Les capteurs et dispositifs de traitement des signaux

Les microsystèmes

Un microsystème est un système miniaturisé multifonctions (électronique, optique, mécanique ou chimique) comprenant des parties de dimensions latérales (sub) microniques (E. Dufour Gergam, IEF, Université de Paris-Sud). Nous allons retracer rapidement l’évolution chronologique des travaux et publications relatifs aux microsystèmes.
Elle commence en 1959 avec Richard Feynman  qui fut le premier à envisager des travaux de recherche sur des dispositifs de dimensions microscopiques. Cette idée se développera au Jet propulsion laboratory, Pasadena CA, USA en 1983 car Feynman proposera le concept de » Infinitesimal Machinery ».
L’idée du transistor à grille métallique résonante sera proposée par H.C. Nathanson et al en 1967. Il s’agit d’une réalisation à l’échelle millimétrique permettant d’entrevoir la réalisation d’un film mince.
Ensuite, le silicium est présenté en 1982 par Petersen et al.(IBM Research Lab.) comme le matériau de base de l’industrie de la micro-électronique suite à un article intitulé  » Silicon as a Mechanical Material’ ‘. Dans le prolongement, Angell et al. proposent en 1983 dans un papier intitulé  »Silicon Micromechanical Deviees » des systèmes réalisés dans du silicium.
Mais les faits marquants pour le développement et l’accélération du développement des microsystèmes sont intervenus au milieu des années 80 à l’université de Berkeley aux Etats-Unis avec la création de Berkeley Sensors and Actuators Center (BSAC) à San Francisco et au Japon dans le laboratoire du professeur Esashi à Sendai.
En 1988, la réalisation du moteur électrostatique rotatif du professeur R.S. Muller (BSAC, USA) est un fait qui marque une nouvelle ère dans le monde des MEMS.
Entre 1985 et 1990, entrent en lice les pays européens qui débutent leur recherche dans le domaine des microsystèmes (Suisse, Pays-Bas, Suède, Allemagne). Les premières réalisations en France ne sont intervenues qu’au début des années 90.
En 1992, la recherche sur les microsystèmes en France se structure avec la création de nouveaux pôles de recherches autour du CNRS ou du CEA (le LAAS7 CNRS à Toulouse, le CEA-LETI à Grenoble, l’IMFC à Besançon et l’IEMN à Villeneuve d’ Ascq). C’est également vers cette date que de grandes entreprises se sont lancées dans des activités de recherche dans le domaine des microsystèmes.
Nous assistons ensuite au milieu des années 90 à une accélération du développement des microsystèmes avec la création de nouveaux laboratoires, la découverte de nouvelles applications et l’émergence de débouchés commerciaux.
La terminologie employée est souvent très variable suivant les pays concernés: microsystème en France, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) aux Etats-Unis ou Micromachines au Japon. Le terme MST (MicroSystémes Technologies recouvre l’ensemble des technologies à mettre en œuvre et est utilisé par l’ensemble de la communauté internationale.
Après avoir donné la définition et l’état de l’art des microsystèmes, nous allons présenter les principaux types de microsystèmes ayant fait l’objet de publications.

Les capteurs et dispositifs de traitement des signaux

Les MOEMS, optique intégrée et miroirs optiques

Le terme MOEMS signifie Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems. Les MOEMS étaient utilisés à l’origine pour la réalisation de miroirs à inclinaison variable .
Il existe deux grandes catégories de MOEMS : ceux qui utilisent des principes de l’optique géométrique pour la commutation spatiale de la lumière (connectique, switch) et ceux qui mettent en œuvre des aspects ondulatoires tels que les interférences optiques (modulateurs, réseaux). La naissance de l’optique intégrée peut être attribuée à S. E. Miller de Bell aux Etats-Unis qui, avec le développement des systèmes de télécommunication optique, proposa l’intégration et l’interconnection des composants optiques entre eux par des guides d’ondes optiques réalisés dans un même substrat . L’optique intégrée est souvent utilisée pour réaliser des composants pour les télécommunications optiques et des capteurs optiques pour des mesure de grandeurs physiques notamment pour des applications en astrophysique, en chimie et en biologie.
La fabrication des guides d’ondes en optique intégrée fait appel à plusieurs types de matériaux comme: Les matériaux ferroélectriques comme le niobate de lithium, avec des guides d’ondes réalisés soit par diffusion d’un métal, soit par échange protonique ;
Le silicium et les guides à base de silice ou de nitrure de silicium obtenus par dépôt CVD (Chemical Vapor Deposition) ou hydrolyse à la flamme ;
Les semi-conducteurs III-V et les techniques d’épitaxie  ; Les polymères et les guides réalisés par transformation chimique provoquée par irradiation UV ; Le verre et les techniques de diffusion d’ions .
Nous allons cependant donner un exemple de l’utilisation du silicium en optique intégrée et de l’intégration des miroirs optiques. Le silicium, matériau de base de la microélectronique, peut être utilisé en optique intégrée pour réaliser des dépôts de couches minces et des gravures. Des matériaux comme la silice, l’oxynitrure ou le nitrure de silicium, dérivés du silicium, sont des matériaux qui ont d’excellentes qualités optiques. Nous notons aussi la possibilité d’effectuer des gravures profondes permettant ainsi le positionnement direct des fibres optiques monomodes et un alignement quasi parfait des entrées et des sorties des circuits optiques. Des gravures en V ainsi que des gravures en U peuvent aussi être effectuées.
Les couches piézoélectriques d’oxyde de zinc sur silicium, sur silice ou sur du nitrure de silicium permettent d’obtenir des composants acousto-optiques performants.

Les biopuces

La rencontre entre la microélectronique, les microsystèmes, la chimie des acides nucléiques, la bioinformatique et la biologie est à la naissance des biopuces qui sont conçues dans une lame de verre ou de silicium de la taille d’une lame de microscope. Comme son nom l’indique, elles sont conçues pour des applications biologiques et permettent d’analyser en général des milliers de séquences d’ADN  ou de protéines.
Grâce aux biopuces, on obtient ainsi la possibilité de mesurer le niveau d’expression de plusieurs milliers de gènes simultanément. Les applications ne cessent d’augmenter dans de nombreux domaines comme la pharmacologie, la médecine ou l’environnement.
Des études ont montré que les biopuces permettaient de détecter le gène qui est responsable du cancer du sein .
Les biopuces sont aussi utilisables dans les chaînes de production agroalimentaire car ils sont particulièrement efficaces dans la reconnaissance de l’origine des espèces animales qui composent les produits alimentaires et dans la détection et le contrôle des séquences des semences provenant d’organismes génétiquement modifiés .
Il existe des applications environnementales pour l’analyse microbiologique de l’eau de consommation et d’une manière générale pour le contrôle qualité en milieu industriel pour renforcer la sécurité des produits.
Des systèmes de plus en plus compliqués sont conçu de nos jours avec notamment la puce intégrée développée par la méthode PCR (Polymerase Chain Reaction ou Amplification en chaine par polymérase) au CEA-LETI en collaboration avec St Microelectronics . La partie gnsee correspond à une plaque de silicium de 3 cm 2 environ. Des éléments chauffants et des détecteurs de température sont implantés dans le silicium par des procédés de microélectronique. Sous ces éléments chauffants, se trouvent des canaux creusés selon un procédé développé par STMicroelectronics. L’échantillon et les réactifs d’amplification et de marquage sont injectés par une extrémité de la puce et une fois amplifiés, les fragments sont collectés .

Les différentes ondes acoustiques

Ondes de volume :Ces ondes peuvent exercer une contrainte de compression et l’onde est dite longitudinale ou L ou de cisaillement et l’onde est dite transversale ou T. Ces ondes sont caractérisées par leur célérité et l’atténuation de propagation qui résulte des mécanismes de dissipation et d’interaction de l’onde avec le milieu. Ces grandeurs associées à la masse volumique sont des caractéristiques intrinsèques du milieu de propagation. Nous utiliserons principalement des ondes de volumes dans le microsystème que nous proposons d’étudier.
Ondes de surface :Comme leur nom l’indique, l’énergie de ces ondes est confinée en surface d’un matériau et la déformation du matériau est pratiquement nulle au-delà d’une profondeur d’une longueur d’onde. Parmi les ondes de surface, l’onde de Rayleigh est la plus connue et la plus souvent utilisée. Elle a été découverte en 1885 par Lord Rayleigh. Si son déplacement se fait en surface, le mouvement qu’elle effectue reste complexe car celui-ci est la somme d’un mode de propagation L et d’un mode de propagation T à la fois.
Ondes de Love :Elle fut été découverte en 1911 par A. E. H. Love. Son déplacement s’effectue par un mouvement de cisaillement vertical et elle est aussi souvent prise en compte en sismologie car le déplacement lié à cette onde peut causer d’importants dégâts en cas de tremblements de terre. Il faut noter que les ondes de Love ne se propagent que dans les solides non homogènes.

Acoustique haute fréquence

C’est depuis les années 1974 et 1975 qu’est apparue l’idée d’utiliser une onde acoustique de fréquence supérieure à 1 GHz pour réaliser une image des propriétés élastiques à l’échelle microscopique. Dans ce domaine de fréquence la résolution obtenue en microscopie acoustique à balayage dans l’eau est comparable à la résolution obtenue avec un microscope optique soit environ 1,5 µm.

Microscopie acoustique

C’est dans les années 70, à l’université de Stanford (Californie) que Quate et Lemons  conçoivent un microscope acoustique à balayage avec une résolution proche ou meilleure que le micromètre SAM. Il fonctionne en transmission et à une fréquence du Gigahertz. Depuis, ce système n’a cessé de progresser et nous fabriquons aujourd’hui des microscopes acoustiques à balayage en transmission et en réflexion pour des fréquences pouvant avoisiner quelques gigahertz.
Un microscope acoustique est composé d’un générateur G qui est chargé de fournir un signal électrique modulé à un élément piézoélectrique (en oxyde de zinc par exemple) qui va convertir le signal électrique en onde mécanique. Ce faisceau est alors focalisé sur l’objet A, immergé dans un liquide (de l’eau par exemple), par l’intermédiaire d’une lentille Cd convergente (sa célérité étant inférieur à celui du liquide d’immersion). Cette lentille est généralement en saphir, ce qui permet de réaliser une lentille acoustique à fort indice et par conséquence un dispositif pratiquement exempt d’aberrations sphériques. Le faisceau acoustique transmis par l’échantillon est alors recueilli par une lentille identique Ob puis reconverti en onde plane dans la direction du transducteur récepteur. Ce dernier reconvertit l’onde acoustique en un signal électrique qui module, après amplification l’intensité du faisceau d’un moniteur M dont le balayage est synchrone du déplacement de l’objet.

Acoustique picoseconde

Découvert au début des années 80, l’acoustique picoseconde est une technique optique définie par une source laser qui produit des impulsions très brèves. L’énergie lumineuse déposée est ensuite absorbée par le matériau, convertie en chaleur, puis en dilatation du matériau, ce qui engendre une vibration qui se propage alors. Cette onde va se retrouver sur l’autre face du matériau après un temps de retard. Enfin, ce sont ces deux modifications qui vont permettre de mesurer l’amplitude et la phase de la variation relative de réflectivité grâce à un second faisceau couplé à un interféromètre.
C’est en 1984 que le chercheur H. Maris et son équipe de l’université Brown , découvre en étudiant la réponse d’un film d’ As2 Te3 soumis à une brève impulsion de lumière, que le signal obtenu est lié à une vibration de l’échantillon . L’application de cette technique a permis de mesurer la vitesse d’ondes acoustiques longitudinales et leur atténuation. Dans la foulée, une collaboration avec l’équipementier Rudolph, a permis de mettre sur pied un outil métrologique basé sur cette méthode, il s’agit du Metapulse  qui est basé sur la mesure d’épaisseur. Notamment au Japon O. Wright a étudié deux montages: un premier pour montrer que sous l’effet de l’impulsion acoustique, il est possible de détecter la déflexion du faisceau et un second pour proposer un montage qui permet d’imager la surface d’un échantillon après l’excitation de ce dernier .
En France, le premier montage est l’œuvre de B. Perrin et B. Bonello en 1993. Ils ont développé ensuite en 1996 un montage interférométrique permettant d’obtenir la phase ainsi que l’amplitude du signal de réflectivité .
Au sein du laboratoire IEMN, un montage pour l’acoustique picoseconde a vu le jour grâce à A. Devos et permet d’étudier l’incidence de la longueur d’onde dans les mécanismes de détection. Les montages sont de plus en plus nombreux en France , notamment à Bordeaux dans les laboratoires du LMP, du CPMOH et l’IXL. L’exploitation de cette méthode est très importante à travers le monde  notamment par l’équipe C.J.K. Richardson à Baltimore, Chi-Kuang Sun à Taipei, J. Vollemann à l’ETH de Zurich, K. Nelson au MIT dans le Massachussetts, T. Dekorsy à l’institut Fraunhofer en Allemagne.
L’acoustique picoseconde permet de générer et de détecter des ondes acoustiques à des fréquences avoisinant le Térahertz.

Table des matières

Introduction Générale 
CHAPITRE 1: Introduction aux microsystèmes acoustiques 
1.1 Introduction 
1.2 Les microsystèmes 
1.2.1 Définitions et état de l’art
1.2.2 Les différents types de microsystèmes et leurs applications possibles
1.2.3 Les microsystèmes pour l’actionnement
1.2.4 Les capteurs et dispositifs de traitement des signaux
1.2.4.1 Les MO EMS, Optique intégrée et miroirs optiques
1.2.4.2 Les Biopuces
1.2.4.3 Les BIOMEMS/Laboratoires sur puce
1.2.4.4 Les microsystèmes acoustiques
1.2.5 Aperçu des développements réalisés dans le domaine de la microfluidique
1.3 Introduction à l’acoustique 
1.3.1 Généralités sur les ondes acoustiques
1.3.1.1 Les différentes ondes acoustiques
1.3.1.2 Applications des ultrasons à la caractérisation des milieux
1.3.1.3 Utilisation en transmission
1.3.2 Acoustique hautefréquence
1.3 .2.1 Microscopie acoustique
1.3.2.2 Acoustique picoseconde
1.4 Développement d’un microsystème acoustique 
1.5 Conclusion 
CHAPITRE 2: Etude de développement du microsystème proposé
2.1 Introduction 
2.2 Généralités sur les ondes acoustiques 
2.2.1 Rappels d’élasticité et loi de Hooke
2.2.2 Rappels sur la piézoélectricité
2.3 Les conditions de continuité à l’interface de deux matériaux 
2.3.1 Réflexion et transmission en incidence oblique ou normale
2.3.2 Propagation à travers un milieu illimité et un multicouche sous incidence normale
2.3.2.1 Cas d’un milieu illimité
2.3.2.2 Cas d’une multicouche
2.3.2.3 Calcul des pertes d’insertion à l’interface de deux milieux
2.4 Modélisation des milieux piézoélectriques par le modèle d’ Auld
2.4.1 Modélisation de l’oxyde de zinc
2.4.2 Modélisation du Niobate de Lithium dans le plan cristallin Y tourné de 36° autour de l’axe X
2.5 Estimation des pertes et des performances attendues 
2.5.1 Conversion de mode au niveau des miroirs à 45°
2.5.2 Adaptation d’impédance entre le substrat et le canal microfluidique
2.5.3 Adaptation d’impédance électrique du transducteur
2.5.4 Absorption dans les matériaux
2.5.5 Bilan sur l’estimation des pertes et des performances
2.6 Réalisation technologique des éléments de notre microsystème
2.7 Conclusion 
CHAPITRE 3: Modélisation par éléments finis 
3.1 Introduction
3.2 Différents types de maillage
3.2.1 Rappels et définitions
3.2.2 Choix du maillage dans notre cas
3.3 Modélisation sous Comsol
3.3.1 Présentation du logiciel
3.3.2 Définitions, mise en équation et implémentation sous Comsol des éléments qui composent notre microsystème
3.3.2.1 Pour les solides piézoélectriques
3.3.2.2 Pour les solides non piézoélectriques
3.3.2.3 Pour les fluides
3.3.3 Implémentation des conditions aux limites
3.3.3.1 Conditions aux limites
3.3.3.2 Les milieux parfaitement absorbants (PML)
3.3.3.2.1 Intérêt de l’utilisation des PML en régime harmonique
3.3.3.2.2 Etat de l’art sur les PML
3.3.3.2.3  Définitions et implémentation des C-PML sous Comsol en régime harmonique
3.3.3.2.4 C-PML dans les solides piézoélectriques
3.3.3.2.5 C-PML dans les solides non-piézoélectriques
3.3.3.2.6 C-PML dans les fluides
3.3.4 Affichage des résultats
3.3.4.1 Méthode d’affichage
3.3.4.2 Méthode de calcul utilisée pour passer du régime harmonique au régime impulsionnel
3.4 Validation de la méthode utilisée par l’étude de quelques cas 
3.4.1 Présentation des cas simples à étudier
3.4.2 Etude de l’efficacité des C-PML
3.4.2.1 Position du problème
3.4.2.2 Efficacité des C-PML dans du silicium rendu isotrope
3.4.2.3 Efficacité des C-PML dans du silicium
3.4.2.4 Efficacité des C-PML dans de l’oxyde de zinc
3.4.3 Etude du champ rayonné
3.4.3.1 Position du problème
3.4.3.2 Réponse en fréquence
3.4.3.3 Etude théorique du champ rayonné
3.4.3.3.1 Calcul du champ rayonné
3.4.3.3.2 Critère de calcul de la largeur du faisceau
3.4.3.4 Diagramme de rayonnement
3.4.4 Propagation de l’onde en fonction du temps
3.5 Conclusion 
CHAPITRE 4: Présentations des résultats de modélisation et premiers résultats expérimentaux 
4.1 Introduction 
4.2 Modélisation du microsystème sous Comsol
4.2.1 Etude de la conversion de mode au niveau des miroirs
4.2.1.1 Conditions de simulations pour l’étude de la conversion de mode
4.2.1.2 Etude de la conversion de mode au niveau du miroir
4.2.2 Comparaison entre du silicium et du silicium rendu isotrope
4.2.3 Comparaison entre milieu piézoélectrique étendu ou localisé
4.2.3.1 Transducteur Zn0
4.2.3.2 Transducteur LiNb03 dans le plan cristallin Y tourné de 36° autour de l’axe X
4.2.3.3 Comparaison entre le ZnO et le LiNb03 dans le plan cristallin Y tourné de 36° autour de l’axe x
4.2.4 Modélisation du microsystème associé au canal microjluidique
4.2.5 Modélisation du microsystème proposé
4.3 Mesures expérimentales 
4.3.1 Principe des mesures expérimentales
4.3.2 Caractérisation des transducteurs
4.3.3 Caractérisation des couches adaptation d’impédance mécanique
4.3.4 Caractérisation du microsystème sans canal microjluidique
4.3.5 Caractérisation du microsystème avec canal microjluidique
4.4 Conclusion 
Conclusion Générale 

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