Report uniforme de films photosensibles épais par impression thermique douce

Télécharger le fichier pdf d’un mémoire de fin d’études

Sources VCSELs monomodes pour les biocapteurs optiques

Principe des VCSELs

Un VCSEL est une diode laser à cavité verticale émettant par la surface à base de semi-conducteurs III-V [6]. C’est un empilement multicouche composé de deux miroirs de Bragg (ou DBR pour Distributed Bragg Reflector) entourant une zone active contenant en son centre des puits quantiques, hétérostructures de taille nanométrique et sièges de l’émission optique (Figure 1.2). Sous pompage optique ou électrique, les recombinaisons radiatives dans les puits quantiques génèrent une émission spontanée, puis, après plusieurs allers-retours de la lumière dans la cavité verticale, le gain compense les pertes et l’émission laser apparait au-dessus du seuil. La réflectivité des miroirs, composés d’alternances de couches de haut et bas indices de réfraction (dans le cas des VCSELs sur GaAs, à base d’alliages GaAlAs et AlAs), est très élevée (>99%) pour compenser la faible épaisseur de la zone active (<1µm).
Dans le cas d’un VCSEL à pompage électrique, les miroirs sont dopés de manière à former une diode p-i-n et permettre l’injection des porteurs dans la cavité. Dans le cas des VCSELs émettant à 850nm, le substrat en GaAs est absorbant, l’émission verticale n’a lieu que par la surface et la réflectivité du miroir inférieur est donc choisie pour être maximale (>99.9%).
Ce type de composant laser est monomode longitudinal par construction en raison de sa cavité très courte (<1µm). Quant au confinement transverse du mode émis, il est obtenu par la gravure d’un mesa dans le miroir supérieur, suivie en général de la fabrication d’un diaphragme d’oxyde enterré par oxydation latérale d’une couche riche en aluminium située près de la zone active. Ce diaphragme d’oxyde, appelé aussi AlOx, permet de délimiter des tailles de zone active de quelques microns de diamètre découplées de la zone d’injection électrique annulaire en surface. On peut alors obtenir un fonctionnement monomode transverse très efficace.

Avantages

Les avantages des VCSELs par rapport aux diodes Laser Emettant par la tranche (EEL) sont très nombreux et liés à leur géométrie verticale. On peut citer une émission monomode longitudinale par construction, et donc un fonctionnement sans sauts de mode. De plus, comme le faisceau est émis par la surface, la fabrication collective sous forme de barrettes ou de matrices est possible, de même que le test sous pointes avant découpe. Le faisceau émis est de plus symétrique, circulaire et donc plus facile à coupler avec une fibre optique. En particulier, les VCSELs monomodes présentent des faisceaux Gaussiens faciles à mettre en forme. En outre, la faible taille de la cavité conduit à un faible courant de seuil et à des capacités de modulation rapide adaptées aux systèmes de communications de données à haut débit (fréquences de modulation supérieures à 10GHz, conduisant à des taux de transmission de données supérieurs à 20Gbit/s). Enfin, la fiabilité des composants est élevée et le rendement est supérieur à 50% pour les composants à diaphragme d’oxyde enterré [7].

