Opto-numerical analysis of AIN piezoelectric thin film operating as an actuation layer in MEMS cantilevers

L’objectif de ce memoire de these consiste a etudier et caracteriser les proprietes de couche mince piezoelectrique de nitrure d’aluminium (AIN) utilisees comme une couche d’actionnement de micropoutres multimorphes actionnees piezoelectriquement et a evaluer leurs performances micromecaniques. Ce travail a ete effectue en utilisant une methodologie hybride basee sur 1’interaction entre le modele physique et mathematique des objets etudies. Ces recherches ont ete faites dans le cadre d`une these de doctorat effectuee en cotutelle entre l`Universite de Franche-Comte et ‘Universite Technologique de Varsovie. Les deux laboratoires qui ont porte ce projet sont le Departement d'Optique P. M. Duffieux de l’nstitut FEMTO-ST et l’institut de Micromecanique et Photonique. Une methodologie hybride opto-numerique a ete proposee pour etudier des microstructures. Cette methodologie permet la caracterisation complexe de ces echantillons en identifiant les divergences entre leur modele physique et mathematique. Cette approche hybride, combinant les donnees experimentales obtenues par l’interferometrie optique et les techniques de nanoindentation avec les resultats de traitements numeriques et les equations analytiques, a ete appliquee pour etudier les micropoutres silicium ou un film mince piezoelectrique d’AlN a ete depose entre les deux electrodes metalliques. Grâce a ces interactions, les proprietes de films AIN ainsi que les comportements micromecaniques de transducteurs piezoelectriques et leur fiabilite ont ete determines. Nous avons bâti un modele physique de ces dispositifs multimorphes en utilisant la plateforme de metrologie basee sur l’interferometre de Twyman-Green, offrant les avantages de mesure non-destructive et la haute resolution de techniques optiques. Ainsi, nous avons obtenu des donnees caracterisant les comportements statiques et dynamiques de micropoutres AIN, ainsi que les differentes proprietes physiques des elements etudies. Enfin, quelques mesures de fiabilite de nos micro objets ont permis l’evaluation de l`impact de certains parametres geometriques et fonctionnels sur les comportements des echantillons et leur duree de vie. Le modele mathematique propose s’appuie a la fois sur l’utilisation d`equations analytiques et le calcul par la Methode des Elements Finis faisant appel au logiciel ANSYS. Ces calculs ont tenu compte de l’aspect multicouche des elements etudies. Ce travail de modelisation a permis d`identifier les parametres critiques de ces microactionneurs piezoelectriques a la fois du point de vue dimensionnel que materiel et de mieux comprendre leurs mecanismes de vieillissement. Par ailleurs, une etude de fiabilite a aussi ete realisee, en incluant des tests acceleres du vieillissement et de la fatigue, ainsi que une etude de la stabilite operationnelle. Les resultats obtenus nous ont permis de mieux cerner quels sont les parametres critiques de dommagement le plus probables de ces micro objets et estimer leur temps de vie. Enfin, l’approche opto-numerique proposee a permis d'identifier les etapes de fabrication critiques des micropoutres d’AlN afin d'optimiser leur fabrication. La methodologie hybride proposee au cours de la these de doctorat a etendu la capacite metrologique des techniques d’interferometrie laser. Elle permet de developper les methodes pour la caracterisation des microstructures, la determination de leur fiabilite et l’assistance de leur technologie dans la realisation des dispositifs fiables des parametres requis. L’application de cette methodologie a permis de bien comprendre les proprietes de films d`AlN aussi bien que les performances des micropoutres piezoelectriques. Cela peut effectuer en une augmentation de nombre des applications possibles de ces microstructures d’AlN, en ameliorant leur qualite et controle.