r j q UNIVERSITEDE
tSl SHERBROOKE
Faculte de genie
Departement de genie electrique
MlCROCAPTEUR DE TEMPERATURE BASE SUR
UN OSCILLATEUR ELECTRONIQUE EN CARBURE
DE SILICIUM
Memoire de maitrise es sciences appliquees
Specialite : genie electrique
Daniel BEAUDOIN
1*1
Library and Archives Canada Published Heritage Branch 395 Wellington Street Ottawa ON K1A0N4 Canada Bibliotheque et Archives Canada Direction du Patrimoine de I'edition 395, rue Wellington Ottawa ON K1A0N4 CanadaYour file Votre reference ISBN: 978-0-494-37838-0 Our file Notre reference ISBN: 978-0-494-37838-0
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Canada
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Resume
Ce memoire de maitrise presente le developpement d'un capteur de temperature des-tine a mesurer la temperature a l'interieur des turbines d'avion. Ce capteur est un circuit electronique de type oscillateur dont la frequence d'oscillation est dependante de la tem-perature. Cela lui donne l'avantage de pouvoir etre multiplexe en frequence et par le fait meme de permettre la connexion de plusieurs capteurs sur une seule paire de fils. L'ob-jectif ultime du projet est de faire fonctionner le capteur a une temperature de 600 °C, de le miniaturiser pour que sa surface ne soit pas superieure a 1 mm2 et de permettre un multiplexage de 10 capteurs minimum sur une seule paire de fils.
Le projet presente dans ce memoire est la continuite du travail effectue par Larry Lebel en 2004, qui a fait fonctionner ce type de capteur jusqu'a 180 °C. II avait explique cette limite par le gain insufflsant des transistors utilises pour la fabrication du capteur. Egalement, le prototype realise n'etait aucunement miniaturise (> 300 cm3) et dissipait beaucoup de chaleur (> 13 W). Done, les objectifs du projet actuel etaient d'ameliorer la temperature limite de ce type de circuit et de le miniaturiser.
Afin d'ameliorer la temperature maximale d'operation du circuit, des composants (re-sistances, condensateurs, transistors) offrant des caracteristiques prometteuses a haute temperature ont ete choisis. Ces composants devaient egalement etre de petite taille afin de miniaturiser le capteur. Leur caracterisation a permis de determiner que la temperature maximale serait de 400 °C, limitee par le type de condensateur utilise.
Egalement, afin de permettre le fonctionnement electrique aux temperatures desirees,
differents tests d'assemblage ont etc realises. La methodc choisie est la deposition sur
substrat de ceramique d'une couche epaisse d'or. Les composants sont colles a l'epoxy d'argent. Cette methode d'assemblage permet de realiser des circuits electriques fonction-nant jusqu'a 550 °C, limites par la temperature de degradation de l'epoxy d'argent.
des composantes passives encapsulees, a ete realise et a fonctionne jusqu'a 400 °C par une activation intermittente. En utilisant la technologie hybride, ce type de capteur pourrait etre reduit afin d'occuper une surface de 16 mm2. Par contre, on constate que la quantite de capteurs pouvant etre places en parallele n'est que de trois, limitee par la presence d'harmoniques indesirables et par la sensibilite en temperature du dispositif. Finalement, une strategic pour une microfabrication du dispositif permettant de respecter la contrainte de taille de 1 mm2 est presentee.
Remerciements
Ce projet a ete rendu possible grace au soutien financier du FQRNT1 et du CRIAQ2. Tout d'abord, il faut souligner le merite et le travail precedent de M. Larry Lebel, a qui revient l'idee du projet. Ensuite, des remerciements speciaux sont adresses a M. Martin Brouillette et M. Serge Charlebois pour leur support, leur enthousiasme et leur confiance envers le projet. Egalement, il faut souligner l'aide apportee par M. Rejean Bernier et M. Benoit Couture lors de la fabrication des montages experimentaux. Finalement, l'auteur tient a remercier ses parents pour leur soutien financier ainsi que le reste de son entourage pour leurs sinceres encouragements.
1Fonds quebecois de la recherche sur la nature et les technologies 2Consortium de recherche et d'innovation en aerospatiale au Quebec
Table des matieres
1 Introduction 1 2 Electronique haute temperature 4
2.1 Semiconducteurs 4 2.1.1 Bande d'energie et concentration intrinseque de porteurs 4
2.1.2 Polytypes du carbure de silicium 6 2.1.3 Microfabrication et carbure de silicium 6 2.1.4 Transistor MESFET CRF-24010 8 2.1.5 Modele theorique du MESFET 8
2.2 Condensateurs 12 2.2.1 Condensateurs discrets 12 2.2.2 Condensateurs integres 14 2.3 Resistances 15 2.3.1 Resistance bobinee 16 2.3.2 Resistance en couches 16 2.3.3 Resistance integree 16 2.4 Assemblage et encapsulation 17 2.4.1 Considerations pertinentes 18 2.4.2 Substrat 18 2.4.3 Metallisation 19 2.4.4 Collage/soudure 19 2.4.5 Connexions electriques 20
2.5 Conclusion 21
3 Concept propose 22
3.1 Transduction de temperature 22 3.2 Oscillateur en pont de Wien 23 3.3 Multiplexage frequentiel 23 3.4 Systeme d'acquisition 24 3.5 Filtre 25 3.6 Circuit d'amplification 26 3.7 Attenuateur 28 3.8 Circuit propose 29 3.9 Conclusion 29
4 Presentation des resultats 31
4.1 Banc de test pour la haute temperature 31 4.2 Circuit hybride de caracterisation 34
4.3 Collage des composants 34 4.4 Caracterisation des composants 37
4.4.1 MESFET 37 4.4.2 Resistances 42 4.4.3 Condensateurs 43 4.5 Realisation du circuit 46 4.5.1 Conception 46 4.5.2 Analyse theorique 49 4.5.3 Fabrication 51 4.6 Activation intermittente 52 4.7 Resultats en boucle ouverte 52
4.8 Traitement de signal 53 4.9 Resultats en boucle fermee avec alimentation variable 55
4.11 Resultats avec deux capteurs 56 4.12 Lecture de la frequence 58
4.12.1 Comportement temporel et frequentiel 58 4.12.2 Effet sur le multiplexage frequentiel 59
4.12.3 Facteur de qualite 62 4.13 Vieillissement du capteur 63 4.14 Conclusion 63 Conclusion et recommandations 65 5.1 Miniaturisation du prototype 66 5.2 Microfabrication du circuit 67 5.2.1 Transistors 67 5.2.2 Condensateurs 69 5.2.3 Resistances 69 5.2.4 Influence sur la frequence d'oscillation 70
5.2.5 Fabrication 70 5.3 Multiplexage d'un plus grand nombre de capteurs 75
5.4 Fonctionnement a plus haute temperature 76
5.5 Bruit 77 5.6 Assemblage 77
5.7 Conclusion 78
Table des figures
2.1 Concentration intrinseque de porteurs en fonction de la temperature pour
differents semiconducteurs 6 2.2 Poly types et structure cristalline du SiC 7
2.3 Photo generale du transistor CRF-24010 au microscope electronique . . . . 9 2.4 Photo de la grille du transistor CRF-24010 au microscope electronique . . 9
2.5 Dimensions du transistor CRF-24010 10 2.6 Vue en perspective du MESFET 10 2.7 Courbe I-V d'une diode Schottky en SiC 11
2.8 Modele electrique du MESFET 12 2.9 Construction d'un condensateur multicouches en ceramique 13
2.10 Comparaison de la capacite en fonction de la temperature pour differents
dielectriques en verre et ceramique 13 2.11 Geometrie d'une capacite multicouches 14 2.12 Agglomeration de la pate d'or DuPont 5771 pour differentes temperatures
de cuisson 21 3.1 Oscillateur en pont de Wien 23
3.2 Branchement des capteurs pour un multiplexage frequentiel 24
3.3 Schema bloc du systeme d'acquisition et d'analyse 25 3.4 Diagramme de Bode normalise du filtre de retroaction de l'oscillateur en
pont de Wien 26 3.5 Schema electrique d'un amplificateur de classe A 27
3.6 Schema electrique de l'attenuateur propose 29 3.7 Schema electrique du circuit propose 30
4.1 Four haute temperature 32 4.2 Station de mesure haute temperature 33
4.3 Dessin du circuit hybride de caracterisation 34 4.4 Photos de la pate d'or C4556 pour differentes cuissons 36
4.5 Circuit de mesure pour le transistor 38
4.6 Courbe typique ID en fonction de VGS et VDS 39
4.7 Courbe typique ID en fonction de VGS 39
4.8 Tension de seuil en fonction de la temperature 40 4.9 Montage ayant servi a determiner les resistances parasites du MESFET . . 41
4.10 Transconductance en fonction de la temperature 41 4.11 Courant de fuite au seuil en fonction de la temperature 42
4.12 Resistance d'une composante montee en surface de type couches epaisses
