Soutenance mémoire
Le Système international d’unités (SI)
Historique et évolution du SI
C’est à la fin du XVIII siècle, lors de la Révolution Française et le dépôt des deux étalons en platine représentant le mètre et le kilogramme aux archives de la République Française à Paris, qu’est créé le système métrique décimal, première étape vers la mise en place du Système international d’unités (SI) [1]. En 1832, Gauss propose d’associer à ce système métrique une unité de temps, la seconde en créant le système CGS (appelé aussi « système de Gauss »), système décimal fondé sur les trois unités mécaniques, le centimètre, le gramme et la seconde, à partir duquel il effectue des mesures absolues du champ terrestre. Par la suite, Gauss et Weber étendent ces mesures pour y inclure d’autres phénomènes électriques. Dans les années 1860, Maxwell et Thompson, au sein de la British Association for the Advancement of Science (BA), mettent en place un système d’unités plus complet dans le but de réaliser un système cohérent comprenant des unités de base et des unités dérivées. Il s’agit en quelque sorte du premier système d’unités qui, après quelques évolutions, donnera naissance au SI. En 1874, le système CGS est complété par les domaines de l’électricité et du magnétisme, puis en 1880, le BA et le congrès international d’électricité s’accordent sur un système mutuellement cohérent d’unités pratiques parmi lesquelles figurent l’ohm, le volt et l’ampère. Le 20 mai 1875, la convention du mètre crée le Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), le Comité International des Poids et Mesures (CIPM) et la Conférence Générale des Poids et Mesures (CGPM) qui adopte en 1889 un nouveau système (système MKS) similaire au CGS mais dont les unités de base sont le mètre, le kilogramme et la seconde. Et en 1901, le physicien Giorgi combine les unités mécaniques du système MKS aux systèmes pratiques d’unités électriques, en rajoutant aux trois unités mécaniques l’ampère pour former un seul système cohérent (système MKSA). Ce système fut approuvé par le comité international en 1946 et par la 10ème Conférence Générale des Poids et Mesures en 1954 avec l’introduction du Kelvin et de la candela [2]. En 1961, la 11ème conférence CGPM donna le nom « Système international d’unités » à ce système et en 1971 la mole fut ajoutée.
Définition, réalisation et conservation d’une unité
Un étalon est un instrument de mesure utilisé pour définir ou reproduire une unité de mesure [8]. On distingue donc deux type d’étalons : les étalons de définition, étalons qui permettent la réalisation d’une unité à partir de sa définition dans le SI, et les étalons de conservations, étalon qui assurent la représentation pratique d’une unité [9]. En métrologie, les mesures d’étalonnage sont réalisées en utilisant des étalons de référence qui sont eux même étalonnés périodiquement. Il existe donc plusieurs types d’étalons que l’on peut classer par niveau d’incertitude (Fig.1) :
– Les étalons primaires, étalons de plus haute qualité, ils sont capables de matérialiser (réaliser) une unité à partir de sa définition dans le Système international. Ces étalons sont utilisés comme des références absolues.
– Les étalons secondaires, qui sont étalonnés à partir d’étalons primaires de même nature, sont habituellement réalisés pour la mise en œuvre d’étalons commerciaux.
– Les étalons de travail ou étalons de contrôle qui sont couramment utilisés pour étalonner ou contrôler les instruments de mesure.
Les références de tension électrique
En métrologie électrique, les grandeurs peuvent être définies en courant continu (DC) ou en courant alternatif (AC). Les étalons et les méthodes de mesures sont alors complètement différents. En courant continu, le volt est conservé au niveau primaire en utilisant l’effet Josephson donnant lieu à des étalons quantiques d’une très grande précision. Suivent ensuite des étalons secondaires que sont les piles étalons et les diodes Zener. En courant alternatif, les seules références de tension sont générées par des réseaux de jonctions Josephson utilisés comme des convertisseurs analogique-numérique programmables. Cependant, ces techniquessont encore au stade du développement expérimental. L’alternative à l’absence de référence de tension AC est de recourir jusqu’à présent aux techniques de transferts AC-DC utilisant des convertisseurs thermiques.
Références de tension en courant continu
Effet Josephson
L’effet Josephson a été prédit en 1962 par B. Josephson [11] et se fonde sur les effets remarquables de la supraconductivité, phénomène quantique macroscopique qui apparaît à très basse température dans certains métaux. L’effet Josephson est fondé sur un effet quantique : lorsque deux métaux supraconducteurs sont séparés par une couche isolante suffisamment fine, les électrons peuvent traverser la barrière par effet tunnel .
Diode Zener
Les références à diodes Zener sont actuellement les étalons secondaires les plus faciles d’emploi par leur robustesse aux chocs et aux éventuels courts-circuits. Le principe de ces références se base sur la variation brutale du courant lorsque la tension inverse atteint une valeur seuil (Fig.5). Lorsque la jonction pn de la diode est polarisée en inverse un champ électrique se créé à l’intérieur de la zone de charge d’espace impliquant l’augmentation de la force électrique. Cette force électrique devient alors supérieure à la force de liaison des électrons de valence sur les noyaux permettant ainsi leurs libérations et rendant le matériau conducteur. Ce champ électrique maximum que l’on peut établir dans le semi-conducteur provoque l’excitation directe d’un électron lié de la bande de valence vers la bande de conduction. Les porteurs ainsi libérés sont assez nombreux pour que le courant augmente brutalement lorsque la tension inverse atteint sa valeur seuil Vz [16]. L’électron est alors directement émis par effet tunnel à travers la zone de charge d’espace empêchant la tension inverse d’augmenter au-delà de la tension de claquage (Vc=Vz).
