Fonctionnalisation des micropoutres

Le PEUT (polyétheruréthane) a été choisi pour la détection de toluène, principalement en raison du bon coefficient de partage du couple PEUT/toluène [14] : K=1610.

D‟autre part, le PEUT a été utilisé par le passé sur des micropoutres silicium [5] et sur des micropoutres sérigraphiées à base de PZT [7] pour la détection de toluène. En outre, les résultats obtenus sont comparés à ceux obtenus au cours de ces travaux.

Différentes techniques sont utilisées pour la structuration de couches sensibles (polymères ou couches inorganiques type zéolite) sur des micropoutres, parmi lesquelles le « spin coating » (ou tournette) [15], le « spray coating » [16] ou le dépôt de gouttes (ou « drop coating ») [17]. Pour le dépôt du PEUT, nous avons utilisé dans un premier temps le « spray coating » puis le dépôt à la goutte.

3.3.1 Fonctionnalisation par « spray coating »

La fonctionnalisation des micropoutres a été réalisée à l‟aide du banc de « spray-coating » (fig. 3.3) dont les principaux éléments sont décrits en figure 3.2. Le contrôle de l‟épaisseur des couches des couches sensibles déposées par « spray » dépendra des paramètres suivants ;

- distance de travail entre la valve et le support - alignement de tout le système

- débit et pression du jet de pulvérisation - temps de dépôt.

Pour la pulvérisation, le PEUT se présente sous forme de billes de 2mm de diamètre commercialisées par Lehmann & Voss & Co. Ces dernières sont ensuite dissoutes à hauteur de 0,8% massique dans une solution de dichlorométhane afin d‟obtenir une viscosité suffisamment faible pour le « spray ». La solution ainsi préparée est ensuite introduite dans la seringue. La pression de pulvérisation est réglée à 1,5 bar, proche du maximum paramétrable afin d‟obtenir des gouttelettes petites et de taille régulière. La pression de poussée est ajustée autour de 0,2 bar afin de vaincre uniquement les frottements, permettant ainsi au fluide contenu dans la seringue de s‟écouler correctement. Le dépôt se fait en plusieurs étapes en limitant la pulvérisation à des durées de quelques secondes. Ainsi pour obtenir une couche

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d‟épaisseur importante, on dépose successivement plusieurs couches en respectant un temps d‟attente correspondant à l‟évaporation du solvant (environ 15s par micron de couche déposée). Pour nos micropoutres, l‟épaisseur finale obtenue est de l‟ordre de 30µm pour 100 dépôts successifs.

Figure 3.2 Dépôt d’une couche de polymère

Figure 3.3 Photographie du banc de spray-coating

Outre l‟inhomogénéité de l‟épaisseur du dépôt, les films réalisés sur les micropoutres, posent un problème majeur : la création d‟un « pont » en PEUT entre la micropoutre et le substrat (Figure 3.3). En effet, la proximité du substrat par rapport à la micropoutre (~50µm) et la fluidité de la solution de dépôt favorise la création de pont liquide entre la poutre et le substrat qui, lors du séchage, laisse place à un film PEUT. Afin de s‟affranchir de ce problème, deux solutions sont envisageables. La première consiste à réaliser un masque à l‟aide d‟une résine photosensible et à l‟appliquer au plus près de l‟échantillon pour éviter les coulures et la création des ponts. Cependant, la relative fragilité mécanique de la micropoutre

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libérée du substrat rend très difficile l‟application d‟un masque au plus près de la poutre et accroit les risques d‟endommagement de celle-ci. La deuxième solution, qui a été retenue, consiste à déposer le film PEUT à la goutte à l‟aide d‟un dispenseur.

Figure 3.4 Vue de côté d’une poutre PZT avec son électrode d’or couverte de PEUT : création d’un « pont » en PEUT entre la micropoutre et le substrat

3.3.2 Fonctionnalisation à l’aide d’un micro-dispenseur

La technique de structuration de couches à l‟aide d‟un micro-dispenseur consiste à réaliser le motif souhaité par dépôts successifs des microgouttes. Un micro-dispenseur est composé simplement d‟une seringue et d‟un système de contrôle de pression permettant de générer des gouttes dont le volume est contrôlé. Le positionnement se fait, ici, manuellement (Figure 3.5) mais il peut être intéressant de contrôler le déplacement en x et y.

