In ultra-low power Wireless Sensor Networks (WSNs) sensor nodes need to interact, depending on the application, even at a rapid pace while preserving battery life. Wireless communication brings thereby quite the burden as the radio transceiver requires a relative huge amount of power during both transmission or reception phases. In WSNs with on demand communication, the sensor nodes are required to maintain responsiveness and to act the sooner they receive a request, reducing the overall latency of the network. The aspect is more challenging in asynchronous WSN as the receiver possesses no information about the packet arrival time. In a purely on-demand communication, duty-cycling shows little to almost no improvement. The receiving node, in such scheme, is expected to last for years while also being accessible to other peers. Here arises the utility of an external ultra-low power radio receiver known as Wake-up Receiver (WuRx). Its essential task is to remain as the only part of the system running while the rest of the systems enters the lowest power mode (i.e., sleep state). Once a request signal is received, it notifies the host processor and other peripherals for an incoming communication. With the sensor node being in sleep state (WuRx active only), substantial power levels can be achieved. If the WuRx is able to interact rapidly, the added latency remains negligible. As crucial performance figures, the sensitivity and bit rate are immediately affected by the extreme low-power budget at diifferent magnitudes, depending mainly on the incorporated architecture. This thesis focuses on the design of a feature-balanced WuRx. The passive radio frequency architecture (PRF) relies on passive detection while consuming zero power to extract On-Off-Keying (OOK) modulated envelopes. The featured sensitivity, however, is reduced compared to more complex architectures. A WuRx based on PRF architecture can effectively enable short-range applications. The sensitivity can vary with respect to several parameters including the total generated noise, circuit technology and topology. Two variants of the PRF WuRxs are introduced with the baseband amplifier being the main change. The first revision employs a high performance amplifier with reduced average energy consumption, thanks to a novel power gating control. The second variant focuses on employing an ultra-low power baseband amplifier as it is expected to be in a continuous active state. This thesis also brings the necessary analysis on the passive front-end with the intention to enhance the overall WuRx sensitivity. Proof of concepts are embedded in sensor node boards and feature -61 dBm and -64 dBm of sensitivity for the first and the second variant, respectively, at a packet-error-rate (PER) of 1% whilst demanding a similar power of 7.2 µW during packet listening. During packet decoding, the first variant demands a 150 µW of power, caused greatly by the baseband amplifier. The achieved latency is less than 30 ms and the bit rate is 4 kbit/s, Manchester encoding. For long-range applications, a higher sensitivityWuRx is proposed based on Tuned-RF (TRF) architecture. By embedding a low-noise amplifier (LNA) in the receiver chain, very weak radio signal can be detected. TheWuRx emphasizes higher sensitivity of -90 dBm. The design of the LNA prioritized the highest gain and lowest bias current by sacrifcing the linearity that poses little impact on signal integrity for the OOK modulated signals. The total active power consumption of the TRF WuRx is 1.38 mW. In this work, a fast sampling approach based on power gating protocol allows a drastic reduction in energy consumption on average. By being able to sample in matter of few microseconds, the WuRx is able to detect the presence of a packet and return to sleep state right after packet decoding. Being power-gated dropped the average power consumption to 2.8 µW at a packet detection latency of 32 ms for less than 2 s of interval time between communication requests. The proposed solutions are able to decode a minimum length of 16-bit pattern and operate in the license-free ISM band 868 MHz. This thesis also includes the analysis and implementation of low-power front-end building blocks that are employed by the proposed WuRx.