Sources VCSELs monomodes pour l’instrumentation et le biomédical

La plupart des VCSELs commercialisés actuellement sont des composants émettant à 760nm, 850 ou 980 nm. La plupart sont exploités au niveau industriel pour les communications de données à courte distance (réseaux locaux) et les efforts de recherche des VCSELs ont longtemps été pilotés par ce domaine d’application pour augmenter la puissance émise en régime monomode et obtenir des sources efficaces à 1.55µm pour les liaisons fibrées à longue distance.
Cependant, les avantages uniques des VCSELs en termes de compacité, de consommation et de qualité de faisceau sont de plus en plus exploités dans le domaine plus large de l’instrumentation et de la métrologie, par exemple pour les capteurs de position dans les souris optiques d’ordinateur, pour les capteurs de gaz, par exemple à 760nm pour l’oxygène; ou encore pour les systèmes d’impression laser ou de stockage/codage optiques dans les CD/DVD [21]. Dans le domaine des capteurs, la distance de travail mise en jeu est relativement courte, on peut donc travailler en espace libre et la longueur d’onde de travail n’est plus limitée à 1.3µm ou 1.55 µm. Par conséquent, on peut exploiter des filières technologiques plus matures, telle que le GaAs, pour fabriquer et concevoir des sources adaptées à ces applications émergentes de plus en plus nombreuses.
Ainsi, le développement des VCSELs pour l’instrumentation et le biomédical a également connu un grand essor ces dernières années. Dans le domaine de l’instrumentation, des nouvelles architectures à base de VCSELs 850nm ont été proposées pour la microscopie en champ proche sur puce (FEMTO-ST-LAAS-CNRS) [22] ou plus récemment pour la microscopie confocale miniature (FEMTO-ST) [23] ou encore pour les horloges atomiques [24] (Honeywell). L’EPFL a conçu récemment un microscope digital holographique à source VCSELs pour la cytométrie [25] et le DTU au Danemark a exploré avec la société Unisensor une méthode interférométrique similaire à l’aide de microleviers associés à des VCSELs [26].
Des systèmes basés sur l’interférométrie par self-mixing (effet Doppler) dans des VCSELs standard ont été également implémentés pour des mesures de vélocimétrie, de distance ou de positionnement [27, 28].
Plus récemment, des VCSELs rapidement accordables sur 100 nm autour de 1.3µm (380kHz) ont été mis au point par Praevium Research, le MIT et Thorlabs pour réaliser un système miniaturisé pour l’imagerie OCT (Optical Cohérence Tomography) [29]. Ce type d’instrument est mis à profit dans des systèmes d’imagerie oculaire in vivo [30].
Pour ce qui concerne la micro-analyse biologique portable, on peut citer les travaux pionniers du groupe de J.H. Harris à Stanford sur la mesure de biofluorescence dans le rouge à l’aide d’un VCSEL GaAs spécifique émettant à 680nm et d’un photodétecteur périphérique sensible à 750nm [31] et son application à l’analyse tumorale in vivo [32]. Toutefois, la technologie de fabrication des VCSELs à injection électrique n’étant pas encore mature aux longueurs d’onde les plus utilisées pour la fluorescence (UV, visible), la détection biologique sans marquage (par réflexion ou par absorption) reste à privilégier pour ces sources. Les travaux du groupe de C. Chang-Hasnain (Berkeley) vont dans ce sens, avec la mise au point de biocapteurs optiques basés sur la mesure de la modification du spectre de réflectivité d’un filtre plastique résonant à mode guidé (GMR), à la surface duquel a lieu la réaction biologique (greffage modifiant l’indice de réfraction) à l’aide d’un VCSEL faiblement accordable avec le courant (2-3nm) [33]. Cette équipe a développé depuis des sources MEMS-VCSELs largement accordables rendant la mesure plus flexible (voir état de l’art sur les MEMS-VCSELs accordables).
Enfin, au-delà du simple diagnostic par voie optique, on relève également l’exploitation des VCSELs pour cultiver des cellules biologiques [34], imager l’activité cérébrale [35], stimuler des connexions nerveuses [36, 37] ou encore pour manipuler et trier des microparticules en suspension dans une canalisation à l’aide de pinces optiques [38] (Université d’Ulm).

Besoins de mise en forme du faisceau des VCSELs

La divergence naturelle des composants VCSELs est comprise entre 10 et 25° (en angle total en 1/e²) [39, 40, 41] suivant la technologie de fabrication utilisée (équation 2.9).
Dans les applications que nous venons de décrire, le faisceau se propage généralement en espace libre et sa divergence doit être réduite, et la taille du faisceau doit être contrôlée avec précision pour que correspondre à la zone de détection, à des distances de quelques centaines de micromètres à quelques centimètres. On ne peut donc pas envisager l’intégration de ces composants sans avoir recours à une optique de correction. La miniaturisation de cette optique est souvent nécessaire. Pour illustrer ce problème, nous allons décrire deux projets d’intégration de VCSELs dans les biocapteurs dans lesquels mon équipe d’accueil a été, ou est actuellement, impliquée.

