Microphone électrodynamique MEMS en technologie CMOS : étude, modélisation et réalisation

MEMS electrodynamic microphone in CMOS technology : design, modeling and realization

• Auteur / Autrice : Farès Tounsi
• Direction : Mohamed Masmoudi, Libor Rufer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble INPG en cotutelle avec Ecole Nationale d'Ingénieurs de Sfax (Tunisie)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-usinage

Éléments finis, Méthode des

Systèmes microélectromécaniques

Résumé

L'objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser une nouvelle génération de microphone MEMS monolithique de type électrodynamique, à base de bobines spirales planaires, réalisée en technologie standard complétée par un post process de micro-usinage en volume par la face avant. Après avoir décrire les différents procédés de fabrication des microsystèmes compatibles microélectroniques et récapituler l'état de l'art des différents principes de transduction des structures de microphones MEMS intégrés micro-usinés. Une modélisation électromagnétique détaillée est réalisée pour étudier le lien inductif entre les deux bobines, constituant le microphone, dans les différents modes de polarisation. Par la suite, une étude de la flexibilité et les constantes de raideur de la membrane suspendue a été menée. Cette analyse mécanique a pour but de concevoir un système de membrane souple qui a permis de placer la fréquence de résonance au milieu géométrique de la bande audible et d'avoir des amplitudes de déplacement suffisantes dans la plage linéaire. Ensuite, une modélisation électro-acoustique est nécessaire pour proposer un modèle théorique équivalent du microphone et évaluer sa sensibilité. Cette modélisation nous a permis de distinguer entre deux types de microphone {i} à conversion en déplacement et contrôlé par compliance et {ii} à conversion en vitesse et contrôlé par résistance. La dernière étape de cette thèse était d'accomplir le dessin des masques et fabriquer le 1er prototype.

Microsystems (MEMS - Micro-Electro-Mechanical Systems) are miniature components including electronic, mechanical and optical functions on the same chip. Microsystems technologies combine developed microelectronic semiconductor technology and new techniques of micro-machining, allowing the realization of an entire system on chip (SoC). In addition, this integration will miniaturize the system, improve performance and increase the sensitivity and especially the noise reduction by reducing the size of components and thereafter the parasitic capacitances due to interconnections. The objective of this thesis is to design and build a new generation of monolithic electrodynamic microphone based on planar spiral coils made with a standard CMOS technology complemented with a front side bulk micromachining post process. The thesis begins with an overview of different standard monolithic fabrication processes which are compatible with integrated MEMS. Then, a detailed electromagnetic analysis and calculations are carried out to study effects between the two inductors which constitute the microphone. This analysis permitted us to estimate the induced voltage at terminals of the secondary coil and helped us to optimize the structure of the inductive microphone. Then, mechanical and vibration analysis of the microphone structure were carried out to study the flexibility and spring constants of its components. Subsequently, we have done an electro-acoustic modeling and modal analysis, using the ANSYS software, to estimate the sensitivity and resonant frequency of the microphone. The final part of the thesis was devoted to explaining in details fabrication steps of the first prototype of the microphone, it shows the layout and describes the characterization.