Conception et réalisation de références de tensions alternatives à

THÈSE
En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par l’université Toulouse III – Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : MicroNano Systèmes
JURY
M. Skandar BASROUR, Université Grenoble, TIMA
M. Tarik BOUROUINA, Université Paris Est, ESIEE
M. Pascal NOUET, Université Montpellier II, LIRMM
M. Thierry PARRA, Université Toulouse III, LAAS
M. Gerold SCHRÖPFER, Coventor
Ecole doctorale : GEET
Unité de recherche : LAAS - CNRS
Directeur de Thèse : Henri CAMON
Co-directeur de Thèse: Alexandre BOUNOUH
Présentée et soutenue par François BLARD
Le 29 septembre 2011
Titre : Conception et réalisation de références de tensions
alternatives à base de MEMS

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Remerciements
Le travail présenté dans ce manuscrit de thèse, s’inscrit dans le cadre d’un projet
CIFRE, collaboration entre le groupe Nano Ingénierie et Intégration des Systèmes du
Laboratoire d’Analyse et d’Architecture des Systèmes (L.A.A.S.) et du pôle de recherche en
métrologie avancée du Laboratoire National de Métrologie et d’Essais (L.N.E.).
Je tiens tout d’abord à remercier Monsieur Thierry PARRA, Professeur à l’université
Paul Sabatier et au laboratoire LAAS-CNRS pour avoir accepté de présider le jury de cette
thèse.
Je remercie également Messieurs Tarik BOUROUINA Professeur à l’ESIEE,
université Paris Est et Pascal NOUET professeur au LIRMM, université Montpellier II
d’avoir accepté d’être rapporteurs,
Je remercie aussi Messieurs Skandar BASROUR Professeur au TIMA, INP Grenoble
et Gerold SCHRÖPFER de la société COVENTOR pour avoir accepté d’évaluer ce travail et
faire partie du Jury de cette thèse.
Il m’est particulièrement agréable de remercier Messieurs Raja CHATILLA, Jean-
Louis SANCHEZ et Jean ARLAT directeurs successifs du LAAS pour m’avoir accueilli dans
leur laboratoire.
Je remercie tout particulièrement mes directeurs de thèse Henri CAMON Directeur de
Recherche au LAAS et Alexandre BOUNOUH ingénieur de recherche pour leurs conseils
scientifiques, leurs disponibilités et le temps passé à la relecture de mon manuscrit de thèse.
De plus je remercie les différentes personnes qui ont contribué à l’avancement de ce
projet. Plus particulièrement Denis BELIERS pour ces conseils et connaissances en
électronique, le service TEAM de la salle blanche du LAAS notamment Samuel CHARLOT
pour sa disponibilité, son temps et son efficacité ainsi que Djafar, Laurent, David et Adrian.

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Je tiens aussi à remercier Aurélie CRUAU de la société Coventor pour m’avoir
apporté ses conseils et connaissances sur le travail de modélisation avec qui ce fut un plaisir
de travailler.
Je souhaiterais également remercier François OLIVIER et Jonathan BOUCHER pour
leur aide et les longues heures passées en salle de caractérisation devant la DLTS.
J’adresse aussi mes remerciements à mes collègues du LNE, François, Patrick, Djamel,
André, Mickael, Hervé Alain et Dominique qui m’ont accueilli chaleureusement au sein de
leur groupe.
Je n’oublie pas non plus l’ensemble des thésards et amis du LAAS et tout particulièrement
Ahmed, Hamida, Hamada, Jérôme, Jonathan, Lamine, Maeva, Stéphane, Sébastien, Sergio et
Sofiane pour ces moments passés ensemble et dont je garde un très bon souvenir.
Enfin je finirais par remercier ma famille qui a su être toujours présente depuis le début et
dans les moments difficiles, merci à mes parents et à ma sœur pour leur soutien et leurs
encouragements sans qui je ne serais pas ici aujourd’hui.

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Table des matières
Introduction générale.......................................................................................... 9
Chapitre I : Références de tension et Microsystèmes ........................................ 13
I. Le Système international d’unités (SI) .......................................................... 13
I.1. Historique et évolution du SI ...................................................................................... 13
I.2. Mesures, grandeurs et unités ....................................................................................... 14
I.3. Définition, réalisation et conservation d’une unité ...................................................... 16
II. Les références de tension électrique ............................................................. 16
II.1. Références de tension en courant continu .................................................................. 17
1.1 Effet Josephson ....................................................................................................... 17
1.2. Diode Zener ........................................................................................................... 19
1.3. Autres principes ..................................................................................................... 21
II.2. Référence de tension en courant alternatif ................................................................. 23
2.1. Effet Josephson ...................................................................................................... 23
2.2. Transfert thermique ................................................................................................ 25
III. Les Systèmes Micro-Electromécaniques (MEMS) ..................................... 26
III.1. Introduction ............................................................................................................. 26
III.2. Techniques de fabrication ........................................................................................ 30
III.3. Les MEMS appliqués à la métrologie ....................................................................... 32
IV. Références de Tension à base de MEMS .................................................... 34
IV.1. Principe de fonctionnement ...................................................................................... 34
1.1. Actionnement par une tension continue .................................................................. 34
1.2. Actionnement par courant alternatif ....................................................................... 37
IV.2. Stabilité des références de tension MEMS................................................................ 39
2.1. Stabilité mécanique ................................................................................................ 39
2.2. Paramètres électriques ............................................................................................ 39
IV.3. Rappels des objectifs du travail de thèse .................................................................. 43
Chapitre II : Conception des Microsystèmes .................................................... 45
I. Architectures MEMS .................................................................................... 45