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The adaptation of standard integrated circuit (IC) technology for biosensors in drug discovery pharmacology, neural interface systems, environmental sensors and electrophysiology requires electrodes to be electrochemically stable, biocompatible and affordable. Unfortunately, the ubiquitous IC technology, complementary metal oxide semiconductor (CMOS), does not meet the first of these requirements. For devices intended only for research, modification of CMOS by post-processing using cleanroom facilities has been achieved by others. However, to enable adoption of CMOS as a basis for commercial biosensors, the economies of scale of CMOS fabrication must be maintained by using only low-cost post-processing techniques. The scope of this work was to develop post-processing methods that meet the electrochemical and biocompatibility requirements but within the low-cost constraint. Several approaches were appraised with the two most promising designs taken forward for further investigation. Firstly, a process was developed whereby the corrodible aluminium is anodised to form nanoporous alumina and further processed to optimise its impedance. A second design included a noble metal in the alumina pores to enhance further the electrical characteristics of the electrode. Experiments demonstrated for the first time the ability to anodise CMOS metallisation to form the desired electrodes. Tests showed the electrode addressed the problems of corrosion and presented a surface that was biocompatible with the NG108-15 neuronal cell line. Difficulties in assessing the influence of alumina porosity led to the development of a novel cell adhesion assay that showed for the first time neuronal cells adhere preferentially to large pores rather than small pores or planar aluminium. It was also demonstrated that porosity can be manipulated at room temperature by modifying the anodising electrolyte with polyethylene glycol. CMOS ICs were designed as multiple electrode arrays and optimised for neuronal recordings. This utilised the design incorporating a noble metal deposited into the porous alumina. Deposition of platinum was only partially successful, with better results using gold. This provided an electrode surface suitable for electric cell-substrate impedance sensors (ECIS) and many other sensor applications. Further processing deposited platinum black to improve signal-to-noise ratio for neuronal recordings. The developed processes require no specialised semiconductor fabrication equipment and can process CMOS ICs on laboratory or factory bench tops in less than one hour. During the course of electrode development, new methods for biosensor packaging were assessed: firstly, a biocompatible polyethylene glycol mould process was developed for improved prototype assembly. Secondly, a commercial ‘partial encapsulation’ process (Quik-Pak, U.S.) was assessed for biocompatibility. Cell vitality tests showed both methods were biocompatible and therefore suitable for use in cell-based biosensors. The post-processed CMOS electrode arrays were demonstrated by successfully recording neuronal cell electrical activity (action potentials) and by ECIS with a human epithelial cell line (Caco2). It is evident that these developments may provide a missing link that can enable commercialisation of CMOS biosensors. Further work is being planned to demonstrate the technology in context for specific markets.

Les interventions chirurgicales s'orientent de plus en plus vers des techniques dites mini-invasives. Dans ce mode d'intervention, le praticien perd la vision directe de l'extrémité de l'instrument médical qu'il manipule. Le contrôle visuel du déplacement de l'instrument à l'intérieur du corps humain s'effectue alors sur écran grâce aux techniques d'imagerie médicale, en particulier l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Afin d'assurer une grande précision du déplacement de l'instrument, sa position doit être connue pour permettre un recalage automatique du plan d'imagerie en temps réel. Ce document décrit la conception et la caractérisation d'un système de positionnement fonctionnant sous IRM et pouvant s'insérer dans un instrument médical de très petit diamètre. Afin d'aboutir à des dimensions millimétriques, le système est réalisé sur une puce en silicium utilisant les procédés standard de fabrication de la micro-électronique : la technologie CMOS 0,35 µm basse tension. Ce microsystème est basé sur l'utilisation d'un capteur magnétique 3D à effet Hall associé à l'électronique intégrée spécifique au traitement du signal, permettant d'extraire la mesure précise des gradients de champ magnétique inhérents au principe même de l'IRM. La relation unique entre les coordonnées spatiales du tunnel du scanner IRM et les gradients de champ magnétique, rend possible la détermination de la position et de l'orientation du microsystème. Les résultats expérimentaux montrent qu'une localisation est possible en 3 ms avec une résolution spatiale sub-millimétrique. / Surgeries are moving more and more towards so called minimally invasive techniques. With these techniques, the surgeon looses direct view of the medical tool that he manipulates. The visual control of the instrument movement inside the human body is monitored on a screen through medical imaging techniques, particularly magnetic resonance imaging (MRI). To ensure a high accuracy of the instrument movement, its position must be known to enable the automatic registration of the imaging plane in real time.This work describes the design and characterization of a positioning system operating in a MRI scanner which can be embedded in medical devices of very small diameters. To achieve millimeter dimensions, the system is realized on a silicon chip using standard manufacturing processes of microelectronics : low voltage 0.35 µm CMOS technology. This microsystem is based on the use of a 3D magnetic Hall effect sensor co-integrated with specific signal processing electronics to extract the accurately measured magnetic field gradients which are inherent to the MRI principle. The unique relationship between scanner bore space coordinates and the magnetic field gradients allows to determine the position and orientation of the microsystem. Experimental results show that localization is possible in 3 ms with sub-millimeter spatial resolution.

