Vers des micro-haut-parleurs à hautes performances électroacoustiques en technologie silicium

This research work presents the conception, the development, and the characterization of a silicon-based microspeaker for portable electronic device applications, such as tablets and cellular phones. The objective is to investigate the potential of microsystem technologies with the goal of improving the sound quality and the electroacoustic efficiency, which are two main drawbacks of the today’s microspeakers.By analyzing various parameters which influence the efficiency and the sound quality, we show that the monocrystalline silicon has very interesting mechanical properties which make it the proper choice to be deployed for the membrane as well as the suspension of the transducer.A stiffening structure is proposed to satisfy both the rigidity and the lightness of the membrane, for the sake of sound quality and high efficiency respectively. The magnets and the coil, which compose the electromagnetic motor of the device, are also optimized with the help of analytical and finite element models.Afterwards, the microfabrication of the MEMS microspeaker is studied step by step. It is indeed based on a SOI (silicon on insulator) substrate which makes possible the micromachining of the different parts and the assembly of bulk permanent magnets. The electroacoustic characterization of the MEMS microspeaker samples shows a very high sound quality. A sound pressure level of 80 dB at 10 cm is measured for an electrical power of 0.5 W. This classifies the MEMS microspeaker’s efficiency among that of today’s non-MEMS microspeakers.This work presents, moreover, the possibility of increasing even more the efficiency thanks to the MEMS technology.Ce mémoire présente la conception, la réalisation et la caractérisation d'un micro-haut-parleur en silicium destiné à des applications électroniques portables, telles que les tablettes et les téléphones cellulaires. L'objectif est d'évaluer le potentiel des microtechnologies pour améliorer la qualité sonore et le rendement électroacoustique, qui sont deux points faibles majeurs des micro-haut-parleurs actuels.En analysant les paramètres dont dépendent le rendement et la qualité sonore, nous montrons que le silicium monocristallin présente des propriétés particulièrement intéressantes pour réaliser la surface émissive et la suspension du transducteur. Une microstructure de la partie mobile est proposée pour satisfaire la double exigence d'une surface émissive très rigide, nécessaire à la qualité sonore, et d'une masse très faible, permettant d'augmenter le rendement. Les aimants et la bobine, qui constituent le moteur électrodynamique, sont également optimisés en utilisant conjointement des modèles analytiques et à éléments finis. La microfabrication du transducteur MEMS est étudiée, étape par étape. Elle repose sur l'utilisation d'un substrat SOI (silicium sur isolant), qui sert de base à la structuration des différents composants, et sur lequel sont rapportés des aimants massifs. La caractérisation électroacoustique des échantillons réalisés montre une très bonne qualité de reproduction sonore. Un niveau sonore de 80 dB à 10 cm est obtenu pour une puissance électrique de 0,5 W, ce qui place le rendement au niveau des micro-haut-parleurs du marché. Ces travaux montrent en outre que les technologies MEMS offrent des possibilités d'augmenter très largement le rendement