Caractérisation des SGFETs intégrés avec les canaux microfluidiques

Détection électrique ou électrochimique

Le principe de base repose sur la réponse électrique du capteur à un environnement chimique.
Ses propriétés électriques sont influencées par la présence des espèces chargées en phase liquide ou gazeuse [3,4]. Il y a trois modes de transduction :
Conductimétrie : elle consiste à mesurer la conductance de la solution en utilisant un courant alternatif. Autrement dit, cette méthode utilise lavariation de l’impédance électrique entre les deux électrodes immergées dans cette solution. Cependant, cette méthode n’est pas sélective par son principe de fonctionnement, elle est donc principalement utilisée pour le suivi de la concentration d’une espèce dans une solution donnée[1].
Ampérométrie : cette méthode consiste à mesurer le courant passant entre deux électrodes (mesure et contre électrode) plongées dans une solution, en fonction de la tension appliquée entre ces deux électrodes [1].
L’électrode à Oxygène ou électrode de Clark [5], (détection d’O2 , ou détection de glucose) est le capteur le plus connu et le plus ancien des capteurs utilisant ce principe. Ce genre de capteurs a été utilisé pour la détection de glucose [5,6] notamment, de lactate [7], dans l’hybridation d’ADN [8], la détection des gaz [9], etc.
Potentiométrie : c’est la méthode la plus importante en pratique, car elle est à la base du fonctionnement de la majorité des électrodes à membranes sélectives (sélection d’une espèce ionique présente dans une solution parmi d’autres) [1,10]. Son principe repose sur la mesure de la différence de potentiel qui se développe entre deux électrodes (une électrode indicatrice couplée à une électrode de référence) en présence ou à cause de l’activité de l’espèce présente dans la solution (figure 3).

Mesure du pH

Plusieurs méthodes existent pour mesurer le pH : les indicateurs colorés (rouge phénol), les bandes de pH (papier pH), les méthodes à électrodesmétalliques (électrode d’hydrogène [25, 26], électrode à la quinhydrone [27] et électrode d’antimoine [28, 29]) qui utilisent le principe potentiométrique. La majorité des pH-mètres commercialisés aujourd’hui utilisent la différence du potentiel entre deux électrodes dans une solution, comme l’électrode de verre [1].
D’autres méthodes récentes sont développées pour la mesure du pH. Les capteurs à base de fibres optiques [30-31] utilisent des molécules dont les propriétés spectrales dépendent du pH.
Les capteurs de pH sensibles à la masse [32] sont basés sur un hydrogel changeant de masse avec le pH, et sont couplés à un capteur piézoélectrique dont la fréquence de résonance varie avec la masse. Il existe également des capteurs de pH à base d’électrodes d’oxydes métalliques [33-36], des capteurs de pH à base de polymères sensibles au pH comme le polypyrrole ou la polyaniline [38-40], des capteursde pH à base de microcantilevers [41-42], et finalement des transistors de type ISFETs intégrant une membrane sensible au pH [20, 43-46]

Méthode avec électrode de verre

L’électrode de verre est couramment utilisée pour la mesure du pH. Elle est constituée d’une membrane très fine de verre sensible aux ions H3O+ , et d’une électrode de référence interne.
Elle est souvent combinée avec une électrode de référence (l’électrode au Calomel).

