Etude de l’actionnement électrostatique d’une membrane en...

Rre

Ministre de lEnseignement Suprieur et de la Recherche Scientifique

Universit Aboubekr Belkad - Tlemcen******************************************

Facult de TechnologieDpartement de Gnie Electrique et Electronique

Mmoire pour lobtention du diplme deMaster en Instrumentation

lectronique

Sur le thme

Etude de lactionnement lectrostatique

dune membrane en Silicium-Contrle du

volume inject par une micro pompe

Prsent par :

BEDRANE ASMAA

Soutenu en Dcembre 2013

Devant le jury compos de:

*******************************************************************************************************************

Prsident : Ghaffour Kheir-eddine ProfesseurUABBTlemcen

Encadreur : Benmoussa Nasreddine MA.UABBTlemcen

Examinateur : Bouazza Benyouns MatredeconfrencesA.UABBTlemcen

Examinateur : Soulimane Sofiane MatredeconfrencesA.UABBTlemcen

Invit : Otmani Redouane Matre assistant B. U Tiaret

Anne universitaire : 2012/2013

Ddicace

A

Mes parents.

Mon mari et ma fille.

Mes frres et ma sur.

Mon neveu.

A toute la famille BEDRANE et KAHOUADJI.

A mes enseignent et mes amis.

Remerciement

Je tiens remercier Monsieur Nasr-Eddine Benmoussa matre de

confrences luniversit de Tlemcen, qui a assur lencadrement de mon

travail o il a t une source de motivation et dencouragement. Je tiens lui

exprimer ma gratitude pour toutes les aides quil ma apportes du dbut jusqu

la fin.

Je remercie Monsieur Kheir-Eddine Ghaffour, professeur luniversit de

Tlemcen, pour avoir accept dtre prsident du jury de mon mmoire.

Jadresse mes vifs remerciements Messieurs : Benyouns Bouazza,

maitre de confrences luniversit de Tlemcen, Sofiane Soulimane, maitre de

confrences luniversit de Tlemcen, pour lhonneur quils mont fait en

acceptant de participer ce jury.

Je tiens aussi remercier Monsieur Abdelkader Benichou et Monsieur

Neggaz Ali Moussa ; Doctorants luniversit de Tlemcen, pour laide quils

m'ont apport dans mon travail.

Je tiens exprimer toute mon amiti mes camarades pour les bons

moments que nous avons passs ensemble, pour leurs sympathies et leurs

disponibilits.

Enfin, je voudrais remercier trs chaleureusement mes parents pour leurs

soutien dterminant, et leurs quilibre et envie de russir.

Asmaa

Chapitre1

I. Les microsystmes

1. Introduction

2. Familles des MEMS

2.1 Dfinition

a. Dfinition d'un capteur:

- Dfinition 1

- Dfinition 2

- Dfinition 3

b. Chane de mesure

c. Dfinition d'un microactionneur

3. Structure gnrale d'un MEMS

4. Les dimensions

5. Pourquoi la miniaturisation

6. Pourquoi la miniaturisation

a. Le Silicium et ses caractristiques

b. Les autres matriaux

7. Domaines d'applications des MEMS

II. Les actionneurs

1. Introduction

a. reprsentation schmatique d'un actionne

a. reprsentation schmatique d'un actionneur

b. exemples d'actionneur

3. Les diffrents types d'actionnements

3.1 Actionnement lectrostatique

3.2 Actionnement magntique

3.3 Actionnement pizo-lectrique

Chapitre1

3.4 Actionnement thermique

III. Conclusion

Chapitre2

I. Introduction

II. Les microsystmes fluidiques

2.1. Les microsystmes fluidiques : historique et applications.

a. La situation dans le monde

b. Les applications et les verrous

III. Etat de l'art de la micro-pompe

3.1 Dfinition

3.2 Le principe de fonctionnement

3.3 Le schma synoptique

3.4 Les diffrents types de la micropompe

3.4.1 Micropompe Pizo-lectriques

3.4.2. Micropompe lectrostique

3.4.4.Micro-pompe Pneumatique

3.4.3. Micro-pompe thermo-pneumatique

IV. L'importance de la micro pompe

V. Etude globale sur l'actionnement lectrostatique

5.1. Constitution d'un actionneur lectrostatique

VI. Conclusion

CHAPITRE3

Introduction

I-1 Dfinition de la membrane

I-2 Etude de la dformation

I-2-1 Mise en quation

I-2-2 Rsolution Analytique

I.2.3 Calcul du volume par intgration numrique

Chapitre1

I.2.3 Calcul du volume par intgration numrique

I.3.2: variation du volume en fonction de la tension pour diffrentes paisseurs de la

membrane (h):

CHAPITRE4

Introduction

I. LES TECHNIQUES SPECIFIQUES DE FABRICATION DES MICROSYSTEMES

I.1 Limplantation ionique

I.2 La photolithographie

I.3Le recuit thermique

I.4 Les techniques de gravures et micro-usinage compatibles CMOS (ComplementaryMetal Oxide Semi-conducteur)

I.4.2 Micro-gravure en volume Bulk micromachiningGravure en volume sche

a.1. Gravure par plasma

a.2. Gravure ionique ractive

b.Gravure en volume humide

b.1.Gravure isotrope

b.2.Gravure anisotrope

I.4.3 Micro-usinage en surfaceI.4.4 La soudure anodiqueII. Principales tapes technologiques de fabrication de la micro-pompe

III. CONCLUSION

Conclusion gnrale.

Glossaires

Liste des notations utilises :

constante lie aux caractristiques mcaniques du silicium.

b longueur de la membrane rectangulaire.

a largeur de la membrane rectangulaire.

C capacit entre armatures.

e distance entre les armatures.

D coefficient de rigidit.

0 permittivit du vide.

E module dYOUNG.

h paisseur de la membrane

p pression diffrentielle.

R rapport des cots de la membrane.

S surface de la membrane.

u,v coordonnes normalises.

W dflexion de la membrane.

Wn dflexion normalise de la membrane.

coefficient de POISSON.

Introduction gnrale

Introduction gnrale

1

Introduction Gnrale

L'industrie de la microlectronique augmente sans cesse la densit d'intgration de

transistors par puce, dans le but d'amliorer les performances des circuits intgrs. La loi de

Moore nonce des 1965 par Gordon Moore, ingnieur de Fairchild Semiconductor (co-

fondateur dIntel), indiquait que la densit d'intgration sur silicium doublerait tous les 18

mois, ce qui implique la rduction de taille des transistors. A ce jour, cette prdiction sest

rvle exacte, avec pour consquences lapparition sur le marche de systmes lectroniques

de moins en moins couteux et de plus en plus performants. Cette volution quasi-

exponentielle est le fruit de progrs fulgurants de la recherche en micro lectronique tant aux

niveaux des procds, des techniques de conception que des architectures. Cependant des

limites technologiques semblent se profiler l'horizon comme la finesse de la gravure, l'inter

connexion, la densit de composants

Depuis l'apparition du premier transistor en 1947, et du premier circuit intgr inventen 1958 par Jack Kilby (Ingnieur Texas Instrument) [INTEL99], les technologiques n'ontcess d'voluer, et placent aujourd'hui l'industrie du semi-conducteur au premier plan dumarch de l'lectronique. Les technologies silicium comme les technologies CMOS(Complementary Metal Oxide Semi-conductor) ont t trs largement instaures, etreprsentent aujourd'hui environ 75% du march du semi-conducteur. Cette volution estlargement cofinance par l'explosion de la micro-informatique, des multimdias et systmesde communication pour qui les besoins sont de plus en plus grands en termes deperformances. Ces quinze dernires annes ont t les tmoins d'un effort constant visantl'intgration de fonctions de plus en plus complexes. Pour situer cette volution, on peuts'intresser tout particulirement l'volution des processeurs et des mmoires, reprsentesen figure 1a et1b respectivement. Le premier graphe donne l'volution de la complexit desmicroprocesseurs en prcisant le nombre de transistors. On s'aperoit que l'on est pass dequelques dizaines de milliers de transistors pour les premiers processeurs (8086 en1982), plusieurs dizaines de millions de nos jours, avec la sortie du Merced en 1999. Pourinformation, le premier processeur a t invent par INTEL en 1972. Il s'agit du 4004,compos de 2300 transistors et capable de traiter 60000 oprations par seconde unefrquence de 108KHz. La figure 2 reprsente une microphotographie du processeur 4004 etdu Pentium II de INTEL. Il en va de mme pour l'volution des mmoires RAM (RandomAccess Memory) qui sont passes de quelque kilos-bits quelques Giga-bits stocks enl'espace de quelques annes.

La conception des micros systmes requiert des comptences multi disciplinaires

ncessitant la collaboration de plusieurs groupes de diffrentes spcialits. Ces groupes ont

leurs propres mthodologies de travail et leurs langages de modlisations qui sont spcifiques

un domaine particulier.

Introduction gnrale

2

Figure:1a Figure:1b

Ce mmoire pour objet dtudier le phnomne (actionnement lectrostatique) dune

membrane en silicium pour injecter une quantit infime de fluide et en particulier des

mdicaments par micro-pompage. Cette dernire devient une avenu de premier choix pour le

traitement de pathologie comme le diabte qui ncessite avant une seringue injection

dinsuline qui a t invent en 1853 par lorthopdiste franais Charles Gabriel PARAVAZ,

mais grce au dveloppement de la technologie des MEMS, linjection de linsuline est

transmise par le biais dune pompe de taille dun tlavertisseur situ lextrieur du corps

humain et reli une canule sous cutan afin de contrler le dosage en fonction du besoin

corporel.

Pour cela, nous proposons dans le premier chapitre des notions sur les microsystmes et les

diffrents types dactionnement.

Dans le deuxime, chapitre nous donnerons un aperu sur les micro-pompes diffrents

types d'actionnements.

Le troisime chapitre portera sur la modlisation dtaille de la structure de la micro-

pompe. Aprs une mise en quation du modle, on utilise une mthode semi analytique pour

la rsolution. La mthode qui sera utilise sera la mthode de GALERKIN.

