The sensor is a device that converts a form of energy concerning which the information is sought, called the measurand, to a form (electrical) in which it can be usefully processed or interpreted. Sensors rely on physical or chemical phenomena and materials where those phenomena appear to be useful. Those phenomena may concern the material itself or its geometry. Hence, the major innovations in sensors come from new materials, new fabrication techniques or both. Normally, thin film sensors are realized by depositing a sensing film on a suitable substrate. There could be many combination of metals and insulating materials being deposited depending upon the application or sensing requirements. In general, sensors for various applications are fabricated using a variety of liquid phase technologies (also called as wet methods) and gas phase technologies (also called as dry methods) of deposition. Hence sensor fabrication technology requires various combination of processing technologies and newer materials. In the present work, an attempt is made to design and fabricate a thin film based pressure sensor using a combination of wet and dry deposition techniques. The diaphragm, used for sensing the pressure is coated with a hard anodic coating (Al2O3) using a wet technology, viz. pulse hard anodizing technique, for electrical insulation requirement. The piezo-resistive strain sensing films were deposited onto this coating by dry method, namely, DC Magnetron sputtering technique.. Chapter 01 gives a brief overview of sensors, their classification, principles of sensing,characteristics, materials used in the fabrication of sensors like conductors and insulators, the components of a sensor. Chapter 02 gives brief information about various techniques of depositions viz., liquid phase technologies (wet methods) and vapour phase technologies (dry methods) used to fabricate the sensors. Also, information regarding the coating property evaluation and coating characterization techniques is included. The chapter 03 presents a detailed account of work carried out to obtain an electrically insulating layer by the development of pulse hard anodizing process for aluminum alloy diaphragm, necessary process optimization and testing. The details related to the development, fabrication and testing of thin film based pressure sensors using aluminum alloy diaphragm with hard anodic coating are presented in Chapter 04. The thin film strain gauges were deposited using DC magnetron sputtering technique. The information about mask design, deposition process parameters, calibration etc is also included. Chapter 05 provides summary of the work carried out and conclusions. The scope of carrying out further work is also outlined.

Les supercondensateurs sont des dispositifs de stockage électrochimique de l’énergie ayant été récemment mis au point et possédant des performances intermédiaires entre les condensateurs diélectriques et les batteries. Leurs intéressantes valeurs de densité d’énergie et de puissance, conjuguées à leur excellente durée de vie et à leur miniaturisation facilité rendent ces composants prometteurs pour des micro-dispositifs électroniques, tels des micro-capteurs autonomes ou des implants médicaux.Le silicium nanostructuré par CVD a prouvé être un remarquable matériau d’électrode de supercondensateur, pour des applications miniaturisées, lors de récents travaux. L’excellent contrôle de la morphologie et des propriétés électroniques permis par la synthèse montante de nano-fils et nano-arbres de silicium, ainsi que la grande stabilité électrochimique et thermique de ce matériau font des nanostructures de silicium obtenues par synthèse montante une excellente plate-forme pour des micro-supercondensateurs.La présente thèse s’attache à explorer plusieurs voies d’amélioration et d’utilisation des nano-fils et nano-arbres de silicium. Une étude systématique de l’optimisation des nanostructures a été conduite, permettant d’améliorer largement les performances précédemment établies. Ensuite, une fonctionnalisation par des couches minces d’alumines utilisant la technique d’ALD a permis d’accroitre largement la plage de tensions d’utilisation des supercondensateurs, et d’augmenter leur stabilité électrochimique. Enfin, la croissance « sur-puce », ainsi que l’étude de la stabilité en température des dispositifs ont été effectuées, laissant entrevoir d’importantes perspectives d’applications. / Supercapacitors are electrochemical energy storage devices which have been recently developed, and possess intermediate performances between dielectric capacitors and batteries. These components exhibit interesting power and energy densities, combined with an exceptional cycle life and an easy miniaturization. Supercapacitors are thus envisioned as energy storage solutions for electronic micro-devices, such as autonomous micro-sensors or implantable medical devices.In recent studies, CVD nanostructured silicon proved to be an excellent electrode material candidate for micro-supercapacitor applications. Bottom-up synthesis allows an exceptional control of the morphology and electrical properties of the obtained silicon nano-wires and nano-trees. Moreover, the nanostructured electrodes possess superior electrochemical and temperature stability. These arguments lead to consider silicon as an excellent platform for micro-supercapacitors applications.This PhD thesis details various ways to improve and use silicon nano-wires and nano-trees. The nanostructures have been subjected to a systematic optimization study, yielding a significant increase of the electrochemical performances of the electrodes, compared to previously published studies. In addition, surface functionalization using thin ALD alumina layers permitted a considerable increase of the supercapacitor voltage window and an improved electrochemical stability. Finally, “on-chip” nanostructure growth, and temperature stability studies of the device were conducted, opening a broad field of improvements and potential uses for these silicon nanostructures.

