This research presents a novel microfabrication approach and testing methodology for cylindrical ion trap (CIT) microarray tunable for mass- spectrometers. The growing interest in cylindrical ion trap (CIT) mass-spectrometers is primarily due to ease with which cylindrical geometry can be realized as compared to hyperbolic surfaces found in conventional quadrupole ion traps. Also due to the fact that the potential at the center of hyperbolic electrode in quadrupole ion trap and cylindrical electrode in cylindrical ion trap (CIT) does not differ significantly[2]. Since the RF voltage required to eject a given mass-to-charge ion scales as the square of the ion trap radius, a decrease in ion trap dimensions provides a significant reduction in electronics requirements, thereby providing a pathway for overall system miniaturization. The reduction in sensitivity due to reduced ion storage capacity as a result of miniaturization can be improved by employing an array of identically sized ion traps. Microfabrication approach promises excellent uniformity in the fabrication of identically sized holes which in turn leads to low-cost high performance CIT microarray for mass spectrometers[1,2]. The criterion used for the determination of trap diameter was to ensure that the hole to be 1.09 times the wafer thickness to provide optimal potential to trap ions[1]. The end- plates were designed to optimize the electron and ion transmission into and out of the ion trap and provide a high quality electric field definition within each cylindrical ion trap (CIT)[3]. Two different approaches, namely deep reactive ion etching (DRIE) and mechanical drilling using ultrasonic disc cutter were proposed and used for the fabrication of ring-electrode which forms the main body of the ion trap. Excellent uniformity in hole diameter was observed in both the approaches. The end-plates were fabricated using deep reactive ion etching (DRIE) which provided high transmission rigid grid structure for ions and electrons. Standard Bosch process was used for deep reactive ion etching (DRIE). The two electrodes were metallized using electroless plating which provides excellent uniformity of coating even on end-plate structures with 5micro m through holes. CYTOP[trademark], a cyclized perfluoro polymer, was used as an insulation layer and intermediate bonding layer between the ring electrode and end-plates. The breakdown voltage for a released 16 micro m thick CYTOP[trademark] layer was found to be 1.47KV. An assembly for testing miniature cylindrical ion trap (CIT) was designed and built. An electron impact ionization source was used for generation of ions. Mass selective instability scan was used to selectively eject ions with different mass-to-charge ratio. A cylindrical ion trap (CIT) with 4mm diameter was fabricated and tested for analyte gases such as krypton and xenon.

Les dispositifs régionaux d'intelligence économique (DRIE) sont récemment apparus en France. Nous les avons identifiés comme des organisations développant sept actions d'intelligence économique (veille, KM, animation, formation, conseil, protection, influence). Nous avons participé à la mise en place d'un des dispositifs, dans lequel des infomédiaires sont chargés d'animer et de coordonner des actions d'IE au profit de décideurs. Dans le cadre de cette thèse, nous avons cherché à identifier les compétences nécessaires pour un meilleur pilotage du DRIE. Notre étude a abouti à l'élaboration d'un guide (CADRIE : Spécifications des compétences du Coordinateur-Animateur dans un DRIE) permettant de recenser les rôles et compétences nécessaires du coordinateur-animateur en fonction des actions d'IE mises en place dans les DRIE. Cet outil permet de générer un formulaire de questionnements sur lequel on peut s'appuyer pour élaborer une fiche de poste afin de recruter un coordinateur-animateur. CADRIE permet la définition d'un nouveau métier et ainsi son intégration au sein d'un référentiel de formation, tel que celui proposé par A. Juillet. <br />Cette thèse a été faite dans le cadre d'un contrat CIFRE entre l'équipe SITE et NANCIE

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'étude de matériaux piézoélectriques de synthèse de la famille des langasite et sur la réalisation de micro-résonateurs basse fréquence dans ces matériaux. La première partie de l'étude se concentre sur la recherche des orientations des coupes compensées en température pour les coupes X de la langasite (LGS) et de la langatate (LGT), pour les modes d'extension selon Y et de flexion autour de X. Un modèle analytique simple et des simulations par éléments finis permettent de déterminer les valeurs théoriques de ces orientations. Des dispositifs de types barreau et diapason sont ensuite réalisés afin d'effectuer des mesures électriques pou confirmer l'existence de ces coupes compensées. La seconde partie de l'étude concerne la fabrication de micro-résonateurs en langasite. Plusieurs méthodes d'usinage (mécanique, DRIE,...) sont envisagées avant que notre choix ne se porte sur l'usinage chimique (solution HCl). Le procédé de fabrication est détaillé puis des mesures de vibration sont menées pour les dispositifs obtenus.