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Wake-up Receiver Design Requirements 1.2.1 Energy Consumption 1.2.2 Network Coverage and Robustness 1.2.3 Wake-up Packet Addressing 1.2.4 WuPt Detection Latency 1.2.5 Hosting System, Form-factor and Fabrication Technology 1.3 Thesis Organisation 2 Wireless Sensor Networks 2.1 Radio Communication 2.1.1 Electromagnetic Spectrum 2.1.2 Link Budget Analysis 2.2 Asynchronous Radio Receiver Duty-cycle Control 2.2.1 B-MAC and X-MAC Protocols 2.2.2 Energy and Latency Analysis 2.3 Power Supply Requirements 2.3.1 Low Self-discharge Battery 2.3.2 Energy Harvester 2.4 Summary 3 State-of-the-Art of Wake-up Receivers 3.1 Wake-up Receiver Architectural Analysis 3.1.1 Passive RF Detector 3.1.2 Classical Radio Architectures 3.2 Wake-up Receiver Back-end Stages 3.2.1 Baseband Amplifiers 3.2.2 Analog to Digital Conversion 3.2.3 Wake-up Packet Decoder 3.3 Power Consumption Reduction at Circuit Level 3.3.1 Power Gating 3.3.2 Interference Rejection and Filtering 3.4 Summary 4 Proposal of Novel Wake-up Receivers 4.1 Ultra-low Power On-demand Communication in Wireless Sensor Networks: Challenges and Requirements 4.2 Passive RF Wake-up Receiver 4.3 Power-gated Tuned-RF Wake-up Receiver 5 Low-power RF Front-end 5.1 Narrow-band Low-noise Amplifier (LNA) 5.1.1 Topology 5.1.2 Voltage Gain 5.1.3 Stability 5.1.4 Noise Figure 5.1.5 Linearity 5.2 Envelope Detector 5.2.1 Theory of Square-law Detection and Sensitivity Analysis 5.2.2 Single-Diode Envelope Detector 5.2.3 Voltage Multiplier Envelope Detector 5.3 Hardware Assessment 5.3.1 LNA 5.3.2 Envelope Detector 5.4 Summary 6 Passive RF Wake-up Receiver 6.1 Circuit Implementation 6.1.1 Address Decoder 6.1.2 Envelope Detector 6.1.3 Power-gated Baseband Amplifier 6.1.4 Ultra Low-power Baseband Amplifier 6.2 Experimental Results 6.2.1 Wireless Sensor Node 6.2.2 Measurements 6.3 Summary 7 Power-gated Tuned-RF Wake-up Receiver 7.1 Power-gating Protocol 7.2 Circuit Design 7.2.1 Radio Front-end 7.2.2 Data Slicer 7.2.3 Digital Baseband 7.3 Performance Evaluation 7.4 Summary 8 Conclusion 8.1 Performance Summary 8.2 Future Perspective 8.3 Applications A Two-tone Simulation Setup B Diode Models and Simulation Setup C Preamble Detection C Code Implementation Bibliography Publications / In drahtlosen Sensornetzwerken (WSNs) mit extrem geringem Stromverbrauch müssen Sensorknoten je nach Anwendung kurze Latenzzeiten erreichen ohne die Batterielebensdauer zu beeinträchtigen. Die drahtlose Kommunikation bringt dabei eine ziemliche Belastung mit sich, da der Funktransceiver sowohl während der Sende- als auch der Empfangsphase relativ viel Strom benötigt. Einige marktfähige Funktransceiver benötigen durchschnittlich ca. 10 mA im Empfangsmodus sowie 30 mA im Sendemodus. Deshalb wird heutzutage das sogenannte Duty-Cycling mit bestimmten Sende-, Empfangs- und langen Schlafzeitintervallen eingeführt. Während der Schlafphase ist der Empfänger nicht ansprechbar. Was wiederum zu einer massiven Erhöhung der Latenzzeit führen kann. In vielen Anwendungen und insbesondere im Rahmen der Digitalisierung von Prozessen wird mittlerweile die Fähigkeit On-Demand mit sehr kurzen Latenzzeiten zu kommunizieren verlangt. Diese Anforderung steht in einem Wiederspruch zum genannten Duty-cycle Betrieb. Um dieses Dilemma zu lösen wird im Rahmen dieser Doktorarbeit ein Funkempfänger mit extrem geringen Stromverbrauch untersucht und entwickelt. Mit Hilfe des extrem niedrigen Stromverbrauches kann der Funkempfänger ständig empfangsbereit sein. Er wird zum Hauptempfänger mit dem hohen Stromverbrauch zugeschaltet, so dass nur nach Aufforderung der Hauptempfänger aktiv sein wird. Dieser Empfänger wird Wake-up Empfänger (WuRx) genannt. Seine wesentliche Aufgabe besteht darin, als einziger Teil des Gesamtknotens aktiv zu sein, während der Rest in den Modus mit dem niedrigsten Stromverbrauch versetzt wird. Sobald ein Anforderungssignal empfangen wird, weckt er den Haupt-Prozessor und andere Peripheriegeräte über eine eingehende Kommunikation. Somit ist der Aufweckempfänger essenziell für die Zuverlässigkeit der drahtlosen Kommunikation. Sein Stromverbrauch sollte im µA Bereich sein. Seine Empfangsbereitschaft hängt entscheidend von seiner Empfindlichkeit sowie Bitrate ab. Eine Verbesserung der Empfindlichkeit und Erhöhung der Bitrate würden zwangsläufig zu einer Erhöhung des Stromverbrauches führen. Im Rahmen dieser Doktorarbeit werden unterschiedliche Architekturen von Aufweckempfängern untersucht und umgesetzt. Zusammenhänge zwischen Empfindlichkeit, Bitrate und