CHAPITRE 2: Developpement de la technologie pNa-ISFET
II. Intégration des couches sensibles aux ions sodium Na +
II.3. B.b. Etude du procédé de dépôt par jet d'encre
Le volume de la goutte déposée à l'aide du prototype développé dépend de plusieurs
facteurs:
- pression du fluide,
- temps d'éjection (ouverture de l'électrovanne),
- diamètre de la buse d'éjection,
- viscosité du polymère.
Chaque paramètre a été déterminé expérimentalement afin d'obtenir la topologie de
membrane désirée. Nous avons décidé d'utiliser une buse d'éjection classique (127 µm de
diamètre). D'après les contraintes géométriques de la surface de grille du ChemFET, la
membrane devra recouvrir entièrement une surface rectangulaire de 0,256 mm
2. Ainsi,
d'après calculs, le diamètre minimum d'une telle goutte est de 750 µm. Le diamètre
maximum ne devra pas dépasser 1 mm, auquel cas la membrane risque de se déposer de
manière incontrôlée sur les flancs de la puce. Pour parvenir à contrôler le dépôt d'une
goutte satisfaisant cette condition, nous avons étudié l'influence des divers paramètres
d'éjection en considérant la topologie des membranes déposées sur un substrat de
borosilicate (PIREX®). Ce type de support possède des propriétés de surface adéquats pour
effectuer des mesures par profilométrie.
Dans un premier temps, la fiabilité du système a été estimée et vérifiée par le dépôt de 19
membranes selon des conditions identiques (temps d'éjection = 1ms, pression = 5 PSI
(34,47379 KPa)). Les membranes ont étés mesurées après réticulation complète (72 heures)
à l'aide d'un profilomètre à contact (KLA TENCOR P15). La transparence du polymère déposé
n'a pas permis l'utilisation d'un profilomètre optique. Les difficultés liées à la technique de
caractérisation par profilométrie à contact (le diamètre et l'épaisseur des membranes étant
mesurés via une coupe transversale, Figures 43 et 44) ont pu entrainer des erreurs de
mesure du fait de mesurer une tranche transversale passant précisément par le centre de la
goutte. Ces incertitudes de mesure ne sont pas amputables à la reproductibilité du système
de dépôt.
128
Ainsi, sur 19 membranes mesurées, le diamètre est de 930 µm (± 30 µm) et l'épaisseur de
5,4 µm (± 0,25 µm). Ces résultats montrent une forte reproductibilité des membranes
obtenues et confirment la viabilité d'un tel système (Figure 45).
A A'
Figure 43: Matrice de membranes déposées sur substrat PYREX
Figure 44: Coupe transversale d'une membrane
129
Par la suite, l'influence du temps d'ouverture de l'électrovanne (temps d'éjection) sur le
volume éjecté à été étudiée et mise en relation grâce à la loi de Poiseuille, qui décrit
l'écoulement d'un liquide newtonien dans un capillaire:
= ( )
Équation 25Avec D le débit volumique (m
3.s
-1), a et l le rayon et la longueur du capillaire (m), µ la
viscosité du fluide éjecté (Pa.s) et P la différence de pression de part et d'autre du
capillaire. Le volume éjecté est donné par la relation suivante:
=
Équation 26Où t est le temps d'éjection. Finalement, l'expression du volume déposé est liée au temps
d'éjection de la manière suivante:
= ( )
Équation 27Comme la mesure du volume de la goutte déposée n'est pas directe (seules les mesures du
diamètre et de l'épaisseur sont directement accessibles, ainsi que l'évaluation du profil
géométrique, cf. Figures 43
et 44), une goutte à été "quadrillée" afin d'être reconstituée
numériquement pour pouvoir évaluer son volume précisément. Le "quadrillage" est effectué
par une succession de coupes transversales recouvrant toute la surface, et espacées de 25
µm. Le volume calculé (grâce au logiciel MATLAB) d'après la reconstitution tridimensionnelle
d'une goutte mesurée après réticulation (pour P 5PSI = 34,47 KPa) est égal à
130
Le quadrillage d'une goutte ainsi que sa reconstitution constituent des étapes de
caractérisation excessivement chronophages. Il nous est alors apparu plus efficace
d'assimiler leur forme géométrique à un segment sphérique (Figure 47).
