Ce manuscrit de thèse propose l'optimisation de l'ensemble de la chaîne de reproduction sonore dans un système embarqué. Le premier axe de recherche introduit les notions générales concernant les systèmes audio embarqués nécessaires à la bonne compréhension du contexte de la recherche. Le principe de conversion de l'ensemble de la chaine est présenté afin de comprendre les différentes étapes qui composent un système audio. Un état de l'art présente les différents types de haut-parleurs ainsi que l'électronique associé les plus couramment utilisées dans les systèmes embarqués. Le second axe de recherche propose une approche globale : une modélisation électrique du haut-parleur (tenant compte d'un nombre optimal de paramètres) permet à un électronicien de mieux appréhender les phénomènes non-linéaires du haut-parleur qui dégradent majoritairement la qualité audio. Il en résulte un modèle viable qui permet d'évaluer la non-linéarité intrinsèque du haut-parleur et d'en connaitre sa cause. Les résultats des simulations montrent que le taux de distorsion harmonique intrinsèque au haut-parleur est supérieur à celui généré par un amplificateur. Le troisième axe de recherche met en avant l'impact du contrôle du transducteur. L'objectif étant de savoir s'il existe une différence, du point de vue de la qualité audio, entre la commande asservie par une tension ou par un courant, d'un micro-haut-parleur électrodynamique. Pour ce type de transducteur et à ce niveau de la modélisation, le contrôle en tension est équivalent à contrôler directement le haut-parleur en courant. Néanmoins, une solution alternative (ne dégradant pas davantage la qualité audio du signal) pourrait être de contrôler le micro-haut-parleur en courant. Le quatrième axe de recherche propose d'adapter les spécifications des amplificateurs audio aux performances des micro-haut-parleurs. Une étude globale (énergétique) démontre qu'un des facteurs clés pour améliorer l'efficacité énergétique du côté de l'amplificateur audio est la minimalisation de la consommation statique en courant, en maximalisant le rendement à puissance nominale. Pour les autres spécifications, l'approche globale se base sur l'étude de l'impact de la spécification d'un amplificateur sur la partie acoustique. Cela nous a par exemple permis de réduire la contrainte en bruit de 300%. Le dernier axe de recherche s'articule autour d'un nouveau type de transducteur : un micro-haut-parleur en technologie MEMS. La caractérisation électroacoustique présente l'amélioration en terme de qualité audio (moins de 0,016% de taux de distorsion harmonique) et de plage de fréquence utile allant de 200 Hz à 20 kHz le tout pour un niveau sonore moyen de 80dB (10cm). La combinaison de tous les efforts présente un réel saut technologique. Enfin, la démarche globale d'optimisation de la partie électrique a été appliquée aux performances du MEMS dans la dernière section, ce qui a notamment permis de réduire la contrainte en bruit de 500%. / This thesis proposes the optimization of the whole sound reproduction chain in an embedded system. The first research axis is introduces the general concepts concerning audio systems necessary for the good understanding of the context of research. The principle of conversion of the entire chain is presented to understand the stages that make up a sound system. A state of the art presents various loudspeakers and the associated electronics most commonly used in embedded systems. The second research axis proposes a global approach: electric modeling of loudspeaker (taking into account an optimum number of parameters) that allows electronics engineer a better understanding of the nonlinear phenomena that degrade mostly audio quality in loudspeakers. It results in a sustainable model which evaluates the intrinsic non-linearity in loudspeakers and to know its cause. The simulation results show that the total harmonic distortion intrinsic to the loudspeaker is higher than that the distortion generated by an amplifier. The third research axis highlights the impact of the control of the transducer. The aim is to find out if there is a difference, in terms of audio quality, between the feedback control by voltage or current, for an electrodynamic micro-speaker. For this type of transducer and at this level of modeling, voltage control is equivalent to directly control the current of the micro-speaker. However, an alternative solution (not further degrading the signal audio quality) could be to control directly the micro-speaker by a current. The fourth research axis proposes to adapt the audio amplifiers specification to the performance of the micro-speakers. A comprehensive study of an energy point of view shows that a key factor for improving the energy efficiency of the audio amplifier is the minimization of the static power consumption and the maximization of the performance at nominal power. For other specifications, the global approach is based on the study of the impact of the specification of an amplifier on the sound pressure level. This has allowed, for example to reduce the stress in output noise voltage by a ratio of 300 %. The last research axis focuses on a new type of transducer: a micro-speaker in MEMS technology. Electroacoustic characterization shows the improvement: in terms of audio quality (less than 0.016 % total harmonic distortion) and the useful frequency range from 200 Hz to 20 kHz, the whole for an average sound level of 80 dB (10 cm). The combination of all the efforts presents a real technological leap. Finally, the overall process of optimization of the electrical part has been applied to the performance of MEMS in this last section, which has resulted, for example, in a reduction in the noise constraint of 500 %.

