Optimization and realization of a microphone-gyrometer two axes with vibrating silicon beams

Optimisation et réalisation d'un micro-gyromètre deux axes à poutres vibrantes en silicium

Jérôme Maisonnet (1)

1 FEMTO-ST - Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174)

Work presented aims at the optimization and the realization of a gyrometer micro-machined with vibrating beam on substrate silicon. This work falls under the continuity of theses previously carried out to FEMTO-ST institute and devoted to the development of a structure of star gyrometer. This configuration is appropriate to the realization of velocity angular measurements in the plan of the substrate. The context of the thesis is consisted a research project submitted an evolution of the gyrometer silicon with passage of a capacitive detection to an optical detection. This is why the report naturally proposes an in-depth redimensioning of the sensor. Thus, a significant number of studies by finite elements were carried out to optimize the vibrating structure. This optimization enabled us to respect the schedule of conditions with respect to the frequencies of excitation and detections, while rejecting the parasitic modes. Complementary electromechanical studies made it possible to include/understand in detail specificities resulting from the choice of the capacitive excitation. This work led to the development of an optimized structure, associated a redefinition of the manufactoring processes in clean room. Several series of micro-machined sensors thus could be carried out, giving place to exploitable structures, validating the new design with its associated process. The recourse to a probe heterodyne receiver then made it possible to measure out-plan displacements according to the signal of excitation, thus validating the primary dynamic behavior of the structures.

Les travaux présentés ont pour objectif l'optimisation et la réalisation d'un gyromètre micro-usiné à poutre vibrante sur substrat silicium. Ces travaux s'inscrivent dans la continuité de thèses précédemment effectuées à FEMTO-ST et consacrées au développement d'une structure de gyromètre en étoile. Cette configuration est appropriée à la réalisation de mesures de vitesse angulaire dans le plan du substrat. Le contexte de la thèse est constitué par un projet de recherche proposant une évolution du gyromètre silicium avec passage d'une détection capacitive à une détection optique. C'est pourquoi le mémoire propose naturellement un redimensionnement en profondeur du capteur. Ainsi, un nombre important d'études par éléments finis ont été réalisées pour optimiser la structure vibrante. Cette optimisation nous a permis de respecter le cahier des charges vis-à-vis des fréquences d'excitation et de détections, tout en rejetant les modes parasites. Des études électromécaniques complémentaires ont permis de comprendre en détail les spécificités résultant du choix de l'excitation capacitive. Ces travaux ont conduit à l'élaboration d'une structure optimisée, associée à une redéfinition des procédés de fabrication en salle blanche. Plusieurs séries de capteurs micro-usinés ont ainsi pu être réalisées, donnant lieu à des structures exploitables, validant le nouveau design avec son process associé. Le recours à une sonde hétérodyne a ensuite permis de mesurer les déplacements hors-plan en fonction du signal d'excitation, validant ainsi le comportement dynamique primaire des structures.

Mots clés: Coriolis effect; micro-gyrometer; electrostatic force; silicon; clean room; finite elements

Mots clés: effet Coriolis; micro-gyromètre; force électrostatique; silicium; salle blanche; éléments finis

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Jérôme Maisonnet. Optimisation et réalisation d'un micro-gyromètre deux axes à poutres vibrantes en silicium. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université de Franche-Comté, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00476857⟩