Collimation pour la détection de déflexion de micropoutres dans un capteur d’hybridation ADN

Le LAAS-CNRS a commencé à aborder l’intégration des VCSELs dans les biocapteurs optiques il y a une dizaine d’années dans le cadre du projet européen OPTONANOGEN (Integrated Opto-Nanomechanical Biosensor for Functional Genomic Analysis). Ce projet visait la détection d’une réaction d’hybridation ADN par la mesure optique de la déflexion nanométrique de microleviers fonctionnalisés pour le dépistage précoce du cancer du sein [42]. Dans ce micro-capteur biomédical (Figure 1.4 a), les faisceaux issus d’une barrette de 20 VCSELs monomodes émettant à 850nm sont dirigés vers une tête microfluidique où est localisée une barrette de 20 microleviers, à la surface desquels sont immobilisées des molécules d’ADN test (Figure 1.4 b). Les faisceaux laser détectent la déflexion des microleviers sur lesquels se produit une hybridation des différentes molécules ADN complémentaires présentes dans les liquides biologiques à analyser.
Dans cette application, le contrôle de la divergence du faisceau de la source s’est avéré crucial. En effet, au-delà de la simple mise au point de VCSELs monomodes présentant des performances optoélectroniques adaptées, il a été nécessaire de réduire la divergence du faisceau. En effet, les microleviers de 40µm de largeur se situaient à 2mm de distance des VCSELs (Figure 1.4 c). Il fallait donc collimater le faisceau pour éviter le éviter le « crosstalk » entre les différentes voies d’analyse et permettre la détection d’un signal après propagation dans le coupleur.

Focalisation pour la mesure de flux dans un capteur par self-mixing

L’équipe MICA du LAAS a débuté récemment une collaboration avec l’équipe OSE du LAAS sur l’intégration de matrices de VCSELs dans un capteur de flux sanguin miniature basé sur la vélocimétrie Doppler par self mixing (thèse de Yu Zhao en cours). Ce type de capteur non-invasif, auto-aligné et simple à implémenter repose sur le phénomène d’interférométrie par réinjection optique, ou effet self-mixing, dans une cavité laser (Figure 1.5). L’effet self-mixing se produit lorsque la lumière émise par un laser réfléchie par une cible est réinjectée dans la cavité laser. Il en découle une modification des conditions d’oscillations du laser qui se traduit par une modulation de l’intensité du faisceau émis. La fréquence de cette modulation est liée à la vitesse de déplacement de la cible (cellules circulant dans un canal fluidique dans notre cas).
Le décalage de la fréquence par effet Doppler lors du mouvement de la cible est donné par l’équation ci-dessous [43]. = 2 cos [1.1] avec l’amplitude de la vitesse de la cible, l’indice de réfraction du milieu, l’angle de la cible par rapport à l’axe longitudinal du laser et la longueur d’onde du laser.
Par transformée de Fourier, le décalage de fréquence Doppler dû au mouvement de la cible est extrait du signal modulé. On peut donc remonter au débit du fluide et suivant la position du faisceau, au profil d’écoulement dans le canal [44].
L’équipe OSE étudie depuis plusieurs années l’exploitation de VCSELs comme sources laser compactes dans cet objectif [45, 46]. La détection de l’évolution temporelle du signal est effectuée soit à l’aide d’un photodétecteur adjacent au VCSEL soit, comme l’équipe OSE l’a démontré, par la mesure de la variation de la tension aux bornes du VCSEL polarisé à courant constant afin d’éliminer l’étage de photo-détection [27].
Dans l’application visée, il est nécessaire de contrôler précisément le positionnement du faisceau au centre du canal fluidique (de quelques centaines de microns de large) à des tailles de faisceau de la dizaine de microns et si possible de pouvoir le scanner. Ceci est pour le moment réalisé avec des optiques macroscopiques déplacées manuellement. Si l’on veut réaliser un dispositif portable, il faut miniaturiser ces optiques et la possibilité de contrôler dynamiquement la position et de la taille du faisceau constituerait un avantage significatif.
On voit donc à travers ces deux exemples de projets que suivant le type de microcapteur considéré, les besoins de mise en forme du faisceau sont variés. Le faisceau doit être soit « collimaté » (avec une divergence très réduite, comme dans le cas du projet Optonanogen), soit focalisé à des tailles de faisceau de l’ordre de quelques microns (taille des éléments à analyser pour la cytométrie en flux ou la mesure de flux par self-mixing). Dans tous les cas, disposer d’un réglage dynamique de la taille ou de la position du faisceau sera un atout supplémentaire. Nous allons présenter un état de l’art des principales techniques qui ont été développées pour associer des éléments de micro-optique passive ou active à des VCSELs.

