Étude de micropoutres sérigraphiées pour des applications capteurs

• Auteur / Autrice : Riadh Lakhmi
• Direction : Claude Lucat, Hélène Debeda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 18/11/2011
• Etablissement(s) : Bordeaux 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Bennetau, Pierre Temple-Boyer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Guyomar, Christophe Pijolat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Micropoutre

Capteur

Sérigraphie

Piézoélectricité

PZT

Mode 31-longitudinal

Espèces chimiques

Couche sensible PEUT

Phase gazeuse

Phase liquide

Force

Piezorésistivité

Sensibilité

Cantilever

Sensor

Screen-printing

Piezoelectricity

PZT

31-longitudinal mode

Chemical species

PEUT sensitive layer

Gas phase

Liquid phase

Force

Piezoresistivity

Sensitivity

Résumé

Dans cette thèse, des structures MEMS de type micropoutre ont été conçues pour des applications capteurs. Un procédé de fabrication alternatif au silicium, associant la technique de sérigraphie à l'utilisation d’une couche sacrificielle (SrCO3), a été utilisé pour la réalisation de micropoutres piezoélectriques (PZT, matériau servant à la fois d’actionneur et de transducteur) dans un premier temps. Des tests de détection en phase gazeuse ont été réalisés avec et sans couche sensible avec succès à l’aide du mode de vibration non conventionnel 31-longitudinal. Le toluène a notamment pu être détecté à des concentrations voisines de 20ppm avec une couche sensible PEUT. D’autres espèces telles que l’eau, l’éthanol ou l’hydrogène ont été détectés sans couches sensibles afin de s’affranchir des contraintes liées à celle-ci (vieillissement notamment). Des tests préliminaires de caractérisation en milieu liquide ont également été réalisés avec dans l’optique la détection d’espèces en phase liquide. Par ailleurs, un capteur de force a été conçu et réalisé avec le même procédé de fabrication. Ce dernier est composé d’une micropoutre en matériau diélectrique sur laquelle est intégrée une piezorésistance servant à la transduction du signal associé à la déformation subie par la micropoutre. Des détections de force en mode statique (sans actionneurs) ont permis de caractériser les capteurs, notamment en termes de sensibilité, de gamme de force et de force minimale détectable ou encore de linéarité.

The project concerns the conception, fabrication and characterization of cantilever-type MEMS structures for sensors applications. An alternative process to silicon related ones, associating the screen-printing technique to a sacrificial layer (SrCO3), was used to realize piezoelectric cantilevers (PZT material utilized as actuator and transducer) in a first time. Detections in gas phase were performed successfully with and without sensitive layer thanks to the unusual 31-longitudinal vibration mode. Namely, we were able to detect toluene at concentrations as low as 20ppm with a PEUT sensitive layer. Other species like water, ethanol or hydrogen could be detected without sensitive layer in order to get rid of the sensitive layer-related issues (ageing for example). Preliminary characterizations were carried out in liquid phase in a view to perform liquid phase detection. Besides, a cantilever-based force sensor, fabricated thanks to the same fabrication process was designed. This last one integrates a piezoresistor allowing the transduction of the mechanical signal linked to the strain overcome by the microcantilever. Force detections in static mode (without any actuator) permitted the sensors’ characterization. Indeed, their sensitivity, force range, minimal detectable force and linearity were carried out.