Actuellement, les matériaux collectés à partir de produits en fin de vie sont recyclés en matière première pour être réutilisés dans un nouveau cycle de production. Cependant, la consommation énergétique des filières de recyclage reste importante. Le processus du recyclage fait aussi perdre la valeur ajoutée et l’énergie utilisée durant la fabrication de pièces originales. Aujourd’hui, les techniques de fabrication additive sont suffisamment performantes et permettent une fabrication de produits avec un matériau compatible avec l’usage. La prise en compte des performances de ces nouvelles techniques dans une stratégie soutenable peut ouvrir des pistes pour modifier les pièces et les réutiliser directement sans retourner au niveau de matière première. Cette thèse a pour objectif de développer une stratégie soutenable, qui permet de donner une nouvelle vie à une pièce en fin de vie (ou une pièce existante) en la transformant directement en une nouvelle pièce destinée à un autre produit. Afin de développer une telle stratégie, les travaux menés de la thèse visent à résoudre les verrous scientifiques suivants :Le premier verrou scientifique est lié à la faisabilité technologique : est-il possible de déposer de la matière sur une pièce existante en utilisant les techniques de fabrication additive pour obtenir la nouvelle pièce avec une bonne santé de matière ? Cette question a été résolue en réalisant une étude expérimentale sur l’observation de microstructures et de propriétés mécaniques des éprouvettes, qui sont fabriquées par ajout de nouvelles entités sur une pièce existante en EBM. Le deuxième verrou scientifique est lié à l’étude de la chaîne complète de fabrication d’un point de vue technologique. Comment concevoir des gammes de fabrication en combinant intelligemment des opérations additives et soustractives pour obtenir la pièce attendue à partir de la pièce existante ? Une méthode de conception des gammes de fabrication combinant les procédés additifs et soustractifs a été proposée en s’appuyant sur le concept d’entités de fabrication additive et soustractive. Le troisième verrou scientifique est lié à la soutenabilité et la stratégie présente-t-elle des avantages par rapport à la stratégie conventionnelle en termes de soutenabilité ? Une approche s’appuyant sur la méthode d’Analyse du Cycle de Vie (ACV) a aussi été développée pour évaluer des impacts environnementaux. Des critères permettant de qualifier le domaine de la stratégie proposée vis-à-vis de la stratégie conventionnelle ont été identifiés / Currently, materials collected from end-of-life (EoL) products are recycled into raw material for reusing in a new production cycle. However, energy consumptions of recycling sectors remain important. The added values and energy used in the manufacture of original parts are also lost during the material recycling process. Nowadays, additive manufacturing techniques are sufficiently efficient and allow the manufacture of products with a material compatible with the use. Taking into account the performances of these techniques in a sustainable strategy can open the ways to modify parts and reuse them directly without returning to the raw material level. This thesis aims to develop a sustainable strategy, which allows giving a new life to an EoL part (or an existing part) by transforming it directly into a new part intended for another product. In order to develop such a strategy, the works of the thesis aims to solve the following scientific issues : the first scientific issue is related to the technological feasibility : is it possible to deposit material on an existing part using additive manufacturing technologies to obtain the new part with good material health ? This question is solved by carrying out an experimental study on the observation of microstructures and mechanical properties of the samples, which are manufactured by adding new features into an existing part in EBM. The second scientific issue is related to the study of the complete manufacturing chain from a technological point of view. How to design the process planning for additive and subtractive manufacturing combination to manufacture the expected part from the existing part ? To solve this question, a methodology to design the process planning for combining these manufacturing processes has been proposed based on the concept of additive manufacturing and machining features.The third scientific issue is linked to the sustainability and does the new strategy have advantages in comparison to the conventional strategy in terms of sustainability ? An approach based on the Life Cycle Assessment (LCA) method has also been developed to assess environmental impacts. The criteria for qualifying the domain of the proposed strategy vis-a-vis the conventional strategy were also identified

Les effets capillaires sont très courant dans la Nature. Dans le contexte du séchage de milieux poreux dont la taille de pore est dans la gamme micromètre-millimètre, ils jouent un effet dominant en contrôlant la répartition des phases (liquide-vapeur) dans l’espace poral, au fur et a` mesure que le séchage se produit. L’idée du présent travail est d’étudier le séchage d’un fluide pur et mouillant dans des micromodèles, c’est-à-dire des milieux poreux modèles quasi-2D et micro-fabriqués. Nous présentons des résultats obtenus pour différentes géométries. Typiquement, les micromodèles utilisés sont constitués de réseaux de cylindres pris en sandwich entre deux plaques. La distribution des phases et le taux d’évaporation dans de tels micromodèles peuvent être aisément mesurés par visualisation directe puis traitement d’images.En jouant sur l’arrangement spatial des cylindres, on obtient dans un premier temps des micromodèles pour lesquels le taux de séchage est quasi-constant, depuis le début de l’expérience de séchage jusqu’à l’évaporation totale du liquide saturant initialement le système. Typiquement, cette situation est obtenue quand la taille des pores décroît en allant du centre du micromodèle vers sa périphérie (les micromodèles sont axisymmétriques). Au contraire, quand la taille des pores croît du centre vers la périphérie, l’invasion d’un front de séchage stable est observée, d’ou` un temps de séchage total bien supérieur.Nous avons aussi réalisé un autre type de microsystèmes, au sein duquel les cylindres sont arrangés en spirale de Fibonacci, en nous inspirant de motifs observés en phillotaxie. Dans de tels systèmes, des films liquides épais se développent le long des spirales, au cours du séchage, et jouent un rôle crucial dans la cinétique d’évaporation. Cette situation rappelle celle déjà étudiée par