Etude analytique, conception et microfabrication de microphones capacitifs miniatures

Sommaire: Etude analytique, conception et microfabrication de microphones capacitifs miniatures

Liste des notations
Introduction Generale
I Etude theorique des microphones miniatures
1 Introduction
1.1 Le microphone, transducteur de pression acoustique
1.2 Le microphone a transduction capacitive, une technologie simple et performante
1.2.1 Le microphone capacitif, architecture et principe de fonctionnement
1.2.2 Aspects phenomenologiques du microphone capacitif
1.2.3 Amelioration et limites des performances
1.2.4 Architecture conventionnelle des microphones capacitifs : maıtrise de
l’amortissement par perforation de l’electrode arriere
1.3 Miniaturisation des microphones capacitifs
1.3.1 Interets de la microfabrication de microphones a partir de substrats de silicium
1.3.2 Applications des microphone miniatures
1.4 Revue bibliographique des microphones miniatures fabriques a partir de tranches de silicium
1.4.1 Des microphones piezoresistifs et piezoelectriques peu performants
1.4.2 L’avenement des microphones capacitifs
1.4.3 Un perfectionnement des microphones capacitifs et une recherche de modes de transduction alternatifs
1.5 Modelisation des microphones miniatures
1.5.1 L’electroacoustique comme outil de modelisation
1.5.2 Modelisation du diaphragme
1.5.3 Modelisation du ﬂuide dans l’entrefer
1.5.4 Modelisation de l’eﬀet des perforations dans l’electrode arriere
1.6 Conclusion
2 Etude analytique d’un microphone capacitif miniature a electrode arriere non plane : cas d’une symetrie de revolution
2.1 Introduction
2.1.1 Contexte de l’etude
2.1.2 Systeme etudie et methode de resolution proposee
2.2 Description du probleme analytique
2.2.1 Equations fondamentales en ﬂuide thermovisqueux
2.2.2 Conditions aux frontieres pour la pression acoustique
2.2.3 Equation dynamique pour le diaphragme
2.2.4 Equation de propagation en ﬂuide thermovisqueux
2.3 Resolution du probleme aux frontieres par une methode de Frobenius
2.3.1 Expression du champ de deplacement pour la membrane
2.3.2 Expression du champ de pression acoustique dans la lame de ﬂuide
2.4 Resultats et discussion
3 Modele de plaque encastree chargee par un ﬁlm ﬂuide
3.1 Introduction
3.2 La plaque encastree et chargee par le ﬂuide
3.2.1 Equations du mouvement
3.2.2 Le champ de deplacement
3.3 Le ﬁlm ﬂuide compressible derriere la plaque
3.3.1 Equations du mouvement
3.3.2 Le champ de pression acoustique
3.3.3 Cas du ﬁlm ﬂuide compressible carre
3.4 Comportement dynamique d’une plaque carree
chargee par une lame de ﬂuide
3.5 Resultats et discussion
3.6 Conclusion
II Realisation des microphones miniatures et approche de leur caracterisation mecanique
4 Realisation de microphones capacitifs a cavites peripheriques a partir de tranches de silicium monocristallin
4.1 Microphone a electrode arri`ere plane et cavites peripheriques : architecture et dimensions
4.2 Processus de fabrication
4.2.1 Etapes de microfabrication sur la plaque qui porte l’electrode arriere
4.2.2 Etapes de microfabrication sur la plaque qui porte le diaphragme
4.2.3 Assemblage du microphone
4.3 Discussion
5 Caracterisation mecanique d’une poutre sous contrainte axiale par essai de ﬂexion
5.1 Introduction
5.2 Modelisation d’une poutre precontrainte
5.2.1 Description du systeme
5.2.2 Expression de la ﬂ`eche y(x), au point d’application de la force transverse F
5.3 Methode de resolution du probl`eme inverse F
5.3.1 Propri´et´es des courbes de niveau dans le plan (E 0, σ)
5.3.2 Incertitudes de mesure
5.3.3 Pertinence du critere de minimisation E(P, R) et evaluation des perfor-0
mances de la resolution du probleme inverse par une methode de MonteCarlo
5.4 Etude sur des poutres de grandes dimensions
5.5 Conclusion
Conclusion Generale
Annexes
A Performances des microphones miniatures
B Presentation alternative de l’equation de propagation (chapitre 2)
C Details de calcul pour le chapitre 2
C.1 Paragraphe
2.2.4 : Equation de propagation en ﬂuide thermovisqueux
C.1.1 Equation de Navier-Stokes
C.1.2 Equation de la chaleur
C.2 Calcul de la projection du champ de deplacement suivant un mode propre Ψ de membrane, cas ou Z cav= 0
D Orthogonalit´e des fonctions propres de la plaque carree (chapitre 3)
D.1 Orthogonalite des fonctions propres Ψ (X, Y ) de la plaque carree encastree
D.2 Orthogonalite des fonctions propres Φ mn mn(X, Y ) de la couche de ﬂuide
E Solution generale pour le ﬁlm ﬂuide compressible derri`ere la plaque (chapitre 3)
E.1 Equation du mouvement
E.2 Le champ de pression acoustique
F Circuit ´equivalent pour le couplage entre la plaque vibrante et le ﬁlm ﬂuide :
approximations a l’ordre le plus bas (chapitre 3)
G Etude de la transition entre le comportement de type plaque et le compor-tement de type membrane
H Details de calcul pour le chapitre 5
H.1 Syst`eme lin´eaire obtenu a partir des conditions aux limites
H.2 Expression de la ﬂ`eche y(x)
H.3 Remarque sur le crit`ere d’optimisation E(PF x, R)
I Elements de microtechnologie
I.1 Gravure chimique anisotrope du silicium monocristallin
I.1.1 Gravure chimique anisotrope en milieux aqueux
I.1.2 Gravure ionique reactive
I.2 Depot de couches minces
I.2.1 Depot de couches metalliques par pulverisation cathodique
I.2.2 Depot chimique en phase vapeur assiste par plasma
I.2.3 Oxydation thermique en milieu humide
I.3 Creation de motifs sur une surface : la photolithographie
I.3.1 Preparation de la surface
I.3.2 La resine photosensible et l’enduction centrifuge
I.3.3 Cuisson de la r´esine photosensible apr`es enduction centrifuge
I.3.4 Alignement, insolation et d´eveloppement de la resine photosensible
I.3.5 Recuit de la resine apres insolation
I.3.6 Gravure selective par la presence du masque de resine
I.4 Assemblage de deux plaques : scellement par thermocompression

