Intégration sur silicium et caractérisation de films minces de polyuréthane nanocomposite pour le développement de micro-actionneurs MEMS électrostrictifs

Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre général du développement de micro-actionneurs MEMS, à bas coût et de technologie simple, pour de futures applications dans le domaine de la microfluidique, notamment. La motivation de ce travail est d'évaluer la faisabilité d'un micro-actionneur électrostricitf à base de film mince polymère électroactif nanocomposite. Le polyuréthane, chargé en nanoparticules de carbone ou carbure de fer, encore peu étudié mais aux propriétés électrostrictives prometteuses, est choisi comme matériau à intégrer dans une filière MEMS silicium classique. Le premier chapitre dresse un état de l'art sur les actionneurs MEMS, présente les différentes familles de polymères électroactifs et définit ce qu'est l'électrostriction. Le second chapitre est consacré à l'intégration sur silicium de films minces de polyuréthane et au développement de différentes structures de tests. L'accent est mis sur la levée de plusieurs verrous technologiques. Le chapitre trois présente les méthodes de caractérisations mécaniques et électriques et les résultats obtenus sur films purs et nanocomposites. Le quatrième et dernier chapitre concerne la réalisation et la caractérisation de premiers démonstrateurs MEMS. Ces micro-actionneurs sont caractérisés de manière statique et dynamique.This thesis is part of the general development of MEMS microactuators, low cost and simple technology for future applications in the domain of microfluidics. The motivation of this work is to evaluate the feasibility of an electrostrictive microactuator based on electroactive nanocomposite polymer thin films. Polyurethane, loaded with carbon or iron carbide nanoparticles is chosen to be integrated in a conventional silicon MEMS process. The first chapter provides a state of the art of MEMS actuators, presents the different families of electroactive polymers and defines what is electrostriction. The second chapter is devoted to the integration of polyurethane thin films on silicon and to the development of different mechanical and electrical test structures. The emphasis is on identifying and overcoming technological barriers. Chapter three presents the mechanical and electrical characterization methods and the obtained results for pure and nanocomposites films. The fourth and final chapter concerns the realization and the static and dynamic characterizations of first MEMS demonstrators.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Corrélation entre les procédés de fabrication, les propriétés microstructurales et les propriétés mécaniques de couches minces métalliques pour applications microsystèmes

L'agence spatiale européenne et le CNES étudient la possibilité d envoyer des microsystèmes dans l espace, en particulier pour le gain de masse qu ils représentent. Afin d améliorer la fiabilité des composants en couches minces dans le temps et leurs performances, il est nécessaire de connaitre leurs propriétés mécaniques. Plusieurs techniques de caractérisation existent, en particulier la nanoindentation qui sollicite les couches minces directement sur substrat. Mais les résultats peuvent être largement influencés par le substrat dans le cas des couches microniques. Les méthodes de traction uniaxiale (CNES) et du gonflement de membranes autoportantes (INL) permettent de s affranchir des effets du substrat, mais la fabrication de telles structures est complexe et nécessite bon nombre d étapes technologiques pour retirer le substrat en face arrière. L objectif de cette thèse est de comprendre le lien qui existe entre les paramètres de fabrication de couches minces métalliques d'or et d'aluminium, leur microstructure, et leurs propriétés mécaniques à l aide des outils présentés précédemment. Une perspective étant de mieux agir sur les procédés de fabrication afin d améliorer la fiabilité des composants. Le premier chapitre présente les différentes techniques de dépôt, leur thermodynamique et cinétique, les types de microstructures rapportées dans la littérature, ainsi que la réalisation des structures de test. Le deuxième présente les caractérisations microstructurales, et la corrélation entre les paramètres de dépôt et les propriétés microstructurales est discutée. Le chapitre trois présente les caractérisations mécaniques des couches minces, sur substrat ou autoportantes, par les méthodes de nanoindentation en pointe Berkovich et sphérique, de microtraction et du gonflement de membrane. Le dernier chapitre est consacré aux relations entre les propriétés microstructurales et mécaniques des couches minces métalliques et à l'influence des traitements thermiques.The European Space Agency and CNES are studying the possibility of sending microsystems in space, especially for the mass gain they represent. To improve the reliability of components, it is necessary to know their mechanical properties. Several characterization techniques exist, especially nanoindentation of thin films on substrates. However, results can be largely influenced by the substrate in the case of micron layers. The methods of uniaxial tension (CNES) and bulge-test (INL) on freestanding specimen are used to eliminate the effects of the substrate, but the fabrication of such structures is complex and requires many technological steps to remove the substrate on the backside. The objective of this thesis is to understand the relationship between manufacturing parameters of thin metal films of gold and aluminum thin films, their microstructure and mechanical properties using the tools described above. The first chapter presents different deposition techniques, their thermodynamics and kinetics, types of microstructures reported in the literature, and the fabrication of test structures. The second presents the microstructural characterization, and correlation between deposition parameters and the microstructural properties is discussed. Chapter three presents the mechanical characterization of thin films on substrate or freestanding ones, by the methods of nanoindentation with Berkovich and spherical tips, microtensile test and bulge test. The last chapter is devoted to relations between microstructural and mechanical properties of thin metal films and the influence of heat treatments.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

