c. Les microphones MEMS capacitifs - solutions spéciales

Comme on peut le voir, la majorité des microphones MEMS capacitifs précédemment décrits possèdent, de façon générale :

• un diaphragme de géométries différentes parfois circulaire, carré ou ondulé, et généralement ancré entièrement sur les côtés ;

• une électrode fixe, positionnée dessus ou dessous le diaphragme, avec plus ou moins de trous acoustiques permettant le passage de l’air dans la cavité arrière ;

• une cavité arrière permettant l’évacuation de l’air situé dans le gap d’air entre l’électrode fixe et le diaphragme.

Certains concepteurs n’ont pas hésité de sortir un peu de ces sentiers battus en proposant de nouvelles configurations originales. Parmi ceux-ci, on peut parler des microphones à double électrodes fixes, des microphones sans cavité arrière et dont les trous acoustiques sont situés sur le diaphragme, des microphones possédant des diaphragmes aux conditions d’ancrage différentes.

En 1996, Bay et son équipe proposent l’idée d’un microphone MEMS capacitif utilisant deux diaphragmes [31]. Ils étudient théoriquement les performances d’un tel microphone et proposent un procédé de fabrication (non mis en œuvre). D’après eux, l’avantage principal est l’augmentation de la sensibilité. Trois ans après, en 1999, Bay et son équipe publient une nouvelle étude sur un microphone MEMS capacitif possédant deux électrodes fixes [32]. Ils s’aperçoivent alors que la sensibilité peut-être relativement plus élevée que les microphones conventionnels. Malgré une proposition d’un procédé de fabrication, Bay reste au stade théorique. Il faut attendre l’année d’après pour que Rombach et son équipe conçoivent et fabriquent le premier microphone MEMS capacitifs à double électrodes fixes [33]. Ils mettent au point un procédé de fabrication, détaillé dans [33], qui consiste en une succession de dépôts puis de gravures de couches sacrificielles. En effet, le dépôt d’une couche de nitrure de silicium et d’une couche de polysilicium dopé bore formeront l’électrode fixe « basse ». Puis une couche de dioxyde de silicium est déposée et sera utilisée comme couche sacrificielle entre l’électrode fixe « basse » et le diaphragme. Ensuite, le dépôt d’un empilement de couches de nitrure de silicium, de polysilicium (dopé bore) et de nitrure de silicium définira le diaphragme. Une seconde couche de dioxyde de silicium est déposée et jouera aussi le rôle de couche sacrificielle entre le diaphragme et l’électrode fixe « haute ». Cette électrode fixe « haute » est constituée alors d’une nouvelle couche de polysilicium dopé bore. Une fois toutes les couches nécessaires déposées, le substrat est gravé avec une solution de KOH, l’électrode fixe « basse » est ainsi formée. Enfin, les deux couches sacrificielles de SiO₂ sont gravées par de l’acide fluorhydrique tamponné. La structure du microphone est alors libérée (Figure 4.17). La sensibilité obtenue

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est de 13 mV/Pa pour une tension de polarisation de 1.5 V, et une bande de fréquence qui s’étend de 10 Hz à 20 kHz.

Figure 4.17. Microphone MEMS capacitif à double électrodes fixes [33].

Entre 2005 et 2008, on retrouve des travaux, publiés principalement par D.T. Martin et son équipe, sur un microphone MEMS capacitif à double électrode fixe pour des applications aéroacoustiques [34-37]. Ce microphone est fabriqué à partir du procédé SUMMIT V auquel sont ajoutées des étapes post-process. La Figure 4.18.b décrit l’évolution de ce procédé. La sensibilité obtenue est de 390 µV/Pa pour une bande de fréquence pouvant s’étendre de 300 Hz à 178 kHz. Les avantages apportés par une double électrode fixe sont une taille du microphone plus petite, une sensibilité plus élevée et une bande de fréquence plus large. Cependant, le procédé de fabrication d’un tel microphone peut être complexe.

Figure 4.18. a) Structure du microphone MEMS capacitif à double électrode, b) procédé de fabrication du microphone : 1) procédé SUMMIT V, 2) étapes post-process [36].

Diaphragme Electrode fixe « basse » Electrode fixe « haute » a) b) 1) 2)

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D’autres types de microphones MEMS capacitifs ont vu le jour, notamment des microphones avec des diaphragmes aux conditions d’ancrage différentes. Notamment, dans [38] où le diaphragme est ancré en son centre sur un ressort formé par l’intersection, en leur milieu, de deux ponts fixés au substrat (Figure 4.19). Ce microphone est fabriqué à partir du procédé nommé MOSBE (« MOlded Surface-micromachining and Bulk Etching release »), détaillé dans [39]. La sensibilité de ce microphone atteint 12.63 mV/Pa et possède une bande de fréquence de 60 Hz à 20 kHz.