Enfin le dernier chapitre sera consacr aux principales techniques utilises dans les

procds technologiques de fabrication des microsystmes.

Chapitre 1 :

Notions sur les Microsystmes et

Micro-actionneurs

Chapitre I : Notions sur les microsystmes et les micro-actionneurs

1

I. Les microsystmes:

1- Introduction:L'histoire des microsystmes commence par une confrence donne par le professeur

Feynman (figure I.1) au CALTECH lors de la runion annuelle de l'American Physical Society

en dcembre 1959. Le titre de son allocution "Theres Plenty of Room at the Bottom", que l'on

peut interprter par : Il y a plein d'espace en bas de l'chelle. Feynman voulait attirer l'attention

sur l'intrt de la miniaturisation, non pas en terme de taille ou de volume, mais sur le fait que la

miniaturisation d'un systme rend possible la multiplication des fonctions ralises par ce

systme ou de la quantit d'informations stocke par ce dernier. [1].

Figure I.1 : Dr. Richard Feynman.

C'est Feynman qui parla le premier de micromachines et qui comprit leur intrt et les

problmes soulevs par la physique et la mcanique des petites dimensions. C'est quelques

annes aprs l'apparition des premiers circuits intgrs en 1958, par le rcent Prix Nobel Jack

Kilby, que l'on dcouvrit la possibilit de fabriquer des structures mcaniques avec des

technologies drives de la micro-lectronique et notamment la lithographie et le dpt de

couches minces.

Les dveloppements de la micromcanique ont t motivs par le fait que les matriaux de

la micro-lectronique comme le silicium et le silicium polycristallin (appel galement

polysilicium) possdaient des proprits mcaniques intressantes pour les applications vises.

En effet, le silicium et le polysilicium ont de trs bonnes proprits mcaniques (par exemple de

modules d'Young trs levs (respectivement 190 et 160 Gpa)). Ils fonctionnent le plus souvent

dans le domaine lastique et non plastique.

La technologie MEMS est utilise partout. Elle est la plus populaire pour le march

automobile des capteurs (airbag, systme de scurit, suspension, chappement). Elle est utilise

aussi pour le march industriel (dtection de tremblement de terre, perception de choc, robot)

le march domestique (ordinateur, portable, systme de navigation) et militaire (chasse avion,

quipement des soldats...). Le domaine le plus promoteurs concerne les applications biomdical.

Les capteurs peuvent tre utilises pour mesurer la pression, on les contraintes comme dans les

instruments chirurgicaux. Les actionneurs comme les micro-pompes sont utilises en dosage des

mdicaments et les analyseurs dADN... [2]


2

2- Familles des MEMS :

"MEMS" est un acronyme anglais pour Micro Electro-Mechanical Systems qui peut se

traduire par "micro-systmes lectro-mcaniques".

Il y a plusieurs familles de MEMS : les MOEMS (pour lOptique), les RF-MEMS (switchs

Radio Frquences), les BIO-MEMS (pour la biologie avec les lab-on-chip) et les MAGMAS

Micro- Actionneurs et Gnrateurs MAgntiques, ou MAGnetic Micro-Actuators &

Systems), chacune pouvant comporter des actionneurs ou des capteurs. C'est une trs grande

famille mais qui se partage pour le moment un trs faible nombre de produits industriels ou

grand public. Parmi eux, il faut noter : les ttes dimprimantes, les capteurs dair bag, les

matrices actives de -miroirs dans les vido- projecteurs, les boussoles et altimtres intgrs dans

les montres sportives, les ttes de disques durs

Ce secteur reste trs proche de la recherche car il y a encore beaucoup de progrs faire

afin de dcouvrir et de stabiliser de nouveaux procds, de dvelopper de nouveaux matriaux ou

encore de crer de nouveaux logiciels de simulation. [3]

2.1- Dfinition :

La dnomination MEMS provient de labrviation anglaise de Micro-Electro

Mechanical Systems (systmes micro-lectro-mcaniques). Sous cette abrviation, il y a trois

dfinitions relativement quivalentes :

Dfinition amricaine (MEMS) :Le terme MEMS (Micro Electro Mechanical System) est le plus utilis. Il sagit dun micro

dispositif ou dun systme intgr qui combine des composants lectriques ou mcaniques

fabriqus avec les techniques de la micro-lectronique conventionnelle (croissance doxyde,

dpt de matriaux, lithographie...), et avec certaines techniques spcifiques telles que la

gravure. Leurs dimensions varient en taille du micromtre au millimtre. Ces systmes

runissent le traitement de linformation avec la capture et laction afin de pouvoir changer la

faon avec laquelle on peroit et on contrle le monde physique.

Dfinition europenne (MS) :Les microsystmes sont des systmes miniaturiss intelligents qui combinent de manire

monolithique ou non des capteurs et des actionneurs des fonctions de traitement du signal et de

l'information.

Dfinition japonaise :Au Japon laccent est donn aux micromachines qui sont composes dlments

fonctionnels de la taille de quelques millimtres et capables de raliser des oprations

microscopiques complexes.

On appelle microsystme, un systme de taille micronique fabriqu selon les procds collectifs

intgrant au moins deux des fonctions suivantes :


3

Figure I.2: schma de principe d'un MEMS.

a. Dfinition d'un capteur:

Figure I.3: Reprsentation modulaire d'un capteur.

- Dfinition 1:

- Un Capteur est un dispositif qui sert traduire une grandeur physique, chimique ou

biologique (le mesurande) en une autre grandeur plus vidente nos yeux.

Le plus souvent, on cherche gnrer un signal lectrique (signal de sortie)

reprsentatif de la grandeur mesurer.

- Dfinition 2:

- Un transducteur est le sige de la traduction du mesurande en une autre grandeur

physique (souvent une grandeur intermdiaire qui sera traduite son tour en signal lectrique).

- Dfinition 3:- Le mode de transduction est l'effet physique mis en uvre pour traduire un

mesurande en grandeur lectrique : transducteurs pizolectrique, pizorsistif, pyrolectrique,

lectrostatique, magntostrictif, thermo-lectrique, photo-lectrique,

Les capteurs de type passif (le signal dlivr est une variation dimpdance) ncessitent

une source dnergie lectrique pour que lon puisse lire la valeur de la mesure s . Le circuit

dans lequel ils sont incorpors sappelle le conditionneur. Les capteurs actifs nont pas besoin de

conditionneur.

Capteur Traitementde signal

Actionneur


4

Le capteur est le premier lment de la chane de mesure, il transforme les grandeurs

physiques ou chimiques non lectriques en un signal lectrique.

La grandeur mesurer est appele mesurande m . Le rle du capteur est donc de

convertir m en une grandeur lectrique quon appellera la mesure s .

La fonction mFs dpend souvent dautres grandeurs physiques propres lenvironnement (temprature, humidit, etc.). Ces grandeurs sont appeles grandeurs

dinfluence.

Figure I.4 : Principe dun capteur.

b. Chane de mesure :

Cest une suite dlments transducteurs et dorgane de liaison dun instrument de mesure

allant du capteur qui est le premier lment au dispositif dindication, de stockage ou de

traitement qui en est le dernier lment.

En gnral, le signal dlivr par le capteur nest pas directement utilisable et a besoin dtre

amplifi, adapt, converti, linaris, digitalis, etc... Lensemble des circuits et appareils qui

assure ces oprations est appel circuit de traitement.

Pour obtenir une image dune grandeur physique, on fait donc appel une chane de mesure

qui peut faire intervenir plusieurs phnomnes diffrents. Par exemple, la mesure dun dbit peut

se faire en plusieurs tapes :

Transformation du dbit en une pression diffrentielle,

Transformation de la pression diffrentielle en la dformation mcanique dune membrane,

Transformation de la dformation mcanique en une grandeur lectrique travers un circuit

lectronique associ.

Lensemble de ces tapes constitue la chane de mesure.


5

Figure I.5 : constitution dune chane de mesure classique.

c. Dfinition d'un microactionneur:

Cest un dispositif qui transforme une nergie (gnralement lectrique) en un mouvement

contrlable.

Nous pouvons dire aussi que les actionneurs sont les convertisseurs lectromcaniques

conus pour mettre en mouvement des systmes mcaniques partir de commandes lectriques.

Le choix du principe dactionnement le plus souhaitable dpend de plusieurs facteurs

comme :

la force recherche

la quantit de mouvement recherche

taille (petite taille ?? Grand dplacement)

vitesse...

3. Structure gnrale d'un MEMS:

Comme l'illustre la figure (I.5) si l'on devait reprsenter la structure gnrale d'un

MEMS, on pourrait dire que c'est un composant compos de quatre composants de base suivants:

Microlectroniques (Micro Electronics)

Micro-capteurs (Micro Sensors)

Micro-actionneurs (Micro Actuators)

Microstructures (Micro Structures)

Les lments microlectroniques d'un MEMS sont trs similaires aux chips lectroniques

comme nous connaissons aujourd'hui. L'lment microlectronique agit comme le (cerveau) du

systme. Il reoit des donnes, les traite, et prend des dcisions. Les donnes reues proviennent

des lments micro-capteurs du MEMS.

Corpsd'preuve

Capteurintermdiaire

Conditionneur

Mesurandeprimaire

Mesurandesecondaire

Grandeurlectrique Signal

lectrique


6

Figure I.6 : Structure gnrale d'un MEMS.

Les micro-capteurs agissent comme des bras, des yeux, un nez, etc. Ils rassemblent

constamment les donnes venant de l'environnement ambiant et transmettent cette information

aux parties microlectroniques pour leur traitement. Les capteurs peuvent surveiller les

interprtations mcaniques, thermiques, chimiques, optiques et magntiques partir de

l'environnement ambiant.

Un micro-actionneur agit comme un interrupteur ou un dclencheur pour activer un

dispositif externe. Comme les lments microlectroniques traitent les donnes reues des micro-

capteurs, il prend des dcisions sur (que faire ?), lesquelles sont bases sur ces informations.

Parfois, la dcision va impliquer l'activation d'un dispositif extrieur. Si cette dcision est porte,

les lments microlectroniques vont dire aux micro-actionneurs d'activer le dispositif.

