L'association de la microélectronique sur silicium avec la technologie de micro-usinage a rendu possible la réalisation de systèmes sur puces complets. La technologie des MEMS permet le développement de composants intelligents ; elle ajoute à la capacité de calcul de la microélectronique, l'aptitude de percevoir et de contrôler des micro-capteurs et des micro-actuateurs. Le marché des accéléromètres est l'un des domaines des microsystèmes en pleine expansion. On trouve les accéléromètres principalement dans l'automobile, mais ils sont également utilisés dans de nombreux domaines publics et industriels. L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est la conception et la modélisation d'accéléromètres avec une technologie à faible coût : la technologie CMOS-FSBM.<br />Deux types de transductions compatibles avec cette technologie ont été retenus pour nos capteurs, la détection piézorésistive et la détection thermique. Une structure simple pour la transduction piézorésistive a été proposée. Elle permet la détection de l'accélération verticale. Un modèle a été proposé pour ce type d'accéléromètre à détection piézorésistive. Ce modèle est vérifié d'une part par des simulations par éléments finis et enfin par les résultats expérimentaux d'un premier prototype.<br />Le principe de la transduction thermique est basé sur le transfert de chaleur par convection. Cette transduction permet, elle, la mesure de l'accélération latérale. L'approche de modélisation a été de dégager des règles simples de conception pour ce type d'accéléromètre. Cette modélisation s'appuie, ici aussi, sur des simulations par éléments finis et sur les résultats expérimentaux d'un prototype.<br />L'étude préliminaire d'un accéléromètre trois-axes a enfin été abordée. Une première structure entièrement piézorésistive a été évaluée. Une seconde solution combinant les deux types de transductions piézorésistive et thermique a été proposée.

Ce travail de recherche propose une nouvelle approche et la topologie d'un récepteur hétérodyne en ondes millimétriques intégré à deux pixels fonctionnant à la température ambiante, dédié aux sciences planétaire et de l'atmosphère. Des récepteurs hétérodynes multi-pixels à diode Schottky aux longueurs d'onde millimétriques et submillimétriques peuvent permettre une cartographie plus rapide et plus cohérente tout en évitant d'utiliser des systèmes cryogéniques. Des micro-composants intégrés permettent de construire des récepteurs hétérodynes à grand nombre de pixels. Une solution consiste aussi à intégrer plusieurs fonctions: un multiplicateur de fréquence et un ou plusieurs mélangeurs dans une même structure et créer une sous-unité compacte. Dans notre configuration, une seule source d'oscillateur local pompe deux mélangeurs simultanément en utilisant un diviseur de puissance en guide d'onde. Les mélangeurs et le multiplicateur de fréquence sont intégrés dans la même structure afin de réduire les pertes supplémentaires. Cette topologie compacte peut être appliquée aux plus hautes fréquences et étendue linéairement pour des récepteurs aux plus grand nombre pixels.

L'intégration monolithique des composants de puissance se justifie par la réduction des coûts de fabrication et par l'amélioration des performances des dispositifs électroniques de puissance en termes de fonctionnalités et de fiabilité. Pour l'heure, ce domaine de l'électronique de puissance ne concerne que les applications faible et moyenne puissance. En effet l'isolation entre les différentes fonctions électriques demeure l'aspect le plus pénalisant en ce qui concerne la fiabilité de ce type de composant. Dans cette étude nous nous proposons de caractériser deux types d'isolation. Notre travail porte tout d'abord sur l'interaction puissance-commande entre un nouveau composant de puissance à grille isolée bidirectionnel en tension, le MBS (Mos Bidirectional Switch), et sa commande intégrée. Il s'agit alors de montrer les limites de l'isolation par jonction PN lorsque le niveau de tension atteint quelques centaines de volts (600 V). Des modèles sont développés pour permettre de comprendre les phénomènes de génération des perturbations durant les différents régimes de fonctionnement de l'interrupteur de puissance. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'étude des interactions entre composants de puissance au travers de la caractérisation de l'isolation diélectrique des composants sur SOI (Silicon On Insulator). Nous déterminons alors le couplage capacitif qui existe entre deux caissons d'isolation et qui peut conduire à un déclenchement parasite des composants réalisés à l'intérieur. Enfin l'ensemble de notre réflexion sur les performances des deux types d'isolation est synthétisée dans un bilan comparatif, dont l'objectif final est de mieux cerner les domaines d'applications de ces deux choix technologiques.

