Conception et élaboration de microstructures en technologie hybride couche épaisse pour des applications MEMS

Development of a new thick-film sacrificial layer process for free-standing layers fabrication applied in hybrid mems

• Auteur / Autrice : Patrick Ginet
• Direction : Claude Lucat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences physiques et de l'ingénieur. Électronique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Bordeaux 1

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microactionneurs

Thermistances

Systèmes microélectromécaniques

Sérigraphie

Couches épaisses (électronique)

Résumé

Cette étude porte sur la réalisation de dispositifs utilisant des microstructures ou des actionneurs à base de couches épaisses partiellement désolidarisées du substrat sur lequel ils sont fabriqués. Un nouveau procédé basé sur l’association de la technique de sérigraphie standard avec la méthode de la couche sacrificielle a été mis au point au laboratoire pour la fabrication de couches libérées. Afin de répondre aux exigences de tenue mécanique lors du dépôt puis de la cuisson de couches suspendues d’or, la composition époxy/carbonate de strontium s’est révélée être le meilleur choix pour la couche sacrificielle. Pour la première fois, des actionneurs thermiques en cuivre et en argent ont été fabriqués à l’aide du procédé de la couche sacrificielle. Le déplacement latéral et la température au sein des actionneurs en cuivre ont été mesurés respectivement par microscopie optique et par thermographie infrarouge en fonction de la tension appliquée. La bonne corrélation entre ces résultats et ceux de simulations analytiques et par éléments finis démontre la faisabilité d’actionneurs à l’aide de ce nouveau procédé. Ce dernier a également permis d’élaborer des résistances chauffantes suspendues, des microcanaux et des composants piézoélectriques libérés du substrat. Ces premiers résultats ont démontré l’efficacité du procédé de fabrication collectif, simple et à bas coût, pour la réalisation de dispositifs présentant des dimensions géométriques 1µm < épaisseur < 500µm, surface > 100µm100µm. Cette méthode originale ouvre donc de nouvelles voies de recherches dans le domaine des MEMS, complémentaires aux technologies silicium, co-cuits basse température, jet d’encre, etc.

This work deals with the fabrication of devices using microstructures or actuators based on thick-films partially released from the substrate where they are deposited. A new process, combining screen-printing technology and sacrificial layer principle, has been developed in our laboratory for the fabrication of free-standing thick-films. In order to fulfil the mechanical requirements of the structural layers during the deposition and the firing of released gold layers, an epoxy/strontium carbonate composition has been chosen as a sacrificial layer. For the first time, this new process has been used for the fabrication of copper and silver electrothermal actuators. SEM and Castaing microprobe nalyses have demonstrated the harmlessness of the process with regard to the metallic layer. The deflection and the temperature profile of the tuators have been measured respectively by optical microscopy and infrared thermography. The good correlations between these results and those obtained with analytical and finite element simulations demonstrate the feasibility of actuators with this new process. Other developments of the thick sacrificial layer process include the fabrication of silver-platinum heating resistors, glass and metallic microchannels and free-standing piezoelectric components. These preliminary results demonstrate the efficiency of this simple, collective and low cost process for implementation of devices of 1µm < thickness < 500µm, surface > 100µm100µm. Complementary to silicon, LTCC or Ink jet technologies, it is clear that this original method opens new routes of investigations for MEMS.