Micro-optique passive sur VCSEL

Assemblage hybride de microlentilles sur des VCSELs

L’assemblage hybride ou de lentilles en plastique de verre commerciales est la technique la plus ancienne et la plus utilisée pour obtenir la collimation du faisceau laser VCSEL. H. Chen et al. ont ainsi rapporté une divergence de faisceau de 1.6◦ (1/e²) par assemblage hybride de microlentilles à base de silice sur des VCSELs émettant par la face arrière [47]. Des résultats similaires ont également été démontrés en hybridant des microlentilles sur des VCSELs émettant par la face supérieure [48]. L’hybridation de microlentilles en verre commerciales a été également expérimentée par le LAAS pour le projet Optonanogen décrit plus haut à l’aide d’un équipement de report [49] (Figure 1.6). Cette méthode a permis de répondre ponctuellement au besoin (divergence réduite à 1°), mais elle s’est avérée coûteuse et extrêmement délicate à mettre en œuvre, car il est difficile de garantir de façon reproductible la distance verticale entre les VCSELs et les microlentilles dans cette configuration. En effet, l’hybridation implique en effet des étapes critiques d’alignement pour répondre aux exigences sur le positionnement vertical relativement aux sources VCSEL (±2µm). Habituellement, l’alignement latéral est contrôlé par la précision de l’équipement de report, alors que le positionnement vertical est très sensible aux incertitudes sur les épaisseurs des couches adhésives utilisées.
Figure 1.6 Assemblage hybride d’une microlentille avec un VCSEL [49] LAAS/ projet Optonanogen
En 2000, S. Eitel et al. [50] ont reporté la fabrication d’une matrice de VCSELs 8×8 et son alignement avec un réseau de microlentilles. Ils ont créé un espace vertical entre le réseau de microlentilles et les VCSELs en plaçant un anneau usiné autour de la puce elle-même (Figure 1.7). Cet anneau les a aidés à atteindre la distance VCSEL-lentille nécessaire pour obtenir un faisceau optimisé avec une précision de ±3µm. L’alignement latéral de la matrice de microlentilles était l’autre point critique. Ils ont inséré des lentilles à zone de Fresnel pour utiliser des spots d’alignement au cours de l’étape d’assemblage et ils ont réussi à réduire la divergence du faisceau à 5° FWHM avec une précision d’alignement latéral de 2 µm.
Malgré les avancées proposées sur les méthodes d’alignement latéral [51, 52], l’assemblage hybride reste sensible aux erreurs de positionnement vertical. De plus cette méthode de fabrication n’est pas totalement collective, car l’encombrement des éléments hybridés est souvent important. Par conséquent, l’intégration directe d’éléments micro-optiques dans ou à la surface du VCSEL peut constituer une meilleure solution et permettrait également de réduire les coûts de packaging.

Intégration monolithique dans la structure laser

Les microlentilles monolithiques sont réalisées en modifiant la structure interne du VCSEL. Une première façon consiste à graver les lentilles dans le substrat, sur la face arrière du VCSEL. Elle n’est donc applicable qu’aux VCSELs émettant par le substrat et donc émettant à 980nm sur substrat GaAs. Cela a été rapporté en 1991 par K. Rastani et al. qui ont utilisé une gravure ionique réactive pour définir des microlentilles diffractives. Ces dernières ont permis de focaliser le faisceau émis par un VCSEL à puits InGaAs émettant à 980nm [53]. La même méthode a été appliquée pour graver des microlentilles réfractives (Figure 1.8). Ces études ont permis de réaliser des interconnexions efficaces sans recourir à une optique externe [54]. Plus récemment, Wang et al. ont fabriqué des lentilles réfractives sur la face arrière d’une matrice 2D de VCSELs avec un procédé de gravure humide. Une divergence réduite de 6.6◦ pour chaque pixel individuel a été démontrée avec cette technique [55]. Si l’on souhaite appliquer ces techniques de gravure sur des VCSELs émettant par la surface, il faut d’abord intégrer un matériau transparent suffisamment épais supplémentaire (plusieurs dizaines de microns) sur la surface supérieure. Ainsi, on peut réaliser la croissance épitaxiale d’une couche semi-conductrice transparente en InGaP sur le miroir supérieur suivie d’une gravure de lentille [56]. Ces auteurs ont rapporté une réduction significative de divergence du faisceau laser pour des VCSELs à diaphragme d’oxyde ainsi modifiés.
Une solution alternative a été proposée par Chang et al. Elle est basée sur une lentille en oxyde fabriquée par oxydation sélective de la couche en AlGaAs dans le miroir de Bragg-supérieur, avec la même technique que celle qui sert à réaliser le diaphragme d’injection enterré (Figure 1.9) [57]. Cette approche est très intéressante car elle permet un auto-alignement de la lentille avec la zone d’émission, mais elle nécessite un grand contrôle des épaisseurs et des compositions lors de l’épitaxie. Avec cette méthode, le laser est focalisé à une distance de ~ 30 µm. Cette limitation est due à la trop grande proximité de la lentille avec la source.
Plus récemment, de nouvelles propositions de lentilles nano-structurées à base de réseaux sub-longueurs à haut contraste d’indice ont été proposées et pourraient être intégrées à la surface de VCSELs [58]. Cependant, elles nécessitent le recours à une écriture de motifs par lithographie électronique.
Pour conclure, les méthodes d’intégration monolithiques présentent les avantages d’être collectives. Cependant, la plupart d’entre elles nécessitent des modifications de la structure multicouche et/ou requièrent des étapes complexes de fabrication.