Stromverbrauch wurden analysiert und mögliche Grenzen gezeigt. Ein wesentliches Augenmerk war dabei, Off-the-Shelf Komponenten zu verwenden. Im Rahmen dieser Doktorabeit wurden in Abhängigkeit von der zu erreichenden Reichweite und Häufigkeit der Kommunikation zwei wesentliche Architekturen mit geeigneten Empfindlichkeiten und extrem geringem Stromverbrauch entwickelt. Für kurze Reichweiten wurde eine passive Hochfrequenzarchitektur (PRF Architektur) basierend auf einer passiven Erkennung von OOK-modulierten (On-Off-Keying) Signalen mittels Hüllkurvenbildung entwickelt. Die erreichte Empfindlichkeit von ca. -64 dBm stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik und Forschung mit einer Empfindlichkeit von ca. -52 dBm dar. Die Empfindlichkeit kann in Bezug auf verschiedene Parameter variieren, einschließlich des insgesamt erzeugten Rauschens, der Schaltungstechnologie und der Topologie. Zwei Varianten der PRF WuRxs wurden realisiert, wobei der Basisbandverstärker die Hauptänderung darstellt. Die erste Version verwendet einen Hochleistungsverstärker mit reduziertem durchschnittlichen Energieverbrauch dank einer neuartigen Leistungssteuerung. Die zweite Variante konzentriert sich auf die Verwendung eines Basisbandverstärkers mit extrem geringer Leistung, da erwartet wird, dass er sich in einem kontinuierlichen aktiven Zustand befindet. Diese Arbeit bringt auch die notwendige Analyse des passiven Front-Ends mit der Absicht, die allgemeine WuRx-Empfindlichkeit zu verbessern. Nachweise der Wirksamkeit sind in Sensorknotenmodulen eingebettet und verfügen über -61 dBm und -64 dBm Empfindlichkeit für die erste bzw. die zweite Variante bei einer Paketfehlerrate (PER) von 1 %, während beim Abhören von Paketen eine ähnliche Leistung von 7.2 µW gefordert wird. Während der Paketdecodierung erfordert die erste Variante eine Leistung von 150 µW, die stark durch den Basisbandverstärker verursacht wird. Die erreichte Latenz beträgt weniger als 30 ms und die Bitrate beträgt 4 kbit/s mit einer Manchester-Codierung. Für Anwendungen mit großer Reichweite wird ein WuRx mit höherer Empfindlichkeit vorgeschlagen. Dieser basiert auf einer TunedRF (TRF) -Architektur. Dabei werden sehr schwache Funksignale durch einen rauscharmen Verstärker (LNA) erkannt und verstärkt. Der WuRx erreicht eine bessere Empfindlichkeit von ca. –90 dBm. Dabei wurde das Augenmerk auf die höchste Verstärkung verbunden mit dem niedrigsten Vorspannungsstrom gelegt. Der LNA wird dann im nicht-linearen Bereich betrieben. Dieser Betriebsmodus beeinflusst nur im geringeren Maße die Signalintegrität der OOK-modulierten Signale. Der gesamte Leistungsverbrauch des TRF WuRx beträgt 1.38 mW. Um den Gesamtleistungsverbrauch im µW Bereich zu reduzieren, wird im Rahmen dieser Arbeit das sogenannte Power-Gating-Protokoll eingeführt. Dabei wird das Funkkanal zyklisch abgetastet. Der WuRx kann innerhalb von wenigen Mikrosekunden das Vorhandensein eines Pakets erkennen und direkt nach der Paketdecodierung in den Ruhezustand zurückkehren. Durch diesen Ansatz konnte der durchschnittliche Stromverbrauch bei einer Paketerkennungslatenz von ca. 32 ms innerhalb einer Abtastrate von 2 s auf 2.8 µW reduziert werden. Die vorgeschlagenen Lösungen können eine Mindestlänge von 16-Bit-Mustern decodieren und im lizenzfreien ISM-Band 868 MHz arbeiten.:1 Introduction 1.1 Motivation 1.2 Wake-up Receiver Design Requirements 1.2.1 Energy Consumption 1.2.2 Network Coverage and Robustness 1.2.3 Wake-up Packet Addressing 1.2.4 WuPt Detection Latency 1.2.5 Hosting System, Form-factor and Fabrication Technology 1.3 Thesis Organisation 2 Wireless Sensor Networks 2.1 Radio Communication 2.1.1 Electromagnetic Spectrum 2.1.2 Link Budget Analysis 2.2 Asynchronous Radio Receiver Duty-cycle Control 2.2.1 B-MAC and X-MAC Protocols 2.2.2 Energy and Latency Analysis 2.3 Power Supply Requirements 2.3.1 Low Self-discharge Battery 2.3.2 Energy Harvester 2.4 Summary 3 State-of-the-Art of Wake-up Receivers 3.1 Wake-up Receiver Architectural Analysis 3.1.1 Passive RF Detector 3.1.2 Classical Radio Architectures 3.2 Wake-up Receiver Back-end Stages 3.2.1 Baseband Amplifiers 3.2.2 Analog to Digital Conversion 3.2.3 Wake-up Packet Decoder 3.3 Power Consumption Reduction at Circuit Level 3.3.1 Power Gating 3.3.2 Interference Rejection and Filtering 3.4 Summary 4 Proposal of Novel Wake-up Receivers 4.1 Ultra-low Power On-demand Communication in Wireless Sensor