Conception et réalisation d’un micro-actionneur à forte amplitude de déflexion

Abstract

L’objectif de cette thèse est de concevoir et réaliser un microsystème à forte amplitude de déflexion. Grâce à cette étude, nous pouvons viser des applications biomédicales comme la lecture de braille et les micro-pompes pour l’injection des médicaments. Le point commun entre ces applications, c’est la largeur millimétrique des dispositifs visant à générer de fortes amplitudes de déflexions. Pour atteindre ces grandes déflexions, nous nous sommes tournés vers l’actionnement piézoélectrique. Parmi les différents matériaux piézoélectriques existant, notre choix s’est tourné vers le Zirconate Titanate de Plomb (PZT) car ce matériau présente les meilleurs coefficients piézoélectriques ainsi que d’excellentes propriétés diélectriques, ce qui fait de lui un matériau de choix pour l’actionnement des MEMS. Ainsi la première étape de ce travail a été de développer le matériau piézoélectrique PZT, ce dernier est déposé par voie sol-gel pour aboutir à deux orientations spécifiques PZT (100) et PZT (111). Où, l’orientation (100) est favorable pour des applications actionneurs (coefficients piézoélectriques élevés), alors que l’orientation (111) est favorable pour des applications ferroélectriques (propriétés ferroélectriques excellentes). Dans ce travail, nous avons réussi à développer un procédé sol-gel sur substrat de silicium permettant d’aboutir à ces deux orientations. Des caractérisations par diffraction des rayons X (XRD) sont menées pour identifier l’orientation du PZT. Des caractérisations par spectroscopie Raman viennent compléter ces résultats XRD et donner plus d’information sur l’aspect structurel et la composition en identifiant les modes de vibrations spécifiques au PZT. Des structures MIM (Metal-Insulator-Metal) sont réalisées nous permettant de faire tests ferroélectriques sur notre matériau PZT. Ces mesures nous ont permis d’extraire les valeurs de la capacité et de la permittivité à partir de la mesure d’impédance par un analyseur de réseau vectoriel. Ces réalisations et caractérisations ont permis de vérifier le caractère ferroélectrique de notre matériau piézoélectrique PZT. Grâce à ces résultats, nous avons entamé la réalisation des membranes piézoélectriques à base de PZT avec des designs optimisés sous Comsol Multiphysics®. Les membranes ont été testées et leur fonctionnement a été mis en évidence par la mesure de fréquence de résonance via une technique de démodulation FM en utilisant un montage à base d’amplificateur lock-in avec des déflexions notables de l’ordre d’une centaine de micron.