Grce la progression des technologies pour la micro-fabrication, des structures

extrmement petites peuvent tre construites la surface d'un chip. Ces minuscules structures

sont appeles microstructures et sont en fait construites directement partir du silicium des

MEMS.

Parmi d'autres choses, ces microstructures peuvent tre utilises par exemple comme valves pour

contrler le flot d'une substance ou comme de trs petits filtres.


7

4. Les dimensions:

Figure I.7 : Ordre de grandeur des microsystmes.

5. Pourquoi la miniaturisation :

La miniaturisation ne peut se restreindre une discipline scientifique ou technique : de

par sa nature, elle ncessite la prise en compte de nombreux facteurs physiques et

technologiques. Du fait de la diversit et de la complexit des problmes rencontrs, cest

actuellement un domaine davenir de la recherche tant thorique quexprimentale...

La miniaturisation a pour avantages suivants :

Rduction de la taille et du poids;

Rduction de la consommation nergtique;

Amlioration des performances (vitesse, sensibilit);

Production collective de composants individuels;

Rduction des cots;

Nouvelles proprits et fonctionnalits;

Motivations scientifiques: explorer des objets plus petits;

Prdominance de certains phnomnes physiques;

Frquences de fonctionnement et largeur de bande leves;

Grande fiabilit mcanique;


8

Constantes de temps thermiques faibles.

6. Pourquoi la miniaturisation :

Le silicium est un matriau merveilleux dont les proprits justifiant son utilisation

prfrentielle. D'abord, c'est le matriau par excellence des circuits intgrs, ce qui permet

d'utiliser les procds de production des circuits intgrs. Il est disponible sous une forme trs

pure ("neuf neufs": puret 99.999999999%). Ses proprits sont trs bien connues. Il peut

intgrer l'lectronique. Il a des proprits exceptionnelles: trs rsistant (limite lastique de 7109

N/m2 comparer au 4.2 109 N/m2 de l'acier), trs lger (densit = 2.3 g/cm3 comparer aux 7.9

g/cm3 de l'acier). C'est un semi-conducteur (sa rsistivit varie de 0.5 .cm (dop) 230 k.

cm). C'est aussi un bon conducteur thermique. Il est cependant fragile ce qui conduit certaines

prcautions dans la fabrication des MEMS. Il n'est pas optiquement actif: l'mission de lumire

est difficile raliser. Le silicium est seulement efficace dans la dtection de lumire.

Figure I.8: Rseau cristallin du Silicium.

Dans les applications, le silicium se retrouve sous trois formes: il peut tre

monocristallin, polycristallin (communment appel polysilicium) et amorphe. Le silicium

polycristallin et amorphe sont gnralement dposs en fines couches infrieures 5 m. Leurs

proprits, voisines de celles de monocristal, dpendant cependant de la mthode de dpt. C'est

le cas principalement pour les contraintes mcaniques rsiduelles, qui peuvent tre leves (des

centaines de MPa) si on ne fait pas un traitement de recuit haute temprature (>900C). Les

substrats cristallins sont disponibles sous forme de galettes circulaires de 100mm de diamtre

(525 m d'paisseur) ou de 150 mm de diamtre (650 m d'paisseur). Des plus grands

diamtres (200 ou 300 mm) ne sont pas encore conomiquement justifis pour les MEMS. Le

rseau cristallin du Silicium est cubique et les galettes disponibles sont gnralement orientes

suivant le plan (1, 0, 0), dops n ou p. Le type dfinit le plan cristallin de la face plane de la

galette de Si. [5]

a. Le Silicium et ses caractristiques:

Le silicium (Si) est le matriau le plus utilis dans la fabrication des microsystmes car il est:

- Trs rpandu (fabrication de Ci)


9

- Trs grande puret (99,9999999%)

- Facilement micro usin

- Fortement pizorsistif

- Semi-Conducteur

- Trs bonnes proprits lectriques

- Trs bonnes proprits mcaniques

Figure I.9: Le lingot du silicium.

b. Les autres matriaux:Il existe d'autre matriaux qui sont employs dans la fabrication des MEMS comme:

Les mtaux

Al, Au, Cu, W, Ni, Tini, Nife

Les isolants:

SiO2, Si3N4

Les polymres, cramiques... [6]

7. Domaines d'applications des MEMS:

Avec lexplosion des microsystmes ces dernires annes, les domaines dutilisations des

MEMS sont trs vastes. Nanmoins, on peut les rpartir en quatre principales catgories : les

MEMS, les MOEMS, les RF MEMS et les BioMEMS. La Figure (1.10) donne pour chaque

domaine quelques exemples dapplications.


10

Figure I.10 : Domaines des MEMS Exemples.

Dans le domaine de laronautique, les applications envisageables sont trs importantes.

On y retrouve en majorit des capteurs, rpondant par exemples des fonctions de mesures

inertielle et de pression (acclromtre, gyroscope ), des fonctions de stabilisation (capteur de

terre, capteurs dtoiles).

Ce domaine prometteur, fait galement place de nouvelles potentialits comme celles

dveloppes par les programmes de recherches sur les micro-satellites et nano-satellites, avec

par exemple lavnement de nouveau systme de propulsion (micro-propulseurs).

Les applications automobiles profitent quant elles des avantages des microsystmes en

termes de cot, dintgration, de miniaturisation et galement de communication sans fil,

rendant possible une interrogation du MEMS distance (cas des capteurs de pression dans les

roues avec communication radiofrquence). Les microsystmes permettent alors la

multiplication des capteurs et des systmes de mesures dans tous sous-ensembles de la voiture

tels que :

La scurit : dclencheuse dairbag avec les acclromtres et les dtecteurs doccupation

des siges, les capteurs de pression tl interrogs dans les pneus et les systmes

optiques intelligents.

Les suspensions actives : avec lintgration dans les essieux de centrales inertielles et les

inclinomtres.

Les systmes danti-patinage : avec lemploi de gyroscopes.

La pollution : avec les capteurs de gaz (CO, CO2) dans les chappements.

La propulsion : avec diffrents capteurs tels que les capteurs de pression, de temprature,

de flux etc.


11

Figure I.11 : Acclromtre pour coussins gonflants (airbag).

Figure I.12: Environnement automobile (Airbag Pneumatique, Anticollision, Gestion boite,

Injection).


12

Les microsystmes trouvent aussi beaucoup d'applications dans le domaine de

l'lectronique et des tlcommunications. Lobjectif tant de remplacer certaines fonctions

actuellement ralises base de circuits intgrs par des microsystmes ayant de meilleures

performances : faibles pertes hyperfrquences, grande linarit et faible consommation.

Figure I.13: Matrices 256 voies (16x16 miroirs) commercialises.

Les technologies ddies aux tlcommunications, diriges par des enjeux industriels

importants, subissent galement une forte croissance. De cette croissance, rsulte

lencombrement du spectre en frquence, favorisant ainsi lmergence de systmes fonctionnant

plus hautes frquences. Cette ncessit est trs favorable lutilisation de la technologie

MEMS, on nomme ce type de microsystmes des MEMS Radio Frquence.

Plusieurs types de composants ou de fonctions lectroniques sont fabriqus laide de

composants MEMS. Nous pouvons citer comme composant passif couramment utilis en hyper

frquence : la bobine. Les micro-commutateurs (Figure 1.14) sont galement trs utiliss dans

ce domaine, ils servent de briques de base pour la ralisation de fonctions plus complexes telles

que les filtres reconfigurables, les capacits variables, les redistribueurs de signaux.


13

Figure I.14 : Exemples de micro-commutateurs

Figure I.15 : Distributeur dinsuline.


14

Figure I.16: Matrice de trous pour pigeages de cellules.

Figure I.17: Biopuce ADN.


15

Figure I.18 : Environnement Biomdical (Distributeur dinsuline, Biopuce ADN, micro-pompe).


16

Le tableau suivant nous donne un aperu slectif de ces applications dans les cinq domaines les

plus en vue actuellement : La dfense, le mdical, l'lectronique, les tlcommunications et

l'automobile.

Dfense Mdicale Electronique Communications AutomobileGuidage desarmes

Micro-valves,micro-pompes,microracteurschimiques,puces ADN

Ttes de lecteurde disque

Commutateursoptiques ou

photoniques etinterconnexions

pour rseauxlarge bande

passante

Capteurs denavigationembarqus

Surveillance Stimulateursmusculaires et

systmes dediffusion intra-

sanguine

Ttesdimpression

pourimprimantes

jet dencre

Relais, micro-commutateurs,

matrices decommutation,

filtres radiosfrquences,

antennes,duplexeurs,

micro-miroirs

Capteurs decompression du

systme declimatisation

Systmesarmement

Capteurs depression

intracorporels,capteur de

pressionsanguine

Tl-projecteurs Systmes deprojection pourles tlphones

portables

Capteurs deforce de

freinage,acclromtres

pour le contrledes suspensions

Capteursintgrs

Prothses Capteurssismiques

Oscillateurscommands sous

tension (VCO)

Dtecteurs deniveau de

carburant et depression de

vapeurStockage des

donnesInstruments

danalyseminiaturiss

Dtecteurs depression pourlarospatial

Diviseurs etcoupleurs,

rsonateurs,dphaseurs

Capteurs pourcoussins

gonflants(airbag)

Surveillancearienne

Stimulateurscardiaques

Systmes destockage des

donnes

Lasersaccordables

Pneusintelligents

Tableau I.1:Domaines dapplication des MEMS.


17

ACTIONNEURGrandeur

physique

( mcanique,

optique,

thermique,

fluidique )

II. Les actionneurs:

1. Introduction:

La diversit des systmes dactionnement et de mesure a permis de dvelopper un grand

nombre de microsystmes touchant principalement aux applications mdicales, de dfense et de

maintenance industrielle. Les lments fluidiques comme les vannes, valves et pompes sont trs

tudis pour dlivrer des petites quantits de substances et sont le plus souvent employes des

fins biochimiques. Il existe un rel besoin de manipuler (prhension, transport, pose,

orientation) les petits objets pour notamment pouvoir assembler dautres microsystmes.

