Etude analytique, conception et microfabrication de microphones capacitifs miniatures

Theoretical analysis and design of silicon capacitive microphones using MEMS techniques

• Auteur / Autrice : Thierry Le Van Suu
• Direction : Michel Bruneau, Stéphane Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Le Mans

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microtechniques

Acoustique

Systèmes microélectromécaniques

Silicium

Microphones

Résumé

Au cours de la dernière décennie, les capteurs capacitifs de pression acoustique fabriqués sur puce silicium, ont fait l'objet d'études théoriques, expérimentales et technologiques, de manière à réaliser des microphones miniatures qui présentent de l'intérêt dans de nombreuses applications. Ces études ont été menées plus particulièrement sur les systèmes d'architectures conventionnelles, c'est à dire sur la modélisation et la microfabrication de dispositifs qui comportent un diaphragme (considéré comme une membrane), une électrode arrière plane (perforée ou non), et une couche de fluide visqueux et thermoconducteur située dans cet entrefer, prolongé par un réservoir périphérique. Le travail présenté dans ce mémoire de thèse constitue dans l'ensemble une extension de ceux menés depuis plusieurs années dans plusieurs laboratoires de par le monde dont le Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine. Une nouvelle architecture dans laquelle l'électrode arrière n'est plus plane a été proposée récemment dans la littérature. Les méthodes analytiques classiques utilisées ont conduit à des expressions simples pour la sensibilité du microphone, mais elles se trouvent limitées lorsque l'étude requiert des résultats très précis. C'est ainsi qu'une solution générale est proposée ici, qui prend en compte le couplage fluidemembrane d'une manière plus réaliste. Par ailleurs, le diaphragme est habituellement considéré comme circulaire et/ou comme ayant un comportement de membrane. C'est ainsi que, dans la seconde partie de cette étude analytique, des solutions sont proposées pour des plaques carrées, chargées par le fluide, incluant une extension au cas du ruban précontraint qui doivent répondent aux attentes de la communauté. La seconde partie de la thèse est double: -i) un microphone miniature, réalisé à l'aide des procédés de micro fabrication disponibles dans la centrale de micro technologies localisée à l'ENSIM, a été conçu et les principales étapes de sa réalisation ont été validées, ii) Une méthode expérimentale de mesure simultanée du module d'Young et des contraintes résiduelles est présentée et validée, qui se substitue avantageusement à notre sens aux méthodes en usage qui ne permettent l'accès qu'à un seul des deux paramètres, l'autre étant supposé connu.

During the last decade, capacitive acoustic pressure sensors fabricated on silicon chips was the subject of theoretical, experimental and technological studies, in order to design miniaturized microphones whose interest in many applications would be of importance. These studies concentrate on the devices classically designed, namely on the modelling and on the micro machining of devices comprising a diaphragm (considered as a membrane), a planar perforated (or not) backing electrode, and a viscous and thermalconducting fiuid trapped between both and/or enclosed by a peripheral reservoir. Ln many respects, the work presented in this PhD thesis is an extension of those carried out for several years in laboratories around the world, including the Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine. A new design in which the backing electrode is non-planar has been proposed recently in the literature. A standard analytic procedure yielded simple expression for the sensitivity of the microphone, whose the limitations can be pointed out when a precise solution is needed. Therefore herein, a general solution is proposed, which accounts for the coupling between the membrane and the fiuid layer in a more realistic way. On the other hand, the diaphragm is usually assumed to be circular and/or to behave as a membrane. The aim of the second chapter of the analytical studies presented here is to propose solutions for square loaded plates, including extensions for stretched ribbon, leading to awaited results. The second part of the thesis is twofold : -i) a miniaturised microphone, made using the micro machining pro cesses available in the clean room facility at ENSIM, has been designed and the main process steps have been validated, -ii) an experimental method for measuring simultaneously the Young's modulus and the residual stress is suggested and validated, supplanting in our opinion other known methods which usually provide only one of these two parameters (assuming that the other one is known).