L'intégration de composants passifs sur silicium constitue l'une des voies envisagées pour répondre aux préoccupations de miniaturisation des systèmes électroniques radiofréquences. Une autre réponse à cette évolution est apportée par l'introduction de microsystèmes électromécaniques pour remplacer des fonctions électroniques. Ce projet explore une approche mixte afin d'intégrer simultanément les composants passifs et un MEMS résonant. Le procédé de fabrication des puces passives est le point de départ pour réaliser des résonateurs susceptibles de remplacer les quartz. Les travaux concernant trois types de structures sont détaillés dans cette thèse : des anneaux en aluminium avec des vibrations hors-plan, une géométrie tubulaire en silicium vibrant sur un mode de contour et des résonateurs carrés et circulaires en silicium monocristalIin fonctionnant sur un mode extensionnel. Le principe de fonctionnement y est expliqué, ainsi que le moyen de les réaliser sans avoir recours à un substrat SOI. La confrontation des mesures électriques avec différents modèles analytiques ou numériques a orienté les travaux vers une solution offrant de bonnes performances. Avec un facteur de qualité dépassant 50000 à une fréquence de 24 MHz, une résistance motionnelle de 2 kiloohms. et une puissance dissipée de 16 µ W pour une polarisation de 5 V, les derniers prototypes montrent le potentiel d'une telle approche / The integration of passive components on silicon is one of the solutions to meet the concerns of miniaturization of electronic radio frequency systems. Another response to these evolution is provided by the introduction of microelectromechanical systems to replace electronic functions. This project explores a mixed approach to simultaneously integrate passive components and MEMS resonant. The manufacturing process of passive chips is the starting point for making resonators as an alternative to quartz. Work on three types of structures are detailed in this thesis: aluminum rings with out-of-plan vibrations, a tubular geometry made of silicon vibranting on a contour mode and single-crystal silicon contour-mode resonators. The operating principle is explained, as weIl as the means to achieve them without resorting to a SOI substrate. The comparison between electrical measurements and various analytical or numerical models has guided the work towards a solution with good performance. With quality factor exceeding 50000 at a frequency of 24 MHz, motional resistance of 2 kiloohms. and power dissipation of 16 µW for a polarization of 5 V the latest prototypes show the potential of such an approach.

Résumé / Abstract

Un important effort de recherche est nécessaire pour assurer la maîtrise du vol en espace restreint de drones miniatures. Cette recherche s’appuie sur une nouvelle génération de capteurs inertiels, les capteurs vibrants, qui offrent par leur principe et leur technologie de réalisation associée, des perspectives tout à fait intéressantes en terme de miniaturisation / performance / coût. Dans ce travail de thèse, nous avons notamment étudié la relation entre la performance et les dimensions de micro-accéléromètres vibrants en silicium. Pour cela, nous avons établi les limites de ce type de capteur en fonction de la taille du résonateur. En particulier, le facteur de qualité est apparu comme un paramètre déterminant et une étude expérimentale a été réalisée afin de valider les modèles théoriques. De nombreux résultats expérimentaux nous ont permis de dresser une estimation des performances attendues. Enfin, une première architecture d’accéléromètre vibrant en silicium est détaillée / A major research effort is necessary to ensure flight control for miniaturized UAV. This research is based on a new generation of inertial sensors, the vibrating sensors, which offer because of their principle and their associated technology achievement, interesting prospects in terms of miniaturization / performance / cost. The focus of this research was to study the relationship between performance and size of silicon vibrating accelerometers.We have established the boundaries of this type of sensor based on the size of the resonator. In particular, the quality factor has emerged as a determining factor and an experimental study was conducted to validate the theoretical models. Thus, many experimental results have enabled us to estimate the expected performances. Finally, a first architecture of silicon vibrating accelerometer is presented

Un important effort de recherche est nécessaire pour assurer la maîtrise du vol en espace restreint de drones miniatures. Cette recherche s'appuie sur une nouvelle génération de capteurs inertiels, les capteurs vibrants, qui offrent par leur principe et leur technologie de réalisation associée, des perspectives tout à fait intéressantes en terme de miniaturisation / performance / coût. Dans ce travail de thèse, nous avons notamment étudié la relation entre la performance et les dimensions de micro-accéléromètres vibrants en silicium. Pour cela, nous avons établi les limites de ce type de capteur en fonction de la taille du résonateur. En particulier, le facteur de qualité est apparu comme un paramètre déterminant et une étude expérimentale a été réalisée afin de valider les modèles théoriques. De nombreux résultats expérimentaux nous ont permis de dresser une estimation des performances attendues. Enfin, une première architecture d'accéléromètre vibrant en silicium est détaillée