Pour adresser les nœuds technologiques avancés dans le cadre de la lithographie électronique, une nouvelle stratégie de correction des effets de proximité a été imaginée pour prendre le relai de la technique standard de modulation de dose. Dans ces travaux de thèse, les effets de proximité ont été analysés sur les outils e-beam de dernière génération au sein du LETI. Les limites de la modulation de dose ont aussi été évaluées. Parallèlement, une approche plus fondamentale, basée sur la simulation, a permis de mieux comprendre l'impact des différentes étapes du procédé de lithographie sur les motifs réalisés. Une nouvelle stratégie de correction avancée, appelée exposition multiple, a ensuite été mise au point. Celle-ci fait intervenir des motifs spécifiques appelés eRIF (electron Resolution lmprovement Features) dont l'exposition, couplée à celle des motifs initiaux permet de mieux contrôler la répartition de la dose injectée dans la résine. On parle alors d'expositions multiples. Au cours de ces travaux le positionnement des eRIF, ainsi que leurs dimensions ont fait l'objet d'une étude approfondie. L'élaboration d'algorithmes d'optimisation et la réalisation d'expérimentations en salle blanche ont permis d'optimiser ces paramètres et de mettre en évidence les gains apportés par les eRIF. Par rapport à la modulation de dose, des améliorations significatives ont pu être démontrées sur de véritables circuits intégrés. Grâce à l'exposition multiple, la résolution ultime des outils de lithographie e-beam a été repoussée de 2 nœuds technologiques pour les niveaux les plus critiques d'un circuit. Les règles de dessin retenues pour réaliser les eRIF ont ensuite été intégrées dans des modèles de corrections. via le logiciel de préparation de données INSCALE d'ASELTA NANOGRAPHICS pour assurer une correction automatisée des circuits. / In electron beam lithography, a new proximity affects correction strategy has been imagined to push the resolution capabilities beyond the limitations of the standard dose modulation. In this work, the proximity affects inherent to e-beam lithography have been studied on the newest e-beam tools available at LETI. First, the limits of the standard dose modulation correction have been evaluated. The influences of each step of the lithographic process have also been analyzed from a theoretical point a view. A simulation approach was built and used to determine the impact of each of these steps on the patterned features. Then, a new writing strategy has been fully developed. It involves sub resolution features known as eRIF (electron Resolution Improvement features) which provide a finer control of the dose profile into the resist. Since the eRIF are exposed a top the nominal features, this new writing strategy is called multiple pass exposure. In this work, the position, the dose and the design of the eRIF have been studied and optimized to get the best of this new strategy. To do so, experiments were led in a clean room environment, and minimization algorithms have been developed. It has been demonstrated that the eRIF provide a significant gain compared to the standard dose modulation. Improvements have been observed even on the most critical levels of the Integrated circuits. By using the multiple pass exposure with optimized eRIF, the resolution capabilities of the e-beam tool have been reduced by 2 technological nodes. The design rules that have been determined to use the eRIF the most efficient way were finally implemented in INSCALE, the new data preparation software developed by ASELTA NANOGRAPHICS. This way, multiple pass exposure can be used in an automated mode to correct full layouts.