Intégration de microlentilles en polymère en surface

Les microlentilles à base de polymères sont étudiées intensivement depuis plus de 15 ans en raison de leur faible coût et leur facilité de fabrication et d’intégration en post-processing. Les recherches sont toujours actives dans ce domaine. Parmi les très nombreuses méthodes de fabrication possibles, seules celles réalisables à basse température (<200°C) permettent d’intégrer directement les microlentilles sur des plaques VCSELs.
Parmi ces méthodes, on trouve le fluage thermique de résine. Cette technique d’auto-assemblage est basée sur la formation de motifs cylindriques en résine lors de la photolithographie suivie d’un fluage contrôlé. Cela conduit à la formation de lentilles hémisphériques en raison d’effets de tension superficielle. Les dimensions finales de la lentille dépendent des dimensions initiales des motifs cylindriques et de la mouillabilité du substrat. L’application de cette méthode à des VCSELs a été réalisée avec succès en utilisant différents types de résines, tels que des polyimides sur la face arrière pour la collimation de faisceau
[59] ou sur la surface supérieure pour la focalisation [60]. Néanmoins, l’utilisation d’un traitement thermique reste toujours un procédé assez difficile à contrôler pour obtenir des formes reproductibles.
Notons que pour obtenir une collimation du faisceau, il est nécessaire d’espacer suffisamment le VCSEL du plan de la lentille (cf. chapitre 2). Il faut donc prévoir une couche transparente ou un gap d’air en surface de plusieurs dizaines de microns de haut avant de procéder à la fabrication de la lentille elle-même. Des microlentilles réfractives et diffractives présentant un rapport de forme adapté à cette exigence ont ainsi été réalisées sur VCSELs en une seule étape par réplication de moules dans des matériaux sol-gels [61] (Figure 1.10 a). Des résultats similaires ont été obtenus en deux étapes, à savoir la fabrication collective de piédestaux en SU-8 à haut rapport de forme, suivie du dépôt par jets d’encre de microlentilles formées par des gouttes déposées sur leur sommet [62] (Figure 1.10 b). L’avantage de cette approche réside dans un contrôle précis des dimensions et du positionnement des microlentilles grâce à l’auto-centrage du liquide sur le pilier SU-8 et au fait que l’on peut choisir lors de la fabrication la focale de lentille en ajustant le nombre de gouttes déposées. Ces auteurs ont appliqué cette méthode avec succès à la collimation de faisceau laser VCSEL et à la focalisation dans les fibres optiques.
Plus récemment, le LAAS a fabriqué des lentilles similaires en exploitant une méthode alternative de dépôt par microplumes robotisées de microgouttes sur piliers SU8 (projet LAAS MIOPY) et a également réussi à réduire la divergence de VCSELs monomodes à 1.2° (Figure 1.10 c) [63]. Dans le cadre du projet région FIAB SU8, la fiabilité de ces microlentilles a été évaluée avec la démonstration de la conservation des propriétés optiques et mécaniques après vieillissement [64]. Enfin, on peut citer les travaux alternatifs du LAAS sur la réalisation de lentilles auto-écrites par le VCSEL lui-même par photo-polymérisation NIR (projet ANR NIR OPTICS) [65] pour obtenir un alignement parfait, mais qui ne sont à ce jour applicables qu’à la focalisation du faisceau à courte distance pour des applications champ proche.