L'électrochromatographie capillaire (ECC) est une méthode séparative très prometteuse. En effet, elle combine l'efficacité due au profil plat du flux électroosmotique (ECZ) et la sélectivité due aux interactions avec une phase stationnaire (CPL). Les phases stationnaires monolithiques ont été développées comme alternative aux phases particulaires de par leur facilité de synthèse in situ. C'est pourquoi ces nouvelles phases stationnaires peuvent être facilement intégrées dans des microsystèmes analytiques. Cependant un des inconvénients majeurs lié aux techniques miniaturisées est leur faible sensibilité lors d'analyses de traces. Ces difficultés peuvent être circonvenues en réalisant une étape appropriée de préconcentration des composés d'intérêt avant l'étape d'analyse proprement dite. Une telle stratégie serait particulièrement pertinente pour des échantillons environnementaux et d'intérêts biologiques. Dans un premier temps nous avons étudié l'optimisation de la synthèse in situ de phases stationnaires monolithiques à base d'acrylates. Des facteurs tels que la dose énergétique appliquée ainsi que le prétraitement du capillaire ont été étudiés afin de déterminer dans quelle mesure ceux-ci peuvent influer sur les performances structurales et séparatives de ces colonnes. Dans un deuxième temps, les résultats obtenus en ECC avec des colonnes monolithiques testées en tant que matériau de préconcentration et de séparation sont présentés. Ces études ont été menées avec des composés modèles environnementaux. De très bonne efficacité (250 000 à 350 000 plateaux par mètre) et des facteurs de préconcentration supérieurs à 10 000 ont été obtenus, avec succès. Enfin le couplage en ligne d'une étape de préconcentration avant la séparation dans des microsystèmes comportant une phase stationnaire monolithique a été réalisé, des hydrocarbures polyaromatiques ont ainsi été analysés.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre des problèmes d'intégration des dispositifs électriques en général et des composants passifs en particulier permettant de réaliser des systèmes de conversion intégrés. Le travail débute avec l'étude et la caractérisation de transformateurs piézoélectriques de taille " méso " de quelques fractions de watts à quelques watts destinées à la mise en œuvre d'une commande rapprochée de transistors de puissance MOSFET & IGBT intégrée sur un substrat en PCB. Il se place ensuite dans la problématique de l'intégration sur silicium de micro-transformateur piézoélectriques pour des systèmes d'alimentation électrique de quelques micro-watts. L'objectif est d'établir de nouvelles structures de micro-transformateur, exploitant des couches minces d'AlN et de PZT déposées par pulvérisation cathodique, dont les étapes de fabrication sont compatibles avec les technologies et les contraintes de la microélectronique.

Ces travaux de thèse ont pour but l’évaluation et le développement de briques technologiques en silicium poreux répondant à la problématique de l’intégration monolithique 3D rattachée au concept du “more than Moore” : d’une part l’intégration sur silicium de composants passifs RF, d’autre part, la réalisation de chemins traversants d’interconnexion à fort facteur d’aspect par voie électrochimique. Dans un premier temps, différents substrats mixtes silicium / silicium poreux sont réalisés. Des inductances en cuivre, réalisées sur un substrat mésoporeux de 200 µm de profondeur et de porosité proche de 60%, atteignent des facteurs de qualité à 20 GHz jusqu’à 55% supérieurs à ceux mesurés sur silicium massif. Une perspective d’industrialisation de ce type d’application est à l’étude dans le cadre d’une thèse CIFRE. La gravure de matrices de pores à fort facteur d’aspect, bien qu’encore difficilement localisable en termes de qualité de périphérie, fait d’autre part l’objet de développements, notamment pour la fabrication de condensateurs à haute densité capacitive et de contacts d’interconnexions en cuivre. / Those thesis works deal with the evaluation and the development of porous silicon technological step in order to answer some of the monolithic integration challenges bring by the “more than Moore” problematic in microelectronics industry: on one hand, the integration on silicon of passive RF devices, on the other hand, realization by electrochemical etching of through silicon via. In a first time, several mixed porous silicon / silicon substrat are realized. Copper inductors, realized on 200 µm thick and 60% porosity mesoporous layer, show a quality factor superior to 55% to the one obtained on massive silicon. Industrialization perspectives are on the line via a CIFRE PhD convention. In a second time, several electrochemical etching process are evaluated. Among them, high aspect ratio macropore array etching, although poorly localizable, allows many perspectives: copper via and high density capacitor.

