Etude de la reconfigurabilite de circuits RF par des réseaux fluidiques

Fondements et applications historiques

                  La microfluidique peut être définie comme l’étude et la manipulation de fluides aux petites échelles. Ce domaine est apparu dans les années 70 avec la miniaturisation d’un dispositif de chromatographie en phase gazeuse [1]. En effet l’analyse moléculaire a exprimé en premier cette volonté de diminuer levolume nécessaire à leurs expérimentations. Mais, outre le fait de diminuer la quantité de l’échantillon et des réactifs, la miniaturisation permet également de séparer ou de détecter des éléments avec une plus grande résolution et une plus grande sensibilité à un moindre coût et en des temps plus courts. Les premiers travaux ont essayé de miniaturiser pompes, valves et microsystèmes d’injection [2], [3], [4] . Dans les années 90 les microsystèmes fluidiques deviennent de plus en plus complexes. Manz suggère alors d’appeler ces dispositifs des « micro total analysis systems » (µTAS) [5]. Actuellement on parle plus volontiers de « Lab-On-a-Chip » (LOC) pour rendre compte de l’évolution entre sophistication et diversification de ces microsystèmes et de leur intégration plus ou moins poussée sur un même substrat. Le secteur militaire y a vu un intérêt et investit dans ce domaine. Son objectif est de développer des micro-capteurs capables d’être déployés sur les champs de bataille pour répondre aux menaces des armes chimiques et biologiques. Ces financements ont fait parti des principaux moteurs du développement de la microfluidique académique. Parallèlement les sciences du vivant, et plus particulièrement les problématiques liées à la génomique et à la protéomique, ont également participé à cet essor. Les temps nécessaires au séquençage de génomes ont ainsi pu être largement réduits. Et cela stimule actuellement la nanofluidique. Cette nouvelle réduction d’échelle pourrait permettre de mieux comprendre, entre autre, le fonctionnement de l’ADN. Ainsi la littérature nous fournit un assez grand nombre de biocapteurs [6]. Par ailleurs les systèmes d’impression par jets d’encre sont un bel exemple de microsystèmes microfluidiques matures. Mais on retrouve des MEMS (Micro Electro Mechanical System) impliquant des fluides dans de nombreux domaines tels que les NTIC (Nouvelles technologies de l’information et de communication), l’aéronautique, le spatial ou la robotique. Les microsystèmes participent également à l’essor de la microfluidique. Enfin il ne faut pas oublier que la base technologique sur laquelle s’est développé ce domaine est la microélectronique avec la photolithographie et ses techniques associées. C’est pourquoi, à ses débuts, la microfluidique privilégiait le silicium et le verre comme matériaux. Il y avait le savoir-faire pour l’un, la transparence pour le second. Mais leur mise en œuvre a un coût et nécessite des moyens spécifiques. De plus les rapports de forme obtenus sont limités et leur intégration un challenge. L’arrivée, à la fin des années 90, d’un élastomère transparent, le PDMS, donne un élan formidable au domaine. Son utilisation est simple, rapide, à bas coût ; de nouveaux concepts peuvent donc être testés très facilement. L’utilisation de ce matériau souple a facilité l’intégration de valves, pompes, mélangeurs. Les articles traitant de microfluidiques sont donc passés de quelques un par an avant 1995 à quelques dizaines par an autour de 1998, puis à quelques centaines dès 2000 pour atteindre aujourd’hui quelques milliers voire dizaines de milliers par an comme on peut le voir sur le graphique de la Figure 1. Et les lecteurs pourront voir les tendances futures de la microfluidiques dans l’article de Whitesides [7].

Les fluides à l’échelle micronique

            Nous avons défini la microfluidique comme l’étude et la manipulation de fluides aux petites échelles. Cette distinction entre étude et manipulation est intéressante, car la maîtrise des techniques de microfluidique décrites précédemment permet de mettre en évidence des phénomènes spécifiques, liés aux échelles de mesure et d’analyse, et par conséquent de mieux les comprendre, ou d’en expliquer de nouveaux. La manipulation du fluide permet donc son étude. Mais une fois les phénomènes physique compris, ils peuvent être utilisés et exploités pour fabriquer des dispositifs innovants répondant à des problématiques issues de divers domaines. L’étude du fluide permet donc sa manipulation. Le fluide peut être ainsi l’objet d’étude et mettre en lumière des phénomènes physiques inhérents à l’échelle microscopique. A ces dimensions le rapport volume sur surface est très faible, les phénomènes surfaciques deviennent donc prépondérants et les forces liées aux tensions de surface ou aux frottements supplantent les phénomènes inertiels et gravitationnels. Une conséquence du caractère négligeable de la gravitation est la nature laminaire des écoulements au sein de micro-canaux. Le nombre de Reynolds qui représente le rapport entre les forces d’inertie et les forces visqueuses est généralement inférieur à 1 en microfluidique. Les échanges sont donc principalement diffusifs et le nombre de Péclet qui quantifie le rapport entre le transfert par convection et le transfert par conduction est donc inférieur à 1 également. C’est pourquoi de nombreux travaux ont essayé d’accélérer les mélanges au sein des micro-systèmes [13]. Il existe de nombreux nombres sans dimension en dehors de ceux de Reynolds et Péclet qui permettent d’expliquer la physique de la microfluidique, nous ne les listerons pas ici mais une lecture des travaux de Squires et Stones permettra d’avoir une vision assez complète de la théorie [14], [15]. La microfluidique a donc permis la caractérisation des écoulements de fluides aux petites échelles.De plus la compréhension des effets électrocinétiques a permis d’exploiter au mieux la prépondérance des effets de surface à cette échelle. En effet la circulation de fluides a pu être effectuée par des voies nouvelles telles que : l’électro-osmose, le fluide est mis en mouvement par l’application d’un champ électrique ; l’électrophorèse, le champ électrique ne met en mouvement que les particules chargées présentes au sein du fluides. Ou inversement, la circulation forcée du fluide crée un courant électrique (‘ streaming current ‘ en anglais.). La distinction que nous venons de faire entre étude et manipulation permet d’apercevoir la multitude de fonctions que peut avoir un fluide dans un système microfluidique. Ces rôles peuvent venir de l’intérêt pour les caractéristiques du fluide, ou alors pour les propriétés d’un élément transporté par le fluide, des nano-particules ou des colloïdes par exemple. On peut également parler de la formation de gouttes et de bulles réalisable grâce à la microfluidique, le fluide peut être alors le milieu environnant d’une réaction chimique, ou former des structures optiques singulières. L’optofluidique, illustre très bien cette variété de fonctions qu’offre la microfluidique aux liquides [16], [17]. Pour notre part, dans la perspective d’élargir encore les champs d’applications de la microfluidique, nous avons voulu étudier l’association de liquides et d’ondes électromagnétiques hautes fréquences (supérieures à 2 GHz). Et plus particulièrement l’utilisation de liquides dans la reconfigurabilité de circuits hyperfréquences. Il convient donc de regarder l’état de l’art dans cette thématique.

La technologie MEMS

             Les MEMS sont actuellement très utilisés dans la réalisation de filtres ou autres systèmes électroniques accordables [21] ; l’attrait de cette technologie vient de leur bon facteur de qualité Q (Q >300 à 21 GHz [22]). Il existe deux types de MEMS : les MEMS de type varactor (capacité variable sous forme de cantilever ou de pont inter masse) et ceux dits à contact. On retrouve la distinction faite pour les semi-conducteurs, les varactors réalisent un accord continu et les micro-interrupteurs un accord discret. Les principaux avantages de cette technologie sont leur faible consommation de puissance, leurs très faibles pertes d’insertion et leurs forts facteurs de qualité. Cependant le temps de commutation de ces varactors est encore lent (de l’ordre de la µs) et leur intégration reste très difficile. Enfin, pour des applications embarquées, les tensions d’activation sont encore trop élevées (de l’ordre de 20 à 80V).

Les filtres accordables proposés

             L’état de l’art précédent a mis en lumière la quasi-inexistence de filtres accordables utilisant les techniques de la microfluidique. Notre objectif est donc ici de réaliser de tels dispositifs. Le principe de ce couplage se rapproche des matériaux agiles ; l’accord se fait par une variation des propriétés du substrat. Mais à l’instar du contrôle optique cette modification ne sera que locale, elle ne se fera qu’à l’intérieur de canaux micro-fluidiques. Cette technologie devrait pourvoir être performante à plusieurs niveaux, mais orientera alors les choix de la technologie de fabrication utilisée. Comme nous l’avons vu précédemment les caractéristiques d’un filtre passe bande accordable « idéal » sont : un facteur de qualité élevé, un large domaine d’accord, une bonne linéarité, de faibles pertes d’insertion, une petite taille, une faible consommation de puissance, une grande vitesse de réglage. Nous avons également vu que le facteur de qualité d’un filtre planaire n’égalera jamais celui d’un filtre volumique. Cette remarque impose une contrainte sur le choix de la technologie de fabrication : elle devra être compatible avec des structures tridimensionnelles. Les technologies à base de matériaux durs (Silicium ou verre) pêchent de ce côté. En effet comme nous l’avons vu dans la première sous partie, la réalisation de grands rapports de forme avec de fortes épaisseurs passe, pour ces matériaux, par de la gravure sèche par plasma et par des techniques de bonding. Deux technologies lourdes à mettre en œuvre et couteuses. Le deuxième critère est un large domaine d’accord. Dans le cas d’une technologie fluidique, plus le contraste entre la permittivité du substrat et celle du fluide sera grande plus la plage d’accord sera large. Le liquide devra donc avoir la plus grande permittivité possible et le substrat la plus faible. Encore une fois le silicium et le verre sont distancés par les polymères puisque la constante diélectrique du silicium est 11.8, celle du verre autour de 5 et celles des polymères autour de 2.5 à 3. Ensuite, du fait de la conservation des dimensions du résonateur, seuls les paramètres du substrat varient, une bonne linéarité devrait donc être obtenue. Les pertes d’insertion seront d’autant plus faibles que les liquides utilisés auront des faibles pertes (idéalement une tangente delta inférieure à 10-4). Pour ce qui est l’encombrement, l’avantage d’un contrôle fluidique est la possibilité d’enterrer le canal. Dans ce cas, le filtre accordable n’est pas plus grand que le filtre non-accordable. La consommation de puissance dépendra du type d’actionnement choisi pour déplacer le fluide. Mais toujours est-il que cette puissance ne sera nécessaire que pendant les phases transitoires. Le seul point sur lequel un contrôle fluidique rivalisera difficilement avec l’existant est la vitesse de réglage ; les composants semiconducteurs étant largement plus rapides. Notre but est donc de réaliser des filtres accordables grâce à des moyens microfluidiques, dans un premier temps planaire mais en gardant la perspective de passer en volumique par la suite ; et les avantages que l’on peut attendre d’une telle association sont nombreux. Les technologies de fabrications spécifiques de la microfluidique, à savoir celles à bases de polymères, apparaissent de plus comme les plus pertinentes,. Comme nous l’avons vu dans la première partie, les polymères peuvent se diviser en trois grandes catégories : Les élastomères, les thermoplastiques et les thermodurcissables. Un critère important pour le choix du polymère va être sa résistance chimique aux différents solvants ainsi qu’aux acides et aux bases. Quant aux liquides qui permettront de réaliser l’accord en fréquences, ils seront de nature variée et devraient permettre d’obtenir les réponses RF voulues. De ce fait les élastomères sont de moins bons candidats car ils gonflent en présence de solvants. La résistance aux solvants des thermoplastiques n’est pas exceptionnelle non plus, mais leur principal défaut va venir de la difficulté d’empiler les couches pour atteindre du tridimensionnel. En effet leur température de mise en forme est identique à celle de leur température de transition vitreuse. La structuration d’une seconde couche détériorera donc la première. Ainsi les thermodurcissables présentent les meilleurs caractéristiques pour notre cahier des charges. Une distinction peut être cependant faite entre les thermodurcissables purs et les thermodurcissables photosensibles. Ces derniers sont beaucoup plus adaptés à la réalisation de dispositifs microfluidiques, et le plus remarquable de cette catégorie est la SU-8.

Table des matières

Introduction
I. L’essor de la microfluidique au service de la reconfigurabilité de dispositifs microondes
I-1 La microfluidique
I-1.1 Fondements et applications historiques
I-1.2 Les technologies développées pour la microfluidique
I-1.3 Les fluides à l’échelle micronique
I-2 Le reconfigurabilité des dispositifs micro-onde
I-2.1 Définition et enjeux de la reconfigurabilité
I-2.2 L’accordabilité des filtres planaires
I-2.3 Les filtres volumiques
I-3 L’association microfluidique – hyperfréquences
I-3.1 Où retrouve-t-on le couplage microfluidique – hyperfréquences ?
I-3-2 Les filtres accordables proposés
Conclusion
II. Conception des filtres
II-1 Choix technologiques et topologiques planaires
II-1-1 Le choix de la technologie planaire
II-1-2 Le choix de la topologie
II-2 Simulation des structures planaires
II-2-1 Les paramètres de simulation
II-2-2 Dimensionnement et simulation à vide
II-2-3 Simulation de l’accordabilité
II-3 Conception des filtres volumiques
II-3-1 Le choix de la technologie SIW
II-3-2 Dimensionnement et simulation à vide
II-3-3 L’accordabilté de la fréquence centrale
Conclusion
III. Du concept à la réalisation
III-1 L’intégration du couplage RF-Microfluidique
III-1-1 Présentation du procédé technologique
III-1-2 Présentation des masques
III-1-3 Description détaillée du procédé de fabrication
III-2 Les points clés du procédé
III-2-1 Le capotage de la dentelle
III-2-2 La métallisation des vias
III-2-3 Les contraintes mécaniques et leurs conséquences
III-3 Mesures de l’accordabilité ; validation du concept
III-3-1 Présentation du banc de test
III-3-2 Mesures à vide
III-3-3 Comparaison mesures – simulations
III-3-4 Mesures avec des liquides : validation de l’accordabilité
III-4 Vers une adaptation à du semi-volumique
Conclusion
IV. Les applications proposées ou explorées
IV-1 Du filtre accordable au capteur
IV-1-1 Etat de l’art des capteurs biologiques hyperfréquences
IV-1-2 Utilisation en tant que capteur
IV-1-3 Les caractéristiques d’un liquide diélectrique
IV-2 Une technologie, un couplage, trois applications
IV-2-1 Bobine accordable
IV-2-2 Capteur de température
IV-2-3 Contacteurs microfluidiques
IV-3 Le Galinstan, le liquide conducteur idéal ?
IV-3-1 Présentation et utilisations diverses du Galinstan
IV-3-2 Utilisation du Galinstan dans les applications hyperfréquences
IV-3-3 Les difficultés de manipulations
Conclusion
Conclusion générale

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