk process, has been proved to be successful, whereas for the second one, a surface process, some improvements are still needed. Besides these works, an innovative direct bonding technology is also developed. This technology constitutes the basis of the bulk process. Of course, it can also be used for the packaging of other MEMS devices.

Un nombre de sujets concernant la microrobotique numérique ont été abordés dans le cadre de cette the` se. Une nouvelle génération du microrobot numérique ”DiMiBot” a e´ te´ proposé ce qui rend le DiMiBot plus précis, plus contrôlable et plus petit. La nouvelle structure est formée de deux modules multistables seulement, ce qui ajoute des fonctionnalités´ s importantes comme l’augmentation du nombre de positions avec une taille plus réduite et la capacité´ de réaliser des trajectoires complexes dans l’espace de travail. Le principe du nouveau module multistable combine les avantages des microactionneurs pas à pas en termes du principe et du concept numérique en termes de la répétabilité et la robustesse en boucle ouverte. Un mécanisme de positionnement précis, capable de compenser les incertitudes de fabrication a e´ te´ développé et utilise´ pour assurer un positionnement précis. En parallèle, des modèles analytiques ont e´ te´ développés pour les principaux composants dans le DiMiBot: poutres flambées préformées et actionneurs e´ électrothermiques en U. Des méthodes de conception ont été développées par la suite qui permettent de choisir les dimensions optimales garantissant les performances requises en respectant les spécifications et limites de design. Des prototypes de modules multistables, fabrique´ s dans la salle Blanche MIMENTO, ont montré´ un bon Fonctionnement dans les expériences. / A number of topics concerning digital microrobotics were addressed in this thesis. A new generation of the digital microrobot ”DiMiBot” was proposed with several advantages making the DiMiBot more accurate, more controllable and smaller. The new structure consists of only two multistable modules which adds some important features such as increasing the number of positions with smaller size and the ability to realize complex trajectories in the workspace. The principle of the new multistable module combines the advantages of the stepping microactuators in terms of the principle and of the digital concept in terms of the repeatability and robustness without feedback. The accuracy is ensured with an accurate positioning mechanism that compensate the fabrication tolerances. In parallel, analytical models was developed for the main components in the DiMiBot: preshaped curved beams and U-shaped electrothermal actuators. Subsequently, design methods were developed that allow choosing the optimal dimensions that ensure the desired outputs and respecting the design specifications and limitations. Multistable module prototypes, fabricated in the clean room MIMENTO, showed a proper functioning in the experiments.

Die Ionenmobilitätsspektrometrie ermöglicht eine selektive Detektion von niedrigkonzentrierten Gasen in Luft. Darauf beruhende Analysegeräte können verhältnismäßig einfach umgesetzt werden und in vielfältigen mobilen Einsatzszenarien wie der Umweltanalytik Anwendung finden. Die vorliegende Dissertation gibt einen Überblick über die Grundlagen der Ionenmobilitätsspektrometrie und setzt die funktionellen Teilkomponenten Ionenfilter und Ionendetektor mit Mikrosystemtechniken um. Dafür werden Möglichkeiten aus dem Stand der Technik vorgestellt und eine für die Umsetzung optimale Variante identifiziert. Ein Ionenfilter basierend auf der Differenzionenmobilitätsspektrometrie zeigt diesbezüglich ein sehr geeignetes Skalierungsverhalten. Zur Integration in einen Demonstrator-Chip wird ein neuartiges Bauelementkonzept verfolgt, mit technologischen Vorversuchen untersetzt und erfolgreich in einen Gesamtherstellungsablauf überführt. Mit Hilfe von weiterführenden analytischen Untersuchungen werden spezifische Phänomene bei der elektrischen Kontaktierung der verwendeten BSOI-Wafer als Ausgangsmaterial hergeleitet und Empfehlungen zur Vermeidung gegeben. Der Funktionsnachweis der Teilkomponente Ionendetektor wird anhand von hergestellten Demonstrator-Chips und mit Hilfe eines entwickelten Versuchsaufbaus begonnen. Es werden die weiteren Schritte zum Nachweis der Gesamtfunktionalität abgeleitet und festgehalten. Auf Basis des umgesetzten Bauelement- und Technologiekonzepts und der vorliegenden Ergebnisse, wird das entwickelte und realisierte Gesamtkonzept als sehr aussichtsreich hinsichtlich der favorisierten Verwendung als Teilkomponente eines miniaturisierten Ionenmobilitätsspektrometers eingeschätzt.

