Développement d'un micro capteur résonant à partir de couches de quartz Alpha synthétisées par procédé sol-gel sur substrat SOI.

par Claire Jolly

Projet de thèse en Électronique

Sous la direction de Benoit Charlot et de Adrien Carretero genevrier.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec IES - Institut d'Electronique et des Systèmes (laboratoire) et de Département Capteurs, Composants et Systèmes (equipe de recherche) depuis le 30-09-2018 .


  • Résumé

    Les matériaux piézoélectriques sont les éléments actifs de nombreuses applications du quotidien, et représentent une industrie d'un milliard d'euros. Ils sont les éléments clés des détecteurs de mouvement et des résonateurs présents dans tout capteur de réseau sans fil. Cependant, une production accrue des piézoélectriques de manière durable reste un défi. Ce projet de fin d'études propose de développer un nouveau matériau piézoélectrique qui peut apporter une solution à ce problème : un matériau piézoélectrique abondant, pas cher et sans danger. L'objectif du projet est de synthétiser de nouveaux matériaux piézoélectriques par ingénierie de α-quartz, un matériau piézoélectrique non polaire classique, en utilisant une nouvelle synthèse de quartz en tant que films minces épitaxiées sur silicium. Cette nouvelle synthèse fournira le film mince piézoélectrique idéal, un défi qui exige d'unifier la chimie douce et les techniques de microfabrication pour produire de nouveaux dispositifs piézoélectriques de taille nanométrique hautement performants. Il peut paraître surprenant que le quartz lui-même ne soit pas plus largement utilisé dans les dispositifs. La raison principale est, d'une part, que les dispositifs de quartz utilisent des cristaux qui sont coûteux à développer, et d'autre part, qu'ils doivent ensuite être amincis et polis jusqu'à une très faible épaisseur nécessaire pour les transducteurs de haute fréquence. Ceci est un processus difficile qui se traduit par des épaisseurs minimales de l'ordre de 10 µm, ce qui limite les fréquences de travail des transducteurs (la fréquence de résonance est telle que l'épaisseur du cristal est la moitié de la longueur d'onde). Développement et résultats attendus Dans ce contexte ce projet propose, de développer un microcapteur (MEMS) résonant à base des structures de résonance (levier, membranes, ponts, etc.), pour la mesure des paramètres mécaniques (masse, forces, pression, etc.). Le principal avantage est que nous allons ici utiliser des couches minces à base de quartz épitaxié sur silicium au lieu de cristaux amincis et polis de quartz ou LiNbO3, utilisés dans les résonateurs actuels. Nous allons développer des processus de croissance directement sur des substrats de silicium afin d'être en mesure de définir les structures de résonance (levier, membranes, ponts, etc.) par microfabrication de silicium, en utilisant la technologie MEMS déjà éprouvée, très avantageuse et de bas coût. Nous allons tester en particulier l'orientation (100) du film de quartz qui fournira un effet piezoélectrique important dans le plan et permettra d'exploiter les capteurs avec une géométrie des couches planes parallèles. Ce contrôle de l'orientation et des capacités de microfabrication permettra de mesurer des contraintes mécaniques avec une sensibilité de 10 à 100 fois plus élevée que celle atteinte avec des monocristaux.

  • Titre traduit

    Development of a resonant sensor base on alpha quartz thin film layes synthesized by Sol-gel on SOI wafers.


  • Résumé

    Piezoelectric materials are the active elements of many everyday applications, and represent a billion-euro industry. They are the key elements of motion detectors and resonators present in any wireless network sensor. However, increased production of piezoelectrics in a sustainable manner remains a challenge. This end-of-studies project proposes to develop a new piezoelectric material that can provide a solution to this problem: an abundant, cheap and harmless piezoelectric material. The aim of the project is to synthesize new piezoelectric materials by engineering α-quartz, a classical non-polar piezoelectric material, using a new synthesis of quartz as thin films epitaxied on silicon. This new synthesis will provide the ideal piezoelectric thin film, a challenge that requires the unification of soft chemistry and microfabrication techniques to produce new high performance nanoscale piezoelectric devices. It may seem surprising that quartz itself is not more widely used in devices. The main reason is, on the one hand, that quartz devices use crystals that are expensive to develop, and secondly, that they must then be thinned and polished to a very small thickness necessary for transducers high frequency. This is a difficult process that results in minimum thicknesses of the order of 10 μm, which limits the working frequencies of the transducers (the resonance frequency is such that the thickness of the crystal is half the length of the wave). Development and expected results In this context, this project proposes to develop a resonant microsensor (MEMS) based on resonance structures (lever, membranes, bridges, etc.), for the measurement of mechanical parameters (mass, forces, pressure, etc.). The main advantage is that we are going to use epitaxial silicon-based thin layers instead of thinned and polished crystals of quartz or LiNbO3, used in current resonators. We will develop growth processes directly on silicon substrates in order to be able to define the resonance structures (lever, membranes, bridges, etc.) by silicon microfabrication, using MEMS technology already proven, very advantageous and low cost. In particular, we will test the orientation (100) of the quartz film which will provide a large piezoelectric effect in the plane and will exploit the sensors with a geometry of parallel plane layers. This control of orientation and microfabrication capabilities will measure mechanical stresses with a sensitivity 10 to 100 times higher than that achieved with single crystals.