Caractérisation et modélisation de microtransducteurs de pression a hautes performances intégrées sur silicium

= Characterization and modeling of pressure microtranducers of high performances integrated on silicon

• Auteur / Autrice : Christophe Malhaire
• Direction : Daniel Barbier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : microélectronique
• Date : Soutenance en 1998
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Pinard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Barriol, Bernard Champagnon, Martine Le Berre, Stéphane Renard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadine Guillemot, Jean-Louis Robert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation tridimensionnelle

Capteurs de pression

Microcapteurs

Résumé

L'objectif de ce travail etait de modeliser le comportement thermomecanique de membranes composites Si02/Si et de developper des outils de caracterisation adaptes aux microstructures en silicium pour permettre la conception de microcapteurs de pression piezoresistifs a membrane de type Polysilicium Sur Isolant a hautes performances. Des membranes Si02/Si de 3 mm de cote et d'epaisseur inferieure a 40 microns, recouvertes par des couches d'oxyde thermique de 0. 5 a 2 microns, ont ete realisees par gravure chimique anisotrope du silicium sans couche d'arret dans des solutions KOH-rH20. Nous avons etudie le profil des membranes, la rugosite et l'uniformite de la gravure par profilometrie optique. Les epaisseurs moyennes des membranes ont ete determinees avec une incertitude de 0. 1 micron par spectrometrie infrarouge a transformee de Fourier. L'origine de la contrainte dans les films d'oxyde sur substrats epais a ete etablie et sa valeur determinee avec une incertitude de 4% par des mesures de courbures moyennes. Après avoir montre les limites des modèles analytiques, un modèle de calcul par éléments finis, base sur les propriétés physiques des matériaux, du comportement thermomécanique des membranes oxydées micro usinées a été développé Ce modèle a été validé expérimentalement jusqu’a 300°C par des mesures au profilomètre optique et des mesures de contraintes par spectrométrie micro-Raman. Les profils de membranes Si et SiO2/Si ont été modélisés et mesures sous pression dans la gamme O-1 bar. L’influence de l’encastrement et les conséquences de Mat précontraint des membranes SiO2/Si sur les dérivés thermiques du capteur et leur réponse en pression ont it6 analysées. Deux architectures de conditionneur piézorésistif en pont de Wheatstone ont été développées et testées. Nous avons montre la faisabilité d’un conditionneur sans contact aluminium/polysilicium soumis aux déformations de la membrane et aux éventuelles atmosphères corrosives.

The aim of this work was to modelize the thermomechanical behavior of composite Si02/Si membranes and to develop sorne caracterization tools suitable to silicon microstructures to allow the conception of high performances membrane based Polysilicon On Insulator piezoresistive pressure microsensors. Si02/Si membranes with 3 mm side length and thickness less than 40 microns covered with 0. 5 to 2 microns thick thermal oxide layers, have been achieved by anisotropie chemical etching without etch-stop layer in KOH-rH20 solutions. We have studied the membranes profile, the roughness and the uniformity of the etching process by means of optical profilometry. The average membrane thicknesses have been determined with a 0. 1 microns accuracy by means of Fourier transform infrared spectrometry. The origin of the oxide stress on thick substrates has been established and the value has been determined with a 4% accuracy through average curvature measurements.