Chauvet dans des tubes capillaires de section carrée. Cependant, elle est plus complexe, de par la nature poreuse du micromodèle (alors qu’un tube capillaire, tel qu’étudié par Chauvet, peut être vu comme un pore unique) et parce que les films liquides y ont une forme plus complexe. Pour de tels systèmes, nous présentons des résultats expérimentaux quantifiant l’effet des films liquides sur la cinétique de séchage, en lien avec des prédictions théoriques issues d’un modèle de séchage visco-capillaire. Un tel modèle nécessite l’utilisation du logiciel Surface Evolver pour modéliser la forme des films liquides, couplée avec des simulations directes de l’écoulement de Stokes dans les films liquides, pour y calculer la résistance visqueuse a` l’écoulement induit par l’évaporation.Enfin, dans un dernier chapitre, plusieurs expériences d’évaporation sont conduites sur des micromodèles déformables. Des effets élasto-capillaires peuvent en effet induire des changements de géométrie de l’espace poral en cours d’évaporation, ce qui, comme vu précédemment, peut affecter la distribution des phases et la cinétique de séchage. / Capillarity is a common phenomenon encountered in Nature. In the context of the drying of porous media with pore size in the micrometer-millimeter size range, capillary effects play a dominant role in controlling the phases (liquid or vapor) distribution in the pore space as drying occurs. The basic idea of the present work is to study the drying of pure, wetting fluids in micro-fabricated, quasi-2D, model porous media (hereafter called micromodels). We present results obtained for different micromodel geometries. Typically, the micromodels used consist of arrangements of cylinders sandwiched between a top and bottom plate. Phases distribution and evaporation rates in such micromodels can easily be measured by direct visualizations and subsequent image processing.By tuning the cylinders pattern, one can first obtain micromodels for which the drying rate is almost constant, from the beginning of the drying experiment to the total evaporation of the liquid initially filling the system. Typically, this situation is obtained when the pores size decreases from the micromodel center to the periphery (the micromodels are axisymmetric). On the contrary, when the pores size increases from the center to the periphery, invasion of a stable drying front is observed, resulting in a much longer total drying time.We also designed another type of micromodel where the cylinders are arranged in a Fibonacci spiral pattern, a design inspired by phyllotaxic structure. In such systems, thick liquid films develop along the spirals during drying and play a key role in the drying kinetics. This situation is reminiscent of that already studied by Chauvet in capillary tubes with square cross-sections. However, it is more complex because of the porous nature of the micromodel (whereas a single capillary tube, as studied by Chauvet, can be viewed as a unique pore), and because of the much more complex liquid films shapes. For such systems, we present some experimental results on the liquid films effects on the drying kinetics, together with theoretical prediction, based on a visco-capillary drying model. Such a modelling requires the use of the Surface Evolver software to model the film shape, coupled with DNS simulations of the Stokes flow within the liquid films to compute the viscous resistance to the evaporation-induced flow.Finally, as a last part of this thesis, several evaporation experiments performed on deformable micromodels are presented. This preliminary work aims at reaching a situation where elasto-capillary effects modify the pore space geometry during evaporation. This, as seen above, should in turn alter the phase distribution during evaporation and the drying kinetics.

L'étude présente les méthodes pour identifier et simuler les défauts de fabrication tridimensionnels. Les méthodologies ont été élaborées sur la base des travaux antérieurs, tels que la méthode de simulation MMP (Model of Manufactured Part) présentée par F. Villeneuve et F. Vignat, associée à la méthode de la double mesure présentée par S. Tichadou.Dans cette thèse, la première méthode proposée, basée sur la méthode des petits déplacements (TPD) est présentée et permet l'identification des défauts de fabrication. Cette méthode permet de distinguer les défauts d'usinage et les défauts de positionnement d'un lot de pièces au cours d’un processus de fabrication. Les résultats obtenus dans cette méthode représentent les dispersions géométriques des pièces usinées. En outre, une méthode d’analyse modale de défauts a été réalisée pour analyser les défauts de forme d'une pièce mesurée sur une MMT avec un nombre restreint de points de mesure (10 points sur chaque surface usinée). Les résultats montrent que les modes des défauts de forme sont obtenus correctement (bombé, ondulation, vrillage, etc.)En raison de l'importance du rôle du défaut de positionnement dans la qualité d'un produit en cours de fabrication, ensuite deux indicateurs simples ont été proposés pour évaluer la qualité globale d’un montage de fixation de pièces.Par ailleurs, un modèle permettant de simuler les défauts de positionnement d'une pièce fixée sur un mandrin à trois mors a été développé. Le modèle final de simulation est une combinaison de trois méthodes: plan d’expérience, simulation par éléments finis, et simulation de Monte Carlo. Pour la méthode des plans d’expérience, trois facteurs, qui sont supposés être les plus importants dans les défauts de positionnement, sont utilisés dans le modèle. Les résultats obtenus à partir des simulations sont exprimés sous forme de distributions et de paramètres statistiques caractéristiques. Ceux-ci sont ensuite utilisés pour effectuer les simulations en appliquant la méthode de Monte Carlo.Enfin, un modèle global est proposé, pour simuler la gamme de fabrication d’une pièce fraisée. Ce modèle permet de vérifier la gamme choisie avec des tolérances fonctionnelles de la pièce imposée. De plus, cette méthode permet de vérifier une gamme de fabrication en garantissant les tolérances fonctionnelles imposées ou une utilisation inverse qui permet de déterminer les tolérances garantissant un nombre de pièces usinées hors des zones de tolérance. / The research presents methodologies to identify and simulate manufacturing defects in three-dimension. The methodologies have been developed based on the previous works, such as the MMP (Model of Manufactured Part) simulation method presented by F. Villeneuve and F. Vignat, and the double measurement method is presented by S. Tichadou.In this thesis, the