Caractérisation mécanique des matériaux pour les microsystèmes par l'essai de flexion
Institution:
BesançonDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The airn of this study is the determination of the mechanical properties of thin films. The bending test is exposed here (cantilever and clamp-clamp). After the classical thin films investigations techniques were presented, the behaviour laws of the beam under shear stress are made clear taking into account different boundary conditions and working assomptions. Otherwise a formulation relating to residual stresses (mechanical and thermal) in multilayers is carred out. A description of the mechanical set-up is proposed. The displacement measure problem is taking up through ihe optical methods used : interferometry and imagery which allows to obtain the displacement cartography of each point of the beain side. The validation of the test is performed by using thin single crystal silicon bearns (50 to 400 microns lateraly dimensions) realised by pholithography and chemical etching. Experimental results are fitting by nurnerical calculation (analytical and F. E. ) which allows to valid the test. Bed. Many problems are pointed out like surface roughness and clamping definition on mechanical behaviour of thin films. Afterwards an elastic and elastoplastic mechanical characterisation of electrodeposited nickel beam are realised with determination of strain hardening law for this material. Finally, the set-up developed during this work allows to look for many mechanical charactèrlsation of thin films.
Abstract FR:
L'objectif de l'étude est la détermination de propriétés mécaniques des matériaux en faible épaisseur ou films minces. L'essai présenté ici est la flexion de poutres (encastrée-libres ou encastrée-encastrées). Après avoir exposé les principales méthodes d'investigation des films minces, on explicite les lois de comportement d'une poutre fléchie sous effort tranchant en envisageant diverses conditions aux limites et hypothèses de travail. Par ailleurs, une formulation relative aux problèmes de contraintes résiduelles (mécanique et thermique) dans les structures bicouche est réalisée. Une description de la machine d'essai conçue et réalisée est ensuite proposée. Le problème de l'extensométrie est abordé et on expose les méthodes optiques mises en oeuvre pour mesurer les déplacements : interférométrie et imagerie qui permettent d'obternr une cartographie des déplacements hors plan de l'échantillon. L'essai est validé en utilisant des poutres de silicium monocristallin de 50 à 400 μm de dimensions latérales réalisées par photolithographie et gravure chimique au KOH. Les résultats expérimentaux sont comparés à un ensemble de calculs numériques ( analytiques et E. F. ) et la corrélation des valeurs obtenues permet de considérer l'essai comme valable. Divers problèmes sont mis en évidence, tels que l'influence de la rugosité des surfaces et la définition des encastrements sur le comportement mécanique des films minces. Une caractérisation mécanique de poutres en nickel électrodéposé par technique LIGA est ensuite réalisée dans les domaines élastique et élastoplastique avec détermination d'une loi d'écrouïssage isotrope pour ce matériau. Finalement, l'appareillage élaboré pendant ce travail de thèse permet d'envisager de nombreuses études de caractérisation de films minces se présentant sous forme de poutres encastrée-libres ou encastrée-encastrées.