Lendoscopie constitue galement un environnement part entire o les micro- actionneurs

apportent beaucoup. Enfin, une grande partie des microsystmes complexes runissant souvent

plusieurs technologies traitent des tches de locomotion en milieux confins.

2. Le rle d'un actionneur:

Un actionneur a pour rle de commander un processus partir dordres mis par un

systme dinformation. Il gouverne les changes dnergies des organes principaux du processus.

A chelle rduite, on attend dun micro-actionneur, quil remplisse les mmes fonctions. A

lheure actuelle, on se rend compte que la ralisation de micro-actionneurs pose dimportants

problmes lorsquon estime leur efficacit en rendement nergtique ou performances de

mouvement, offrant souvent un maigre compromis entre la prcision, lamplitude et la puissance.

La cration de microsystmes encourage la naissance de micro-actionneurs fiables et efficaces

pour soffrir laccs de nouvelles applications.

a. reprsentation schmatique d'un actionneur:

Contrle :

(lectrique,

optique,

thermique,

Magntique

pizolectrique )

Figure I.19: Reprsentation schmatique d'un actionneur.

b. exemples d'actionneurs:- Valve, pompe

- Commutateur, interrupteur

- Haut-parleur

- Rsonateur

- Tte dimprimante jet dencre

- Tte dcriture magntique.


18

3. Les diffrents types d'actionnements:

3.1 Actionnement lectrostatique:

Principe:Le principe de lactionnement lectrostatique (Figure I.20) consiste appliquer une

tension continue entre deux armatures A et B dun condensateur dont lune est fixe et lautre est

mobile. Cette diffrence de potentiel gnre des forces lectrostatiques qui tendent rapprocher

les deux parties de lactionneur. Les dplacements peuvent tre verticaux mais aussi horizontaux

(dits : transversal ou latral).

Figure I.20: Actionneurs Electrostatiques Electrodes Parallles

L'expression de la capacit du condensateur ainsi constitu est :

Lnergie potentielle stocke dans ce condensateur est :

On sait que la force agissant entre les deux armatures est de la forme :

L'expression de la force transversale est donc :

d'o :

L'expression de la force latrale est aussi :

d'o :

zxC

y

21

2E CV

2

22V

h

SFy

2

2V

h

wFx

22

22 2y

E V C zxF V

y y y

22

2 2x

E V C zF V

x x y


19

Actionneur peigne inter-digit (Comb-Drive) :

Un actionneur lectrostatique seul demande beaucoup de tension pour des forces modestes.

Alors pourquoi ne pas crer des armes dactionneurs ? Pour une mme tension, on

multiplie la force dveloppe ! Le Comb-Drive ressemble donc une paire de

peignes qui s'interpntrent ("interdigits") comme sur la Figure I.4, ce qui permet de

multiplier les surfaces en regard (15 actionneurs sur 150 m de long dans cet exemple). Le

Comb-Drive fonctionne sur le principe dune variation de surface et non dentrefer comme

dans la configuration de base. Grce la symtrie de la configuration, les forces

lectrostatiques globales tendent faire s'interpntrer les peignes, augmentant ainsi la

distance potentielle de travail.[6] .

Les forces transversales s'annulent deux deux alors que les forces latrales s'ajoutent

(Figure I.21).

= 0 =

2

Figure I.21: Principe de fonctionnement de peigne inter-digit.

Micro commutateur lectrostatique:

L'actionnement lectrostatique est l'heure actuelle le mode d'actionnement le plus

rpandu pour les micro-commutateurs MEMS-RF. En effet, une commande lectrostatique

ncessite seulement deux lectrodes conductrices (l'une fixe, l'autre mobile ou intgre la zone

dformable de la structure), aux bornes desquelles on applique une tension. Cette diffrence de

potentiel gnre une force qui fait flchir l'lectrode mobile vers son lectrode d'actionnement.

Ce mode d'actionnement est trs intressant puisqu'il ne ncessite qu'une trs faible puissance.

En effet, l'actionnement de la structure se faisant par la capacit form entre les lectrodes fixe

et mobile, un trs faible courant (de l'ordre du micro-ampre) sera prsent dans les lignes de

polarisation pendant la dure de charge et de dcharge de cette capacit. Par consquent, il n'y a

de consommation de puissance que lors des mouvements de la structure immobile, le

composant ne ncessite pas de puissance.

Fy

Fx

Fx

Fy

V


20

Figure I.22: Principe de fonctionnement de MEMS RF.

Avantages et Limitations des Actionneurs lectrostatiques:Les avantages de l'actionnement lectrostatiques sont :

- Ils se prtent bien la miniaturisation;

- Leur ralisation est compatible avec la technologie planar;

- Ils sont relativement simples concevoir et raliser;

- Il n'y a pratiquement pas de courant; donc pas de consommation d'nergie.

Les principaux inconvnients sont :

- La rponse d'actionnement est non linaire. En effet la force est une fonction en V2 de la

tension;

- On ne peut pas augmenter la tension V indfiniment car il y a un risque de collage des

armatures et un court circuit en consquence.

- Ce type d'actionnement ne permet pas un dplacement important de l'armature mobile.

3.2 Actionnement magntique :

Les forces engendres par ce mode d'actionnement permettent de dplacer les structures

mobiles sur des distances importantes (plusieurs micromtres). Ce mode d'actionnement

ncessite la ralisation de l'lectrode mobile de la structure partir d'un matriau magntique,

qui sous l'influence d'un champ magntique peut se dflchir. Les tensions ncessaire la

commande magntique sont infrieures 5 volts et restent compatibles avec les applications

CMOS. En revanche, la puissance consomme lors de l'actionnement est plus importante qu'une

commande lectrostatique, cause de la rsistance de l'inductance utiliss. En effet, pour

gnrer les intensits de champ magntique ncessaire l'actionnement, une inductance de forte

valeur (de type solnode planaire) est intgre sous le composant. Elle augmente ainsi

fortement la surface occupe par le composant. En revanche, l'actionnement magntique ne

connat pas de phnomne d'instabilit et peut gnrer des forces de contact de fortes valeurs.

Une des techniques dactionnement repose sur la gnration dun champ magntique

continu B, cr par un aimant agissant sur un conducteur parcouru par un courant lectrique.

De cette interaction rsulte la force de Laplace permettant la flexion donc la dformation dune

poutre Par exemple :


21

Figure I.23: Principe de l'actionnement lectromagntique.

3.3 Actionnement pizo-lectrique:Le principe de l'actionnement pizolectrique repose sur l'effet "pizolectrique inverse"

Ainsi, lorsqu'un matriau pizolectrique est soumis un champ lectrique sinusodal, le

matriau se dforme. L'actionnement pizolectrique peut-tre intgr, si le matriau

pizolectrique est une partie intgrante de la structure. En appliquant une tension aux bornes

d'une couche pizolectrique par exemple (PZT) dpose la surface de la poutre, la contraction

de la couche induit la flexion de la poutre (Figure I.24). Dans le cadre des capteurs chimiques,

des exemples d'actionnements pizolectrique ont t proposs soit en utilisant le matriau

pizolectrique seul comme structure mobile soit en utilisant l'effet bilame. [7]

Figure I.24: Principe de l'actionnement pizolectrique.

3.4 Actionnement thermique:

Les micro-actionneurs expansion thermique sont fonds sur le principe de

changement de volume dun matriau soumis des variations de temprature. Ce principe

montre davantage defficacit lchelle microscopique qu lchelle macroscopique, car les

variations de temprature sont plus rapides pour de faibles volumes. Ce type

dactionnement est assez utilis dans deux configurations diffrentes essentiellement. La

premire configuration est le bilame thermique. Il est form de deux couches de matriaux dont lecoefficient dexpansion thermique est diffrent. Chauffs la mme temprature, lun des matriaux

sallongera plus que lautre, ce qui entranera une flexion (Figure I.25) de la structure. Il trouve de

multiples applications telles que le positionnement de micro-miroirs, lactionnement de micro-

membranes, ou la ralisation de micromoteurs. [8]


22

Figure I.25: dformation d'un bilame thermique Si/Al

La deuxime configuration est le micro-actionneur thermique travaillant dans son plan . Il

sagit dune structure gnralement constitue de deux bras de rsistance lectrique diffrente

(Figure I.26). Ainsi, une diffrence de temprature stablit entre les deux bras, lun

sallonge plus que lautre et fait flchir la structure dans le plan (Figure I.26).

Figure I.26 : schma dun actionneur thermique se dformant dans le plan par une diffrencede gomtrie des deux bras.

Figure I.27 : Schma dun actionneur thermique se dformant dans le plan par une

diffrence de matriau des deux bras


23

III. Conclusion:Ce panorama des actionneurs rappelle brivement les modes de fonctionnement des

principaux types de micro-actionneurs, ainsi que quelques applications pour chacun des

diffrents types. Cette comparaison montre que pour un systme donn, chaque technologie

dispose de dimensions optimales en efficacit nergtique. On voit galement que selon type

d'actionnement, le rendement de chaque procde varie considrablement.

Pour cela on propose deux tableaux comparatifs qui comportent cahiers de charges,

avantages et inconvnient de chaque type d'actionnement.

Tableau I.2: cahiers de charges des diffrents types d'actionnements

Tableau I.3: avantages et inconvnients des diffrents types d'actionnement

Actionnementlectrostatique

Actionnementmagntique

Actionnementpizolectrique

Actionnementthermique

Consommation +++ ++ +++ ---AmplitudeDplacement

+ +++ Moyenne Grande

Force decontact

+++ ++ + ++

Tensiond'actionnement

- +++ ++ +++

Sensibilit T +++ +++ + +Tempscommutation

+++ ++ ++ --

Intgration +++ --- + +Collage --- +++ +++ +++

Avantages InconvnientsElectrostatique

Faible consommationIntgration aiseCommutation rapide

Tension d'actionnement importanteProblme de collageFaible densit d'nergie

MagntiqueDplacement importantDensit d'nergie importanteIntrinsquement bistable

Intgration difficileConsommation importante

ThermiqueForte densit nergtiqueIntgration aise

Relativement lentConsommation importante

PizolectriqueFaible consommationIntgration aisePotentiellement bistable

Sensible la temprature

Chapitre 2 :

Etat de lart de la micro-

pompe

Chapitre II : Etat de lart de la micro-pompe

1

I. Introduction:

La micro-fluidique, c'est la science ou la technologie des systmes qui traitent ou

manipulent de petites quantits de liquides en utilisant des canalisations aux dimensions

caractristiques allant d'une dizaine plusieurs centaines de micromtres.

