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Abstract

Using the fabrication techniques and materials of microelectronics as a basis, microelectromechanical systems (MEMS) make available the co-location of both mechanical and electrical components on one single chip. In the first chapter of this work, we prove that development of MEMS inherently requires appropriate studies of the mechanical behavior of micromechanical structures like cantilever beams or microbridges, each the ¿core¿ of any MEMS. Thus, we introduce theoretical and experimental approaches we have used to investigate the mechanical behavior of such microstructures. The second chapter is devoted to the study of the cantilever beams dynamics. Once discussed the undamped free transversal vibrations, we present a theoretical and experimental study on multi-mode air damping of SiO2 ­Au composite cantilever beams. We show that the theoretical values of the resonant frequencies and quality factors agree well with the experimental results up to the third mode. In the third chapter we study the mechanical behavior of microbridges buckling under the effect of thin-film built-in compressive stress. In the case of the static behavior, the SiO2 residual stress value is computed by using the energy model of the non-linear buckling of SiO2 microbridges. This model is one of the original works we carried out in our thesis. In the case of the dynamic behavior of buckled composite SiO2 ­Au microbridges, we theoretically and experimentally point out the inversion of the first two modes of vibration, which is another significant result of our work. The fourth chapter deals with the development of two applications as a conclusion to the micromechanical studies previously proposed: the micro-viscometer which uses a cantilever beams array to determine the liquid viscosity in small volumes (30 µl) and the multiprobe microcontactor made of an array of ten 2-µm wide metallic cantilevers and used for electrical characterization of nanoscale devices.

Résumé

Basé sur les techniques de fabrication et des matériaux de la micro-électronique, le concept de microsystème implique la colocation de composantes mécaniques et électroniques sur une même puce. Dans un premier chapitre, après avoir démontré la nécessité d'une approche micro-mécanique rigoureuse du fonctionnement des microsystèmes, nous introduisons les approches d'ordre théorique et expérimental que nous avons retenues pour l'investigation du comportement mécanique " des briques " de base des microsystèmes : le microlevier et le pont. Le deuxième chapitre est focalisé sur l'étude de la dynamique des microleviers. Après avoir analysé le cas des vibrations transversales libres et non-amorties, nous poursuivons par l'investigation théorique et expérimentale des effets que l'amortissement peut induire aux vibrations transversales des microleviers. Nous montrons que les valeurs théoriques et expérimentales respectivement des fréquences de résonance et des facteurs de qualité des microleviers sont en bon accord pour les trois premiers modes de vibration. Le troisième chapitre est dédié à l'analyse du comportement mécanique de ponts soumis à une précontrainte compressive. Dans le cas du régime statique expérimental des ponts en SiO2, nous remontons à la valeur de la précontrainte de l'oxyde en utilisant le modèle énergétique du flambement, un des points originaux de cette thèse. Le régime dynamique expérimental des ponts bi-couche en SiO2 ­Au permet de valider l'inversion des deux premiers modes de vibration ce qui constitue un autre résultat remarquable. Toutes ces études nous ont permis de mettre en ¿uvre deux applications qui font l'objet du quatrième chapitre : le micro-viscosimètre à partie mécanique active de type microlevier, permettant de mesurer les viscosités de fluides de très faible volume (30 µl) et le micro-testeur constitué d'un réseau de dix microleviers en or de largeur égale à 2 µm, utilisé pour la caractérisation électrique de nanocomposants.

Mots-Clés / Keywords

Nanodevice; Visocsity; Microbridge; Microbeam; Micromechanics; Microsystems; Nanocomposant; Viscosité; Micropont; Microlevier; Micro-mécanique; Microsystèmes;