CONCEPTION, TECHNOLOGIE ET PACKAGING DE CELLULES À VAPEUR DE CÉSIUM POUR LES HORLOGES ATOMIQUES DE TYPE MEMS

Atomic clocks are nowadays among the most accurate time and frequency standards, and are used, e.g.,for international time distribution service or in global navigation satellite systems. During the last severalyears, based on reliable and well-stabilized microelectromechanical systems (MEMS) technology and onthe availability of lasers on chip (single-mode vertical-cavity surface-emitting laser; VCSEL),considerable work has been performed by different groups around the world to develop miniaturizedversion of atomic clocks, called MEMS atomic clocks (MAC) or chip scale atomic clocks (CSAC).The goal of this thesis was to design and develop the technology of Cs vapor cells along with thermalanalysis for the thermal management of fully packaged Cs vapor cell for MEMS atomic clock. This workhas been carried-out in the framework of European project “MEMS atomic clock for timing, frequencycontrol and communication” (MAC-TFC). Two different architectures of Cs vapor cell have beenconsidered. The first one operates on the transmission of light through the cell and thus the Cs-vapor, andis called transmissive cell or T-cell. Such T-cell is made of silicon based deep-cavities sandwichedbetween two borosilicate glass wafers. For their fabrication, deep reactive ion etching (DRIE) process hasbeen optimized in order to produce smooth enough side walls of silicon cavities. In addition, specificanodic bonding process has been developed to fill the cavities with buffer gas at the required pressure.Second version of Cs vapor cell is based on the reflection of laser light inside the KOH etched siliconcavity sealed by one borosilicate glass wafer and is called reflective cell or R-cell. R-cells, as an advantageover the T-cells, allow e.g. a longer interaction of light/atom inside the Cs cavity, whereas location ofoptical source and detection elements on the same side of cell leads to better clock compactness. For theirfabrication, wet KOH etching, employed to realize the cavities inside the silicon with near mirror like(111) planes, has been studied and optimized. Further, diffraction gratings for routing of circularlypolarized light have been designed, fabricated and integrated on top of the Cs vapor R-cell. In bothversions of Cs vapor cells, our goal was to simplify the related clock assembly by doing maximumintegration and alignment at the wafer level, thanks to refractive and diffractive micro-optical componentswhile thermal analysis has been also performed for the thermal management of fully packaged Cs vaporcell (transmissive one) based on the Low temperature co-fired ceramics (LTTC) packaging.Les horloges atomiques sont de nos jours parmi les normes de temps et de fréquences les plus précises etsont utilisées, par exemple, pour les services de distributions travaillant à l'heure internationale ou pour lessystèmes de navigation globaux par satellite. Au cours des dernières années, un travail considérable a étéaccompli par différents groupes à travers le monde pour développer une version miniaturisée des horlogesatomiques, basée sur la technologie des systèmes microélectromécaniques qui est fiable, bien stabilisée etsur la disponibilité de lasers sur puces (diode laser monomode à cavité verticale émettant par la surface ouVCSEL : Vertical-Cavity surface emitting Laser). Ce type d'horloge atomique est appelé horloge atomiqueMEMS ou horloge atomique sur puce (CSAC : Chip Scale Atomic Clocks).L'objectif de cette thèse était de concevoir et développer la technologie des cellules à vapeur de Césium(Cs) ainsi qu’une analyse thermique pour sa gestion thermique lorsqu’elle est complètement packagéepour les horloges atomiques MEMS. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet européen "MEMSatomic clock for timing, frequency control and communication" (MAC-TFC). Deux conceptionsdifférentes de la cellule à vapeur de Cs ont été considérées. La première est basée sur la transmission de lalumière à travers la cellule et donc au travers de la vapeur de Cs et est appelée cellule transmissive ou T-cell. Ces T-cells sont réalisées à base de cavités profondes générées dans du silicium et prises en sandwichentre deux wafers de verre borosilicaté. Pour leur fabrication, le processus de gravure profonde par ionsréactifs (DRIE-Deep reactive ion etching) a été optimisé afin de produire des cavités dans le silicium dontles parois soient suffisamment lisses. De plus, le procédé de soudure anodique a été développé pourremplir les cavités avec du gaz tampon à la pression requise. La deuxième version de la cellule à vapeurde Cs est basée sur la réflection de la lumière du laser à l'intérieur des cavités gravées dans le silicium parKOH et scellées par un wafer de verre borosilicaté. Cette cellule est appelée cellule réfléchissante ou R-cell. Les R-cells permettent, par rapport aux T-cells, une interaction lumière/atome plus longue dans lescavités contenant du Cs, tandis que la localisation de la source optique et des éléments de détection dumême côté de la cellule permet la réalisation d’une horloge plus compacte. Pour leur fabrication, lagravure humide par KOH, employée pour générer les cavités à l'intérieur du silicium avec des parois dontla surface est proche de celle d’un miroir (111), a été étudiée et optimisée. De plus, les réseaux dediffraction pour le guidage de la lumière polarisée circulairement ont été conçus, fabriqués et intégrés surla partie supérieure de la R-cell à vapeur de Cs. Pour les deux versions des cellules à vapeur de Cs, notreobjectif était de simplifier l'assemblage relatif à l'horloge en faisant un maximum d'intégration et d'alignement à l'échelle du wafer, grâce à des composants micro-optiques réfractifs et diffractifs. Une analyse thermique a aussi été effectuée pour la gestion thermique de la cellule à vapeur de Cs complètement packagée (T-cell) à base de céramiques cofrittée à basse température (LTCC : Lowtemperature Co-fired ceramics)

Study and Realization of a Miniature Isotropic Helium Magnetometer

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Glassy Materials Based Microdevices

Microtechnology has changed our world since the last century, when silicon microelectronics revolutionized sensor, control and communication areas, with applications extending from domotics to automotive, and from security to biomedicine. The present century, however, is also seeing an accelerating pace of innovation in glassy materials; as an example, glass-ceramics, which successfully combine the properties of an amorphous matrix with those of micro- or nano-crystals, offer a very high flexibility of design to chemists, physicists and engineers, who can conceive and implement advanced microdevices. In a very similar way, the synthesis of glassy polymers in a very wide range of chemical structures offers unprecedented potential of applications. The contemporary availability of microfabrication technologies, such as direct laser writing or 3D printing, which add to the most common processes (deposition, lithography and etching), facilitates the development of novel or advanced microdevices based on glassy materials. Biochemical and biomedical sensors, especially with the lab-on-a-chip target, are one of the most evident proofs of the success of this material platform. Other applications have also emerged in environment, food, and chemical industries. The present Special Issue of Micromachines aims at reviewing the current state-of-the-art and presenting perspectives of further development. Contributions related to the technologies, glassy materials, design and fabrication processes, characterization, and, eventually, applications are welcome

3rd International Workshop on Instrumentation for Planetary Missions : October 24–27, 2016, Pasadena, California

The purpose of this workshop is to provide a forum for collaboration, exchange of ideas and information, and discussions in the area of the instruments, subsystems, and other payload-related technologies needed to address planetary science questions. The agenda will compose a broad survey of the current state-of-the-art and emerging capabilities in instrumentation available for future planetary missions.Universities Space Research Association (USRA); Lunar and Planetary Institute (LPI); Jet Propulsion Laboratory (JPL)Conveners: Sabrina Feldman, Jet Propulsion Laboratory, David Beaty, Jet Propulsion Laboratory ; Science Organizing Committee: Carlton Allen, Johnson Space Center (retired) [and 12 others