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ﺍﳉﻤﻬﻮﺭﻳﺔ ﺍﳉﺰﺍﺋﺮﻳﺔ ﺍﻟﺪﳝﻘﺮﺍﻃﻴﺔ ﺍﻟﺸﻌﺒﻴﺔ REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPU

ﺍﳉﻤﻬﻮﺭﻳﺔ ﺍﳉﺰﺍﺋﺮﻳﺔ ﺍﻟﺪﳝﻘﺮﺍﻃﻴﺔ ﺍﻟﺸﻌﺒﻴﺔ REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE ﻭﺯﺍﺭﺓ ﺍﻟﺘﻌﻠﻴﻢ ﺍﻟﻌﺎﱄ ﻭﺍﻟﺒﺤﺚ ﺍﻟﻌﻠﻤﻲ MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE ﺟﺎﻣﻌﺔ ﳏﻤﺪ ﺑﻮﺿﻴﺎﻑ- ﺍﳌﺴﻴﻠﺔ UNIVERSITE MOHAMED BOUDIAF - M’SILA ﻛﻠﻴﺔ ﺍﻟﺘﻜﻨﻮﻟﻮﺟﻴﺎ FACULTE DE TECHNOLOGIE ﻗﺴﻢ ﺍﻹﻟﻜﺘــــﺮﻭﻧﻴﻚ DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE MEMOIRE DE MASTER DOMAINE : SCIENCES ET TECHNOLOGIE FILIERE : ELECTRONIQUE OPTION : INSTRUMENTATION ET MAINTENANCE INDUSTRIEL THEME Proposé et dirigé par : Réalisé par :  MR.SAADA KHALKHAL FAYCEL LAOUF ISLAM N° D’ordre: 2016/IMI09 /89/385 PROMOTION: JUIN 2016 Etude et simulation d’un capteur de pression capacitif Remerciements Avant tout, je remercie ଲle tout puissant, Pour m’avoir assisté et armé de patience afin d’accomplir ce modeste travail. Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au département d’électronique De M'sila sous la direction de du Mr laadjal. Qu’il me soit permis de lui exprimer mes meilleurs sentiments de gratitude pour le soutien constant qu’il m’a apporté tout au long de mon travail et pour tous les principes qu’il n’a cessé de me transmettre, la rigueur scientifique, L’objectivité et sa confiance qu’il m’a témoignée tout au long de ces années Ainsi que ses conseils précieux. Je remercie infiniment mon encadreur pour son attention, ces conseille et ça précieuse aide. Mr. saada khalkhal faycel Mes sincères remerciements vont également aux membres de jury qui m’ont fait honneur de participer à l’examen de ce travail. Je remercie mes enseignants de départements ciences de technologie de M'sila pour leurs efforts voués à nous transmettre le savoir, en particulier ceux du département d’electronique et IMI. Je tiens à exprimer ma très grande gratitude, et ma profonde affection à mes chers parents pour leurs encouragements, leur patience et leur grand soutien, Durant toutes ces années d’études. Sans oublier mes frères Et mes sœurs pour leurs encouragements, et leurs aides. Je remercie également tous mes amis et camarades, Pour leurs encouragements Et leur précieux soutien. Dédicaces A mon cher père, ABdrazzak A ma chère mère,noura A mes grands-parents A mes frères nidhal, rabeh Et mes sœurs samah,soundous , A ma tente samah et son mari mounir, Et leur filles nasrin et malek A mes amis, Hamad, sohayb, Abdou, hamza, samir, bilel,djalol.wa Sommaire Introduction Générale 1 Chapitre I caractéristiques métrologique des capteurs I.1. Introduction 4 I.2. Généralités et définitions 4 I.2.1. Mesurande 4 I.2.2. Capteur 4 I.2.3. Chaîne de mesure 5 I.3. Types de grandeur physique 6 I.4. Etalonnage des capteurs 7 I.5. Classification des capteurs 7 I.5.1. Capteurs passifs 7 I.5.2. Capteurs actifs 8 I.6. Caractéristiques d’un capteur : définition métrologique 8 I.6.1. Etendue de la mesure 8 I.6.2. Seuil . 9 I.6.3. Hystérésis . 9 I.6.4. Résolution . 10 I.6.5. Caractéristique d’entrée-sortie d’un capteur . 10 I.6.6. Sensibilité . 10 I.6.7. Finesse . 10 I.6.8. Linéarité . 11 I.6.9. Rapidité . 11 I.6.10. Temps de réponse . 12 I.7. Caractéristiques statistiques d’un capteur . 12 I.7.1. Fidélité . 12 Sommaire I.7.2. Justesse . 12 I.7.3. Précision . 13 I.7.4. Incertitude . 13 I.8. Différents types des capteurs . 13 I.8.1. Capteurs de pression . 13 I.8.2. Capteurs d’accélération . 