Die Ionenmobilitätsspektrometrie ermöglicht eine selektive Detektion von niedrigkonzentrierten Gasen in Luft. Darauf beruhende Analysegeräte können verhältnismäßig einfach umgesetzt werden und in vielfältigen mobilen Einsatzszenarien wie der Umweltanalytik Anwendung finden. Die vorliegende Dissertation gibt einen Überblick über die Grundlagen der Ionenmobilitätsspektrometrie und setzt die funktionellen Teilkomponenten Ionenfilter und Ionendetektor mit Mikrosystemtechniken um. Dafür werden Möglichkeiten aus dem Stand der Technik vorgestellt und eine für die Umsetzung optimale Variante identifiziert. Ein Ionenfilter basierend auf der Differenzionenmobilitätsspektrometrie zeigt diesbezüglich ein sehr geeignetes Skalierungsverhalten. Zur Integration in einen Demonstrator-Chip wird ein neuartiges Bauelementkonzept verfolgt, mit technologischen Vorversuchen untersetzt und erfolgreich in einen Gesamtherstellungsablauf überführt. Mit Hilfe von weiterführenden analytischen Untersuchungen werden spezifische Phänomene bei der elektrischen Kontaktierung der verwendeten BSOI-Wafer als Ausgangsmaterial hergeleitet und Empfehlungen zur Vermeidung gegeben. Der Funktionsnachweis der Teilkomponente Ionendetektor wird anhand von hergestellten Demonstrator-Chips und mit Hilfe eines entwickelten Versuchsaufbaus begonnen. Es werden die weiteren Schritte zum Nachweis der Gesamtfunktionalität abgeleitet und festgehalten. Auf Basis des umgesetzten Bauelement- und Technologiekonzepts und der vorliegenden Ergebnisse, wird das entwickelte und realisierte Gesamtkonzept als sehr aussichtsreich hinsichtlich der favorisierten Verwendung als Teilkomponente eines miniaturisierten Ionenmobilitätsspektrometers eingeschätzt.:1 Einleitung 1.1 Motivation und Zielstellung 1.2 Aufbau und Gliederung der Arbeit 2 Grundlagen zur Ionenmobilitätsspektrometrie 2.1 Grundprinzip der Ionenmobilitätsspektrometrie 2.2 Anwendungsfelder und Substanzen 2.3 Grundlagen der Ionenbewegung 2.4 Ionenquellen 2.4.1 Ionisation mittels radioaktiver Strahlungsquellen 2.4.2 Photoionisation 2.4.3 Weitere Ionenquelle 2.4.4 Vergleich von Ionenquellen 2.5 Ionendetektion 2.6 Bewertungskriterien Ionenmobilitätsspektrometer 3 Stand der Technik Ionenfilter 3.1 Überblick und Einteilung Ionenfilter 3.2 Zeitaufgelöste Detektion 3.3 Ortsaufgelöste Detektion 3.4 Differenz der Ionenmobilität 3.4.1 Differenzionenmobilitätsspektrometrie 3.4.2 Transversal Modulation Ionenfilter 3.5 Sonstige Filterrealisierungen 3.5.1 Ionenfilter mit Gegengasströmung 3.5.2 Travelling Wave Filter 3.6 Vergleich Ionenfilter für ein miniaturisiertes Ionenmobilitätsspektrometer 3.7 Konkretisierte Zielstellung der Arbeit 4 Konzeptionelle Vorarbeiten 4.1 Modellbildung und Dimensionierung des Ionenfilters 4.1.1 Allgemeine Lösung der Bewegungsgleichung 4.1.2 Lösung für den Spezialfall mit Rechteckanregung 4.1.3 Randbedingungen bei der Filterauslegung 4.1.4 Elektrische Simulation des Ionenfilters mit diskreten Elementen 4.1.5 Auslegung eines