Soutenance mémoire
Micro-usinage en surface
Le micro-usinage en surface (Surface micromachining) est la technique de gravure sélective consistant à enlever sélectivement une des couches pré-déposée, cette couche est appelée couche sacrificielle. Une illustration de cette gravure est donnée à la figure 1.3. Tout d’abord la couche sacrificielle est déposée sur le substrat. Une couche de matériau destinée à la réalisation de la partie mécanique, appelée couche structurelle, est ensuite déposée sur la couche sacrificielle. Finalement la couche sacrificielle est enlevée par micro-gravure pour laisser la partie mécanique suspendue. La couche sacrificielle est choisie en fonction de la couche qui constituera la structure mécanique. Le facteur important est la disponibilité d’une solution de gravure pouvant supprimer la couche sacrificielle sans attaquer la couche servant à la structure mécanique et/ou le substrat. La combinaison couramment utilisée est une couche sacrificielle en oxyde associée à une couche de polysilicium comme structure mécanique. Cette technique est utilisée pour la production de nombreux MEMS. Les capteurs ainsi obtenus sont le plus souvent basés sur la détection capacitive. La structure obtenue est insensible aux variations de température. Cette technique permet l’utilisation d’une électronique intégrée monolithique.
Micro-gravure en volume Bulk micromachining
Le micro-usinage en volume est un procédé permettant de fabriquer des structures suspendues par gravure du substrat d’un circuit intégré. La gravure du substrat peut être sèche (par exemple : Reactive Ion Etching, RIE) ou humide (par exemple : attaque chimique par KOH, TMAH, EDP). Cette technique de gravure est parfois associée à un procédé de collage de substrat (substrate bonding), par exemple : Silicon On Insulator SOI, Silicon On Glass SOG… . Ici aussi une intégration monolithique de l’électronique est possible. La technique que nous utilisons pour la fabrication de nos capteurs est une gravure en volume par la face avant (Front Side Bulk Micromachining, FSBM). La superposition des ouvertures d’oxydes définit des zones de substrat exemptes de tout dépôt, ces zones sont alors prêtes àgraver (figure 1.5). Ce procédé auto-aligné (il ne nécessite aucun alignement de masques supplémentaires) nécessite une seule étape post-process de gravure, ce qui diminue les coûts de fabrication et augmente le rendement.
La détection capacitive
La détection capacitive est la méthode la plus utilisée à ce jour pour les accéléromètres. La des accéléromètres et la force F qui en résulte : (F=mA) ; où m est la masse. L’interaction entre la force et l’accélération est réciproque. La majorité des accéléromètres fonctionne sur ce principe. On mesure l’accélération en mesurant la force exercée sur un corps d’épreuve, ou encore la déformation que cette dernière engendre sur une structure. Il existe différentes techniques pour mesurer le déplacement du corps d’épreuve, elles sont énumérées dans les paragraphes suivants. Il existe au en signal électrique. Dans cette partie nous ferons l’inventaire des principaux types d’accéléromètres existants. La figure 1.7 illustre le fonctionnement de l’accéléromètre à détection capacitive. Le “corps d’épreuve” (terme désignant la partie du capteur sensible à l’accélération, le terme “masse sismique” est aussi employé) est une électrode mobile. Une capacité est formée entre le corps d’épreuve et une partie fixe du système. La détection consiste à évaluer, lors de l’accélération, les variations de capacité lorsque le corps d’épreuve s’éloigne ou se rapproche de l’élément fixe. Les accéléromètres à détection capacitive CMOS utilisent deux types de gravure. La gravure en volume (bulk micromachining) [Xie02] où ici deux étapes post-process sont nécessaires : l’une pour supprimer le diélectrique et l’autre pour libérer la partie mobile. La gravure en surface (surface micromachining) consiste à éliminer des “couches sacrificielles” pour obtenir des structures suspendues [ADXL150/250], [Lu95]. Le gap entre les différents doigts étant très petit (de l’ordre du micron) cette technique permet de réaliser des capacités (de l’ordre du femto Farad) [Luo00]. Les structures capacitives possèdent les avantages suivants : une faible sensibilité aux variations de température, une grande sensibilité, une bonne réponse statique et une bonne performance en terme de bruit. De plus il est possible d’utiliser un retour de force sur les poutres à l’aide d’une force électrostatique [Chau95]. Ceci permet d’augmenter la robustesse du système face à des chocs élevés ou des vibrations de très grande amplitude, d’augmenter la