La miniaturisation donne accs de nouvelles applications. Par exemple les systmes de

micro-pompe dans les piles combustible portable, les dispositifs de pressurisation ou de

rgulation du flux sanguin.

Principalement dans les applications d'analyse, le fait de pouvoir manipuler de faibles

quantits de fluide permet de rduire la quantit ncessaire d'chantillons ainsi que la

consommation de ractifs, de rduire les temps d'analyse en diminuant les interventions

manuelles et donc de baisser les cots de beaucoup de procds.

Nous proposons une figure dmonstrative des dimensions caractrisant les systmes

micro fluidique. [9]

COMPOSANTS MICROFLUIDIQUES Micropompes / clapets / capteurs de dbit

Microfiltres / microracteurs

Nanotechnologie Microaiguilles Systmes de microanalyse

1 nm 1m 1 mm 1 m Longueurs

1 aL 1 fL 1 pL 1 nL 1L 1 mL 1 L 1000 L Volumes

Molcules Particules de fume Cheveux humain Homme

Virus Appareils fluidiquesAUTRES OBJETS Bactries conventionnels

Figure II.1 : Dimensions caractristiques de systmes micro-fluidiques.

II. Les microsystmes fluidiques:

2.1. Les microsystmes fluidiques : historique et applications.

Ds les annes 1990, la rduction des dimensions attendue de lintgration microsystme

des dispositifs danalyse biologique et chimique ouvre des perspectives avantageuses :

- Lutilisation des technologies microlectroniques pour la ralisation de systmes de

dtection, permet la fabrication massive de micro dispositifs et va rduire les cots

dlaboration.

- Lutilisation de faibles quantits de fluides et ractifs va rduire les cots dopration,

en exploitant le fait que de faibles volumes de fluide peuvent tre suffisants pour

raliser certaines analyses chimie clinique (10-15

l), immunoessais pour le

diagnostic et la comprhension des maladies (10-9

l), analyses dADN (10-3

l), analyse

des cellules unitaires (10-12

l), sparation des espces par lectrophorse (10-12

l 10-

6

l), analyse du glucose pour le contrle du diabte (10-6

l).

- Les dlais danalyses pourront tre rduits et la sensibilit des mesures accrues. [10].


2

a. La situation dans le monde:

Mme si les premiers systmes faisant intervenir un lment microfluidique sont

proposs ds les annes 80 par la Recherche Acadmique, comme par exemple le

chromatographe gaz miniaturis dans une puce de quelques centimtres de cot cest partir

des annes 90 quun rel travail de miniaturisation commence dans les domaines de la

chromatographie, des systmes de sparation par lectrophorse, des pompes lectro

osmotiques, des mlangeurs, etc.

Ainsi les premiers vritables systmes micro fluidiques intgrant de multiples fonctions

ont commenc voir le jour dans les annes 90. On peut citer, par exemple, la puce trois

fonctions : mlange de ractifs, raction enzymatique et sparation de Jacobson , et un systme

de titrage de soluts aqueux, intgrant des mlangeurs et des amplificateurs capables de faire de

la digestion enzymatique et de llectrophorse de Burns.

Au dbut des annes 2000, les premiers laboratoires sur puce commerciaux

permettant didentifier des fragments dADN, diffrents bio-objets comme des virus par

sparation lectro phortique et les protines. Dans cette catgorie, il faut citer le systme

Agilent 2100 Bionalyzer, commercialis partir de 1999 par la socit Agilent

Technologies : les chantillons analyser sont trs petits (entre 1 et 4l) et lanalyse ne dure

que 30 minutes (Figure II.2 a). Notons que, ces systmes ont encore besoin dun ordinateur

relativement encombrant pour raliser les traitements du signal, les analyses et la consultation

des bases de donnes (Figure II.2 b), ce qui montre que tous les verrous technologiques

dintgration ne sont pas levs.

a)b)

Figure II.2: Systme Agilent 2100 Bionalyzer a) microsystme fluidique b) systmedanalyse.

b. Les applications et les verrous:

De cette analyse rapide de ltat de lart (international et local), nous percevons que, si

les progrs attendus sont confirms, la micro-fluidique et les microsystmes fluidiques

amneront une vritable rvolution dans le domaine des sciences du vivant, de la sant et aussi

de la chimie. Nous pouvons classer les applications potentielles de la micro fluidique en trois

grands domaines :


3

Sciences du vivant et la biologie:

Le dveloppement des connaissances fondamentales du vivant, illustr par la gnomique

et la protomique, a impliqu de travailler de faon massivement parallle sur des milliers

dobjets ou de ractions biologiques : systmes de criblage haut-dbit. La rflexion a dbut

aux Etats-Unis, dans les annes 80, avec des tudes sur le gnome humain invitant dvelopper

des microsystmes capables de faire des analyses multiples avec une haute sensibilit et une

grande rsolution. Cette dynamique a conduit lmergence du concept de biopuce.

Aujourdhui, tous les experts saccordent penser que la biologie molculaire et la gntique

sont parmi les enjeux majeurs de demain pour notre socit. [9]

La chimie ou le gnie des procds:

La chimie connat, de la mme manire que la biologie, des perspectives

nouvelles motives par des objectifs danalyse de scurisation, doptimisation, de

rduction des quantits stockes et analyses, etc. qui donnent toute la lgitimit aux recherches

en micro fluidique. Lenjeu est crucial et a t identifi ds les annes 90 : les

microracteurs chimiques devraient permettre terme de rduire les temps danalyse, les

volumes mis en jeu et les cots

La sant

Ds la fin des annes 80, les microsystmes ont ouvert des perspectives intressantes

pour les applications mdicales. De nouvelles applications sont dans le prolongement des

systmes de criblage haut dbit pour raliser des analyses moins coteuses en consommables, en

main duvre et en volume dchantillons que celles daujourdhui.

III. Etat de l'art de la micro-pompe:

3.1 Dfinition:

Une micropompe est un dispositif grant laspiration et le refoulement lchelle

micromtrique dun fluide comme le font les pompes traditionnelles aux chelles suprieures.

Les micropompes sont gnralement issues de la recherche en microfluidique.


4

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)

Figure II.3 : Micro-pompes (a) pompe de type pristaltique avec actionneur paraffine, (b)

pompe membrane, (c) Pompe membrane clapets bille, (d) pompe rotative spirale

, (e) pompe pristaltique actionnement direct par un micro-moteur, (f) une des plus petites

pompes au monde. [9]

Dans notre cas du recherche il s'agit du type de micro-pompe mcanique (ou volumique)

le plus rpondeur dans le march mdical. Dans ces pompes, la chambre de pompe est ferme

par une membrane flexible, un schma de principe et montr dans la (figure II.4), le mouvement

oscillant de la membrane produit des sou et-sur dplacement de fluide travers les vannes

d'entres et de sortie, la pression gnre est en fonction de la variation de volume produit par

l'actionnaire dplaant la membrane.

Figure II.4: Schma de principe du micropompe-microfluidique.


5

3.2 Le principe de fonctionnement:

La micro-pompe fonctionne au biais d'un actionneur lectrostatique prsent utilisant

deux lectrodes. L'une est fixe sur le corps de la micropompe l'antre mobile, solidaire de la

membrane. Par application d'une tension entre ces deux charges, la membrane flchit et gnre la

variation du volume dans la chambre du pompage.

3.3 Le schma synoptique:

Figure. II.5: Schmas de principe de la micro-pompe.

Quand un corps humain besoin d'une prise d'insuline comparaison avec la valeur de

rfrence, cette technique est mesure par un systme informatis dit micro-processeur, en suite

ce dernier va calculer la quantit de fluide qui va la diffus au corps humain. En effet, ce fluide

va franchir la premire vanne et fera flchir la membrane de la micro pompe qui va

automatiquement fermer la premire vanne et ouvrir la deuxime pour que le fluide sous forme

d'insuline par exemple soit refouler au malade.

3.4 Les diffrents types de la micropompe :

Une micropompe est un systme capable d'acheminer un fluide, liquide ou gazeux

entre une entre et une sortie travers des canalisations de tres faibles dimensions. Les

Micro-pompe

Corps

humai

nn

Prise de la

mesure

Valeur de

rfrence

1g/L

Microprocesseur

Calcul du

volume

injecter

Calcul par

nombre

d'unit

Gnration

de N

impulsions

Ouverture

de la 1ere

vanne

Dflection

de la

membrane

Fermeture

de la 1ere

vanne

Ouverture

de la 2eme

vanne

Rservoir de

l'insuline

Refoulement

au corps

humain

Comparateur


6

micropompes sont obligatoirement actionnes par une commande contrairement aux

microvalves. On peut trouver diffrents types d'actionneurs capables de commander une

micropompe, par exemple: l'actionneur piezolectrique, lectrostatique, thermopneumatique.

Nous allons dcrire dans ce paragraphe les diffrentes micropompes qu'on peut

trouver dans la littrature. Nous soulignerons au passage les eventuelles difficults pour la

ralisation ainsi que leurs compatibilits avec les techniques de conception des circuits intgres.

[11]

3.4.1 Micropompe Pizo-lectriques:

L'actionneur pizolectrique est constitu d'une membrane recevant un matriau

pizolectrique sous forme de disque associ un substrat de silicium grav pour raliser des

microvalves passives fixant l'entre et ta sortie du fluide. Les deux parties sont scellees afin de

former une cavit sous I 'actionneur. L'application d'un courant lectrique sur le disque

pizolectrique provoque une dflexion de la membrane. Le volume dans la chambre diminue

et le liquide est forc ouvrir la valve de sortie tout en fermant la valve d'entre, Une fois que

l'alimentation est arrte, le substrat revient sa position initiale en ouvrant la valve d 'entre

et en fermant la valve de sortie. La figure ( II.6) montre un exemple de micro pompe pizo-

lectrique.