en fonction de la temperature 43 4.13 Capacite en fonction de la temperature 45
4.14 Resistance serie equivalente en fonction de la temperature 45
4.15 Schema electrique du circuit 46
4.16 ID et gm lorsque T = 401,9 °C et que VGS = -8,01 V 50
4.17 Circuit hybride de l'oscillateur 51 4.18 Schema electrique du circuit permettant l'activation intermittente des
cap-teurs 52 4.19 Traitement du signal 54
4.20 Reponse frequentielle du filtre FIR 55 4.21 Frequence d'oscillation en fonction de la temperature pour une tension
d'ali-mentation constante 57 4.22 Frequence d'oscillation en fonction de la temperature pour une tension
d'ali-mentation de 120 V 57 4.23 Frequence d'oscillation en fonction de la temperature lorsque le capteur 1
est a temperature constante 58 4.24 Frequence d'oscillation en fonction de la temperature lorsque le capteur 2
est a temperature constante 59 4.25 Densite spectrale de courant en fonction de la frequence ( V D D = 1 2 0 V, 25 °C) 60
4.26 Densite spectrale de courant en fonction de la frequence ( V D D = 1 2 0 V, 400 °C) 60
4.27 Fenetre temporelle utile (VDD=120 V, 25 °C) 61
4.28 Fenetre temporelle utile (VDD=120 V, 400 °C) 61
4.29 Analyse spectrale d'un systeme ou la variation relative d'un capteur est de
2 0 % 62 4.30 Definition du facteur de qualite (Q) 63
4.31 Frequence d'oscillation d'un capteur en fonction du temps a 400 °C . . . . 64
5.1 Miniaturisation du circuit hybride 67 5.2 Schema global du capteur miniaturise 71 5.3 Masques necessaires a la microfabrication 72 5.4 Masques necessaires a la microfabrication (suite) 73
Liste des tableaux
1.1 Critique des techniques existantes de mesure de la temperature 2
2.1 Materiaux dielectriques 15 2.2 Coefficient de dilatation thermique pour differents materiaux 18
3.1 Oscillateurs consideres 23 4.1 Materiel servant a fabriquer la station de mesure sous pointe 32
4.2 Puissance et dimension typiques des resistances montees en surface . . . . 48
4.3 Analyse theorique du gain du systeme en boucle ouverte 49
4.4 Gain de l'amplificateur en boucle ouverte a 80 V 53 4.5 Frequence d'oscillation en fonction de la temperature et de la tension
Chapitre 1
Introduction
Pour les entreprises oeuvrant dans le domaine de la conception des moteurs d'avion, une constante optimisation des produits est necessaire afin de demeurer concurrentielles. Les besoins de l'industrie sont la puissance, la faible consommation en carburant, la portee, le cout et la securite des moteurs. C'est dans ce contexte que les concepteurs doivent faire des compromis entre l'augmentation des performances et la diminution de la durabilite. En effet, le moteur d'avion est muni d'un systeme de refroidissement a l'air servant a preserver les parties exposees a la combustion. Si le moteur est trop refroidi, il en resultera une diminution des performances. Par contre, s'il ne Test pas assez, une degradation du moteur s'ensuivra.
Ainsi, afin d'optimiser le systeme de refroidissement et d'en determiner la distribution de temperature, l'utilisation d'une serie de capteurs de temperature devient necessaire. Plusieurs types de capteurs ont ete analyses (thermocouple, peinture thermochrome, cris-tal irradie, pyrometrie optique, etc). Ces methodes sont actuellement utlisees mais pre-sentent plusieurs inconvenients, dont notamment la difficulte d'acquisition des donnees en raison de Faccessibilite restreinte (tableau 1.1). II a done ete developpe un nouveau concept de microcapteurs permettant de transmettre plusieurs mesures de temperature sur une seule paire de fils [LEBEL, 2004]. Le concept a ete prouve jusqu'a une temperature
de 180 °C. Par contre, aucune miniaturisation n'a ete realisee jusqu'a maintenant.
Le projet consiste done a ameliorer ce type de capteur. L'objectif ultime est de realiser un capteur pouvant fonctionner a 600 °C, d'une dimension de 1 mm2. Pour ce faire, un capteur hybride sera fabrique. II consistera a combiner des transistors en SiC commerciale-ment existants avec des composantes passives comme des resistances et des condensateurs. Eventuellement, des resultats concluants pour ce nouveau capteur hybride permettront de
Tablea u 1.1 : Critiqu e de s technique s existante s d e mesur e d e l a temperatur e [LEBEL , 2004 ] Specification s Mesur e d c tem -peratur e Integratio n dan s l'environnemen t d u moteu r Acquisitio n d e donnee s Durabilit e Cou t Fabricabilit e Technique s d e mesur e Thermocouple s t Plag e entier e couvert e t ±2° C i Mesure s locale s seulemen t t Mesure s temp s ree l | Bonn e repetabilit e I Cable s lourd s e t contact s tournant s I U n cana l pa r capteu r i itcpun u a, lOuic s ic o opaci -fication s t Pe u couteu x t Method e commun e Peintur e thermochrom e | Plag e entier e couvert e | ±1 5 ° C | Mesur e d'un e distributio n d e temperatur e I Temperatur e maximal e seulemen t I Depen d d e l a sequenc e d e tes t J, Couleu r influence e pa r le s contaminant s d u moteu r t Utilisabl e auss i facilemen t su r l e stato r qu e l e roto r I Aucun e acquisitio n temp s ree l 4. irabd u au i ocuitnieii L J. Proced e couteu x J, Proced e difficil e Crista l irradi e t Plag e entier e couvert e T ±6° C i Mesure s locale s seulemen t i Temperatur e maximal e seulemen t J, Depen d d e l a sequenc e d e tes t t Repon d a tout e le s specifi -cation s | Utilisabl e auss i facilemen t su r l e stato r qu e l e roto r J. Aucun e acquisitio n temp s ree l 1 Ti„^ i „~ 1 V - i . 4. ±e»i > a u su i semCmem . 1 Proced e e t capteur s cou -teu x I Proced e difficil e Pyrometri e optiqu e t Plag e entier e couvert e | Mesur e d'un e distributio n d e temperatur e (ave c ap -parei l mobile ) t Mesure s temp s ree l I Influenc e pa r le s condi -tion s d e surfac e de s pale s e t pa r le s interaction s op -tique s ave c le s ga z e t le s particule s I Inutilisabl e su r le s petit s moteur s I Encrassemen t de s lentille s pa r l a sui e e t l a poussier e J, Utilisabl e pou r l e roto r seulemen t | U n cana l seulemen t rrr— A „„ l 1 ±e» u a u sO i I Encrassemen t de s lentille s apre s ~15 0 heure s d e vo l I Influenc e pa r l a deteriora -tio n de s pale s i Appareil s couteu x t Facil e a installe r
proceder a une integration complete, c'est-a-dire un capteur mierofabrique.
Afin d'ameliorer les performances du circuit, chaque element sera caracterise en tem-perature. Puis, une analyse theorique permettra la conception du circuit. Le circuit sera ensuite fabrique et ses performances seront mesurees. Enfin, des recommandations ser-vant ulterieurement a la microfabrication du dispositif seront fournies afin de faciliter la continuite du projet.
Tout d'abord, ce memoire presente des notions portant sur Pelectronique haute tem-perature. On presente les composants et materiaux permettant de realiser ce type de dispositif. Ensuite, le fonctionnement du capteur est presente. On explique les avantages de ce type de capteur, les choix de conception et les differentes parties du circuit. Puis, les resultats experimentaux sont presentes. Ces resultats proviennent de la caracterisation des composants electroniques a haute temperature et de la realisation d'un circuit fonctionnel.
Chapitre 2
Electronique haute temperature
Etant donne que le capteur de temperature est fabrique a partir d'un circuit electro-nique, ce chapitre presente plusieurs notions a considerer pour une application a haute temperature, notamment en ce qui a trait aux materiaux pour la selection des composantes electroniques. Premierement, on aborde le choix du semiconducteur, ses particularites, le transitor de type MESFET qui sera utilise ainsi que son fonctionnement theorique. En-suite, on presente differents types de condensateurs en expliquant les possibilites se rat-tachant a une approche discrete ou integree. Puis, on presente trois types de resistances qui pourraient etre utilisees, soit : les resistances bobinees, les resistances en couche et les resitances integrees. Finalement, on aborde differents aspects de l'assemplage et de l'en-capsulation, comme le choix du substrat, de la metallisation, du collage et des connexions elecriques.
