Bancs de mesure

Trois bancs de caractérisation ont été utilisés pour tester les micro-capteurs ChemFETs. L’étude des caractéristiques est réalisée à travers trois types d’ions, l’ion potassium K⁺, l’ion sodium Na⁺ et l’ion hydrogène H⁺, ainsi qu’à travers l’activité bactérienne d’une bactérie lactique (le lactobacillus acidophillus).

• Premier banc

Ce banc de mesure comprend un pico-ampèremètre avec générateur de tension (HP4140B) piloté par un PC, une cage de Faraday et une électrode de référence (figure 2.56). Comme nous le verrons sur les deux autres bancs de caractérisation, la cage de Faraday n’est pas indispensable, elle sert plus à protéger le capteur ChemFET des variations de lumière que du bruit parasite. Ce banc permet de mesurer l’intensité du courant circulant entre le drain et la source (Ids) soit pour des variations de Vgs lorsque Vds est constant, soit pour des variations de Vds lorsque Vgs est constant. Ceci permet de visualiser les courbes caractéristiques du capteur chimique qui sont similaires à celles d’un transistor MOS. Pour toutes nos mesures, nous avons appliqué une rampe de tension de vitesse dV/dt constante. A travers l’analyse des courbes réalisées, nous pouvons estimer la valeur du courant de fuite Ioff et le choix du régime de fonctionnement optimal des ChemFETs. Nous pouvons également extraire des courbes de sensibilité à partir des courbes de transfert.

Figure 2.56 : Banc de caractérisation avec le HP4140B

L’inconvénient de ce banc de caractérisation est lié à l’impossibilité d’effectuer l’analyse du fonctionnement des ChemFETs en temps réel.

• Deuxième banc

Ce banc de mesure nous permet donc l’étude du temps de réponse et de la sensibilité des capteurs en continu. Il est basé sur l’utilisation d’un système fluidique (figure 2.57). Il est constitué de plusieurs burettes automatiques, un agitateur magnétique avec plaque chauffante,

ChemFET Cage de Faraday

HP4140B

d’une pompe, d’un débitmètre, d’une chambre spécifique et d’un ChemFET-mètre. Le tout est piloté par un PC à travers une carte RS232 qui assure la liaison vers les différents équipements. Le logiciel ainsi que le pilotage des équipements ont été réalisés au laboratoire par le service 2I (figure 2.58). Le ChemFET-mètre a été réalisé lors de la thèse de Melle Iryna HUMENYUK [14] en collaboration avec le service 2I (figure 2.59).

L’enregistrement des données se fait par voie informatique. Ce système permet d’effectuer la caractérisation des capteurs ChemFETs pendant 24H maximum. Ces données sont enregistrées dans un format compatible pour Excel. Le logiciel développé permet de visualiser en temps réel le comportement des capteurs chimiques ainsi que les paramètres extérieurs (température, débit, …). La chambre spécifique permet de caractériser simultanément plusieurs capteurs ChemFETs, elle contient également un capteur de température et des électrodes commerciales spécifiques. Le ChemFET-mètre permet le fonctionnement des microcapteurs ChemFETs autour d’un point de polarisation. Son principe de fonctionnement est le suivant : la tension de grille est fixe et est reliée à la masse Vg = 0, le courant et la tension drain-source sont également fixés (Ids = cte et Vds = cte) sur un point de polarisation, ils sont réglés manuellement à l’aide d’une résistance variable. Lors d’une variation de la concentration de l’ion à détecter dans la solution, il y a variation de la tension Vgs à travers la variation de la tension de source et donc également à travers la variation de la

Figure 2.57 : Banc de mesure du système fluidique

RS232 Pilotage des équipements

Enregistrement des données en continu agitateur/chauffage Pompe Capteur de T ChemFETs Electrode de réf . ChemFETs Débitmè tre Solution à analyser ChemFET - mètre Burette 1 Burette 2 Burette 3 Burette 4

tension de drain (Vds = cte) afin que le transistor reste au même point de polarisation. C’est finalement le relevé continu de cette tension (Vgs) qui donne directement la concentration de l’ion. Le point de polarisation du ChemFET est choisi à partir des courbes Ids (Vgs) réalisées sur le premier banc de caractérisation.

Figure 2.58 : fenêtre de commande du deuxième banc de caractérisation

• Troisième banc

Ce banc est un testeur sous pointe modifié pour les systèmes de microfluidique. Il est composé d’une table XYZ, d’un support de pointe, d’un pousse-seringue, d’une caméra plus un écran (figure 2.60 et 2.61). Le tout est piloté par un PC via les ports USB et RS232 à travers un logiciel également développé au laboratoire par l’équipe 2I (figure 2.62). L’appareil de mesure utilisé peut être soit le HP4140B, soit le ChemFET-mètre. Les courbes sont tracées directement et en temps réel sur l’écran du PC. Les mesures de caractérisation peuvent être faites soit directement sur des composants non découpés d’un substrat silicium en technologie 4 pouces, soit sur des composants déjà découpés, soit sur des composants encapsulés dans le système microfluidique en PDMS. Le pas de la table XYZ est de 1µm ce qui nous permet de réaliser des mesures matricielles afin de cartographier une plaquette ou une série de capteur avant l’encapsulation. Le système d’injection des fluides permet le dépôt d’une goutte directement sur la zone sensible du capteur d’un volume minimum inférieur au millilitre ou bien une injection continue dans le système de microfluidique en PDMS. Lors de la caractérisation des capteurs ChemFETs qui n’ont pas d’électrode de référence incorporée, celle-ci est assurée par une des aiguilles en oxyde de tungstène du testeur sous pointe qui a été métallisée à l’or.

Figure 2.60 : Banc de caractérisation sous pointe

HP4140B x Y z Pousse seringue Table XYZ ChemFET-mètre Ecran Caméra Capteur Pointe