first proposed method based on the Small Displacement Torsor (SDT) concept is presented for identification of manufacturing defects. This method allows distinguishing the machining defects and positioning defects of a batch of parts during a process plan. The results obtained in this method represent geometric dimension errors of machined parts. In addition, we applied the parameterization method, which is usually used to analyze form defects of a part measured on a CMM with hundreds of measurement points, to complete the analysis of the form defects with a restricted number of measurement points (10 points on each machined surface). Even though this number appears to be low, the modes of the form defects are almost obtained (comber, undulation, twist, etc).Because of the important role of the positioning defect in the quality of a product during manufacturing, we then propose two simple indicators for evaluating the global quality of a fixture.Furthermore, we developed a model for simulating positioning defects of a workpiece fixed on a three-jaw chuck. The model is a combination of three methods: design of experiments, finite element simulation, and Monte Carlo simulation. Three factors, which are assumed to be the most important in positioning defects, are used in this model. Based on the simulated results, the influences of these factors are estimated. The results obtained from simulations can be expressed by form of distributions or statistical parameters. These allow using simulation of tolerance analysis based on Monte Carlo simulation.Finally, a model is developed based on MMP for tolerance analysis. This model allows us to verify a given process plan with functional tolerances of the machined part by determination of a number of machined parts out of tolerance zones or determine functional tolerances of a batch of machined parts based on a given process plan (without functional tolerances) and a number of rejected parts per million.

In the present era where MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) technology is in¬evitable from the perspective of applications in non-silicon based micro-devices (such as biosensors, microfluidics, microvalves etc.), it is imperative to develop different micro¬fabrication technologies which are simple in operation, have low operational cost and high versatility in terms of incorporating different materials. The microfabrication tech¬nologies (e.g: bulk micromachining, surface micromachining, X-ray LIGA (lithoqraphie galvanoformung abformung) etc.), which exist commercially are mostly limited to sili¬con based technologies. They are either constrained in fabricating complex geometry in micro dimension or have high operational cost. Microstereolithography (MSL) is one such rapid prototyping technique, which can satisfy the above requirements to a larger extent. MSL h8B evolved in the l8Bt decade from conventional stereolithographic (SLA) technique, which involves the free-form microfabrication of a UV sensitive liquid resin layer by layer photo-polymerization process, when it is exposed to UV irradiation accord¬ing to the predefined CAD (Computer Aided Design). However, this technique is not limited to polymer microfabrication and it h8B an immense potential to fabricate com¬plex 3D structures of ceramics in micro dimension. In this thesis, the primary focus is on developing an in house built scanning b8Bed MSL system indigenously and to explore the possibility of micro fabrication of different materials (from polymer to ceramics involving different routes. In addition, polymer micro cantilever h8B been fabricated using this technique and its application to surface stress me8Burement h8B been demonstrated. The thesis comprises of eight chapters. The following section describes the summary of the individual chapters. Chapter 1 describes the introduction and background literature of this technol¬ogy. A brief review on MSL technology developed by various research groups and their achievements h8B been listed. Since photopolymerizable resin is the primary material to fabricate micro dimensional structures, the rate of photopolymerization is an impor¬tant phenomena which requires an attention before choosing the photopolymerizable resin. Further, this chapter also describes the photoinitiation principles and the type of photo initiators (PI) which help to photopolymerize the resin in order to fabricate micro dimensional polymer structures. In addition, this chapter also gives a glimpse of applications of this technology in fabrication of micro cantilever b8Bed sensors. The later part of the chapter focused on the microfabrication of ceramic from colloidal and met¬alorganic routes in brief. In Chapter 2, the design of the in house built MSL system and its working princi¬ples including various optical issues have been addressed. Several research groups have attempted to optimize photopolymerization parameters to incre8Be the throughput of the scanning b8Bed MSL systems through modified beam scanning techniques. Efforts in reducing the curing line width in order to get low feature size have been implemented through high numerical aperture (NA) optical setups. However, the intensity contour symmetry and the depth of field of focus have led to grossly non-vertical and non-uniform curing profiles. The focus of the work h8B been to exploit the rich potential of photoreactor scanning system in achieving desired fabrication modalities (minimum curing width, uniform depth profile, and vertical curing profile) even with a reduced NA optical setup and a single movable stage. The present study tries to manipulate to its advantage the effect of optimized lower photoinitiator (PI) concentration ([c]) in reduc¬ing the minimum curing width to 10-15 jJm, even with the higher spot size (21.4 jJm) rv through a judiciously chosen gmonomer UPIi' system. In this chapter, two different cl8BS of multifunctional acrylates (1,6 Hexane diol diacrylate (HDDA) and Trimethylol propanetriacrylate (TMPTA)) and one monofunctional methacrylate (methyl mathacry¬late (MMA)) have been chosen to explore their fabricability in micro dimensions using this MSL technology, by varying the various operational parameters including the type and the concentration of the PI. Chapter 3 deals with the application of this technology in micro cantilever based sensors. Microcantilever based sensors have been explored for several decades for their application in bio-molecular or explosive detection, chemical sensing etc. Due to the adsorption of molecular species on the cantilever surface, differential surface stress gen¬erates between the top and bottom