Opto-numerical analysis of AIN piezoelectric thin film operating as an actuation layer in MEMS cantilevers (Etude et caractérisation opto-numérique de couches minces piézoélectriques d'AIN integrées comme une couche active de micropotres MEMS)

Krupa, Katarzyna - (2009-12-14) / Université de Franche-Comté, Université de Technologie de Varsovie Départemnt ZIF Opto-numerical analysis of AIN piezoelectric thin film operating as an actuation layer in MEMS cantilevers en : Anglais Directeur(s) de thèse:  Gorecki, Christophe Laboratoire : FEMTO-ST Ecole doctorale : SPIM Classification : Sciences de l'ingénieur

URL d'accès :  http://indexation.univ-fcomte.fr/nuxeo/site/esupve... Mots-clés : nitrure d’aluminium, micropoutre, interféromètre de Twyman-Green, actionneur, couche mince piézoélectrique, méthode opto-numérique, microsystème, fiabilité Résumé : L'objectif de ce mémoire de thèse consiste à étudier et caractériser les propriétés de couche mince piézoélectrique de nitrure d aluminium (AIN) utilisées comme une couche d actionnement de micropoutres multimorphes actionnées piézoélectriquement et a évaluer leurs performances micromécaniques. Ce travail a été effectué en utilisant une méthodologie hybride basée sur 1 interaction entre le modèle physique et mathématique des objets étudiés. Ces recherches ont été faites dans le cadre d`une thèse de doctorat effectuée en cotutelle entre l`Université de Franche-Comté et Université Technologique de Varsovie. Les deux laboratoires qui ont porté ce projet sont le Département d'Optique P.M. Duffieux de l nstitut FEMTO-ST et l institut de Micromécanique et Photonique. Une méthodologie hybride opto-numérique a été proposée pour étudier des microstructures. Cette méthodologie permet la caractérisation complexe de ces échantillons en identifiant les divergences entre leur modèle physique et mathématique. Cette approche hybride, combinant les données expérimentales obtenues par l interférométrie optique et les techniques de nanoindentation avec les résultats de traitements numériques et les équations analytiques, a été appliquée pour étudier les micropoutres silicium où un film mince piézoélectrique d AlN a été déposé entre les deux électrodes métalliques. Grâce à ces interactions, les propriétés de films AIN ainsi que les comportements micromécaniques de transducteurs piézoélectriques et leur fiabilité ont été déterminés. Nous avons bâti un modèle physique de ces dispositifs multimorphes en utilisant la plateforme de métrologie basée sur l interféromètre de Twyman-Green, offrant les avantages de mesure non-destructive et la haute résolution de techniques optiques. Ainsi, nous avons obtenu des données caractérisant les comportements statiques et dynamiques de micropoutres AIN, ainsi que les différentes propriétés physiques des éléments étudiés. Enfin, quelques mesures de fiabilité de nos micro objets ont permis l évaluation de l`impact de certains paramètres géométriques et fonctionnels sur les comportements des échantillons et leur durée de vie. Le modèle mathématique proposé s appuie à la fois sur l utilisation d`équations analytiques et le calcul par la Méthode des Éléments Finis faisant appel au logiciel ANSYS. Ces calculs ont tenu compte de l aspect multicouche des éléments étudiés. Ce travail de modélisation a permis d`identifier les paramètres critiques de ces microactionneurs piézoélectriques à la fois du point de vue dimensionnel que matériel et de mieux comprendre leurs mécanismes de vieillissement. Par ailleurs, une étude de fiabilité a aussi été réalisée, en incluant des tests accélérés du vieillissement et de la fatigue, ainsi que une étude de la stabilité opérationnelle. Les résultats obtenus nous ont permis de mieux cerner quels sont les paramètres critiques de dommagement le plus probables de ces micro objets et estimer leur temps de vie. Enfin, l approche opto-numérique proposée a permis d'identifier les étapes de fabrication critiques des micropoutres d AlN afin d'optimiser leur fabrication. La méthodologie hybride proposée au cours de la thèse de doctorat a étendu la capacité métrologique des techniques d interférométrie laser. Elle permet de développer les méthodes pour la caractérisation des microstructures, la détermination de leur fiabilité et l assistance de leur technologie dans la réalisation des dispositifs fiables des paramètres requis. L application de cette méthodologie a permis de bien comprendre les propriétés de films d`AlN aussi bien que les performances des micropoutres piézoélectriques. Cela peut effectuer en une augmentation de nombre des applications possibles de ces microstructures d AlN, en améliorant leur qualité et contrôle. Résumé (anglais) : This Ph.D. thesis presents the research concerning the analysis and determination of the properties of piezoelectric aluminium nitride (AIN) thin film operating as an actuation layer in piezoelectrically driven bimorph microantilevers and the evaluation of their micromechanical performances. The work was accomplished using a developed hybrid methodology, which was based on the interaction between the physical and mathematical models of investigated objects. Combining analytical considerations and FEM simulations with optical interferometric and nanoindentaiton measurements the characterisation of AIN driven microantilevers including some in-use problems of their reliability was performed. There were investigated the crystallographic, mechanical, piezoelectric and thermal properties of AIN thin films as well as the functionality of the studied microelements concerning their static and dynamic behaviours. Our research concerned also the ageing and fatigue accelerated life tests, as well as operational stability and life-time. Resulting data allowed a better knowledge about the most likely failure modes affecting the operation of the microantilevers and the factors that invoke these failures. Proposed hybrid methodology has allowed to develop the methods to characterize microstructures, determine their reliability and support their technology in realization of the reliable devices with improved quality and controllability. This research work was performed within the framework of the “co-tutelle” Ph.D. thesis between Université de Franche-Comté and Warsaw University of Technology. Identifiant : UFC-295

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