Deux contributions principales liées aux propriétés pyroélectriques et piézoélectriques du GaN et de l’AlGaN permettent la détection de la déformation des matériaux.

Premièrement, à l'interface d’une hétérostructure AlGaN/GaN, un gaz bidimensionnel d'électrons provient de la différence de polarisation spontanée entre les deux matériaux. Lorsque la poutre vibre, chaque matériau subit à l’interface la même déformation, mais la différence de propriétés piézoélectriques entre les deux matériaux entraîne une différence de polarisation ce qui induit une charge électrique fixe.

Deuxièmement, lorsque la poutre vibre, l'ensemble du volume du GaN génère une charge fixe dont la densité peut se calculer par la divergence du champ de polarisation piézoélectrique.

Dans les deux cas, pour assurer la neutralité électrique, les charges fixes de polarisation seront compensées par une charge libre au niveau du gaz d’électrons bidimensionnel relié aux contacts ohmiques représentés en violet sur la figure.

L’accéléromètre (voir la figure) est réalisé en combinant une poutre résonante et une masse d’épreuve.

Les composants sont réalisés sur des échantillons constitués d’une hétérostructure AlGaN/GaN épitaxiée sur silicium optimisée initialement pour des transistors à effet de champ de type HEMT. La croissance de GaN sur silicium ne peut se faire qu’au prix d’une contrainte résiduelle dans le GaN. Ce phénomène, dû au désaccord de paramètre de maille entre le GaN et le Si et à la différence du coefficient de dilatation entre les deux matériaux, doit être maîtrisé afin de pouvoir libérer des poutres qui ne soient pas déformées par flambage et dont la fréquence de résonance soit contrôlée de façon reproductible. Par ailleurs, nous devons pouvoir contrôler l’épaisseur totale des couches en GaN puisqu’elles dimensionnent l’épaisseur des poutres et leur fréquence de résonance. Les recherches en croissance de matériaux ont été effectuées par le CRHEA sous la responsabilité d’Yvon Cordier.

Le résonateur est libéré par gravure chimique et plasma. Le substrat en silicium est également gravé. La contrainte résiduelle dans le résonateur permettra une détection par augmentation ou réduction de la contrainte.

La masse d’épreuve ("seismic mass") est libérée et maintenue par quatre bras ("guiding arm"). Elle est également reliée à une extrémité du résonateur (GaN beam). Pour cette partie, le substrat en silicium est conservé pour obtenir une masse suffisante.

Pour mesurer l’accéléromètre, on le monte sur un « pot vibrant » qui est un support oscillant à une fréquence faible (20 Hz). La réponse de l’accéléromètre est obtenue en mesurant la phase du signal de sortie du résonateur (GaN Beam) en fonction du temps. Le signal montre que l’accéléromètre est opérationnel et que sa réponse est proportionnelle à l’accélération appliquée (figure). Vous pouvez trouver plus d’explications dans les publications.