Micro-optique active sur VCSEL

La possibilité de contrôler dynamiquement la forme du faisceau VCSEL pendant le fonctionnement du laser constitue un avantage supplémentaire pour augmenter la flexibilité des microsystèmes optiques. Ceci serait possible grâce à l’intégration de MOEMS dans ou à la surface des VCSELs. Un MOEMS (Micro Optical Electrical Mechanical System) est un microsystème opto-électro-mécanique qui intègre une micro-optique mobile grâce à actionnement électrothermique, électrostatique, piézoélectrique ou encore électromagnétique.
Les seules démonstrations monolithiques ou intégrées collectivement en surface de MOEMS sur VCSEL ont visé la réalisation de sources accordables en longueur d’onde. Ce n’est pas l’objectif de cette thèse, mais nous allons les présenter avant de décrire les réalisations hybridées de MOEMS à base de SOI qui ont été proposées pour viser la mise en forme dynamique du faisceau.

VCSEL accordables à base de MEMS

Les VCSELs largement accordables constituent des éléments clés pour construire les futurs réseaux optiques reconfigurables, pour la spectroscopie miniature ou pour les systèmes d’imagerie médicale. Typiquement, les MEMS-VCSELs accordables sont composés d’un miroir mobile composé de matériaux semi-conducteur III-V ou de diélectriques, placé au-dessus d’une structure demi-VCSEL constituée de la couche active et du miroir inférieur. Un gap d’air sépare donc la zone active du miroir supérieur, qui est suspendu sur un cantilever ou sur une membrane. Ce gap d’air entre les miroirs peut être ajusté par actionnement du MEMS. Ainsi, son épaisseur est réduite par application d’un potentiel électrostatique et elle est augmentée dans le cas d’un actionnement électrothermique. Par conséquent, la longueur de la cavité est physiquement modifiée, ce qui permet d’accorder la longueur d’onde du laser. Depuis les travaux pionniers du groupe de C. Chang-Hasnain de l’Université de Berkeley [66], de nombreuses équipes ont développé ce principe en mettant en scène des miroirs sous forme de micro-leviers [67, 68] ou de membranes [69, 70] avec des actionnements thermomécanique ou électrostatique. On peut trouver dans le tableau ci-dessous un aperçu des meilleures performances obtenues actuellement avec des MEMS-VCSELs accordables à pompage électrique, en fonction du domaine spectral d’émission considéré.
On vérifie bien que les plus grandes plages d’accord spectral sont obtenues pour les grandes longueurs d’onde et pour les dispositifs ayant le miroir mobile de bande spectrale la plus large. Les meilleurs résultats publiés concernent donc des composants émettant à 1.55µm et mettant en jeu des miroirs mobiles diélectriques.

Hybridation de MEMS en SOI pour le contrôle actif du faisceau

Les réalisations à base de MOEMS reportées dans la littérature pour le contrôle actif du faisceau des sources VCSELs sont à base de silicium ou de SOI [83, 84, 85, 86, 87]. En effet, les MOEMS silicium sont les plus répandus et ont connu un très fort développement depuis plus de 30 ans, notamment pour la réalisation collective de micro-miroirs [88], de micro-filtres optiques [89], de micros-scanners [90] de réseaux de diffraction programmables [91] ou de matrices de micro-instruments [92, 93, 94].
Toutefois, les travaux sur l’hybridation directe de tels MOEMS sur des VCSELs ne sont pas très nombreux. On peut citer le collage par flip-chip d’une plateforme en silicium contrôlée par un actionneur électrothermique et comprenant une microlentille réfractive sur une matrice de 4×4 VCSELs avec une précision d’alignement vertical de ±5µm [95] (Figure 1.15). Ce système dédié à la déflexion dynamique du faisceau est relativement complexe à réaliser, avec un assemblage sur plusieurs niveaux. En exploitant ce même principe, Ishikawa et al. a réalisé ont assemblé un micro-miroir en silicium sur un VCSEL pour l’alignement actif du faisceau laser avec une fibre, ce qui a conduit à une meilleure tolérance d’alignement fibre-VCSEL [84].
L’université de Chalmers a également hybridé sur un VCSEL un MOEMS électrostatique en silicium présentant des déflexions latérales de 6µm avec une tension appliquée de 70V (Figure 1.16). L’assemblage de la lentille de Fresnel servant à la collimation du faisceau a été réalisé par une méthode collective, l’embossage [96, 97]. Cependant, ce système impose de découper un VCSEL pour le coller sur un substrat hôte où sera aussi greffé le MOEMS. Ce système présente une précision d’alignement vertical de ±5µm mais requiert un encombrement important (3mm²). Il n’est donc pas complétement compatible avec une réalisation collective.
Un des points délicats de toutes ces approches reste le manque de précision sur la distance entre la microlentille et la source VCSEL. L’Université de Berkeley [98] a mis au point récemment une technique d’assemblage à l’aide de microsphères de verre et de micro-puits en silicium qui permet d’obtenir une meilleure précision (±7µm) (Figure 1.17).
Néanmoins, comme pour la microoptique passive, les microsystèmes actifs hybrides intégrés sur VCSELs sont encombrants et ne sont pas souvent compatibles avec la densité des matrices des VCSELs. Ils nécessitent souvent des techniques d’alignement complexes à mettre en œuvre. De plus, la fabrication à l’échelle d’un wafer n’est pas toujours envisageable. Notre équipe a donc exploré une autre voie pour atteindre une réalisation collective compatible avec la topologie et la densité des VCSELs.