L'aéroacoustique est une filière de l'acoustique qui étudie la génération de bruit par un mouvement fluidique turbulent ou par les forces aérodynamiques qui interagissent avec les surfaces. Ce secteur en pleine croissance a attiré des intérêts récents en raison de l'évolution de la transportation aérienne, terrestre et spatiale. Alors que les tests sur un objet réel sont possibles, leur implantation est généralement compliquée et les résultats sont facilement corrompus par le bruit ambiant. Par conséquent, les tests plus strictement contrôlés au laboratoire utilisant les modèles de dimensions réduites sont préférables. Toutefois, lorsque les dimensions sont réduites par un facteur de M, l'amplitude et la bande passante des ondes acoustiques correspondantes se multiplient respectivement par 10logM en décibels et par M. Les microphones avec une bande passante de plusieurs centaines de kHz et une plage dynamique couvrant de 40Pa à 4 kPa sont ainsi nécessaires pour les mesures aéroacoustiques. Les microphones MEMS ont été étudiés depuis plus de vingt ans, et plus récemment, l'industrie des semiconducteurs se concentre de plus en plus sur ce domaine. Par rapport à tous les autres principes de fonctionnement, grâce à la miniaturisation, les microphones de type piézorésistif peuvent atteindre une bande passante plus élevée et ils sont ainsi bien adaptés pour les mesures aéroacoustiques. Dans cette thèse, deux microphones MEMS de type piézorésistif à base de silicium polycristallin (poly-Si) latéralement cristallisé par l'induction métallique (MILC) sont conçus et fabriqués en utilisant respectivement les techniques de microfabrication de surface et de volume. Ces microphones sont calibrés à l'aide d'une source d'onde de choc (N-wave) générée par une étincelle électrique. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de surface, la sensibilité statique mesurée est de 0.4 μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est de 0.033 μV/V/Pa et la plage fréquentielle commence à 100 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 400 kHz. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de volume, la sensibilité statique mesurée est de 0.28 μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est de 0.33 μV/V/Pa et la plage fréquentielle commence à 6 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 715 kHz.

This thesis presents the optimization of deep reactive ion etching process (DRIE) to achieve high precision 3-dimensional integrated micro electro mechanical systems (MEMS) sensors with high aspect ratio structures. Two optimization processes have been performed to achieve 20 &amp / #956 / m depth for 1 &amp / #956 / m opening for a dissolved wafer process (DWP) and to achieve 100 &amp / #956 / m depth for 1 &amp / #956 / m opening for silicon-on-glass (SOG) process. A number of parameters affecting the etch rate and profile angle are investigated, including the step times, etch step pressure, platen power, and electrode temperature. Silicon etch samples are prepared and processed in METU-MET facilities to understand and optimize the DRIE process parameters that can be used for the production of MEMS gyroscopes and accelerometers. The etch samples for DWP are masked using a photoresist, Shipley S1813. After the optimization process, vertical trench profiles are achieved with minimum critical dimension loss for trench depths up to 20 &amp / #956 / m. Since the selectivity of the resist is not sufficient for 100 &amp / #956 / m deep trench etch process, silicon dioxide (SiO2) is used as the mask for this process. At the end of the optimization processes, more than 100 &amp / #956 / m depth for 1 &amp / #956 / m opening with almost vertical sidewalls are achieved. In summary, this study provides an extensive understanding of the DRIE process for successful implementations of integrated MEMS sensors.