Networks: Challenges and Requirements 4.2 Passive RF Wake-up Receiver 4.3 Power-gated Tuned-RF Wake-up Receiver 5 Low-power RF Front-end 5.1 Narrow-band Low-noise Amplifier (LNA) 5.1.1 Topology 5.1.2 Voltage Gain 5.1.3 Stability 5.1.4 Noise Figure 5.1.5 Linearity 5.2 Envelope Detector 5.2.1 Theory of Square-law Detection and Sensitivity Analysis 5.2.2 Single-Diode Envelope Detector 5.2.3 Voltage Multiplier Envelope Detector 5.3 Hardware Assessment 5.3.1 LNA 5.3.2 Envelope Detector 5.4 Summary 6 Passive RF Wake-up Receiver 6.1 Circuit Implementation 6.1.1 Address Decoder 6.1.2 Envelope Detector 6.1.3 Power-gated Baseband Amplifier 6.1.4 Ultra Low-power Baseband Amplifier 6.2 Experimental Results 6.2.1 Wireless Sensor Node 6.2.2 Measurements 6.3 Summary 7 Power-gated Tuned-RF Wake-up Receiver 7.1 Power-gating Protocol 7.2 Circuit Design 7.2.1 Radio Front-end 7.2.2 Data Slicer 7.2.3 Digital Baseband 7.3 Performance Evaluation 7.4 Summary 8 Conclusion 8.1 Performance Summary 8.2 Future Perspective 8.3 Applications A Two-tone Simulation Setup B Diode Models and Simulation Setup C Preamble Detection C Code Implementation Bibliography Publications

La nano-organisation de la membrane cellulaire est essentielle à la régulation de certaines fonctions cellulaires. Dans cette thèse, les récepteurs EGF, CPεT et de la transferrine ont été marqués avec des nanoparticules luminescentes et ont été suivis à la fois dans leur environnement local dans la membrane cellulaire vivantes pour de longues durées et sous un flux hydrodynamique. Nous avons alors appliqué des techniques d'inférence bayésienne, d’arbre de décision et de clustering de données extraire des informations quantitatives sur les paramètres caractéristiques du mouvement des récepteurs, notamment la forme de leur confinement dans des microdomaines. L’application d’une force hydrodynamique sur les nanoparticules nous a alors permis de sonder les interactions auxquelles ces récepteurs sont soumis. Nous avons appliqué cette approche in vitro pour favoriser et mesurer la dissociation in vitro de paires récepteur / ligand à haute affinité entre des récepteurs membranaires et leurs ligands pharmaceutiques, telles que HB-EGF et DTR et l’avons ensuite appliqué à l’étude d’interactions à la membrane cellulaire. Nous avons ainsi mis en évidence trois modes différents d'organisation de la membrane et de confinement des récepteurs: le confinement de CPεTR est déterminé par l'interaction entre les récepteurs et les constituants lipidiques / protéiques des microdomaines, le potentiel de confinement de l'EGFR résulte de l'interaction avec les lipides et les protéines de l’environnement du radeau et de l’interaction avec la F-actine; les récepteurs de la transferrine diffusent librement dans la membrane, uniquement limités stériquement par des barrières d’actine, selon le modèle ‘picket-and-fence’. Nous avons de plus montré que les nanodomaines de type radeau sont rattachés au cytoskelette d’actine. Ce travail présente donc à la fois un aperçu quantitatif du récepteur membranaire, des mécanismes d’organisation à l’échelle nanométrique, et établit un cadre méthodologique avec lequel différents types de propriétés membranaires peuvent être étudiés. / In this thesis, EGF, CPεT and transferrin receptors were labeled with luminescent nanoparticles, , and were tracked both in their local environment in the cell membrane and under a hydrodynamic flow. Bayesian inference, Bayesian decision tree, and data clustering techniques can then be applied to obtain quantitative information on the receptor motion parameters. Furthermore, we introduced hydrodynamic force application in vitro to study biomolecule dissociation between membrane receptors and their pharmaceutical ligands in high affinity receptor- ligand pairs, such as HB-EGF and DTR. Finally, three different modes of membrane organization and receptor confinement were revealed: the confinement of CPεTR is determined by the interaction between the receptors and the lipid/protein constituents of the raft; the confining potential of EGFR results from the interaction with lipids and proteins of the raft environment and from the interaction with F-actin; transferrin receptors diffuse freely in the membrane, only sterically limited by actin barriers, according to the “picket-and-fence” model. We moreover showed that all raft nanodomains are attached to the actin cytoskeleton.