surface of the cantilever. Depending on the type of stress (tensile or compressive) generated, the cantilever bends accordingly. The, novel diffraction based deflection method has been proposed in order to measure the deflection profile accurately for low dimensional structures. To prove this method, a dual mi¬crocantilever structure with sufficiently low gap (100 f.lm) has been fabricated using the developed MSL set up, such that diffraction occurs during transillumination by spherical wavefronts. Among the two micro cantilevers one was fabricated bent with a specific di¬mension with respect to the other. The cantilever material was chosen as poly HDDA for its low elastic modulus in order to achieve high sensitivity. From the obtained diffraction pattern, the bent profile of the each cross section of one cantilever corresponding to the other has been measured. This proposition will enable to measure surface stress at each cross section of the cantilever depending on the adsorbed analyte molecule adsorption. In Chapter 4, an effort has been made to improve the thermal, thermo mechanical and mechanical properties of the cantilever material (poly HDDA). The sensitivity of a micro cantilever depends precisely on fabrication and material aspects. The former de¬pends on the aspect ratio of the structure and can be controlled by fabrication parameters whereas the latter is inherently limited by the choice of the material. The properties of the material which impact the applicability are elastic modulus, Poisson's ratio, thermal expansion and thermal stability. Hence, these properties are studied for poly HDDA. However, the properties are not completely satisfactory for only poly HDDA (PHDDA) since, PHDDA will fail for high surface stress measurement (>275 mN/m). Hence, it h8B been copolymerized with MMA with an intention to improve the above mentioned properties and to determine the best composition for the micro cantilever application. It is observed by Finite Element Analysis (FEM) that Phpm5050 (HDDA:MMA(50:50)) composition shows optimum sensitivity when reliability is concerned for me8Buring high surface stress (275 mN/m). Chapter 5 bridges Chapter 2 and Chapter 6. Chapter 2 highlights the polymer mi¬crofabrication where8B, Chapter 6 deals with the microfabrication of ceramics. In order to fabricate ceramic micro objects by MSL, ceramic particles need to be blended with a photopolymerizable monomer followed by l8Ber induced photopolymerization . Under l8Ber irradiation, the monomer gets cured and traps the ceramic particles. Thus near net shape of green ceramic structures are 0 btained. After achieving the near net shape, it is important to remove the polymer, which acts 8B the binder for the green ceramic body. This debinding should be diffusion controlled so 8B to achieve defect free micro ceramics. Here two multifunctional monomers (HDDA and TMPTA) have been chosen 8B a b8Be monomer for fabricating ceramics. Therefore it is essential to understand the debinding mechanism of these polymers. However, (HDDA) h8B high shrinkage upon polymeriza¬tion with low rate of polymerization kinetics and low viscosity where8B the properties of (TMPTA) are exactly opposite. Hence, in order to optimize these properties, copoly¬merization of HDDA and TMPTA h8B been carried out for different compositions and their thermal properties have been investigated to understand the degradation mech¬anism. This chapter deals with the mechanism of thermal degradation by model free kinetic methods with an intention to determine the optimum composition of HDDA and TMPTA copolymer, to used 8B the b8Be monomer material for ceramic microfabrication. Besides, the debinding strategy is also discussed b8Bed on the degradation profile of the optimum composition. TH20S0(TMPTA: HDDA(20:S0)) is found to be the ideal com¬position to fabricate ceramic micro-component by MSL since its degradation is diffusion controlled in N 2 atmosphere. Chapter 6 describes the methodology of microfabrication of ceramics by the de-veloped MSL technique. A colloidal approach has been adopted to fabricate ceramics in micro-dimensions. Two different ceramics have been chosen, which have potential applications in structural (alumina) and functional (Lead Iron Niobate (PFN))aspects. Before fabricating ceramic micro-objects, ceramic particles need to be blended in the monomer suspension in the presence of dispersant at an optimum solids loading. Opti¬mization of solids loading is important in view of low dimensional shrinkage after sin¬tering. However, lower loading leads to higher shrinkage whereas higher loading would increase the viscosity of the suspension and make the suspension inconvenient to deal with. Hence, rheological studies have been carried out to optimize the solids loading and dispersant concentration. 40 vol% alumina and 35 vol% PFN are found to be the highest achievable solids loading for the chosen monomer (TH2080) composition. This chapter also describes the limitation involved in ceramic microfabrication depending on their scattering factors during laser irradiation. The chapter demonstrates the fabrica¬tion methodology of several complex ceramic(alumina and PFN) micro-objects by the in house built MSL instrument. Chapter 7 investigates the possibility of microfabrication of ceramics from metalor¬ganic precursor. In this route, titanium metal-organic (Ti-n butoxide) precursor has been chosen which is stabilized by the addition of chelating monomer (2-( methacryloyloxy) ethyl acetoacetate). Following this, the crosslinker and photoinitiators have been added to form Ti photoresist which is coated on top of the bare silicon substrate by spin coating to achieve specific thickness. The coated silicon wafer by the above photoresist has been patterned by selectively exposure in the MSL setup. The cured patterns are washed and heat treated at high temperature in order to 0 btain the net shape of the Ti02 pattern of polycrystalline rutile phase. It is observed this route is advantageous in terms of reduc¬ing curing dimension (curing width 14 f.lm) than the colloidal route (curing width more than 80 f.lm ) of fabrication of ceramics where the scattering factor greatly influences the dimensions of the feature size. The key findings and future aspects are summarized in the Chapter 8. The work reported in this thesis has been carried out by the candidate as part of the Ph.D. programme. He hopes that this would constitute a worthwhile contribution towards developing an MSL technique and its aspects in micro fabrication of polymer and ceramic structures of any complex shape and its possible applications in microdevices.