2.1 Semiconducteurs
2.1.1 Bande d'energie et concentration intrinseque de porteurs
La bande d'energie et la concentration intrinseque de porteurs sont des proprietes des materiaux essentielles a connaitre arin de choisir un semiconducteur fonctionnant a haute temperature. Cette sous-section explique la relation entre ces proprietes et la temperature, pour ensuite expliquer le choix du semiconducteur retenu pour l'application : le carbure de silicium.
D'un point de vue electrique, les materiaux se divisent en trois grandes families : les conducteurs, les semiconducteurs et les isolants. Ce qui les distingue est la bande d'energie separant la bande de conduction de la bande de valence. Pour un conducteur, cet ecart est nul. Pour un semiconducteur, il est d'environ 1 eV et pour un isolant, il est plus grand, soit environ 9 eV. Cela determine la quantite d'energie necessaire pour faire passer un porteur d'une bande a l'autre [SZE, 2002].
L'interet des semiconducteurs est de pouvoir controler la conductivity du materiau. Premierement, de fagon intrinseque, un semiconducteur est constitue de porteurs libres (electrons et trous). C'est ce qu'on appelle la concentration intrinseque de porteurs et elle augmente avec la temperature. Deuxiemement, de maniere extrinseque, des impuretes sont ajoutees a des endroits specifiques du dispositif et contribuent a l'augmentation d'un type de porteur, soit des electrons pour le type n et des trous pour le type p. Pour utiliser un semiconducteur adequatement, on doit l'operer dans sa zone extrinseque, c'est-a-dire la ou la quantite totale de porteurs de charge depend principalement des dopants. La limite pour l'utilisation a haute temperature d'un composant est done de maintenir le comportement extrinseque du dispositif.
L'avantage des materiaux a bande d'energie elevee est que la concentration intrinseque de porteurs est beaucoup plus basse pour une meme temperature que pour les materiaux a bande d'energie basse. Done, cela a pour effet de permettre un fonctionnement sur une plus grande plage de temperature. En effet, la concentration intrinseque de porteurs n; est donnee par l'equation 2.1, ou Ns represente la densite d'etat effective (depend du
materiel et augmente avec la temperature), Eg est la bande d'energie, k est la constante
de Bolztmann et T est la temperature absolue.
La figure 2.1 donne la concentration intrinseque de porteurs pour differents semicon-ducteurs en fonction de la temperature. II est a noter que les bandes d'energie pour le Si, GaAs, GaP et SiC sont respectivement de 1,1 eV, 1,3 eV, 2,3 eV et 2,9 eV. Parmi les semiconducteurs presentes, le SiC est celui dont la concentration intrinseque de porteurs est la plus basse. II est done un materiau privilegie pour l'electronique haute temperature et il sera utilise pour le projet.
I d2 0 « ? " 1 01 8 £ 1016 M 8 10'2 | 1 0 " jl "" 10s 0 200 400 600 800 1000 Temperature (°C)
Figure 2.1: Concentration intrinseque de porteurs en fonction de la temperature pour differents semiconducteurs [ M C C L U S K E Y et coll., 1997]
2.1.2 Poly types du carbure de silicium
Les polytypes sont les differentes stuctures cristallines que peut prendre un materiau. Dans le cas du carbure de silicium, il y a plus de 100 polytypes connus [NEUDECK et coll., 2001]. Afin de mieux comprendre les references, cette sous-section presente les principaux polytypes du SiC.
Les polytypes du SiC possedent tous 50 % d'atomes de silicium et 50 % d'atomes de carbone. Par contre, seulement quelques-uns peuvent etre fabriques pour un usage ac-ceptable comme dispositif semiconducteur. Les trois principaux polytypes du SiC utilises pour des dispositifs electroniques sont done le 3C-SiC, le 4H-SiC et le 6H-SiC. Le 3C-SiC est un polytype cubique et est reference comme du /?-SiC. Le 4H-SiC et le 6H-SiC sont des polytypes hexagonaux et sont references comme du a-SiC. La figure 2.2(a) montre les differentes couches de ces polytypes. Les symboles # , • et A representent respectivement l'emplacement des paires Si-C sur les couches A, B et C. Chaque couche est composee d'atomes de silicium (blanc) et de carbone (noir) superposes. La couche A est done di-rectement representee par la figure 2.2(b). Pour les couches B et C, on doit simplement decaler cette meme couche pour que ses atomes de silicium aient un lien avec trois atomes de carbone de la couche precedente, tout en respectant la sequence de la figure 2.2(a)
2.1.3 Microfabrication et carbure de silicium
La fabrication de dispositifs sur carbure de silicium est difficile a realiser avec des equipements destines aux semiconducteurs usuels, particulierement le silicium. Cette op-tion a done ete rejetee au debut du projet, en raison de l'equipement disponible et du
^§>C «*g>A ^ C
^ B ^ 8 < § ^ B
< g » A ^ A ^ l A
3C 4H 6H
(a) Polytypes communs (b) Vue de la couche A
Figure 2.2: Polytypes et structure cristalline du SiC [ZETTERLING, 2002]
cout. Toutefois, cette sous-section presente quelques aspects relies a la microfabrication sur SiC. On presente les types de substrats disponibles et certaines considerations reliees a Pimplantation ionique, au recuit thermique et a la gravure.
Substrat
II existe commercialement des gaufres en carbure de silicium. Par mi celles fabriquees par Cree, on en retrouve allant jusqu'a un diametre de 100 mm [ C R E E , 2005]. Ce sont du
4H-S1C et du 6H-SiC.
Implantation ionique et recuit thermique
L'implantation ionique permet d'ajouter des impuretes a des endroits specifiques d'un dispositif. Les dopants creant des zones de type n sont principalement l'azote et le phos-phore. Pour ceux de type p, ce sont principalement le bore et l'aluminium. Voici cer-taines considerations techniques tres contraignantes reliees a l'implantation dans le SiC
[ZETTERLING, 2002] :
- Energie d'implantation superieure a 1 MeV;
- Temperature d'implantation autour de 600 °C ;
Gravure
La gravure sert a enlever le SiC sur certaines parties de la gaufre. En raison de la durete du SiC (superieure a 9 sur l'echelle de Mohs), la gravure seche est principale-ment utilisee. Les gaz utilises sont generaleprincipale-ment le SF6 et le NF3 en raison de leur effica-cite [ZETTERLING, 2002].
2.1.4 Transistor MESFET CRF-24010
La compagnie Cree fabrique des transistors en carbure de silicium [ C R E E , 2005]. Cette sous-section presente le transitor qui pourrait etre utilise dans le cadre du projet: le CRF-24010. Ensuite, on explique son choix et on donne quelques caracteristiques pertinentes. Parmi les transistors SiC offerts par Cree, le CRF-24010 est celui offrant le meilleur gain (15 dB) [CREE, 2005]. C'est pour cette raison qu'il a ete selectionne. II est de type MES-FET1 et est utilise comme dispositif de puissance (10 W) et a haute frequence (2,7 GHz). Bien qu'une utilisation a haute temperature n'est pas suggeree par le fabricant, il a fonc-tionne sur une application allant a 475 °C [SCHWARTZ et coll., 2005]. II est possible de se procurer ce transistor sous forme de puce sans encapsulation. La figure 2.3 montre le transistor. La figure 2.5 donne ses dimensions. On constate qu'il possede six contacts relies a la source, deux contacts relies au drain et deux contacts relies a la grille. La figure 2.4 montre la longueur L de la grille. Son envers est plaque de 5 um d'or et doit etre relie a la source.
2.1.5 Modele theorique du MESFET
Comme le transitor CRF-02410 pourrait etre utilise pour l'application, cette sous-section explique l'architecture et le fonctionnement du MESFET.
Le comportement du transistor MESFET ressemble a celui du MOSFET2. La difference
est que le MESFET utilise un contact Schottky au lieu d'un isolant pour creer la capacite de grille. La figure 2.6 presente la geometrie du transistor MESFET. Tout d'abord, le canal de ce transistor est de type n. Les contacts source-canal et drain-canal sont ohmiques. Le contact grille-canal est de type Schottky. Lorsqu'aucune tension n'est appliquee a la grille,
1 Metal-semiconductor field-effect transistor 2Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor
j ,*:, K" '" , " • ' . ' - . 5 '
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Signal A = SEJ EHT= 20.00 kV Mag = 54 X !00|jm C463 01 .tif WD = 5 mm
wmm
gure 2.3: Photo generate du transistor CRF-24010 au microscope electronique
Signal A = SE2 EHT= 20.0010/ Mag = 2.50 K> C463_03.tif W D = 5 mm
Aperture Size = 30.00 urn TiltAngle = 0.0° Date 10 Jul 2007 StageatT = 0.0° Tilt Conn. = Off Time :13:05:43
Figure 2.5: Dimensions du transistor CRF-24010 (en microns) [ C R E E , 2005]
le canal conduit. Egalement, lorsqu'une tension negative est appliquee sur la grille, le canal attire les porteurs de type p et eloigne les porteurs de type n. Cela a pour effet de fermer le canal. Le transistor est done a appauvrissement.