Die Weiterentwicklung klassischer, elektronischer Identifikationstechnologien leistet einen wichtigen Beitrag zum technischen Fortschritt in Industrie, Logistik und Gesundheitswesen. Die vorliegende Dissertationsschrift beschreibt die Entwicklung eines Dual-Feed-Antennendesigns für passive UHF-RFID-Transponder auf kritischen Oberflächen. Die zu Grunde liegende Antennenstruktur besteht aus einem Microstrip-Patch unter Verwendung eines verlustarmen Substratmaterials. Dieser erfährt eine Optimierung hinsichtlich seiner Lesereichweite, insbesondere auf kritischen Oberflächen. Ein Zwei-Port-Konzept mit gekoppeltem Feed-Line-Anpassnetzwerk reduziert die Anzahl benötigter, diskreter Komponenten und ermöglicht eine kostengünstige Herstellung mittels klassischer Ätzverfahren. Verschiedene Ansätze zur Modellierung und zur analytischen Berechnung der Antennenparameter werden dargestellt. Des Weiteren erfolgt eine Verifikation der Antennenstruktur anhand eines Konzepts für einen passiven Energy-Harvesting-RFID-Transponder, der zur Temperaturüberwachung in den genannten Branchen eingesetzt werden kann. Dieses Konzept schließt ein effizientes Energiemanagement mittels eines Ultra-Low-Power-Mikrocontrollers sowie Ansätze zur Energiegewinnung und -speicherung mit ein und stellt die Wahl wichtiger Systemparameter und Bauelemente anhand anwendungsspezifischer Abschätzungen dar.

Es werden Möglichkeiten untersucht, das Kaltstart- und Warmlaufverhalten von Ottomotoren mit Sekundärlufteinblasung zu optimieren. Das für die Untersuchungen eingesetzte, innovative Sekundärlufteinblasesystem mittels Sekundärluftlader weist aufgrund der Baugröße, des Gewichts, der Leistungsfähigkeit und insbesondere der einfachen, thermodynamischen Betätigung Potenziale auf, die bisher eingesetzte Sekundärluftpumpe zu ersetzen. Den experimentellen Untersuchungen wurde die Entwicklung der Abgasgesetzgebung sowie eine theoretische Betrachtung der Entstehungsmechanismen von Abgasemissionen vorangestellt. Mittels eines Simulationsmodells werden die Abhängigkeiten des Sekundärluftladers von den motorischen Randbedingungen abgebildet. Somit kann eine Vorauswahl für das Luftmassenförderverhalten des Sekundärluftladers bei unterschiedlichen Einsatzbereichen getroffen werden. Die im Start- und Warmlauf, ebenso im Lastwechsel, gemessenen Ergebnisse wurden zur Analyse der Emissionsverbesserungsmechanismen eingesetzt. Insbesondere der Einblasezeitpunkt der Sekundärluft und das Hochlaufverhalten des Sekundärluftsystems zeigen einen enormen Einfluss auf die Höhe der Rohemissionen. Eine Gegenüberstellung aller gemessenen Varianten mit Sekundärluftpumpe und Sekundärluftlader zeigt einen deutlichen Emissionsvorteil des Sekundärluftladersystems. Zusätzlich bewirkt der Sekundärluftlader, durch die Bordnetzentlastung eine Motorlastabsenkung bei verbessertem Ansprechverhalten und höherem Sekundärluftmassenstrom. Ergebnis ist eine Verringerung der HC-Rohemissionen zwischen 20% und 30%. Die Vorteile im Gewicht und Bauvolumen sowie der geringere Verkabelungsaufwand runden die deutlichen Vorteile des Sekundärluftladers gegenüber der Sekundärluftpumpe ab. Durchgeführte Untersuchungen bei Tieftemperatur (-7°C) und unter Höhenbedingungen haben ebenfalls Vorteile gegenüber der Sekundärluftpumpe ausgewiesen. Die theoretische Abschätzung des Einsatzfeldes für den Sekundärluftlader ist ab einem Hubraum von 1,2°l Hubraum durchgeführt und als positiv bewertet worden. / The paper investigates possible ways of optimizing the cold-start and warm-up performance of gasoline engines with secondary air injection. Due to its size, weight, performance capability, and especially its simple, thermodynamic operation the innovative secondary air injection system used for the investigations and featuring a secondary air charger has the potential to replace the secondary air pump used to date. The experimental investigations are preceded by the