Présentation de la génération G2 de résonateurs fluidiques

Ces capteurs ont été conçus et réalisés de manière similaire à ceux présentés en fin d’état de l’art ; ce sont des plaques actionnées dans le plan et résonant entre 20 et 90 MHz en fonction des dimensions.

Il s’agit donc de résonateurs carrés, disques ou anneaux actionnés en mode dans le plan : mode de Lamé pour les carrés, mode Wine Glass pour les disques et mode dit de Kirkhope pour les anneaux comme détaillé dans l’état de l’art. Ces plaques sont libérées en face arrière et fixées au substrat silicium par 4 ancrages situés au niveau des nœuds de vibration du mode.

L’expression de la fréquence de résonance d’une plaque disque en mode Wine Glass s’écrit :

𝑓0=

1,596 2 𝜋 𝑅𝑝𝑙𝑎𝑞𝑢𝑒

√ 𝐸

100

où 𝐸, 𝜈 et 𝜌 sont respectivement le module d’Young, le coefficient de Poisson et la densité du silicium.

Figure 57 – Présentation de la déformée des modes actionnés en fonction du type de plaque dans le cas des capteurs de la génération G2. On précise qu'aucun des anneaux fabriqués n'a été fonctionnel, mais le mode de Kirkhope était visé pour les applications choisies.

Nous parlerons ici uniquement du cas des composants disques et carrés, étant donné que les anneaux n’ont pu être correctement libérés lors de la fabrication des puces en salle blanche et sont non fonctionnels.

Figure 58 – Données géométriques et ordre de grandeur de la masse des capteurs G2 (on ne traite ici que du cas des carrés et des disques).

II.1.1. Mode de transduction choisi

Le choix qui a été fait pour ces capteurs est de travailler avec un mode d’actionnement électrostatique et une détection capacitive. 4 électrodes capacitives, séparées du résonateur par un gap de 1 µm, permettent d’assurer la transduction du signal :

Plaque carrée = Mode de Lamé

Plaque disque =

Mode Wine Glass

Plaque anneau =

Mode de Kirkhope

Epaisseur 15 µm

Profondeur canal 5 µm

Composants de la génération G2 de BioMEMS développée au Léti Masse effective : 20 à 700 pg Section du canal : 3 µm x 5 µm sensor A) B) C) D) Air gap 100 µm 100 µm Gap air 1 µm

101

o 2 électrodes assurent un actionnement électrostatique : on applique une tension alternative aux extrémités des électrodes au niveau de plots de contacts métalliques. L’application de cette tension génère une force électrostatique entre le résonateur (mis à la masse) et les électrodes, qui va permettre l’entrée en résonance de la plaque

o 2 électrodes sont destinées à une détection capacitive du mouvement de la plaque : en vibrant, le résonateur génère la formation d’un courant motionnel collecté par les électrodes

Figure 59 – Vue schématique (coupe horizontale) d'un résonateur carré de 200 µm issu de la génération G2 de composants.

II.1.1.1. Choix du mode de transduction

Ce choix a été réalisé selon plusieurs critères. Tout d’abord, la solution capacitive ne nécessite pas d’alourdir le montage puisqu’un Lock-In et un générateur de fréquences suffisent à implémenter cette méthode. En outre, ce mode de transduction est moins complexe que d’autres à implémenter et ne présente pas de difficulté spécifique lors de la fabrication en salle blanche puisqu’il est possible de définir les électrodes sur la puce en même temps que l’on grave le résonateur (par opposition à une détection piézorésistive parmi d’autres exemples de transduction, nécessitant des étapes supplémentaires d’implantation localisée). On peut également ajouter que les phénomènes de capacités parasites peuvent être limités, d’autant plus que l’on travaille sur cette génération à des fréquences inférieures à 100 MHz, sur des modes de vibration (avec une déformée asymétrique) permettant une soustraction du bruit capacitif par montage différentiel (détaillé par la suite).

Ce mode présente tout de même deux inconvénients majeurs :

o l’air piégé dans le gap subit des forces de tension / compression lorsque la plaque vibre dans le plan, ce qui cause un amortissement du signal. C’est pour cette raison que d’autres équipes travaillant sur des structures similaires choisissent d’actionner le résonateur sous vide.

Courant motionnel (

𝒊

Tension

𝒗𝑨𝑪+ 𝑽𝑫𝑪

102

Cependant, des expériences menées sur nos capteurs (voir Paragraphe II.4) montrent que dans notre cas ce phénomène ne diminue pas de manière drastique la qualité du signal et ne dégrade que très légèrement la stabilité en fréquence du système. Nous supposons que l’air n’est pas complètement piégé dans le gap et peut « s’échapper » par le dessus ou le dessous de la plaque.

o la capacité directe du système est en parallèle avec la capacité propre de la puce malgré le montage différentiel ; cependant, un traitement spécifique des données (cf Paragraphe II.3.4) a été développé au cours de cette thèse pour supprimer un maximum de ce courant capacitif direct parasite.

Figure 60 – Vue schématique du phénomène de tension / compression de l'air dans le gap capacitif.

D’autres modes de détection existent dans la littérature, qui ne seront pas développés ici. II.1.1.2. Une particularité du montage : application d’un potentiel DC sur les électrodes

On applique également une tension continue 𝑉𝐷𝐶 sur les 4 électrodes ; comme le montre l’équation (29) au paragraphe II.3.3, le facteur d’efficacité de la transduction augmente avec la valeur de cette tension. Le potentiel 𝑉𝐷𝐶, qui vaut dans notre cas plusieurs dizaines de volts, est généralement appliqué sur le résonateur lui-même ; cependant, vu que des solutions salines seront

Air piégé dans le gap capacitif

Tension Co mp res sion 15 µm 50 à 200 µm

Flux d’air généré par le mouvement de la plaque Mouvement

Vue en coupe

Zoom

103

injectées dans la puce, on préfère reporter ce potentiel sur les électrodes, qui ne seront pas en contact avec le fluide contrairement à la plaque, afin d’éviter tout phénomène type électrolyse.

II.1.2. Configuration du canal fluidique intégré

Un canal fluidique a été gravé à l’intérieur du résonateur afin de confiner le liquide analysé dans la partie vibrante. Le canal passe par les bords de la puce, près des ventres de vibration du résonateur où l’impact d’un changement de masse est le plus important (des calculs appuyant cette hypothèse sont disponibles au Chapitre III).

Figure 61 – Images MEB de deux résonateurs: un carré de 50 µm de côté et un disque de 100 µm de diamètre. Le canal passe par les bords de la plaque et présente des motifs différents d’une puce à l’autre.

Le canal qui passe dans le résonateur est une dérivation entre deux canaux principaux. Cette configuration simplifie le remplissage de la plaque par rapport à un montage direct. En effet, la section du canal intégré est limitée à 3 µm (largeur) sur 5 µm (profondeur) dans le résonateur avec une restriction fluidique dans les ancrages, formant une impédance fluidique très lourde (de l’ordre de 1017 _Pa.m-3_{.s) ; le débit traversant la plaque est limité à quelques nanolitres par minute. Si le} canal intégré est en montage direct avec les échantillons, il faudrait des heures pour arriver à remplir la puce. Par contre, en plaçant ce canal en dérivation entre deux canaux plus larges, le reste du montage se remplit rapidement et le liquide à analyser parvient en quelques minutes au résonateur.

Canal3 µm x 5 µm

sensor

A)

B)

C)

D)

Air gap

104