Résumé

La fiabilité des relais miniaturisés ou MEMS est, à ce jour, insuffisante pour permettre leur commercialisation à grande échelle. Leur défaillance principale a pour origine le contact électrique qui se dégrade au cours des cycles et limite leur durée de vie. Cette thèse a pour but de caractériser différents phénomènes physiques se produisant pendant les phases d’ouverture et de fermeture du contact électrique lorsque celui-ci est actionné sous courant. Les travaux effectués ont permis de dégager les principaux paramètres influençant le phénomène de transfert de matière à des dimensions micrométriques et d’expliquer les mécanismes physiques produisant cette dégradation. Puis, l’étude des rebonds et de la quantification de la résistance de contact ont permis de montrer différents phénomènes physiques se produisant au moment de la fermeture ou de l’ouverture des contacts. Finalement, ces travaux permettent d’établir des recommandations destinées aux concepteurs de relais MEMS pour permettre d’améliorer la durée de vie des relais MEMS.

 Mots clés : relais MEMS, contact électrique, AFM, transfert de matière, spectroscopie optique, émission de champ, tension de claquage, Loi de Paschen modifiée, rebonds, quantification de la conductance de contact

Abstract

The reliability of ohmic Micro Electro-Mechanical System (MEMS) switches is not high enough to allow mass production. Their lifetime is highly limited by the degradation of electrical contacts over cycles. This thesis aims to characterize the physical phenomena involved in the opening and closure of a MEMS switch under current (“hot switching actuation”).On one hand the main parameters involved in the material transfer phenomenon at the micro and nano scales have been identified. The origin and the mechanism of this phenomenon are investigated and according to the different observations, a possible scenario is suggested. On the other hand the dynamic observation highlights different physical phenomena such as contact bounces during closing operations and the quantization of the contact conductance during opening operations. Finally, several recommendations are provided to improve the reliability of MEMS switches.

  Key words: MEMS switch, electrical contact, AFM, material transfer, optical spectroscopy, field emission, breakdown voltage, modified Paschen’s law, bounce, quantization of the contact conductance