De l'influence des paramètres mécaniques et électroniques sur l'efficacité de la résonance d'un wafer de silicium encastré par effet photo-thermo-acoustique

par Carine Chapus

Thèse de doctorat en Génie électrique, électronique, photonique et systèmes

Sous la direction de Jacques Attal.

Soutenue le 30-06-2010

à Montpellier 2 , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IES - Institut d Electronique du Sud (laboratoire) .

Le président du jury était Arnaud Bournel.

Le jury était composé de Jacques Attal, Arnaud Bournel, Franck Augereau, Jean Podlecki.

Les rapporteurs étaient Danièle Fournier, Vincent Tournat.


  • Résumé

    L'influence de l'épaisseur et de la durée de vie des porteurs sur l'efficacité de la mise en résonance d'une membrane clipsée de silicium excitée par effet photo-thermo-acoustique a été étudiée. Pour cela, nous avons modélisé les phénomènes physiques spécifiques aux semi conducteurs mis en jeu afin de connaître leur influence sur la vibration créée pour augmenter l'efficacité de la conversion photo-acoustique. Un modèle analytique du mode d'encastrement de la membrane a également été développé. Puis, un banc expérimental utilisant une diode laser pour l'excitation lumineuse et un vibromètre optique pour la détection des déplacements induits a été conçu pour obtenir la réponse en fréquence de membranes de différentes épaisseurs (de 100 à 3000µm) et durées de vie de porteurs (de 1 à 45µs). Ces essais ont montré un décalage vers les basses fréquences d'environ 1kHz de la fréquence du premier mode de résonance et une faible valeur du facteur de qualité de l'ordre de la dizaine dus au choix de l'encastrement par serrage des wafers de silicium à l'aide de joints toriques en nitrile dans l'air. Cette étude a permis de montrer que, dans nos conditions expérimentales, le facteur de qualité était optimal pour une valeur particulière de l'épaisseur de membrane de l'ordre de 300µm par l'effet combiné de la pression extérieure de l'air ambiant et des pertes dans ce type d'encastrement. L'augmentation de la durée de vie des porteurs n'a pas d'effet sur le facteur de qualité alors qu'il semble faire augmenter légèrement l'amplitude de la résonance.

  • Titre traduit

    Influence of carrier lifetime and thickness for photo-thermally induced mechanical resonance of clamped silicon wafers


  • Résumé

    The influence of mechanical housing conditions and electronic properties of clamped silicon wafers in resonance configuration induced by photo-thermal-acoustic effect is studied. First, we have modelised the specific physical phenomena involved in semiconductors in order to increase the efficiency of the photo-acoustic conversion. A simplified model of clamped membrane has also been developed. Next,, an experimental set up to observe this phenomenon and to obtain the frequency response of the membrane has been built to test numerous silicon wafers with thickness from 100 to 3000µm and carrier life time between 1and 45µs. These tests showed a shift to lower frequency of about 1 kHz of the first resonance mode frequency and a low quality factor value of the order of ten due to our choice of soft clamping of silicon wafers using Nitrile O-ring in air. With our experimental conditions, the quality factor was found optimal for a thickness value of about 300µm due to the combined effects of mounting and air losses. The increase of carrier lifetime does not change the quality factor but seems to slightly increase the resonance amplitude.

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