La technologie a aujourd'hui atteint une maturité suffisante pour garantir la réalisation de MEMS avec un rendement de fabrication proche de 100%. Dés lors, on peut sereinement envisager l'intégration à haute densité de micro actionneurs ou de détecteurs pour de nouvelles fonctionnalités. Le travail présenté porte sur la mise en place de systèmes d'adressage matriciel pour des actionneurs thermiques, ainsi que sur la réalisation de source de chaleur à profil de température ajustable, voire configurable. Dans un premier temps, nous effectuerons un tour d'horizon des applications utilisant des micro sources de chaleur. Ceci afin de spécifier les caractéristiques propres à chaque type d'application. Une solution générique au problème d'adressage de source de chaleur sera alors proposée, basée sur des éléments à seuils symétriques en polysilicium. La mise au point de cette solution, impliquant un contrôle du dopage du polysilicium par implantation, sera détaillée. Ensuite nous présenterons les deux projets ayant permis de valider l'utilisation de ce système d'adressage : le projet MicroPyros visant à la réalisation d'une matrice de micro actionneurs pyrotechniques, ainsi qu'un projet visant la réalisation d'une matrice de micro éjecteurs. Pour chacun des deux cas, des études ont été menées, conduisant à des réalisations au sein de la centrale technologique du LAAS CNRS. Les différentes matrices réalisées ont ensuite été testées et validées. Enfin, nous présenterons les résultats du dernier run technologique, visant à permettre la comparaison des réalisations suspendues, sur membranes et sur silicium, ainsi qu'à explorer de nouvelles fonctionnalités basées sur les éléments à seuils symétriques en polysilicium.

La demande d'accroissement des capacités des réseaux de transmission de données a fait naître un besoin en composants tout optique. Le principal objectif de cette thèse a été de mettre au point une nouvelle architecture de micro-miroir et d'en faire l'évaluation de ses performances. Celle-ci était destinée à être implantée dans des multiplexeurs-démultiplexeurs en longueurs d'ondes ou dans des routeurs optiques. Deux approches comparatives ont été menées, une analytique et une par simulation. Elles ont permis la réalisation puis la caractérisation de micro-miroirs qui sont aujourd'hui commercialisables. Pour des raisons de miniaturisation, nous nous sommes intéressé aux alimentations intégrées spécifiques nécessaires à ce type d'application. Après un état de l'art des solutions existantes pour en déduire des solutions compatibles en taille avec notre application, nous présentons notre contribution à l'avancement des travaux permettant l'obtention d'éléments passifs de stockage.

Les micro-plasmas constituent une technologie d'avenir pour des applications aussi nombreuses que diverses : dépollution, traitement de surface, applications bio-médicales, accélération aérodynamique... Nous avons étudié ces micro-plasmas dans des gaz inertes (hélium ou argon), en les alimentant en courant continu dans des structures de type micro-cathode creuse. Afin de comprendre les mécanismes physiques régissant leur comportement, nous les avons caractérisés par plusieurs diagnostics, notamment par caméra ICCD et par spectrométrie d'émission optique. Ce dernier diagnostic nous a permis de déterminer la température du gaz des micro-plasmas, par l'analyse de la structure rovibrationnelle des raies du second système positif de l'azote (présent à l'état de traces), mais aussi d'effectuer des mesures de densité électronique, en analysant l'élargissement Stark de la raie H béta. Ces paramètres physiques obtenus expérimentalement, ont été comparés à leurs équivalents obtenus par simulation (logiciel GdSIM du laboratoire Laplace). Ce travail de thèse a également permis de montrer la possibilité d'atteindre le régime luminescent anormal d'un micro-plasma, en réduisant l'aire de la surface cathodique extérieure de la micro-cathode creuse. Ce régime de fonctionnement s'accompagne d'une hausse rapide de la température du gaz, ainsi que d'un phénomène d'hystérésis qui apparaît sur une courbe I-V, pour une rampe d'alimentation en courant linéairement croissante puis décroissante. Dans le cas de plusieurs micro-plasmas fonctionnant en parallèle, nous avons mis à jour un nouveau mécanisme, expliquant l'allumage des cavités de proche en proche.

