Elaboration de couches épaisses piézoélectriques déposées sur substrats pour des applications microtechniques

= Elaboration of piezoelectric thick films deposed on substrat for microtechnique application

• Auteur / Autrice : Sarah Le Dren
• Direction : Paul Gonnard, Alain Nicolas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frittage (métallurgie)

Microtechniques

Piézoélectricité

Couches épaisses (électronique)

Microélectronique

Résumé

L'objectif de ce travail est d'élaborer des couches épaisses piézoélectriques de PZT (Pb(ZrTi)O3) sur substrat (alumine et silicium). Ces films sont susceptibles d'être intégrés dans des microsystèmes à la place des céramiques massives amincies. La technique de dépôt choisie est la sérigraphie pour sa simplicité et parcequ'elle est déjà maîtrisée dans l'industrie. Chaque étape de la fabrication des films épais est d'abord détaillée dans l'étude bibliographique. L'étude expérimentale repose sur l'optimisation : de la technique de dépôt ; de la formulation des pâtes d'impression (étude des paramètres dont dépend l'encre) ; des traitements thermiques (séchage, déliantage, frittage). Après polarisation, les performances des films épais et des céramiques massives sont comparées pour quatre compositions de PZT. A partir des résultats expérimentaux, deux hypothèses sont avancées pour expliquer les faibles caractéristiques des couches par rapport à celles des céramiques massives : la porosité importante des films ; le ''clampage'' des couches sur le substrat. Divers modèles ont ensuite été proposés pour justifier les différences relevées entre les propriétés respectivement obtenues par les deux structures. Une autre étude expérimentale est consacrée à l'amélioration de la densité des couches en comparant diverses techniques de frittage : frittage rapide, frittage conventionnel sous atmosphère de PbO, frittage en four tubulaire, frittage RTA. Dans le but d'abaisser la température de frittage tout en améliorant le spropriétés des films épais, l'influence de divers fondants est étudiée : le mélange eutectique PbO-PbF2 donne des résultats intéressants pour toutes les compositions de poudre testées. La caractérisation fréquentielle des couches est effectuée : à basse fréquence en analysant la vibration d'une poutre encastrée et en la modélisant ; à haute fréquence grâce au développement d'un modèle à trois couches. L'étude de faisabilité de transformateurs piézoélectriques et d'un filtre à ondes de surface a également été effectuée, justifiant ainsi l'intérêt des couches épaisses piézoélectriques dans des applications microtechniques.

This work talks about elaboration of PZT (Pb(ZrTi)03) piezoelectric thick films on substrate (alumina and silicium). These films could be integrated in microsystems instead of bulk polish ceramic. The technical deposit choice is screen-printing for its simplicity and because it is already overcome in industry. Each stage of the fabrication of thick films is first detailed in the bibliographic study. The experimental study is based on the optimization of: - deposit technique - ink preparation - thermal treatments After polarization, results on thick films and bulk ceramics are compared for four PZT compositions. From these results, two hypotheses are proposed to explain the weak characteristics of the thick films in comparison with bulk ceramics ones: - important porosity of thick films - films clamping on substrate Models are proposed to justify the differences of properties between films and bulk ceramics. Another experimental study is about improvement of films density by using different sintering methods. Some sintering aids are used to decrease temperature sintering and to improve films properties. The eutectic mix of PbO-PbF2 gives interesting results for all tested PZT compositions. Frequencies characterizations are carried out at: - Law frequencies using the, embedded beam method and modeling - High frequencies using a three layers model. A feasibility study of piezoelectric transformers and a SAW device is made ta justify the interest of piezoelectric thick films in micro-technical applications.