L'isolation thermique est essentielle dans de nombreux types de MEMS (micro-systèmes électro-mécaniques). Selon le type de dispositif, l'isolation permet de réduire la consommation d'énergie, diminuer le temps de réponse, ou augmenter sa sensibilité. Les matériaux d'isolation thermique actuellement disponibles sont difficiles à intégrer en couche épaisse dans des dispositifs en silicium. À cause de cela, l'approche la plus utilisée pour l'isolation est d'intégrer les zones à isoler sur des membranes minces (~ 1 µm). Cela assure une bonne isolation, mais est restrictif pour la conception du dispositif et la fragilité des membranes complique la fabrication et l'utilisation de celui-ci. Le silicium poreux est facile à intégrer puisqu'il est fabriqué par gravure électrochimique de substrats de Si cristallin. On peut aisément fabriquer des couches épaisses (100 µm) et sa conductivité thermique est 2-3 ordres de grandeur plus faible que celle du Si massif. Par contre sa porosité cause des problèmes : mauvaise résistance chimique, structure instable au-delà de 400°C, et tenue mécanique réduite. La facilité d'intégration des semiconducteurs poreux est un atout majeur, et nous visons donc de réduire les désavantages de ces matériaux afin de favoriser leur intégration dans des dispositifs en silicium. La première approche qui a été développée consiste à amorphiser le Si poreux en l'irradiant avec des ions à haute énergie (uranium, 110 MeV). Nous avons montré que l'amorphisation, même partielle, du Si poreux entraîne une diminution de sa conductivité thermique, sans endommager sa structure poreuse. On peut atteindre ainsi une réduction de conductivité thermique jusqu’à un facteur de trois. La seconde approche est de développer un nouveau matériau. Le SiC poreux a été choisi, puisque le SiC massif a des propriétés physiques exceptionnelles et supérieures à celles du silicium. Nous avons mené une étude systématique de la porosification du SiC en fonction de la concentration en HF et le courant, ce qui nous a permis de fabriquer des couches poreuses uniformes d’une épaisseur d’environ 100 µm. Nous avons implémenté un banc de mesure de la conductivité thermique par la méthode « 3 oméga » et l'avons utilisé pour mesurer la conductivité thermique du SiC poreux. Nos résultats montrent que la conductivité thermique du SiC poreux est environ deux ordres de grandeur plus faible que celle du SiC massif. Nous avons aussi montré que le SiC poreux est résistant à tous les produits chimiques typiquement utilisés en microfabrication et est stable jusqu'à au moins 1000°C. / Thermal insulation is essential in several types of MEMS (Micro electro mechanical systems). Depending on the device, insulation can reduce the device’s power consumption, decrease its response time, or increase its sensitivity. Existing thermal insulation materials are difficult to integrate as thick layers in silicon-based devices. Because of this, the most commonly used approach is to integrate the areas requiring insulation on thin membranes. This provides effective insulation, but restricts the design of the device and the membrane’s fragility makes the device’s fabrication and use more complicated. Poreux silicon is easy to integrate as it is made by electrochemical etching of crystalline silicon substrates. 100 µm thick layers can easily be fabricated and its thermal conductivity is 2-3 orders of magnitude lower than that of bulk silicon. However, its porosity causes other problems : low chemical resistance, its structure is unstable above 400°C, and reduced mechanical stability. The ease of integration of porous semiconductors remains a major advantage, so we aim to reduce the disadvantages of these materials in order to help their integration in microfabricated devices. The first approach we developed was to amorphise porous Si by irradiating it with heavy ions. We have shown that amorphisation of porous Si, even partial, causes a reduction of its thermal conductivity without damaging its porous structure. In this way a reduction in thermal conductivity by up to a factor of three can be achieved. The second approach was to develop a new material. Porous SiC was chosen, as bulk SiC has exceptional physical properties which are superior to those of silicon. We carried out a systematic study of the porosification process of SiC versus HF concentration and current, which enabled us to make thick (100 µm) and uniform layers. We have implemented a system for measuring thermal conductivity using the “3 omega” technique and used it to measure the thermal conductivity of porous SiC. Our results show that the thermal conductivity of porous SiC is about two orders of magnitude lower than that of bulk SiC. We have also shown that porous SiC is resistant to all chemical commonly used in microfabrication, and is stable up to at least 1000°C.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Charakterisierung eines mikromechanischen kraftgekoppelten Schwingsystems für die resonante Detektion niederfrequenter Schwingungen. Es wird ein neuartiges Prinzip vorgestellt, das es ermöglicht, niederfrequente Vibrationen frequenzselektiv zu erfassen. Mittels Amplitudenmodulation wird das niederfrequente Signal in einen höheren Frequenzbereich umgesetzt. Durch Ausnutzung der mechanischen Resonanzüberhöhung wird aus dem breitbandigen Signal ein schmales Band herausgefiltert, die anderen Frequenzbereiche werden unterdrückt. Auf diese Weise wird direkt die spektrale Information des niederfrequenten Signals gewonnen. Eine Fourier-Transformation ist hierbei nicht notwendig. Die Abstimmung des Sensors erfolgt über eine Wechselspannung und führt dadurch zu einer einfachen Auswertung. Die Schwerpunkte der Arbeit liegen in den theoretischen Untersuchungen zum neuartigen Sensorprinzip, in der Entwicklung einer mikromechanischen Sensorstruktur zum Einsatz des neuen Prinzips sowie in der Entwicklung und Charakterisierung eines Messsystems zur Detektion niederfrequenter mechanischer Schwingungen mit dem neuen Sensor. / This thesis describes the development and characterization of a micromechanical force coupled oscillator system for the resonant detection of low frequency vibrations. It presents a novel working principle that enables spectral measurements of low frequency vibrations. The low frequency spectral content is converted into a higher frequency range by means of amplitude modulation. Due to the mechanical resonance a narrow band is filtered out of the wide band vibration signal. The remaining frequency content is suppressed. Hence, the spectral information is directly obtained with the sensor system without a fast Fourier transform. The tuning is done with an AC voltage resulting in a simple analysis. The main focuses of the work are the theoretical analysis of this novel sensor principle, the development of the micromechanical sensor structure for the use of the novel principle as well as the development and characterization of a measurement system for the spectral detection of low frequency mechanical vibrations with the developed sensor system.

