Conception, modélisation et caractérisation d'un micro-capteur résonant de pression en silicium PDF Download
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Author: Hua Chen
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Languages : fr
Pages : 202
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Book Description
L'objectif poursuivi dans cette thèse, est la conception, modélisation et caractérisation de nouveaux capteurs de forte pression. Différentes géométries du résonateur ont été analysées afin de comparer leurs sensibilités. Les influences de la température sont étudiées et une méthode de compensation est proposée. Des résultats expérimentaux sur des prototypes en fonction de la pression et de la température ont validé la théorie avec bons accords. La thèse est ensuite orientée ver deux types de capteur résonant: électrostatique et optique. Dans le cas de l'activation/détection électrostatique, différents modèles électromécaniques sont étudiés et comparés. Les hystérésis dues aux non-linéarités du résonateur sont quantifiées. Un modèle comportemental numérique du système électromécanique sous MATLAB/Simulink a été réalisé. De même, le principe de l'électronique associée est abordé et un modèle équivalent électrique du résonateur est extrait afin d'analyser les influences des différents éléments parasites. Les théories et les simulations sont validées avec les résultats expérimentaux. Dans le cas de capteur optique, le modèle analytique de l'activation photo-thermique a été introduit avec une étude de l'influence de la puissance optique. Des résultats de simulations par éléments finis et les tests optiques effectués ont validé les modèles théoriques. La dernière partie approfondit l'étude en s'intéressant à l'environnement du capteur. La première étude a concerné le calcul du facteur de qualité du résonateur vis à vis de la pression de l'air entourant le résonateur. Cette étude a été validée par des mesures. La deuxième étude a consisté à déterminer la résolution absolue du capteur en fonction des sources de bruit présentes dans l'oscillateur. La dernière étude concerne le packaging du capteur. La géométrie du packaging mécanique et le matériau de la pièce de support ont été examiné afin de minimiser les contraintes thermiques.
Author: Hua Chen
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Pages : 202
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L'objectif poursuivi dans cette thèse, est la conception, modélisation et caractérisation de nouveaux capteurs de forte pression. Différentes géométries du résonateur ont été analysées afin de comparer leurs sensibilités. Les influences de la température sont étudiées et une méthode de compensation est proposée. Des résultats expérimentaux sur des prototypes en fonction de la pression et de la température ont validé la théorie avec bons accords. La thèse est ensuite orientée ver deux types de capteur résonant: électrostatique et optique. Dans le cas de l'activation/détection électrostatique, différents modèles électromécaniques sont étudiés et comparés. Les hystérésis dues aux non-linéarités du résonateur sont quantifiées. Un modèle comportemental numérique du système électromécanique sous MATLAB/Simulink a été réalisé. De même, le principe de l'électronique associée est abordé et un modèle équivalent électrique du résonateur est extrait afin d'analyser les influences des différents éléments parasites. Les théories et les simulations sont validées avec les résultats expérimentaux. Dans le cas de capteur optique, le modèle analytique de l'activation photo-thermique a été introduit avec une étude de l'influence de la puissance optique. Des résultats de simulations par éléments finis et les tests optiques effectués ont validé les modèles théoriques. La dernière partie approfondit l'étude en s'intéressant à l'environnement du capteur. La première étude a concerné le calcul du facteur de qualité du résonateur vis à vis de la pression de l'air entourant le résonateur. Cette étude a été validée par des mesures. La deuxième étude a consisté à déterminer la résolution absolue du capteur en fonction des sources de bruit présentes dans l'oscillateur. La dernière étude concerne le packaging du capteur. La géométrie du packaging mécanique et le matériau de la pièce de support ont été examiné afin de minimiser les contraintes thermiques.
