Étude de MEMS piézoélectriques libérés et microstructurés par sérigraphie : application à la détection en milieu gazeux et en milieu liquide

Christophe Castille

Description

Sous la direction de Mario Maglione, Claude Lucat
Thèse soutenue le 08 mars 2010: Bordeaux 1
Résumé
-MEMS (systèmes microélectromécaniques)
-Matériaux piézoélectriques
-Couches épaisses (électronique)
-Capteurs (technologie)
Abstract
Source: http://www.theses.fr/2010BOR14005/document

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 156
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 56 Mo

Extrait

N° D’ORDRE : 4005
THÈSE
présentée à
L’UNIVERSITÉ BORDEAUX I
ÉCOLE DOCTORALE DE SCIENCES PHYSIQUES ET DE L’INGÉNIEUR

Par Christophe CASTILLE
POUR OBTENIER LE GRADE DE
DOCTEUR
SPÉCIALITÉ : ÉLECTRONIQUE
*****************************
Etude de MEMS piézoélectriques libérés et microstructurés par sérigraphie.
Application à la détection en milieu gazeux et en milieu liquide
*****************************


Après avis de :
Mr. E. CATTAN Professeur à l’université de Valenciennes Rapporteur
Mr. C. PIJOLAT Professeur à l’école des Mines de Saint-Etienne
Devant la commission d’examen formée par :
Mr. S. HEINRICH Professor at Marquette University (USA) Examinateur
Mr. A. BOSSEBOEUF Directeur de recherche CNRS (Paris)
Mr. D. GUYOMAR Professeur à l’INSA de Lyon Examinateur
Mme. I. DUFOUR Professeur à l’université de Bordeaux I
Mr. M. MAGLIONE Directeur de recherche CNRS (Bordeaux) CoDirecteur de thèse
Mr. C. LUCAT CoDirecteur de thèseTABLE DES MATIERES…………………………………………………………..3
INTRODUCTION GENERALE……………………………………………………..9

CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES MATERIAUX PIEZOELECTRIQUES DANS LES
MICROSYSTEMES……………………………………………………………………..13
PARTIE I.! LES MEMS PIEZOELECTRIQUES : TRAVAUX ANTERIEURS..................15!
A.! ACTIONNEURS .............................................................................................16!
1.! Actionneurs de type micropoutre appelé « cantilever » .......................... 16!
2.! Actionneurs de type membrane ............................................................... 18!
3.! Les céramiques massives......................................... 19!
B.! CAPTEURS...................................................................21!
1.! Capteurs à base de micropoutres............................. 21!
2.! Capteurs basés sur l’utilisation des ondes de surface .............................. 23!
3.! Capteurs à base de céramiques PZT massives......................................... 25!
C.! TRANSDUCTEUR POUR LA RECUPERATION D’ENERGIE..25!
PARTIE II.! LA PIEZOELECTRICITE ........................................................................26!
A.! HISTOIRE ....................................26!
B.! DEFINITIONS DES MATERIAUX PIEZOELECTRIQUES........................................28!
1.! Piézoélectricité......................................................... 28!
2.! Pyroélectricité.......................................................... 29!
3.! Ferroélectricité......................................................... 30!
C.! FORMALISME ET GENERALITE SUR LA PIEZOELECTRICITE ..............................31!
1.! Notations générales.................................................................................. 31!
2.! Rôle de la symétrie.................. 32!
D.! LES CERAMIQUES PIEZOELECTRIQUES..........................................................33!
3
1.! Structure pérovskite ABO ...................................................................... 33!3
2.! Diagramme de phase de l’oxyde ternaire Pb(Zr ,Ti )O ....................... 34!x 1-x 3
3.! Caractéristiques piézoélectriques et dopage des PZT.............................. 35!
4.! Elaboration des poudres de PZT................................ 36!
5.! Polarisation .............................................................. 37!
PARTIE III.! TECHNIQUES DE MICROFABRICATION DU PZT :...............................38!
1.! Dépôt des matériaux piézoélectriques en couche mince ......................... 38!
B.! COUCHES EPAISSES .....................................................................................41!
1.! Co-cuits basse température ou LTCC...................... 41!
2.! Jet-d’encre ou Ink-Jet .............................................................................. 41!
3.! MicroPen ou « Direct Write ». 42
CONCLUSION…………………………………………………………….43

