Capteur tactile réalisé par micro-usinage en volume

Lors d’essais effectués sur diverses structures de test réalisées par micro-usinage en volume, nous nous sommes rendus compte qu’il était possible de mesurer très facilement les déformations mécaniques imposées à des micropoutres ou à des microponts en utilisant l’effet piezorésistif par l’intermédiaire de jauges de contraintes en polysilicium.

La Figure 20 illustre les mesures qui ont été effectuées sur des micropoutres piezorésistives réalisées à des fins de tests. Afin de mesurer la variation de résistance électrique de la jauge de contraintes en fonction de la déflexion de la microstructure, il faudrait idéalement utiliser un appareillage de type "nano-indententeur" permettant d'imposer un déplacement ou une force connue à cette dernière. Malheureusement nous ne possédons pas ce matériel à l'heure actuelle, ce qui nous a restreint à effectuer des tests qualitatifs en utilisant une simple pointe de test électrique.

La Figure 20 (b) montre le type de mesure qu'il a été possible d'obtenir. Ce graphique montre l'évolution de la variation de résistance électrique de la jauge sur une période de 10 secondes durant laquelle nous avons appliqué un déplacement au bout de la micropoutre en abaissant puis en relevant la pointe de test électrique. Les mesures ont été ici grandement simplifiées en utilisant un testeur de composants de type HP4155 qui est visible sur la Figure 20 (d).

Les mesures ainsi effectuées ont montré qu'il était possible d'obtenir au sein des jauges de contraintes des variations de résistance électrique de l'ordre de 16 % sans briser les microstructures. Des lors, nous avons eu l’idée d’exploiter ce phénomène dans le cadre d'une application originale en réalisant un capteur d’empreintes digitales tactile. Je tiens ici à préciser que l’idée originale émane de M. Benoît Charlot qui a été mon co-directeur de thèse.

Tous les prototypes présentés dans ce mémoire de thèse ont été réalisés sur la base de circuits CMOS 0,6 µm provenant du fondeur autrichien AMS (Austria Micro Systems [1]), les microstructures étant quand à elles obtenues par micro-usinage par la face avant (gravure post-process au TMAH). La

technologie CMOS utilisée est une technologie mixte à trois niveaux métalliques permettant de réaliser facilement au sein d'une même puce des circuits aussi bien numériques qu'analogiques. Ceci est rendu réalisable grâce à la possibilité d'intégrer des composants passifs tels que des capacités ou des résistances de forte valeur. De plus cette technologie est relativement bon marché et très facilement disponible par le biais du service de prototypage CMP (Circuits Multi-Projet [2]).

F Testeur de composants HP4145 Substr at CMOS

Couches issues du process CMOS

Pointe de test asservie à une vis micrométrique 0 2 4 6 8 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Temps (s) V a riation relativ e de résistance électr ique (%)

Fapp = 0 Fapp = 0 Fapp = 0

(a) (b)

(c) (d) Figure 20 : Mesure qualitative de la variation de résistance électrique de la jauge de contraintes en fonction des

sollicitations mécaniques imposées à la micropoutre. Schéma expliquant le protocole de test (a), variation de la résistance électrique de la jauge dans le temps suivant les contraintes mécaniques imposées (b), photographie

MEB des structures de test utilisées (c), banc de test utilisé (d),.

III.2.1 Principe de fonctionnement du capteur

Le capteur tactile que nous nous proposons de réaliser adoptera une géométrie en ligne afin de minimiser la taille de la puce et donc son prix de fabrication. La surface active du capteur sera idéalement constituée d'une unique rangée de microstructures pouvant être soit des micropoutres, soit des microponts. En fait, les deux prototypes réalisés dans le cadre de ce travail de thèse comportent trois rangées de pixels sans qu'il fût pour autant nécessaire d'augmenter la taille globale de la puce. En effet, nous disposons dans le sens de la largeur de plus de place que nécessaire vu qu'il n'est pas possible de scier des puces ayant une taille inférieure à 1,5 mm au risque de les briser. Notons que la présence de plusieurs lignes de pixels sera mise à profit afin de minimiser les conséquences des éventuelles ruptures mécaniques des microstructures grâce au principe de redondance.

Comme nous allons le voir dans la suite de cet exposé, nous allons utiliser favorablement des micropoutres comme éléments sensibles, ces dernières présentant une plus grande sensibilité mécanique et une robustesse accrue par rapport aux microponts. La Figure 21 montre une vue schématique tridimensionnelle du capteur. Notez que cette figure montre que l'électronique de

traitement est placée à l'une des extrémités de la puce avec les plots de connexion électrique afin de faciliter le bonding ainsi que la mise en boîtier du système.

Electronique de_traitement Substr at CMOS Plots de connexion Rangée de micropoutre piezorésistives Cavité micro-usinée Electronique de balayage Jauge piezorésistive en polysilicium

Figure 21 : Vue schématique tridimensionnelle du capteur à microstructures piezorésistives.

Le principe de fonctionnement du capteur peut être décrit comme il suit. Ce capteur adoptant une géométrie en ligne, l'utilisateur doit passer son doigt à la surface du capteur suivant un mouvement de translation. Durant le passage du doigt, les reliefs qui composent l'empreinte digitale, induisent des contraintes mécaniques au sein des microstructures et par conséquent des variations de résistance électrique au niveau des jauges piezorésistives. En utilisant l'électronique intégrée, la rangée de microstructures est alors balayée, le signal issu des jauges de contraintes est amplifié, filtré, numérisé et mis à disposition par le biais d'une interface parallèle. La Figure 22 illustre le principe de fonctionnement du capteur.

Amplifier

Vin Vout

Vin ^ADC

L'utilisateur passe son doigt à la surface du capteur

Balayage des microstructures

Mesure de ∆R au niveau des jauges

Amplificateur et filtrage Conversion numérique Vout Ib

Figure 22 : Principe de fonctionnement du capteur à microstructures piezorésistives.

III.2.2 Cahier des charges

L'objectif que nous nous sommes fixés est de réaliser un capteur dont la surface active est composée de une ou plusieurs rangées de 256 pixels ayant un pas de 50 µm. Ceci permettra d'obtenir des images ayant une largeur de 1,28 cm avec une résolution de 508 dpi nous donnant ainsi la possibilité de procéder à l'identification de l'utilisateur dans de bonnes conditions. L'électronique intégrée au sein du capteur se composera de l'électronique de balayage des rangées de pixels ainsi que de l'électronique analogique/mixte permettant le traitement du signal issu des microstructures. Une fois le signal analogique traité (amplification, filtrage), ce dernier sera numérisé sur 8 bits de façon à ce que l'image obtenue en sortie du capteur ait une profondeur de 256 niveaux de gris.

Notons que nous comptons intégrer au sein du capteur (cas du second prototype réalisé) des fonctions d'autotest permettant de tester mécaniquement l'ensemble des microstructures et donc de conclure sur leur fonctionnalité sans l'aide de matériel extérieur (architecture BIST [3]). Ces fonctions nous donnerons la possibilité de tester le capteur à tout moment en vue de contrôles de maintenance ou afin d'effectuer une validation après fabrication.