Dans cette section, nous balayons l’état de l’art sur les résonateurs MEMS / NEMS utili- sés dans une configuration réseau. Les techniques de fabrication VLSI de l’industrie micro- électronique sont particulièrement adaptées à la conception de larges matrices de capteurs.
1.8. Les réseaux de résonateurs 31
20 µm
(a)
(b)
FIGURE1.23 – (a) Image MEB d’un réseau de poutres encastrées-libres actionné thermiquement. Insert : Schémas de connexion série parallèle des dispositifs dans le réseau. (b) Image MEB d’un résonateur du réseau. [Bargatin, 2012]
Comme nous l’avons vu dans les parties précédentes, la résolution fréquentielle du résona- teur NEMS est limitée par le bruit thermomécanique qui diminue en même temps que les dimensions du résonateur sont réduites. En prenant Æ le facteur d’échelle appliqué sur les dimensions caractéristiques du résonateur, on remarque que la sensibilité relative en masse évolue en Æ3[Sage, 2013b]. La réduction des dimensions a donc été fortement utilisée par les équipes de recherche afin d’améliorer la résolution des capteurs à base de résonateurs. Pour les capteurs de gaz, un des principaux arguments mis en avant pour l’utilisation de réseaux est que la réponse collective de l’ensemble des capteurs permet d’augmenter le niveau de signal plus vite que le niveau de bruit ne s’accroît. Dans le cas idéal où tous les résonateurs sont identiques avec la même sensibilité, le niveau de signal augmente d’un facteur N , N étant le nombre de résonateurs dans le réseau, alors que les sources de bruits supposés non corrélés contribuent au bruit en tension enpN . Ceci se traduit par un rapport signal à bruit qui augmente enpN .
La figure 1.23 illustre un réseau de résonateurs NEMS connectés électriquement dans une configuration série-parallèle permettant d’assurer la cohérence de phase de chaque signal de sortie.
Ch apitr e 1. Le s capt eu rs élect romécan iq ues pour la mesur e de ma sse
Groupe Dispositif Nombre dedispositifs Actionnementdétection Typed’adressage Matériaux Dimensionscritiques Références
Calthec and CEA-LETI Clamped Free 2800 thermoelastic
piezoresistive Collective 1 Si and metal 800nm [Bargatin, 2012]
CEA-LETI Crossbeam
CC Beam 20–100
electrostatic
piézorésistive Frequency c-Si 80nm [Sage, 2013a]
ASSYGN Crossbeam 74 electrostatic
piezoresistive Frequency c-Si 80nm [Delorme, 2016] Pennsylvania university CMR-S 8 piezoelectric Individual (bonding) Aln 250nm [Rinaldi, 2010] UAB Cantilever 8 electrostatic Individual (switched) Poly-Si 600nm [Villarroya, 2006] NTHU Cantilever 12 electrostatic Individual (switched) metal 2µm [Wei, 2013] Koç University Cantilever 82 magnetic
optical Simultaneous Si and Nickel 2 ° 3µm [Lulec, 2012]
Tableau 1.7 – Résumé non exhaustif de l’État de l’art sur les réseaux de MEMS / NEMS.
1. Arrangement des résonateurs dans une configuration série-parallèle avec seulement deux ports vers l’extérieur 2. 1000 poutres encastrées-libres sur une puce, mais seulement 8 lus à la fois
1.8. Les réseaux de résonateurs 33
(a)
(b)
(d)
(c)
FIGURE1.24 – (a) Image MEB d’un réseau de poutres doublement encastrées actionné electro- statiquement. (b)Schéma de connexion des dispositifs dans le réseau. (c) Réponse fréquentielle des 20 NEMS du réseau. (d) Adressage fréquentiel en boucle fermée du réseau avec une FLL [Sage, 2013a]
Pour la spectrométrie de masse, l’utilisation de réseaux de NEMS répond à un besoin diffé- rent de celui des capteurs de gaz. Bien que la sensibilité augmente toujours avec la réduction des dimensions du résonateur, la surface effective de capture décroît elle en Æ2. La réduction drastique de la surface de capture impacte directement la probabilité d’événement sur le réso- nateur et donc l’erreur de mesure. En effet, pour un résonateur typique la surface de capture effective est de l’ordre du µm2alors que le faisceau de particules est de l’ordre du mm2soit un écart d’échelle de 106entrainant un taux de détection de particule de 1 pour 100 millions comme démontré dans les travaux du Dr. Sage [Sage, 2015]. Une des solutions avancées pour pallier cette faible surface de capture consiste à utiliser un réseau de NEMS. Cependant pour la spéctrométrie de masse, la réponse collective d’un réseau présente peu d’intérêt car la réponse du résonateur dépend de la position à laquelle la particule s’est déposée [Hanay, 2012] sur le dispositif comme le fait apparaitre l’équation 1.56. En ce sens, un adressage individuel des résonateurs composant le réseau est requis. La figure 1.24 décrit un réseau de 20 poutres double- ment encastrées dont les différents accès propres à chaque dispositif sont interconectés à ceux du dispositif voisin. Le réseau se comporte alors comme un seul NEMS. Les résonateurs sont adressés individuellement via leurs fréquences de résonances propres (équation : 1.9) définies grâce à des longueurs de poutre L distinctes pour chaque dispositif. Ce schéma d’adressage fréquentiel est cependant limité en termes de nombre de résonateurs dans le réseau. En effet, il apparaît difficile d’envisager un adressage de plusieurs milliers de NEMS répartis dans le spectre des fréquences. La lecture séquentielle de chaque NEMS engendrerait alors un temps de lecture prohibitif incompatible avec les objectifs de détection de l’application de spectrométrie de masse. De plus, l’étendue de la dynamique de chaque résonateur imposerait une répartition dans le spectre des fréquences sur plusieurs centaines de méga Hertz, complexifiant d’autant le travail de l’électronique de lecture. Pour dépasser ces contraintes, les groupes de recherches étudient des pistes telles que la co-intégration NEMS/CMOS [Villarroya, 2006; Philippe, 2014a; Batude, 2012], la lecture optique [Lulec, 2012]. Dans le tableau 1.7, nous présentons un état de l’art non exhaustif sur les réseaux de résonateurs MEMS/NEMS décrits dans la documentation scientifique. Ce résumé permet de mettre en avant la variété des approches retenues par les équipes de recherche en ce qui concerne la configuration du réseau ainsi que les modes de détection et d’actionnement employés.
x y
SEM image of a Pin Pin Beam
Electrode 1 Nano gauges
Compliant anchors
Pin Pin Beam Schematic Compliant anchors Nano gauges Output Electrode 1 Electrode 2 5µm Electrode 2
FIGURE1.25 – Observation MEB coloriée en vue décalée (Haut) et schéma équivalent (Bas) d’un dispositif NEMS de type doublement suspendu avec jauges de détection piézorésistive.
Unité l w t l1 lg wg o1 a1 o2 a2 g1 g2
µm 10 0,300 0,160 0,440 0,300 0,080 1,48 7,04 5 4,32 0,200 0,100
Tableau 1.8 – Résumé des dimensions caractéristiques des NEMS utilisés pour la spectrométrie de masse (1.26).