Figure II.6: vue en coupe d'une micro pompe pizo-lectrique.

3.4.2. Micropompe lectrostique:

L'actionneur lectrostatique est compos de deux lectrodes. Une fixe et I'autre

mobile. En appliquant une tension lectrostatique entre les deux lectrodes on cre

une dformation de l'lectrode mobile. La pression gnere lectrostatiquement peut tre

calcul par la relation:

=

Avec: d0 , d0x et V sont respectivement, la distance entre les lectrodes, l'epaisseur isolante du

Si02 et la tension applique. On remarque que la force gnre par l'actionneur est

inversement proportionnelle la distance do ce qui entraine des contraintes de conception si

on veut des grandes pressions lectrostatiques.


7

Une micro pompe lectrostatique utilise cet actionneur comme moyen de commande

pour faire circuler un fluide dans une canalisation. Elle est constitue par: une lectrode, une

contre lectrode, deux micro-valves passives type (b), deux capillaires d'entre et de

sortie du fluide. Lorsqu'on applique une tension c o n t i n u e , la membrane est attire par 1a

contre lectrode cause des forces lectrostatiques mises en jeu. Cette dflexion permet

d'ouvrir la premire micro valve (valve d'entre) et va permettre la circulation du

fluide travers cette valve vers la chambre des lectrodes (voir figure II.7). Une fois

l'alimentation arrte, la membrane retrouve sa position initiale en poussant le fluide vers la

valve de sortie.

On peut aussi avoir un fonctionnement inverse de la pompe si la frequence de

l'actionneur est suprieur 1000 Hz. Ainsi on a observ un flux de 1 800l/min pour une

frquence de 1 1000Hz. en mode direct et un flux de 1 a300l avec une frquence de 2 6

KHz. [11].

Figure II.7: Vue en coupe d'une micro pompe lectrostatique.

3.4.3 Micro-pompe thermo-pneumatique:

L'actionneur thermo pneumatique est constitu d'une cavit d'air ferme, d'une

membrane et d'une rsistance chauffante. Le principe consiste chauffer l'air par une

dissipation lectrique dans la rsistance incorpore dans la cavit, l'augrnentation de la

temperature implique une lvation de pression calcule par la relation:

exp

Avec: Po, R et T sont respectivement, la pression initiale, la chaleur latente de

vaporisation, la constante des gaz parfait et la temprature. Le temps de reponse de

l'actionneur depend de la capacite thermique et de la puissance injecte la rsistance. Le

temps de relaxation dpend de l'change calorifique avec le milieu extrieur, La pompe

thermopneumatique utilise cet actionneur pour faire circuler un fluide travers des

canalisations (voir figure II.8) ; des valves de type (a) sont utilises pour contrler le flux

entre l'entre et la sortie de la pompe. La frquence de fonctionnement du systeme est de

5Hz pour un dbit de 50 l/min.


8

Figure II.8: Vue en coupe d'une micro-pompe thermo-pneumatique.

3.4.4 Micro-pompe Pneumatique:

Cette pompe est commande par un actionneur pneumatique externe (gnrateur de

pression). Elle est fabrique par le procd LIGA. E lle comporte une structure en or avec

un diaphragme en Titane comme le montre la figure II.9. Les valves sont constitues de

deux membranes, une en Titane et l'autre en polyimide. Un flux maximum de 80l/min a t

obtenu avec une pression de 0,4 mH20 une frquence de 5Hz.

Figure. II.9: Vue en coupe d'une micro pompe pneumatique.

IV. L'importance de la micro pompe:

L'importance de la micro-pompe requis essentiellement sur l'utilisation mdicale pour le

traitement du diabte. Par exemple. Lorsqu'une personne souffre du diabte, il doit chercher

quelqu'un pour lui injecter de l'insuline. Ceci n'est pas commode. L'innovation de la technologie

a permis le confort total de la micro pompe usage biomdical. Grce cet appareil, le patient

pourra prendre facilement sa dose ncessaire d'insuline.

Une micro-pompe doit avoir les caractristiques suivantes:

- Facile apporter.

- Cadence programmable de la livraison qui est variable entre ( l/h-ml/h).

- Etre petit et lger.

- Moins d'exigence de puissance lectronique.


9

- Plus de fiabilit.

- La dose d'injection d'insuline ne doit pas tre influence par la temprature, la pression,

position et mouvement de corps humain.

V. Etude globale sur l'actionnement lectrostatique:

5.1. Constitution d'un actionneur lectrostatique:

Pour pomper le fluide lintrieur dune cavit, une micropompe peut tre munie dune

membrane de silicium ou dautres matriaux qui forment une capacit variable. Les forces

lectrostatiques permettent le mouvement des plaques ou des lments micro fabriqus (Figure

II.10.).

Figure II.10: Reprsentation par l'activation lectrostatique.

La force entre les deux plaques peut tre obtenue approximativement par lquation

simple suivante :

=

Ou : 0 est la permittivit du vide et r est la permittivit du dilectrique entre les deux plaques,

A reprsente laire de la plaque, v le voltage appliqu et d la distance entre les deux plaques.

On remarque que plus on augmente la tension aux bornes de lactionneur MEMS, plus

on obtient une force importante permettant louverture et la fermeture des valves ainsi que la

commutation de la pompe.[15]

0v 100v


10

VI. Conclusion:

Ce chapitre nous a permis de voir l'amlioration de la microfluidique dans le domaine

biomdical spcifiquement sur les micro-pompes ainsi que leurs types, le mode de

fonctionnement et leurs avantages.

A cot de l'amlioration de l'accs au traitement par pompe, ce dveloppement a d'autres

perspectives de prise en charge afin d'amliorer sur le plan pdagogique, la mobilisation de

l'quipe multidisciplinaire pour l'ducation thrapeutique.

Chapitre 3 :

Modlisation de la micro-

pompe lectrostatique

Chapitre III : Modlisation de la micro-pompe lectrostatique

1

Introduction :

Le volume unitaire inject par la micro-pompe est contrl par la dflexion de la

membrane fine en silicium produite par actionnement lectrostatique.

Dans ce qui suit, on se propose d'tudier le comportement de la membrane en

fonction de la pression, la tension applique et des caractristiques gomtriques. Pour cela

plusieurs mthodes numriques ont t utilises pour rsoudre le systme diffrentiel rgissant

le comportement de la membrane.

I-1 Dfinition de la membrane :

La membrane de silicium , de forme rectangulaire , est taille suivant le plan

(100) comme indique la figure (III-1) .Les cots sont parallles aux directions

cristallographiques 110 .Soient a et b et h les dimensions de cette membrane et S sa

surface ( on supposera b>a ).

Lorigine du repre choisi est au centre de gravit de la membrane. Les axes Ox

et Oy sont parallles aux cots.

b

a y y

x

y z plan (100)y

A A

Figure III-1 : Structure de la membrane.

I-2 Etude de la dformation :

I-2-1 Mise en quation :Sous laction dune pression diffrentielle P uniformment rpartie, la membrane

se dforme. Soit W(x, y) sa dformation suivant Oz en un point de coordonnes (x, y).

z


2

On choisira P et W(x, y) positifs suivant laxe Oz .

En utilisant la thorie des plaques minces et de llasticit (annexe B), lquilibre

de la membrane soumise une pression P est dcrit par lquation diffrentielle suivante

[13] :

(III-1)

O :

D est le coefficient de rigidit dfini par :

)1(12 2110

3110

hED

est une constante fonction des paramtres mcaniques

Avec110

2110

2110

110

)1(2

E

G

110 est le coefficient de poisson, 110E et 110G sont les coefficients respectifs dlasticitlongitudinal et transversal suivant la direction cristallographique 110 . Les valeurs

numriques de ces coefficients sont :

066.0110

paE 11110 10.698.1

paG 11110 10.622.0

798.0Lquation diffrentielle (III-1) est appele quation de LAGRANGE (annexe B).

Lencastrement de la membrane sur ses bords impose les conditions aux limites

suivantes:

W= 0 pour2ax et

2by

0

x

WPour

2ax (III-2)

0

yW Pour

2by

Dp

y

W

yx

W

x

W

4

4

22

4

4

4

2


3

La rsolution de lquation aux drives partielles (III-1) avec les conditions aux

limites permet dobtenir les dflexions w (x, y) de la membrane.

Pour se ramener un domaine dintgration de forme carre, nous normaliserons les

variables comme suit :

=.

et =

.

(III-3)

Lquation (III-1) devient :

D

P

v

w

bvu

W

bau

W

a

4

4

222

4

224

4

4

16162

16 (III-4)

En posant :

WDPba

W N .16

22

EtabR (III-5)

Lquation de LAGRANGE devient indpendante des dimensions. Elle ne dpend que de R

et . Elle scrit donc :

11

24

4

222

44

24

v

W

Rvu

W

u

WR NNN

(III-6)

Les nouvelles conditions aux limites relatives cette quation sont :

0,1 vuWN

01, vuWN (III-7)

0,1

vu

u

WN

01,

vu

v

WN

Les variables dintgration u et v varient entre 1 et +1. La dflexion NW na pas de

dimension .Le systme constitu de (III-6) et (III-7) est donc normalis.


4

I-2-2 Rsolution Analytique :

A notre connaissance, la solution exacte du systme diffrentiel constitu par

lquation (III-6) et les conditions aux limites (III-7) na pas t tablie .Dans ce qui suit ,

nous proposerons une solution analytique approche . La mthode de rsolution utilise est

celle de GALERKIN.

La mthode de GALERKIN est une mthode d'approximation adapte des

formulations variationnelles.

Le choix de la fonction de base est li la satisfaction des conditions aux limites.

Cette mthode se limite aux problmes symtriques et a t applique avec succs la flexion

des plaques minces petites flches.