Lorsque la temperature augmente, la concentration intrinseque de porteurs est aug-mented Done, le canal possede plus de porteurs de type p et de type n. Pour le fermer, une plus grande tension negative devra done etre mise a la grille. Cela aura pour effet de diminuer la tension d'activation du transistor.
On peut egalement utiliser ce transistor comme une diode Schottky. Pour ce faire, la jonction Schottky, entre la grille et la zone de type n, est utilisee. Ainsi, l'anode est la grille et la cathode, la source et le drain du transistor. A faible courant, la tension de seuil est d'environ 0,7 V. La figure 2.7 presente des courbes typiques de diodes Schottky fabriquees par Cree [CREE, 2005].
0.5 i.O 1.5 2.0 2.5 VF Forward Voltage (V)
3.5
Figure 2.7: Courbe I-V d'une diode Schottky en SiC [ C R E E , 2005]
La figure 2.8 presente un modele electrique pour le MESFET, ou le transistor est remplace par une source de courant controlee. On remarque la presence des resistances de contact pour chacune des bornes. Egalement, on retrouve des capacites parasites entre
cha-cun des contacts. Finalement, le contact Schottky entre la grille et le canal est represents par les diodes.
5 rain Gate KG CffJ
I
W-CflS?
=RD \f-h)
±CDS sourceFigure 2.8: Modele electrique du MESFET [PSPICE, 2007]
2.2 Condensateurs
2.2.1 Condensateurs discrets
Puisque l'utilisation de condensateurs sera necessaire a la fabrication du capteur, on cherche a savoir quels sont ceux parmi les transitors disponibles offrant les meilleurs ca-racteristiques pour un fonctionnement a haute temperature. Cette sous-section explique le choix des materiaux et donne un apercu des performances esperees.
Parmi les condensateurs disponibles, ceux multicouches fabriques en ceramique ou en verre sont les plus prometteurs pour une utilisation superieure a 200 °C [ M C C L U S K E Y
et coll., 1997]. Certains ont ete caracterises jusqu'a 500 °C [GRZYBOWSKI, 1996]. La fi-gure 2.9 montre la geometrie de ce type de condensateur. L'equation 2.2 donne la valeur de la capacite pour ce type de dispositif, ou n est le nombre de couches de dielectrique,
er est la permittivite relative du dielectrique, e0 est la permittivite du vide1, A est la sur-face d'une couche du dielectrique et tdiei son epaisseur. Finalement, la figure 2.10 montre
l'influence de la temperature sur la capacite pour differents condensateurs en ceramique et en verre. C = nere0A tdiel (2.2) End Terminations Margin Electrodes
Figure 2.9: Construction d'un condensateur multicouches en ceramique [AVX, 2006]
0> o
1
12 11 10 9 8 X 7 R --NPO v Glassx!
==< 3la 5S-I —x ^ » 0 100 200 300 400 500 Temperature, CFigure 2.10: Comparaison de la capacite en fonction de la temperature pour differents dielectriques en verre et ceramique pour des condensateurs de 10 nF [ M C C L U S K E Y et coll.,
1997]
Une caracteristique importante des condensateurs en ceramique est le point de fusion de Palliage metallique utilise pour fabriquer ses electrodes. En effet, ceux contenant de l'or, de l'argent ou du palladium seront preferes a ceux contenant de l'etain et du plomb. Egalement, ces metaux nobles ont une plus grande resistance a l'oxydation thermique.
2.2.2 Condensateurs integres
II est egalement possible d'utiliser des condensateurs integres pour l'application. Ces condensateurs seraient fabriques a partir d'un procede de microfabrication. Cette sous-section propose un type de geometrie et indique les materiaux isolants les plus succptibles de fonctionner a haute temperature.
Pour les composants integres, plusieurs geometries de condensateurs sont existantes (plaques paralleles, barres horizontales, fractales, etc). Deux parametres sont importants dans le choix de la geometrie (figure 2.11) : l'epaisseur du dielectrique entre les couches
[tax) et l'espace lateral minimum sur une meme couche (Lmin). Lorsque Lmin ^> tox, la
valeur de la capacite est determines seulement par le champ vertical [APARICIO et coll., 2002]. Cela rend la geometrie des plaques paralleles la plus interessante pour un volume donne. Neanmoins, lors de la fabrication de DRAM1, des profils en tranchees ou en piles sont utilises afin de permettre d'augmenter la capacite par unite de surface [UYEMURA, 2002].
Figure 2.11: Geometrie d'une capacite multicouches [APARICIO et coll., 2002] Le tableau 2.1 donne les proprietes de differents dielectriques pouvant etre deposes. II est a noter que la permittivite relative du dielectrique varie en fonction de sa frequence et de son epaisseur.
D'apres les resultats obtenus [LIPKIN et coll., 1999], on constate que seulement le dioxyde de silicium (SiG>2) et la combinaison de oxyde-nitrure-oxyde de silicium (ONO) n'ont pas de courant de fuite significatif a haute temperature. Etant donne la simplicite de l'utilisation du Si02, cette option sera tout d'abord envisagee. Egalement, il est possible d'obtenir du Si02 sur du SiC a partir d'une croissance thermique [ZETTERLING, 2002].
Tableau 2.1: Materiaux dielectriques [LIPKIN et coll., 1999] Dielectrique
SiC
Si02 par croissance Si02 depose Si3N4 ONO A1N A10:N SixNyOz (Ba,Sr)Ti03 T i 02 T a205 Permittivite relative (er) 10 3,9 3,9 7,5 6 8,4 12,4 4-7 75-250 30-40 25 Champ disruptif d MVcriT1 3 2 2 2 2 3 1 2 0,1 0,2 0,3
L'oxydant peut etre de type sec (O2) ou humide (H2O). L'oxydation se fait a des tempe-ratures typiques variant entre 1100 et 1200 °C. Un probleme avec ce type de croissance est que des agregats de carbone se forment a l'interface SiC^/SiC, affectant les proprietes electriques de l'interface. Par contre, ce type d'oxyde est generalement de meilleure qualite que l'oxyde obtenu par deposition. II est possible d'effectuer un recuit ou une reoxydation du dielectrique a plus basse temperature pour ameliorer les performances.
Egalement, il est a noter que la microfabrication des condensateurs ne permet pas d'en fabriquer avec une capacite elevee. Selon le procede standard de Cree [CREE, 2005], la capacite maximale pour 1 mm2 de surface est de 200 pF.
2.3 Resistances
Plusieurs types de resistances peuvent etre utilises en pratique a haute temperature. Ce sont les resistances bobinees, les resistances en couches et les resistances integrees. Etant donne que des resistances seront necessaires pour la fabrication du circuit, cette section indique a partir de quels materiaux elles sont fabriquees et precise jusqu'a quelle
temperature elles pourraient fonctionner.
Dans tous les cas, la valeur de la resistance est donnee par 1'equation 2.3, ou p est la resistivite du materiau, qui varie en fonction de la temperature, L sa longueur et S l'aire de sa section. Cette section expose differents types de resistances en indiquant a partir de quels materiaux elles sont constitutes et a jusqu'a quelle temperature elles devraient
fonctionner.
2.3.1 Resistance bobinee
Les resistances bobinees sont constitutes d'un fil metallique, enroule autour d'un tube, dont on controle la longueur, le diametre et le materiau pour obtenir la resistance desiree. Le fil est recouvert d'un vernis servant d'isolant. Etant donne la constitution de ce type de resistance, ses dimensions sont relativement grandes. Un autre desavantage de ce type de dispositif est l'inductance parasite relativement elevee causee par l'enroulement. En fonction du type d'isolant utilise, ce type de resistance peut supporter une temperature allant jusqu'a 500 °C [KlRSCHMAN, 1998]. L'avantage de ce type de composant est sa precision a haute temperature.