This thesis presents realization of two shunt, capacitive contact RF MEMS switches and two RF MEMS SPDT switches for microwave and millimeter-wave applications, two zero-level package structures for RF MEMS switches and development trials of a BCB based zero level packaging process cycle. Two shunt, capacitive contact RF MEMS switches for 26 GHz and 12 GHz operating frequencies are designed, fabricated and consistencies between fabricated devices and designs are shown through RF measurements. For the switch design at 26 GHz and at the operating frequency, return loss in the upstate is measured to be 27.61 dB, insertion loss and isolation in the downstate is measured to be 0.21 dB and 27.16 dB, respectively. For the switch design at 12 GHz and at the operating frequency, return loss in the upstate is measured to be 38.69 dB, insertion loss and isolation in the downstate is measured to be 0.05 dB and 25.84 dB, respectively. Quite accurate circuit models have been obtained for both of the RF MEMS switches. Two RF MEMS SPDT switches, which utilize the shunt, capacitive contact switches as building blocks are designed through circuit simulations. These two designs are fabricated and their RF measurements have been completed. It is shown from circuit model simulations that, the performances of the fabricated devices and desired responses corresponded to each other. For the SPDT switch design at 26 GHz, return loss at the input port is measured to be 12 dB and insertion loss is measured to be 1.24 dB. For the SPDT switch design at 12 GHz, return loss at the input port is measured to be 5.6 dB and insertion loss is measured to be 0.49 dB. The reason behind the unexpectedly bad performances has been investigated and discovered. The bad performances were due to a common mistake in the layouts of both SPDT switches. These mistakes are corrected in the circuit models and expected performances are obtained. Two different zero-level package structures which use high-resistive Si wafers have been suggested and required design changes have been made on the RF MEMS shunt, capacitive contact switches and SPDT switches in order to minimize the package effects. For this purpose polygonal CPW transitions have been designed and integrated into the designs, followed by the necessary tunings in the switch structures for which EM and circuit simulations are utilized. For the suggested package structures to be produced, two possible process cycles have been studied. One of the process flows was based on KOH anisotropic Si etching and the other one was based on DRIE (Deep Reactive Ion Etching). Great progress has been achieved in the latter process cycle, however this process cycle still needs some more study and it could not be completed in the time required for this thesis study.

L'aéroacoustique est une filière de l'acoustique qui étudie la génération de bruit par un mouvement fluidique turbulent ou par les forces aérodynamiques qui interagissent avec les surfaces. Ce secteur en pleine croissance a attiré des intérêts récents en raison de l'évolution de la transportation aérienne, terrestre et spatiale. Les microphones avec une bande passante de plusieurs centaines de kHz et une plage dynamique couvrant de 40Pa à 4 kPa sont nécessaires pour les mesures aéroacoustiques. Dans cette thèse, deux microphones MEMS de type piézorésistif à base de silicium polycristallin (poly-Si) latéralement cristallisé par l'induction métallique (MILC) sont conçus et fabriqués en utilisant respectivement les techniques de microfabrication de surface et de volume. Ces microphones sont calibrés à l'aide d'une source d'onde de choc (N-wave) générée par une étincelle électrique. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de surface, la sensibilité statique mesurée est 0.4μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est 0.033μV/V/Pa et la plage fréquentielle couvre à partir de 100 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 400kHz. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de volume, la sensibilité statique mesurée est 0.28μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est 0.33μV/V/Pa et la plage fréquentielle couvre à partir de 6 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 715kHz.