Lquation (III-6) tant linaire, nous chercherons la solution sous la forme :

),(),(1

vuKvuW in

i

iN

(III-8)

O ),( vui sont des fonctions polynomiales de u et v linairement indpendantes et

vrifiant les conditions aux limites et iK sont des constantes relles dterminer.

Si ),( vuWN est solution du systme (III-6) et (III-7), elle doit vrifier le systme

dquations de GALERKIN suivant :

01124

4

22

442

24

dudvv

W

Rvu

W

u

WR iS

NNN

N

(III-9)

Avec i= 1,... n

O SN est le domaine dintgration.

La dflexion a pour axe de symtrie la perpendiculaire au centre de la membrane.

Par suite, on peut choisir, pour les fonctions i , des expressions de la forme :111 VU

122 VU 213 VU 224 VU 135 VU

316 VU 237 VU 328 VU 339 VU , (III-10)Avec :

(III-11)

22)1(2 )1( uuU jj 2212 1 vvV jj


5

La forme gnrale de la solution est alors :

(III-12)

En se limitant 4 termes (Annexe C), cette solution devient :

2242322122 11, vuKvKuKKvuvuWN (III-13)

En substituant (III-13) dans (III-9), on obtient un systme de quatre quations dont

la ime peut se mettre sous la forme suivante :

N

N

N

N

N

S

i

i

S

i

S

i

S

i

S

dudv

dudvv

VU

Rv

V

u

U

u

UVRK

dudvv

VU

Rv

V

u

U

u

UVRK

dudvv

VU

Rv

V

u

U

u

UVRK

dudvv

VU

Rv

V

u

U

u

VVRK

4

24

222

22

2

22

4

24

22

4

4

24

122

22

2

12

4

14

22

3

4

14

222

12

2

22

4

24

12

2

4

14

122

12

2

12

4

14

12

1

12

12

12

12

Les quations (III-14) constituent un systme linaire de quatre quations quatre

inconnues K1, K2, K3 et K4 i ne dpendant que du rapport des cots R et de la constante

lie aux paramtres mcaniques 110 110E et 110G . Ce systme peut scrire sous la forme

matricielle suivante :

. [] = [] (III-15)

Les termes de la matrice [ Aij] ont t dtermins analytiquement . Leurs expressions

sont donnes dans lannexe C .Le systme algbrique (III-14) a t ensuite rsolu

numriquement.

Le tableau (III-1) donne les valeurs des coefficients Ki pour quelques valeurs

particulires de R.

R 1 2 3

K1 0.0206 0.0107 0.0049

K2 0.0119 0.0048 0.0023

K3 0.0062 0.0063 0.0073

K4 -0.0082 -0.0085 -0.0057

Tableau III-1 : Coefficients du polynme approximant la dflexion pour R=1, 2, 3 et=0.798.

....224213122111 VUKVUKVUKVUKWN


6

I.2.3 Calcul du volume par intgration numrique:

Le calcul du volume du fluide t fait numriquement l'aide du logiciel Matlab,

par la rsolution de l'quation suivante:

22

4

2

3

2

21

2222222222

12

116

,b

y

a

xK

b

yK

a

xKK

b

y

a

x

D

abPyxW

Nous allons rsumer les diffrentes tapes du programme permettant de calculer le

volume par une pression applique.

Balayage de la pression dans

Lintervalle [Pmin ,Pmax ]

Calcul de lintgrale donnantle volume par la

Formule de LAGRANGE

Rsultats obtenus :

Variation du volume en fonction de lapression

Introduction des donnes

-Dimensions de la membrane

-Distance entre les deux armatures

-Pression de la cavit interne


7

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

1,00E-015

2,00E-015

3,00E-015

4,00E-015

5,00E-015

6,00E-015

7,00E-015

8,00E-015

Vo

l(m

3)

P(bar)

vol=f(p) h=10um

I.2.3 Calcul du volume par intgration numriqueUn exemple de la variation du volume en fonction de la pression dans le cas

dune membrane rectangulaire dfinie par : a = 10-3 m et b =2.10-3 m.

Tableau III.2: variation du volume en fonction de la pression h=10 m.

Figure III.2: variation du volume en fonction de la pression h=10m.

Tableau III.3: variation du volume en fonction de la pression h=20 m

P(bar) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Vol (m3) 1.4299.10-15 2.8699.10-15 4.2896.10-15 5.7194.10-15 7.1495.10-15

P(bar) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Vol (m3) 1,7873.10-16 3.5746.10-16 5.3620.10-16 7,1493.10-16 8,9366.10-16


8

Figure III.3: variation du volume en fonction de la pression 20m

Tableau III.4: variation du volume en fonction de la pression h=30 m

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

1,00E-016

2,00E-016

3,00E-016

4,00E-016

5,00E-016

6,00E-016

7,00E-016

8,00E-016

9,00E-016

1,00E-015vol(m

3)

p(bar)

vol=(p) h=20um

P(bar) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5Vol (m3) 5.2958.10-17 1,0592.10-16 1,5887.10-16 2,1183.10-16 2,6479.10-16


9

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

5,00E-017

1,00E-016

1,50E-016

2,00E-016

2,50E-016

3,00E-016

vol(m

3)

p(bar)

vol=f(p) h=30um

On voit clairement que les trois courbe sont linaires, et que cette linarit due la

proportionnalit entre la pression et l'paisseur de la membrane car, quand h augmente la

membrane devienne plus rigide, la cavit se redresse se qui implique une diminution du

volume en fonction de h.

I.3.2: variation du volume en fonction de la tension pour diffrentes paisseurs dela membrane (h):

Nous avons tabli une relation entre la pression et le volume induit. On cherche

tablir une relation entre la tension applique et le volume unitaire. Pour cela, on sait que

l'application d'une tension V continue entraine une pression sur la membrane la conduisant

une flexion.

On sait par ailleurs que la pression lectrostatique produite par une tension applique

V est donne par :

=

Figure III.4: variation du volume en fonction de la pression 30m


10

y

ab

e

x

L'expression de la capacit du condensateur ainsi constitu est :

= ..

Lnergie potentielle stocke dans ce condensateur est :

On sait que la force agissant entre les deux armatures est de la forme :

= ()

L'expression de la force transversale est donc :

=

=

2

=

2..

.

Fy =

22v2

d'o Fy =

21

2E CV


11

o e est la distance inter armature.La pression est alors :

=

2

Les rsultats obtenus sont sous forme de graphe qui reprsente le volume en fonction de latension diffrentes h.

Tableau III.5: variation du volume en fonction de la tension h=10 m.

Figure III.5: variation du volume en fonction de la tension h=10m.

1 2 3 4 5

0,00E+000

2,00E-015

4,00E-015

6,00E-015

8,00E-015

1,00E-014

1,20E-014

1,40E-014

1,60E-014

Vo

l(m

3)

U(v)

Vol=f(U) h=10um

U(v) 1 2 3 4 5Vol (m3) 6,33.10-16 2,53.10-15 5,70.10-15 1,01.10-14 1,53.10-14


12




1 2 3 4 5

0,00E+000

1,00E-016

2,00E-016

3,00E-016

4,00E-016

5,00E-016

Vo

l(m

3)

U(v)

Vol=f(U) h=20 um

U(v) 1 2 3 4 5Vol (m3) 2,59.10-18 1,038.10-17 2,33.10-17 4,15.10-17 6,48.10-17

U(v) 1 2 3 4 5Vol (m3) 1,96.10-17 7,87.10-17 1,76.10-16 3,14.10-16 4;91.10-16


13

1 2 3 4 5

0,00E+000

1,00E-017

2,00E-017

3,00E-017

4,00E-017

5,00E-017

6,00E-017

7,00E-017

Vo

l(m

3)

U(v)

Vol=f(u) h=30 um


On voit que le volume a un comportement non linaire et que cette non linarit

augmente rapidement avec la tension applique quelque soit la valeur de h.

Chapitre 4 :

Etapes technologiques de la

fabrication

Chapitre IV : Etapes technologiques de la fabrication

1

Introduction:

Il a t observ que le silicium utilis en fabrication microlectronique possdaitd'excellentes proprits mcaniques, notamment un module d'lasticit proche de celui del'acier inoxydable et une rsistance la fatigue considrable grce sa structurecristallographique rgulire. Ds lors, l'utilisation de ce matriau pour la ralisation destructures mcaniques microscopiques est devenue vidente. Le silicium tant lune desmatires premires de la microlectronique, on profite alors, pour la fabrication de cesstructures, dutiliser les technologies existantes mises au point pour la ralisation de circuitsintgrs lectroniques et certaines techniques spcifiques telles que le micro usinage, lasoudure verre-silicium ou silicium-silicium etc... Ces technologies permettent le traitementpar lot de la fabrication des composants, conduisant ainsi des cots de productionavantageux.

On sait qu' la fabrication de capteurs ou d'actionneurs lectromcaniques, on associegnralement une lectronique de traitement ou de commande. Cette association peut se fairesur un seul et mme substrat, on parle alors d'intgration monolithique. Dans le cas contraire,plusieurs composants fabriqus sur diffrents substrats sont connects entre eux et on parleainsi d'intgration hybride. Cette dernire est ncessaire lorsque les procds de fabricationmcanique et lectronique sont incompatibles.

Dans la plupart des cas, les procds de fabrication de capteurs et d'actionneurs

monolithiques sont composs des tapes de la technologie CMOS et de certaines techniques

spcifiques.

La micro-technologie dsigne donc un ensemble de techniques drives de la

microlectronique utilises dans la ralisation de structures en trois dimensions dont les

prcisions sont de l'ordre du micromtre. Les principales techniques utilises dans ce domaine

sont les suivantes:

Micro-usinage de surface par voie sche ou humide des substrats (souvent des

tranches de silicium ou de SIO2, AsGa;...);

Micro-usinage en volume;

Dpt de couches minces de diffrents matriaux;

La photolithographie simple face;

La photolithographie double face ;

Soudure anodique;

Ralisation de micro moulage (procd LIGA).

Dans ce dernier chapitre, nous allons donner un aperu sur l'ensemble des

oprations technologiques ncessaires pour la fabrication des MEMS.