Cette thèse s’inscrit dans un contexte d’activité en forte croissance dans le domaine des implants médicaux, stimulée par de nombreux progrès dans le domaine des micro-capteurs et de la micro-électronique. L’autonomie en énergie des implants demeure cependant un facteur limitant. Notre travail a pour objectif de repousser les limites actuelles en termes de miniaturisation et de durée de vie. Il contribue au développement d’une solution basée sur la récupération d’énergie mécanique du cœur pour alimenter durablement un pacemaker miniaturisé sans sonde de nouvelle génération, dit « pacemaker leadless ».Le microsystème de récupération d’énergie étudié est composé d’un résonateur mécanique de type masse-ressort associé à un transducteur électrostatique. Il a pour particularité une architecture tridimensionnelle, dont la forme permet de profiter au maximum de l’espace disponible dans la capsule cylindrique du pacemaker. L'utilisation de la troisième dimension associée à un design original permet en outre d’obtenir un effet de pseudo multiplication de fréquence qui doit conduire, d’après les modèles que nous avons développés, à des densités de puissance nettement supérieures à celles présentées dans l'état de l'art. Pour réaliser ce microsystème tridimensionnel, nous avons développé un procédé de fabrication additif qui repose sur des étapes de micro moulage d'un matériaux structurel obtenu par croissance électrolytique (nickel), de croissance d'un matériau sacrificiel (cuivre) et de polissage. L’identification d’imperfections géométriques dues au procédé et aux matériaux utilisés nous a amené à améliorer la conception du transducteur. Par ailleurs, de nombreux verrous de fabrication ont été levés au cours de cette thèse grâce à la mise en œuvre d’une instrumentation dédiée. Ce procédé nous a permis de fabriquer un premier prototype tridimensionnel du micro-transducteur électrostatique composé de 10 couches de nickel. D’autres métaux élaborés par croissance électrolytique pourraient être envisagés pour réaliser des microsystèmes tridimensionnels, suivant les besoins de l’application considérée. Afin d’anticiper d’éventuels problèmes de compatibilité des micro-dispositifs avec l'imagerie par résonance magnétique, nous avons mis au point le procédé de croissance électrolytique d’un matériau non-magnétique à base de nickel dopé au phosphore. / This thesis contributes to the medical implants field, which is stimulated by many advances in the fields of microelectronics and microsensors. However, electrical energy lifespan of implants and large size of batteries are still a problem. Our work aims at pushing back these limits. It contributes to the development of a solution based on mechanical energy harvesting from the heart motion. The objective is to sustainably power a new generation of pacemakers without lead, so-called "leadless pacemakers."The studied energy harvesting microsystem consists in a spring-mass-type mechanical resonator associated with an electrostatic transducer. Its originality comes from a three-dimensional architecture, whose shape fits pretty well with the cylindrical shape of the pacemaker capsule. The use of the third dimension combined with an original design enables to get a pseudo multiplication frequency effect. Thanks to this effect, our simulation models predict power densities significantly higher than state-of-the-art figures reported in literature. To fabricate this three-dimensional microsystem, we have developed an additive manufacturing process based on steps of micro-molding of a structural material (electroplated nickel), electroplating of a sacrificial material (copper) and planarization. Identification of imperfections related to the fabrication process and the materials used allowed us to improve the design of the transducer. Moreover, many manufacturing obstacles were overcome during this thesis through the implementation of dedicated instrumentation. This new process has enabled us to fabricate a first three-dimensional prototype of the electrostatic micro-transducer made of 10 layers of nickel. Other electroplated metals can be envisaged to achieve three-dimensional microsystems, depending on the application requirements. In order to anticipate any compatibility issue of our microsystem with magnetic resonance imaging, we have developed the electrodeposition process of a nonmagnetic material: phosphorous doped nickel.

