ème rencontre des électroniciens FabriceMathieu 30...

17ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013


1. LeMEMS(MicroElectroMechanical Systems)• Définition• Domainesd’application• Principedefabrication

2. Latransduction• Définition• Lesprincipalestransductionsetleurprincipededétection

3. Exemple• Miseenœuvre:Résonateurpiézoélectrique

Plan


Définition

LeMEMS(MicroElectroMechanical System)

C’est un système électromécanique de dimensions submillimétriquesqui permet, par le biais de transducteurs, de transformer uneinformation électrique en information mécanique de mouvement ouvice‐versa.

Par extension, on appelle MEMS tout système micrométriqueassurant une transduction vers le domaine électrique ou vice‐versa.Cette transduction peut être mécanique, chimique, biologique,optique, physiologique ….

Le terme de NEMS(Nano ElectroMechanical Systems)est maintenant couramment utilisé


Domainesd’application:L’automobile, les transports

Capteur de pression des pneusCapteur d’échappementCapteur luminositéRadar de reculeRégulation moteurCapteur de pluieAnti pincementHypovigilanceAir bagGyroscopeAccéléromètre……


Filtres, oscillateursMicro miroir (projecteur)CaméraCapteur de luminositéMicrophoneAccéléromètreGyroscope…….

Domainesd’application:L’automobile, les transportsLa téléphonie, l’usage domestique


Analyse de sang, d’urée, …Surveillance et diagnosticRobotique chirurgicaleGénomiqueImplants , crânien, auditif …Pace Maker…..

CardioMEMSSurveillanceduglaucome

Domainesd’application:L’automobile, les transportsLa téléphonie, l’usage domestiqueLa santé, la médecine


Analyse de l’eau, de l’airCapteur de gaz, de fumées, de PhCapteur de RayonnementTempératureHumiditéVentAlarmeSurveillance…….

Domainesd’application:L’automobile, les transportsLa téléphonie, l’usage domestiqueLa santé, la médecineL’environnement, l’habitat


L’automobile, les transportsLa téléphonie, l’usage domestiqueLa santé, la médecineL’environnement, l’habitatLa défense

Détection chimique, biologique,bactériologique

Vision nocturneArmementDrones…….

Domainesd’application:


L’automobile, les transportsLa téléphonie, l’usage domestiqueLa santé, la médecineL’environnement, l’habitatLa défenseL’industrie

Sécurité industrielleContrôle des émissionsContrôle des rejetsContrôle des procédésAutomatisation…….


Capteurdedébitdegaz


L’automobile, les transports

La téléphonie, l’usage domestique

La santé, la médecine

L’environnement, l’habitat

La défense

L’industrie


Bref:ilssontpartout





Plan


Silicium(525µm)

Oxydedesilicium(1µm)

Réalisation& &

10étapesdefabricationSubstratdetypeSOI:Silicon‐On‐Insulator(Siliciumsurmatériauisolant)

Siliciummonocristallin(5µm)

Principedefabrication:Micro‐membranerésonantepiézoélectrique


1 Dépôtd’unoxydedesiliciumdepassivation(isolant)

Réalisation& &

10étapesdefabrication

Dioxydedesiliciumdepassivation(Si02 PECVD,100nm)

Principedefabrication:Micro‐membranerésonantepiézoélectrique


Titane/Platine(Ti/Pt=10nm/140nm)

Réalisation& &


Principedefabrication:

2 Dépôtdel’électrodeinférieureetdesapisteélectrique

Micro‐membranerésonantepiézoélectrique


3 Dépôtdumatériaupiézoélectrique

Réalisation& &



Titano‐zirconate dePlomb(PZT)



4 Dépôtd’unecouronned’isolationélectrique

Réalisation& &



Oxydedezirconium(ZrO2,1OOnm)



5 Dépôtdel’électrodesupérieureetdesapisteélectrique

Réalisation& &



Titane/Platine(Ti/Pt=10nm/140nm)



6 Dépôtd’unnouveloxydedepassivation(isolationélectrique)etouverturedescontactsRéalisation& &



Oxydedepassivation(SiO2 PECVD,100nm)

Ouvertureducontactdel’électrodesupérieure

Ouvertureducontactdel’électrodeinférieure



7 Renforcementdesplotsdecontact

Réalisation& &



Dépôtd’unecouchedeTitane/Or(Ti/Au=100nm/700nm)



8 Dépôtd’unecouchedefonctionnalisation

Réalisation& &



Dépôtd’unecouchedeTitane/Or(Ti/Au=10nm/100nm)



9 Ouvertureprofondedusiliciumpargravureioniqueréactive(Deep‐RIE)EnfacearrièreRéalisation& &



Oxydeenterré(couched’arrêt)



10Gravuredel’oxydeenterréparvapeursd’acidefluorhydriqueEnfacearrièreRéalisation& &



Libérationdelamembrane

d’épaisseur5µm



Réalisation& &



1mm






Plan


Latransduction

C’est le phénomène qui convertit un type de signal en un autre type designal. D’une grandeur physique en grandeur électrique, par exemple.

Certain de ces phénomènes sont réversibles.

Dans la majorité des cas les MEMS répondent à des transductions detype électromécanique oumécano‐électrique

Transductionmécano‐électrique Capteur

Transduction électro‐mécanique Actionneur

Définition


LatransductionLatransductionélectromagnétique

Bf(t)

i(t)

. ∧

Si B est constant et i de la formei(t) = I sin(ωt)AlorsF(t) = l . B . I sin(ωt)

Aveclcorrespondantàlalongueurdelastructure

Lastructuredupontestmiseenmouvementparlecourantinjecté

L’actionnement

Inductiondecourantdanslespistesvoisinesprésentessurlapartieenmouvement!


