Electrostatic actuated mems for precision AC voltage references
The purpose of this paper is to present results on the design of electrostatic actuated micro- electromechanical systems (MEMS) aiming at developing AC voltage references through mechanical-electrical transduction for electrical metrology and more generally for miniaturized instrumentation. Several test MEMS architectures (targeted AC voltages from 10 V up to 100 V) for the vertical motion have been designed and are under fabrication by an epitaxial silicon on insulator (SOI) surface micromachining process with the aim to investigate the potentialities of the different structures with respect to the geometrical dispersion, the strain sensitivity and the electrical stability.
Conception et réalisation de références de tensions alternatives à base de MEMS
Les systemes microelectromecaniques (MEMS) sont d'excellents candidats pour la metrologie electrique. En effet, grâce au couplage electromecanique dans les MEMS, il est possible de realiser des references secondaires de tension continue (DC) ou alternative (AC) ayant des valeurs de quelques volts a quelques centaines de volts avec des stabilites relatives pouvant atteindre quelques 10-7. Celles-ci peuvent alors etre une alternative aux actuelles references Zener dans le cas de la tension continue, et constitueront une premiere pour la tension alternative puisque aucune reference n'existe hormis celle basee sur l'effet Josephson. Ce travail de these a ete dedie au developpement et a la fabrication de plusieurs generations de structures MEMS a capacite electrique variable dans lesquelles on exploite le phenomene du pull-in pour realiser des references de tension AC. Le design des echantillons, base sur des architectures specifiques correspondant a differents modes de deplacement de l'electrode mobile, est realise grâce a des modelisations sous ConventorWare. On distingue des structures a debattement vertical favorisant un deplacement en mode piston de la membrane mobile et des structures a peignes interdigites a deplacement dans le plan. Ces differentes structures ont ete fabriquees a partir d'un procede technologique industriel MPW (Multi-project Wafer) de la societe Tronic's, base sur un substrat SOI (Silicon On Insulator). En parallele, un procede technologique dedie a ete mis au point pour s'adapter aux exigences particulieres de nos applications. Les references de tension AC ainsi developpees presentent des tensions de pull-in variant de 2 V a 100 V avec des frequences de resonance mecanique mesurees par DLTS (Deep Level Transient Spectroscopy) de seulement quelques kilohertz. Ce dernier resultat permet donc d'envisager l'utilisation de ces references de tension AC sur une large gamme de frequence, de quelques dizaines de kilohertz jusqu'a quelques Megahertz. Nous avons egalement developpe une electronique de commande specifiquement adaptee aux caracteristiques de nos MEMS et integrant une regulation de la temperature au mK pres. La stabilite de la tension des MEMS a ete mesuree sur plus de 150 heures avec une fluctuation inferieure au millionieme a 50 kHz et 100 kHz. Les essais a plusieurs centaines de kHz sont egalement tres prometteurs. La dependance en temperature est dix fois plus petite que celle rapportee anterieurement, permettant ainsi de s'affranchir de plateformes de stabilisation thermique sophistiquees.
Linking electrical with mechanical quantities through electro-mechanical resonance
The possibility of an electro-mechanical harmonic oscillator obtained by coupling two linear capacitive voltage-force transducers with a common floating mass is shown. Approaching a constant-charge operation, the system yields a very-low-frequency ac voltage related to mass through capacitance, length and frequency. A possible use in the determination of the Josephson constant or the Planck constant is also outlined.