Author: Olivier Gigan
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Author: Corentin Carmignani
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Depuis le début du troisième millénaire, des domaines comme l'automobile, le médical, l'industrie agroalimentaire ou l'électronique grand public (smartphone, ordinateur, Hi-fi etc.) sont devenus de plus en plus demandeurs de puces électroniques. Les besoins ont évolué de sorte que la diversification des fonctions des puces électroniques est devenue le nouveau paradigme de la microélectronique. Dans le même temps, des objets biologiques ayant des propriétés très diverses et très spécifiques sont découverts et étudiés. Certains sont conceptuellement considérés comme des solutions ultimes pour répondre à certains défis de l'électronique moderne comme l'utilisation d'origami d'ADN pour la lithographie. De plus il existe une adéquation entre les dimensions des objets biologiques et les transistors les plus fins. Nous nous sommes donc posé la question de savoir si cette convergence d'échelle pouvait permettre la cohabitation de l'électronique et de la biologie pour créer des dispositifs hybrides. Nous avons d'abord étudié l'utilisation d'objets biologiques filiformes comme interconnexions nanométriques. Dans ces recherches des objets biologiques sont utilisés en substitution de matériaux classiques. Toutefois il est loin d'être évident de mesurer leurs propriétés électroniques (mobilité des charges, fiabilité) contrairement aux semi-conducteurs standards. Nous avons donc construit un dispositif de tests électriques facilement utilisable par les biologistes et les électroniciens pour la caractérisation électrique de ces objets biologiques nanométriques. Certains objets biologiques réalisent, de manière naturelle, des interactions ciblées avec des agents biologiques spécifiques parfois pathogènes ou dangereux, ils ont aussi l'avantage de pouvoir être fabriqués à façon comme les protéines. Cela permet d'ouvrir une nouvelle voie dans la fabrication de capteurs dans laquelle les objets biologiques seront interfacés avec les structures électroniques. Nous avons donc travaillé sur la fabrication d'un capteur hybride à base de nanofils de silicium pilotés par un circuit CMOS et permettant un interfaçage entre nanofil et objet biologique. Dans le domaine des capteurs il existe une application qui focalise actuellement beaucoup l'attention, la détection de charges électriques de faibles intensités. Il existe plusieurs techniques mais elles sont toutes perfectibles soit à cause de leur coût soit à cause du temps nécessaire à la réalisation du séquençage soit encore à cause de la difficulté de mise en œuvre du séquençage. Nous avons donc étudié la possibilité de détecter une charge électrique unique. Etant donné la complexité de la question nous avons décidé de répondre à l'aide d'une série de simulations.
Author: Gilles Robert (maître de conférence en mécanique des fluides et acoustique).)
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Author: CHRISTOPHE.. MALHAIRE
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Pages : 202
