Rétroaction thermo-piézorésistive dans des capteurs MEMS à base de nanofils en silicium suspendus

Thermal piezoresistive back action in suspended silicon nanowires based MEMS

• Auteur / Autrice : Pierre Janioud
• Direction : Panagiota Morfouli, Alexandra Koumela, Guillaume Jourdan, Christophe Poulain
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 10/07/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Lionel Buchaillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Dufour Dabadie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Legrand, Guillermo Villanueva

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanosilicium

Systèmes microélectromécaniques

Piézoélectricité

Mots clés libres

Mems

Nanofil en silicium

Rétroaction thermo-Piézorésistive

Résonateur

Piézorésistivité

Thermoélasticité

Mems

Silicon nanowire

Thermal piezoresistive back action

Resonator

Piezoresistivity

Thermoelasticity

Résumé

Le développement de nouvelles technologies, tant dans le domaine de l’électronique grand public (smartphones, internet des objets,...) que dans le domaine automobile (véhicule autonome), a largement favorisé la demande croissante de capteurs miniaturisés toujours plus performants. Dans ce contexte, la transduction piézorésistive basée sur l’utilisation de nanofils en silicium se montre particulièrement intéressante pour améliorer les capacités de détection des capteurs actuels. De nombreux avantages ont pu être identifiés pour les applications NEMS et MEMS, et en particulier, une grande sensibilité et une excellente compacité. Par ailleurs, la consommation reste un problème majeur pour les capteurs miniaturisés. L’utilisation optimisée de nanofils pourrait constituer à terme une différenciation de ce système de transduction pour la conception des capteurs MEMS basse consommation et hautes performances.La rétroaction thermo-piézorésistive (TPBA), mis en évidence dans les nanofils polarisés par une source continue, permet de contrôler finement la réponse électromécanique et d’optimiser la chaine de transduction d’un MEMS. Résultant d’un couplage thermique, électrique et mécanique, ce phénomène permet entre autres d’atteindre un régime d’auto-oscillation pouvant être utilisé pour suivre la fréquence de résonance d’un résonateur.Cette thèse se focalise sur la compréhension de cet effet de rétroaction dans les nanofils utilisés pour les composants M&NEMS développés au CEA-Leti. Une étude approfondie de leurs propriétés, dont les dimensions typiques sont 250 nm x 250 nm x 5 μm, permet de montrer leur intérêt pour mettre en œuvre ce mécanisme. Basé sur des modéles analytiques et numériques, un modèle global de ce phénomène est proposé. Il est ensuite confronté aux résultats expérimentaux obtenus sur des composants existants et d’autres réalisés dans le cadre de cette thèse. Enfin, une discussion sur les perspectives de cette étude permet d’évaluer le gain apporté par la rétroaction thermo-piézorésistive et d’identifier ses applications potentielles.

The development of new technologies, either in consumer electronic domain (smartphones, internet of things...) or in automotive domain (autonomous vehicles), largely boosted the increasing demand of miniaturized and highly performant sensors. Piezoresitive transduction by means of silicon nanowire is particularly interesting to improve detection capability of current sensors. Various benefits of this transduction have been identified for NEMS and MEMS applications, and in particular, high sensitivity and excellent compactness. Moreover, power consumption remains a major issue for miniaturized sensors. Optimized use of nanowires could eventually lead to significant improvement of this transduction mechanism for low power and high performances sensors.Thermal Piezoresistive Back Action (TPBA), highlighted in DC-biased nanowires, allows to finely control electromechanical response and optimize the transduction mechanism of MEMS. Based on a thermal, electrical and mechanical coupling, this phenomenon particularly allows to reach a self-sustained oscillation regime that could be used to monitor the resonance frequency of a resonator.The objective of this thesis is to study this back action mechanism in nanowires used for M&NEMS components developed at CEA-Leti. A complete study of silicon nanowires properties, whose typical dimensions are 250 nm x 250 nm x 5 μm, allows to evaluate their interest to implement this mechanism. Based on analytical models and finite element modeling, a model of this phenomenon is proposed. Then, it is confronted with experimental results achieved on existing components and others fabricated during this thesis. Finally, a discussion on the perspectives of this study evaluates the gain brought by this mechanism and its potential applications.