Opto-numerical analysis of AIN piezoelectric thin film operating as an actuation layer in MEMS cantilevers
Résumé
The goal of this Ph.D. thesis is the analysis and the determination of the properties of aluminium nitride (AlN) piezoelectric thin film operating as an actuation layer within bimorph microcantilevers and the evaluation of their micromechanical performances. The research described in this thesis was accomplished with the use of a hybrid methodology combining the optical interferometry, the techniques of nanoindentation, the numerical simulations as well as the analytical considerations meaning the association in which the interactions between the physical and mathematical models of the studied objects were investigated. This research was performed within the framework of the “co-tutelle” Ph.D. thesis between l'Université de Franche-Comté and the Warsaw University of Technology. In France, this work was accomplished in the Département d'Optique P.M. Duffieux of the Institute FEMTO-ST. In Poland, the work was caried out by the Institute of Micromechanics and Photonics. The present manuscript proposes the development of hybrid opto-numerical methodology to study the MEMS structures. This methodology allows a complex characterisation of samples by identifying and explaining the main sources of the discrepancies between their physical and mathematical models. This hybrid approach was applied to study the silicon microcantilevers actuated by a piezoelectric transducer containing a thin film of AlN sandwiched between two metal electrodes. The properties of AlN thin films as well as micromechanical behaviours and life time of the tested samples were determined. The physical model of these multilayer elements was created with a help of full field and non-contact Twyman-Green interferometry, offering high-resolution data. Thus, the data concerning static as well as dynamic performances, information on geometry as well as material and mechanical properties of the investigated microobjects were obtained. To complete this data, some reliability tests of the studied samples were realised. The mathematical models combining the analytical calculations and the Finite Element Method (FEM) calculations (ANSYS software) were performed taking into account the multilayer structure of mentioned elements. They allowed to understand better the functionality of the real microdevices with special emphasis on the identification of their mechanical failures. Moreover, the research focused also on some in-use problems dealing with both the ageing and fatigue accelerated life tests and the operational stability of the samples. Resulting data allowed a better knowledge about the most likely failure modes affecting the operation of the microobjects and the factors that invoke these failures. They led to determine the operational conditions and helped in analysis and evaluation of the AlN-driven microcantilever technology in order to improve their manufacturing process. The proposed hybrid methodology has extended the metrological capability of the laser interferometry techniques. It has allowed to develop the methods serving to characterise microstructures, determine their reliability and support their technology in realisation of the reliable devices with required parameters. Implementation of the mentioned methodology within the framework of this Ph.D. thesis also allowed to obtain knowledge about the properties of the AlN thin films and the performances of the piezoelectric microcantilevers leading to increase a number of their applications with improve their quality and controllability.
L'objectif de ce mémoire de thèse consiste à étudier et caractériser les propriétés de couche mince piézoélectrique de nitrure d'aluminium (AlN) utilisées comme une couche d'actionnement de micropoutres multimorphes actionnées piézoélectriquement et à évaluer leurs performances micromécaniques. Ce travail a été effectué en utilisant une méthodologie hybride basée sur l'interaction entre le modèle physique et mathématique des objets étudiés. Ces recherches ont été faites dans le cadre d'une thèse de doctorat effectuée en cotutelle entre l'Université de Franche-Comté et l'Université Technologique de Varsovie. Les deux laboratoires qui ont porté ce projet sont le Département d'Optique P.M. Duffieux de l'Institut FEMTO-ST et l'Institut de Micromécanique et Photonique. Une méthodologie hybride opto-numérique a été proposée pour étudier des microstructures. Cette méthodologie permet la caractérisation complèxe de ces échantillons en identifiant les divergences entre leur modèle physique et mathématique. Cette approche hybride, combinant les données expérimentales obtenues par l'interféromètrie optique et les techniques de nanoindentation avec les résultats de traitements numériques et les équations analytiques, a été appliquée pour étudier les micropoutres silicium où un film mince piézoélectrique d'AlN a été déposé entre les deux électrodes métalliques. Grâce à ces interractions, les propriétés de films AlN ainsi que les comportements micromécaniques de transducteurs piézoélectriques et leur fiabilité ont été déterminés. Nous avons bati un modèle physique de ces dispositifs multimorphes en utilisant la plateforme de métrologie basée sur l'interféromètre de Twyman-Green, offrant les avantages de mesure non-destructive et la haute résolution de techniques optiques. Ainsi, nous avons obtenu des données caractérisant les comportements statiques et dynamiques de micropoutres AlN, ainsi que les différentes propriétés physiques des éléments étudiés. Enfin, quelques mesures de fiabilité de nos microobjets ont permis l'évaluation de l'impact de certains paramètres géométriques et fonctionnels sur les comportements des échantillons et leur durée de vie. Le modèle mathématique proposé s'appuie à la fois sur l'utilisation d'équations analytiques et le calcul par la Méthode des Éléments Finis faisant appel au logiciel ANSYS. Ces calculs ont tenu compte de l'aspect multicouche des éléments étudiés. Ce travail de modélisation a permis d'identifier les paramètres critiques de ces microactionneurs piézoélectriques à la fois du point de vue dimensionel que matériau et de mieux comprendre leurs mécanismes de vieillisement. Par ailleurs, une étude de fiabilité a aussi été réalisée, en incluant des tests accélérés du vieillissement et de la fatigue, ainsi que une étude de la stabilité opérationnelle. Les résultats obtenus nous ont permis de mieux cerner quels sont les paramètres critiques de dommagement le plus probables de ces microobjets et estimer leur temps de vie. Enfin, l'approche opto-numérique proposée a permis d'identifier les étapes de fabrication critiques des micropoutres d'AlN afin d'optimiser leur fabrication. La méthodologie hybride proposée au cours de la thèse de doctorat a étendu la capacité métrologique des techniques d'interférométrie laser. Elle permet de développer les méthodes pour la caractérisation des microstructures, la détermination de leur fiabilité et l'assistance de leur technologie dans la réalisation des dispositifs fiables des paramètres requis. L'application de cette méthodologie a permis de bien comprendre les propriétés de films d'AlN aussi bien que les performances des micropoutres piézoélectriques. Cela peut effectuer en une augmentation de nombre des applications possibles de ces microstructures d'AlN, en améliorant leur qualité et contrôle.
Domaines
Sciences de l'ingénieur [physics]
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