linéarité et la stabilité, d’améliorer la réponse en fréquence [Lemkin97], et enfin d’élargir la bande passante [Lemkin99], [Luo00]. L’utilisation d’une force électrostatique procure également un moyen de pratiquer le test automatique du capteur. De par leur nature capacitive, ces structures sont sensibles aux interférences électromagnétiques. Le conditionnement de l’électronique devient ainsi plus complexe. Du fait de petites variations de capacité lors du fonctionnement, une électronique performante est exigée pour obtenir une bonne résolution. La variation de capacité en réponse aux accélérations est quant à elle non linéaire et il est nécessaire d’utiliser des architectures de pont capacitif différentiel [Xie00]. Les capacités sont souvent formées par des poutres disposées de façon à former des peignes interdigités. La figure 1.8 nous montre une structure d’accéléromètre à détection capacitive, le corps d’épreuve est un peigne mobile inter-digité avec un peigne fixe. Des capacités sont obtenues entre les doigts des peignes. Il existe des problèmes d’alignement des éléments capacitifs car les poutres formant les capacités se courbent à l’issue de la fabrication. Lors de l’usinage, les éléments libérés étant très fins, le stress résiduel lors de la libération fait courber les poutres (curling). Les éléments sensibles n’étant pas en vis-à-vis, la qualité de la capacité est ainsi dégradée. Des astuces de conception sont employées pour corriger ce problème. L’espace séparant les électrodes étant très petits (1-2µm), un soin particulier doit être accordé au packaging pour éviter la poussière et autres particules, de plus la constante diélectrique de l’air est très sensible à l’humidité. Les performances en terme de bruit sont de l’ordre du µg/√Hz pour les accéléromètres verticaux et de l’ordre de la centaine de µg/√Hz pour les accéléromètres latéraux (cette différence s’explique du fait que les accéléromètres verticaux bénéficient de plus de masse sismique et d’une distance inter-électrodes plus petite) [Najafi03].
Réponse de la structure de test aux chocs
La structure de test a été soumise à des chocs allant de 200g à 2000g. Notons que toutes les structures ainsi testées ont survécues sans dommage à ces chocs. Ceci n’est pas surprenant étant donné que cette technologie a prouvé sa fiabilité en matière de résistance aux chocs [Dardalhon03]. La figure 2.3 nous montre la réponse du capteur à un choc de 500g. La courbe fine est le signal mesuré par un capteur embarqué dans le pot vibrant tandis que la courbe en gras correspond à la réponse du circuit test. La fréquence de la pseudo période est 8,3 kHz. Elle coïncide avec la fréquence de résonance de la poutre suspendue en forme de U. Cela confirme que la réponse au choc obtenue est bien la réponse de la structure qui se met à osciller à sa fréquence de résonance. L’amplitude du premier pic (environ 1,9V) correspond à une déviation de la poutre de 6µm environ. La linéarité a été étudiée sur un faible intervalle de 200g à 700g. Cet intervalle est d’abord limité par le pot vibrant qui ne peut délivrer de chocs inférieurs à 200g, il est ensuite limité par l’électronique d’amplification qui sature pour des chocs supérieurs à 700g. Néanmoins, dans cet intervalle, si on considère l’amplitude du premier pic, le capteur a un comportement linéaire. Dans la figure 2.4, la sensibilité du capteur aux chocs est de 4mV/g.
La convection
La convection est le résultat de la poussée d’Archimède sous l’effet de la pesanteur due aux différences de densité dans un fluide. Elle désigne le transfert thermique qui a lieu entre une surface solide et un fluide non stationnaire lorsqu’ils sont à des températures différentes. Le transfert s’effectue par conduction lorsqu’il n’y a pas de mélange de matière, c’est le cas pour un fluide immobile ou un écoulement laminaire où les filets de fluides restent “parallèles” entre eux [Eyglunent]. Il est difficile d’obtenir un fluide parfaitement immobile, en effet, des courants de convection prennent très vite naissance : le fluide s’échauffe au contact de la surface solide, le fluide ainsi chauffé monte sous l’effet de la poussée d’Archimède puis se refroidi et redescend. Le transfert de chaleur par convection est constitué de deux mécanismes : la diffusion, qui est le transfert d’énergie dû au mouvement aléatoire des molécules, et le mouvement du fluide lui-même. Il existe deux types de convections : la convection libre ou naturelle où le mouvement du fluide est dû uniquement à la différence de température, et la convection forcée où ici le mouvement du fluide est dû à une action extérieure (soufflerie, pompe, etc.).