La modélisation des problèmes multi-domaine est abordée dans un cadre purement Eulérien. Un maillage unique, ne représentant plus la matière, est utilisé. Les différentes frontières et leur évolution sont décrites via des outils numériques tels que la méthode Level Set. Les caractéristiques locales de chaque sous domaines sont déterminées par des lois de mélange.Ce travail est une des premières tentations appliquant une approche Eulérienne pour modéliser de problèmes de grandes déformations. Dans un premier temps, la capacité de l'approche est testée afin de déterminer les développements nécessaires.Le frottement entre les différents objets est géré par un lubrifiant ajouté dans une couche limite. Combinée avec une technique d'identification, une nouvelle loi de mélange quadratique est introduite pour décrire la viscosité du lubrifiant. Des comparaisons ont été effectuées avec Forge® et les résultats sont trouvés satisfaisants. Pour traiter le contact entre les différents objets, un solveur directionnel a été développé. Malgré que les résultats soient intéressants, il reste le sujet de nouvelles améliorations. La scalabilité de l'approche dans un environnement massivement parallèle est testée aussi. Plusieurs recommandations ont été proposées pour s'assurer d'une performance optimale. La technique du maillage unique permet d'obtenir une très bonne scalabilité. L'efficacité du parallélisme ne dépend que de la partition d'un seul maillage (contrairement aux méthodes Lagrangiennes). La méthode proposée présente des capacités indéniables mais reste loin d'être complète. Des pistes d'amélioration sont proposées en conséquence. / Modeling of multi-domain problems is addressed in a Purely Eulerian framework. A single mesh is used all over the domain. The evolution of the different interacting bodies is described using numerical tools such as the Level Set method. The characteristics of the subdomains, considered as heterogeneities in the mesh, are determined using mixture laws.This work is one of the first attempts applying fully Eulerian Approach to Model large deformation problems. Therefore, the capacity of this approach is tested to determine necessary developments. The friction between the different objects is managed by adding a boundary layer implying the presence of a lubricant. Combined with an identification technique, a new quadratic mixture Law is introduced to determine the lubricant viscosity. Comparisons have been performed with Forge® and results were found satisfactory. To treat the contact problem between the different objects, a directional solver was developed. Despite the interesting results, it remains the topic of further improvements. The scalability of the approach in a massively parallel environment is tested as well. Several recommendations were proposed to ensure an optimal performance. The technique of a single mesh guarantees a very good scalability since the efficiency of parallelism depends of the partition of a single mesh (unlike the Lagrangian Methods). The proposed method presents undeniable capacities but remains far from being complete. Ideas for future Improvements are proposed accordingly.

Cette thèse s’inscrit dans le développement d’imageurs térahertz en technologie intégrée CMOS avec pour volonté de rendre ces derniers fiables et robustes, de permettre de réaliser de l’imagerie en temps réel, à température ambiante et à bas coût de production. L’ensemble doit être mené en parallèle de l’amélioration des réponses et sensibilités des capteurs actuels dans le but de rendre l’imageur fonctionnel et industrialisable. La caractérisation d’un imageur THz précédent réalisée au cours de la thèse a permis de redéfinir avec plus de rigueur cette caractérisation ainsi qu’une méthodologie de conception de la partie amont du pixel térahertz. Cette partie amont inclut l’antenne réceptrice et son environnement électromagnétique ainsi qu’un transistor à effet de champ redressant le signal THz reçu. Différentes parties amont de pixels THz, sensibles autour de 300 GHz, ont été développées. L’ensemble est monolithiquement intégré à l’aide du procédé CMOS standard dans un circuit complet et l’antenne est co-conçue avec le MOSFET de redressement afin de réaliser l’adaptation d’impédance. Chaque pixel inclut une antenne intégrée au niveau métallique supérieur avec un plan de masse parfois couplé à une métasurface afin d’isoler cette antenne du circuit de traitements du signal (non traité dans cette thèse) et du substrat de silicium localisés aux niveaux inférieurs du circuit. Finalement, 17 cas de test croisés (16 de 3 x 3 pixels et une matrice de 9 x 9 pixels) intégrant différentes topologies d'antenne et configurations de surfaces électromagnétiques (plan de masse et métasuface) ainsi que différents transistors de redressement sont conçus et fabriqués en fonderie CMOS. / This thesis deals with the development of terahertz imager in CMOS technology with the objectives to make it robust and reliable, with real-time imaging capacity at ambient temperature and with low-cost production. These objectives has to be developed at the same time as the improvement of responses and sensibilities to get the imager functional and ready for industrialization. The characterization of a previous THz imager, done during this thesis, brought the possibility to redefine in a more rigorous way this characterization and to develop a methodology for designing the THz front-end pixel. This front-end includes the reception antenna and its electromagnetic environment and a field effect transistor (FET) rectifying the received THz signal. Various front-end of THz pixels, design for 300 GHz reception, were developed. The whole structure has to be monolithically integrated with the standard CMOS process in a complete circuit and the antenna is co-design with the rectifying MOSFET in order to satisfy the impedance matching. Every pixel includes an antenna, integrated in higher metal levels with a ground plan sometimes coupled with a metasurface. This is in order to isolate the antenna from the signal processing circuit (not investigated in this thesis) and the silicon substrate botth located at the lower levels of the circuit. Finally, 17 crossed test cases (16 of 3 x 3 pixels and one matrix of 9 x 9 pixels) which integrate various antenna topologies and various configurations of electromagnetic surfaces (ground plane and metasurface) with various rectifying transistor were designed and manufactured in CMOS foundry.