development of exhaust emission legislation and a theoretical analysis of the process leading to exhaust emissions. A simulation model is used to illustrate the dependencies of the secondary air charger on boundary engine conditions. Consequently it is possible to make a preselection for the air mass conducting properties of the secondary air charger in various fields of application. The results obtained by measurement in starting, warm-up, and in load changes, were used to analyze the emission improvement processes. The level of raw emissions is affected enormously by the time of injection of secondary air and the acceleration performance of the secondary air system. A comparison of all the measured variants with the secondary air pump and secondary air charger indicates that the secondary air charger system has a distinct emission advantage. In addition, by relieving the vehicle power supply the secondary air charger brings about a reduction in engine load, improved response, and higher secondary air mass flow. The result is a 20% to 30% reduction in raw HC emissions. The significant advantages over the secondary air pump are rounded off by benefits in terms of weight and bulk volume and a reduction in the amount of wiring. Tests conducted at low temperature (-7°C) and under high altitude conditions have also indicated advantages over the secondary air pump.

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With continued feature size reduction in microelectronics and with more than a billion transistors on a single integrated circuit (IC), on-chip interconnection has become a challenge in terms of processing-, electrical-, thermal-, and mechanical perspective. Today’s high-performance ICs have on-chip back-end-of-line (BEOL) layers that consist of copper traces and vias interspersed with low-k dielectric materials. These layers have thicknesses in the range of 100 nm near the transistors and 1000 nm away from the transistors close to the solder bumps. In such BEOL layered stacks, cracking and/or delamination is a common failure mode due to the low mechanical and adhesive strength of the dielectric materials as well as due to high thermally-induced stresses. However, there are no available cohesive zone models and parameters to study such interfacial cracks in sub-micron thick microelectronic layers. This work focuses on developing framework based on cohesive zone modeling approach to study interfacial delamination in sub-micron thick layers. Such a framework is then successfully applied to predict microelectronic device reliability. As intentionally creating pre-fabricated cracks in such interfaces is difficult, this work examines a combination of four-point bend and double-cantilever beam tests to create initial cracks and to develop cohesive zone parameters over a range of mode-mixity. Similarly, a combination of four-point bend and end-notch flexure tests is used to cover additional range of mode-mixity. In these tests, silicon wafers obtained from wafer foundry are used for experimental characterization. The developed parameters are then used in actual microelectronic device to predict the onset and propagation of crack, and the results from such predictions are successfully validated with experimental data. In addition, nanoindenter-based shear test technique designed specifically for this study is demonstrated. The new test technique can address different mode mixities compared to the other interfacial fracture characterization tests, is sensitive to capture the change in fracture parameter due to changes in local trace pattern variations around the vicinity of bump and the test mimics the forces experienced by the bump during flip-chip assembly reflow process. Through this experimental and theoretical modeling research, guidelines are also developed for the reliable design of BEOL stacks for current and next-generation microelectronic devices.