Air-borne ultrasonic transducers are optimised to achieve a maximal sound pressure in a frequency range around 100 kHz. Moreover, the radiation of a high acoustic power is desired, which requires a large transducer area. Within this dissertation the ultrasonic transducers are, therefore, optimised to operate in the resonance mode. Using this operating point the maximal force is fed into the transducer while it is charged with the lowest loss possible. Many applications of air-borne ultrasound need a sufficient bandwidth in addition to a high sound pressure, that s why the swinging mass of the transducer has to be minimised. For these reasons, air-borne capacitive and piezoelectric film transducers take centre stage of these examinations. New network models of the stripe membrane and the pre-stressed stripe plate are derived to optimise these ultrasonic transducers. Besides its mechanical tension and its bending stiffness, the new network model of the pre-stressed and pressure loaded stripe plate takes also the stiffness caused by the shape of the plate into account. The examined transducers achive a maximal piston velocity around 1 m/s. / Ultraschallwandler für Anwendungen in Luft werden zur Bereitstellung eines maximalen Schalldrucks im Frequenzbereich um 100 kHz optimiert. Sie sollen außerdem die Abstrahlung einer großen Schallleistung zulassen, was eine große Wandlerfläche voraussetzt. Deshalb werden in dieser Arbeit die Ultraschallsender für den Resonanzbetrieb optimiert, wo man die maximale Krafteinspeisung bei minimalen Verlusten einstellt. Viele Anwendungen von Ultraschall in Luft benötigen neben einem hohen Schalldruckpegel auch eine ausreichende Bandbreite, wozu die schwingende Masse der Wandler zu minimieren ist. Deshalb stehen kapazitive und piezoelektrische Folienwandler im Resonanzbetrieb im Vordergrund der Untersuchungen. Zur Optimierung dieser Ultraschallsender werden die Netzwerkmodelle der Streifenmembran und der gespannten Streifenplatte abgeleitet. Neben der mechanischen Spannung und der Biegesteifigkeit berücksichtigt das Netzwerkmodell der gespannten und statisch druckbelasteten Streifenplatte die Formversteifung. Die untersuchten Wandler erreichen eine maximale Kolbenschnelle um 1 m/s.

For mobile electronics such as Smartphones, Smartcards or wearable devices there is a trend towards an increasing functionality as well as miniaturisation. In this development Micro Electro- Mechanical Systems (MEMS) are an important key element for the realisation of functions such as motion detection. The specifications given by such devices together with the limited available space demand advanced packaging technologies. The 3D-Wafer Level Packaging (3D-WLP) enables one solution for a miniaturised MEMS package by using techniques such as Wafer Level Bonding (WLB) and Through Silicon Vias (TSV). This technology increases the effective area of the MEMS device by elimination dead space, which is typically required for other approaches based on wire bond assembly. Within this thesis, different TSV technology concepts with respect to a 3D-WLP for MEMS have been developed. Thereby, the focus was on a copper based technology as well as on two major TSV implementation methods. This comprises a Via Middle approach based on the separated TSV fabrication in the cap wafer as well as a Via Last approach with a TSV implementation in either the MEMS or cap wafer, respectively. For each option with its particular challenges, corresponding process modules have been developed. In the Via Middle approach, the wafer-related etch rate homogeneity determines the TSV reveal from the wafer backside Here, a reduction of the TSV depth down to 80 μm is favourable as long as the desired Cu-thermo-compression bonding (Cu-TCB) is performed before the thinning. For the TSV metallisation, a Cu electrochemical deposition method was developed, which allows the deposition of one redistribution layer as well as the bonding patterns for Cu-TCB at the same time. In the Via Last approach, the TSV isolation represents one challenge. Chemical Vapour Deposition processes have been investigated, for which a combination of PE-TEOS and SA-TEOS as well as a Parylene deposition yield the most promising results. Moreover, a method for the realisation of a suitable bonding surface for the Silicon Direct Bonding method has been developed, which does not require any wet pre treatment of the fabricated MEMS patterns. A functional MEMS acceleration sensor as well as Dummy devices serve as demonstrators for the overall integration technology as well as for the characterisation of electrical parameters. / Im Bereich mobiler Elektronik, wie z.B. bei Smartphones, Smartcards oder in Kleidung integrierten Geräten ist ein Trend zu erkennen hinsichtlich steigender Funktionalität und Miniaturisierung. Bei dieser Entwicklung spielen Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) eine entscheidende Rolle zur Realisierung neuer Funktionen, wie z.B. der Bewegungsdetektion. Die Anforderungen derartiger Bauteile zusammen mit dem begrenzten zur Verfügung stehenden Platz erfordern neuartige Technologien für die Aufbau- und Verbindungstechnick (engl. Packaging) der Bauteile. Das 3D-Wafer Level Packaging (3D-WLP) ermöglicht eine Lösung für eine miniaturisierte MEMS-Bauform unter Nutzung von Techniken wie dem Waferlevelbonden (WLB) und den Siliziumdurchkontaktierungen (TSV von engl. Through Silicon Via). Diese Technologie erhöht die effektive aktive Fläche des MEMS Bauteils durch die Reduzierung von Toträumen, welche für andere Ansätze wie der Drahtbond-Montage üblich sind. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Technologiekonzepte für den Aufbau von 3D-WLP für MEMS erarbeitet. Dabei lag der Fokus auf einer Kupfer-basierten Technologie sowie auf zwei prinzipiellen Varianten für die TSV-Implementierung. Dies umfasst den Via Middle Ansatz, welcher auf der TSV Herstellung auf einem separaten Kappenwafer beruht, sowie den Via Last Ansatz mit einer TSV Herstellung entweder im MEMS-Wafer oder im Kappenwafer. Für beide Varianten mit individuellen Herausforderungen wurden entsprechende Prozessmodule entwickelt. Beim Via Middle Ansatz ist die Wafer-bezogene Ätzratenhomogenität des Siliziumtiefenätzen entscheidend für das spätere Freilegen der TSVs von der Rückseite. Hier hat sich eine Reduzierung der TSV-Tiefe auf bis zu 80 μm vorteilhaft erwiesen insofern, das Kupfer-Thermokompressionsbonden (Cu-TKB) vor dem Abdünnen erfolgt. Zur Metallisierung der TSVs wurde ein Cu Galvanikprozess erarbeitet, welcher es ermöglicht gleichzeitig eine Umverdrahtungsebene sowie die Bondstrukturen für das Cu-TKB zu erzeugen. Beim Via Last Ansatz ist die TSV Isolation eine Herausforderung. Es wurden CVD (Chemische Dampfphasenabscheidung) Prozesse untersucht, wobei eine Kombination aus PE-TEOS und SA-TEOS sowie eine Parylene Beschichtung erfolgversprechende Ergebnisse liefern. Des Weiteren wurde eine Methode zur Erzeugung bondfähiger Oberflächen für das Siliziumdirektbonden erarbeitet, welche eine Nass-Vorbehandlung des MEMS umgeht. Ein realer MEMS-Beschleunigungssensor sowie Testaufbauten dienen zur Demonstration der Gesamtintegrationstechnologie sowie zur Charakterisierung elektrischer Parameter.

Cette thèse traite le problème d'intégration hardware optimale de contrôleurs linéaires à taille de mot finie, dédiés aux applications MEMS. Le plus grand défi est d'assurer des performances de contrôle satisfaisantes avec un minimum de ressources logiques. Afin d'y parvenir, deux optimisations distinctes mais complémentaires peuvent être entreprises: en théorie de contrôle et en arithmétique binaire. Seule cette dernière est considérée dans ce travail.Comme cette arithmétique cible des applications MEMS, elle doit faire preuve de vitesse afin de prendre en charge la dynamique rapide des MEMS, à faible consommation de puissance pour un contrôle intégré, hautement re-configurabe pour un ajustement facile des performances de contrôle, et facilement prédictible pour fournir une idée précise sur les ressources logiques nécessaires avant l'implémentation même.L'exploration d'un certain nombre d'arithmétiques binaires a montré que l'arithmétique radix-2r est celle qui répond au mieux aux exigences précitées. Elle a été pleinement exploitée afin de concevoir des circuits de multiplication efficaces, qui sont au fait, le véritable moteur des systèmes linéaires.L'arithmétique radix-2r a été appliquée à l'intégration hardware de deux structures linéaires à taille de mot finie: un contrôleur PID variant dans le temps et à un contrôleur LQG invariant dans le temps,avec un filtre de Kalman. Le contrôleur PID a montré une nette supériorité sur ses homologues existants. Quant au contrôleur LQG, une réduction très importante des ressources logiques a été obtenue par rapport à sa forme initiale non optimisée / This thesis addresses the problem of optimal hardware-realization of finite-word-length(FWL) linear controllers dedicated to MEMS applications. The biggest challenge is to ensuresatisfactory control performances with a minimal hardware. To come up, two distinct butcomplementary optimizations can be undertaken: in control theory and in binary arithmetic. Only thelatter is involved in this work.Because MEMS applications are targeted, the binary arithmetic must be fast enough to cope withthe rapid dynamic of MEMS; power-efficient for an embedded control; highly scalable for an easyadjustment of the control performances; and easily predictable to provide a precise idea on therequired logic resources before the implementation.The exploration of a number of binary arithmetics showed that radix-2r is the best candidate that fitsthe aforementioned requirements. It has been fully exploited to designing efficient multiplier cores,which are the real engine of the linear systems.The radix-2r arithmetic was applied to the hardware integration of two FWL structures: a linear timevariant PID controller and a linear time invariant LQG controller with a Kalman filter. Both controllersshowed a clear superiority over their existing counterparts, or in comparison to their initial forms.