CHAPITRE II : COMPOSANTS PIEZOELECTRIQUES LIBEREES EN COUCHE EPAISSES
SERIGRAPHIEES ………………………………………………………….…………...45
PARTIE I.! COMPOSANTS PIEZOELECCTRIQUES EN COUCHE EPAISSE...................48!
A.! CARACTERISTIQUES DES COUCHES EPAISSES DE PZT ....................................48!
B.! MICROFABRICATION STANDARD DE COUCHES SERIGRAPHIEES.......................49!
1.! L’encre de sérigraphie ............................................................................. 50!
2.! Le dépôt par sérigraphie.......... 52!
3.! Traitement thermique des couches épaisses ............................................ 54!
4.! Densification et libération........................................ 56!
5.! Conclusion ............................................................... 57!
PARTIE II.! FAISABILITE DE COUCHES EPAISSES LIBEREES...................................58!
A.! PROCEDE DE LA « COUCHE SACRIFICIELLE »................................................58!
4 1.! Fondamentaux de la couche épaisse sacrificielle .................................... 58!
2.! Choix des matériaux ................................................ 59!
B.! MISE EN ŒUVRE DU PROCEDE DE LA COUCHE SACRIFICIELLE .......................62!
1.! Elaboration de l’encre de la couche sacrificielle ..................................... 62!
2.! Sérigraphie de la couche sacrificielle ...................................................... 64!
3.! Cuisson et élimination ............................................. 65!
PARTIE III.! FAISABILITE DE COMPOSANTS PIEZOELECTRIQUES LIBERES ...........66!
A.! CHOIX DES MATERIAUX................................................................................66!
1.! Choix du matériau piézoélectrique.......................... 66!
2.! La nature des électrodes........................................................................... 69!
B.! REALISATION DES COMPOSANTS SERIGRAPHIES.............70!
1.! Choix de la géométrie.............................................................................. 70!
2.! Choix des écrans et des émulsions........................... 70!
3.! Sérigraphie des différentes couches......................................................... 71!
4.! Pressage des couches sérigraphiées 72!
5.! Traitement thermique............................................................................... 73!
6.! Libération de la structure......... 73!
7.! Polarisation du composant piézoélectrique ............................................. 75
PARTIE IV.! CARACTERISATIONS PHYSICO-CHIMIQUES.......75!
A.! CARACTERISATIONS CHIMIQUES...................................................................75!
1.! Etude RX menée sur le matériau piézoélectrique.... 76!
2.! Analyse par Microscopie Electronique à Balayage ................................. 76!
3.! Etude de la réactivité entre PZT et SrCO avec la microsonde de Castaing3
77!
4.! Analyse de la surface à l’aide d’un profilomètre..................................... 78!
B.! CARACTERISATION ELECTRIQUE ...................................80!
1.! Principe de l’analyse................................................ 80!
5
2.! Comparaison électrique des échantillons solidaires et libérés du substrat
81!
3.! Influence de la libération : étude à basse fréquence ................................ 85!
4.! Modélisation numérique : comportement des modes transverses (31).... 87
CONCLUSION………………………………………………………….....90

CHAPITRE III : MICROSTRUCTURATION DE POUTRES PIEZOELECTRIQUES EN
TECHNOLOGIE COUCHE EPAISSE………………………………………………….....93
PARTIE I.! CONCEPTION ET REALISATION DU MICROSYSTEME.............................95!
A.! LES POUTRES DANS LES MICROSYSTEMES : INTERET ET ENJEUX .....................95!
1.! Principe de transduction .......................................................................... 96!
2.! Méthodes de fabrication.......... 96!
B.! MICROPOUTRES SERIGRAPHIEES ..................................................................97!
1.! Fabrication de l’encre sérigraphiable « piézoélectrique » ....................... 98!
2.! Fabrication des dispositifs ..................................................................... 101!
C.! CARACTERISATIONS PHYSICO-CHIMIQUES ET FONCTIONNELLES...................104!
1.! Etude RX du matériau piézoélectrique + verre {7515}......................... 104!
2.! Etude microstructurale du composant piézoélectrique par analyse MEB
105!
PARTIE II.! CARACTERISATIONS MECANIQUES ET ELECTRIQUES DES
MICROCOMPOSANTS ..................................................................................................107!
A.! MODE EN FLEXION TRANSVERSE.107!
1.! Théorie................................................................................................... 107!
2.! Mesure du déplacement hors plan......................... 111!
B.! MODE 31-LONGITUDINAL..........................................................................115!