Due to increasing trends of miniaturization, components with microscale features are in high demand. Accordingly, manufacturing and measurement of small components as small as a few microns became new challenges. Micro milling and femtosecond laser machining are the most common in use cutting operations providing high accuracy and productivity. Micro milling has unique features different from traditional milling including high ratio of tool size to feature size, and constant ratio of tool edge radius to tool size [1]. Due to the mentioned differences, low stiffness of the micro mill and the complexity of the cutting mechanism at the macroscale, selection of cutting parameters are difficult [2]. Therefore, process performance in micro milling, which affects surface quality and tool life, depends on the selected cutting parameters. Also, for measuring micro components, the available dimensional control systems in the market are atomic force microscopes (AFMs) and a combination of coordinate measuring machines (CMMs) and vision systems. These are confined to the scopes of nanoscale and macroscale parts, respectively. It is difficult to justify the high cost and large size of these systems for measurement of mesoscale/microscale features and components and dimensional verification of miniature parts with 3D features. Therefore, a new cost-effective way is needed for measuring components and features in these scales. Additionally, lack of advanced CAD/CAM software for micro laser machining providing constant velocity along the tool path, is the main problem in femtosecond laser machining. In this thesis, to address the mentioned challenges, different software packages are presented to improve micro machining productivity, to provide an accurate and cost effective way of micro scanning and to bring CAD/CAM capability for micro laser machining. / Graduate / 0548 / abdolreza.bayesteh@gmail.com

In this study, the new predictive model for the micro-grinding process was developed by consolidating mechanical and thermal effects within the single grit interaction model at microscale material removal. The size effect of micro-machining was also included in the proposed model. In order to assess thermal effects, the heat partition ratio was experimentally calibrated and compared with the prediction of the Hahn model. Then, on the basis of this predictive model, a comparison between experimental data and analytical predictions was conducted in view of the overall micro-grinding forces in the x and y directions. Although there are deviations in the predicted micro-grinding forces at low depths of cut, these differences are reduced as the depth of cut increases. On the other hand, the optimization of micro machine tools was performed on the basis of the proposed design strategy. Individual mathematical modeling of key parameters such as volumetric error, machine working space, and static, thermal, and dynamic stiffness were conducted and supplemented with experimental analysis using a hammer impact test. These computations yield the optimal size of miniaturized machine tools with the technical information of other parameters.

Demands for producing small components are increasing. Such components are usually produced using large-size conventional machining tools. This results in the inadequate usage of resources, including energy, space and time. In the 1990s, the concept of a microfactory was introduced in order to achieve better usage of these resources by scaling down the size of the machine tool itself. Several industries can benefit from implementing such a concept, such as the medical, automotive and electronics industries. A novel architecture for a reconfigurable micro-manufacturing cell (RMC) is presented in this research, aiming at delivering certain manufacturing strategies such as point of use (POU) and cellular manufacturing (CM) as well as several capabilities, including modularity, reconfigurability, mobility and upgradability. Unlike conventional machine tools, the proposed design is capable of providing several machining processes within a small footprint (500 mm2), yet processing parts within a volume up to 100 mm3. In addition, it delivers a rapid structure and process reconfiguration while achieving a micromachining level of accuracy. The approach followed in developing the system is highly iterative with several feedback loops. It was deemed necessary to adopt such an approach to ensure that not only was the design relevant, but also that it progresses the state-of-the-art and takes into account the many considerations in machine design. Following this approach, several design iterations have been developed before reaching a final design that is capable of delivering the required manufacturing qualities and operational performance. A prototype has been built based on the specifications of the selected design iteration, followed by providing a detailed material and components selection process and assembly method before running a performance assessment analysis of the prototype. At this stage, a correlation between the Finite Element Analysis (FEA) model and prototype has been considered, aiming at studying the level of performance of the RMC when optimising the design in the future. Then, based on the data collected during each stage of the design process, an optimisation process was suggested to improve the overall performance of the system, using computer aided design and modelling (CAD/CAM) tools to generate, analyse and optimise the design.