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L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL ETAIT DE MODELISER LE COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DE MEMBRANES COMPOSITES SIO2/SI ET DE DEVELOPPER DES OUTILS DE CARACTERISATION ADAPTES AUX MICROSTRUCTURES EN SILICIUM POUR PERMETTRE LA CONCEPTION DE MICROCAPTEURS DE PRESSION PIEZORESISTIFS A MEMBRANE DE TYPE POLYSILICIUM SUR ISOLANT A HAUTES PERFORMANCES. DES MEMBRANES SIO2/SI DE 3 MM DE COTE ET D'EPAISSEUR INFERIEURE A 40 MICRONS, RECOUVERTES PAR DES COUCHES D'OXYDE THERMIQUE DE 0.5 A 2 MICRONS, ONT ETE REALISEES PAR GRAVURE CHIMIQUE ANISOTROPE DU SILICIUM SANS COUCHE D'ARRET DANS DES SOLUTIONS KOH+H2O. NOUS AVONS ETUDIE LE PROFIL DES MEMBRANES, LA RUGOSITE ET L'UNIFORMITE DE LA GRAVURE PAR PROFILOMETRIE OPTIQUE. LES EPAISSEURS MOYENNES DES MEMBRANES ONT ETE DETERMINEES AVEC UNE INCERTITUDE DE 0.1 MICRON PAR SPECTROMETRIE INFRAROUGE A TRANSFORMEE DE FOURIER. L'ORIGINE DE LA CONTRAINTE DANS LES FILMS D'OXYDE SUR SUBSTRATS EPAIS A ETE ETABLIE ET SA VALEUR DETERMINEE AVEC UNE INCERTITUDE DE 4% PAR DES MESURES DE COURBURES MOYENNES. APRES AVOIR MONTRE LES LIMITES DES MODELES ANALYTIQUES, UN MODELE DE CALCUL PAR ELEMENTS FINIS, BASE SUR LES PROPRIETES PHYSIQUES DES MATERIAUX, DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DES MEMBRANES OXYDEES MICROUSINEES A ETE DEVELOPPE. CE MODELE A ETE VALIDE EXPERIMENTALEMENT JUSQU'A 300C PAR DES MESURES AU PROFILOMETRE OPTIQUE ET DES MESURES DE CONTRAINTES PAR SPECTROMETRIE MICRO-RAMAN. LES PROFILS DE MEMBRANES SI ET SIO2/SI ONT ETE MODELISES ET MESURES SOUS PRESSION DANS LA GAMME 0-1 BAR. L'INFLUENCE DE L'ENCASTREMENT ET LES CONSEQUENCES DE L'ETAT PRECONTRAINT DES MEMBRANES SIO2/SI SUR LES DERIVES THERMIQUES DU CAPTEUR ET LEUR REPONSE EN PRESSION ONT ETE ANALYSEES. DEUX ARCHITECTURES DE CONDITIONNEUR PIEZORESISTIF EN PONT DE WHEATSTONE ONT ETE DEVELOPPEES ET TESTEES. NOUS AVONS MONTRE LA FAISABILITE D'UN CONDITIONNEUR SANS CONTACT ALUMINIUM/POLYSILICIUM SOUMIS AUX DEFORMATIONS DE LA MEMBRANE ET AUX EVENTUELLES ATMOSPHERES CORROSIVES.
Author: NASR-EDDINE.. BEN MOUSSA
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Pages : 173
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LA REPONSE DE MEMBRANES FINES DE SILICIUM TOTALEMENT ENCASTREES A LEUR PERIPHERIE SOUMISES A L'ACTION D'UNE PRESSION UNIFORME EST MODELISEE EN SUIVANT UNE METHODE SEMI-ANALYTIQUE
Author: Maira Possas Abreu
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Les systèmes multi-capteurs intelligents de gaz (ou nez électroniques), sont déjà déployés dans des domaines aussi divers que la parfumerie, l'industrie alimentaire, la surveillance de l'environnement et à des fins militaires et médicaux. La collaboration engagée dans le cadre du Projet Européen SNIFFER, s'est focalisée sur le développement d'un système type nez-électronique innovant basé sur des capteurs MEMS combinés à des bio-récepteurs olfactifs pour la détection de substances illicites. Dans un autre contexte et ce, dans une démarche interne à ESIEE-Paris, nous avons aussi choisi d'élargir le sujet à la conception d'un système multi-capteurs pour une application en détection de composés organiques volatils.Ainsi, dans la perspective d'une amélioration des technologies par l'utilisation de capteurs MEMS, cette thèse traite de la conception, la fabrication et la caractérisation de capteurs de type micro-poutre résonante en silicium et en diamant et également de la preuve de concept d'un système multi-capteur pour la détection de gaz. Si le choix du silicium en tant que matériaux pour la fabrication de nos capteurs a pour avantage l'énorme éventail de connaissances disponible, le diamant fait sa place dans le monde de la microtechnologie grâce à ses remarquables propriétés physiques et chimiques. Même