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Thèse Année : 2001

Design and realization of microresonators by UV-LIGA technology

ÉTUDE ET RÉALISATION DE MICRORÉSONATEURS EN TECHNIQUE LIGA-UV

Résumé

The goal of this study is the design of low frequency microresonators realised by the UV-LIGA technique. In the first part of this work we focused our attention on the characterisation of mechanical properties of the electroplated nickel used in this microfabrication technique. The eigenfrequencies of a clamped microbeam obtained by LIGA technique lead us to the estimation of the Young's modulus and the internal damping coefficient of the material used. The design of new microresonators was performed using an analytical model based on pure energetically method. Using this program several geometrical parameters have been deduced taking into account the typical design rules associated to the UV-LIGA technique performed at the LPMO. Some geometries have been refined with a finite element method. This 2-step approach reduces drastically the computation time. We have proposed an in-plane flexural mode microresonators for acoustic frequencies, which vibrates at 70 kHz. The excitation and detection were made with comb drives. We have obtained a good correlation between the frequencies predicted by the models and the experimental results. The quality factor Q obtained at atmospheric pressure is 63. Finally, we realized a RF capacitive microresonator, which vibrates at 6 MHz. The originality of this design is in its contour modes or Lamé-mode in a square plate. The 4 corners and the center of the plate are nodes of vibration. The excitation force of the device is capacitive but the vibration modes were detected with a heterodyne laser interferometer. The experimental results showed good agreement with the developed models. The experimental Q in air close to 1200 is significantly higher than conventional resonators. This kind of microresonators seems to be a good candidate to a full integrated oscillator.
Cette étude a pour but la conception de microrésonateurs basses fréquences réalisés par une technique de microfabrication collective : la LIGA-UV. Il est donc nécessaire dans un premier temps de connaître les propriétés mécaniques du matériau choisi pour la réalisation, à savoir le nickel obtenu par électroformage. On détermine donc le module de Young ainsi que l'amortissement interne du matériau grâce au plus simple des microrésonateurs à savoir une micropoutre encastrée-libre. La démarche suivie lors de la phase de conception de ces microrésonateurs est la suivante : tout d'abord développer un modèle analytique qui permet de déterminer le maximum de paramètres géométriques. Ensuite, l'utilisation d'un modèle éléments finis, qui prend en compte plus de paramètres, permet d'affiner la géométrie grâce à des conditions aux limites proches de la réalité et de simuler le fonctionnement du microsystème. Ainsi, cette démarche a été suivie par la réalisation et la caractérisation de microrésonateurs en nickel à mode de flexion dans le plan qui vibrent à 70 kHz. L'excitation et la détection se font par le biais de peignes interdigités. Les fréquences expérimentales sont confrontées aux résultats des simulations avec une corrélation très satisfaisante. Enfin, un prototype de microrésonateur qui vibre à 6 MHz et dont l'originalité réside dans son mode de contour ou mode de Lamé a été réalisé. La vibration qui a lieu dans le plan a ses nœuds aux quatre coins et au centre de la plaque. L'excitation du microrésonateur se fait de manière électrostatique, quant à la détection elle se fait par l'intermédiaire d'un interféromètre laser hétérodyne. Les résultats ont montré un coefficient de qualité Q d'environ 1200 à l'air. Ce type de microrésonateur est le candidat idéal pour la réalisation d'un oscillateur intégré sous vide qui entraînerait une nette amélioration de ses performances mécaniques.
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Dates et versions

tel-00009998 , version 1 (29-08-2005)

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  • HAL Id : tel-00009998 , version 1

Citer

Hicham Majjad. ÉTUDE ET RÉALISATION DE MICRORÉSONATEURS EN TECHNIQUE LIGA-UV. Mécanique [physics.med-ph]. Université de Franche-Comté, 2001. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00009998⟩

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