II.5.1. Configuration d’une puce
Une puce contient 16 capteurs, présentant des tailles de plaque et des formes de canal fluidique différentes d’un modèle à l’autre.
Les bords de la puce sont munis de petits créneaux de 2 mm de long sur quelques centaines de µm de large afin de positionner cette dernière de manière précise dans la plateforme de tests développée en vue de son intégration dans le banc expérimental complet.
Figure 86 – Différentes vues d'un capteur carré de 200 µm de côté. Vue en coupe horizontale Vue en coupe verticale Vue en 3D
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Figure 87 – Vue schématique d'un résonateur et photographie d'une puce complète.
Figure 88 – Vues schématiques d'un des 16 résonateurs d'une puce. Les électrodes de signal sont disposées de part et d'autre du résonateur, et deux canaux principaux acheminent le fluide en vue du remplissage du canal intégré.
FLUIDE 1 FLUIDE 2 1 puce = 16 capteurs Courant motionnel (𝒊𝒐𝒖𝒕) Tension AC (𝒗𝒂𝒄)
Canal fluidique vu en coupe horizontale
Canaux principaux
Résonateur
Bypass
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II.5.2. Répartition des capteurs sur la puce et vue schématique complète
Dans le cas des puces de la génération G2 caractérisées au cours de cette thèse, il existe pour chaque taille et forme de plaque 4 géométries différentes de canal. Ces 4 variantes correspondent à une forme du canal différente au niveau des ventres de vibration :
o un canal droit (Figure 90(1)) o des créneaux (Figure 90(2))
o un pilier de 3 µm de diamètre (Figure 90(3)) o trois piliers de 3 µm de diamètre (Figure 90(4))
Figure 89 – Configuration d'une puce. Une puce mesure un peu plus de 2 cm de côté et contient 16 résonateurs différents en termes de dimensions de la plaque et de configuration du canal (taille de la restriction dans les ancrages, motifs géométriques spécifiques...).
Largeur de la plaque 𝑊 = 50 µm Largeur de la plaque 𝑊 = 100 µm Largeur de la plaque 𝑊 = 150 µm Largeur de la plaque 𝑊 = 200 µm
Canal formant un créneau au niveau du ventre de vibration Canal formant trois piliers au niveau du ventre de vibration Canal formant un pilier au niveau du ventre de vibration
Canal simple au niveau du ventre de vibration 22 mm 2 2 m m 1 puce = 16 résonateurs
=
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Figure 90 – Présentation des 4 formes de canal existantes dans le cas d'une plaque carrée de 200 µm.
II.5.3. Dispositifs fonctionnels – Rendement de fabrication des MEMS
Les capteurs caractérisés proviennent tous d’un wafer identique fabriqué en salle blanche. Ce wafer comporte 616 résonateurs dont 77% (soit 492 unités) sont non fonctionnels à cause d’une libération incomplète en face arrière de la plaque vibrante. Dans le cas de plus de 7% du total des capteurs, il a été impossible de trouver une fréquence de résonance ; et pour 1% des résonateurs, le facteur de qualité mesuré est inférieur à 1000 et ne permet pas de réaliser des mesures de masse aux ordres de grandeur souhaités. Parmi les dispositifs non fonctionnels, on compte tous les anneaux, qui ont connu des problèmes lors de la libération en face arrière réalisée par une gravure en salle blanche.
Une majorité des 11,3% de capteurs restants a été caractérisée sur le banc électrique afin de mieux comprendre leur fonctionnement et connaître leurs performances.
Précisons que, parmi les capteurs notés comme fonctionnels, une bonne partie n’est pas compatible avec un remplissage du canal intégré et n’a pu être utilisée pour la caractérisation de fluides. Créneaux 1 pilier 3 piliers (1) (2) (3) (4) Contour du résonateur Ventres de vibration
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Figure 91 – Mapping de puces fonctionnelles et performantes sur le wafer utilisé (on met de côté les puces qui ont été cassées). On remarque que les puces sont globalement plus fonctionnelles au centre que sur les bords du schéma ; ceci est dû au fait que les techniques de lithographie présentent de meilleurs résultats sur les champs situés au centre d’un wafer qu’autour. Ainsi, la gravure des bords du résonateur ainsi que la libération des plaques ont été mieux réalisées au centre, ce qui justifie le taux plus important de dispositifs non fonctionnels sur les bords.
II.5.3.1. Plateforme de test « plug and play »
Un boîtier a été développé avant le début de la thèse, afin de permettre la connexion de la puce à la fois au montage électrique ainsi qu’au réseau fluidique du montage en la plaçant à l’intérieur de ce dernier. Cette plateforme est composée de deux blocs principaux :
o un capot muni de pointes de test (en contact avec la puce) et d’un circuit imprimé (PCB, « Printed Circuit Board », permettant l’interfaçage entre les pointes de test et les câbles du montage)
o un support dans lequel sont usinés des canaux fluidiques pour acheminer le liquide analysé depuis des capillaires en peek (pour « polyétheréthercétone », un polymère thermoplastique, thermostable, assez onéreux) jusqu’aux entrées et sorties fluidiques de la puce
Cette plateforme permet une connexion rapide et précise de la puce au système complet. En outre, cela ne nécessite pas de souder des fils d’or pour relier la puce au montage électrique (étape minutieuse et chronophage pouvant entraîner une dégradation des plots de contact). Précisons également qu’il n’y a pas besoin de coller les capillaires ni sur la puce ni sur la plateforme, ce qui élimine les risques de pollution liés à la présence de colle polymère.
Un montage fluidique a entièrement été développé pour la caractérisation des capteurs. Ce banc expérimental a progressivement été amélioré afin de mieux convenir aux mesures effectuées, de réduire les temps d’expérience et de simplifier la manœuvre pour l’opérateur.
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Figure 92 – Vue schématique et photographie de la plateforme de test utilisée pour connecter la puce au système complet. Cet objet permet de limiter les risques de pollution du capteur et de rendre le protocole de caractérisation plus reproductible, tout en faisant gagner un temps précieux sur la mise en place de la puce.
Les améliorations apportées au banc fluidique reposent sur plusieurs axes de recherche : o une augmentation de la robustesse du montage en fixant le plus possible de composants o une préparation des échantillons plus poussée et la présence d’une valve pour éviter l’apparition
de bulles d’air à chaque changement d’échantillon
o une meilleure connaissance du fonctionnement du système fluidique à l’aide de calculs analytiques et de simulations COMSOL®