**Revue française de métrologie


n° 25, Vol. 2011-1, 17-29, DOI : 10.1051/rfm/2011002

Microcomposants électromécaniques pour la réalisation de références de tension en courant alternatif.

Micro-electromechanical components for alternating voltage reference.

 

Alexandre BOUNOUH1, François BLARD1,2, Henri CAMON2,3, Denis BELIERES1 et François ZIADE1

1 LNE, 29 Avenue Roger Hennequin, 78197 Trappes Cedex, France, alexandre.bounouh@lne.fr.
2 CNRS ; LAAS, 7 Avenue du Colonel Roche, 31077 Toulouse Cedex 4, France.
3 Université de Toulouse ; UPS, INSA, INP, ISAE ; LAAS ; 31077 Toulouse Cedex 4, France.

Résumé : Ce travail explore les potentialités des microsystèmes électromécaniques (MEMS) pour fabriquer des références de tension en courant alternatif (AC) au moyen du couplage électromécanique pour des applications en métrologie et en instrumentation miniaturisée. Des structures de test de référence de tension AC de 2 V à 100 V ont été conçues et fabriquées en utilisant un procédé de micro-usinage de surface de couche épitaxiale de silicium d’un substrat silicium sur isolant (SOI). Ce procédé permet un contrôle précis à la fois des dimensions du système et des propriétés du matériau. Les valeurs mesurées des références de tension MEMS sont en bon accord avec les simulations effectuées avec le logiciel Coventor. Ces structures de test ont également servi à développer l’électronique de commande et d’actionnement des MEMS et les bancs de mesure et de caractérisation. Une deuxième génération de microsystèmes avec des caractéristiques améliorées a ensuite été fabriquée. Les fréquences de résonance mécanique de ces nouveaux MEMS mesurées par DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) sont de quelques kilohertz. Cela permet d’envisager le développement de références de tension AC fonctionnant à partir de quelques dizaines de kilohertz. Enfin, la stabilité de la tension de référence MEMS, évaluée à 100 kHz, est très prometteuse puisque pour les meilleurs échantillons, l’écart relatif par rapport à la valeur moyenne présente un écart type de 6,3 × 10-6 sur près de 12 h.

Abstract: This work explores MEMS (Micro-ElectroMechanical Systems) potentialities to produce flexible AC voltage references through mechanical-electrical transduction that could be used for high precision electrical metrology and for applications in miniaturized instrumentation. AC voltage references ranging from 2 V to 90 V have been designed and fabricated using the same Epitaxial Silicon On Insulator (SOI) Surface Micromachining process that permits an accurate control of both dimensions and material properties. The measured MEMS AC voltage reference values have been found in a good agreement with the calculations performed with Coventor software. These test structures have been used to develop the read-out electronics to drive the MEMS and to design a second set of devices with improved characteristics. Deep Level Transient Spectroscopy measurements carried out on the new MEMS showed resonance frequencies of about a few kilohertz, which makes it possible to have AC voltage references working from about tens of kHz. Moreover, the stability of the MEMS out-put voltage at 100 kHz has been found very promising for the best samples where the relative deviation from the mean value over almost 12 h showed a standard deviation of 6.3 × 10-6, which is a very good result.

Mots clés : métrologie électrique, MEMS, référence de tension, SOI.

Key words: electrical metrology, MEMS design, voltage reference, SOI process.


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