Microcapteur de hautes fréquences pour des mesures en aéroacoustique

ISBN : 978-2-11-129173-7Aero-acoustics, a branch of acoustics which studies noise generation via either turbulent fluid motion or aerodynamic forces interacting with surfaces, is a growing area and has received fresh emphasis due to advances in air, ground and space transportation. Microphones with a bandwidth of several hundreds of kHz and a dynamic range covering 40Pa to 4kPa are needed for aero-acoustic measurements. In this thesis, two metal-induced-lateral-crystallized (MILC) polycrystalline silicon (poly-Si) based piezoresistive type MEMS microphones are designed and fabricated using surface micromachining and bulk micromachining techniques, respectively. These microphones are calibrated using an electrical spark generated shockwave (N-wave) source. For the surface micromachined sample, the measured static sensitivity is 0.4μV/V/Pa, dynamic sensitivity is 0.033μV/V/Pa and the frequency range starts from 100kHz with a first mode resonant frequency of 400kHz. For the bulk micromachined sample, the measured static sensitivity is 0.28μV/V/Pa, dynamic sensitivity is 0.33μV/V/Pa and the frequency range starts from 6kHz with a first mode resonant frequency of 715kHz.L'aéroacoustique est une filière de l'acoustique qui étudie la génération de bruit par un mouvement fluidique turbulent ou par les forces aérodynamiques qui interagissent avec les surfaces. Ce secteur en pleine croissance a attiré des intérêts récents en raison de l'évolution de la transportation aérienne, terrestre et spatiale. Alors que les tests sur un objet réel sont possibles, leur implantation est généralement compliquée et les résultats sont facilement corrompus par le bruit ambiant. Par conséquent, les tests plus strictement contrôlés au laboratoire utilisant les modèles de dimensions réduites sont préférables. Toutefois, lorsque les dimensions sont réduites par un facteur de M, l'amplitude et la bande passante des ondes acoustiques correspondantes se multiplient respectivement par 10logM en décibels et par M. Les microphones avec une bande passante de plusieurs centaines de kHz et une plage dynamique couvrant de 40Pa à 4 kPa sont ainsi nécessaires pour les mesures aéroacoustiques. Les microphones MEMS ont été étudiés depuis plus de vingt ans, et plus récemment, l'industrie des semiconducteurs se concentre de plus en plus sur ce domaine. Par rapport à tous les autres principes de fonctionnement, grâce à la miniaturisation, les microphones de type piézorésistif peuvent atteindre une bande passante plus élevée et ils sont ainsi bien adaptés pour les mesures aéroacoustiques. Dans cette thèse, deux microphones MEMS de type piézorésistif à base de silicium polycristallin (poly-Si) latéralement cristallisé par l'induction métallique (MILC) sont conçus et fabriqués en utilisant respectivement les techniques de microfabrication de surface et de volume. Ces microphones sont calibrés à l'aide d'une source d'onde de choc (N-wave) générée par une étincelle électrique. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de surface, la sensibilité statique mesurée est de 0.4 μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est de 0.033 μV/V/Pa et la plage fréquentielle commence à 100 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 400 kHz. Pour l'échantillon fabriqué par le micro-usinage de volume, la sensibilité statique mesurée est de 0.28 μV/V/Pa, la sensibilité dynamique est de 0.33 μV/V/Pa et la plage fréquentielle commence à 6 kHz avec une fréquence du premier mode de résonance à 715 kHz