2.3.2 Resistance en couches
Les resistance en couches sont composees d'un support en ceramique cylindrique ou plat, sur lequel une couche resistive est ajoutee. L'ajustement de la valeur de la resistance se fait par un micro-usinage au laser, ou des portions de la couche resistive sont enlevees. II existe plusieurs types de couches resistives (carbone, metallique, oxyde, pate resistive, etc.), mais la majorite sont des recettes proprietaries. Ce type de composant peut etre utilise jusqu'a 500 °C [ N A E F E et coll., 2002]. A cette temperature, le probleme majeur est la stabilite en fonction du temps. L'avantage principal est la dimension relativement petite pour une composante discrete.
2.3.3 Resistance integree
Semiconducteur dope
Ce type de resistance est fabrique a l'interieur des circuits integres. On controle la resistivite du materiau avec la concentration d'elements dopants. Notamment, le SiC a ete evalue pour une utilisation allant jusqu'a 800 °C [AVRAMENKO et coll., 1996]. La resistivite
du semiconducteur est donnee par l'equation 2.4, ou q est la charge de l'electron1, n et
p sont les concentrations d'electrons et de trous. La resistivite du semiconducteur varie
avec la temperature via la concentration de porteurs (type n et p). Finalement, /j,n et
jip sont respectivement la mobilite des electrons et des trous dans le materiau. II est a
noter que la mobilite de ces porteurs de charges varie en fonction de la temperature, de la concentration de dopant et du champ electrique present [PLUMMER et coll., 2000].
1
P =
q/inn + q/j,pp
Dep6t metallique
II est egalement possible de fabriquer une resistance integree a partir d'un depot me-tallique. La resistivite est done une propriete du materiau utilise. Cette resistivite varie en fonction de la temperature. Cette fonction est souvent donnee par un polynome. Par exemple, l'equation 2.5 donne le cas du platine, ou T est la temperature en °C et p(0) est la resistivite a 0 °C [ASTM, 1997]. Le principal avantage du platine est la linearite de sa variation en fonction de la temperature. Son inconvenient est qu'il est tres conduc-teur. Done, pour une valeur de resistance donnee, la surface occupee par une resistance fabriquee au platine est plus grande que que pour d'autres materiaux.
p(T) = p(0)(l + 3,9083 x 10~3T - 5, 775 x 10-7T2) (2.5)
2.4 Assemblage et encapsulation
Etant donne que le transistor MESFET choisi est disponible sous forme de puce et qu'un effort de miniaturisation est requis, une approche hybride sera utilisee. Un circuit hybride est constitue a la fois d'elements encapsules et d'elements non-encapsules. Done, il permet l'assemblage de plusieurs composants, fabriques avec des procedes differents, sur un meme substrat. Cette section presente done les techniques d'assemblage permettant le fonctionnement du circuit a haute temperature. On explique les differentes possibilites pour le substrat, la metallisation, la soudure et la methode de connexion.
1g = l , 6 0 2 x 10"1 9 C
2.4.1 Considerations pertinentes
Lors de la selection des materiaux necessaires a 1'assemblage, plusieurs parametres doivent etre pris en compte. Voici une liste de ceux-ci :
- Limites de temperature des materiaux;
- Ecart entre les variation des coefficients de dilatation thermique; - Fatigue, fluage;
- Conductivity thermique; - Diffusion entre les materiaux;
- Formation de composes intermetalliques; - Oxydation;
- Proprietes electriques.
2.4.2 Substrat
Plusieurs types de substrats sont offerts pour la fabrication de dispositifs hybrides. Les proprietes recherchees sont la stabilite chimique, la stabilite electrique et le coefficient de dilatation thermique pres de celui du SiC. Plusieurs types de substrats peuvent §tre considered : l'alumine (A1203), le nitrure d'aluminium (A1N) et le SiC polycristallin [CHEN
et coll., 2001b]. La disponibilite, le cout, le coefficient de dilatation thermique pres de celui du SiC, la stabilite chimique (oxyde a 800 °C) et electrique (resistivite > 1015 Ocm) du A1N font de lui le materiau choisi comme substrat pour l'application. En effet, bien que le coefficient de dilatation thermique du SiC polycristallin soit plus pres du SiC, il reste que ce materiau est semi-isolant. Pour ce qui est de l'alumine, son coefficient de dilatation thermique est plus loin du SiC que pour 1'AIN. Par contre, etant donne la disponibilite et le cout moins eleve de l'alumine, elle pourrait etre utilisee pour certains tests. Le tableau 2.2 presente les coefficients de dilatation thermique pour differents materiaux.
Tableau 2.2: Coefficient de dilatation thermique pour differents materiaux [SAVRUN, 2002]
Materiau Si SiC A1203 A1N BeO
Coefficient de dilatation thermique (ppm/°C) 3,5 3,7 7,2 4,1 8,0
2.4.3 Metallisation
La metallisation est l'etape servant a obtenir les chemins conducteurs sur le substrat de ceramique. Ces chemins serviront de liens entre les divers elements du circuit et d'emplace-ment pour une connexion electrique eventuelle. Deux approches peuvent etre considerees pour cette etape : la technologie en couches epaisses et celle en couches minces.
Couches epaisses
La metallisation peut se faire avec une deposition en couches epaisses. Ainsi, avec des procedes de serigraphie, de sechage et de cuisson, il est possible de deposer une couche metallisee sur le substrat. Plusieurs types de conducteurs sont offerts, mais ceux a base d'or sont privilegies pour leur stabilite a haute temperature. En effet, ce materiau ne s'oxyde pas en temperature et est un bon conducteur electrique.
Couches minces
La metallisation par deposition en couches minces requiert habituellement de deposer une couche de metal sur l'echantillon en entier. Ensuite, par des procedes de photolitho-graphic et de gravure, la metallisation non necessaire doit etre enlevee. Ce type de depdt comporte plusieurs desavantages. Premierement, Tor qui est le materiau de predilection pour les applications a hautes temperatures, adhere mal aux substrats de ceramique. II faut done faire une ou plusieurs metallisations intermediaries pour deposer ce metal. En-suite, la gravure de l'excedent d'or necessite l'utilisation d'une solution tres acide. Une autre methode permet de deposer l'or sur un materiau facile a graver. Puis, par procede de decollage (lift-off), il peut etre retire. Cette derniere methode necessite par contre un procede plus complexe.
2.4.4 Collage/soudure
Epoxy
La colle epoxy est le materiau de predilection pour le collage conventionnel des com-posants. Toutefois, le collage avec celle-ci est typiquement limite jusqu'a une temperature de 200 °C [ M C C L U S K E Y et coll., 1996]. Pour une utilisation a plus haute temperature,
des colles a base de polyimide d'argent permettent un collage allant jusqu'a 350 °C. Pour un usage d'une duree plus limitee, il est a noter que la temperature de degradation de certains adhesifs peut atteindre 550 °C [EPOXY TECHNOLOGY, 2007].
Soudure/Brasage
La difference entre le brasage et la soudure est, par convention, le point de fusion du melange utilise [JACOBSON, 2005]. Si cette temperature est superieure a 450 °C, on le definit comme un brasage. Dans le cas inverse, c'est line soudure. Cette technique consiste a faire fondre un alliage autour de la piece a fixer. Une consideration majeure avec cette technique est que la piece a fixer supporte cette temperature de fusion. Egalement, les proprietes mecaniques de la soudure devront demeurer satisfaisantes lors d'une operation a haute temperature. Une technique pouvant etre utilisee pour une application dont la temperature est superieure a 400 °C est de profiter de la diffusion de l'etain dans Tor. En effet, si Ton fixe une piece dont la metallisation est faite d'or avec un melange eutectique or-etain (80-20), l'etain va diffuser de l'alliage vers la metallisation de la piece [JOHNSON et coll., 2004], Ainsi, la temperature de fusion va augmenter, ce qui fait que la soudure pourra supporter une plus haute temperature avant de delaminer.
Pate d'or
Cette technique consiste a utiliser une pate d'or servant normalement pour fabriquer les metallisations sur couches epaisses pour faire le collage. La difference majeure avec le procede habituel est que la cuisson se fait a une temperature inferieure a celle recom-mandee. Pour ce faire, la pate d'or DuPont 5771 a ete utilisee. Bien que la temperature de cuisson recommandee de cette pate est de 850 °C, il a ete demontre qu'une cuisson a 600 °C pouvait donner des resultats satisfaisants. En effet, la figure 2.12 suivante montre l'effet de la temperature de cuisson sur Pagglomeration de cette pate d'or. Cette derniere technique a ete demontree pour une application a 500 °C [CHEN et coll., 2001a].
