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Polyimide thin films have been widely used in microelectronic and Micro-Electro-Mechanical System applications due to their many excellent characteristics including low dielectric constant, easy processing, good step coverage ability, high heat resistance and chemical resistance. This paper presents the design, fabrication and complete characterization of an innovative capacitive relative humidity (RH) microsensor. The double polyimide thin films adopted in this study function as a capacitance sensing layer and a protecting layer of top electrodes respectively. To improve the humidity sensitivity and responding speed, interlacing out-of-plane electrodes are designed in the RH microsensor. The higher sensitivity ( 1.25 pF/¢HRH ), optimized sensing linearity ( 99.968¢H ) , very low hysteresis ( 0.24 ¢HRH ), excellent stability ( 1.36 ¢HRH ) , high accuracy ( ¡Ó 1.12 ¢HRH ) and fast response ( within 1 seconds ) characteristics of the RH microsensor have been demonstrated in this thesis.

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Οι ηλεκτρομηχανικές συσκευές αποθήκευσης δεδομένων πολύ μικρής κλίμακας που βασίζονται στη χρήση ακίδων (probes) αποτελούν ανερχόμενες εναλλακτικές επιλογές για τη βελτίωση της πυκνότητας αποθήκευσης, του χρόνου πρόσβασης των δεδομένων και της απαιτούμενης ισχύος σε σχέση με τις συμβατικές συσκευές αποθήκευσης. Μία υλοποίηση μιας τέτοιας συσκευής χρησιμοποιεί θερμομηχανικές μεθόδους για την αποθήκευση πληροφορίας σε λεπτές μεμβράνες πολυμερών υλικών. Στην περίπτωση αυτή, η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται με τη μορφή κοιλωμάτων πάνω στο πολυμερές υλικό, τα οποία δημιουργούνται από τις ακίδες, διαμέτρου μερικών nm. Με στόχο την αύξηση του ρυθμού εγγραφής και ανάγνωσης χρησιμοποιούνται δισδιάστατες διατάξεις από ακίδες που λειτουργούν παράλληλα, με κάθε ακίδα να εκτελεί λειτουργίες εγγραφής /ανάγνωσης /διαγραφής σε ξεχωριστό αποθηκευτικό πεδίο. Η μετατόπιση του αποθηκευτικού μέσου σε σχέση με τη διάταξη των ακίδων επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση ηλεκτρομηχανικού συστήματος μικρής κλίμακας (MEMS). Η διάταξη MEMS αποτελείται από ένα μικρής κλίμακας σύστημα σάρωσης (microscanner) και από το τσιπ της δισδιάστατης διάταξης των ακίδων. Το σύστημα σάρωσης έχει δυνατότητα κίνησης σε δύο διευθύνσεις (x/y). Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η μοντελοποίηση του συστήματος σάρωσης μικρής κλίμακας. Η μοντελοποίηση του συστήματος έγινε με βάση το σύστημα του απλού αρμονικού ταλαντωτή με απόσβεση. Στα πλαίσια της εργασίας μελετάται η απόκριση του συστήματος σε διάφορους τύπους διεγέρσεων, ενώ για την προσομοίωση της συμπεριφοράς του microscanner αναπτύχθηκε εφαρμογή στην γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic. Η εφαρμογή περιλαμβάνει γραφικό περιβάλλον με δυνατότητα ρύθμισης των παραμέτρων εξομοίωσης. / Micro-electro-mechanical-system (MEMS)-based scanning-probe storage devices are emerging as potential ultra-high-density, low-access-time, and low-power alternatives to conventional data storage. One implementation of probe-based storage uses thermomechanical means to store and retrieve information in thin polymer films. Digital information is stored by making indentations on the thin polymer film with the tips of atomic force microscope (AFM) cantilevers, which are a few nanometers in diameter. To increase the data rate, an array of probes is used, in which each probe performs read/ write/ erase operations over an individual storage field. Displacement of the storage medium relative to the array of cantilevers is achieved by using micro-electro-mechanical-system (MEMS). The MEMS assembly consists of the microscanner and the cantilever array chip. The microscanner with x and y motion range carries the storage medium. This diploma dissertation presents the modeling of the microscanner. The system models as a damped harmonic oscillator. The model response on different driven forces has been studied, whereas an application in Visual Basic has been generated to simulate the system motion. The application comprises graphic interface with simulation parameters modulation.