Figure 4.19. Vue du dessus et du dessous du microphone MEMS capacitif dans [38].

Certains microphones ont leur diaphragme supporté par des poutres. C’est le cas de [40] (Figure 4.20) ou encore de [41] et [42]. Ceci permet de diminuer la rigidité du diaphragme et donc d’augmenter la sensibilité du microphone. L’inconvénient majeur de ce type de microphone est sa réponse en basse fréquence qui peut-être très faible, jusqu’à plusieurs centaines de hertz, à cause du court-circuit acoustique engendré par les ouvertures incontournables liées au fait que le diaphragme soit supporté par des poutres.

Figure 4.20. Microphone MEMS capacitif dont le diaphragme est supporté par des poutres [40].

On trouve aussi certains microphones MEMS capacitifs qui ne possèdent pas de cavité arrière et dont les trous acoustiques se situent sur le diaphragme afin de permettre à l’air du gap de s’échapper dans l’environnement ambiant. C’est le cas de [43-46]. Dans ce genre de microphone, les trous situés sur le diaphragme jouent un double rôle : évacuer l’air du gap, comme on l’a dit précédemment, afin de diminuer les effets d’amortissement dans ce gap d’air et d’égaliser la pression, mais ils servent aussi de trous de gravure, c’est-à-dire qu’ils permettent de graver la couche sacrificielle située entre l’électrode fixe et le diaphragme. Dans [43], une matrice de microphones est fabriquée à partir du procédé PolyMUMPS. Un microphone possède un diaphragme ondulé composé de deux couches de polysilicium (Poly1 et Poly2 du procédé PolyMUMPS) avec des perforations, 28 trous circulaires de 4 µm de diamètre, répartis équitablement sur la surface du diaphragme. Une couche de parylène-C (polymère) est déposée, à la fin du procédé, afin de contrôler la taille de ces trous et s’ajoute

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donc dans la composition du diaphragme. La couche sacrificielle de verre phosphosilicate est gravée, par l’intermédiaire des trous, avec un mélange de HF et de HCl. Le diaphragme du microphone est alors libéré (Figure 4.21). Le capteur MEMS est constitué de 64 microphones capacitifs, la bande de fréquence testée s’étend de 100 Hz à 40 kHz mais peut être étendue jusqu’à 400 kHz avec une interface électronique adaptée. Ce capteur est utilisé dans la mesure de couches limites turbulentes (domaine de la mécanique des fluides).

Figure 4.21. Microphone MEMS capacitif sans cavité arrière et avec des trous sur le diaphragme [43].

Une autre équipe a étudié plusieurs types de microphone qui n’ont pas de cavité arrière [44-46]. Certains diaphragmes possèdent seulement des trous [44], ou seulement des ouvertures sur les côtés [45], ou encore les deux à la fois [46] (Figure 4.22.a, b, c respectivement). Dans [45,46], les diaphragmes sont aussi portés par des poutres. Dans chaque cas, le procédé de fabrication repose sur des étapes de dépôts, de lithographie et de gravure et comporte trois à cinq masques. Dans [45,46], le diaphragme et l’électrode fixe sont en aluminium, qui est déposé par pulvérisation. Le diaphragme est libéré par la gravure d’une résine (AZ1500) qui joue le rôle de couche sacrificielle. Dans aucun des cas, la sensibilité en fonction de la fréquence n’a été présentée. Seule la sensibilité pour une pression et une fréquence inconnues a été mesurée dans [45,46], elle est de 1.125µV pour une tension de polarisation de 3V. La fréquence de résonance théorique du microphone devrait être aux alentours de 528 kHz [45]. De plus, comme précédemment, les trous et les ouvertures sur le diaphragme peuvent faire chuter la sensibilité en basse fréquence, mais aucune information n’est fournie à ce sujet par les auteurs.

Figure 4.22. Microphone MEMS capacitif avec un diaphragme possédant : a) des trous, b) des ouvertures sur les côtés, c) des trous et des ouvertures [44-46].

L’avantage majeur de tels microphones est leur procédé de fabrication. En effet, les microphones ne possédant pas de cavité arrière, il suffit, après que tous les matériaux nécessaires ont été déposés, de graver la couche sacrificielle pour libérer le diaphragme. Le masque de gravure, pour cette étape, est défini par le diaphragme perforé lui-même.

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