Definition et modelisations analytiques et numeriques de structures vibrantes en quartz en vue de la realisation de microcapteurs a sortie frequentielle

par PHILIPPE TRUCHOT

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de R. BOURQUIN.

Soutenue en 1995

à Besançon .

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  • Résumé

    Nous presentons dans ce travail la definition de microstructures en quartz a partir de moyens analytiques et numeriques et la realisation de micro-capteurs a sortie frequentielle obtenus par usinage collectif. Les possibilites offertes par les techniques de photolithographie et d'usinage chimique permettent de realiser des dispositifs de petites dimensions de facon collective. Les differentes etapes technologiques aboutissant a ces dispositifs sont nombreuses et mettent en uvre des moyens de haute technologie relativement lourds (salle blanche, depot metallique, nettoyage par plasma d'oxygene,), ne permettant donc pas, en pratique, une etude systematique des parametres regissant le fonctionnement des microstructures. Ceci entraine la necessite de disposer d'une modelisation, analytique ou numerique, aussi precise que possible et tenant compte de l'anisotropie du quartz. Nous avons ainsi calcule les frequences de resonance, la sensibilite thermique en fonction de differents jeux de coefficients elastiques, ainsi que le coefficient de couplage electromecanique, les elements motionnels et la sensibilite d'une poutre soumise a l'action d'une force axiale. Une modelisation par elements finis est ensuite venue affiner et completer l'etude analytique. Nous avons choisi le mode de torsion comme mode de vibration. Celui-ci est interessant pour la realisation de microresonateurs puisqu'il presente une meilleure compensation en temperature de la frequence que le mode de flexion couramment utilise pour ce genre d'application et que, par ailleurs, la forme de la section permet de disposer d'un parametre supplementaire dans la conception des dispositifs. L'orientation cristalline a ete calculee pour ce mode afin d'optimiser a la fois la compensation en temperature et l'usinage chimique des structures. En effet, cette orientation permet de conserver la geometrie rectangulaire des sections droites des structures apres usinage chimique tout en gardant une vitesse d'attaque suffisamment rapide. Nous avons ensuite confronte les predictions des modeles theoriques avec les caracteristiques des dispositifs reels que nous avons realise par usinage chimique. Pour ce faire, nous avons du developper une partie du procede de fabrication et optimiser les parametres d'usinage chimique pour obtenir des resonateurs ayant la precision dimensionnelle et la forme souhaitees. En s'appuyant sur les resultats obtenus pour des diapasons vibrant en mode de torsion, nous avons realise l'element sensible d'un capteur de force ayant la forme d'un double diapason autocompense en temperature et nous proposons des parametres d'optimisation de sa sensibilite a une force axiale


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Informations

  • Détails : 220 P.
  • Annexes : 81 REF.

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  • Bibliothèque : Bibliothèque universitaire Sciences - Sport (Besançon).
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