Modélisation et caractérisation de capteurs mécaniques intégrés à base d'hétérostructures A1GaN/GaN pour les environnements hostiles

Certains domaines d'applications tels que l'aérospatial, l'automobile ou le forage de haute profondeur peuvent nécessiter la visualisation de certains paramètres physiques dans des environnements hostiles. Les capteurs microélectroniques basés sur le silicium y atteignent souvent leurs limites, qui sont qualifiées de conditions sévères . Ce travail se base principalement sur l'étude de solutions de capteurs mécaniques fonctionnant en conditions sévères. Le principe de ces capteurs repose sur l'exploitation de transistors de mesures HEMT à base de nitrures III-V (III-N), à la fois piézoélectriques et semiconducteurs, qui reste stable en conditions sévères. La compréhension des interactions entre physique des semiconducteurs et physique des matériaux ainsi que la caractérisation de structures possibles pour la détection mécanique représentent les principaux enjeux de ce sujet de thèse. La modélisation mécanique analytique et numérique des structures étudiées a permis d'appréhender le comportement de structures piézoélectriques multicouches. Le couplage de ce modèle électromécanique avec un modèle électronique du capteur a permis d'établir la faisabilité du principe de détection ainsi que la linéarité de la réponse du capteur. La caractérisation des prototypes réalisés en cours de thèse ont corroboré la linéarité du capteur tout en faisant apparaître l'influence de nombreux effets parasites réduisant sa sensibilité à savoir les effets de résistance parasites et de piézorésistances variables.Some industrial areas as oil, automotive and aerospace industries, require electromechanical systems working in harsh environments. An elegant solution is to use III V materials alloys having semiconductor, piezoelectric and pyroelectric properties. These materials, particularly nitrides such as GaN or AlN, enable design of advanced devices suitable for harsh environment. By using free-standing structure coupled with sensing HEMT transistors that are stable at high temperatures, it is possible to obtain mechanical sensors suitable for harsh environments. This PhD thesis focuses on a cantilever-based strain sensor and a drumskin-based pressure sensor. Analytical models of both sensors have been developed and establish the feasibility of the sensing principle as well as its response linearity. The characterization tests of fabricated prototypes validate the possibility of measuring external mechanical load with both sensors. The linearity of the response has also been confirmed by experimental measurements. The experimental sensitivity is smaller than the theoretical one due to several parasitic effects not included in the model such as parasitic resistance and variable piezoresisitive effects.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Microcapteurs de hautes fréquences pour des mesures en aéroacoustique

L aéroacoustique est une filière de l'acoustique qui étudie la génération de bruit par un mouvement fluidique turbulent ou par les forces aérodynamiques qui interagissent avec les surfaces. Ce secteur en pleine croissance a attiré des intérêts récents en raison de l évolution de la transportation aérienne, terrestre et spatiale. Les microphones avec une bande passante de plusieurs centaines de kHz et une plage dynamique couvrant de 40Pa à 4 kPa sont nécessaires pour les mesures aéroacoustiques. Dans cette thèse, deux microphones MEMS de type piézorésistif à base de silicium polycristallin (poly-Si) latéralement cristallisé par l induction métallique (MILC) sont conçus et fabriqués en utilisant respectivement les techniques de microfabrication de surface et de volume. Ces microphones sont calibrés à l'aide d'une source d onde de choc (N-wave) générée par une étincelle électrique. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de surface, la sensibilité statique mesurée est 0.4 V/V/Pa, la sensibilité dynamique est 0.033 V/V/Pa et la plage fréquentielle couvre à partir de 100 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 400kHz. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de volume, la sensibilité statique mesurée est 0.28 V/V/Pa, la sensibilité dynamique est 0.33 V/V/Pa et la plage fréquentielle couvre à partir de 6 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 715kHz.Aero-acoustics, a branch of acoustics which studies noise generation via either turbulent fluid motion or aerodynamic forces interacting with surfaces, is a growing area and has received fresh emphasis due to advances in air, ground and space transportation. Microphones with a bandwidth of several hundreds of kHz and a dynamic range covering 40Pa to 4kPa are needed for aero-acoustic measurements. In this thesis, two metal-induced-lateral-crystallized (MILC) polycrystalline silicon (poly-Si) based piezoresistive type MEMS microphones are designed and fabricated using surface micromachining and bulk micromachining techniques, respectively. These microphones are calibrated using an electrical spark generated shockwave (N-wave) source. For the surface micromachined sample, the measured static sensitivity is 0.4 V/V/Pa, dynamic sensitivity is 0.033 V/V/Pa and the frequency range starts from 100kHz with a first mode resonant frequency of 400kHz. For the bulk micromachined sample, the measured static sensitivity is 0.28 V/V/Pa, dynamic sensitivity is 0.33 V/V/Pa and the frequency range starts from 6kHz with a first mode resonant frequency of 715kHz.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

