Transduction and Fabrication Study of a 3-axis Piezoelectric GaAs Microgyroscope

Un microgyromètre 3 axes permet avec une structure unique de mesurer la vitesse de rotation d’un objet autour des trois axes de l’espace. Les micro-gyromètres 3 axes existants sont peu nombreux et typiquement résonants, fabriqués en technologie silicium par micro-usinage de surface, à transductions électro-statiques, et conçus pour des applications de fort volume ou la taille et le coût sont des critères majeurs. Dans cette thèse nous avons étudié la transduction et le procédé de fabrication d’un gyromètre résonant 3 axes à actionnement et détection piézoélectriques, fabriqué par micro-usinage de volume dans du GaAs semi-isolant, et dont les performances sont potentiellement très supérieures à l’état de l’art tout en conservant une taille et un coût limité. Ce microgyromètre nécessite une transduction piézoélectrique 3D et un routage des connexions électriques qui ont été modélisés et optimisés pour réduire les couplages parasites entre les modes de détection et le mode pilote. Un procédé original de fabrication collective du microgyromètre a été développé, modélisé et caractérisé. Ce procédé utilise notamment une gravure ionique réactive très profonde et traversante du GaAs dans un plasma BCl3-Cl2. Il est démontré pour la première fois qu’une gravure anisotrope traversante de tranchées de 450 μm de profondeur peut être réalisée grâce à une optimisation des paramètres de gravure et à l’utilisation d’un masque en résine. Un procédé original de dépôt et de délimitation d’électrodes Au/Cr sur les flancs verticaux d’une structure gravée par évaporation sous incidence oblique avec rotation du substrat et à travers un masque pochoir en film sec photosensible a aussi été étudié en détail. Une caractérisation fine de la structure cristalline, de la résistivité et des contraintes mécaniques avant, pendant et après recuit des couches Au/Cr poreuses évaporées sous incidence oblique a été menée. Des micro-gyromètres complets avec tout le système de transduction 3D ont été réalisés. Des premières caractérisations par vibrométrie optique hors du plan et dans le plan des gyromètres réalisés démontrent des résultats encourageants. Enfin, différentes voies d’amélioration de la conception et du procédé sont proposées.A 3 axis gyroscope allows, with a single mechanical structure, the measurement of rotation rates of an object around 3 perpendicular spatial axes. Existing 3 axis microgyroscopes are scarce and typically resonating, made in silicon technology by surface micromachining, use electrostatic transductions and are designed for high volume applications where size and cost are major characteristics. In this thesis we investigated the transduction and fabrication process of a resonating 3 axis microgyroscope having piezoelectric actuation and detection, made in semi-insulating GaAs by bulk micromachining, and with performances potentially much higher than state of the art while limiting the size and cost. This microgyroscope requires a 3D piezoelectric transduction and circuitry which were modelled and optimized to reduce cross-talks effects. An original batch fabrication process was developed, modelled and characterized. This process notably makes use of very deep through wafer reactive ion etching of GaAs in a BCl3-Cl2 plasma. It is demonstrated for the first time that a through wafer highly anisotropic etching of 450 μm deep trenches can be realized owing to etching parameters optimization and the use of a resist masking layer. An original deposition and patterning process of Au/Cr electrodes on the vertical walls of an etched structure by oblique evaporation on rotated substrate through a dry film shadow mask has also been investigated in details. A fine characterization of the crystallographic structure, resistivity and mechanical stress before, during and after annealing of Au/Cr films evaporated under oblique incidence has been performed. Full microgyroscopes with the whole 3D tranduction system were realized. Preliminary characterizations of realized gyroscopes by out-of-plane and in-plane optical vibrometry demonstrated promising results. Finally, different ways to improve the design and fabrication process are proposed