La matière sombre compte pour 85% de la matière composant l’univers et nous ne savons toujours pas ce qu’elle est. Depuis plusieurs années, l’expérience Picasso, maintenant devenue l’expérience PICO, tente d’élucider ce mystère. Les fréons de la famille des CXFY sont utilisés comme cibles de choix dans les détecteurs à liquides surchauffés de l’expérience PICO. Situés à SNOLab, en Ontario, ces détecteurs font parties des plus performant de la recherche de la matière sombre. Lors d’interactions de particules avec le liquide en surchauffe, un changement de phase est induit par le dépôt d’énergie engendré par l’interaction. Les bulles créées par l’évènement sont alors détectées par différents capteurs afin de déterminer le type d’interaction qui a eu lieu. Dans ce travail seront présentés les détecteurs à liquides surchauffés dans le cadre de la recherche de la matière sombre. Principalement, nous y verrons trois types de détecteurs utilisés par les expériences PICO et Picasso. Le principe de fonctionnement de chacun des détecteurs sera exposé en premier lieu ainsi que leur fabrication, puis leur mode d’opération et l’analyse des données. Les méthodes de calibration seront par la suite expliquées pour terminer avec une description des résultats obtenus démontrant la performance de ce type de détection. / Dark matter makes up 85% of the matter content of the universe and we still don’t know what it is made of. The Picasso experiment, now named PICO, has been searching for it for several years with the use of superheated liquid detectors. Following the interaction of a particle with a superheated liquid freon of the CXFY family, a bubble is formed through a phase change and is detected with several types of sensors, telling us about the nature of the event. Located at SNOLab, in Ontario, these detectors produce some of the best results in the field. The present work will go through three types of superheated liquid detectors. A full description of the working principles will be presented for each of them. In addition, the fabrication, the operation mode and the data analysis will be shown. Detector calibration techniques will then be presented with different particle sources. Finally, the most recent results will be discussed, demonstrating the performance of the superheated liquid detector technique.

Dans les années à venir, l’industrie de la microélectronique doit développer de nouvelles filières technologiques qui pourront devenir des successeurs ou des compléments de la technologie CMOS ultime. Parmi ces technologies émergentes relevant du domaine ‘‘Beyond CMOS’’, ce travail de recherche porte sur les transistors mono-électroniques (SET) dont le fonctionnement est basé sur la quantification de la charge électrique, le transport quantique et la répulsion Coulombienne. Les SETs doivent être étudiés à trois niveaux : composants, circuits et système. Ces nouveaux composants, utilisent à leur profit le phénomène dit de blocage de Coulomb permettant le transit des électrons de manière séquentielle, afin de contrôler très précisément le courant véhiculé. Ainsi, le caractère granulaire de la charge électrique dans le transport des électrons par effet tunnel, permet d’envisager la réalisation de transistors et de cellules mémoires à haute densité d’intégration, basse consommation. L’objectif principal de ce travail de thèse est d’explorer et d’évaluer le potentiel des transistors mono-électroniques double-grille métalliques (DG-SETs) pour les circuits logiques numériques. De ce fait, les travaux de recherches proposés sont divisés en trois parties : i) le développement des outils de simulation et tout particulièrement un modèle analytique de DG-SET ; ii) la conception de circuits numériques à base de DGSETs dans une approche ‘‘cellules standards’’ ; et iii) l’exploration d’architectures logiques versatiles à base de DG-SETs en exploitant la double-grille du dispositif. Un modèle analytique pour les DG-SETs métalliques fonctionnant à température ambiante et au-delà est présenté. Ce modèle est basé sur des paramètres physiques et géométriques et implémenté en langage Verilog-A. Il est utilisable pour la conception de circuits analogiques ou numériques hybrides SET-CMOS. A l’aide de cet outil, nous avons conçu, simulé et évalué les performances de circuits logiques à base de DG-SETs afin de mettre en avant leur utilisation dans les futurs circuits ULSI. Une bibliothèque de cellules logiques, à base de DG-SETs, fonctionnant à haute température est présentée. Des résultats remarquables ont été atteints notamment en terme de consommation d’énergie. De plus, des architectures logiques telles que les blocs élémentaires pour le calcul (ALU, SRAM, etc.) ont été conçues entièrement à base de DG-SETs. La flexibilité offerte par la seconde grille du DG-SET a permis de concevoir une nouvelle famille de circuits logiques flexibles à base de portes de transmission. Une réduction du nombre de transistors par fonction et de consommation a été atteinte. Enfin, des analyses Monte-Carlo sont abordées afin de déterminer la robustesse des circuits logiques conçus à l'égard des dispersions technologiques. / In this work, we have presented a physics-based analytical SET model for hybrid SET-CMOS circuit simulations. A realistic SET modeling approach has been used to provide a compact SET model that takes several conduction mechanisms into account and closely matches experimental SET characteristics. The model is implemented in Verilog-A language, and can provide suitable environment to simulate hybrid SET-CMOS architectures. We have presented logic circuit design technique based on double gate metallic SET at room temperature. We have also shown the flexibility that the second gate can bring in order to configure the SET into P-type and N-type. Given that the same device is utilized, the circuit design approach exhibits regularity of the logic gate that simplifies the design process and leads to reduce the increasing process variations. Afterwards, we have addressed a new Boolean logic family based on