Modeling, fabrication and characterization of resonant piezoelectric nano mechanical systems for high resolution chemical sensors

Micro-poutres résonantes à base de films minces de nitrure d’aluminium piézoélectriques, application aux capteurs de gaz gravimétriques Les MEMS et NEMS résonants sont d'excellents candidats pour la réalisation de systèmes de détection de gaz haute résolution et faible couts ayant des applications dans les domaines de la sécurité, la défense, l'environnement et la santé. Cependant, la question du choix des techniques de transduction est toujours largement débattue. La transduction piézoélectrique pourrait être avantageusement exploitée mais elle est encore peu connue à l'échelle nanométrique. L'objectif de cette thèse est donc de progresser vers la réalisation de capteur de gaz à haute résolution à l'aide résonateurs à base de micro / nano poutres piézoélectriques en couvrant la chaîne de prototypage complète depuis les techniques de dépôt des matériaux jusqu'à l'expérience de preuve de principe de mesure de gaz. Pour cela, notre première contribution concerne la modélisation analytique des performances et l'optimisation, design et système, d'un capteur de gaz à base de poutres résonantes piézoélectriques. En particulier, nous démontrons que la diminution de l'épaisseur du film piézoélectrique actif sous la barre des 100 nm permet d'atteindre les meilleures performances. La deuxième contribution concerne la fabrication, la caractérisation et la démonstration des performances capteur de poutres résonantes de 80 μm de long exploitant un film piézoélectrique en AlN de 50 nm d'épais. Ainsi nous avons démontré expérimentalement la stabilité fréquentielle exceptionnelle de ces dispositifs atteignant des déviations standard de l'ordre de 〖10〗^(-8), au niveau de l’état de l'art. Ainsi, ils permettent la détection de vapeurs Di -Methyl -méthyl- phosphonates, un simulateur de gaz sarin, avec des concentrations aussi faibles que 10 ppb. Bien que le niveau d'intégration de notre système de détection ne soit pas suffisant, ces résultats prouvent le fort potentiel de ces résonateurs cantilever piézoélectriques pour un développement industriel futur.