Généralement, la tension d’avalanche (tension Zener VZ) est mise à profit pour servir de référence de tension. Si on injecte un courant inverse correspondant au franchissement du seuil d’avalanche dans la diode, des variations importantes de ce courant se traduiront par une tension pratiquement constante aux bornes de la diode tant que l’on reste au-delà de la tension d’avalanche. Les diodes Zener, ont en outre une propriété intéressante, un coefficient de température qui dépend essentiellement de la valeur nominale de VZ. Il varie de façon monotone et s’annule pour une valeur VZ de l’ordre de 6 V. L’utilisation des diodes Zener comme étalon de tension provient justement de la possibilité de compenser cet effet de température. Une référence à diode Zener est compensée en température par le biais d’une mise en série avec un transistor (les deux éléments constituant un composant unique). C’est en fait le schéma de principe des références de tension de type Fluke 732B qui sont utilisées par une grande majorité des LNMs (Fig.6). Le coefficient de température du système est la somme du coefficient légèrement négatif de la diode Zener utilisée (VZ compris entre 6,5 V à 7 V) et du coefficient positif du transistor (de type n-p-n) dont la valeur dépend du courant IC appliqué au collecteur [17,18]. La tension de sortie de l’ensemble (diode Zener – transistor) est amplifiée au niveau de 10 V avec un gain ajusté au moyen de deux résistances, l’une de valeur fixe, l’autre étant ajustable. Les références sont également munies d’une sortie 1,018 V obtenue au moyen d’un diviseur résistif. Enfin, pour minimiser davantage l’influence de la température sur la tension, tous les éléments critiques (diode, transistors, résistances) sont placés dans une enceinte régulée en température.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I : Références de tension et Microsystèmes
I. Le Système international d’unités (SI)
I.1. Historique et évolution du SI
I.2. Mesures, grandeurs et unités
I.3. Définition, réalisation et conservation d’une unité
II. Les références de tension électrique
II.1. Références de tension en courant continu
1.1 Effet Josephson
1.2. Diode Zener
1.3. Autres principes
II.2. Référence de tension en courant alternatif
2.1. Effet Josephson
2.2. Transfert thermique
III. Les Systèmes Micro-Electromécaniques (MEMS)
III.1. Introduction
III.2. Techniques de fabrication
III.3. Les MEMS appliqués à la métrologie
IV. Références de Tension à base de MEMS
IV.1. Principe de fonctionnement
1.1. Actionnement par une tension continue
1.2. Actionnement par courant alternatif
IV.2. Stabilité des références de tension MEMS
2.1. Stabilité mécanique
2.2. Paramètres électriques
IV.3. Rappels des objectifs du travail de thèse
Chapitre II : Conception des Microsystèmes
I. Architectures MEMS
I.1. Structures à débattement vertical
I.2. Structures à peignes interdigités
II. Modélisations des MEMS
II.1. Analyse par éléments finis sous CoventorWare
II.2. Simulations sous Architect
III. Procédé de fabrication
III.1. Procédé technologique de fabrication
1.1. Caractéristiques des wafers
1.2. Réalisation des MEMS
1.3. Réalisation du capot en silicium
1.4. Assemblage des deux wafers
III.2. Echantillons réalisés
2.1. Structures à débattement vertical
2.2. Structures à peignes interdigités
III.3. Montage des puces
IV. Electronique de commande
IV.1. Electronique de commande simple
1.1. La source de courant
1.2. Contre-réaction sur un amplificateur imparfait
1.3. Réalisation pratique
IV.2. Electronique à modulation d’amplitude (AM)
2.1. Principe
2.2. Réalisation de l’électronique à modulation d’amplitude
V. Montages expérimentaux
V.1. Mesure en tension continue (C-V)
V.2. Mesure en courant alternatif (U-I)
Chapitre III : Etude et caractérisation des MEMS à débattement vertical
I. Etude des structures MEMS de test
I.1. Design des structures
I.2. Calculs et modélisations
I.3. Validation numérique
I.4. Résultats expérimentaux
I.5. Synthèse et recommandations
II. MEMS fonctionnels
II.1 Design des MEMS fonctionnels
II.2 Calculs et modélisations
II.3 Résultats expérimentaux
3.1. Caractéristiques électriques
3.2. Mesure en régime transitoire (Deep Level Transient Spectroscopy)
3.3. Evaluation de la stabilité de la tension de référence
II.4. Conclusions préliminaires
III. Procédé technologique dédié
III.1. Design des composants
III.2. Procédé technologique de fabrication
3.1. Gravure de l’électrode mobile
3.2. Réalisation de l’électrode supérieure fixe
3.3. Assemblage
Chapitre IV : Etude et caractérisation des MEMS à débattement horizontal
I. Design des structures
I.1. Calcul de la position de pull-in
I.2. Modélisations avec CoventorWare
2.1. Modélisations par éléments finis sous Analyser
2.2. Modélisations avec le module Architect
II. Résultats expérimentaux
II.1. Mesures en tension continue
II.2. Mesures en courant alternatif
II.3. Mesure en régime transitoire
II.4. Mesures de caractérisation de la tension de référence Vpi
4.1. Etude de la stabilité de Vpi
4.2. Etude de la tension de Vpi en fonction de la température et de l’humidité
4.3. Etude de la tension de Vpi en fonction de la fréquence
III. Nouvelle approche
III.1. Principe
III.2. Réalisations pratiques
2.1. Design réalisé
2.2. Modélisation de la structure
Conclusion générale
Bibliographie