A dynamical approach to generate chaos in a micromechanical resonator

Chaotic systems, presenting complex and non-reproducible dynamics, may be found in nature from the interaction between planets to the evolution of the weather, but can also be tailored using current technologies for advanced signal processing. However, the realization of chaotic signal generators remains challenging, due to the involved dynamics of the underlying physics. In this paper, we experimentally and numerically present a disruptive approach to generate a chaotic signal from a micromechanical resonator. This technique overcomes the long-established complexity of controlling the buckling in micro/nano-mechanical structures by modulating either the amplitude or the frequency of the driving force applied to the resonator in the nonlinear regime. The experimental characteristic parameters of the chaotic regime, namely the Poincar\'e sections and Lyapunov exponents, are directly comparable to simulations for different configurations. These results confirm that this dynamical approach is transposable to any kind of micro/nano-mechanical resonators, from accelerometers to microphones. We demonstrate a direct application exploiting the mixing properties of the chaotic regime by transforming an off-the-shelf microdiaphragm into a true random number generator conformed to the National Institute of Standards and Technology specifications. The versatility of this original method opens new paths to combine chaos' unique properties with microstructures' exceptional sensitivity leading to emergent microsystems

Modeling and measurement of an ultrasound power delivery system for charging implantable devices using an AlN-based pMUT as receiver

Ultrasound power delivery can be considered a convenient technique for charging implantable medical devices. In this work, an intra-body system has been modeled to characterize the phenomenon of ultrasound power transmission. The proposed system comprises a Langevin transducer as transmitter and an AlN-based square piezoelectric micro-machined ultrasonic transducer as receiver. The medium layers, in which elastic waves propagate, were made by polydimethylsiloxane to mimic human tissue and stainless steel to replace the case of the implantable device. To characterize the behavior of the transducers, measurements of impedance and phase, velocity and displacement, and acoustic pressure field were carried out in the experimental activity. Then, voltage and power output were measured to analyze the performance of the ultrasound power delivery system. For a root mean square voltage input of approximately 35 V, the power density resulted in 21.6 mu W cm(-2). Such a result corresponds to the data obtained with simulation through a one-dimensional lumped parameter transmission line model. The methodology proposed to develop the ultrasound power delivery (UPD) system, as well as the use of non-toxic materials for the fabrication of the intra-body elements, are a valid design approach to raise awareness of using wireless power transfer techniques for charging implantable devices.Web of Science1312art. no. 212

Fabless Approach to the Fabrication of Electroacoustic Micro-transducers

National audienceSilicon-based microphones are nowadays well-established MEMS components produced by strong industrial actors. The fabrication of such acoustic sensors is based on a dedicated technology fulfilling all designed parameters. On the other hand, the development of such a technology processes is costly and time-consuming. In this paper, we will present a reversed approach, in which a device design must be tailored to match an existing fabrication process. We will show, on several examples, a design process of acoustic micro-transducers fabricated through a multi-projects wafer services. Focused will be a CMOS-MEMS process applied to the realization of suspended diaphragms that can be part of transducers with piezoresistive, electrostatic, or electrodynamic transduction. Obtained results will be presented, specific challenges and limitations of such a process will be discussed. Possible future solutions will be outlined