2.4.5 Connexions electriques
Pour realiser les interconnexions electriques entre les composants non-encapsules et le reste du circuit, la technique de microsoudure par fils sera utilisee. Cette technique est d'ailleurs celle recommandee par le fabricant des transistors utilises [CREE, 2005]. C'est
Figure 2.12: Agglomeration de la pate d'or DuPont 5771 pour une temperature de cuisson de a) 500, b) 600 et c) 850 °C [CHEN et coll., 2001a]
technique sera done le type de branchement privilegie. Elle permet de faire des connexions electriques n'ayant pas pu prealablement etre faites par l'etape de la metallisation. Plu-sieurs materiaux peuvent etre utilises pour la microsoudure par fils (or, aluminium, pla-tine, palladium, etc). Cependant, l'or sera privilegie pour sa resistance a l'oxydation, sa conductivite electrique et ses proprietes mecaniques en temperature. Finalement, il a ete prouve que les branchements avec des fils d'or pouvaient resister a des temperatures de 500 °C [CHEN et coll., 2001a; MUSTAIN et coll., 2005].
2.5 Conclusion
Ce chapitre etait un revue de differentes options envisageables dans le but de conce-voir un circuit electronique fonctionnant a haute temperature. En effet, des composantes comme des transistors, des condensateurs et des resistances pourraient fonctionner jus-qu'a la temperature souhaitee. De plus, certaines techniques permettraient d'assembler ce circuit afin de realiser le capteur.
Chapitre 3
Concept propose
Ce chapitre a pour objectif d'expliquer le concept du capteur que Ton veut reali-ses Tout d'abord, on precise que c'est Poscillation du capteur qui permet de deduire la temperature. On justifie ensuite le choix de la topologie utilisee pour la conception de l'os-cillateur. Puis, on presente comment l'utilisation de l'oscillation du capteur comme mode de transduction permet le multiplexage frequentiel de plusieurs capteurs, en montrant le branchement et le systeme d'acquisition envisages. Ensuite, on explique chacune des par-ties de l'oscillateur : le filtre, l'amplicateur et l'attenuateur. Finalement, on propose un circuit electrique qui pourrait etre realise.
3.1 Transduction de temperature
Comme il a ete explique au chapitre 1, il existe differents types de capteurs permet-tant de mesurer la temperature dans les moteurs d'avion. Le concept propose de capteur consiste a mesurer la temperature a partir d'une frequence d'oscillation. L'avantage de ce mode de transduction est de permettre le multiplexage frequentiel sur une seule paire de fills de plusieurs capteurs localises a differents endroits dans le moteur. Chaque capteur mo-dule sa frequence d'oscillation en fonction de la temperature dans une plage frequentielle definie.
3.2 Oscillateur en pont de Wien
Lors de l'etude precedente realisee par Larry Lebel [LEBEL, 2004], differents types d'oscillateurs electroniques ont ete analyses. L'auteur cherchait un type d'oscillateur qui ne contenait pas de bobines, car elles sont volumineuses et difficiles a microfabriquer. II avait done analyse des oscillateurs dont le circuit de retroaction etait constitue uniquement de resistances et de condensateurs. Le tableau 3.1 resume les deux types d'oscillateurs consideres. Le circuit choisi est l'oscillateur en pont de Wien, parce qu'il est celui dont le gain de l'amplificateur constituant l'oscillateur est le moins eleve. II est done plus facile a realiser. La figure 3.1 presente cet oscillateur. On remarque qu'il est constitue de deux parties. La premiere est un amplificateur et la seconde, un circuit de retroaction constitue de resistances et de condensateurs.
Tableau 3.1: Oscillateurs consideres
Oscillateur Retroaction Gain minimal Pont de Wien Passe bande 3
A dephasage Passe bas 27
Figure 3.1: Oscillateur en pont de Wien
3.3 Multiplexage frequentiel
L'avantage principal d'utiliser la frequence comme mode de transduction de la tempe-rature est de pouvoir realiser le multiplexage frequentiel. Done, le circuit propose est un element d'une serie de capteurs. Leur branchement est presente a la figure 3.2. Chaque
capteur est un oscillateur en pont de Wien (figure 3.1). On constate que la parallelisation des capteurs se fait en les reliant a la meme alimentation. Cette alimentation en tension continue sera externe et fournira le courant necessaire au fonctionnement de chacun des capteurs. En determinant judicieusement des valeurs de resistances et de condensateurs pour chaque oscillateur, il sera ainsi possible de les faire osciller a des frequences diffe-rentes. Ainsi, en mesurant le contenu frequentiel du courant fourni au reseau de capteurs, la determination de la frequence d'oscillation de chaque capteur pourra etre deduite. En-suite, la temperature mesuree sera deduite en connaissant la relation entre la frequence de chaque capteur et la temperature. Cette relation sera determinee lors de la calibration des capteurs.
Eny[rojinementhajjte_temj^rature_
frequence 1 frequence 2 frequence N
Figure 3.2: Branchement des capteurs pour un multiplexage frequentiel
3.4 Systeme d'acquisition
Le systeme d'acquisition est l'element permettant de transformer le signal temporel du courant d'alimentation en une serie de temperature pour chacun des capteurs. Le schema bloc de ce systeme est presente a la figure 3.3. La premiere etape consiste a faire la transformer de Fourier du signal d'entree, dans le but d'obtenir son spectre. Ensuite, a partir de ce spectre, une analyse du signal afin de determiner les maximums locaux est effectuee. Elle determine la frequence d'oscillation de chaque capteur. Finalement, en se referant a des courbes de calibration (temperature en fonction de la frequence), la temperature de chaque capteur est determinee.
Signal lemporel Transformee de Fourier , Signal frdquentiel Courbes de calibration Maximum locaux 50,02 kHz 100,16 kHz 149,63 kHz Analyse du signal Interpolation 127 aC 143 »C 118 SC Temperature
Figure 3.3: Schema bloc du systeme d'acquisition et d'analyse
3.5 Filtre
Le circuit de retroaction de l'oscillateur en pont de Wien est un filtre passe-bande. Lorsque R = R\ = R2 et C = C\ — C2, la frequence d'oscillation est donnee par
l'equa-tion 3.1. La figure 3.4 represente la reponse en frequence ideale de ce filtre. Egalement, les equations 3.2 et 3.3 donnent Pamplitude et la phase du filtre en fonction de la frequence. On constate que le maximum en amplitude coincide avec le dephasage nul. C'est d'ailleurs a la frequence ou le dephasage est nul que l'oscillation va se produire. A cette frequence, l'attenuation du filtre est de trois (-10 dB). Pour cette raison, le gain de l'amplificateur devra etre superieur a cette valeur.
/ 1 2TTRC (3.1)
Mf) =
2nfR2C1 y/(47r2/2^i^2CiC2)2 + 4TT2/2 {R\Cl + R22Cf + 2R1R2Cf + 2R22C1C2 + H%C%) + 1 (3.2) <(> ( / ) = — a r c t a n 47r2/-8fl1fl2g1C72 - 1 2irf(R1C1 + R2Cl + R2C2) (3.3)-5 -10 S" •o OS -20
Diagramme de Bode du filtre
-25 90 ra CD V (0 CO -901. 0.1 1 Frequence (Hz) 10
Figure 3.4: Diagramme de Bode normalise du filtre de retroaction de l'oscillateur en pont de Wien
3.6 Circuit d'amplification
Le circuit d'amplification propose pour l'oscillateur est un amplificateur de classe A avec un MESFET de type n comme composante active. Ce type de circuit a ete choisi en raison de l'absence de transistors complementaires pour la technologie utilisee. En fait, d'autres types d'amplificateurs sont possibles. Par contre, il faudrait que des transistors de type p soient disponibles. Ce circuit a comme avantage de reduire au maximum le nombre de composants. Egalement, il permet d'obtenir un etage d'amplification avec un seul transistor. La figure 3.5 montre le branchement typique d'un amplificateur de classe A.
II existe certaines variantes de ce type d'amplificateur. La premiere est d'ajouter une resistance entre la grille du transistor et l'alimentation positive. Cela a pour but de polari-ser la grille du transistor a une tension superieure. Comme la tension de seuil du transistor
Vth est negative, on desirera plutot abaisser la tension de polarisation VQ au minimum.
Done, la polarisation de la grille ne doit se faire qu'a partir d'une resistance reliee a la masse. Une seconde variante est d'avoir une resistance Rs nulle. Encore une fois, etant donne que le point d'operation VGS du transistor est negatif, cette resistance devient
ne-O VQUT
Figure 3.5: Schema electrique d'un amplificateur de classe A
cessaire afin que la tension de la grille VQ soit necessairement inferieure a la tension de source Vs.