I. LES TECHNIQUES SPECIFIQUES DE FABRICATION DESMICROSYSTEMES :

I.1 Limplantation ionique :

Cette mthode consiste implanter directement des ions lintrieur du matriau parbombardement ionique dont lnergie est matrise (quelque dizaines de kilo lectronvolts).


2

Lors de leur pntration, les ions perdent progressivement leur nergie par interaction avec lesatomes du matriau et finissent par simmobiliser. La technique d'implantation ionique permetune meilleure prcision et un dopage plus uniforme en surface et en profondeur.

Aprs cette technique, un recuit thermique du substrat est indispensable pour

recristalliser le substrat afin quil retrouve ses proprits lectriques initiales.

I.2 Le recuit thermique :

Aprs implantation ionique, un recuit thermique du matriau est indispensable pour

d'une part, activer lectriquement les impurets dopantes en les plaant en position

substitutionnelle et d'autre part, rduire, supprimer les dfauts ponctuels.

En effet, du fait du bombardement de la cible par les ions lors des chocs, l'nergie

transfre induit des dplacements d'atomes qui crent des lacunes et des interstitiels. Ces

dfauts rpartis tant en surface qu'en volume dgradent les proprits lectriques des jonctions

ralises ainsi que leur stabilit. Un recuit thermique permettra de rduire fortement la densit

de ces dfauts.

I.3 La photolithographie :

Toutes les tapes du procd technologique font appel la photolithographie dont

nous allons rappeler le principe.

Il y a 3 principales tapes en photolithographie avant de faire le traitement slectif

comme tel (gravure ou autre): Revtement Exposition Dveloppement.

Le revtement consiste taler sur un substrat ou un chantillon une couche de rsine

(Photosensible ou autre) de faon uniforme et contrle. Cette rsine doit ensuite subir un

recuit pour son schage.

Lexposition consiste insoler ou exposer la rsine photosensible un rayonnement

de lumire ultraviolette de faon slective en masquant la lumire aux endroits qui

nont pas tre exposs. Un masque est alors utilis. Ce dernier est une plaque

transparente avec limage dun niveau du design ralis dans une couche opaque aux

Ultra Violet. Aprs exposition, une image latente correspondant au masque ou son

complment est obtenue dans la couche photosensible.

Le dveloppement consiste rvler limage latente par la dissolution slective de la

couche photosensible. Selon que lon a utilis de la rsine positive ou ngative,

limage obtenue dans la rsine sera limage mme du masque ou encore son

complment. (figure IV.1). On distingue deux types de rsine :

Rsine positive : les zones exposes seront sans rsine aprs dveloppement, le

reste qui na pas t expos demeure.


3

Rsine ngative : les zones exposes demeurent, le reste qui na pas t expos

sen va au dveloppement.

Figure IV.1 : Procd de la lithographie.

I.4 Les techniques de gravures et micro-usinage compatibles CMOS(Complementary Metal Oxide Semi-conducteur) :

Les procds de micro-usinage utiliss pour la fabrication des microsystmes peuventtre classs en deux catgories :

Le micro-usinage en volume (bulk micromachining). Le micro-usinage en surface (surface micromachining).

I.4.2 Micro-gravure en volume Bulk micromachining :

Le micro-usinage en volume est un procd permettant de fabriquer des structures

suspendues par gravure du substrat. La gravure du substrat peut tre sche (par exemple :

Reactive Ion Etching, RIE) ou humide (par exemple : attaque chimique par KOH, TMAH,

EDP).

La figure (IV.2) nous montre des exemples de structures micro-usines.


4

Figure IV.2 : Exemple de structures micro-usines par gravure en volume.

a. Gravure en volume sche :

Elle est ralise, gnralement, en utilisant la gravure par plasmas.

a.1. Gravure par plasma :

Le substrat (partiellement protg) est positionne dans une chambre sous vide. Cette

chambre contient deux lectrodes, lune horizontales servant de plateau pour le substrat et

lautre parallle cette dernire et relie la masse. Une fois que le vide dans la chambre a

t fait, un gaz est introduit : dioxygne (O2), Argon (Ar) puis un fort champ lectrique (une

centaine ou plus de Watt par mtres) en radiofrquence est appliqu l'lectrode infrieure,

gnrant ainsi un plasma dans la chambre, c'est--dire un gaz en partie ionis (certains

lectrons des molcules de gaz ont t arrachs par le champ lectrique, ionisant celles-ci). Le

substrat subit alors un bombardement d'ions qui va interagir avec ce dernier.

Cette technique prsente l'avantage d'une forte anisotropie de la gravure : la frontire

entre les zones gravs et non graves sera la majorit du temps rectiligne et verticale.

Cependant cette technique prsente de nombreux inconvnients :

La mise en uvre est bien plus complexe que pour une gravure chimique humide, et

difficilement utilisable dans l'industrie.

Le taux de gravure est assez faible, ce qui allonge le processus de gravure. Ceci

augmente les chances de dtruire la couche protectrice.


5

Enfin, le bombardement d'ions endommage fortement la surface, rduisant ses

caractristiques lectriques. Il est cependant envisageable, dans le cas du silicium, de

faire recuire ce dernier reconstituant ainsi le rseau cristallin. Il est par ailleurs

impossible de le faire pour des semi-conducteurs composites, qui se dissocient aux

tempratures leve.

a.2. Gravure ionique ractive :

La gravure ionique ractive (frquemment dsigne par son acronyme anglais RIE

pour Reactive Ion Etching) est une technique drive de la gravure au plasma. C'est aussi une

technique de gravure physique (gravure au plasma) auquel on ajoute une gravure chimique

sche.

Concrtement, la mise en uvre est comparable la gravure au plasma, du moins pour

sa forme la plus simple (systme plaques parallles) : dans une chambre contenant deux

lectrodes, on fait le vide, puis on injecte un gaz qui sera ionis, bombardant ainsi la surface

du substrat. Cependant ce gaz assez inerte (chimiquement), on ajoute un gaz fortement

ractif : gnralement un driv du fluor (hexafluorure de soufre (SF6), ttrafluorure de

carbone (CF4, ... ) pour des substrats en silicium ou du chlore pour les substrats en arsniure

de gallium (trichlorure de bore (BCl3, dichlore (Cl2, ttrachlorure de silicium (SiCl4), ... ). Ce

gaz ractif ionis va tre transport vers le substrat (par une diffrence de potentiel dans la

chambre auto-cre dans un dispositif plaques parallles, un autre champ lectrique dans un

dispositif triode, ou alors un champ magntique dans un dispositif torche plasma) et

ragir chimiquement avec la surface de ce dernier, formant un compos volatile. Cette

technique reste complexe mettre en uvre, surtout dans l'industrie.

b. Gravure en volume humide :

Elle utilise gnralement des solutions chimiques. Le point commun de ces solutions

rside dans la proprit de pouvoir dissoudre le silicium par des enchanements de ractions

doxydorduction et de dissolution des oxydes ainsi forms.

Les deux gravures, humide et sche peuvent avoir un caractre isotrope ou anisotrope :

b.1.Gravure isotrope :

Dans la gravure isotrope, la vitesse dattaque est approximativement constante dans

toutes les directions. Dans ce cas, il est difficile de contrler avec prcision les dimensions

latrales des motifs rsultants. Linconvnient majeur de cette technique est la gravure des

zones situes sous le masque dans le cas o lusinage latral nest pas souhait. La figure

(IV.3) montre un exemple de motif ralis par cette technique.


6

Figure IV.3 : Exemple de cavit obtenue par gravure isotrope.

Lattaque chimique utilise se fait dans une solution contenant HF, HNO3 et H2O (ou

CH3COOH).

Lacide nitrique et lacide fluorhydrique servent respectivement oxyder et

dsoxyder la surface du silicium. Leau et lacide actique jouent le rle de modrateurs.

Le masquage peut tre effectu par une couche doxyde de silicium. La gravure des

surfaces de SiO2 ralise par voie chimique, en buffer HF et la vitesse dattaque de cette

attaque est denviron 700 A/min. Dans le cas ou la gravure du silicium est de longue dure, le

masque SiO2 peut tre totalement attaqu. Dans ces conditions, il est prfrable dutiliser des

masques en nitrure de silicium.

b.2.Gravure anisotrope :

Contrairement aux procds de gravure humide isotropes avec HF par exemple, les

gravures anisotropes permettent de contrler, avec prcision, les dimensions des structures

micro usines. Ce type de gravure et gnralement ralis dans des solutions aqueuses

anisotropies.

Les solutions de gravure du silicium prsentant un caractre anisotrope sont des

hydroxydes : KOH, NaOH, CeOH, RbOH, NH4OH, TMAH. Pour cette dernire, la raction

se droulant est alors loxydation du silicium par les hydroxydes pour former un silicate

Si + 2OH- + 4H+ Si (OH) 2++

Les silicates ragissent ensuite avec les hydroxydes pour former un complexe soluble

dans leau :

Si (OH) 2++ + 4OH- SiO2 (OH) 2

-- + 2H2O

Les solutions les plus souvent utilises dans la gravure anisotropie du silicium sont

lhydroxyde de potassium (KOH), qui offre une trs grande anisotropie mais possde

linconvnient dtre peu slectif envers laluminium ce qui pose des problmes quant aux

plots de connexions dans les technologies CMOS. De plus la prsence dions potassium qui

sont des polluants des circuits CMOS est extrmement gnante pour la compatibilit avec les

procds microlectroniques. Les vitesses de gravure typiques du silicium dans une solution

KOH 80C sont de 1 m.mn-1 et de 20 Angstrom.mn-1 pour loxyde de silicium.


7

La seconde solution de gravure anisotropie du silicium est lthylne dyamine

pyrocathchol (EDP) qui bien quoffrant de meilleures caractristiques de slectivit reste peu

employe du fait de sa trs haute toxicit et de son interdiction en salles blanches.

Dans ce type de gravure, la vitesse dattaque des plans (100) est de lordre de 100 fois

celle des plans (111) (Figure IV.4). Lexplication gnralement donne de lanisotropie est

que la vitess

Etude de l’actionnement électrostatique d’une membrane en...

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