Air-borne ultrasonic transducers are optimised to achieve a maximal sound pressure in a frequency range around 100 kHz. Moreover, the radiation of a high acoustic power is desired, which requires a large transducer area. Within this dissertation the ultrasonic transducers are, therefore, optimised to operate in the resonance mode. Using this operating point the maximal force is fed into the transducer while it is charged with the lowest loss possible. Many applications of air-borne ultrasound need a sufficient bandwidth in addition to a high sound pressure, that s why the swinging mass of the transducer has to be minimised. For these reasons, air-borne capacitive and piezoelectric film transducers take centre stage of these examinations. New network models of the stripe membrane and the pre-stressed stripe plate are derived to optimise these ultrasonic transducers. Besides its mechanical tension and its bending stiffness, the new network model of the pre-stressed and pressure loaded stripe plate takes also the stiffness caused by the shape of the plate into account. The examined transducers achive a maximal piston velocity around 1 m/s. / Ultraschallwandler für Anwendungen in Luft werden zur Bereitstellung eines maximalen Schalldrucks im Frequenzbereich um 100 kHz optimiert. Sie sollen außerdem die Abstrahlung einer großen Schallleistung zulassen, was eine große Wandlerfläche voraussetzt. Deshalb werden in dieser Arbeit die Ultraschallsender für den Resonanzbetrieb optimiert, wo man die maximale Krafteinspeisung bei minimalen Verlusten einstellt. Viele Anwendungen von Ultraschall in Luft benötigen neben einem hohen Schalldruckpegel auch eine ausreichende Bandbreite, wozu die schwingende Masse der Wandler zu minimieren ist. Deshalb stehen kapazitive und piezoelektrische Folienwandler im Resonanzbetrieb im Vordergrund der Untersuchungen. Zur Optimierung dieser Ultraschallsender werden die Netzwerkmodelle der Streifenmembran und der gespannten Streifenplatte abgeleitet. Neben der mechanischen Spannung und der Biegesteifigkeit berücksichtigt das Netzwerkmodell der gespannten und statisch druckbelasteten Streifenplatte die Formversteifung. Die untersuchten Wandler erreichen eine maximale Kolbenschnelle um 1 m/s.

This thesis deals with the construction of drives for self-supporting gates. The main parts from which the drive is folded are not discussed here. In addition, the main points of load are solved which arise on the self-supporting gate and it´s contact with the guiding, carrying carts and movement elements. And here is explained what needs to be taken care of by the drive to accommodate the loads, which all aggravate the movement of the structure. in the work are also presented the load types of load calculations by which the drive parameters can be checked for suitability for the application.

