Conception, fabrication et caractérisation d'un microphone MEMS

par Jaroslaw Czarny

Thèse de doctorat en Acoustique

Sous la direction de Jean-Louis Guyader.

Soutenue le 27-01-2015

à Lyon, INSA , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec LVA - Laboratoire Vibrations Acoustique (laboratoire) et de Laboratoire Vibrations Acoustique / LVA (laboratoire) .

Le président du jury était Morvan Ouisse.

Le jury était composé de Jean-Louis Guyader, Morvan Ouisse, Bertrand Dubus, Nicolas Joly, Manuel Collet, Emmanuel Redon, Thierry Verdot, Arnaud Walther.

Les rapporteurs étaient Bertrand Dubus, Nicolas Joly.


  • Résumé

    Les microphones à électret dédiés à l'électronique grand public et les applications médicales (les audioprothèses) ont atteint les limites de la miniaturisation. Depuis la sortie du premier microphone basé sur une technologie microsystème sur silicium (MEMS: Micro-Electro-Mechanical Systems), les microphones à électret sont progressivement remplacés par les microphones MEMS. Les MEMS utilisent le silicium car il offre des caractéristiques mécaniques exceptionnelles avec de bonnes propriétés électriques et la technologie de fabrication est maintenant bien maîtrisée. La plupart des microphones MEMS qui sont décrits dans la littérature sont constitués d’une membrane qui vibre en dehors du plan du capteur, et utilisent la transduction capacitive. La miniaturisation de tels microphones est limitée car leur sensibilité est liée à la valeur de la capacité qui dépend de la taille de la membrane. En outre, les capteurs capacitifs sont très sensibles aux capacités parasites et aux non-linéarités. Cette thèse présente une nouvelle architecture de microphone MEMS qui utilise des micro-poutres qui vibrent dans le plan capteur. La transduction du signal est réalisée par des nanojauges piézorésistives intégrées dans le microsystème et attachées aux micro-poutres. Ce système de détection original ne présente pas les inconvénients de la détection capacitive et à la différence des piézorésistors classiques intégrés dans la membrane de silicium, les nanofils suspendus permettent d’éliminer les courants de fuite. De plus, l'amélioration de la détection est possible puisque le coefficient piézo-résistif longitudinal est inversement proportionnel à la section du nanofil. Les fluctuations de pression acoustique entraînent les déviations des micro-poutres qui produisent une concentration de contraintes dans les nanogauges. Le comportement du capteur, que l’on cherche à modéliser, est lié à des phénomènes mécaniques, acoustiques et électriques qui sont couplés. En raison des dimensions micrométriques du MEMS, les effets des dissipations thermique et visqueuse doivent être pris en compte dans le comportement acoustique. Pour prédire de façon fiable le comportement du capteur, deux modèles vibroacoustiques sont utilisés: un modèle éléments finis basé sur l'ensemble des équations de Navier-Stokes linéarisées et un modèle approché basé sur un schéma à constantes localisées (représentation par circuit électrique équivalent). Les deux modèles sont complémentaires dans le processus de conception pour déterminer la réponse en fréquence et le taux de bruit du capteur. Le travail est complété par la description des processus technologiques et les défis liés à la fabrication du prototype. Puis deux approches pour la caractérisation fonctionnelle du microphone MEMS sont présentées, la première en tube d’impédance, la seconde en champ libre.

  • Titre traduit

    Conception, fabrication and characterization of a MEMS microphone


  • Résumé

    Electret microphones dedicated to consumer electronics and medical applications (hearing aids) have reached the miniaturization limits. Since the release of the first microphone based on Silicon micromachining, electret microphones are constantly replaced by MEMS microphones. MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) microphones use Silicon that provides exceptional mechanical characteristics along with good electric properties and mature fabrication technology. Regardless of the transduction principle (capacitive, piezoresistive, piezoelectric, optical), all of the MEMS microphones reported in the state of the art literature are based on a membrane deflecting out of the plane of the base wafer. Most of the reported microphones and all of the commercially available MEMS use capacitive transduction. Downscaling of capacitive microphones is problematic, since the sensitivity depends on capacitance value. Moreover capacitive sensors suffer of high sensitivity to parasitic capacitance and nonlinearity. The drawbacks of capacitive detection may be overcome with use of piezoresistive properties of Silicon nanowires. Unlike the classical piezoresistors integrated into silicon membrane, suspended nanowires do not suffer of leakage current. Further improvement of piezoresistive detection is possible since the longitudinal piezoresistive coefficient rises inversely proportional to nanowire section. This thesis presents the considerations of novel MEMS microphone architecture that uses microbeams which deflect in the plane of the base wafer. Signal transduction is achieved by piezoresistive nanogauges integrated in the microsystem and attached to the microbeams. Acoustic pressure fluctuations lead to the deflection of the microbeams which produces a stress concentration in the nanogauges. Accurate simulations of the discussed transducer couple acoustic, mechanical and electric behavior of the system. Due to micrometric dimensions of the MEMS acoustic system, thermal and viscous dissipative effects have to be taken into account. To reliably predict the sensor behavior two acoustic models are prepared: the complete Finite Element Model based on the full set of linearized Navier-Stokes equations and the approximative model based on the Lumped Elements (Equivalent Cirtuit Representation). Both models are complementary in the design process to finally retrieve the frequency response and the noise budget of the sensor. The work is completed by the description of the technological process and the challenges related to the prototype microfabrication. Then the approach to the MEMS microphone characterization in pressure-field and free-field is presented.


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