Micro-poutres résonantes à base de films minces de nitrure d’aluminium piézoélectriques, application aux capteurs de gaz gravimétriques

Modeling, fabrication and characterization of resonant piezoelectric nano mechanical systems for high resolution chemical sensors

• Auteur / Autrice : Paul Ivaldi
• Direction : Emmanuel Defaÿ
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Micro et nanoélectronique
• Date : Soutenance le 13/05/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Skandar Basrour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Emmanuel Defaÿ
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Isabelle Dufour, Liviu Nicu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nitrure d'aluminium

Oscillateurs

Couches minces piézoélectriques

Mots clés libres

Micro/nano electromechanical systems

Couches minces piezoelectriques

Resonateur

Oscillateur

Capteur gaz

Nitrure d'aluminum

Micro/nano electromechanical systems

Piezoelectric thin films

Resonator

Oscillator

Gas sensors

Aluminum nitride

Résumé

Les MEMS et NEMS résonants sont d'excellents candidats pour la réalisation de systèmes de détection de gaz haute résolution et faible couts ayant des applications dans les domaines de la sécurité, la défense, l'environnement et la santé. Cependant, la question du choix des techniques de transduction est toujours largement débattue. La transduction piézoélectrique pourrait être avantageusement exploitée mais elle est encore peu connue à l'échelle nanométrique. L'objectif de cette thèse est donc de progresser vers la réalisation de capteur de gaz à haute résolution à l'aide résonateurs à base de micro / nano poutres piézoélectriques en couvrant la chaîne de prototypage complète depuis les techniques de dépôt des matériaux jusqu'à l'expérience de preuve de principe de mesure de gaz. Pour cela, notre première contribution concerne la modélisation analytique des performances et l'optimisation, design et système, d'un capteur de gaz à base de poutres résonantes piézoélectriques. En particulier, nous démontrons que la diminution de l'épaisseur du film piézoélectrique actif sous la barre des 100 nm permet d'atteindre les meilleures performances. La deuxième contribution concerne la fabrication, la caractérisation et la démonstration des performances capteur de poutres résonantes de 80 μm de long exploitant un film piézoélectrique en AlN de 50 nm d'épais. Ainsi nous avons démontré expérimentalement la stabilité fréquentielle exceptionnelle de ces dispositifs atteignant des déviations standard de l'ordre de 〖10〗^(-8), au niveau de l’état de l'art. Ainsi, ils permettent la détection de vapeurs Di -Methyl -méthyl- phosphonates, un simulateur de gaz sarin, avec des concentrations aussi faibles que 10 ppb. Bien que le niveau d'intégration de notre système de détection ne soit pas suffisant, ces résultats prouvent le fort potentiel de ces résonateurs cantilever piézoélectriques pour un développement industriel futur.

Resonant MEMS and NEMS are excellent candidate for the realization of low cost and high resolution gas sensing systems that have several applications in security, defense, and environment and health care domains. However, the question of the transduction technique used to couple micro or nano scale signals to the macro scale is still a key issue. Piezoelectric transduction can be advantageously exploited but has been rarely studied at the nano-scale. The objective of this PhD is thus to progress toward the realization of high-resolution gas sensor using piezoelectric micro/nano cantilevers resonators and cover the whole prototyping chain from device fabrication to proof of principle experiment. Our first contribution in this research relates the analytical modeling of the sensing performance and the system and design optimization. In particular we demonstrate that decreasing the piezoelectric active film thickness below 100 nm is particularly beneficial. The second contribution relates the fabrication, characterization and demonstration of the high sensing performances of 80 μm long cantilevers embedding a 50 nm thick piezoelectric AlN film for transduction. These devices exhibit state of the art performances in terms of resonance frequency deviation down to the 〖10〗^(-8) range. They allow thus the detection of Di-Methyl-Methyl-Phosphonate vapors, a sarin gas simulant, with concentration as low as 10 ppb. Although the level of integration of our sensing system is not sufficient for real life application, these results prove the high potential of these piezoelectric cantilever resonators for future industrial development.