13 I.8.3. Capteurs d’humidité . 14 I.8.4. Capteurs de position . 14 I.8.5. Capteurs de température . 14 I.9. Méthodes de détection . 14 I.9.1. Détection résistive . 14 I.9.2. Détection capacitive . 15 I.9.3. Détection inductive . 15 I.9.4. Détection piézoélectrique . 15 I.9.5. Détection piézorésistive . 15 I.10.Conclusion. 16 Chapitre II le capteur de pression capacitive II.1. Introduction . 18 II.2. Description d’un capteur de pression . 18 II.3. Evolution des principes de détection . 19 II.4. Capteur de pression piezoresistif . 20 II.4.1. Structure d’un capteur de pression piézorésistif. 20 II.4.2. Théorie de la piézorésistivité . 21 II.5. Capteur de pression capacitif. 22 II.5.1. Avantage des capteurs de pression capacitive . 22 II.5.2. Etat de l’art des capteurs de pression capacitif. 22 Sommaire II.5.3. Principe des capteur de pression capacitif. 24 II.6. Propriétés mécaniques du silicium. 25 II.6.1. Tenseur des contraintes . 25 II.6.2. Tenseur des déformations . 26 II.6.3. Tenseurs d'élasticité - loi de Hooke . 26 II.6.4. Principe de fonctionnement. 27 II.7. Modélisation de la réponse en pression . 28 II.7.1. Calcul de la capacité . 28 II.8.Conclusion . 31 Chapitre III technologies et fabrication III.1. Introduction . 33 III.2. Les Structure de type MEMS . 33 III.3. la miniaturisation. 34 III.4. Les capteurs MEMS. 34 III.5. Les principes physiques du microsystème . 35 III.6. Les principaux procèdé de fabrication. 36 III.6.1. L’oxydation . 36 III.6.2 Le dépôt. 36 III.6.3 La lithographie . 37 III.6.4. La gravure . 38 III.7. Réalisation des membranes pour capteur de pression . 39 III.8. Le micro usinage en volume . 40 III.8.1. Le micro-usinage en volume face avant . 40 III.8.2. Le micro-usinage en volume face arrière. 41 III.9.Conclusion. 42 Sommaire Chapitre IV Simulation d’un capteur de pression capacitif par COMSOL IV.1. Introduction 44 IV.2. Les éléments finis 44 IV.2 .1. Principe de la méthode 44 IV.2.2. Etapes de base de la méthode des éléments finis 44 IV.3. Présentation du logiciel COMSOL 45 IV.3.1. L’interface de COMSOL 45 IV.3.2. Modélisation à l’aide de l’interface graphique 46 IV.3.3. Dessin de la Géométrie 46 IV.3.4. Modélisation de la physique et des équations 47 IV.4.Variable et expression 47 IV.4.1.Expression des Variables 48 IV.4.2. Chois des matériaux 48 IV.4.3. Introduction des conditions aux limites 48 IV.5. Création de maille ou maillage 49 IV.6. Résolution du problème 50 IV.6.1. Sélection du type d'analyse 51 IV.6.2.Progression de la résolution 51 IV.7.Simulation d’un capteur de pression capacitif 52 IV.7.1. Structure simulée 52 IV.7.2.Choix du matériau de la membrane 53 IV.8.Influence des paramètres géométriques 54 IV.8.1.Influence de l’épaisseur du diélectrique 54 IV.8.2.Influence sur le déplacement 55 IV.8.3.Influence de l’épaisseur de la membrane 57 IV.8.4.Influence de la température 58 IV.8.5.Influence de la nature du diélectrique 59 Sommaire IV.9.Conclusion 60 Conclusion Générale 62 Liste des références 63 Liste des figures Liste des tableaux Introduction Générale Introduction Générale 1 Introduction Générale Parmi les capteurs les plus courants (température, pression et accélération), les capteurs de pression connaissent, depuis les années 80 un essor de plus en plus important. Ils représentaient déjà, en 1989 un chiffre d'affaires de 750 millions de dollars avec une progression de 20 % par an. Cet essor s’est surtout ressenti depuis le développement des capteurs