Conception et réalisation de références de tensions alternatives à base de MEMS

par François Blard

Thèse de doctorat en Micronano systèmes

Sous la direction de Henri Camon.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les systèmes microélectromécaniques (MEMS) sont d'excellents candidats pour la métrologie électrique. En effet, grâce au couplage électromécanique dans les MEMS, il est possible de réaliser des références secondaires de tension continue (DC) ou alternative (AC) ayant des valeurs de quelques volts à quelques centaines de volts avec des stabilités relatives pouvant atteindre quelques 10-7. Celles-ci peuvent alors être une alternative aux actuelles références Zener dans le cas de la tension continue, et constitueront une première pour la tension alternative puisque aucune référence n'existe hormis celle basée sur l'effet Josephson. Ce travail de thèse a été dédié au développement et à la fabrication de plusieurs générations de structures MEMS à capacité électrique variable dans lesquelles on exploite le phénomène du pull-in pour réaliser des références de tension AC. Le design des échantillons, basé sur des architectures spécifiques correspondant à différents modes de déplacement de l'électrode mobile, est réalisé grâce à des modélisations sous ConventorWare. On distingue des structures à débattement vertical favorisant un déplacement en mode piston de la membrane mobile et des structures à peignes interdigités à déplacement dans le plan. Ces différentes structures ont été fabriquées à partir d'un procédé technologique industriel MPW (Multi-project Wafer) de la société Tronic's, basé sur un substrat SOI (Silicon On Insulator). En parallèle, un procédé technologique dédié a été mis au point pour s'adapter aux exigences particulières de nos applications. Les références de tension AC ainsi développées présentent des tensions de pull-in variant de 2 V à 100 V avec des fréquences de résonance mécanique mesurées par DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) de seulement quelques kilohertz. Ce dernier résultat permet donc d'envisager l'utilisation de ces références de tension AC sur une large gamme de fréquence, de quelques dizaines de kilohertz jusqu'à quelques Mégahertz. Nous avons également développé une électronique de commande spécifiquement adaptée aux caractéristiques de nos MEMS et intégrant une régulation de la température au mK près. La stabilité de la tension des MEMS a été mesurée sur plus de 150 heures avec une fluctuation inférieure au millionième à 50 kHz et 100 kHz. Les essais à plusieurs centaines de kHz sont également très prometteurs. La dépendance en température est dix fois plus petite que celle rapportée antérieurement, permettant ainsi de s'affranchir de plateformes de stabilisation thermique sophistiquées.

  • Titre traduit

    Design and fabrication of MEMS based AC voltage reference


  • Résumé

    Microelectromechanical systems (MEMS) are excellent candidates for electrical metrology. Thanks to the electromechanical coupling in MEMS, it is possible to make secondary DC and AC voltage references with values from a few volts to several hundred volts with relative stabilities of about 10-7. These standards could constitute an alternative to current Zener references in the case of DC voltage and a first in AC metrology field. This PhD work was dedicated to the development and manufacturing of several generations of MEMS structures with variable electrical capacitance in which we exploit the pull-in phenomenon to build AC voltage references. The design of the samples based on specific architectures characterized by different modes of motion of the movable electrode is achieved through ConventorWare modeling. Both MEMS structures having vertical displacement of the movable membrane and combs-drive design for in-plane motion were considered. These structures have been fabricated with an industrial MPW (Multi Project Wafer) process technology, based on an SOI (Silicon On Insulator) surface micromachining process. However, a dedicated process technology has been developed to meet the specific requirements of our applications. AC voltage references having pull-in voltages ranging from 2 V to 100 V were developed with mechanical resonant frequencies of only a few kilohertz. This makes it possible to use the AC voltage references over a wide frequency range from a few tens of kilohertz to a few megahertz. We have also developed readout electronics specifically designed to match the MEMS characteristics and where the temperature of the samples is controlled. The voltage stability of MEMS was measured over 150 hours and the relative deviation from the mean was found less than one part in 106 at 50 kHz and 100 kHz. Results at several hundred of kHz are also very promising. The temperature dependence is ten times smaller than previously reported, which allow to use less sophisticated thermal stabilization platforms.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (158 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 151-158

Où se trouve cette thèse ?