MOEMS polymère pour la micro-optique active intégrée sur VCSEL

Nous avons vu que les approches SOI hybridées n’étaient pas adaptées à une réalisation collective à l’échelle d’un wafer VCSEL. Par ailleurs, les méthodes de fabrication intégrée pour les VCSELs accordables spectralement ne sont pas directement exploitables pour la collimation ou la focalisation active du faisceau, car le gap d’air mis en jeu est trop réduit (<1µm). Notre équipe a donc proposé une nouvelle approche. Elle est basée sur une membrane en polymère SU-8 surmontée d’une microlentille réfractive polymère en surface et actionné par commande électrothermique via une électrode de chauffage (Figure 1.18). Le gap d’air entre la lentille et le VCSEL est de l’ordre de 100µm.Le principe de fonctionnement de ce scanner axial est le suivant: le plan de focalisation du faisceau laser est contrôlé grâce au déplacement vertical de la membrane induit par le courant appliqué via l’électrode de chauffage.

Motivations pour le choix du matériau structurel : polymère SU-8

Le matériau utilisé pour notre MOEMS électrothermique est une résine photosensible épaisse, la SU-8 [99], qui présente de nombreux avantages par rapport au silicium pour l’application que nous visons (voir tableau 1) [100, 101]. Son principal atout réside dans le fait que sa mise en forme à basse température rend possible l’hybridation de MOEMS en post-processing sur un substrat VCSEL. En utilisant les techniques classiques de la micro technologie, les tolérances d’alignement sont liées à la photolithographie (2µm). Cet alignement devient plus délicat dans le cas des MEMS en silicium hybridé sur VCSEL. De plus, la SU8 présente une faible conductivité thermique (0.2 Wm-1K-1) combinée à un fort coefficient d’expansion thermique (CTE = 52 ppm/°C), ce qui permet d’obtenir des déformations élastiques élevées et donc des déplacements significatifs (plusieurs microns) avec un actionnement électrothermique de faible puissance (quelques mW) et sans chauffage inutile du substrat VCSEL. Par ailleurs, la SU-8 est transparente dans le visible et le proche infra-rouge avec des pertes d’absorption optique inférieures à 3 dB/cm [102] et elle a d’ailleurs déjà été exploitée pour réaliser des guides d’ondes, des micro-résonateurs, des micro-miroirs, ou encore des réseaux de microlentilles [103, 104].
On peut toutefois relever un inconvénient notable par rapport au silicium, à savoir une fiabilité beaucoup plus faible. Celle-ci reste toujours à étudier et à améliorer [105]. Néanmoins, nos premières études de fiabilité des microstructures en SU-8 pour la réalisation de composants micro-optiques passifs sont assez encourageantes [106].

Principe de fonctionnement du MOEMS et contraintes technologiques

La Figure 2.1 présente le principe général du microsystème optique générique conçu et développé lors de la thèse de Benjamin Reig [107, 109] et optimisé dans le cadre de ma thèse. Ce microsystème est réalisé directement sur le VCSEL, en post-processing à basse température (TMax<150°C). Il est composé d’une membrane mobile en polymère SU-8, à la surface de laquelle est greffée une microlentille réfractive, également en polymère. Ce MOEMS est actionné par une commande électrique qui produit un auto-échauffement de l’électrode métallique annulaire et entraine une dilatation thermique de la partie suspendue en polymère. L’ancrage situé de part et d’autre de la membrane va, en contenant la dilation radiale, imposer un déplacement vertical de la membrane et donc du plan de la microlentille. La modification de la distance VCSEL-microlentille entraîne alors une modification de la position du waist suivant l’axe de propagation que nous allons quantifier en tenant compte des contraintes technologiques et des propriétés du faisceau VCSEL. On peut trouver dans le tableau 2.1 les principales gammes dimensions possibles pour notre MEMS en SU-8. Celles-ci tiennent compte des contraintes des différentes étapes de notre procédé de fabrication technologique, qui seront détaillées dans les chapitres 3 et 4.