For mobile electronics such as Smartphones, Smartcards or wearable devices there is a trend towards an increasing functionality as well as miniaturisation. In this development Micro Electro- Mechanical Systems (MEMS) are an important key element for the realisation of functions such as motion detection. The specifications given by such devices together with the limited available space demand advanced packaging technologies. The 3D-Wafer Level Packaging (3D-WLP) enables one solution for a miniaturised MEMS package by using techniques such as Wafer Level Bonding (WLB) and Through Silicon Vias (TSV). This technology increases the effective area of the MEMS device by elimination dead space, which is typically required for other approaches based on wire bond assembly. Within this thesis, different TSV technology concepts with respect to a 3D-WLP for MEMS have been developed. Thereby, the focus was on a copper based technology as well as on two major TSV implementation methods. This comprises a Via Middle approach based on the separated TSV fabrication in the cap wafer as well as a Via Last approach with a TSV implementation in either the MEMS or cap wafer, respectively. For each option with its particular challenges, corresponding process modules have been developed. In the Via Middle approach, the wafer-related etch rate homogeneity determines the TSV reveal from the wafer backside Here, a reduction of the TSV depth down to 80 μm is favourable as long as the desired Cu-thermo-compression bonding (Cu-TCB) is performed before the thinning. For the TSV metallisation, a Cu electrochemical deposition method was developed, which allows the deposition of one redistribution layer as well as the bonding patterns for Cu-TCB at the same time. In the Via Last approach, the TSV isolation represents one challenge. Chemical Vapour Deposition processes have been investigated, for which a combination of PE-TEOS and SA-TEOS as well as a Parylene deposition yield the most promising results. Moreover, a method for the realisation of a suitable bonding surface for the Silicon Direct Bonding method has been developed, which does not require any wet pre treatment of the fabricated MEMS patterns. A functional MEMS acceleration sensor as well as Dummy devices serve as demonstrators for the overall integration technology as well as for the characterisation of electrical parameters.:Bibliographische Beschreibung 3 Vorwort 13 List of symbols and abbreviations 15 1 Introduction 23 2 Fundamentals on MEMS and TSV based 3D integration 25 2.1 Micro Electro-Mechanical systems 25 2.1.1 Basic Definition 25 2.1.2 Silicon technologies for MEMS 26 2.1.3 MEMS packaging 29 2.2 3D integration based on TSVs 33 2.2.1 Overview 33 2.2.2 Basic processes for TSVs 34 2.2.3 Stacking and Bonding 47 2.2.4 Wafer thinning 48 2.3 TSV based MEMS packaging 50 2.3.1 MEMS-TSVs 50 2.3.2 3D-WLP for MEMS 52 3 Technology development for a 3D-WLP based MEMS 57 3.1 Target integration approach for 3D-WLP based MEMS 57 3.1.1 MEMS modules using 3D-WLP based MEMS 57 3.1.2 Integration concepts 58 3.2 Objective and requirements for the proposed 3D-WLP of MEMS 60 3.2.1 Boundary conditions 60 3.2.2 Technology concepts 63 3.3 Selected approaches for TSV implementation in MEMS 64 3.3.1 Via Last Technology 64 3.3.2 Via Middle technology 69 4 Development of process modules 75 4.1 Characterisation 75 4.2 TSV related etch processes 77 4.2.1 Equipment 77 4.2.2 Deep silicon etching 78 4.2.3 Etching of the buried dielectric layer 84 4.2.4 Patterning of TSV isolation liner – spacer etching 90 4.2.5 Summary 92 4.3 TSV isolation 93 4.3.1 Principle considerations 93 4.3.2 Experiment 95 4.3.3 Results 97 4.3.4 Summary 102 4.4 Metallisation of TSV and RDL 103 4.4.1 Plating base and experimental setup 103 4.4.2 Investigations related to the ECD process 106 4.4.3 Pattern plating 117 4.4.4 Summary 123 4.5 Wafer Level Bonding 124 4.5.1 Silicon direct bonding 124 4.5.2 Thermo-compression bonding by using ECD copper 128 4.5.3 Summary 134 4.6 Wafer thinning and TSV back side reveal 134 4.6.1 Thinning processes 134 4.6.2 TSV reveal processes 136 4.6.3 Summary 145 4.7 Under bump metallisation and solder bumps 146 5 Demonstrator design, fabrication and characterisation 149 5.1 Single wafer demonstrator for electrical test 149 5.1.1 Demonstrator design and test structure layout 149 5.1.2 Demonstrator fabrication 150 5.1.3 Electrical measurement 151 5.1.4 Summary 153 5.2 Via Last based TSV fabrication in the MEMS device wafer 153 5.2.1 Layout of the MEMS device with TSVs 153 5.2.2 Fabrication of TSVs and wafer thinning 154 5.2.3 Characterisation of the fabricated device 155 5.2.4 Summary 156 5.3 Via Last based cap-TSV for very thin MEMS devices 157 5.3.1 Design 157 5.3.2 Fabrication 158 5.3.3 Characterisation 161 5.3.4 Summary 162 5.4 Via Middle approach based on thinning after bonding 163 5.4.1 Design 163 5.4.2 Results and characterisation 164 5.4.3 Summary 166 6 Conclusion and