Biomechanics, an emerging science, refers to the mechanical characterization of biological tissues. Recent work published in this field demonstrate the role of mechanical processes and properties on the biological tissues functionalities, and especially at the microscopic scale (cell biomechanics). Biomechanical data acquisition is however quite challenging. This requires appropriate measurement tools (for forces, strain, ...) to cope with the biological sample and environment constraints (biocompatibility, size, anisotropy, ...). In parallel, the fast developments observed these last years in microtechnologies lead to interesting research possibilities. The family of MEMS [MicroElectroMechanical Systems] devices for instance introduces a new potential of interaction with the microscopic world. The integration of this technology in the field of cellular biomechanics is thus a natural choice. In that context, this work aims to design a 3-axis microforce sensor to measure biological tissues deformations at the microscopic scale. The MEMS device, fabricated on SOI [Silicon on Insulator] wafers, is based on piezoresistive and capacitive force transductions. It can be used as an actuator at least in one direction. This thesis describes the design, fabrication and test of the 3-axis system. A 1-axis prototype, exclusively capacitive, is first realized and acts as the foundation of the 3-axis device. The 1-axis force sensor, tested on the [0 ? 350[mu]N ] range shows a sensitivity in the order of 4.85mV/[mu]N (G=2000) and a resolution of 1.24[mu]N (linearity until 100[mu]N ). A new 3-axis geometry is then proposed to improve the direction decoupling efficiency of 2-axis capacitive sensors presented in publications and add a third detection axis. The decoupling is achieved using a"two frames" geometry and piezoresistors implanted in a configuration only sensitive to an out-of-plane loading. The three transducers performances are analysed individually. Tested on a range of 250? N , the sensors show a linear behaviour on the whole forces domain in the out-of-plane axis (piezoresistors) and until 100[mu]N in the in-plane direction (electrostatic combs). The piezoresistive and capacitive transducers are characterized by sensitivities of 0.93mV/[mu]N (g=400) and 6.35mV/[mu]N (G=500) respectively (on the linear part), with resolutions of 7[mu]N and 0.161[mu]N. The dynamical behaviour of the sensor allows its use above the kHz. The cross-talk sensitivities of each transducer are evaluated to 1-5% of their axis sensitivity (decoupling). The work presented in this thesis demonstrates the feasability of a 3-axis MEMS force sensor based on capacitive (in-plane sensing) and piezoresistive (out-of-plane sensing) detection. The proof of concept refers to the fabrication and performances (sensitivity, resolution, decoupling) of the proposed design.

Cette thèse a pour objectif ultime d'améliorer notre compréhension de la réflexion de la lumière sur des surfaces micro-courbes, en particulier lorsque les dimensions physiques des surfaces (rayons de courbure de l'ordre de 50-300 μm) sont comparables aux paramètres dimensionnels d'un faisceau optique Gaussien, typique des faisceaux issus d'une fibre optique ou d'un microlaser. A cet effet, une étude théorique et des simulations numériques ont été menées ; elles ont été confrontées à une étude expérimentale. Pour ce faire, la réalisation des micro-miroirs à concavité contrôlée n'étant pas chose aisée, un premier jalon de cette thèse a consisté à atteindre les avancées technologiques nécessaires à la réalisation de tels micro-miroirs(par procédé de gravure plasma de type DRIE) en vue de leur caractérisation expérimentale. Une motivation importante du choix de ce sujet est son potentiel applicatif à la réalisation de micro-bancs optiques sur puce silicium, de sorte à augmenter les capacités de couplage et de manipulation de lumière de façon intégrée dans un espace ultra-compact. A titre d'illustration des possibilités de la nouvelle micro-instrumentation optique que nous proposons, nous avons conçu et réalisé un microsystème de balayage spatial à grand angle (110°) d'un faisceau laser dont le spot optique ne se déforme pas tout au long de l'opération de balayage, ce qui en fait, entre autres, la pièce maîtresse de systèmes portables d'imagerie médicale par tomographie à cohérence optique / The ultimate objective of this thesis is to improve our understanding of light reflection on micro-curved surfaces, especially when the physical dimensions of the surfaces (radii of curvature in the order of 50-300 microns) are comparable to typical dimensional parameters of a Gaussian optical beam, such as those coming from an optical fiber or from a micro-laser. To this end, a theoretical study and numerical simulations were conducted; they were confronted with an experimental study. To do this, the realization of micro-mirrors controlled concavity being not easy, a first step of this thesis was to achieve the technological advances necessary for the realization of such micro-mirrors (by plasma etching method of DRIE type) for their subsequent experimental characterization. An important motivation for choosing this topic is its potential application in the production of micro-optical benches on a silicon chip, so as to increase the coupling efficiencies and capabilities of manipulation of light, in an integrated way and in an ultra compact space. As an illustration of the new micro-optical instrumentation which is attainable, we have designed and implemented a micro-device able of wide-angle (110 °) spatial scanning of a laser beam, the optical spot being not deformed during the scanning operation, which makes this device, the centerpiece of portable medical imaging systems by optical coherence tomography, among others

Thesis (Ph. D.)--Emory University, 1983. / Bibliography: p. 227-239.