Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le projet NANOCOM. Le premier axe du projet NANOCOM est de développer une nouvelle approche pour la génération future de systèmes intelligents, en introduisant de diélectriques nano structurés dans les MEMS capacitifs pour améliorer la fiabilité par un ordre de grandeur. Le second axe est d'améliorer les performances thermiques du dispositif et d’augmenter la tenue en puissance. Le premier chapitre présente l’état de l’art sur les commutateurs MEMS RF fiables de puissance. L’intérêt des différentes configurations de commutateurs est exposé ainsi que la fiabilité des commutateurs est abordée. Le second chapitre présente une méthode de modélisation 3D multi-physique de MEMS RF pour simuler les performances mécaniques et hyperfréquences. Dans le troisième chapitre, toutes les étapes pour concevoir une nouvelle architecture de MEMS de puissance fiable sont décrites. Nous utilisons les logiciels de simulations 3D pour comparer les performances de différentes architectures proposées pour terminer par la simulation complète, la fabrication et à la mesure de l’architecture finale retenue. / This thesis is part of the NANOCOM project. The first axis of project NANOCOM is to develop a new approach for the future generation of intelligent systems, by introducing a nanostructured dielectric into the capacitive MEMS to improve reliability by an order of magnitude. The second axis is to improve the thermal performances of the device and to increase the power handling. The first chapter presents the state of the art of reliable power RF MEMS switches. The purpose of the various configurations of switches is exposed as well as the reliability of the switches. The second chapter presents a 3D multi-physics modeling method for RF MEMS switches to simulate the mechanical performances and high frequencies behavior. In the third chapter, all the stages to conceive a new architecture of reliable power switches are described. We use the 3D simulations software to compare performances of various architectures, ending by a complete simulation, manufacturing and measurements of the final selected architecture.

Ces dernières années ont vu un fort engouement pour les télécommunications haut débit (>100Mbit.s-1) conjuguant réseaux ad hoc et réseaux traditionnels. Cependant, à 60 GHz en milieu confiné, ces types de réseaux sont confrontés aux problèmes de propagation multi-trajets et d’évanouissements. Une des solutions pour lutter efficacement contre ces problèmes est le développement d'antennes à agilité de faisceaux à base de MEMS RF. Dans ce cadre, l’objectif de ce travail a été de réaliser et de mettre à profit conjointement les performances des micro-commutateurs MEMS RF capacitifs et de nouvelles structures d'antennes. Néanmoins, la maturité de ces dispositifs MEMS RF n’est pas encore atteinte, et des problèmes liés à la fiabilité du diélectrique ou encore à la fiabilité mécanique ne sont pas complètement résolus. Ainsi, afin d’améliorer leur durée de vie, l'étude se focalise dans un premier temps sur l’optimisation de la contrainte mécanique de la membrane et sur la compréhension des propriétés des différents nitrures de silicium amorphes hydrogénés SiNx : H, élaborés par PECVD, au travers de caractérisations optique, structurale et électrique. Le deuxième volet de ce travail, concerne la conception, la réalisation et la caractérisation de nouvelles structures d’antennes millimétriques excitées par une ligne coplanaire CPWFA (CPW Fed Aperture). La conception de l’élément rayonnant suspendu sur un packaging de type level 0 permet en particulier de protéger les MEMS RF de leur environnement et d’assurer leur bon fonctionnement. Ces antennes, développées sur un procédé « wafer Scale Packaging », offrent d’une part de bonnes performances en termes d’efficacité (>80%), de polarisation (circulaire, linéaire ou mixte) et d’autre part une encapsulation collective bas coût. Ces dispositifs réalisés sur GaAs Haute Résistivité (HR) pour une intégration monolithique compatible au procédé « above IC » permettent d'entrevoir un grand nombre d’applications télécoms et CND. / We have seen recently a great interest in high data rate (>100 Mbit s-1) indoor Local Area Networks combining ad hoc and more traditional networks. However, at 60GHz in a confined environment, theses networks pose issues due to multipath effects and fadings. One solution to combat effectively against these problems is the development of band beam agility antenna based RF-MEMS. In this context, the objective of this thesis was to make and to use jointly the performances of fabricated capacitve RF-MEMS (MicroElectroMechanical System) switches and new antenna structures. However, the maturity of these RF MEMS devices is not yet realised, and problems related to the dielectric reliability or mechanical reliability are unsolved. Thus, in order to improve their lifetime, this study focuses at first on optimizing the mechanical stress of membranes and understanding the properties of various films of hydrogenated amorphous silicon nitrides SiNx : H, elaborated by employing plasma enhanced chemical vapor deposited (PECVD) techniques evaluated through optical, structural and electrical experimental results. The second part of this work concerns the design, fabrication and characterization of new antennas millimeter wave excited by a coplanar line CPWFA (CPW Fed Aperture). The design of the radiating element suspended on packaging Level 0 allows in particular RF MEMS to ensure a good behaviour in a real environment. These antennas, developed on a process “Wafer Scale Packaging” propose, an excellent performance in terms of efficiency (>80%), polarization (circular,linear or mixed) and also overall wafer-level packaging at low cost. These systems fabricated on high resistivity (HR) GaAs substrate for a compatible monolithic integration of an “above IC” type process offers great potential for many telecommunications applications and others e.g. non distructive testing (NDT).

Les microcommutateurs MEMS ohmiques comportent un contact électrique sous très faible force, très sensible à des paramètres difficiles à maîtriser. Ce contact a été l'objet d'une méthode de modélisation développée précédemment au LAAS-CNRS, dont le principe consiste à effectuer une simulation par éléments finis du contact mécanique avec les données AFM puis évaluer analytiquement la résistance électrique. Cette thèse a pour objectif d'évaluer les possibilités d'extension de cette méthode à des simulations multiphysiques.La thèse comporte une partie dédiée à la validation de la simulation mécanique par éléments finis par rapport à des résultats expérimentaux obtenus précédemment.Des simulations multiphysiques sont alors réalisées et les résultats en termes de résistance électrique sont comparés avec des résultats expérimentaux. On observe une très forte sous estimationde la résistance électrique, et donc des élévations de température. Ce constat est attribué à la présence de films isolants en surface d'une au moins des surfaces de contact.Enfin, des modèles qui incluent un film isolant sont développés avec une géométrie simplifiée d'aspérité. Les modèles les plus intéressants incluent des "nanospots": le film isolant est parsemé de zones conductrices, de très faibles dimensions. Les résultats permettent de cerner les caractéristiques typiques possibles de la géométrie dans cette configuration. / MEMS ohmic microswitches include very low force electrical contacts. These are very sensitive to parameters which reveal difficult to control. A previously developed modelization method consists in computing mechanical contact using finite elements, then estimating electrical resistance using analytical expressions. Here we focus on the possibilities of multiphysical finite element computations instead.Validation of the contact mechanical computation is first attempted, based on experimental results of previous works. Multiphysical contact computations are carried out. Resulting electrical contact resistance isfound to be much lower than experimental results. The presence of insulating surface films is supposedly the cause for that. Eventually, a simplified geometry for asperities is used to build models with insulating films.The most relevant models feature “nanospots”: some very small conductive areas are scattered on the contact area. The results allow us to determine some possible geometry configurations that could lead to contact resistance values such as those measured on real devices.