Dans le cadre de l’intégration tridimensionnelle (3D) associée à l’utilisation d’un nombre croissant de circuits intégrés (CIs), le besoin en condensateurs de découplage à forte densité de capacité (≥ 1 μF.cm-2), capables d’opérer sur une gamme de fréquences de plus en plus étendue, est crucial afin de limiter les fluctuations de tension d’alimentation au niveau des CIs. Le principal frein au développement de ces condensateurs réside dans l’obtention de couches minces (≤ 100 nm) à partir de matériaux ayant une forte permittivité relative (ε_r > 200 à 1 GHz), des technologies compatibles avec une intégration à grande échelle, et peu coûteux.L’approche proposée dans cette thèse s’appuie d’une part, sur la possibilité de synthétiser des nanoparticules diélectriques à base de Ba0.6Sr0.4TiO3 [BST] (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 à 1 kHz) - obtenues en milieux fluides supercritiques - comme matériau diélectrique et d’autre part, sur la pulvérisation de jets ou spray coating comme technologie de dépôt en couches minces. Dans un premier temps, les nanoparticules de BST ont été synthétisées et fonctionnalisées par l’acide 3-aminopropylphosphonique (APA), dans le but de les disperser dans un solvant et d’obtenir des suspensions colloïdales stables. Les ligands ont aussi pour fonction d’améliorer la tenue mécanique des films (auto-assemblage) sur le substrat de cuivre (Cu). La variation de paramètres liés à la solution à base des nanoparticules (concentration, durée de dispersion mécanique) et à la technique de dépôt (température du substrat, débit), ont permis d’optimiser les conditions pour obtenir des films uniformes à base de nanoparticules fonctionnalisées (BST-APA). Des films de 200 ± 50 nm d’épaisseur ont ainsi pu être obtenus. Après dépôt de plots d’aluminium (Al) sur les films à base de BST-APA et utilisés comme électrode supérieure, les caractéristiques capacité-tension (C-V) et courant-tension (I-V) des condensateurs de structure Al/BST-APA/Cu ont permis d’extraire une densité de capacité élevée (0.71 μF.cm-2) et une densité de courant de fuite (25 μA.cm-2) mesurées à 1 V. Les résultats obtenus au cours de cette thèse montent que la pulvérisation de jets est une alternative aux procédés coûteux reportés (ablation laser, pulvérisation) dans l’état de l’art, pour la fabrication de condensateurs de hautes performances.Mots clés : Condensateurs MIM, couches minces, fluides supercritiques, diélectriques, Ba0.6Sr0.4TiO3, pulvérisation de jets, nanofabrication. / Within the three-dimensional (3D) integration associated with the use of an increasing amount of integrated circuits (ICs), there is strong need of high capacitance density (≥ 1 μF.cm-2) decoupling capacitors, able to operate on large frequency bandwidth, in order to reduce the noise that can compromise the signal integrity in ICs. The main challenge of these capacitors relies on the deposition of thin films (≤ 100 nm) using innovative materials with high relative permittivity (ε_r > 200 à 1 GHz) and «low cost» technologies compatible with large scale integration.On one hand, the proposed approach in this thesis benefits from the possibility of synthetizing – by the supercritical fluid technology – and using Ba0.6Sr0.4TiO3 (BST) nanoparticles (Ø = 16 ± 2 nm, ε_r = 260 at1 kHz) as dielectric material and on the other hand, from the use of spray coating as technique for the deposition of these materials as thin films. First of all, the BST nanoparticles synthesized are functionalized with specific ligands (3-aminopropylphosphonic acid, APA), in order to obtain colloidal suspensions composed by aggregates with size (Ø < 100 nm) showing few fluctuations during two months. The other function of ligands is to improve the adhesion of the deposited films (self-assembling) on the copper (Cu) substrate. Different solvent are studied for the preparation of the solutions : N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), water, methanol and ethanol. The variation of different parameters related to the solution and the deposition technique helped us to define the optimal conditions leading to different thickness of film (200 – 1000 nm) based on pristine (BST) and functionalized nanoparticles (BST-APA). Using ethanol instead of NMP as solvent, enabled us to prevent de formation of a copper oxide layer and organic residues. After deposition of aluminum pads (Al) on BST or BST-APA films and used as top electrode, the capacitance-voltage (C-V) and current-voltage (I-V) characteristics of capacitors with metal-insulator-metal (MIM) structure enabled us to achieve high capacitance density (~ 0.7 μF.cm-2) and low leakage current (~ 25 μA.cm-2) at 1 V.Keywords: MIM capacitors, thin films, supercritical fluids, Ba0.6Sr0.4TiO3, spray coating, nanofabrication in cleanroom.

