Silicium poreux pour capteurs et MEMS résonants intégrés

= Porous silicon for sensors and integrated resonant MEMS

• Auteur / Autrice : Arnaud Porcher
• Direction : Boudjemaa Remaki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dispositifs de l’'électronique intégrée
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : INL - Institut des Nanotechnologies de Lyon, UMR5270 (Rhône)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Circuits intégrés

Microélectronique

Électronique industrielle

Résumé

Notre travail s'inscrit dans le cadre de l'intégration et de la miniaturisation de nouvelles fonctionnalités sur des dispositifs élémentaires réalisés en microtechnologie sur silicium et ayant pour but des applications type capteur ou actionneur. Les propriétés diélectriques avérées du silicium méso-poreux (SiP) intégrables en couches épaisses (jusqu'à 400 µm) font de ce matériau un candidat idéal pour l'amélioration de l'isolation électrique des dispositifs en régime RF. Une méthode originale de caractérisation électrique du SiP a été mise au point et validée par le couplage entre mesures expérimentales et simulation numériques par éléments finis. La variation fréquentielle de la conductivité électrique du SiP a ainsi été mise en évidence et quantifiée dans une gamme allant de 100 MHz à 1 GHz. De nombreuses voies d'optimisation de micro résonateur ont été ainsi démontrées comme l'oxydation du SiP, sa combinaison avec le SiO2, ou l'architecture double face. La réalisation de membranes poreuses sensibles a permis de caractériser mécaniquement la faible rigidité du SiP pour la première fois avec la méthode directe du bulge test. Un module d'Young de 5 GPa pour une porosité de 73% a été mesuré ce qui est en accord avec les modèles analytiques précédemment développés. L'intégration d'élément inductif sur des membranes composites en Si/SiO2 a conduit à l'obtention de deux actionnements vibratoires des membranes à des modes fréquentiels différents (quelques Hz et 10 kHz) et reposant respectivement sur des stimulations électromagnétiques et par effet Joule. L'intégration des propriétés d'isolation et de souplesse du SiP pour ces fonctionnalités est une perspective importante de développement de ces dispositifs.

Our work takes part in the integration of new functionalities on the elementary miniaturized devices built using silicon micro technologies and designed to enable sensor or actuator abilities. The well-known dielectric properties of the meso-porous silicon (SiP), which can be integrated in thick layers (up to 400 µm), make this material a good candidate to enhance the electric insulation of the device in the RF regime. Among the main results of this work, an original method to electrically characterize the SiP has been performed by a coupling between experimental measurements and numerical simulations with finite elements. By this way, the frequency variation of the electrical conductivity of the SiP has been highlighted and quantified in a range coming from 100 MHz to 1 GHz. Many ways to optimize micro-resonator devices have been thus demonstrated using the oxidation of SiP, its combination with a SiO2 layer, or a double-sided architecture. The realization of sensitive porous membranes allowed us to mechanically characterize the low stiffness of the SiP which has been evaluated for the first time with the direct method of the bulge-test. A Young's modulus of 5 GPa for a porosity of 73% has been measured, what is in good agreements with the analytical models previously developed by members of our team. The integration of inductive elements on composite membranes brings us to obtain two kinds of actuation of the membranes depending on the frequency range: Electro thermal actuation at few Hz and electromagnetic one around 10 kHz. The integration of porosified zones in such structures open important perspectives to enhance their capabilities in term of sensitivity and energetic budget.