Etude et mise au point de techniques opto-numériques pour la caractérisation des paramètres mécaniques de composants MEMS/MOEMS

Opto-numerical methodology for detrmining the mechanical parameters characterizing microelements used in MEMS/MOEMS devices

• Auteur / Autrice : Michal Jozwik
• Direction : Christophe Gorecki
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés libres

Microsystèmes

Couche mince

Résumé

L'objet de ce manuscrit de thèse est l'étude et la mise au point d'une méthodologie opto-numérique pour la caractérisation de paramètres mécaniques des composants MEMS/MOEMS, incluant l'interférométrie, la nanoindentation et le traitement numérique. L'accent est mis sur l'adaptation de ces techniques à la caractérisation de paramètres mécaniques de Microsystèmes avec réalisation d'une plate-forme mesure multifonctionnelle et cohérente. Cette thèse s'est déroulé dans le cadre d'une convention de cotutelle entre l'Université de Franche-Comté et l'Université Technologique de Varsovie. Nous avons étudié les possibilités qu'offrent les techniques optiques dans leur application à la visualisation de déformations et des déplacements hors-plan des microstructures. La plate-forme expérimentale contient une station sous pointe basée sur un microscope métallurgique Nikon et un interféromètre de Twyman-Green. Notre première application a été l'étude de membranes, obtenues par gravure chimique anisotrope du substrat de silicium, précontraintes par un dépôt de couche mince SiOxNy, fabriqué par PECVD. Dans la deuxième application nous avons étudié le comportement des microactionneurs électrostatiques à interactions de contact (Scratch Drive Actuators - SDA). La mesure expérimentale du déplacement hors-plan de ces microactionneurs est indispensable pour la compréhension du mécanisme de transduction d'énergie mécanique à l'interface actionneur/substrat du silicium, et pour vérifier la modélisation numérique de l'actionneur.

The PhD dissertation was performed under the agreement of co-tutelle between Université de Franche-Comté (France) and the Warsaw University of Technology (Poland). A very broad field of relevant technologies and testing of silicon micromechanical elements had to be limited to specific elements and experimental methods. Two type of microelements have been selected: micromembranes (monolayers and bimorphs), and polysilicon Scratch Drive Actuators (SDA). Due to mirror type reflection of silicone, two-beam interferometry with computer aided interferogram processing has been selected for shape and deformation of the microelement surface, while the nanoindentation has been used for the extraction of micromechanical properties such as hardness and Young's modulus. Firstly, we investigated silicon membranes prestressed by SiOxNy films. The combination of numerical calculations (FEM) with experimental studies gives powerful methodology for residual stress determination. The distribution of residual stress was monitored as a function of the refractive index of SiOxNy films, establishing the correlation between the optical and micromechanical properties of deposited thin films. In second application the object to be measured was SDA actuator. Actuators require specific tools to verify that their mechanical properties and motions obey the designer's intent. In this dissertation capabilities of future direct-drive electrostatic actuators SDA are investigated through the characterization of their out-of-plane displacements by interferometry. Additionally, the results from interferometric method are compared with numerical simulations given by finite elements software - ANSYS.