Dès les débuts de la conquête spatiale, la tribologie spatiale est considérée comme une discipline à part entière car il s'agit de lubrifier un mécanisme non seulement dans le vide spatial, mais aussi lors des opérations au sol, et ceci dans différents environnements (vide simulé, air sec et humide, azote sec). Un lubrifiant spatial, fluide ou solide, doit donc relever le défi de procurer le comportement tribologique désiré dans ces environnements successifs, mais doit aussi résister aux sollicitations dynamiques induites par le lancement. Dans l'espace, le mécanisme doit y être autonome sans maintenance et sa lubrification doit être maintenue pendant au moins 15 ans (800 millions de cycles pour un roulement) tout en conservant fiabilité et précision de positionnement (µrad). Malgré ces enjeux, la maîtrise tribologique spatiale se limite à de l'empirisme et du conservatisme de solutions techniques, notamment lors de l'emploi des matériaux sources de lubrifiants solides qui font l'objet de cette étude. Dans les faits, seules des recommandations d'utilisation existent sans pouvoir prédire le comportement tribologique des solutions. Cette prédiction nécessite la reconstitution de " la vie des contacts ". Cette dernière nécessite l'évaluation des débits de 1ers et 3ème corps. Ces débits dépendent d'un couplage multi-échelles et multi-physique " forcé " par les sollicitations tribologiques. Pour décrypter ces débits, une démarche expérimentale qui couple des mesures mécano-chimiques en temps réel et des analyses post-essai a été développée (forces, analyse de gaz, visualisation électronique et photonique). La simultanéité des mesures permet d'étudier le couplage entre les phénomènes mécaniques (créations de particules de 3ème corps, déformations plastiques des 1er corps) et physicochimiques (adsorption/désorption, modifications chimiques des 1ers et 3ème corps). La démarche est appliquée à l'étude de deux triplets tribologiques ayant respectivement des 1ers corps en MoS2 et MoS2+Ti dont les comportements tribologiques sous vide et sous air humide sont antagonistes. L'utilisation de leur antagonisme permet de mieux comprendre la réponse des 1er et 3ème corps aux sollicitations tribologiques. La reconstitution de la vie de ces triplets a montré : (1) le rôle bénéfique de la structure colonnaire dans l'obtention d'un facteur de frottement faible et d'une longue durée de vie, non parce qu'elle est intrinsèquement colonnaire mais parce qu'elle localise la production de 3ème corps; (2) le rôle bénéfique des contaminations internes et externes aux 1ers et 3ème corps qui délocalisent l'accommodation du volume du 3ème corps vers les complexes de surface, ce qui explique par exemple que l'environnement N2 sec ne puisse, même pour des raisons économiques, simuler l'ultravide. In fine, ces travaux permettent de spécifier une démarche de conception de " triplets tribologiques " qui sera généralisée ultérieurement grâce à la tribologie numérique

Dès les débuts de la conquête spatiale, la tribologie spatiale est considérée comme une discipline à part entière car il s’agit de lubrifier un mécanisme non seulement dans le vide spatial, mais aussi lors des opérations au sol, et ceci dans différents environnements (vide simulé, air sec et humide, azote sec). Un lubrifiant spatial, fluide ou solide, doit donc relever le défi de procurer le comportement tribologique désiré dans ces environnements successifs, mais doit aussi résister aux sollicitations dynamiques induites par le lancement. Dans l’espace, le mécanisme doit y être autonome sans maintenance et sa lubrification doit être maintenue pendant au moins 15 ans (800 millions de cycles pour un roulement) tout en conservant fiabilité et précision de positionnement (µrad). Malgré ces enjeux, la maîtrise tribologique spatiale se limite à de l’empirisme et du conservatisme de solutions techniques, notamment lors de l’emploi des matériaux sources de lubrifiants solides qui font l’objet de cette étude. Dans les faits, seules des recommandations d’utilisation existent sans pouvoir prédire le comportement tribologique des solutions. Cette prédiction nécessite la reconstitution de « la vie des contacts ». Cette dernière nécessite l’évaluation des débits de 1ers et 3ème corps. Ces débits dépendent d’un couplage multi-échelles et multi-physique « forcé » par les sollicitations tribologiques. Pour décrypter ces débits, une démarche expérimentale