ème rencontre des électroniciens fabricemathieu 30...
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217ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
1. LeMEMS(MicroElectroMechanical Systems)• Définition• Domainesd’application• Principedefabrication
2. Latransduction• Définition• Lesprincipalestransductionsetleurprincipededétection
3. Exemple• Miseenœuvre:Résonateurpiézoélectrique
Plan
317ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
417ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
Domainesd’application:L’automobile, les transports
Capteur de pression des pneusCapteur d’échappementCapteur luminositéRadar de reculeRégulation moteurCapteur de pluieAnti pincementHypovigilanceAir bagGyroscopeAccéléromètre……
517ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
Filtres, oscillateursMicro miroir (projecteur)CaméraCapteur de luminositéMicrophoneAccéléromètreGyroscope…….
Domainesd’application:L’automobile, les transportsLa téléphonie, l’usage domestique
617ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
717ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
817ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
L’automobile, les transportsLa téléphonie, l’usage domestiqueLa santé, la médecineL’environnement, l’habitatLa défense
Détection chimique, biologique,bactériologique
Vision nocturneArmementDrones…….
Domainesd’application:
917ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
L’automobile, les transportsLa téléphonie, l’usage domestiqueLa santé, la médecineL’environnement, l’habitatLa défenseL’industrie
Sécurité industrielleContrôle des émissionsContrôle des rejetsContrôle des procédésAutomatisation…….
Domainesd’application:
Capteurdedébitdegaz
1017ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
L’automobile, les transports
La téléphonie, l’usage domestique
La santé, la médecine
L’environnement, l’habitat
La défense
L’industrie
Domainesd’application:
Bref:ilssontpartout
1117ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
1. LeMEMS(MicroElectroMechanical Systems)• Définition• Domainesd’application• Principedefabrication
2. Latransduction• Définition• Lesprincipalestransductionsetleurprincipededétection
3. Exemple• Miseenœuvre:Résonateurpiézoélectrique
Plan
1217ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
Silicium(525µm)
Oxydedesilicium(1µm)
Réalisation& &
10étapesdefabricationSubstratdetypeSOI:Silicon‐On‐Insulator(Siliciumsurmatériauisolant)
Siliciummonocristallin(5µm)
Principedefabrication:Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
1317ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
1 Dépôtd’unoxydedesiliciumdepassivation(isolant)
Réalisation& &
10étapesdefabrication
Dioxydedesiliciumdepassivation(Si02 PECVD,100nm)
Principedefabrication:Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
1417ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
Titane/Platine(Ti/Pt=10nm/140nm)
Réalisation& &
10étapesdefabrication
Principedefabrication:
2 Dépôtdel’électrodeinférieureetdesapisteélectrique
Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
1517ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
3 Dépôtdumatériaupiézoélectrique
Réalisation& &
10étapesdefabrication
Principedefabrication:
Titano‐zirconate dePlomb(PZT)
Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
1617ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
4 Dépôtd’unecouronned’isolationélectrique
Réalisation& &
10étapesdefabrication
Principedefabrication:
Oxydedezirconium(ZrO2,1OOnm)
Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
1717ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
5 Dépôtdel’électrodesupérieureetdesapisteélectrique
Réalisation& &
10étapesdefabrication
Principedefabrication:
Titane/Platine(Ti/Pt=10nm/140nm)
Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
1817ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
6 Dépôtd’unnouveloxydedepassivation(isolationélectrique)etouverturedescontactsRéalisation& &
10étapesdefabrication
Principedefabrication:
Oxydedepassivation(SiO2 PECVD,100nm)
Ouvertureducontactdel’électrodesupérieure
Ouvertureducontactdel’électrodeinférieure
Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
1917ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
7 Renforcementdesplotsdecontact
Réalisation& &
10étapesdefabrication
Principedefabrication:
Dépôtd’unecouchedeTitane/Or(Ti/Au=100nm/700nm)
Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
2017ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
8 Dépôtd’unecouchedefonctionnalisation
Réalisation& &
10étapesdefabrication
Principedefabrication:
Dépôtd’unecouchedeTitane/Or(Ti/Au=10nm/100nm)
Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
2117ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
9 Ouvertureprofondedusiliciumpargravureioniqueréactive(Deep‐RIE)EnfacearrièreRéalisation& &
10étapesdefabrication
Principedefabrication:
Oxydeenterré(couched’arrêt)
Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
2217ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
10Gravuredel’oxydeenterréparvapeursd’acidefluorhydriqueEnfacearrièreRéalisation& &
10étapesdefabrication
Principedefabrication:
Libérationdelamembrane
d’épaisseur5µm
Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
2317ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
Réalisation& &
10étapesdefabrication
Principedefabrication:
1mm
Micro‐membranerésonantepiézoélectrique
2417ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
1. LeMEMS(MicroElectroMechanical Systems)• Définition• Domainesd’application• Principedefabrication
2. Latransduction• Définition• Lesprincipalestransductionsetleurprincipededétection
3. Exemple• Miseenœuvre:Résonateurpiézoélectrique
Plan
2517ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
2617ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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!
2717ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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)
. ∧
2817ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
!
2917ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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.
3017ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
3117ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
3217ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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.
Inconvénient: Délicatàfabriquer
: Capacité de la structure piézo.: Coefficient piézoélectrique;: Déplacement
3317ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
LatransductionLatransductionpiézorésistive
Ladétection
R
RLa déformation du matériau provoqueune variation proportionnelle de sarésistance.
Avantage: Linéaire,facileàutiliser,Inductifenfréquence.
Inconvénient: Délicatàfabriquer
vout(t)= +∆ . i(t)
∆ : Variationrelativedelapiézorésitance.: Déplacement
3417ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
1. LeMEMS(MicroElectroMechanical Systems)• Définition• Domainesd’application• Principedefabrication
2. Latransduction• Définition• Lesprincipalestransductionetleurprincipededétection
3. Exemple• Miseenœuvre:Résonateurpiézoélectrique
Plan
3517ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
MiseenœuvreMesureparvibromètre laser
Excitation externe par une pastille piézoélectrique, détection optique parinterférométrie.Elle permet de voir les différentsmode de résonance.
F6‐S8R
3617ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
3717ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
+ ;
+
3817ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
MiseenœuvreSimulationcomportementale
vout(t) = . V .
:Coefficientpiézoélectrique
3917ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
4017ème rencontredesélectroniciens Fabrice Mathieu 30Mai2013
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
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