Etude par microvibrométrie de films minces et de dispositifs micromécaniques

Characterization of thin films and micromechanical devices by microvibrometry

• Auteur / Autrice : Réda Yahiaoui
• Direction : Alain Bosseboeuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couches minces

Micromécanique (physique du solide)

Mots clés libres

@Microvibrométrie

Résumé

L'objectif de ce travail de thèse était de développer un système optique permettant la caractérisation sans contact du spectre de vibration et des modes de vibration de dispositifs micromécaniques et de modéliser les mesures pour différents types de dispositifs micromécaniques de test (micropoutres, microponts, membranes). Dans le chapitre II sont recensés les modèles analytiques et semi-analytiques existants qui décrivent le comportement dynamique des principaux dispositifs micromécaniques. Ces modèles sont comparés à des simulations par éléments finis effectuées avec le logiciel ANSYS et différents facteurs de corrections sont proposés pour les micropoutres et les microponts afin de tenir compte de la variation du module d'Young effectif avec la largeur des dispositifs ainsi que des imperfections géométriques et des contraintes résiduelles présents dans les microdispositifs réels. Dans le chapitre III les principales techniques de vibrométrie optique ponctuelles et plein champ et d'excitation des vibrations sont analysées à partir des besoins pour la caractérisation des microsystèmes ce qui a permis de sélectionner l'excitation piezoélectrique et la vibrométrie interférométrique comme étant des techniques adaptées pour nos expériences. Dans le chapitre IV le système de vibrométrie interférométrique qui a été développé est présenté et son fonctionnement et ses performances pour la mesure de spectres et de modes de vibration sont illustrées sur différents types de microdispositifs. Enfin les modèles et le vibromètre optique ont été appliqués à la caractérisation du module d'Young et des contraintes résiduelles de différents films minces à partir des fréquences de résonance de membranes, de micropoutres et de microponts. Dans le cas des membranes un bon accord a été obtenu entre les mesures par vibrométrie et par la technique de gonflement. Dans le cas des micropoutres et des microponts, les résultats montrent le rôle important de la configuration de l'encastrement sur la précision des résultats.

The aim of this thesis work was the development of an optical system which allows non contact characterization of vibration spectra and vibration modes of micromechanical device and the modeling of the measurements for various type of micromechanical test device (cantilever microbeams, microbridges, membranes). Chapter II presents a survey of the analytical and semi-analytical models of the dynamical behavior of the main micromechanical devices. These models are compared with finite elements simulations with ANSYS software. Several correction factors are proposed for cantilever microbeams and microbridges in order to take into account the effective Young's modulus variation with devices as well as the geometrical imperfections and residual stress occurring in real microdevices. In chapter III, the main optical vibrometry techniques for point vibration spectra and vibration modes measurements are analyzed from the needs of microsystems characterization. This allowed to select piezoelectric excitation and interferometric vibrometry as suitable techniques for our experiments. In chapter IV, the optical vibrometer which has been developped is presented in details and its performances for vibration spectra and vibration modeshapes are illustrated on diffrent types of micromechanical devices. At last, models and the optical vibrometer have been applied to the characterization of the Young's modulus and residual stress of various thin films from the resonant frequencies of membranes, microbridges and mcantilever microbeams. In the case of membranes, results obtained by vibrometry and bulge test are in good agreement For cantilever microbeams and microbridges, it is demonstrated that the accuracy of results is largely dependent of the modeling of the clamping configuration.