Les ISFETs

Le premier ISFET a vu le jour en 1970 grâce à P. Bergveld [43] qui a utilisé l’oxyde de silicium comme couche sensible pour la détection dupH, ou plus précisément la mesure de l’activité d’ions d’hydrogène dans la solution. Cependant la réponse du capteur au pH n’était ni Nernstienne ni linéaire (sensibilité entre 30 et 35 mV/pH). L’utilisation du nitrure de silicium (Si 3N4 ), élaboré par différentes techniques CVD (Chemical Vapor Deposition), comme par LPCVD (Low Pressure CVD) [47] ou PECVD (Plasma Enhanced CVD) [48], à la place de l’oxyde de silicium, a montré une sensibilité au pH de l’ordre de 56 mV/pH [49].
La structure des capteurs ISFETs est directement issue de la structure du transistor MOSFET, composant classique dans les circuits intégrés. Le transistor MOSFET est constitué d’un substrat silicium de dopage p (dans le cas d’un MOSFET à canal n) où sont implantées deux zones de dopage n formant le drain et la source et auxquelles sont reliées des électrodes métalliques. La zone centrale située entre drain etsource est le canal. Une fine couche isolante (SiO2 ) surmonte le canal et une métallisation supérieureconstitue l’électrode de grille, qui est l’électrode de contrôle de la conductivité du canal. Le principe de fonctionnement du MOSFET repose sur l’effet de champ appliqué entre la grille, l’isolant et le substrat. Lorsque la différence de potentiel entre la grille et le substrat est nulle, il ne se passe rien. Au fur et à mesure de l’augmentation de cette différence de potentiel, les charges libres, ici les trous, dans le semi-conducteur sont repoussées de la jonction semi-conducteur/oxyde, et lorsque la différence de potentiel est suffisamment grande (appelée tension de seuil) il apparaît une zone d’inversion. Cette zone d’inversion est donc une zone où le type de porteurs de charges est opposé à celui du reste du substrat, dans notre casil s’agit des électrons créant ainsi un canal de conduction entre la source et le drain.
Les transistors ISFETs (Ion Sensitive Field Effect Transistor) sont des transistors MOS dont l’électrode de grille est remplacée par une membrane sélective d’ions, une électrode de référence et une solution analytique. La membrane sélective peut être SiO 2 , Al dans le cas de détection des variations de pH.

Les SGFETs et la mesure du pH

Dans la structure SGFET (Suspended Gate Field Effect transistor), la grille est suspendue audessus de l’isolant de grille. L’espace entre le métal de grille et l’isolant de grille (que nous appelons gap) est accessible au milieu à détecter.
La tension appliquée sur l’électrode de grille faitvarier la conductance entre les deux régions source-drain, ce qui fait varier le courant dans le canal situé en dessous. La source et le substrat dans le circuit électronique sont portés au même potentiel, en général la masse.
Le premier transistor à grille suspendue, a été fabriqué par Blackburn et al en 1983 [61] : inspiré de la sonde de Kelvin (1897) [62], il est formé d’une capacité composée de deux armatures, l’une en cuivre et l’autre en palladium.Le point de ressemblance réside dans le fait que la grille en Platine est suspendue approximativement à 1µm au-dessus de l’isolant de grille, formant ainsi un gap (isolant de condensateur). Le transistor était sensible aux vapeurs de méthanol et de chlorure de méthanol.

Les capteurs biologiques ou les biocapteurs

Définitions

Les biocapteurs sont des dispositifs issus de la micro fabrication, qui utilisent des réactions biochimiques pour détecter une espèce biologique, des molécules spécifiques (ADN, Protéines, Anticorps, Enzymes..) d’une manière quantitative et sélective. C’est ce que l’on appelle la bio-reconnaissance, elle est basée sur le greffage d’un composant analyte cible sur un ligand récepteur où il sera immobilisé [1-4,73].
Tout dispositif capable de transformer un phénomène biologique en un signal physique mesurable, peut être appelé un biocapteur. De façongénérale, un biocapteur tel que décrit par la figure 8 est donc composé essentiellement d’un « biorécepteur » qui est un composant biologique sensible ou qui aide à immobiliser la molécule à analyser, et un « transducteur » physique ou chimique [74] utilisant un des modes de détection qui seront évoqués ultérieurement.

