Exploitation des propriétés piézoélectriques du GaAs et application aux capteurs inertiels de type MEMS

Piezoelectricity of the GaAs applied to MEMS vibrating inertial sensors

• Auteur / Autrice : Lucas Bonnin
• Direction : Alain Bosseboeuf
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....) - Office national d'études et de recherches aérospatiales (France)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Juillard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tarik Bourouina, Marc Faucher, Patrick Pons, Olivier Le Traon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tarik Bourouina, Marc Faucher

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métallisation

Microcapteurs résonants

Gravure par plasma

Arséniure de gallium

Capteurs piézoélectriques

Gyroscopes

Mots clés libres

Gyromètre

GaAs

Gravure profonde

Résonateur

Électrodes latérales

Gyroscope

GaAs

Deep etching

Resonator

Lateral electrodes

Résumé

Les accéléromètres et les gyromètres sont essentiels à la navigation des véhicules autonomes. Parmi les capteurs existants, les MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sont les plus petits, les moins chers et les moins consommateurs d’énergie mais leurs performances restent encore trop faibles pour certaines applications. Pour les améliorer, cette thèse propose d’exploiter la piézoélectricité de l’arséniure de gallium (GaAs) semi-isolant. Des profils de tranchées obtenus par gravure réactive ionique profonde du GaAs jusqu’à 450 μm dans un plasma BCl₃/Cl₂ ont été étudiés et un nouveau masque de gravure bicouche résine sur silice a été développé pour rendre les flancs de tranchées plus verticaux et plus lisses. Des poutres encastrées-libres, un gyromètre diapason et un gyromètre triaxial ont été fabriqués par gravure traversante du GaAs et caractérisés. Malgré ses défauts, le procédé de fabrication permet de réaliser des résonateurs avec des facteurs de qualité supérieurs à 100 000 et une dispersion des fréquences inférieure à 3 %. Deux études théoriques sont également présentées. D’abord, une modification du gyromètre triaxial est proposée où les ancrages sont déplacés à l’extérieur de la structure. Ensuite, un modèle mathématique complet de l’épaisseur et de la forme d’électrodes métalliques déposées sur les flancs de tranchées par évaporation et masquage par ombrage (shadow-masking) est détaillé. Ces électrodes latérales sont nécessaires à la détection piézoélectrique des vibrations.

Accelerometers and gyroscopes are essential to the navigation of autonomous vehicles. Among the existing sensors, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sensors are the smallest and the least expensive with the lowest energy consumption. However, for some applications, their performances are not high enough. To improve them, this thesis chooses to use the piezoelectricity of the semi-insulating gallium arsenide (GaAs). Trenches were etched in a GaAs wafer down to 450 μm thanks to a deep reactive ion etching in a BCl₃/Cl₂ plasma and their profiles were studied. In order to get smooth and vertical trenches sidewalls, a new etching mask, made of a resist layer over a silica layer, was designed. Clamped-free beams, a tuning fork gyroscope and a triaxis gyroscope were fabricated. The characterisations of their resonances showed that, despite manufacturing defaults, quality factors higher than 100 000 and a dispersion of the frequencies lower than 3 % are achievable. Two theoretical studies are also presented. First the triaxis gyroscope design is changed in order to get the anchors outside the structure. The second study focuses on the electrodes deposited by metal evaporation on the trenches sidewalls through a shadow-mask. A complete mathematical model of the shapes and the thicknesses of the electrodes is detailed. These electrodes are mandatory to piezoelectrically detect the resonances.