Les microphones à électret dédiés à l'électronique grand public et les applications médicales (les audioprothèses) ont atteint les limites de la miniaturisation. Depuis la sortie du premier microphone basé sur une technologie microsystème sur silicium (MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems), les microphones à électret sont progressivement remplacés par les microphones MEMS. Les MEMS utilisent le silicium car il offre des caractéristiques mécaniques exceptionnelles avec de bonnes propriétés électriques et la technologie de fabrication est maintenant bien maîtrisée. La plupart des microphones MEMS qui sont décrits dans la littérature sont constitués d’une membrane qui vibre en dehors du plan du capteur, et utilisent la transduction capacitive. La miniaturisation de tels microphones est limitée car leur sensibilité est liée à la valeur de la capacité qui dépend de la taille de la membrane. En outre, les capteurs capacitifs sont très sensibles aux capacités parasites et aux non-linéarités. Cette thèse présente une nouvelle architecture de microphone MEMS qui utilise des micro-poutres qui vibrent dans le plan capteur. La transduction du signal est réalisée par des nanojauges piézorésistives intégrées dans le microsystème et attachées aux micro-poutres. Ce système de détection original ne présente pas les inconvénients de la détection capacitive et à la différence des piézorésistors classiques intégrés dans la membrane de silicium, les nanofils suspendus permettent d’éliminer les courants de fuite. De plus, l'amélioration de la détection est possible puisque le coefficient piézo-résistif longitudinal est inversement proportionnel à la section du nanofil. Les fluctuations de pression acoustique entraînent les déviations des micro-poutres qui produisent une concentration de contraintes dans les nanogauges. Le comportement du capteur, que l’on cherche à modéliser, est lié à des phénomènes mécaniques, acoustiques et électriques qui sont couplés. En raison des dimensions micrométriques du MEMS, les effets des dissipations thermique et visqueuse doivent être pris en compte dans le comportement acoustique. Pour prédire de façon fiable le comportement du capteur, deux modèles vibroacoustiques sont utilisés: un modèle éléments finis basé sur l'ensemble des équations de Navier-Stokes linéarisées et un modèle approché basé sur un schéma à constantes localisées (représentation par circuit électrique équivalent). Les deux modèles sont complémentaires dans le processus de conception pour déterminer la réponse en fréquence et le taux de bruit du capteur. Le travail est complété par la description des processus technologiques et les défis liés à la fabrication du prototype. Puis deux approches pour la caractérisation fonctionnelle du microphone MEMS sont présentées, la première en tube d’impédance, la seconde en champ libre. / Electret microphones dedicated to consumer electronics and medical applications (hearing aids) have reached the miniaturization limits. Since the release of the first microphone based on Silicon micromachining, electret microphones are constantly replaced by MEMS microphones. MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) microphones use Silicon that provides exceptional mechanical characteristics along with good electric properties and mature fabrication technology. Regardless of the transduction principle (capacitive, piezoresistive, piezoelectric, optical), all of the MEMS microphones reported in the state of the art literature are based on a membrane deflecting out of the plane of the base wafer. Most of the reported microphones and all of the commercially available MEMS use capacitive transduction. Downscaling of capacitive microphones is problematic, since the sensitivity depends on capacitance value. Moreover capacitive sensors suffer of high sensitivity to parasitic capacitance and nonlinearity. The drawbacks of capacitive detection may be overcome with use of piezoresistive properties of Silicon nanowires. Unlike the classical piezoresistors integrated into silicon membrane, suspended nanowires do not suffer of leakage current. Further improvement of piezoresistive detection is possible since the longitudinal piezoresistive coefficient rises inversely proportional to nanowire section. This thesis presents the considerations of novel MEMS microphone architecture that uses microbeams which deflect in the plane of the base wafer. Signal transduction is achieved by piezoresistive nanogauges integrated in the microsystem and attached to the microbeams. Acoustic pressure fluctuations lead to the deflection of the microbeams which produces a stress concentration in the nanogauges. Accurate simulations of the discussed transducer couple acoustic, mechanical and electric behavior of the system. Due to micrometric dimensions of the MEMS acoustic system, thermal and viscous dissipative effects have to be taken into account. To reliably predict the sensor behavior two acoustic models are prepared: the complete Finite Element Model based on the full set of linearized Navier-Stokes equations and the approximative model based on the Lumped Elements (Equivalent Cirtuit Representation). Both models are complementary in the design process to finally retrieve the frequency response and the noise budget of the sensor. The work is completed by the description of the technological process and the challenges related to the prototype microfabrication. Then the approach to the MEMS microphone characterization in pressure-field and free-field is presented.

