Capteur intégré tactile d`empreintes digitales à microstructures piezoré

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
N° attribué par la bibliothèque
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THESE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L'INPG
Spécialité : MICROELECTRONIQUE
préparée au laboratoire TIMA
Dans le cadre de l'Ecole Doctorale
ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE, TELECOMMUNICATION,
SIGNAL
présentée et soutenue publiquement
par
Fabien PARRAIN
le 02 décembre 2002
Titre :
Capteur intégré tactile d'empreintes digitales à microstructures piezorésistives
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Directeur de thèse :
Docteur Bernard COURTOIS
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JURY
M. Christian SHAEFFER , Président
M. Tarik BOUROUINA , Rapporteur
M. Dominique COLLARD , Rapporteur
M. Bernard COURTOIS , Directeur de thèse
M. Benoît CHARLOT , Co-encadrant
M. Alain BOSSEBOEUF , Examinateur

Remerciements
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1
REMERCIEMENTS :
Je tiens, avant tout, à remercier M. Bernard COURTOIS, le directeur du laboratoire TIMA et
du CMP, pour m'avoir accueilli au sein du groupe Microsystème (groupe MCS récemment rebaptisé
MNS pour Micro et Nano Systèmes) et pour m'avoir fourni tous les moyens nécessaires au bon
déroulement de cette thèse de doctorat.
Je remercie particulièrement M. Benoît CHARLOT avec qui j'ai étroitement collaboré durant les trois
années passées au sein du laboratoire TIMA, ainsi que M. Salvador MIR qui a guidé mes premiers pas
en conception analogique intégrée.
Je remercie M. Hubert DELORI pour son éternelle bonne humeur ainsi que M. Alexandre
CHAGOYA, ingénieur système au CIME, qui est certainement l'homme le plus serviable qui m'a été
donné de rencontrer jusqu'à ce jour.
Je remercie les membres de mon jury, M. Tarik BOUROUINA et M. Dominique COLLARD pour
avoir consacré une partie de leur temps afin de juger mon travail, M. Christian SCHAEFFER pour
avoir accepter de présider ma thèse et M. Alain BOSSEBOEUF pour m'avoir fait l'honneur d'y
participer.
Je remercie chaleureusement tous les actuels ou anciens membres du groupe Microsystème : Zein,
Skandar, Libor, Slava, et plus particulièrement ceux du fameux bureau 120 : Damien, Sergio, Nicolas,
Guillaume ainsi que l'inévitable Christian.
Un grand merci à l'équipe du CMP et plus particulièrement à M. Kholdoun TORKI ainsi qu'à M. Jean-
François PAILLOTIN qui a été obligé de fermer les yeux sur de si nombreuses erreurs de DRC …
Je remercie aussi l'équipe administrative du TIMA et plus particulièrement Isabelle (elle se
reconnaîtra …) ainsi que Chantal pour leur gentillesse et leur serviabilité.
Enfin, je remercie Isabelle pour avoir supporté toutes ces années durant lesquelles je me suis exilé loin
d'elle.

Table des matières
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3
TABLE DES MATIERES :
Chapitre I : Introduction.......................................................................................................13
I.1 Les microsystèmes.................................................................................................................13
I.2 Marché des microsystèmes....................................................................................................14
I.3 Structure du mémoire de thèse ..............................................................................................14
Chapitre II : Etat de l'art ...................................................................................................... 17
II.1 Introduction ...........................................................................................................................17
II.2 La biométrie comme méthode d'identification ......................................................................17
II.3 L’empreinte digitale ..............................................................................................................19
II.3.1 Caractéristiques d’une empreinte digitale........................................................................19
II.3.2 Méthode d’extraction de la signature et de reconnaissance de l’empreinte digitale........20
II.4 Les capteurs d’empreintes digitales.......................................................................................22
II.4.1 Les capteurs d'empreintes digitales macroscopiques .......................................................22
II.4.2 Les capteurs intégrés d'empreintes digitales ....................................................................24
II.5 Conclusion.............................................................................................................................31
Chapitre III : Conception et réalisation............................................................................... 33
III.1 Introduction ...........................................................................................................................33
III.2 Capteur tactile réalisé par micro-usinage en volume.............................................................33
III.2.1 Principe de fonctionnement du capteur .......................................................................34
III.2.2 Cahier des charges .......................................................................................................35
III.3 La piezorésistivité..................................................................................................................36
III.3.1 La piezorésistivité dans le cas du silicium monocristallin...........................................36
III.3.2 Facteurs de jauge .........................................................................................................39
III.3.3 Récapitulatif concernant les facteurs de jauge.............................................................42
III.3.4 Explication physique du phénomène ...........................................................................42
III.3.5 Piezorésistivité du silicium polycristallin....................................................................44
III.3.6 Conclusion sur la piezorésistivité ................................................................................45
III.4 Le micro-usinage en volume .................................................................................................45
III.4.1 La gravure anisotrope du silicium : généralités...........................................................46
III.4.2 Le micro-usinage en volume par la face avant ............................................................50
III.4.3 Le micro-usinage en volume par la face arrière .......................................................... 52
III.4.4 Le micro-usinage en volume mixte par la face avant et arrière...................................53
III.4.5 Le micro-usinage électrochimique ..............................................................................53
III.4.6 Détermination des temps de gravure : Calculs et simulations .....................................54
III.4.7 Conclusion sur le micro-usinage en volume................................................................ 58