si certaines études portant sur le développement de dispositifs et de procédés MEMS en diamant sont décrites dans la littérature, une comparaison entre les performances des deux matériaux pour le développement d'un même capteur n'a jamais été étudiée. En conséquence, cette thèse est axée sur l'utilisation de ces deux matériaux pour la conception de micro-poutres résonantes, afin d'établir des éléments de comparaison pour les deux technologies.Dans un premier temps, nous avons mis en place des procédés de micro-structuration du diamant développés auparavant dans notre laboratoire afin de les optimiser pour une fabrication totalement compatible avec les techniques de salle blanche et indépendante des variations des conditions de synthèse du diamant. Nous avons, pour la première fois, réalisé des micro-poutres en diamant avec des jauges en silicium polycristallin intégrées. Nous avons caractérisé le module d'Young du diamant en utilisant deux méthodes différentes aboutissant dans le cas le plus précis à la valeur de 1080 GPa. Ensuite, la sensibilité massique des poutres en silicium et en diamant fabriquées a été évaluée. Dans le meilleur des cas, et pour des fréquences de résonance très proches, les poutres en silicium présentent une sensibilité de 89 Hz/ng tandis que pour les poutres en diamant, la sensibilité s'élève à 212 Hz/ng. Nous avons également observé que pour des faibles variations de masse, l'impact de l'ajout de masse sur le coefficient de qualité des poutres était plus critique pour les structures en silicium.Finalement, une preuve de concept de l'utilisation du système multi-capteur à base de micro-poutres en silicium et en diamant pour la détection de composés organiques volatils a été mise en place. Nous avons démontré la détection de plusieurs composés dans des concentrations de l'ordre de la dizaine de ppm de manière totalement automatique et sans recours à des instruments de mesure. Les résultats de ces détections forment une base de données à partir de laquelle nous avons, par l'application de méthodes statistiques multivariées, abouti à la discrimination des composés testés.
Author: Jérémie Ruellan
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Les nanofils semiconducteurs sont aujourd'hui le sujet de nombreuses recherches pour leurs propriétés physiques intéressantes. S'appuyant plus spécifiquement sur les propriétés thermiques des nanostructures, l'objectif de cette thèse est de démontrer la faisabilité d'un capteur de conductivité thermique conçu à partir de nanofils de silicium pour des applications en tant que jauge Pirani ou détecteur de gaz. Le travail réalisé aborde les questions posées par la réduction de taille des objets telles que l'augmentation du bruit ou la conduction thermique en régime de raréfaction et élabore des solutions à ces problématiques. Le manuscrit aborde l'ensemble des étapes nécessaires à la réalisation d'un capteur, à savoir la conception des dispositifs, s'appuyant sur une étude détaillée du comportement physique des objets utilisés, la fabrication sur plaque 200mm de ces capteurs par la salle blanche du CEA-Leti en ayant recours aux techniques classiques de la microélectronique et enfin leur caractérisation en tant qu'instrument de mesure de pression (jauge Pirani) ou en tant que capteur de concentration de gaz. Le travail réalisé s'intègre dans un projet plus global de réalisation d'un système de détection de gaz portatif pour l'analyse de l'air ou de l'eau.