Détection mécanique

Ce type de détection est de plus en plus utilisé dans le domaine de biocapteurs, grâce à l’évolution et au développement des microstructuresayant des tailles de plus en plus réduites, augmentant ainsi le rapport surface/volume et par conséquent leur sensibilité de détection. Les méthodes utilisées sont la thermométrie, la microbalance à quartz, les ondes de surface, et les microleviers. Deux modes de détection existent pour la méthode utilisant des poutres : la détection de contrainte (stress mécanique), et la détection par changement de masse en surface [81,82]. Pour le premier mode, les réactions biochimiques s’effectuent sur un seul coté du microlevier (face supérieure); un changement dans l’énergie de la surface libre provoque une variation du stress en surface qui engendre une flexion de la micro-poutre. Cette flexion peut être mesurée soit par des moyens optiques (par faisceau laser par exemple) ou électriques (piézorésistif…). Quant au deuxième mode, une fois l’entité biologique capturée, le changement de masse est détecté en mesurant électriquement ou par voie optique, le décalage en fréquence de résonance du microlevier par rapport à sa propre fréquence de résonance sans l’espèce biologique [82]. Ces deux modes de détection sont illustrés dans la figure 10.

Intégration des capteurs avec un système microf luidique

Intérêt de l’intégration avec un système micro fluidique

Un intérêt concerne la possibilité d’effectuer des analyses, soit chimiques comme la mesure du pH, ou biologiques, sur place, sans avoir recours à l’envoi des échantillons vers des centres d’analyse. D’autre part, la réduction des volumes de ces échantillons à manipuler peut favoriser la vitesse des réactions chimiques et destransferts thermiques (comme l’hybridation d’ADN). Cela a poussé à faire évoluer notre capteurvers la portabilité en l’intégrant avec un système microfluidique. Cet aspect microfluidique est particulièrement important dans le domaine des microsystèmes d’analyses totales µTAS (Micro Total Analysis Systems ) pour maitriser le mouvement, la distribution, et éventuellement le stockage des réactifs et les échantillons. Enfin, le développement d’un tel microsystème au sens large, permettra de réduire le volume des échantillons, la consommationde réactifs, le temps, et la fabrication en masse de tels dispositifs à faibles coûts.

Introduction à la mécanique des fluides dans l es microsystèmes

La microfluidique est la science qui traite le comportement, le contrôle et la manipulation des écoulements des fluides dans des petits volumes à l’échelle millimétrique. Elle comprend l’étude de microcanaux, de micro-pompes, de microréservoirs, de micro-valves, de mélangeurs, de micro-réacteurs chimiques, de générateurs de gouttelettes, etc. La microfluidique est née dans les années 1990, grâce à la redécouverte des microcanaux [83,84] qui a permis à des physiciens d’étudier des phénomènes fondamentaux. Ensuite les chimistes et des biologistes commencèrent à utiliser la microfluidique à partir du milieu des années 90 [85]. C’est un domaine pluridisciplinaire : physique, chimie, microtechnologie et biotechnologie, avec particulièrement des applications dans le design de systèmes à petite échelle, dans les domaines de la médecine, la pharmacie et la biologie comme la mise au point de médicaments, les diagnostics in vivo, les puces à ADN et les laboratoires sur puce, etc.
Nous allons maintenant présenter les notions et lesconcepts de base de la microfluidique.

Notion de fluide

Un fluide est une substance déformable sans forme propre, qui change donc de forme sous l’action d’une force externe qui lui est appliquée.Sa forme est conservée seulement si un corps solide la limite. Les liquides sont généralement considérés comme non compressibles; ils conservent le même volume quelle que soit leur forme: ils présentent une surface propre.
Tandis que les gaz tendent à occuper tout l’espace disponible, ils n’ont pas de surface propre, et par conséquent, ils sont compressibles.

Le mouillage

Le mouillage comprend les phénomènes de surface permettant d’expliquer l’étalement de l’eau sur une surface en verre, à l’inverse du mercure qui reste sous forme d’une goutte. Il est qualifié par deux phénomènes : la tension de surface et la capillarité.

Tension de surface

À l’interface entre deux milieux denses, ou entre un milieu dense et un gaz, existe une force appelée force de cohésion. En d’autres termes, il existe à cette interface, une contrainte en tension induite par cette force et qui est expriméeen N/m. Cette tension est appelée souvent tension superficielle ou tension de surface. Elle permet par exemple aux insectes de se tenir ou marcher sur l’eau comme l’araignée.

Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Etat de l’art
I. Les capteurs chimiques et biologiques
I.1 Les capteurs chimiques
I.1.1 Détection électrique ou électrochimique
I.1.2 Mesure du pH
I.1.2.1 Définition du pH
I.1.2.2 Mesure du pH
I.1.2.3 Méthode avec électrode de verre
I.1.3 Les ISFETs
I.1.4 Les SGFETs et la mesure du pH
I.2 Les capteurs biologiques ou les biocapteurs
I.2.1 Définitions
I.2.2 Modes de détection
II. Intégration des capteurs avec un système microfluidique
II.1 Intérêt de l’intégration avec un système microfluidique
II.2 Introduction à la mécanique des fluides dans les microsystèmes
II.2.1 Notion de fluide
II.2.2 Le mouillage
II.2.2.1 Tension de surface
II.2.2.2 Capillarité
II.2.3 La densité
II.2.4 La viscosité
II.2.4.1 La viscosité dynamique
II.2.4.2 La viscosité cinématique
II.2.5 Nombre de Reynolds
II.2.6 Equations de Navier-Stokes
II.2.7 Hydrodynamique à l’échelle micrométrique
II.2.7.1 Écoulement laminaire
II.2.7.2 Écoulement turbulent
II.3 Définition des biopuces
II.4 Les laboratoires sur puce (Lab-On-Chip)
II.4.3 Association capteurs et microfluidique
II.4.3.1 Systèmes microfluidiques intégrant des systèmes de détection optique
II.4.3.2 Systèmes microfluidiques intégrant un capteur mécanique ou électronique
II.4.3.3 Systèmes microfluidiques intégrant des transistors
II.5 Conclusion et intérêt de l’intégration d’un FET à air gap avec un canal microfluidique
Chapitre 2 : Technologie du système global
I. Étapes de fabrication des transistors à grille suspendue SGFETs
I.1 Introduction
I.2 Description du procédé standard (haute température)
I.2.1 Nettoyage RCA
I.2.2 Oxydation de masquage
I.2.3 Photolithogravure 1 : définition des zones dopées de source et drain (masque 1)
I.2.4 Dopage des zones source et drain
I.2.5 Photolithogravure 2 (isolation des transistors masque 2)
I.2.6 Nettoyage RCA
I.2.7 Oxydation de grille
I.2.8 Dépôt de nitrure de silicium
I.2.9 Dépôt de la couche sacrificielle (Germanium)
I.2.10 Photolithogravure 3 : ouvertures des contacts et ancrage du pont (masque 3)
I.2.11 Dépôt de nitrure de silicium et définition des prises de contact (masque 4)
I.2.12 Dépôt et définition de la couche structurelle (masque 5) .
I.2.13 Dépôt de la couche de nitrure de silicium (masque 6)
I.2.14 Ouverture des contacts de drain, de source et de grille (masque 7)
I.2.15 Dépôt d’aluminium et définition des pistes métalliques (masque 8)
I.2.16 Encapsulation (masque 9)
I.2.17 Libération de la grille du SGFET
I.3 Description du procédé basse température
I.3.1 Couche d’isolation
I.3.2 Dépôt du silicium polycristallin
I.3.3 Définition des zones dopées de source et drain (masque 1)
I.3.4 Isolation des transistors (masque 2)
I.4 Configuration et dimensions des transistors
I.5 La hauteur de grille
I.7 Synthèse des différents capteurs
II. Procédé de réalisation des canaux microfluidiques en PDMS
II.1 Préparation des moules en SU8
II.2 Préparation du PDMS
II.3 Méthode de collage
II.4 Schéma des différentes géométries utilisées etleur intérêt
II.4.1 La géométrie parallèle
II.4.2 La géométrie perpendiculaire
III. Problématique de compatibilité entre les deuxtechnologies
IV. Mise au point et améliorations technologiques
IV.1 Isolation des pistes (protection finale)
IV.1.1 Choix des matériaux d’isolation
IV.1.2 Test d’isolation entre les pistes d’aluminium (avec une goutte sur les pistes)
IV.1.3 Gravure des différentes couches d’isolation
IV.1.4 Tests électriques
IV.2 Vérification de l’isolation électrique après collage des canaux microfluidiques
IV.3 Principale difficulté technologique non résolue
Conclusion
Chapitre 3 : Caractérisations électriques des capteurs SGFETs
I. Fonctionnement des transistors à grille suspendue SGFET
I.1 Structure et principe de fonctionnement du transistor à effet de champ à grille isolée MOSFET (type P)
I.2 Cas des transistors en technologie films minces(silicium polycristallin)
I.3 Caractérisation des transistors à grille suspendue SGFETs
I.3.1 Caractéristique de transfert
I.3.2 Caractéristiques de sortie
I.3.3 Tension de seuil
I.3.4 Mobilité d’effet de champ
I.3.5 Pente sous le seuil
I.3.6 Rapport ION/ I OFF
II. Caractérisations des SGFETs dans l’air
III. Caractérisations dans l’eau et mesure du pH
III.1 Introduction
III.2 Préparation des solutions
III.3 Procédure de la caractérisation électrique
III.4 Caractérisations électriques des SGFETs dans l’air et dans l’eau
Le courant de fuite IGS
Effet de la géométrie des SGFETs
III.5 Evolution de la caractéristique de transfert du SGFET avec le pH des solutions tests
III.5 Résultats sur la sensibilité des SGFETs au pHdes solutions à base de NaOH
III.6. Effet de l’épaisseur du gap sur la sensibilité du SGFET au pH
III.7. Effet des autres paramètres technologiques sur la sensibilité du SGFET au pH
IV. Stabilité de la mesure en statique
IV.1 Nécessité d’un Hold
IV.2 Le rinçage et la stabilité de la mesure en statique
Conclusion
Chapitre 4 : Caractérisation des SGFETs intégrés avec les canaux microfluidiques
I. Schéma du montage
II. Effets du débit d’écoulement
III. Suivi du rinçage à l’eau DI et étude de stabilité des SGFETs
III.1 Rinçage en utilisant une seule solution pH etstabilité de la mesure en statique
III.2 Rinçage avec deux solutions pH et stabilité de la mesure en statique
III.2.1 Effet du temps de rinçage
III.2.2 Effet de la polarisation
III.2.3 Rinçage avec plusieurs débits
IV. Evolution des caractéristiques avec le pH
V. Evolution de la valeur du courant du drain en fonction du temps (sampling)
V.1 Description des expériences
V.2 Evolution du courant de drain dans les milieux aqueux
V.3 Détection air / liquide
V.4 Détection pH1 / pH2
V.5 Effet du changement du débit (mesure en dynamique)
Conclusion
Chapitre 5 : Caractérisations des capteurs SGFETs en fréquence
I. Caractérisation des transistors et étude de leurréponse en fréquence
I.1 Description de l’expérience
I.2 Circuit de polarisation du transistor
I.2.1 Caractéristiques du transistor en statique
II.2.2 Polarisation de la grille
I.2.3 Droite de charge (de sortie)
I.2.4 Polarisation du drain
I.3 Modèle petits signaux du montage (source commune)
I.4 Réponse en fréquence (effet Miller)
I.5 représentation fréquentielle du gain du transistor à effet de champ
I.6 Réponse du SGFET en fréquence
I.6.1 Calcul de la transconductance gm
I.6.2 Calcul de la résistance dynamique RDS
I.6.2 Calcul du gain en décibel
I.6.3 Etude en fréquence du SGFET
II. Résultats expérimentaux
II.1 Transistor SGFET seul sans les canaux microfluidiques
II.2 Transistor SGFET avec les canaux microfluidiques
Conclusion et perspectives 
Conclusion générale
Références

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