qui couple des mesures mécano-chimiques en temps réel et des analyses post-essai a été développée (forces, analyse de gaz, visualisation électronique et photonique). La simultanéité des mesures permet d’étudier le couplage entre les phénomènes mécaniques (créations de particules de 3ème corps, déformations plastiques des 1er corps) et physicochimiques (adsorption/désorption, modifications chimiques des 1ers et 3ème corps). La démarche est appliquée à l’étude de deux triplets tribologiques ayant respectivement des 1ers corps en MoS2 et MoS2+Ti dont les comportements tribologiques sous vide et sous air humide sont antagonistes. L’utilisation de leur antagonisme permet de mieux comprendre la réponse des 1er et 3ème corps aux sollicitations tribologiques. La reconstitution de la vie de ces triplets a montré : (1) le rôle bénéfique de la structure colonnaire dans l’obtention d’un facteur de frottement faible et d’une longue durée de vie, non parce qu’elle est intrinsèquement colonnaire mais parce qu’elle localise la production de 3ème corps; (2) le rôle bénéfique des contaminations internes et externes aux 1ers et 3ème corps qui délocalisent l’accommodation du volume du 3ème corps vers les complexes de surface, ce qui explique par exemple que l’environnement N2 sec ne puisse, même pour des raisons économiques, simuler l’ultravide. In fine, ces travaux permettent de spécifier une démarche de conception de « triplets tribologiques » qui sera généralisée ultérieurement grâce à la tribologie numérique / From the very beginning of space exploration, “space tribology” became a specific field of competences in its own right because it implies lubricating a mechanism not only in the vacuum of space but also in several environments (simulated vacuum, dry and humid air, dry N2 environment, etc.) on Earth. Consequently, a lubricant, fluid or solid, must provide the desired tribological behaviour in all those successive environments, but it must also resist to the dynamic loading induced by the launch operations. Once in space, a space mechanism must be autonomous, with no possible maintenance, and its lubrication must be sustained during 15 to 30 years (i.e. up to 800 millions cycles for a ball bearing) in space while sustaining high reliability and great precision (to within a few µrad). Despite those stakes, the mastery of space tribology is limited to empiricism and conservatism of technical solutions, especially when solid lubricants, whose are studied in this study, are used. In facts, only directions for use exist without allowing predicting the tribological behaviour of the solutions. That prediction requires the reconstitution of “the contacts’ life”. The latter requires evaluating the 1st and 3rd bodies flows. Those flows depend on a multiscale and multiphysical coupling effect “forced” by the tribological stresses. To decrypt those flows, an experimental procedure which couples both real time and post-mortem mechano-chemical measurements (friction forces, gas analysis, photonic and electronic visualization,) has thus been developed. The simultaneity in the measure allows studying the relationship between mechanical (3rd body particles creation, plastic deformations of 1st bodies, etc.) and physicochemical (adsorption/desorption, chemical changes of 1st and 3rd bodies, etc.) phenomena. The procedure is applied to two tribological triplets respectively containing 1st bodies comprised of MoS2 and MoS2+Ti coatings whose tribological behaviours in vacuum and humid air are antagonistic. Such antagonism allows better understanding the responses of the 1st and 3rd bodies to the tribological stresses. The reconstruction of the contact life of those triplets allowed showing, among others: (1) the beneficial role of coating columnar structure in the obtaining of both a low friction coefficient and a long wear life. This is not because it is columnar but because such a structure localizes the 3rd body creation; (2) the beneficial role of contaminations, which is either internal or external to the 1st and 3rd bodies, by delocalizing the accommodation from the 3rd body volume to the surface complexes, which explains, for example, that dry N2 environment can not, even for financial reasons, mimic ultrahigh vacuum. In fine, the study allows specifying a procedure for designing “tribological triplets” which will be generalized at a latter stage thanks to the numerical tribology.