II faut noter que le circuit d'amplifcation propose a un gain negatif (dephasage de 180°). Pour que l'oscillateur en pont de Wien fonctionne, le gain total doit etre positif (dephasage nul). Pour cette raison, deux etages seront utilises. Le gain en tension pour chaque etage de ramplificateur est donne par l'equation 3.4 [BOYLESTAD et coll., 2001], ou la transconductance gm (equation 3.5) est le gain du transistor, RD est la resistance entre
l'alimentation et le drain du transistor, Rs est la resistance entre la masse et la source du
transistor, RL est la resistance equivalente que Ton retrouve a la sortie de chaque etage
et r^ est l'impedance de sortie du transistor. Cette derniere valeur est souvent elevee par rapport aux autres resistances et son effet sur le gain de tension devient alors negligeable.
A = —9m (RD\\RL)
l+9mRs + ^ ^ (3.4)
AI D
AVr GS (3.5)
Un condensateur Cs aurait egalement pu etre mis en parallele a la resistance Rs- II aurait permis d'augmenter le gain de tension de ramplificateur. Par contre, pour ne pas influencer la reponse en frequence de l'ampli, sa valeur aurait du etre beaucoup plus elevee que les autres elements capacitifs du circuit. Done, il en aurait resulte une augmentation considerable de la taille du circuit. Sa frequence de coupure est donnee par l'equation
fcs 2ir(Rs\\(rd + (RD\\RL)))Cs ( 3"6 ) La presence des condensateurs vient influencer l'equation 3.1 par l'introduction d'un
dephasage. En effet, le condensateur COUT &git comme un filtre passe-haut. La frequence
de coupure (/cot7T) est defmie par l'equation suivante :
fcouT 2n ((RD\\ (rd + Rs)) + RL) COUT ( 3"7 ) Cela amene un dephasage qui depend de la frequence d'oscillation (/) :
4>CouT = arctan (f°<m\ (3-8)
Les capacites parasites du transistor viennent egalement influencer la frequence d'ope-ration 3.1. Elles agissent par contre comme filtres passe-bas. Elles auront done pour effet de diminuer la frequence d'oscillation du capteur. En fait, e'est la frequence maximale d'operation des transistors qui determinera le dephasage. L'equation 3.9 represente le de-phasage (0) obtenu en fonction de la frequence d'operation theorique (/) et la frequence
d'operation maximale du transistor (fmax)- Etant donne que le circuit comporte deux
etages, le dephasage obtenu doit etre double.
cj> = - arctan ( -j— j (3.9)
\ J max J
3.7 Attenuateur
Etant donne que le gain de l'amplificateur est superieur a 3, un circuit doit permettre de controler le gain pour s'assurer d'eviter la saturation du signal. Comme le controle du gain impliquerait l'ajout de composantes supplementaires qui, dans la pratique, pourraient rendre le circuit difficile a realiser, une strategic de controle sommaire de 1'impedance de charge est proposee. En effet, l'impedance de charge est un parametre qui influence le gain en tension d'un etage d'amplification. Done, l'idee est d'avoir une charge elevee (faible resistance) lorsque le gain est trop eleve et l'inverse lorsque le gain est trop faible. Cela se traduit par le circuit de la figure 3.6, ou RF est beaucoup plus grand que RC
-V I N O - -O VOUT
i D i V D j
RF
Figure 3.6: Schema eleetrique de l'attenuateur propose
Etant donne que les diodes sont des elements non-lineaires, ce circuit entraine une certaine distorsion du signal (ajout d'harmoniques non-desirables). Le choix des valeurs de Rp et Re devra etre fait de maniere judicieuse pour diminuer l'effet indesirable de cette configuration. Egalement, pour que ce circuit fonctionne, le point d'operation de la grille de l'etage suivant devra etre en dega du seuil des diodes, e'est-a-dire autour de 0 V.
3.8 Circuit propose
A partir des elements apportes dans la section 3, la figiire 3.7 montre le circuit propose pour l'application. On remarque les deux etages d'amplification, le filtre RC a l'entree du premier etage et l'attenuateur a l'entree du deuxieme. C'est d'ailleurs le meme circuit qui a ete utilise dans l'etude precedente [LEBEL, 2004]. Par une meilleure caracterisation
des composants en temperature, il est permis de croire qu'une optimisation du design pourra etre effectuee. Ainsi, les valeurs des resistances et des condensateurs pourraient etre appelees a changer. Notamment, la puissance dissipee par ce circuit est importante pour etre miniaturisee.
3.9 Conclusion
Ce chapitre avait pour objectif d'expliquer le concept de capteur que Ton veut realiser. Tout d'abord, on a precise comment fonctionne la transduction de temperature. Ensuite, on a donne les raisons pour lesquelles la topologie de l'oscillateur en pont de Wien a ete
Figure 3.7: Schema electrique du circuit propose
retenue. Finalement, chaque partie de l'oscillateur a ete analysee pour ensuite presenter le schema electrique du circuit.
Chapitre 4
Presentation des resultats
Ce chapitre explique les etapes ayant permis la realisation du capteur. Egalement il donne les resultats des tests de performance effectues. Tout d'abord, on explique comment le banc de test pour faire des mesures a haute temperature a ete fabrique. Ensuite, on aborde la fabrication du circuit servant a la caracterisation des composantes en tempe-rature et on donne les resultats. Puis, connaissant le comportement des composants en temperature, on fait ensuite la conception du circuit. Finalement, le circuit est fabrique et des tests de performances sont effectues.
4.1 Banc de test pour la haute temperature
Afin de faire l'acquisition de donnees a haute temperature, un banc de test a du etre fabrique.
Premierement, un four pouvant atteindre une temperature superieure a 1000 °C a ete utilise (figure 4.1). Ce four a ete modifie pour qu'une acquisition de temperature puisse etre effectuee a l'aide d'une jonction thermocouple de type K. Egalement, un circuit electrique comprenant un relais a ete ajoute afin de pouvoir allumer et eteindre l'element chauffant du four de fagon automatisee. Les dimensions internes du four sont de 4 x 4 x 9 po3. Sur sa facade arriere, un trou de 3/4 po de diametre permet l'acces d'un cable electrique vers l'interieur du four.
Deuxiemement, il a fallu fabriquer une station de mesure pouvant facilement etre inse-ree a l'interieur meme du four. Cette station devait comprendre un support pour
l'echan-Figure 4.1: Four haute temperature
tillon, plusieurs pointes permettant de realiser des contacts electriques avec l'echantillon et finalement, un systeme permettant l'acquisition de temperature le plus pres possible de l'echantillon. La conception de cette station a ete faite de facon a ce que les materiaux utilises puissent resister a une temperature de 850 °C. Cette temperature doit souvent etre atteinte pour le procede de fabrication des circuits hybrides. Le tableau 4.1 indique la liste du materiel utilise pour fabriquer cette station de mesure.
Tableau 4.1: Materiel servant a fabriquer la station de mesure sous pointe
Composant Nuniero de piece Temperature Commentaires maximale (°C)
Ceramique de verre d'usinage Fils haute temperature Dispositif de calage Vis, ecrous, rondelles Plaquage d'or Sonde thermocouple Brique refractaire
Ciment a poele et a joints
McMaster 8489K242 AWC MG22 -_ -Omega XC-24-K-36 IMG KK0156 IMG KK0067 1000 1000 -_ -1250 1200 1650 4"x4"xl/8"
Cuivre plaque nickel, multibrains, AWG 22 0.015" d'epaisseur, acier inoxydable 4-40 1/2", acier inoxydable 24 carat type K, AWG 24, 36"
dans la brique refractaire, ont ete collees avec le ciment a poele sur la ceramique d'usinage. Les pointes ont ete fabriquees avec le dispositif de calage en acier inoxydable. Puis, par un soudage au TIG1 sans apport, elles ont ete jointes aux fxls haute temperature. Finalement, un bijoutier a plaque d'or les pointes afin qu'elles resistent a l'oxydation thermique.
Figure 4.2: Station de mesure haute temperature
Le bon fonctionnement de la station de mesure a ete evalue en mesurant, sur plusieurs cycles thermiques, (25-600 °C) la resistance totale de deux pointes (attachees a deux fils haute temperature de 3 pi) sur une surface d'or. Cette resistance est negligeable a la temperature de la piece et ne depasse pas 0,7 ri a 600 °C. Cette augmentation s'explique par la variation de la resistivite du cuivre, principal conducteur des fils.
Finalement, un systeme d'acquisition de donnees a ete implante pour faire la regulation de la temperature et la lecture des parametres desires. L'application a ete concue sur Lab View avec les cartes d'acquisition USB-6008 et USB-9211A de National Instruments. L'algorithme de commande du four etait de type marche-arret.