outlook 167 Appendix A: Typical requirements on a MEMS package and its functions 171 Appendix B: Classification of packaging and system integration techniques 173 B.1 Packaging of electronic devices in general 173 B.2 Single Chip Packages 174 B.3 System integration 175 B.4 3D integration based on TSVs 180 Bibliography 183 List of figures 193 List of tables 199 Versicherung 201 Theses 203 Curriculum vitae 205 Own publications 207 / Im Bereich mobiler Elektronik, wie z.B. bei Smartphones, Smartcards oder in Kleidung integrierten Geräten ist ein Trend zu erkennen hinsichtlich steigender Funktionalität und Miniaturisierung. Bei dieser Entwicklung spielen Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) eine entscheidende Rolle zur Realisierung neuer Funktionen, wie z.B. der Bewegungsdetektion. Die Anforderungen derartiger Bauteile zusammen mit dem begrenzten zur Verfügung stehenden Platz erfordern neuartige Technologien für die Aufbau- und Verbindungstechnick (engl. Packaging) der Bauteile. Das 3D-Wafer Level Packaging (3D-WLP) ermöglicht eine Lösung für eine miniaturisierte MEMS-Bauform unter Nutzung von Techniken wie dem Waferlevelbonden (WLB) und den Siliziumdurchkontaktierungen (TSV von engl. Through Silicon Via). Diese Technologie erhöht die effektive aktive Fläche des MEMS Bauteils durch die Reduzierung von Toträumen, welche für andere Ansätze wie der Drahtbond-Montage üblich sind. In der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene Technologiekonzepte für den Aufbau von 3D-WLP für MEMS erarbeitet. Dabei lag der Fokus auf einer Kupfer-basierten Technologie sowie auf zwei prinzipiellen Varianten für die TSV-Implementierung. Dies umfasst den Via Middle Ansatz, welcher auf der TSV Herstellung auf einem separaten Kappenwafer beruht, sowie den Via Last Ansatz mit einer TSV Herstellung entweder im MEMS-Wafer oder im Kappenwafer. Für beide Varianten mit individuellen Herausforderungen wurden entsprechende Prozessmodule entwickelt. Beim Via Middle Ansatz ist die Wafer-bezogene Ätzratenhomogenität des Siliziumtiefenätzen entscheidend für das spätere Freilegen der TSVs von der Rückseite. Hier hat sich eine Reduzierung der TSV-Tiefe auf bis zu 80 μm vorteilhaft erwiesen insofern, das Kupfer-Thermokompressionsbonden (Cu-TKB) vor dem Abdünnen erfolgt. Zur Metallisierung der TSVs wurde ein Cu Galvanikprozess erarbeitet, welcher es ermöglicht gleichzeitig eine Umverdrahtungsebene sowie die Bondstrukturen für das Cu-TKB zu erzeugen. Beim Via Last Ansatz ist die TSV Isolation eine Herausforderung. Es wurden CVD (Chemische Dampfphasenabscheidung) Prozesse untersucht, wobei eine Kombination aus PE-TEOS und SA-TEOS sowie eine Parylene Beschichtung erfolgversprechende Ergebnisse liefern. Des Weiteren wurde eine Methode zur Erzeugung bondfähiger Oberflächen für das Siliziumdirektbonden erarbeitet, welche eine Nass-Vorbehandlung des MEMS umgeht. Ein realer MEMS-Beschleunigungssensor sowie Testaufbauten dienen zur Demonstration der Gesamtintegrationstechnologie sowie zur Charakterisierung elektrischer Parameter.:Bibliographische Beschreibung 3 Vorwort 13 List of symbols and abbreviations 15 1 Introduction 23 2 Fundamentals on MEMS and TSV based 3D integration 25 2.1 Micro Electro-Mechanical systems 25 2.1.1 Basic Definition 25 2.1.2 Silicon technologies for MEMS 26 2.1.3 MEMS packaging 29 2.2 3D integration based on TSVs 33 2.2.1 Overview 33 2.2.2 Basic processes for TSVs 34 2.2.3 Stacking and Bonding 47 2.2.4 Wafer thinning 48 2.3 TSV based MEMS packaging 50 2.3.1 MEMS-TSVs 50 2.3.2 3D-WLP for MEMS 52 3 Technology development for a 3D-WLP based MEMS 57 3.1 Target integration approach for 3D-WLP based MEMS 57 3.1.1 MEMS modules using 3D-WLP based MEMS 57 3.1.2 Integration concepts 58 3.2 Objective and requirements for the proposed 3D-WLP of MEMS 60 3.2.1 Boundary conditions 60 3.2.2 Technology concepts 63 3.3 Selected approaches for TSV implementation in MEMS 64 3.3.1 Via Last Technology 64 3.3.2 Via Middle technology 69 4 Development of process modules 75 4.1 Characterisation 75 4.2 TSV related etch processes 77 4.2.1 Equipment 77 4.2.2 Deep silicon etching 78 4.2.3 Etching of the buried dielectric layer 84 4.2.4 Patterning of TSV isolation liner – spacer etching 90 4.2.5 Summary 92 4.3 TSV isolation 93 4.3.1 Principle considerations 93 4.3.2 Experiment 95 4.3.3 Results 97 4.3.4 Summary 102 4.4 Metallisation of TSV and RDL 103 4.4.1 Plating base and experimental setup 103 4.4.2 Investigations related to the ECD process 106 4.4.3 Pattern plating 117 4.4.4 Summary 123 4.5 Wafer Level Bonding 124 4.5.1 Silicon direct bonding 124 4.5.2 Thermo-compression bonding by using ECD copper 128 4.5.3 Summary 134 4.6 Wafer thinning and TSV back side reveal 134 4.6.1 Thinning processes 134 4.6.2 TSV reveal processes 136 4.6.3 Summary 145 4.7 Under bump metallisation and solder bumps 146 5 Demonstrator design, fabrication and characterisation 149 5.1 Single wafer demonstrator for electrical test 149 5.1.1 