DG-SET. An evaluation of the performance metrics have been carried out to quantify SET technology at the circuit level and compared to advanced CMOS technology nodes. SET-based static memory was achieved and performances metrics have been discussed. At the architectural level, we have investigated both full DG-SET based arithmetic logic blocks (FA and ALU) and programmable logic circuits to emphasize the low power aspect of the technology. The extra power reduction of SETs based logic gates compared to the CMOS makes this technology much attractive for ultra-low power embedded applications. In this way, architectures based on SETs may offer a new computational paradigm with low power consumption and low voltage operation. We have also addressed a flexible logic design methodology based on DG-SET transmission gates. Unlike conventional design approach, the XOR / XNOR behavior can be efficiently implemented with only 4 transistors. Moreover, this approach allows obtaining reconfigurable XOR / XNOR gates by swapping the cell biasing. Given that the same device is utilized, the structure can be physically implemented and established in a regular manner. Finally, complex logic gates based on DG-SET transmission gates offer an improvement in terms of transistor device count and power consumption compared to standard complementary SETs implementations.Process variations are introduced through our model enabling then a statistical study to better estimate the SET-based circuit performances and robustness. SET features low power but limited operating frequency, i.e. the parasitics linked to the interconnects reduce the circuit operating frequency as the SET Ion current is limited to the nA range. In term of perspectives: i) detailed studying the impact on SET-based logic cells of process variation and random back ground charge ii) considering multi-level computational model and their associate architectures iii) investigating new computation paradigms (neuro-inspired architectures, quantum cellular automata) should be considered for future works.

This research investigates the realization of parametric amplification in superconducting circuits and structures where nonlinearity is provided by Josephson junction (JJ) elements. We aim to develop a systematic analysis over JJ-based devices toward design of novel traveling-wave Josephson parametric amplifiers (TW-JPA). Chapters of this thesis fall into three categories: lumped JPA, superconducting periodic structures and discrete Josephson transmission lines (DJTL). The unbiased Josephson junction (JJ) is a nonlinear element suitable for parametric amplification through a four-photon process. Two circuit topologies are introduced to capture the unique property of the JJ in order to efficiently mix signal, pump and idler signals for the purpose of signal amplification. Closed-form expressions are derived for gain characteristics, bandwidth determination, noise properties and impedance for this kind of parametric power amplifier. The concept of negative resistance in the gain formulation is observed. A design process is also introduced to find the regimes of operation for gain achievement. Two regimes of operation, oscillation and amplification, are highlighted and distinguished in the result section. Optimization of the circuits to enhance the bandwidth is also carried out. Moving toward TW-JPA, the second part is devoted to modelling the linear wave propagation in a periodic superconducting structure. We derive closed-form equations for dispersion and s-parameters of infinite and finite periodic structures, respectively. Band gap formation is highlighted and its potential applications in the design of passive filters and resonators are discussed. The superconducting structures are fabricated using YBCO and measured, illustrating a good correlation with the numerical results. A novel superconducting Transmission Line (TL), which is periodically loaded by Josephson junctions (JJ) and assisted by open stubs, is proposed as a platform to realize a traveling-wave parametric device. Using the TL model, this structure is modeled by a system of nonlinear partial differential equations (PDE) with a driving source and mixed-boundary conditions at the input and output terminals, respectively. This model successfully emulates parametric and nonlinear microwave propagation when long-wave approximation is applicable. The influence of dispersion to sustain three non-degenerate phased-locked waves through the TL is highlighted. A rigorous and robust Finite Difference Time Domain (FDTD) solver based on the explicit Lax-Wendroff and implicit Crank-Nicolson schemes has been developed to investigate the device responses under various excitations. Linearization of the wave equation, under small-amplitude assumption, dispersion and impedance analysis is performed to explore more aspects of the device for the purpose of efficient design of a traveling-wave parametric amplifier. Knowing all microwave characteristics and identifying different regimes of operation, which include impedance properties, cut-off propagation, dispersive behaviour and shock-wave formation, we exploit perturbation theory accompanied by the method of multiple scale to derive the three nonlinear coupled amplitude equations to describe the parametric interaction. A graphical technique is suggested to find three waves on the dispersion diagram satisfying the phase-matching conditions. Both cases of perfect phase-matching and slight mismatching are addressed in this work. The incorporation of two numerical techniques, spectral method in space and multistep Adams-Bashforth in time domain, is employed to monitor the unilateral gain, superior stability and bandwidth of this structure. Two types of functionality, mixing and amplification, with their requirements are described. These properties make this structure desirable for applications ranging from superconducting optoelectronics to dispersive readout of superconducting qubits where high sensitivity and ultra-low noise operation is required.