Diverses nanostructures de dioxyde de ruthénium ont été synthétisées par oxydation locale du ruthénium massif et de films minces de ruthénium au moyen de plasmas micro-ondes Ar-O2 en post-décharge à la pression atmosphérique. Ces revêtements ont été déposés préalablement par pulvérisation magnétron. Une étude approfondie a été réalisée pour déterminer l’évolution radiale de la température de surface qui évolue typiquement entre 530 K et 900 K. L’utilisation d’un plasma permet un abaissement de la température d’oxydation par rapport à des conditions thermiques dans la mesure où l’oxygène moléculaire est excité ou dissocié, ce qui fournit des espèces plus réactives comme l’oxygène singulet ou l’oxygène atomique. Suivant le substrat utilisé et les conditions opératoires, des structures en lamelles distantes de 20-50 nm, des micro-oursins localisés, des nanofils longs et denses et des microcristaux peuvent être formés. Les nanostructures obtenues ont été caractérisées par différentes techniques (microscopies électroniques, diffraction des rayons X ou spectrométrie de masse des ions secondaires). Les analyses MET ne révèlent pas d’orientation privilégiée des nanofils qui sont généralement monocristallins. Des mécanismes de croissance des nanostructures très différents ont été observés et identifiés. S’il apparaît qu’il est impossible sur substrat massif de ruthénium d’obtenir des nanostructures uniformément réparties, il en va autrement avec des substrats recouverts d’une couche mince de ruthénium qui permettent de former de véritables tapis de nanofils. La possibilité de localiser la croissance des nanofils par ajout de sels alcalins a été étudiée / Various ruthenium dioxide nanostructures were locally grown by the oxidation with an atmospheric pressure Ar-O2 microwave micro-afterglow of bulk ruthenium samples or thin films previously deposited by magnetron sputtering on silicon and silica. A special attention was paid to the distribution of the surface temperature of the sample which evolves typically between 530 K and 900 K. The use of plasma discharges allows a lowering of the temperature compared with the thermal oxidation conditions, given that molecular oxygen is excited or dissociated, which provides more reactive species such as singlet oxygen or atomic oxygen. According to the substrate used and the operating conditions, different nanostructures can be formed: lamellae separated by 20–50 nm, localized nano-sea urchins, high density of long nanowires and microcrystals. Nanostructures obtained were characterized by various techniques (electron microscopy, X-ray diffraction or secondary ion mass spectrometry). The grown RuO2 nanowires were determined to be generally single-crystalline with random crystallographic orientations. Very different growth mechanisms were observed and identified. Although it seems impossible to obtain uniformly distributed nanostructures on bulk ruthenium substrates, it is possible from substrates coated by a thin layer of ruthenium, which allows the formation of nanowire carpet. The possibility to localize the growth of nanowires by adding alkali salts has been studied. However, if the use of NaCl or KCl crystals locally enhances the nanowire density, they do not ensure systematically the growth of nanowires

Nous présentons une étude expérimentale de la dynamique d'une sphère près d'une paroi texturée dans un fluide visqueux. Le déplacement de la sphère est mesuré par interférométrie laser à haute fréquence. La texture consiste en un réseau de micro-piliers, dont on fait varier les paramètres géométriques (hauteur et concentration) sur une large gamme, afin d'étudier leur influence sur la dynamique d'approche, de collision et de rebond de la sphère. A petit nombre de Reynolds, la vitesse d'approce de la sphère est augmentée comparativement au cas d'une paroi lisse, en raison de la modification de la force de lubrification par la texture. Cette modification est décrite par plusieurs modèles hydrodynamiques. Une longueur effective de glissement au-dessus du réseau de piliers est mesurée. A nombre de Stokes modéré, l'inertie de la sphère n'est pas négligeable, et elle peut se coller ou rebondir sur les piliers. La dynamique de collage présente différents régimes qui sont modélisés en tenant compte de la modification de traînée par la texture. Le nombre de Stokes critique pour la transition de rebond est modifié par la texture. La dynamique des micro-rebonds est caractérisée. Enfin, la dynamique de contact sphère-piliers est décrite par une loi de Hertz modifiée prenant en compte la géométrie de la texture. / We investigate experimentally the dynamics of a sphere near a textured wall in a viscous fluid. High frequency laser interferometry is used to measure small displacements of the sphere. The texture is comprised of arrays of micro-pillars, whose geometrical parameters are systematically varied in order to study their influence of the dynamics of approach, collision and rebound of the sphere. Under creeping flow conditions, the sphere velocity near the textured wall is increased compared to the case of a smooth wall, as a result of the modification of the lubrication force due to the texture. We describe this modification using several hydrodynamic models. An effective slip length over the pillar array is measured. At moderate Stokes number the sphere inertia is non-negligible and the sphere can either stick or bounce off the wall. The sticking dynamics exhibit several regimes which can be described by taking into account the modification of the lubrication force by the texture. The micro-pillars modify the critical Stokes number for the bouncing transition. The micro-rebounds are characterized. Finally, the contact dynamics between the sphere and the pillars are described by a Hertz law modified by the texture geometry.