Ce travail propose une nouvelle voie de conception de micro-bolomètres non-refroidis, qui exploite la variation de résistance électrique avec la température au voisinage de 300 K de couches minces La0,7Sr0,3MnO3 déposées sur substrat de silicium. Un procédé de fabrication utilisant le micro-usinage du silicium a été optimisé afin de réduire la conductance thermique liant la couche mince au substrat. Nous avons vérifié que les propriétés électriques (résistivité électrique et bruit à basse fréquence) du La0,7Sr0,3MnO3 ne sont pas dégradées sur des ponts suspendus de largeur 2 ou 4 µm et de longueur 50 à 200 µm. La conductance thermique mesurée est bien décrite par un modèle analytique simple. L'isolation thermique du détecteur est réduite de 5 ordres de grandeur, augmentant d'autant la sensibilité des bolomètres. La détectivité spécifique dans la bande passante estimée à partir des mesures est égale à 1,1×1010 cm.Hz-1/2.W-1 à 1,5 µm et à 300 K, ce qui très proche de la limite théorique pour des détecteurs thermiques à 300 K (1,8×1010 cm.Hz-1/2.W-1). Nos détecteurs de rayonnement, dont les performances sont limités par le bruit de phonons, présentent des constantes de temps de réponse faible (<1 ms). Ils pourraient trouver préférentiellement des applications dans lesquelles un petit nombre de détecteurs et où une grande détectivité spécifique (ou une petite constante de temps de réponse) sont nécessaires. C'est par exemple le cas des applications pour la spectrométrie infrarouge ou des détecteurs de gaz de type non dispersif. Associés à des antennes, nos bolomètres pourraient également trouver des applications en détection THz.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement de sondes actives destinées à améliorer les performances des microscopes à force atomique (AFM) en vue de caractériser des objets nanométriques en milieu liquide avec une grande résolution spatiale et temporelle. Il s'agit d'un enjeu d'actualité qui mobilise la communauté scientifique tant au niveau de la physique encore souvent mal comprise que de l'instrument lui-même dont la sonde microsystème va fournir des performances accrues. L'architecture de ce nouveau capteur AFM va être identique aux sondes de type poutre encastrée-libre classiquement utilisées en AFM sous vide ou dans l'air.<br /><br />L'innovation réside dans l'intégration d'un actionnement propre directement sur le capteur, pour diminuer la quantité de fluide déplacé par rapport à un actionnement déporté d'une sonde classique, et d'une pointe effilée par un nanotube de carbone, pour atteindre une résolution latérale inférieure au nm. <br /><br />La recherche de la compréhension des phénomènes physiques entrant en jeu a conduit à une modélisation analytique complète du comportement dynamique du levier en milieu liquide. Cette modélisation, intégrant les phénomènes de dissipation intrinsèque à la structure et ceux dus au milieu liquide, permet d'optimiser les paramètres géométriques du capteur conduisant aux meilleures performances en terme de fréquence de résonance (>MHz) et de coefficient de qualité (>10). Des leviers aux dimensions optimales pour un actionnement en milieu liquide ont ainsi été fabriqués par technique de micro-usinage de surface et de volume. Deux voies technologiques ont été envisagées : l'actionnement électrostatique et l'actionnement piézoélectrique qui, au vue de l'étude bibliographique, sont les deux principes d'actionnement les plus adaptés à la détection de force en milieu liquide.<br /><br />La résolution latérale nanométrique a été obtenue en intégrant à l'extrémité du levier une pointe à apex très effilée. Une première méthode a consisté à utiliser la croissance localisée d'un unique nanotube de carbone dans le prolongement de la pointe. Cette étape a été rendue possible par une collaboration intensive avec le LEPES et plus particulièrement avec Anne-Marie Bonnot où une statistique de greffage de nanotubes de carbone a été réalisée sur des champs de pointe à géométrie variable pour contrôler, entre autre, la longueur des tubes obtenus à l'apex des pointes en silicium. Le procédé de dépôt des nanotubes de carbone étant réalisé à haute température (>800°C), il n'est donc compatible qu'avec une technologie de fabrication haute tempérautre comme c'est le cas de l'actionnement électrostatique (1100°C). Une autre méthode est donc utilisée pour effiler les pointes en silicium des leviers piézoélectriques à technologie froide (<650°C). La pointe est fabriquée avant le dépôt des couches de PZT qui réalisent l'actionnement et un apex nanométrique est obtenu par cycles d'oxydation-désoxydation. <br /><br />Ainsi les leviers actifs ont pu être caractérisés dans l'air et dans l'eau par vibrométrie laser puis par AFM, les leviers comportant un support aux dimensions entièrement compatibles avec les AFM commerciaux. Les effets d'électrolyse et d'écrantage du potentiel des électrodes, inhérents au milieu liquide d'actionnement, ont été d'autre part étudiés.<br /><br />Cette étude pluridisciplinaire en collaboration avec le LEPES (nanotube de carbone) et le CPMOH (caractérisations AFM des pointes à nanotubes) a permis de fabriquer une nouvelle génération de sondes actives AFM adaptées au milieu liquide.