CONCEPTION ET MODELISATION D’UN ACCELEROMETRE MICROELECTRONIQUE TRIAXIAL

Abstract

Les microsystèmes (MEMS, Micro-Electro-Mechanical Systems) sont des composants miniaturisés réunissant des fonctions électroniques, mécaniques sur la même puce, permettant la réalisation de systèmes entiers sur une puce (System on Chip). En plus, cette intégration permettra de miniaturiser le système, d’améliorer ses performances, d'augmenter la sensibilité et de diminuer le bruit grâce à la réduction de la taille des composants. L’objectif de cette thèse est la conception, la modélisation et l’optimisation d’accéléromètres microélectronique monolithique CMOS uniaxial et triaxial en utilisant la technologie MEMS. Après un état de l’art sur la recherche bibliographie des MEMS, leurs applications et les différents types de transductions MEMS utilisés pour la mesure de l’accélération, nous avons retenu une technique compatible avec la technologie CMOS, c’est la transduction piézorésistive. Ceci a été fait pour des raisons de simplicité et de linéarité de la réponse. Dans le second chapitre, nous avons fait une étude théorique de la piézorésistivité avec une présentation des modèles de jauges piézorésistives en silicium monocristallin et en polycristallin. Dans le troisième chapitre, l’objectif a été la mesure de l’accélération verticale par la détection piézorésistive. Il s’agit de mesurer la déformation d’une micropoutre au bout duquel est fixée une masse, par les variations de résistances de jauges de contraintes logées à l’encastrement. Nous avons présenté une modélisation du microlevier "T-Shape" et établi les relations qui décrivent le comportement mécanique et électromécanique du microlevier dans les domaines statique et dynamique. Nous avons proposé un conditionneur électronique pour la transformation de la déformation de la structure causée par l’accélération en un signal électrique. Ce circuit est composé d’un pont de Wheatstone à deux jauges de contraintes. Une analyse par éléments finis sous ANSYS de la répartition des contraintes nous a permet d’étudier les sensibilités hors axes, de calculer et tracer les sensibilités électroniques. Le chapitre quatre expose la conception et la simulation d’un accéléromètre triaxial basé sur la technologie des MEMS avec une sensibilité uniforme. L'effet piézorésistif a été utilisé comme principe de détection du capteur. L'aspect le plus important de l'analyse par éléments finis sous ANSYS dans notre processus de conception est l'analyse de la répartition des contraintes dans les quatre micropoutres. L'analyse des contraintes a été effectuée afin de déterminer l’emplacement optimal des piézorésistances dopées sur ces micropoutres, de calculer la sensibilité et vérifier la linéarité. Enfin, le cinquième chapitre décrit les étapes technologiques essentielles à la fabrication des accéléromètres.