= (3 + 3 + )
Équation 28Ainsi, grâce aux valeurs du rayon supérieur a et du rayon inférieur b accessibles par les
mesures issues du profilomètre à contact, il est possible d'approximer la valeur du volume
réticulé de chaque membrane sans avoir à la reconstituer numériquement. Le volume
calculé par la formule du volume du segment sphérique de la goutte précédente est de 2,65
Figure 46: Reconstitution tridimensionnelle d'une membrane
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nL. L'erreur effectuée par rapport à la valeur obtenue par les calculs numériques est
inférieure à 5 % et est considérée comme faible. L'assimilation d'une goutte réticulée par un
segment sphérique est donc une manière simple et précise pour connaitre son volume réel.
Il apparait également une relation entre le rayon supérieur et inférieur de chaque goutte,
indépendamment du temps d'éjection. Le rapport entre a et b est constant et égal à 0,4
(±0,02). Le calcul du volume réel d'une goutte est alors possible en connaissant simplement
le rayon inférieur et l'épaisseur de celle-ci. Nous constatons d'autre part que le rapport entre
la hauteur h et les rayons (inférieur et supérieur) est également constant. Nous sommes
donc en présence de gouttes homothétiques. Dix membranes ont été déposées suivant un
temps d'éjection variant de 1 à 10 ms sous une contrainte de pression de 7 PSI (48,26 KPa).
Les mesures sont répertoriées dans le Tableau 3:
Temps d’éjection (ms) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Diamètre inférieur b (µm) 575 665 730 775 840 900 965 1005 1055 1075 Diamètre supérieur a (µm) 220 270 280 325 360 375 400 405 435 475 Epaisseur h (µm) 7,5 9,9 11,2 11,6 12,8 14 15,1 15,6 16,7 17,2 = / 0,38 0,40 0,38 0,41 0,42 0,41 0,41 0,40 0,41 0,44 Volume calculé (nL) 4,4 8 10,8 12,9 16,8 20,8 25,9 28,7 34,3 37,4 Volume calculé (nL) ( = 0,4) 4,5 8,0 10,9 12,7 16,4 20,5 25,6 28,6 34 36,2
Tableau 3: Mesures de diamètre et calculs des volumes des 10 membranes
Les valeurs de diamètre, d'épaisseur et de volume en fonction du temps d'éjection sont
illustrées dans les Figures 48 et 49:
Figure 49: Diamètres et épaisseurs en fonction du temps d'éjection
Figure 48: Calcul du volume déposé en fonction du temps
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Finalement, d'après la loi de Poiseuille (cf. équation 27), il ne reste plus qu'à connaitre la
viscosité du fluide déposé pour pouvoir calculer le volume réel déposé avant la réticulation
du polymère. Ces mesures ont été effectuées à l'aide d'un viscosimètre (AMVn, société
Anton Paar). La viscosité du polymère déposé est égale à 3,65 mP.s à 25°C (conditions de
dépôt) (Figure 50).
En définitive, la comparaison entre les volumes calculés issus des mesures de diamètre et
d'épaisseur des membranes réticulées et les volumes prédits par la loi de Poiseuille permet
d'estimer la perte volumique due à la réticulation du polymère et à l'évaporation du solvant
(Figure 51).
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Il apparait que plus le volume éjecté est important, plus la perte volumique relative est
grande. Ce phénomène serait lié à la surface de la membrane qui permettrait une certaine
évaporation du solvant au contact de l'air. Pour des conditions de pression de 5 PSI et de
temps d'éjection de 1 ms, la perte volumique est estimée à 18,5 %.
Dès lors que le procédé de dépôt par jet d'encre a été maîtrisé, nous avons fonctionnalisé
des composants ISFET avec des membranes à base de fluoropolysiloxane (FPSX), suivant les
paramètres de dépôt optimisés: pression de 5 PSI, temps d'éjection de 1 ms, diamètre de
l'orifice du capillaire d'éjection de 127 µm et viscosité du polymère déposé de 3,65 mP.s , à
température ambiante (Figure 52).
Figure 51: Comparaison entre les volumes éjectés et les volumes mesurés après réticulation du polymère
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