Développement d'un banc de test par gonflement de membranes destiné à la caractérisation mécanique de matériaux déposés en films minces

par Hicham Youssef

Thèse de doctorat en Micro et nanosystèmes

Sous la direction de Robert Plana et de André Ferrand.

Soutenue en 2011

à Toulouse 3 .

  • Titre traduit

    Bulge test techniques for the mechanical characterization of materials used in MEMS fabrication


  • Pas de résumé disponible.


  • Résumé

    L'objectif de la thèse est de développer et optimiser un banc de test pour la caractérisation mécanique des matériaux déposés en film minces. Les MEMS qui comportent des parties mécaniques mobiles doivent atteindre des performances maîtrisées. Ces parties mobiles sont soumises à des forces, à des différences de températures, à des contraintes, des déformations. . . Les caractéristiques des matériaux qui les composent doivent être bien connues comme dans tout système mécanique. Ces principales caractéristiques sont : le module d'Young, les contraintes résiduelles de fabrication, la limite élastique et bien d'autres liées à la fiabilité. A l'échelle des microsystèmes elles dépendent étroitement du processus de fabrication et n'ont souvent rien à voir avec celles du même matériau pris à l'échelle macroscopique, de telle sorte qu'il est quasiment obligatoire d'effectuer des mesures à chaque nouvelle fabrication. Parmi les tests possibles, le gonflement de membrane présente des avantages décisifs : il donne des résultats suffisamment précis pour la conception des MEMS, il est non destructif, il donne en même temps le module d'Young et les contraintes résiduelles. Lié à un modèle de comportement aux éléments finis il permet d'atteindre quasiment toutes les caractéristiques d'élasticité, de plasticité et de rupture. Le test de gonflement consiste à appliquer une pression hydrostatique sur une face de la membrane dans le but de la faire fléchir. Les relevés de mesure de la pression en fonction de la déflexion sont utilisés pour extraire les propriétés mécaniques du matériau moyennant un modèle mathématique ou numérique approprié qui traduit le comportement de la membrane. Si le principe de cette technique est relativement simple, la mise en œuvre, quant à elle, est source de beaucoup de difficultés. Celles-ci concernent aussi bien la mise en place d'un appareillage performant capable de mesurer avec précision la pression et la déflexion à l'échelle des microstructures, que l'interprétation de la théorie elle-même décrivant l'évolution de la pression en fonction de la déflexion au centre de la membrane. Nous avons mis en place un protocole d'essai fiable qui permet de tirer le maximum de précision de la mesure tout en ayant un processus largement automatisé de sorte que ce banc est désormais utilisable par un industriel pour un coût de main d'œuvre raisonnable. Nos travaux de recherches s'articulent autour de trois thématiques : La première est consacrée à la mise en place d'un mode opératoire optimisé qui permet de caractériser mécaniquement des matériaux déposés en couches minces. Dans la deuxième nous avons développé des techniques basées sur les calculs par éléments finis pour caractériser des membranes rectangulaires avec un rapport géométrique quelconque et qui manquaient jusque-là. La troisième est une application de la technique de gonflement à certains matériaux utilisés dans la fabrication des MEMS.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (199 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 181-185

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2011 TOU3 0310
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