Modelling and test of integrated mechanical sensors based on AlGaN/GaN heterostructures for harsh environments
Modélisation et caractérisation de capteurs mécaniques intégrés à base d'hétérostructures AlGaN/GaN pour les environnements hostiles
Résumé
Some industrial areas as oil, automotive and aerospace industries, require electromechanical systems working in harsh environments. An elegant solution is to use III-V materials alloys having semiconductor, piezoelectric and pyroelectric properties. These materials, particularly nitrides such as GaN or AlN, enable design of advanced devices suitable for harsh environment. By using free-standing structure coupled with sensing HEMT transistors that are stable at high temperatures, it is possible to obtain mechanical sensors suitable for harsh environments. This PhD thesis focuses on a cantilever-based strain sensor and a drumskin-based pressure sensor. Analytical models of both sensors have been developed and establish the feasibility of the sensing principle as well as its response linearity. The characterization tests of fabricated prototypes validate the possibility of measuring external mechanical load with both sensors. The linearity of the response has also been confirmed by experimental measurements. The experimental sensitivity is smaller than the theoretical one due to several parasitic effects not included in the model such as parasitic resistance and variable piezoresisitive effects.
Certains domaines d'applications tels que l'aérospatial, l'automobile ou le forage de haute profondeur peuvent nécessiter la visualisation de certains paramètres physiques dans des environnements hostiles. Les capteurs microélectroniques basés sur le silicium y atteignent souvent leurs limites, qui sont qualifiées de conditions " sévères ". Ce travail se base principalement sur l'étude de solutions de capteurs mécaniques fonctionnant en conditions sévères. Le principe de ces capteurs repose sur l'exploitation de transistors de mesures HEMT à base de nitrures III-V (III-N), à la fois piézoélectriques et semiconducteurs, qui reste stable en conditions sévères. La compréhension des interactions entre physique des semiconducteurs et physique des matériaux ainsi que la caractérisation de structures possibles pour la détection mécanique représentent les principaux enjeux de ce sujet de thèse. La modélisation mécanique analytique et numérique des structures étudiées a permis d'appréhender le comportement de structures piézoélectriques multicouches. Le couplage de ce modèle électromécanique avec un modèle électronique du capteur a permis d'établir la faisabilité du principe de détection ainsi que la linéarité de la réponse du capteur. La caractérisation des prototypes réalisés en cours de thèse ont corroboré la linéarité du capteur tout en faisant apparaître l'influence de nombreux effets parasites réduisant sa sensibilité à savoir les effets de résistance parasites et de piézorésistances variables.
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