Vers une compréhension des mécanismes de défaillance des dispositifs microsystèmes

par Olivier Millet

Thèse de doctorat en Électronique

Sous la direction de Dominique Collard et de Lionel Buchaillot.

Soutenue en 2003

à Lille 1 .


  • Résumé

    Ce mémoire s'insère dans un axe de recherche portant sur les technologies microsystèmes à base de micro-usinage de surface, à partir desquelles des mécanismes de défaillances de dispositifs élémentaires ont été étudiés théoriquement et expérimentalement. Des bancs de test in situ en matériau polycristallin ont été conçus afin de découvrir et d'étudier les mécanismes d'endommagement dus à un actionnement cyclique. Le principe consiste à appliquer cycliquement une sollicitation élémentaire sur une structure élémentaire atin d'observer lévolution des propriétés mécaniques (raideur, résonance) en fonction du nombre d'opérations. Suite à une étude par éléments finis, les structures de test en polysilicium dopé in situ ou par diffusion et en or ont été fabriquées. Ces dernières ont été actionnés cycliquement et caractérisés périodiquement. Les résultats de caractérisation ont permis de comprendre le phénomène de fatigue pour des matériaux polycristallins. L'existence d'une relation entre la fréquencc de résonance de structures sollicitées en fIexion et le phénomène de fatigue a été aussi démontrée, permettant d'élaborer un modèle phénoménologique pour la prédiction du phénomène de fatigue avec une erreur de 20 % Par ailleurs, l'influence des conditions environnementales, du niveau de contraintes appliqué, l'inf1uence du recouvrement de marche, et la propagation d'une fissure dans le matériau structurel ont été analysées. Cette étude permet de mieux comprendre le phénomène de fatigue pour des matériaux polycristallins, et permettra de mettre en place de nouvelles règles de conception pour la fabrication de microdispositifs constitués d'éléments simples tels que des microcommutatcurs RF ou des résonateurs électromécaniques utilisés dans la téléphonie mobile. Certains mécanismes d'endommagement liés aux phénomènes non-linéaires en régime dynamique ont été modélisés. Cette étude s'est attachée à explorer les défàillances causées par les vibrntions extérieures et les chocs, et à proposer une solution pour contrer les vibrations extérieures pour un système embarqué. Dans une première étape le phénomène de 'snap-through' est abordé : une poutre biencastrée en flambement hors du plan faisant partie d'un système d'optique adaptative peut, sous l'effet de vibrations extérieures, s'effondrer et donc se coller. Pour chaque fréquence d'excitation, le modèle mis en place détermine la valeur minimale des amplitudes de vibrations extérieures induisant des instabilités dans le système; une validation préliminaire du modèle a été réalisée. Dans une seconde étape, la réponse dynamique d'une poutre bi-encastrée encapsulée dans un boîtier soumis à un choc est étudiée; le modèle établi détermine les conditions pré-choc (vitesse, accélération du boîtier) évitant la dégradation de la structure lors du choc. Enfin, une approche conceptuelle d'un système vibratoire adaptatif a été présentée. Une structure à protéger est fabriquée sur des couches piézo-électriques; celles-ci sont actionnées pour perturber la résonance mécanique de la structure à protéger lorsque des capteurs résonants détectent des vibrations extérieures dont la fréqucnce d'excitation est égale à la fréquence de résonance. Les choix de conception sont exposés dans le cas de la réalisation technologique et du systéme d'asservissement électronique (détection, alimentation des couches piézoélectriques); enfin, le procédé technologique a été mis en place; la phase de test reste à mettre en oeuvre.

  • Titre traduit

    Towards a comprehension of the failure mechanisms for microsystem devices


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Informations

  • Détails : 225 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. à la suite de chaque partie

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  • Bibliothèque : Université des sciences et technologies de Lille (Villeneuve d'Ascq, Nord). Service commun de la documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 50376-2003-223
  • Bibliothèque : Université des sciences et technologies de Lille (Villeneuve d'Ascq, Nord). Service commun de la documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 50376-2003-224
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