LatransductionLatransductionélectromagnétique

Si B est constant et que la structure sedéforme sous l’action d’une forceextérieureF(t) = F sin(ωt)

Alors il y a création d’un courant induit

i(t) = sin(ωt)

Ladétection

vout(t) = ‐R sin(ωt)

Avantage: FacileàmettreenœuvreLargebande

Inconvénient: ChampmagnétiqueimportantPastoujourscompatible

0

+

-

OUT

R

Bf(t)

i(t)

. ∧


LatransductionLatransductionélectrostatique

L’actionnement

v : Tension d’excitationS : surface des électrodes en vis‐à‐visε : Perméabilité dumilieud : Distance entre les armatures

Lastructuredupontestmiseenmouvementdanslesensdelaforceappliquée

Fonctionnementnonlinéaire

Laforcevarieavecl’inverseducarrédeladistance.

Risquedecollage

!


LatransductionLatransductionélectrostatique

Ladétectioncapacitive

vout(t) = v(t)

.v(t)

vout(t) = .v(t)

Avantage: Facileàmettreenœuvre

Inconvénient: Nonlinéaire

Le mouvement de la structure du pontmodifie l’épaisseur e de la capacité forméeentre les deux électrodes Cmes.

Cette variation de capacité génère unevariation de charges.


LatransductionLatransductionélectrothermique

La déformation par dilatation sous l’effet de variation thermique peut permettre la mise enmouvement de structures.

L’actionnementpareffetbilame

La variation de température est facilementréalisée par l’effet joule en injectant un courant decommande sur des pistes prévues à cet effet.

La faible dimension de ces structures permetd’obtenir des inerties thermiques inférieures à lamicro seconde.

Avantage: FacileàmettreenœuvreUtiliséencommutation

Inconvénient: Lent,NonlinéaireEffetbistable


LatransductionLatransductionpiézoélectrique

E

Effetpiézoélectriqueinverse

L’actionnement(effetinverse)

L’application d’un champ électrostatique entredeux électrodes de la structure provoque unedéformation proportionnelle.

Lesmatériauxpiézoélectriques sontdescéramiques,ils ont un comportement capacitif.

Utilisation : Quartz, microphones,micro‐actionneurs

Avantage: Linéaire,facileàutiliser,Effetdual.

Inconvénient: Délicatàfabriquer


vout(t) =v(t)+ .

LatransductionLatransductionpiézoélectrique

+++++

Effetpiézoélectriquedirect

Ladétection(effetdirect)

L’application d’une force de pression sur lematériau génère une quantité de chargesélectrique proportionnelle à sa déformation

Comme pour la détection capacitive,l’amplificateur de charge est facilementutilisable.

Avantage: Linéaire,facileàutiliser,Effetdual.


: Capacité de la structure piézo.: Coefficient piézoélectrique;: Déplacement


LatransductionLatransductionpiézorésistive

Ladétection

R

RLa déformation du matériau provoqueune variation proportionnelle de sarésistance.

Avantage: Linéaire,facileàutiliser,Inductifenfréquence.


vout(t)= +∆ . i(t)

∆ : Variationrelativedelapiézorésitance.: Déplacement



2. Latransduction• Définition• Lesprincipalestransductionetleurprincipededétection


Plan


MiseenœuvreMesureparvibromètre laser

Excitation externe par une pastille piézoélectrique, détection optique parinterférométrie.Elle permet de voir les différentsmode de résonance.

F6‐S8R


MiseenœuvreModélisationdelacouchepiézoélectrique

+ ;

+Si

SiO2C1

Cpz

C0

Pt PZT Pt

Rs1 Rs2

Rpz

Trouver un modèle prenant en compte l’ensemble desparamètres du circuit.

‐ Les pistesmétalliques d’interconnexions (résistance, self)‐ Les capacités parasites‐ L’élément de transduction


MiseenœuvreModélisationdelacouchepiézoélectrique

Extractiondesparamètres

1

cos ; sin

: Résistance de fuite: Capacité totale: Résistance série

Transformation ‐

Mesure d’impédance ‐

Si

SiO2C1

Cpz

C0

Pt PZT Pt

Rs1 Rs2

Rpz

+ ;

+


MiseenœuvreSimulationcomportementale

vout(t) = . V .

:Coefficientpiézoélectrique


MiseenœuvreMesures

200k 400k 600k 800k 1M0

10m

20m

30m

40m

Out

put V

olta

ge (V

)

Frequency (Hz)

Gain = 0,957 Gain = 0,962 Gain = 0,967

- 0,5% de décompensation

+ 0,5% de décompensation

Compensation globale

Compensation optimale

Tension d’excitation :V =40mV

280k 285k 290k 295k4m

6m

8m

10m

Out

put V

olta

ge (V

)

Frequency (Hz)

825k 830k 835k 840k 845k 850k2m

4m

6m

8m

Out

put V

olta

ge (V

)

Frequency (Hz)

F6‐S9R


Conclusion

L’électronique est indispensable pour le fonctionnement desMEMS.

Elle dépend :de l’application visée,des transductions utilisées,de la conceptionmêmeduMEMS.

Suivant ces paramètres on peut :Modéliser leMicrosystèmeDéfinir les schémas d’actionnementsDéfinir les schémas de détections(Il y a souvent plusieurs techniques pour détecter une transduction donnée)

Lemeilleur Système est toujours le plus simple répondant au besoin


Merci!

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