Etude de MEMS piézoélectriques libérés et microstructurés par sérigraphie. Application à la détection en milieu gazeux et en milieu liquide

Christophe Castille (1)

1 IMS - Laboratoire de l'intégration, du matériau au système

This study concerns the feasibility of piezoelectric components partially released from the substrate on which they are made for the realization of microsystems (MEMS). With PZT, they are microstructured in the shape of bridge or cantilever by means of the thick-film technology associated to the sacrificial layer. Unlike the structures directly screen-printed on the substrate which resonate only on thickness mode (MHz), the free-standing samples also present radial vibrations modes in the plane (tens of kHz). Furthermore, we realized cantilevers of rectangular shape revealing unusual in-plane 31-longitudinal mode (tens of kHz). An analytical modeling associated with the experimental data allowed to determine PZT's Young modulus and that of gold, weaker than those of the massive materials. A numerical modeling (COMSOL multiphysics) verifies the accuracy of the established laws and confirms the validity of our approach consisting of the combination of the various mechanical laws applied to our micro-cantilevers. We showed the low influence of the pressure and the temperature but also the sensitivity to the toluene (qq ppm) of the cantilevers coated PEUT polymer. The first results on the viscosity influence of liquid on the resonant frequency demonstrate the potential use of these micro-cantilevers in the field of the viscoelastic characterization of fluids.

: Cette étude concerne la faisabilité de composants piézoélectriques partiellement libérés du substrat sur lequel ils sont fabriqués pour la réalisation de microsystèmes (MEMS). A base de PZT, ils sont microstructurés en forme de pont ou de poutres à l'aide de la technologie couche épaisse associée à la méthode de la couche sacrificielle. A la différence des structures directement sérigraphiées sur le substrat qui ne comportent que des modes de résonances en épaisseur à qq.MHz, les échantillons libérés présentent également des modes de vibrations radiales dans le plan à qq. dizaines de kHz. De plus, nous avons réalisé des poutres de forme rectangulaire révélant des résonances atypiques 31-longitudinales dans le plan à qq. dizaines de kHz. Une modélisation analytique associée aux données expérimentales a permis de déterminer les modules de Young du PZT et celui de l'or, plus faibles que ceux des matériaux massifs. Une modélisation numérique (COMSOL multiphysics) vérifie l'exactitude des lois établies et confirment la validité de notre démarche consistant à combiner les différentes lois mécaniques appliquées à nos micropoutres. Nous avons montré la faible influence de la pression et de la température mais aussi la sensibilité au toluène (qq ppm) des micropoutres comportant un dépôt de polymère (PEUT). En milieu liquide, les premiers résultats démontrent l'utilisation potentielle de ces micropoutres dans le domaine de la caractérisation viscoélastique de fluides.

Mots clés: Systèmes microélectroniques; Matériaux piézoélectriques; couche épaisse; micropoutres; capteurs; modélisation analytique et numérique

Domaines: Micro et nanotechnologies/Microélectronique

Christophe Castille. Etude de MEMS piézoélectriques libérés et microstructurés par sérigraphie. Application à la détection en milieu gazeux et en milieu liquide. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00994195⟩