Approche "fabless" de fabrication des micro-transducteurs électroacoustiques

National audienc

Les microsystèmes électromécaniques

ISBN: 2746205076Les microsystèmes sur silicium intégrés aux circuits numériques donnent une dimension nouvelle aux systèmes monopuces (ou SoC - System on Chip) en ajoutant des fonctionnalités à leur interface avec le monde réel (capteurs et actionneurs). Etant fabriqués en utilisant des procédés venant de la micro-électronique, les microsystèmes sur silicium sont appelés à jouer un rôle primordial dans les technologies de l'information et de la communication (TIC). En associant des fonctions mécaniques, optiques, thermiques, fluidiques, magnétiques ou même biochimiques avec une électronique de contrôle et de traitement de l'information très performante, les microsystèmes sont bien en passe de révolutionner le marché des semi-conducteurs. L'intégration des capteurs et des actionneurs dans les puces micro-électroniques ouvre un formidable éventail de possibilités. En effet, les puces de cette nouvelle génération peuvent devenir des systèmes autonomes, gérant de façon optimale leur consommation tout en récupérant de l'énergie environnante. Elles disposent de capacités de communication avec d'autres puces voisines, par des liens radio, optique, acoustique ou infrarouge. Fondamentalement, elles sont capables de percevoir leur environnement, d'analyser les données qui en émanent, et d'interagir en conséquence avec celui-ci

Approaches to the Design, Fabrication, and Test of Electroacoustic Micro-transducers

International audienceSilicon-based microphones are nowadays well-established MEMS components produced by strong industrial actors.The fabrication of such acoustic sensors is based on a dedicated technology fulfilling all designed parameters. On the other hand, the development of such a technology processes is costly and time-consuming. In this paper, we will present approaches based on technologies readily available to small companies and academic institutions. We will show, on several examples, a design process of acoustic micro-transducers fabricated through generic technologies. Focused will be a CMOS-MEMS process applied to therealization of suspended diaphragms that can be part of transducers with piezoresistive, electrostatic, or electrodynamic transduction. We will also briefly present a testing technique that can be used for acoustic sensors calibration. This technique has a special interest for sensors with a frequency response exceeding the typical audible range

Miniature microphones: non-standard fabrication approaches and associated modeling issues

International audienceMicro-electro-mechanical systems (MEMS) allowed miniature microphones that during the last few decades have left research laboratories to enter a massive industrial development. Their characteristics meet the most demanding specifications of various portable devices. This talk will show some non-standard approaches to the fabrication technology and associated modeling issues using two cases of specific designs in support. The first case is a piezoresistive microphone devoted to high-intensity and high-frequency acoustic fields. To damp the resonance, an atypical diaphragm structure was employed. Such a solution, allowing relatively large airgap required by large diaphragm displacements, will be presented and analyzed. The second case concerns a design of a microphone fabricated with a standard complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. This technology, in contrast with dedicated technologies typically used by the microphone industry, is readily available to small companies and academic institutions. One of the drawbacks of the CMOS-MEMS approach is a relatively high degree of design constraints represented by materials and layers dimensions involved in the CMOS process. Moreover, the device layout must take into account specific requirements of the fabrication technique. This talk will present some of these constraints and their impact on the microphone performance that will be supported by simulation results

La modélisation des microsystèmes électromécaniques

ISBN: 2746205068Les microsystèmes sur silicium intégrés aux circuits numériques donnent une dimension nouvelle aux systèmes monopuces (ou SoC - System on Chip) en ajoutant des fonctionnalités à leur interface avec le monde réel (capteurs et actionneurs). Étant fabriqués en utilisant des procédés venant de la micro-électronique, les microsystèmes sur silicium sont appelés à jouer un rôle primordial dans les technologies de l'information et de la communication (TIC). En associant des fonctions mécaniques, optiques, thermiques, fluidiques, magnétiques ou même biochimiques avec une électronique de contrôle et de traitement de l'information très performante, les microsystèmes sont bien en passe de révolutionner le marché des semi-conducteurs. L'intégration des capteurs et des actionneurs dans les puces micro-électroniques ouvre un formidable éventail de possibilités. En effet, les puces de cette nouvelle génération peuvent devenir des systèmes autonomes, gérant de façon optimale leur consommation tout en récupérant de l'énergie environnante. Elles disposent de capacités de communication avec d'autres puces voisines, par des liens radio, optique, acoustique ou infrarouge. Fondamentalement, elles sont capables de percevoir leur environnement, d'analyser les données qui en émanent, et d'interagir en conséquence avec celui-ci