4.2 Circuit hybride de caracterisation
Afin de faire des tests de caracterisation electrique et de soudure mecanique, un circuit hybride a ete fabrique. En effet, sur une plaque d'alumine de 1 x 1 po2, une deposition d'une couche epaisse de pate d'or (Rohm and Haas, C4556) par un procede de serigraphie a ete effectuee (figure 4.3). Les larges carres en bordure de la plaque servent a placer les pointes necessaires aux contacts electriques. En haut de la plaque, un espace permet de placer un transistor. Au milieu et en bas, les espaces permettent de placer des resistances ou des condensateurs. On remarque que des composants ont ete places afin de montrer l'espace qu'ils occuperaient.
1.00 po T^anbiSiOi " \ I • 1 Condensateur Resistance I ,—.Jk.,.
r\
JFigure 4.3: Dessin du circuit hybride de caracterisation
4.3 Collage des composants
Afin de coller les composants electroniques sur le circuit hybride, il fallait realiser un collage ayant a la fois une bonne conductivity electrique et une bonne adherence meca-nique. Les techniques de la pate d'or et de l'epoxy d'argent (voir sous-section 2.4.4) ont ete evaluees experimentalement.
Pate d'or
Etant donne l'objectif ultime du projet, qui est un fonctionnement en temperature jusqu'a 600 °C, la technique de la pate d'or a d'abord ete evaluee. En effet, cette technique a ete demontree pour une temperature superieure a 500 °C [CHEN et coll., 2001a]. Tout d'abord, un test de soudure avec la pate d'or disponible a ete realise. La pate utilisee est la meme que celle ayant servi pour la fabrication du circuit hybride de caracterisation (Rohm and Haas, C4556). A l'aide d'une pointe, une trace de pate a ete deposee aux endroits ou un collage etait desire. Ensuite, des composantes electroniques passives ont ete deposees. Des cuissons a 600, 700 et 850 °C ont ete effectuees et pour toutes ces temperatures, le collage a reussi. Afin de tester le procede de collage, un test de vibration standard utilise pour les circuits imprimes a ete effectue [ T Y C O , 2002]. Ainsi, une plaque de ceramique sur laquelle des pieces electroniques avaient ete collees, a differentes temperatures de cuisson, a ete soumise a un test de vibration. Ce test consistait a soumettre la plaque a une acceleration laterale de 0,5 G pour des frequences de 10 a 50 Hz et de 1,5 G pour des frequences de 50 a 500 Hz. Ce test a ete realise avec un pot vibrant et un montage muni d'un accelerometre. La duree de l'experience a ete de 5 heures et aucune piece n'a decolle. La figure 4.4 montre des photos prises au microscope electronique de la pate d'or chauffee a differentes temperatures. On constate tres bien la presence de granules a 125 et 600 °C. Par contre, a 700 °C, on constate que les grains d'or se sont fusionnes et que la surface est beaucoup plus lisse. La figure a 850 °C montre le resultat a la temperature recommandee de cuisson. D'apres ces photos, la temperature d'agglutination de la pate se situe entre 600 et 700 °C.
A partir de ces resultats, il a done ete decide de coller un transistor par cette technique en utilisant une cuisson a 650 °C. Le collage a reussi, mais e'est a l'etape du branchement par la microsoudure de fils d'or qu'il decollait. Des fils d'or et d'aluminium ont ete essayes sans succes. Toutefois, cette technique de soudure aura permis de faire la caracterisation des resistances et des condensateurs. Constatant que la temperature d'operation maximale des condensateurs serait d'environ 400 °C, d'autres strategies de collage ont ete envisagees.
Epoxy d'argent
A la fin de la sous-section precedente, on constate que le collage avec la pate d'or n'est pas assez solide pour effectuer le microsoudre par fil par apres. Pour cette raison, la methode de l'epoxy d'argent, qui est une forme de colle conductrice, a ete essayee. Elle
2um EHT» 1.00 KV Signal A = InLens Dale :17 Jul 2006 Mag= 3.19KX { 1 W D » 3mm Photo No.« 4939 Timo:13:31,36
(a) Sechage a 125 °C (b) Cuisson a 600 °C
(c) Cuisson a 700 °C (d) Cuisson a 850 °C
Figure 4.4: Photos de la pate d'or C4556 pour differentes cuissons a) Sechage 125 °C b) 600 °C c) 700 °C d) 850 °C
est couramment utilisee dans le collage de composants electroniques. Une variete de colle servant normalement pour des applications a haute temperature a ete selectionnee
(EPO-TEK E3084) [EPOXY TECHNOLOGY, 2007]. Cette colle est specifiee, selon le fabricant,
pour une operation jusqu'a 200 °C. Par contre, selon le fabricant, sa temperature de degradation est de 550 °C. Une trace de pate a done ete deposee sur une plaque de ceramique servant a faire la caracterisation puis une composante passive a ete deposee par-dessus. Ensuite, une cuisson a 250 °C d'une heure a ete effectuee a l'aide d'une plaque chauffante. La cuisson permet d'activer la colle qui se solidifie ensuite. Ainsi, l'echantillon a ete chauffe a une temperature de 500 °C et les composantes tenaient tres bien apres un cycle thermique. Finalement, des transistors ont ete colles et tenaient tres bien lors de l'etape de la microsoudure par fil.
4.4 Caracterisation des composants
Etant donne que les proprietes electriques des composants que Ton veut utiliser ne sont pas donnees par le fabricant sur la plage de temperature, la caracterisation des com-posants devra etre effectuee. Ces donnees permettront de s'assurer que les pieces utilisees supportent un fonctionnement a haute temperature. Egalement, elles permettront de vali-der le fonctionnement du circuit sur la plage de temperature. Cette section donne done les resultats de la caracterisation des transistors MESFET, des condensateurs en ceramique et des resistances en couches epaisses.
4.4.1 MESFET
On peut classer les parametres electriques du transistor en deux categories, ceux petits signaux et ceux grands signaux. Ces derniers permettent de determiner la plage ou le transistor sera utilise et ceux petits signaux sont le comportement du transistor dans cette plage. Les parametres du transistor qui vont suivre ont ete mesures a partir des courbes ID en fonction de VDS et VGS- Tout d'abord, la figure 4.5 montre le circuit utilise pour caracteriser le transistor. Ce circuit a ete utilise parce que les niveaux de tension de la carte d'acquisition utilisee (USB-6008 de National Instrument) etaient trop bas pour caracteriser adequatement le transistor. Ce montage permettait done de controler, a partir d'une tension de 0-5 V, un transistor avec des tensions de ±15 V. Le transistor mesure se trouve dans l'espace en pointille. II est a noter que le type d'amplificateur operationnel utilise est le LT1490 de Linear, choisi parce que la plage de sa sortie se rend jusqu'aux
tensions d'alimentation (rail-to-rail). Egalement, la figure 4.6 donne un apergu des donnees qu'il fallait ensuite traiter. A chaque intervalle de temperature, une nouvelle surface etait mesuree. La partie manquante (en blanc) de ce graphique provient simplement du fait que le courant etait trop eleve pour etre mesure avec le montage presente. Le transistor a ete caracterise jusqu'a 600 °C. Toutefois, la temperature la plus elevee pour laquelle un comportement normal a ete mesuree est de 583 °C.
VDD = 15V Vss = -15V AO0 -AAAr-H Controle de la tension de grille (0-5 V) 10 kO A 0 1 ContrSle du courant dans le drain (0-5 V) AAArt 100 kQ
AI0 = Mesure du courant ID AH = Mesure de la tension VDs
AI2 = Mesure de la tension VGS
OVDD MJE2955T 1 D • AI0+ • A I 0 - , AI1 + CRF24010 : • AI1-,
AI2-Figure 4.5: Circuit de mesure pour le transistor
Tension deactivation
La tension d'activation ou de seuil Vth est un parametre « grands signaux » important.
Elle determine la tension VGS au-dessus de laquelle le transistor doit operer. Cette tension aura tendance a diminuer avec l'augmentation de temperature (section 2.1.5). Normale-ment, lorsque Ton trace ID en fonction de VGS, cette tension correspond a l'intersection de la partie constante et de la partie parabolique de la courbe. La figure 4.7 montre une courbe typique ID en fonction de VGS- L'intersection de ces deux fonctions est souvent
arbitraire. Dans le cas de la mesure, elle a ete determinee de maniere a minimiser l'ecart
du modele par rapport aux donnees reelles. La figure 4.8 montre l'effet de la temperature sur la tension d'activation. On constate effectivement la diminution de la tension d'acti-vation avec la temperature. Egalement, la tension de seuil maximale est d'environ -8,8 V. Finalement, le polynome approximant cette fonction est donne.
Figure 4.6: Courbe typique ID (jusqu'a 100 mA) en fonction de VQS et VDS (T = 402 °C)
0.09
VGS(V)