Principe de l’accéléromètre thermique
Rappelons le principe de fonctionnement de l’accéléromètre à détection thermique. Une résistance chauffante intégrée dans un pont est suspendue au dessus d’une cavité. Deux détecteurs de température (thermistances ou thermocouples) sont également suspendus au dessus de la cavité, à égale distance de l’élément chauffant, l’ensemble est placé dans un boîtier hermétique. La résistance chauffante crée un gradient de température qui est symétrique lorsque aucune accélération n’est appliquée. L’air chaud autour de la résistance chauffante est moins dense que l’air froid dans la cavité. Dans la cavité, lors d’une accélération, l’air froid plus dense va dans le sens opposé de l’accélération, chassant ainsi l’air chaud dans la direction de l’accélération. Il apparaît ainsi une variation de température sur les détecteurs, cette variation étant symétrique. En supposant que les thermistances ont une résistance et un coefficient de température identiques, ces différences de température se traduisent par des variations de résistances strictement opposées. Intégré à un pont de Wheatstone, les détecteurs traduisent l’accélération en variation de tension (figure 3.1)
|
Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Accéléromètres et technologies des MEMS
I.1 Introduction
I.2 Technologies de micro-usinage des MEMS
I.2.1 Micro-usinage en surface
I.2.2 Micro-gravure en volume
I.3 Les méthodes de transduction des accéléromètres
I.3.1 La détection capacitive
I.3.2 La détection piézorésistive
I.3.3 La détection à base de piézojonction de transistor
I.3.4 La détection piezoélectrique
I.3.5 La détection à effet tunnel
I.3.6 La detection à structures résonantes
I.3.7 La détection optique
I.3.8 La détection thermique
I.3.9 Quelques détections originales
I.4 Conclusion
Chapitre II : Mesure par transduction piézorésistive
II.1 Introduction
II.2 Etude de faisabilité : Approche expérimentale
II.2.1 Réponse de la structure de test aux chocs
II.2.2 Réponse de la structure de test aux vibrations
II.3 Etude de faisabilité : Approche analytique d’optimisation du capteur
II.4 Modélisation
II.4.1 Calcul de la flexion de la poutre sous l’effet d’une accélération
II.4.2 Modèle de masse
II.4.3 Modèle de raideur
II.4.4 Calcul de la tension de sortie
II.5 Validation du modèle statique : Simulation par éléments finis
II.5.1 Comportement sous l’effet d’une charge statique
II.5.2 Comportement dynamique
II.5.3 Etude des sensibilités hors axe
II.6 Simulations électriques
II.7 Prototype
II.8 Conclusion
Chapitre III : Mesure par transduction thermique
III.1 Introduction
III.2 Détection thermique
III.2.1 Rappels sur les transferts thermiques
III.3 Principe de l’accéléromètre thermique
III.3.1 Distribution de la température le long de la résistance
III.3.2 Transfert de chaleur dans le fluide
III.4 Prototype
III.5 Modélisation à l’aide des éléments finis
III.5.1 Modèle statique
III.5.2 Modèle dynamique
III.6 Influence de la taille de la cavité
III.7 Conclusion
Chapitre IV : Etude préliminaire d’un accéléromètre trois-axes
IV.1 Introduction
IV.2 Accéléromètre 3-axes à détection piézorésistive
IV.2.1 Simulation des performances de la structure piézorésistive
IV.3 Combinaison des transductions thermique et piézorésistive
IV.3.1 Mesure de l’accélération latérale : Transduction thermique
IV.3.2 Mesure de l’accélération verticale : Transduction piézorésistive
IV.4 Conclusion
Conclusion générale
Résumé en italien \ Riassunto
1 Introduction
2 Sensing accelerazione perpendicalre al piano
2.1 Modeli
2.2 Validazioni del modello : Simulazioni FEM
2.3 Simulazioni a livello di sistema
2.4 Risultati
3 Sensing accelerazione lungo il piano
3.1 Progetto e realizzazione del prototipoi
3.2 Risultat sperimental
3.1 Modelli termicii e simulazioni
4 Conclusioni
Références bibliographiques
Publications et Conférences
Télécharger le rapport complet