This diploma thesis deals with processes of electrical circuits calculations in the last years' worldwide standards like Dymola, MATLAB, Maple or SPICE applications. Circuits calculations are linked with methods for solving linear differential equations, used in this work also by verification of functionality of designed models for CMOS inverter, CMOS NAND, CMOS NOR. Numerical integration method in combination with Taylor series is a suitable method also for parallel calculations of CMOS VLSI circuits. CMOS circuits simulation was implemented with this method in applications in MATLAB language, solving circuits, represented by differential equations. Functionality of the applications was verified by some real examples. Significant acceleration of calculations using Taylor series compared to other methods is an important factor in choosing methods used in circuit simulations.

This project focus to desing an on-chip oscillator in function as a clock generator. Frequency stability of the oscillator is affected by supply voltage, temperature and process variations. The aim is to propose a clock generator with sufficient frequency stability, low power consumption and a small chip area. This work deals with the types of oscillators and their basic building blocks suitable for our application. It also deals with the study and design options of temperature and process compensation circuit generating the current control, which provides the frequency stabilization of the output signal.

De plus en plus d'applications spécifiques embarquées exigent de larges blocs de mémoires statiques SRAM. En particulier il y a un besoin de mémoires inconditionnellement actives pour lesquelles la consommation d'énergie est un paramètre clé. Par exemple les réseaux sans fil hétérogènes sont caractérisés par plusieurs interfaces tournées vers des réseaux différents, donc de multiples adresses IP simultanées. Une grande quantité de mémoire est mobilisée et pose un sérieux problème de consommation d'énergie vis-à-vis de l'autonomie de système mobile. La stratégie classique d'extinction des blocs mémoire momentanément non opérationnelle ne permet qu'une réduction faible en consommation et limite les performances dynamiques du système. Il y a donc un réel besoin pour une mémoire toujours opérationnelle avec un très faible bilan énergétique. Par ailleurs les technologies CMOS avancées posent le problème de la variabilité et la conception de mémoire SRAM doit aboutir à un niveau de fiabilité très grand. La thèse discute les verrous techniques et industriels concernant la mémoire embarquée SRAM très faible consommation. Le cas de la mémoire toujours opérationnelle représente un défi pertinent. Un état de l'art balaie les architectures SRAM avec plusieurs points de vue. Une discussion à propos de la modélisation analytique statistique comme moyen de simplification de la conception en 32nm a été développée. Une cellule alternative aux 6T, 7T et 8T, laquelle est appelée 5T-Portless présente des avantages et des performances qui repose sur son fonctionnement en mode courant à l'origine de la réduction significative de la consommation dynamique ajoutée à une cellule intrinsèquement peu fruiteuse. Un démonstrateur de 64kb (1024x64b) en CMOS32nm a été réalisé, les résultats de mesure confirment l'intérêt industriel de cette mémoire. / The PhD thesis focuses on the always-on low power SRAM memories (essentially low dynamic power) in thin CMOS technology node CMOS 32nm and beyond. It reviews the state of the art of the eSRAM and describes different techniques to reduce the static and dynamic power consumption with respect the variability issue. Main techniques of power reduction are reviewed with their contributions and their limitations. It presents also a discussion about a statistical variability modeling and the variability effects on the yield. An original low power architecture based on 5T-Portless bit-cell is presented, with current mode read/write operations, as an ideal candidate for the always-on SRAM memories. A test chip implementation in CMOS 32nm of the 5T-Porless is designed and a comparison with an existing 6T SRAM memory is presented based on simulation. Some test chip functionality results and power consumption are performed. Finally the conclusion highlights the major contributions of the study and discusses the various simplification assumptions to see possible limitations. It is concluded affirmatively about industrial interest of the 5T-Portless SRAM for always-on embedded applications. Perspectives concern the analytical modeling for statistical behavior of SRAM as the Monte-Carlo approach is no more practicable. The migration of the 5T-Portless SRAM may be already considered in advanced nodes.