Demonstrator design and test structure layout 149 5.1.2 Demonstrator fabrication 150 5.1.3 Electrical measurement 151 5.1.4 Summary 153 5.2 Via Last based TSV fabrication in the MEMS device wafer 153 5.2.1 Layout of the MEMS device with TSVs 153 5.2.2 Fabrication of TSVs and wafer thinning 154 5.2.3 Characterisation of the fabricated device 155 5.2.4 Summary 156 5.3 Via Last based cap-TSV for very thin MEMS devices 157 5.3.1 Design 157 5.3.2 Fabrication 158 5.3.3 Characterisation 161 5.3.4 Summary 162 5.4 Via Middle approach based on thinning after bonding 163 5.4.1 Design 163 5.4.2 Results and characterisation 164 5.4.3 Summary 166 6 Conclusion and outlook 167 Appendix A: Typical requirements on a MEMS package and its functions 171 Appendix B: Classification of packaging and system integration techniques 173 B.1 Packaging of electronic devices in general 173 B.2 Single Chip Packages 174 B.3 System integration 175 B.4 3D integration based on TSVs 180 Bibliography 183 List of figures 193 List of tables 199 Versicherung 201 Theses 203 Curriculum vitae 205 Own publications 207

Im Fokus dieser kumulativ angefertigten Dissertation stehen vier methodenorientierte biomechanische Studien, in welchen die potentiellen Fehlerquellen analysiert werden, die beim Einsatz von Inertialsensoren in der biomechanischen Gang- und Laufanalyse auftreten können. In den einzelnen Beiträgen werden die Einflüsse der Inertialsensoraufnahmefrequenz (Studie I) und des Messbereichs der Beschleunigungssensoren (Studie II) auf die kinematischen, kinetischen und räumlich-zeitlichen Parameter systematisch untersucht. Des Weiteren wird sich kritisch mit der Genauigkeit verschiedener Detektionsmethoden des initialen Bodenkontaktes (Studie III) sowie mit der Aussagekraft der maximalen Eversionsgeschwindigkeit (Studie IV) auseinandergesetzt. Um ein umfassendes Bild der Einflussgrößen zu erhalten, wurde in den Studien II, III und IV untersucht, ob die Materialcharakteristik der Laufschuhsohle die Genauigkeit der biomechanischen Parameter beeinflusst. Zudem wurde in Studie III geprüft, welchen zusätzlichen Effekt der Laufstil (Vor- und Rückfußlaufen) auf die Genauigkeit der initialen Bodenkontaktbestimmung hat sowie welchen Einfluss die Bewegungsgeschwindigkeit (Gehen und Laufen) auf die maximale Eversionsgeschwindigkeit nehmen kann (Studie IV). Die Ergebnisse der vier Untersuchungen werden am Ende dieser Arbeit in einem gemeinsamen Kontext diskutiert. Auf Grundlage der Erkenntnisse konnte eine Übersicht erstellt werden, welche sowohl die Mindestanforderungen an Inertialsensoren als auch die Einflussgrößen auf die Genauigkeit der biomechanischen Parameter enthält. Mit diesem Überblick erhalten Nutzer von Inertialsensoren (z.B. Sportler, Trainer, Mediziner und Wissenschaftler) bei der Planung einer Bewegungsanalyse die Unterstützung, die Sensoren mit der passenden Sensorspezifikation in Kombination mit den präzisesten Auswertealgorithmen auszuwählen. Zudem können die Informationen aus dieser Dissertation dazu genutzt werden, Erkenntnisse bereits publizierter Studien kritisch zu hinterfragen. / In previous studies, inertial sensors were used to investigate kinematic, kinetic, and spatio-temporal parameters during walking and running. The present cumulative doctoral thesis consists of four methodological studies. Two of the studies examine the influence of inertial sensor sampling rate (study I) and accelerometer operating range (study II) on the accuracy of biomechanical parameters. Another study investigated whether different published foot strike detection methods can accurately detect the time of initial ground contact (study III). The final study examined whether a single gyroscope can be used to accurately determine peak eversion velocity (study IV). In order to obtain a comprehensive view of the influencing factors, studies II, III and IV also investigated whether the material characteristics of the running shoe sole also influence the accuracy of the biomechanical parameters. Additionally, the effect of running style (forefoot or rearfoot) on the accuracy of foot strike detection methods was investigated in study III, and the effect of locomotion speed (walking, running slow up to running fast) on the accuracy of peak eversion velocity was examined in study IV. The results of the four investigations will be summarized and discussed in a common context. Based on the findings, an overview was prepared which contains both the minimum requirements for inertial sensors and also the influencing variables on the accuracy of the biomechanical parameters. This overview may assist users of inertial sensors (e.g. athletes, trainers, physicians, or scientists) in planning gait and running analyses to select inertial sensors with the appropriate specification in combination with the most accurate algorithms. In addition, the information from this dissertation can be used to critically consider the findings of published studies.