Cette technique nécessite, au préalable, la dissolution du matériau à déposer dans un solvant qui servira de véhicule lors du dépôt. Le dépôt de polymères thermoplastiques ou de polymères thermodurcissables non réticulés sera possible à condition d‟en adapter la concentration dans un solvant approprié afin d‟obtenir la finesse de dépôt escomptée. La solution utilisée pour approvisionner la seringue est identique à la solution utilisée pour le spray, à savoir une solution de PEUT à 0,8% massique dans du dichlorométhane. Le volume des gouttes dispensées a été réglé à 0,1mm³ et entre chaque goutte, un temps d‟attente nécessaire à l‟évaporation du solvant est respecté. Quelques secondes à une minute en fonction de l‟épaisseur du dépôt peuvent suffire. Plusieurs gouttes sont déposées le long de l‟électrode d‟or, de manière à recouvrir entièrement celle-ci tout en formant une couche

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uniforme. Cinq couches sont déposées de cette façon. Finalement, une étape d‟étuvage d‟une dizaine d‟heures à 60°C permet d‟éliminer les traces de dichlorométhane et d‟eau restantes.

Figure 3.5 Photos du dispositif de dépôt à la goutte du PEUT

3.3.3 Modification de

suite aux différents dépôts

Comme il est rappelé précédemment, le dépôt des couches sensibles s‟accompagne d‟une variation de la fréquence de résonance (Tableaux 3.1 et 3.2) et d‟une baisse plus ou moins grande du facteur de qualité due à l‟augmentation des pertes intrinsèques de la micropoutre. Cette variation de la fréquence de résonance est négative si la variation relative de la masse de la micropoutre est plus grande que celle de la rigidité de celle-ci comme le suggère l‟expression (3.11). Pour l‟ensemble des poutres testées, l‟épaisseur de la couche sensible déposée est estimée à environ 30µm, à l‟aide d‟un profilomètre optique. A l‟aide de cette valeur et en admettant que la rigidité de la poutre n‟est pas affectée, le décalage en fréquence calculé est proche de la valeur expérimentale, ce qui confirme notre hypothèse.

Figure 3.6 Décalage de la fréquence de résonance suite au dépôt de couche sensible (L=8mm / w=2mm / t=95µm, échantillon « PEUT3 »)

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TABLEAU 3.1 VARIATION DES FACTEURS DE QUALITE DES 2 PREMIERS MODES 31-LONGITUDINAUX SUITE AU DEPOT DES COUCHES SENSIBLES

L / w / t Q avant dépôt Q après dépôt (kHz) ∆Q/Q (%)

(mm – mm - µm) 1ère résonance 2ème résonance 1ère résonance 2ème résonance 1ère résonance 2ème résonance

PEUT 1 8 - 2 - 95 195 - 169 - 13,3 -

PEUT 2 8 - 2 - 120 226 135 182 93 19,5 31,1

PEUT 3 8 - 2 - 95 185 140 142 106 23,2 24,3

TABLEAU 3.2 VARIATION DES FREQUENCES DE RESONANCE DES 2 PREMIERS MODES 31-LONGITUDINAUX SUITE AU DEPOT DES COUCHES SENSIBLES

Avant dépôt (kHz) Après dépôt (kHz) Shift expérimental (kHz) Shift théorique (kHz)

1ère résonance 2ème résonance 1ère résonance 2ème résonance 1ère résonance 2ème résonance 1ère résonance 2ème résonance

PEUT 1 63,925 190,940 62,895 188,074 -1,030 -2,866 -0,942 -2,825

PEUT 2 74,972 224,875 74,105 221,250 -0,867 -3,625 -1,290 -3,870

PEUT 3 70,605 211,528 69,609 209,052 -0,996 -2,476 -1,147 -3,440