Large amplitude dynamics of micro/nanomechanical resonators actuated with electrostatic pulses

International audienceIn the field of resonant NEMS design, it is a common misconception that large-amplitude motion, and thus large signal-to-noise ratio, can only be achieved at the risk of oscillator instability. In the present paper, we show that very simple closed-loop control schemes can be used to achieve stable largeamplitude motion of a resonant structure, even when jump resonance (caused by electrostatic softening or Duffing hardening) is present in its frequency response. We focus on the case of a resonant accelerometer sensing cell, consisting in a nonlinear clamped-clamped beam with electrostatic actuation and detection, maintained in an oscillation state with pulses of electrostatic force that are delivered whenever the detected signal (the position of the beam) crosses zero. We show that the proposed feedback scheme ensures the stability of the motion of the beam much beyond the critical Duffing amplitude and that, if the parameters of the beam are correctly chosen, one can achieve almost full-gap travel range without incurring electrostatic pull-in. These results are illustrated and validated with transient simulations of the nonlinear closed-loop system

Etude de NEMS à nanofils polycristallins pour la détection et l’intégration hétérogène 3D ultra-dense

Recently, technological advances lead to a very large scale integration (VLSI) of microelectronics components at the nanoscale. Faced with the traditional miniaturization limits, the three dimensions (3D) integration open the door to heterogeneous miniaturized devices, with new chip generations. At the same time, new concepts such as junctionless nanowires and polycrystalline silicon nanowires allow to imagine low temperature processes and low-cost devices for a 3D integration on a stabilized CMOS. Poly-silicon nanowire based NEMS on CMOS for mass detection is a new "More-Than-Moore" opportunity. The NEMS could be arranged in a dense network like memory and image sensor architectures. The individual addressing of each NEMS, the functionalization for the detection of specific molecules within a large area (VLSI), allow the implementation of a new type of Multi-physics sensors, compact and highly sensitive. The purpose of this thesis has been the manufacturing and the performance evaluation of poly-silicon nanowire based NEMS. The challenge was to find the best processes with a back-end compatible thermal budget. A rigorous study of the layer physicochemical properties has been correlated with the electrical, mechanical performances and the yield of poly-silicon NEMS. This allowed us to make a selection of the best fabrication processes. NEMS manufactured at very low temperature with an active layer deposited at room temperature and recrystallized by a laser annealing exhibited high performances in terms of transduction (piezoresistivity) and frequency stability comparable to monocrystalline references. Polycrystalline silicon.Les progrès technologiques de ces dernières années ont permis une très forte intégration des composants de la microélectronique à l'échelle nanométrique. Face aux limites de la miniaturisation classique, les technologies d'intégration en trois dimensions (3D) ouvrent la voie vers des dispositifs miniaturisés hétérogènes avec de nouvelles générations de puces. En parallèle, de nouveaux concepts tels que les nanofils sans jonction et les nanofils en silicium polycristallins permettent à terme d'imaginer des procédés froids et des dispositifs à faible coût permettant une intégration 3D hyperdense sur un CMOS stabilisé. La fabrication de NEMS à base de nanofils polycristallins pour la détection de masse sur CMOS est donc une nouvelle opportunité « More-Than-Moore ». Les capteurs pourraient être disposés en réseau dense en s'inspirant des architectures mémoires et imageurs. L'adressage individuel de chaque NEMS, la possibilité de les fonctionnaliser à la détection de molécules particulières, et la multiplication des capteurs sur une grande surface (« Very Large Integration » (VLSI)) permettraient la mise en œuvre d'un nouveau genre de capteur multi-physique, compact et ultrasensible. Le but de ces travaux de thèse a donc été la fabrication et l'évaluation des performances de NEMS à base de nanofils en poly-silicium. L'enjeu fut de trouver des procédés avec un budget thermique compatible à une intégration sur back-end. Une étude rigoureuse sur les propriétés physico-chimiques de la couche a été corrélée aux performances électriques, mécaniques, ainsi qu'au rendement des NEMS poly-Silicium, ce qui nous a permis de faire une sélection des meilleurs procédés de fabrication. Les NEMS fabriqués à basse température avec une couche active déposée à température ambiante et recristallisée par laser ont montré des performances, que ce soit au niveau de la transduction (piézorésistivité), ou de la stabilité du résonateur compétitives par rapports aux références monocristallines

Ultra-Sensitive Capacitive Detection Based on SGMOSFET Compatible With Front-End CMOS Process

Capacitive measurement of very small displacement of nano-electro-mechanical systems (NEMS) presents some issues that are discussed in this article. It is shown that performance is fairly improved when integrating on a same die the NEMS and CMOS electronics. As an initial step toward full integration, an in-plane suspended gate MOSFET (SGMOSFET) compatible with a front-end CMOS has been developed. The device model, its fabrication, and its experimental measurement are presented. Performance obtained with this device is experimentally compared to the one obtained with a stand-alone NEMS readout circuit, which is used as a reference detection system. The 130 nm CMOS ASIC uses a bridge measurement technique and a high sensitive first stage to minimize the influence of any parasitic capacitances