miniaturisierten Ionenfilters 4.2 Modellbildung und Auslegung des Ionendetektors 4.3 Ableitung eines relevanten Parameterraums 5 Voruntersuchungen und Empfehlungen zur technologischen Umsetzung 5.1 Herleitung des Bauelementkonzepts 5.1.1 Konzept 1 – Planar-Aufbau 5.1.2 Konzept 2 – Sandwich-Struktur 5.1.3 Konzept 3 – Erweiterte Tiefenstruktur 5.1.4 Ableitung des umzusetzenden Bauelementkonzepts 5.2 Konzept zur Herstellung der Ionenkanäle 5.2.1 Nasschemische Siliziumstrukturierung mit TMAH 5.2.2 Trockenchemische Siliziumstrukturierung mit DRIE 5.2.3 Durchführung und Ergebnisse des Vorversuchs 5.2.4 Schlussfolgerung und Ausblick für die Herstellung der Elektrodenkanäle 5.3 Konzept zur Realisierung der Elektrodenkontakte 5.3.1 Möglichkeiten zur Kontaktierung der Elektrodenstrukturen 5.3.2 Verfahren und Materialien für das Erzeugen von Isolationen 5.3.3 Verfahren und Materialien für das Abscheiden von Metallen 5.3.4 Besonderheiten beim Metall-Halbleiter-Kontakt 5.3.5 Ableiten eines Technologieablaufs und Durchführung eines Versuchs zur Herstellung der Rückseitenkontakte 5.3.6 Elektrische Charakterisierung der Rückseitenkontakte 5.3.7 Ausblick zur weiteren Bewertung der Rückseitenkontakte 5.4 Überblick über relevante Waferbondverfahren 5.5 Konzept für die Aufbau- und Verbindungstechnik 5.6 Integration der Vorversuche in ein erweitertes Bauelementkonzept 6 Bauelementauslegung für ein Ionenmobilitätsspektrometer 6.1 Voruntersuchungen für die Bauelementdimensionierung 6.1.1 Simulation des elektrischen Verhaltens mit einem erweiterten Ersatzschaltbild 6.1.2 Dimensionierung des Einströmbereichs und des Vorfilters 6.2 Zusammenfassung der Voruntersuchungen und Ableitung von Designvarianten 7 Technologische Umsetzung und Untersuchung der Kontaktproblematik 7.1 Umsetzung Filter- und Detektordemonstrator 7.1.1 Auswahl der Metallisierung 7.1.2 Erstellen eines detailliertern Gesamttechnologieablaufs 7.1.3 Verifikation des umgesetzten Herstellungsprozesses an den realisierten Demonstrator-Chips 7.2 Untersuchung Metall-Halbleiter-Kontakt 7.2.1 Untersuchung Metall-Halbleiter-Interface 7.2.2 Einfluss des Ausheilschritts auf das Kontaktverhalten 7.2.3 Untersuchung des Dotierungs- und Leitfähigkeitsprofils 7.2.4 Herleitung einer möglichen Ursachenkette für die Bor-Kontamination 7.2.5 Gegenprüfung der Ursachenkette und Schlussfolgerung 7.3 Zusammenfassung Technologieablauf 8 Charakterisierung der Teilkomponenten 8.1 Konzeptionelle Vorarbeiten zum Versuchsaufbau 8.1.1 Methoden zur Testgaserzeugung 8.1.2 Integration des IMS-Chips in die Gasversorgung 8.1.3 Elektronikanbindung 8.2 Versuchsaufbau und Versuchsplanung 8.2.1 Beschreibung Versuchsaufbau 8.2.2 Planung der Versuche für Bewertung Ionendetektor 8.2.3 Planung der Versuche für Bewertung Ionenfilter 8.3 Versuche und Bewertung Ionendetektor 8.3.1 Versuchsdurchführung 8.3.2 Auswertung Ionendetektor 8.4 Zusammenfassung und Ausblick der Charakterisierung 9 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis