Soutenance mémoire
Les micro-sources de chaleur ont trouvé place dans des domaines d’applications aussi variés que les capteurs de gaz, le monde grandissant des micro-actionneurs et celui en pleine expansion de la micro-fluidique. Parallèlement, les techniques de fabrication de MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) ont atteint un niveau de maturité rendant possible l’intégration de grandes quantités d’éléments sur une même puce. Des solutions d’adressage ont dès lors dû être mises en place afin de palier les problèmes liés aux interconnections (complexité grandissante et limites associées). Diverses méthodes d’adressage sont apparues, permettant d’actionner de manière individuelle un élément sélectionné au sein d’une matrice d’éléments. De nombreux domaines requérant l’utilisation de micro-sources de chaleur se voient confrontés à la multiplication des éléments à réaliser au sein d’un même système. Ainsi, au LAAS, deux projets ont nécessité le développement d’une méthode simple d’adressage matriciel, spécifique au domaine des micro-sources de chaleur et étant compatible avec une réalisation sur membrane suspendue. Tout d’abord le projet européen Micropyros a mené à la réalisation de matrices de micro-actionneurs pyrotechniques. Ces structures intègrent un étage d’initiation composé d’une multitude d’éléments chauffants, partiellement réalisés sur membrane. En plus d’une solution propre à ce projet, nous avons développé une méthode originale et générique qui a ensuite été employée dans le cadre du projet de matrices de micro éjecteurs thermiques adressables individuellement pour la fonctionnalisation de biopuces. Ce second projet, plus sensible du fait de ses dimensions réduites, nous a permis de pleinement valider notre méthode innovante d’adressage, basée sur des éléments à seuils symétriques.
Micro-sources thermiques et solutions pour l’adressage matriciel
Afin d’aborder la problématique générale à laquelle cherchent à répondre nos réalisations et d’approcher le vaste champ des applications en lien avec notre sujet d’étude, nous allons dans un premier temps effectuer une revue non exhaustive des applications intégrant des micro-sources thermiques. La variété des domaines d’applications tels que les capteurs de gaz, le monde grandissant des micro actionneurs et celui en pleine expansion de la micro-fluidique tende à montrer la multitude d’applications envisageables pour de telles réalisations. Sans prendre en compte les méthodes d’obtention de ces micro-sources de chaleur, nous détaillerons successivement les principales caractéristiques nécessaires à chaque champ d’applications.
Champ d’application des micro-sources thermiques
Les micro-sources thermiques sont présentes dans de nombreuses applications et tout particulièrement dans les micro-capteurs où le contrôle de la température permet d’ajuster et de maintenir la sensibilité de détection constante. Elles présentent aussi un grand intérêt pour les micro-systèmes électromécaniques appelés MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), où elles sont à la base de plusieurs principes d’actionnement thermomécanique. Nous allons donc dans un premier temps présenter les différents champs d’applications de ces micro-sources thermiques.
Capteurs de gaz
Trois grandes familles de micro-capteurs permettent d’identifier et de quantifier certaines espèces chimiques gazeuses:
– Une première famille est basée sur la réaction chimique du composé gazeux avec la surface du capteur dont il résulte une nouvelle espèce chimique. Si cette espèce chimique s’intègre dans une chaîne ionique, il en résulte une variation de potentiel proportionnelle à la quantité de gaz ayant réagi. En revanche, si la réaction chimique est exothermique ou endothermique, c’est alors la mesure de la quantité de chaleur mise en jeu qui est significative de la quantité de gaz ayant réagi.
– Une seconde famille fait appel à l’absorption physico-chimique à la surface du capteur et la modification d’une grandeur physique de cette couche sensible est alors aisément mesurée. Le plus souvent, on mesure l’évolution de la résistivité du matériau mais parfois c’est plus simplement la variation de masse de l’élément sensible.
– Enfin une troisième famille est basée sur les propriétés thermiques du gaz à identifier. Pour cela, un élément résistif semi-conducteur est chauffé : soit à température constante et la quantité d’énergie utilisée est significative de l’environnement du capteur, donc de la conductibilité thermique du gaz en contact avec le capteur, soit à énergie constante et c’est alors la variation de température qui est significative.
C’est souvent une combinaison des grands principes énoncés ci-dessus qui est mise en œuvre dans les micro-capteurs chimiques. Il en résulte une très grande variété des éléments sensibles et des transducteurs utilisés. La technologie la plus répandue est basée sur des films résistifs à base d’oxydes métalliques sur support céramique. Cette technologie, proposée par Taguchi [1], fut commercialisée dès 1968 par la compagnie japonaise Figaro Inc. L’idée fondamentale de Taguchi est qu’une couche poreuse d’un oxyde métallique (semi-conducteur), déposée sur un substrat diélectrique chimiquement neutre (céramique), voit ses propriétés conductrices affectées sensiblement en présence d’une faible concentration de gaz oxydant ou réducteur. En effet, les gaz oxydants génèrent des états de surface accepteurs dans le semi-conducteur (oxyde métallique) et les gaz réducteurs provoquent au contraire des états donneurs. Il s’agit en fait d’exacerber ces phénomènes de surface qui, dans les composants électroniques classiques, sont considérés comme des mécanismes parasites souvent indésirables.
Aujourd’hui, le principe proposé par Taguchi a été adopté par nombre des constructeurs qui l’ont mis en oeuvre en y ajoutant des concepts de nanotechnologie.
Ainsi, les capteurs de la famille MSGS, présentés sur la Figure I-1, sont typiquement des capteurs sur substrat de Silicium micro-usiné. Comme montre la vue en coupe de ce type de dispositif (Figure I-1.b), on retrouve l’élément sensible, constitué d’une couche mince d’oxyde métallique semi-conducteur (SnO2-Nb2O5) déposée sur une membrane de diélectrique en SiO2 de 0.8µm d’épaisseur dans la zone sensible, sur laquelle est intégré un système de chauffage en platine. Grâce à la finesse de cette membrane, la couche sensible est quasiment isolée thermiquement du reste du substrat de silicium, ce qui limite considérablement la puissance électrique nécessaire à l’obtention d’une température de fonctionnement convenable (>400°C). Parfois, pour des considérations de robustesse mécanique, on préfère une membrane en silicium à la membrane diélectrique jugée trop fragile. Afin de minimiser la quantité d’énergie nécessaire pour chauffer une couche active, le substrat de silicium est localement aminci (3 à 5 µm d’épaisseur) en exploitant les techniques de micro-usinage de volume développées pour la réalisation de capteurs mécaniques (substrat SOI). Dans ce cas, la couche isolante intermédiaire entre le film chauffant et la couche active sera le plus souvent à base de nitrure de silicium (Si3N4) pour des raisons de tenue mécanique, thermique et d’adhérence.
La température jouant un rôle prépondérant sur le processus d’absorption ou de désorption, il est clair que le temps de réponse sera sensiblement modifié si la température de fonctionnement du capteur est elle-même modifiée. La température de fonctionnement doit être spécifiée pour chaque capteur. Elle dépend à la fois de la couche sensible du capteur (oxydes métalliques) et du gaz à détecter. En pratique, on distingue deux températures:
– la première, correspondant à la température de désorption, à laquelle doit être soumis le capteur pendant un temps défini pour lui permettre de retrouver un état de surface « vierge » (pas de gaz piégé dans le film sensible).
– la seconde est celle à laquelle on procèdera à la mesure après un temps précis de stabilisation.
Ainsi, dans le cas du capteur Figaro, il est préconisé une phase de désorption à environ 350°C pendant 14 ms, suivie d’une période d e retour à température ambiante en 236 ms et d’une plage temporelle de mesure de 150 ms, soit pour un cycle de mesure une durée totale de 400 ms. De tels transitoires thermiques ne sont rendus possibles que par la réalisation sur membrane qui limite les volumes chauffés mis en jeu. Afin de limiter le nombre de capteurs utilisés, le principe largement retenu est de faire fonctionner ceux-ci séquentiellement selon plusieurs cycles de mesure différents. En effet la sélectivité et la sensibilité varient selon la température de fonctionnement du capteur, et un cycle de mesure est généralement suffisamment court pour que l’on puisse garantir que la composition de l’atmosphère gazeuse au voisinage du capteur n’ait pu varier significativement entre deux cycles de mesures successifs. Il est donc possible avec le même capteur d’obtenir successivement plusieurs mesures exploitables en faisant varier la température de mesure.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I: Micro-sources thermiques et solutions pour l’adressage matriciel
I.1 Champ d’application des micro-sources thermiques
I.1.1 Capteurs de gaz
I.1.2 Micro-actionneurs thermiques
I.1.3 Micro-fluidique : les micro-éjecteurs de gouttes
I.1.4 Micro-initiateur pyrotechnique
I.2 Adressage matriciel
I.2.1 Approche multipolaire (transistors à couches minces)
I.2.2 Approche dipolaire
I.2.2.1 Eléments à seuils asymétriques
I.2.2.2 Eléments à seuils symétriques
I.3 Notre positionnement et applications visées
Chapitre II: Réalisation de matrices adressables à l’aide d’éléments à seuils asymétriques
II.1 Présentation du projet Micropyros et de l’actionneur pyrotechnique
II.2 Evaluation de la sensibilité des performances globales de la matrice
II.3 Réalisation de matrices adressées à l’aide de diodes silicium
II.3.1 Présentation du procédé de fabrication compatible avec le procédé de réalisation des initiateurs à résistances polysilicium diffusé
II.3.2 Process I
II.3.2.1 Description du Process I
II.3.2.2 Présentation des structures réalisées avec le process I
II.3.3 Process II
II.3.3.1 Description du Process II
II.3.3.2 Présentation des structures réalisées avec le process II
II.3.4 Process III
II.3.4.1 Augmentation de la tenue en tension
II.3.4.2 Diminution du bilan thermique et description du Process III
II.3.4.3 Présentation des structures réalisées avec le process III
II.4 Bilan des réalisations à base de diodes PN Silicium
Chapitre III: Nouvelle approche pour l’adressage matriciel à l’aide d’éléments à seuils symétriques
III.1 Etude théorique de l’adressage à base de dipôles à seuils symétriques
III.2 L’élément à seuils symétriques
III.2.1 Le Polysilicium
III.2.2 Méthode de dépôt du polysilicium
III.2.3 Dopage du polysilicium
III.2.3.1 Dopage in situ
III.2.3.2 Dopage par diffusion
III.2.3.3 L’implantation ionique
III.2.4 Caractérisation des couches et des contacts polysilicium
III.2.4.1 Méthode de caractérisation
III.2.4.2 Etude sur la résistivité du polysilicium dopé par implantation
III.2.4.3 Contacts Métal / polysilicium
III.2.5 Jonctions PN polysilicium
III.2.5.1 Etude théorique d’une jonction PN dans du polysilicium
III.2.5.2 Simulation technologique sous Athéna du process
III.3 Réalisation de matrices adressables à base d’éléments à seuils symétriques
III.3.1 Process générique de fabrication de l’élément à seuils symétriques
III.3.2 Matrices adressables de 10×10 micro-propulseurs pyrotechniques
III.3.3 Adressage d’une matrice de 8×8 micro-éjecteurs sur membrane suspendue
III.3.3.1 Présentation du procédé de fabrication
III.3.3.2 Résultats de la caractérisation électrique des Micro-éjecteurs
III.4 Bilan des réalisations à base d’éléments à seuils symétriques
Conclusion générale