miniatures sur silicium, c’est- à-dire depuis l’utilisation des techniques issues de la micro-électronique[1]. Cette nouvelle filière a inévitablement favorisé un élargissement considérable de leurs domaines d’applications et par suite, a introduit de nouvelles motivations au niveau de leurs cahiers des charges aussi bien économiques que techniques. La pression est un paramètre important dans de nombreuses disciplines comme la thermodynamique, l’aérodynamique, l’acoustique, la mécanique des fluides, la biophysique, etc. Aussi, les capteurs de pression se retrouvent dans de nombreux domaines comme étant le premier maillon d’un système de perception, de contrôle ou de mesure. Dans les années 1990, l'avènement des technologies dites collectives, associé au traitement du silicium, a permis des réductions du coût de fabrication permettant ainsi une « démocratisation » de ces nouveaux produits (microélectronique)[2]. De plus, les qualités mécaniques du silicium et l’usinage collectif relativement simple, qu’il soit chimique (KOH ...) ou physique (gravure plasma, micro-forage), rendent aujourd'hui possible l'industrialisation de certaines microstructures tels que les microcapteurs et microsystèmes visant les marchés de grand volume et de faible coût [3]. La dualité faible taille et faible coût peut permettre de répondre à de nouveaux besoins dans plusieurs domaines notamment la médecine, l'automobile, l'industrie etc. Aujourd'hui, il est clairement établi que les technologies de miniaturisation apportent des avantages incontestables en terme de coût (fort volume), fiabilité (tenue aux chocs, bonne reproductibilité des processus industriels) et possibilité d'intégration (faible taille, excellente compatibilité avec les systèmes microélectroniques usuels). Malgré l’évolution croissante du domaine des micros capteurs, des microsystèmes et l’avènement des capteurs intelligents « smart sensor », l’étude et la modélisation élémentaire de capteurs de pression restent toujours d’actualité, puisqu’ils sont et resteront toujours l’élément de base de la conception de tout microsystème. C’est pourquoi de nombreux travaux sont en cours afin de les optimiser et d’améliorer leurs performances [2]. Introduction Générale 2 L’objectif de ce mémoire est l’étude et la simulation d’un capteur de pression capacitif à membrane au silicium. Dans le premier chapitre, nous dresserons un état de l’art sur les capteurs : classification des capteurs, caractéristiques métrologiques des capteurs et les différents types de capteurs. Le deuxième chapitre, donne un aperçu général sur les capteurs de pression capacitif et piézorésistif au silicium. Dans le troisième chapitre, nous nous intéresserons aux techniques de fabrication des micros capteurs à partir des procédés de fabrication utilisés dans la microélectronique. Dans le quatrième chapitre nous présenterons nos résultats de simulation. L’outil de simulation utilisé est le logiciel COMSOL Multi physiques, que nous décrivons dans ce chapitre. A partir du modèle établi sous COMSOL, nous déterminons la déflexion de la membrane au silicium de forme carré, et la réponse capacitive à la pression en étudiant l’influence des paramètres géométriques. Chapitre I caractéristiques métrologique des capteurs Chapitre I caractéristiques métrologique des capteurs 4 I.1. Introduction [4] Dans ce chapitre le principe uploads/Geographie/ etude-et-simulation-d-x27-un-capteur-de-pression-capacitif.pdf