Author: PHILIPPE.. MENINI
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LE CAPTEUR DE PRESSION ETUDIE RESULTE DE L'ASSEMBLAGE HYBRIDE D'UNE CELLULE SENSIBLE CAPACITIVE EN TECHNOLOGIE SILICIUM/PYREX ET D'UN CONVERTISSEUR CAPACITE/FREQUENCE BASE SUR LE PRINCIPE DE LA CHARGE ET DE LA DECHARGE D'UNE CAPACITE A COURANT CONSTANT. LA MODELISATION DE LA REPONSE DE CHACUNE DES DEUX PARTIES PERMET D'ETABLIR LA FONCTION DE TRANSFERT DU CAPTEUR. LA DETERMINATION PRECISE DES DIFFERENTS PARAMETRES S'EFFECTUE A PARTIR D'UNE APPROCHE MIXTE FONDEE SUR LA SIMULATION NUMERIQUE ET SUR LA CARACTERISATION EXPERIMENTALE DE LA CELLULE ET DU CIRCUIT. L'ETUDE DES COMPORTEMENTS D'UN MONTAGE INVERSEUR ET D'UNE ARCHITECTURE RATIOMETRIQUE MONTRE LA FAISABILITE D'UN CAPTEUR DANS LEQUEL LA NONLINEARITE ET LES DERIVES THERMIQUES S'AUTOCOMPENSENT EN GRANDE PARTIE. DANS UNE PLAGE DE FREQUENCE DE L'ORDRE DE DIX POUR-CENT DE LA FREQUENCE A PRESSION NULLE, LE DEMONSTRATEUR DE CAPTEUR PRESENTE UNE NONLINEARITE INFERIEURE A 1 % ET UNE DERIVE THERMIQUE DE VINGT PARTIES PAR MILLION ET PAR DEGRE CELSIUS. LA SIMULATION NUMERIQUE INDIQUE QUE POUR OPTIMISER LES PERFORMANCES DU CAPTEUR RATIOMETRIQUE, IL FAUT QUE LES DEUX VOIES DE REFERENCE ET DE MESURE SOIENT IDENTIQUES. CET OPTIMUM PEUT ETRE QUASIMENT ATTEINT EN INTEGRANT SUR UN SUBSTRAT COMMUN DE SILICIUM LES DEUX CONVERTISSEURS. LES ESSAIS EXPERIMENTAUX REVELENT EGALEMENT DES PHENOMENES D'INTERFERENCES ENTRE LES OSCILLATEURS VEHICULES AU TRAVERS DES CAPACITES DE RECOUVREMENT DES TRANSISTORS MOS. LA MINIMISATION DE CE PROBLEME PEUT S'OBTENIR EN AJOUTANT UNE CAPACITE DE DECOUPLAGE SUFFISAMMENT GRANDE ENTRE LES OSCILLATEURS. L'ENSEMBLE DE CES RESULTATS OBTENUS PERMET DE CONCLURE QUE LES PRINCIPES ET LES TECHNOLOGIES UTILISEES SONT ADEQUATS POUR DEVELOPPER UNE NOUVELLE FAMILLE DE CAPTEURS DE PRESSION MINIATURES RELATIVEMENT PRECIS (DE L'ORDRE DE 1 % DE L'ETENDUE DE MESURE), PEU COUTEUX ET FACILEMENT INTERFACABLES AVEC DES RESEAUX DE COMMUNICATION NUMERIQUES.
Author: Sébastien Nazeer
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Book Description
Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation d'un capteur de pression 3D flexible pouvant être intégré dans un gant ou sur un outil de chirurgie pour qualifier et quantifier les forces de préhension notamment sous contraintes normales et de cisaillement. Un état de l'art présente d'abord les technologies se prêtant à cette application. Puis, le choix est porté sur la conception et le dimensionnement à partir de la loi de Hooke, d'un capteur matriciel capacitif tri-axe de 8 x 8 x 3 cellules/cm2 à partir d'un diélectrique flexible de faible module d'Young autour de 1 MPa. Les cellules conçues ont une capacité nominale voisine de 0,5 pF. Une variation de 30% est attendue à une force maximale envisagée de 100 N/cm2. La dynamique visée est de 1 à 1000. Elle correspondant à une résolution de 0,15 fF ou 100 mN/cm2. La fabrication du capteur souple est abordée en prenant en compte la caractérisation des matériaux support, notamment le Kapton, dans un flux de microfabrication. Les problèmes de métallisation et d'adhérence d'électrodes sur PDMS conduisent au développement d'un procédé basé sur la technologie de transfert de film adapté aux électrodes enfouies dans le PDMS. Des résultats de simulation sous ANSYS valident le principe physique exploité. Ils sont confirmés par des mesures électriques statiques et en charge du capteur tactile pour des forces de 10 mN à 20 N.