A Systematic Error in the Internal Friction Measurement of Coatings for Gravitational Waves Detectors

Low internal friction coatings are key components of advanced technologies such as optical atomic clocks and high-finesse optical cavity and often lie at the forefront of the most advanced experiments in Physics. Notably, increasing the sensitivity of gravitational-wave detectors depends in a very large part on developing new coatings, which entails developing more suitable methods and models to investigate their loss angle. In fact, the most sensitive region of the detection band in such detectors is limited by the coating thermal noise, which is related to the loss angle of the coating. Until now, models which describe only ideal physical properties have been adopted, wondering about the use of one or more loss angles to describe the mechanical properties of coatings. Here we show the presence of a systematic error ascribed to inhomogeneity of the sample at its edges in measuring the coating loss angle. We present a model for disk-shaped resonators, largely used in loss angle measurements, and we compare the theory with measurements showing how this systematic error impacts on the accuracy with which the loss model parameters are known

Caractérisation et modélisation de microtransducteurs de pression à hautes performances intégrés sur silicium..

L\u27objectif de ce travail etait de modeliser le comportement thermomecanique de membranes composites SiO2/Si et de developper des outils de caracterisation adaptes aux microstructures en silicium pour permettre la conception de microcapteurs de pression piezoresistifs a membrane de type Polysilicium Sur Isolant a hautes performances. Des membranes SiO2/Si de 3 mm de cote et d\u27epaisseur inferieure a 40 microns, recouvertes par des couches d\u27oxyde thermique de 0.5 a 2 microns, ont ete realisees par gravure chimique anisotrope du silicium sans couche d\u27arret dans des solutions KOH+H20. Nous avons etudie le profil des membranes, la rugosite et l\u27uniformite de la gravure par profilometrie optique. Les epaisseurs moyennes des membranes ont ete determinees avec une incertitude de 0.1 micron par spectrometrie infrarouge a transformee de Fourier. L\u27origine de la contrainte dans les films d\u27oxyde sur substrats epais a ete etablie et sa valeur determinee avec une incertitude de 4% par des mesures de courbures moyennes

Study of piezo-tunnel effect in Metal/Al2O3/Metal junctions

3-7 juillet 2016International audienceno abstrac

Realization of Thin Film Specimens for Micro Tensile Tests

International audienc

Design of bossed silicon membranes for high sensitivity microphone applications

International audienc

Realization of Thin Film Specimens for Micro Tensile Tests

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Temperature dependence of the electromechanical characteristics of superconducting RF‐MEMS switches

International audienceMicro-electro-mechanical-system (MEMS) switches are very interesting for high frequency applications. These switches are electrostatically actuated micromechanical meanders-suspended bridges. In the field of millimeter wave radio astronomy, cryogenic circuits are frequently made of superconducting niobium and elements combining these circuits with MEMS devices of compatible technologies are of high potential for new applications. The initial profile of the bridge has been numerically simulated. This suggested the influence of possible residual stress in Nb thin films on the behavior of MEMS. A study of the capacitance variation as a function of the applied voltage has been performed for this type of MEMS at room and low temperatures down to 150K. It is associated with a mechanical study of the vibrating modes of the structure and with X-rays characterization of the Nb film. An identification of specific sets of geometric parameters to reach good performance and temperature stability was done

Temperature dependence of the electromechanical characteristics of superconducting RF‐MEMS switches

International audienceMicro-electro-mechanical-system (MEMS) switches are very interesting for high frequency applications. These switches are electrostatically actuated micromechanical meanders-suspended bridges. In the field of millimeter wave radio astronomy, cryogenic circuits are frequently made of superconducting niobium and elements combining these circuits with MEMS devices of compatible technologies are of high potential for new applications. The initial profile of the bridge has been numerically simulated. This suggested the influence of possible residual stress in Nb thin films on the behavior of MEMS. A study of the capacitance variation as a function of the applied voltage has been performed for this type of MEMS at room and low temperatures down to 150K. It is associated with a mechanical study of the vibrating modes of the structure and with X-rays characterization of the Nb film. An identification of specific sets of geometric parameters to reach good performance and temperature stability was done