Les procédés de fabrication additive permettent, à partir d’un fichier de CAO, la fabrication de pièces complexes sans outillage, dans des délais de développement très courts et avec une grande flexibilité. Parmi les procédés de fabrication additive employés avec les polymères, le frittage laser de poudre est le plus utilisé. Ces travaux de thèse sont consacrés à l’étude et la compréhension des mécanismes fondamentaux impliqués lors du procédé de frittage laser de poudres de polyamide 12. Au cours du procédé de frittage laser de nombreux paramètres interviennent. Ainsi l’énergie fournie à la poudre par l’intermédiaire du rayon laser dépend de la puissance de celui-ci, de la vitesse de balayage et de l’espacement entre deux balayages successifs. De plus, le matériau subit un cycle thermique sévère : avant d’être frittée, la poudre est préchauffée. Puis, dans le bac de fabrication, la poudre non frittée ainsi que les pièces séjournent pendant toute la durée de la fabrication à des températures élevées. Cette histoire thermique entraîne un vieillissement et donc une modification des propriétés de la poudre ce qui complique sa réutilisation. L’influence de ces différents paramètres sur la microstructure et les propriétés mécaniques des pièces finales a été mise en évidence. De plus l’utilisation de différentes poudres de polyamide 12 a permis l’identification des paramètres-clés de la matière.Le frittage laser des polymères semi-cristallins est régi par plusieurs mécanismes fondamentaux : la fusion des particules de poudre, l’interdiffusion des chaînes macromoléculaires aux interfaces, la coalescence des particules fondues, la densification et enfin la cristallisation. L’étude et la modélisation de la cristallisation ont été effectuées pour l’un des polyamides 12 employés au cours de cette thèse. De ce traitement théorique ont pu être déduits les temps de maintien du polymère à l’état fondu au cours du procédé. Dans une seconde phase, des analyses rhéologiques menées dans le cadre de la viscoélasticité linéaires des polymères à l’état fondu ont permis de déduire les temps d’interdiffusion des chaînes macromoléculaires. Par ailleurs, le processus de coalescence des particules de poudres à l’état fondu a été suivi expérimentalement et modélisé pour différentes températures. Ces temps ont été confrontés à la durée de maintien du polymère à l’état fondu, confirmant ainsi la bonne consolidation obtenue lors du frittage du polyamide 12. En conclusion, ce travail contribue à la compréhension des différents mécanismes physico-chimiques intervenant au cours du frittage laser : il permet d’expliciter de façon assez approfondie les relations entre les propriétés des poudres, les paramètres du procédé et les propriétés finales des pièces. De nombreuses préconisations relatives à l’optimisation des propriétés des poudres pourront être déduites de ce travail et aideront au développement de nouveaux matériaux adaptés à ce procédé. / Additive processing technologies are aimed at manufacturing parts directly from a computer-aided design (CAD) file, without the need for tooling. Therefore flexibility of production increases and manufacturing of small to mid-size series of very complex or even customized parts becomes possible within reduced development time and expenses. Because of the good mechanical properties obtained in the parts, the most commonly used among additive technologies for polymers is laser sintering (LS). The objective of this work is to contribute to a better understanding of the different physical mechanisms involved during laser sintering of polyamide 12 powders. Many operating variables impact the laser sintering process. Especially, the energy supplied to the powder with the laser beam depends on its power, its displacement velocity and the scan spacing. Moreover, the polymer material undergoes a quite severe thermal treatment : before its sintering, the powder is preheated, then in the build tank the sintered parts and the un-sintered surrounding powder remain until the end of the job at elevated temperatures. This thermal history induces ageing, which modifies some powder features and hinders its future reuse. The influence of the parameters mentioned above on the part microstructure and mechanical properties was investigated. Moreover the use of different polyamide 12 powders enabled to identify the key material characteristics towards the physical processes involved in LS and towards the final properties of parts. The laser sintering of semi-crystalline polymers is governed by several fundamental mechanisms: melting of particles, interdiffusion of macromolecular chains at interfaces, coalescence of molten particles, then densification and finally crystallisation. The study and modelling of crystallisation were carried out with one of the PA12 powders used in the first part of this work. From this modelling, the time during which the polymer remains in the molten state during the process was estimated. Next, a rheological analysis made within the framework of linear viscoelasticity of polymer melts allowed to compute the interdiffusion time of the macromolecular chains. Moreover, the coalescence process of molten particles was observed at different temperatures and modeled. The characteristic times thus estimated for these physical processes were opposed to the time during which the polymer remains in the molten state and confirmed the good consolidation obtained by laser sintering of polyamide 12. In conclusion this work contributes to understand the different physico-chemical mechanisms involved during polymer laser sintering by specifying the relations between powder parameters, process variables and final properties of parts. Many recommendations for the optimisation of powder properties can be derived from this work for the purpose of developing new polymeric materials adapted to this process.

Here we present the design, assembly and successful ion trapping of a room-temperature ion trap system with a custom designed and fabricated surface electrode ion trap, which allows for rapid prototyping of novel trap designs such that new chips can be installed and reach UHV in under 2 days. The system has demonstrated success at trapping and maintaining both single ions and cold crystals of ions. We achieve this by fabricating our own custom surface Paul traps in the UMass Amherst cleanroom facilities, which are then argon ion milled, diced, mounted and wire bonded to an interposer which is placed in an ultra-high vacuum chamber and baked in a conventional oven for 46 hours. We demonstrate the system’s ability to confine strontium ions and present preliminary data towards calibrating the ion trap parameters for reduced heating rates. Future work will see the system being used to study the effects of various trap geometries, process fabrication steps and surface treatments on anomalous heating rates, and for portable quantum sensing applications, as an optical atomic clock.