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L’objectif de cette étude est de concevoir et caractériser une plate-forme micro-fluidique permettant la concentration et la séparation d’un produit de dégradation du trinitrotoluène :l’ortho-nitrotoluène (ONT) considéré comme un traceur de composés explosifs. Les capteurs àbase de dioxyde d’étain (SnO2) utilisés ici comme détecteurs présentent un réel manque desélectivité et leur sensibilité peut s’avérer insuffisante pour la détection de traces de polluantsdans l’atmosphère. L’approche originale envisagée dans cette étude consiste à travailler en amontdu capteur chimique (SnO2), en particulier, en développant d’une part un micro-préconcentrateurde gaz afin d’améliorer l’aspect sensibilité et d’autre part une micro-colonne chromatographiquepour s’affranchir du manque de sélectivité.Dans un premier temps, une série d’adsorbants ont été étudiés et caractérisés pour laconcentration de l’ONT. Les résultats obtenus ont permis de sélectionner trois types de charbonsactifs (N, KL2 et KL3) et une zéolithe hydrophobe DAY.Ensuite, les micro-systèmes fluidiques ont été réalisés sur un substrat de silicium et élaborés enutilisant la technologie silicium/verre.La dernière partie de ce travail est consacrée à l’évaluation des performances d’analyse de cetteplate-forme en termes de concentration et de séparation de l’ONT. En particulier, après avoirévalué les conditions optimales de concentration et d’élution de l’ortho-nitrotoluène, le couplageentre la plate-forme micro-fluidique et le capteur à base de dioxyde d’étain a permis d’une part demontrer que la limite de détection de l’ortho-nitrotoluène est inférieure à 365 ppb. Dans ce cas,une désorption totale de la molécule cible et un facteur de concentration constant ont été obtenusavec la zéolithe DAY. D’autre part, l’utilisation de ce type de plate-forme a permis d’obtenir unebonne performance de détection et de séparation de l’ONT en présence d’un interférent (toluène)et d’un taux d’hygrométrie élevé. / The objective of this study is to develop and characterize a micro-fluidic platform allowing theconcentration and the separation of a degradation compound of trinitrotoluene: the orthonitrotoluenerecognized as an explosive taggants. Tin dioxide gas sensors (SnO2) used here asdetectors suffer from a luck of selectivity and have an insufficient sensitivity toward most ofpollutants. For that, our original approach consists to work in front of a chemical gas sensor(SnO2), in particular, by developing on the one hand a gas micro-preconcentrator to improve thesensitivity and on the other hand, a chromatographic micro-column in order to overcome the luckof selectivity.First, various adsorbents have been studied and characterized for the ONT concentration. Theobtained results allowed to select three types of activated carbons (N, KL2 and KL3) and ahydrophobic zeolite DAY. Then, the micro-system devices have been realized on a siliconsubstrate and manufactured using the silicon/glass technology.The last part of this work is devoted to the evaluation of the platform performances in terms ofconcentration and separation of ONT. In particular, after the optimization of the experimentalconditions concerning the concentration and the elution of ortho-nitrotoluene, the couplingbetween the micro-fluidic platform and a tin dioxide gas sensor allowed on the one hand to showthat the detection limit of the ONT pollutant is lower than 365 ppb. In this case, a total desorptionof the analyte and a constant concentration factor were obtained with the zeolite DAY. On theother hand, the use of this type of platform allowed to obtain a good separation and detectionperformance of ONT in presence of interferent (toluene) and at high humidity rate