Ce mémoire traite des différents aspects liés à la conception et à la réalisation intégrée de l'ensemble d'un micro-convertisseur isolé. À partir d'une étude théorique se basant sur des modèles simplifiés, un pré-dimensionnement des éléments actifs et passifs a été mené pour cibler nos besoins. Une première phase de nos travaux a consisté en la conception des parties actives. Ces structures actives sont intégrées en technologie CMOS 0,35μm et sont constituées du circuit de puissance, à savoir un onduleur monophasé, d'un circuit de commande rapprochée optimisée, ainsi que d'un circuit de commande semiéloignée permettant la gestion d'une commande entrelacée dans le cadre d'un projet de recherche sur les réseaux de micro-convertisseurs. La seconde phase de ces travaux a consisté en la conception et la réalisation des composants passifs magnétiques que sont le transformateur HF et l'inductance de sortie. L'étude de ces composants s'est portée sur des structures planar, sur la base d'une technologie Kapton cuivré ou silicium avec circuit magnétique reporté. Le dernier aspect présenté dans ce mémoire concerne, d'une part, les techniques de réalisation utilisées pour ces composants passifs et, d'autre part, l'hybridation de l'ensemble du micro-convertisseur. Cette étude permet ainsi d'aborder les difficultés liées à la réalisation de tels dispositifs.

L'électrochromatographie capillaire (ECC) est une méthode séparative très prometteuse. En effet, elle combine l'efficacité due au profil plat du flux électroosmotique (ECZ) et la sélectivité due aux interactions avec une phase stationnaire (CPL). Les phases stationnaires monolithiques ont été développées comme alternative aux phases particulaires de par leur facilité de synthèse in situ. C'est pourquoi ces nouvelles phases stationnaires peuvent être facilement intégrées dans des microsystèmes analytiques. Cependant un des inconvénients majeurs liés aux techniques miniaturisées est leur faible sensibilité lors d'analyse de traces. Ces difficultés peuvent être circonvenues en réalisant une étape appropriée de préconcentration des composés d'intérêt avant l'étape d'analyse proprement dite. Une telle stratégie serait particulièrement pertinente pour des échantillons environnementaux et d'intérêts biologiques. <br />Dans un premier temps nous avons étudié l'optimisation de la synthèse in situ de phases stationnaires monolithiques à base d'acrylates. Des facteurs tel que la dose énergétique appliquée et le prétraitement du capillaire ont été étudiés afin de déterminer dans quelle mesure ceux-ci peuvent influer sur les performances structurales et séparatives de ces colonnes.<br />Dans un deuxième temps, les résultats obtenus en ECC avec des colonnes monolithiques testées en tant que matériau de préconcentration et de séparation sont présentés. Ces études ont été menées avec des composés modèles environnementaux. De très bonne efficacité (250 000 à 350 000 plateaux/m) et des facteurs de préconcentration supérieurs à 10 000 ont été obtenus, avec succès.<br />Enfin le couplage en ligne d'une étape de préconcentration avant la séparation dans des microsystèmes comportant une phase stationnaire monolithique a été réalisé, des hydrocarbures polyaromatiques ont ainsi été analysés.