Le fonctionnement du cerveau repose sur la libération de molécules telles que les neurotransmetteurs et les métabolites dans le milieu interstitiel. L’étude de ces molécules est donc primordiale afin de mieux comprendre leur rôle physiologique et pathologique. Pour cela, les biocapteurs enzymatiques implantables sont un outil prometteur de par leurs capacités de détection quantitative, en temps réel et dans les tissus profonds. En fonction des dimensions du biocapteur, l’impact de l’implantation peut avoir des conséquences considérables sur la composition chimique du fluide interstitiel. De plus, chaque implantation induit localement une réaction inflammatoire dite « réaction au corps étranger ». La réduction de ces réactions est indispensable afin d’obtenir des estimations plus précises de la concentration des molécules présentes. Dans ce sens, ce manuscrit exposera deux voies de réduction de l’impact lésionnel dû à l’implantation de biocapteurs. Tout d’abord, il sera présenté la miniaturisation de biocapteurs enzymatiques jusqu’à des diamètres externes inférieurs à 15 µm. Et il sera démontré in vivo que ces biocapteurs ultra miniaturisés ont le potentiel d’être implantés dans le cerveau sans induire de dommages détectables aux tissus et aux vaisseaux sanguins. Ensuite, le développement d’une microsonde fabriquée à l’aide des technologies MEMS couplant une détection électrochimique et optique sera introduit dans le cadre du suivi du fluide interstitiel péri- et intratumoral de glioblastomes modifiés pour émettre de la fluorescence. En intégrant deux types de détection sur une unique micro-aiguille, cette microsonde permet de réduire le nombre d’implantations. Ces deux voies de miniaturisation ouvrent la possibilité de suivre la composition chimique du fluide interstitiel de manière moins invasive, et donc de mieux préserver la physiologie des tissus étudiés dans le cerveau. / Brain function is based on the release of molecules such as neurotransmitters and metabolites into the interstitial fluid. The study of these molecules is essential to better understand their physiological and pathological role. For this purpose, implantable enzymatic biosensors are a promising tool because of their quantitative, real-time and deep tissue detection abilities. Depending on the dimensions of the biosensor, the impact of implantation may have considerable consequences on the chemical composition of the interstitial fluid. In addition, each implantation induces a local inflammatory reaction called "foreign body reaction". The reduction of these reactions is crucial in order to provide more accurate estimations of molecules concentrations present in the interstitial fluid. In this sense, this manuscript will expose two ways of reducing the lesional impact due to the implantation of biosensors. First of all, it will be presented the miniaturization of enzymatic biosensors up to external diameters less than 15 µm. And it will be demonstrated in vivo that these ultra miniaturized biosensors have the potential to be implanted in the brain without inducing detectable damage to tissues and blood vessels. Then, the development of a microprobe fabricated using MEMS technologies combining electrochemical and optical detection will be introduced as part of the monitoring of peri- and intratumoral interstitial fluid from glioblastomes modified to fluoresce. By integrating two types of detection on a single micro-needle, this microprobe reduces the number of implantations. These two miniaturization approaches open up the possibility of following the chemical composition of the interstitial fluid in a less invasive way, and thus of better preserving the physiology of the tissues studied in the brain.

Cancer is a world menace. After years of endeavor seeking the end of it, people started to realize that no matter how powerful the therapy could be, detection at early stage is always a cheaper, easier and more successful solution compared with curative methods for cancer developed onto its advanced stage. However, relatively few early-detection approaches have proven sufficiently effective and practical for mass use as a point-of-care tool. An early-cancer screening tool integrating the desired features of sensitive, informative, portable, and cost-effective is in need for the doctors. The progress in optical imaging and Micro-electro-mechanical system (MEMS) technology offers a promise for an innovative cancer screening alternative that is non-invasive, radiation-free, portable and potentially cost-effective. This dissertation investigates handheld instrumentation as multi-modalities of miniature imaging probes with various designs of MEMS devices, to obtain real-time images of epithelial tissue optical and physiological properties, combining the quantitative advantages of spectral analysis with the qualitative benefits of imaging to distinguish early cancer. This dissertation in sequence presents the handheld instruments in the fashions of Laser-scanning confocal microscopy (LSCM), optical diffuse reflectance imaging, nonlinear optical imaging modalities with their subsequent image-guided managements in oral cancer, skin cancer detection, circulating tumor cell (CTC) imaging, and imaging guided surgeries. One of the main challenges facing miniaturization lies in the mechanism of beam deflection across the sample. This dissertation introduces two generations of MEMS devices desgined, fabricated and incorporated in the imaging probes. A two-axis vertical comb driven silicon micromirror was used in the development of a handheld LSCM for oral cancer detection. Though obtaining numerous advantages, this first generation silicon MEMS micromirror suffers from small aperture size and high voltage requirement for actuation, which result in low collection efficiency in fluorescence imaging and medial safety concerns, respectively. Therefore a stainless steel scanner compatible with electrical discharge machining (EDM) process was fabricated with simplified process, low-voltage magnetic actuation and large fluorescence collection efficiency, with its capability demonstrated in the incorporation and embodiment of a handheld hyperspectral nonlinear imaging probe. Besides, software and controlling innovations for handheld imaging modalities are presented. A feedback controlling system for MEMS scanning status monitoring was developed for stabilized imaging rendering. For the sake of further improved imaging stability in handheld imaging and to enable on-site mosaic for large field viewing, a handheld mosaic system was developed and presented. / text