Extrait du mémoire étude analytique, conception et microfabrication de microphones capacitifs miniatures

Chapitre 1
Introduction
Le present travail de these porte sur l’etude et la microfabrication de microphones miniatures capacitifs dans des substrats de silicium monocristallin. Il a pour objectif de permettre a terme de degager des orientations technologiques en vue de leur fabrication.
L’objet de ce premier chapitre est de presenter le contexte de ces travaux en introduisant progressivement les diﬀerentes notions liees aux microphones capacitifs et a leur miniaturisation.
On comprend que ce domaine de recherche et d’application necessite de reunir les competences de communautes scientiﬁques et techniques tres diﬀerentes. C’est ainsi que ce premier chapitre a ete redige dans l’espoir d’aider tout lecteur a entrer dans l’intelligence du sujet sous toutes ses facettes ; de ce fait il paraˆıtra ici ou la, voire en totalite, elementaire en regard de ce que l’on attend du contenu d’un memoire de these. Pour cette raison, le reste du document est redige (esperons-le du moins) de sorte que les chapitres suivants (2 a 5) puissent etre lus sans avoir a prendre reellement connaissance de ce chapitre premier.
1.1 Le microphone, transducteur de pression acoustique
Une pression acoustique est deﬁnie dans un champ de pression homogene comme une perturbation de ce champ susceptible d’etre detectée et mesuree. Les microphones sont des dispositifs dont la fonction est de mesurer des pressions acoustiques en convertissant l’energie acoustique en une energie de nature diﬀerente (generalement electrique ou optique).
La partie d’un microphone sensible au champ acoustique est souvent un element mecanique mince, qui porte le nom de diaphragme ; son role est d’assurer un premier stade de transduction acousto-mecanique (conversion de l’energie acoustique en energie mecanique). C’est pourquoi les performances du microphone dépendent fortement des proprietes mecaniques du diaphragme.
Un second stade de transduction est ensuite requis aﬁn de pouvoir traiter les informations du champ acoustique a l’aide des instruments conventionnels de mesure, d’acquisition et d’analyse de signaux ; la transduction mecano-electrique (conversion de l’energie mecanique en energie electrique) est la plus couramment utilisee. Celle-ci peut etre realisee grace aux proprietes piezoresistives ou piezoelectriques de certains materiaux, a des phenomenes electrodynamiques ou plus couramment capacitifs, qui sont intrinsequement lies a l’architecture du microphone. Par
exemple, un microphone dont la transduction acousto-electrique est assuree par des elements piezoresistifs connectes au diaphragme est designe sous le nom de microphone piezoresistif.
La sensibilite en basses frequences (c’est a dire pour les frequences inferieures a la premiere resonance du syst`eme) et la bande passante a −3dB (l’etendue des frequences calculee a -3 dB par rapport au maximum de la sensibilite) sont les deux criteres primordiaux qui renseignent sur les performances acoustiques d’un microphone ; la dynamique du microphone (l’etendue des pressions acoustiques auxquelles la reponse en frequence du microphone est suﬃsamment lineaire) vient parfois completer ces criteres.
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