Dimensionnement optique sous Zemax

L’outil de conception optique ZEMAX-EE permet de modéliser la propagation d’un faisceau gaussien dans un système optique et de calculer l’évolution de la divergence du faisceau, la taille et la position de son waist en fonction de différents paramètres comme la distance entre la source et la lentille ou encore le diamètre de la lentille. Ce type de modélisation avait déjà mené dans l’équipe par le passé pour dimensionner des lentilles statiques déposées sur des piédestaux massifs en SU8 pour collimater des VCSELs monomodes (divergence visée~1°) [117, 118, 119].
B. Reig les a ensuite adaptées pour le cas d’une lentille mobile sur membrane de 10µm avec un gap d’air de 100µm afin d’estimer les dimensions de lentille nécessaires pour obtenir soit une quasi-collimation soit une focalisation dynamique à une distance de travail suffisante (Figure 2.5) [107, 119]. Il a ainsi montré qu’il était possible de collimater le faisceau, avec un waist de 35µm à plus de 1mm, en choisissant un diamètre de lentille de 80µm. Il a aussi observé qu’en réduisant le diamètre de la lentille (63µm), la taille du waist diminue jusqu’à des valeurs inférieures à 10µm et qu’on obtient dans ce cas une distance de travail de l’ordre de 300µm. De plus, lorsque la membrane se déplace verticalement de ±2.5µm, la position du waist après la lentille peut être ajustée sur une distance de 80µm sans changer significativement de taille. Ceci a été également confirmé par une étude analytique basée sur le formalisme des matrices paraxiales ABCD [120] menée par Y.G. Boucher et C. Levallois des laboratoires FOTON (Lannion et Rennes) dans le cadre d’une collaboration [121].
L’ensemble de ces simulations avaient été menées pour un angle de contact de 38°, valeur fixée par la méthode passive de dépôt de microlentille alors utilisée. Le seul moyen de modifier la focale et donc le rayon de courbure consistait alors à modifier le diamètre de la lentille ou à appliquer un traitement de surface localisé supplémentaire. Par conséquent, il n’était pas possible d’utiliser un MEMS de géométrie générique (de diamètre fixé à l’avance par la photolithographie) pour viser l’une ou l’autre des fonctions au dernier moment.
On peut trouver dans le tableau 2.2 les principales gammes dimensions de microlentille désormais possibles avec la technologie de dépôt par jets d’encre qui a été développée pendant ma thèse (cf. chapitre 4). Il est désormais possible d’ajuster l’angle de contact sur une plage de 20 à 90°, ce qui correspond, en fonction du diamètre considéré (de 60 à 100µm), à une gamme de focales comprises entre 50µm et 150µm. Les simulations ont donc été simplement actualisées pour ma thèse afin de tenir compte du fait que nous pouvons désormais changer plus facilement l’angle de contact de la lentille sur une large gamme (par dépôt jet d’encre associée à un traitement de surface localisé) sans faire varier son diamètre (fixé par la photolithographie). L’épaisseur de la membrane et le déplacement vertical sous actionnement de la membrane ont été aussi réactualisés, de 5µm à 8µm, suite aux résultats de la première génération de MOEMS.
technologie développée dans cette thèse
Diamètre microlentille 60 µm (min) 100µm (max)
Gamme angle de contact θ (°) 20-90 40-90
Gamme rayon de courbure R (µm) 30-70 50-80
Gamme hauteur e (µm) 5-20 15-50
Gamme focale f’ (µm) 50-150 85-150
Dans les simulations qui suivent, le VCSEL est défini comme une source gaussienne de waist W0 de 1,29µm correspondant à un angle de divergence de 12° en demi-angle en 1/e², ce qui est une valeur typique mesurée pour nos VCSELs monomodes à diaphragme d’oxyde. La longueur d’onde d’émission λ est 850 nm. Le faisceau se propage dans trois milieux (gap d’air, membrane et microlentille en polymère). La membrane traversée par le faisceau est en résine SU-8 d’indice de réfraction n=1.58 et d’épaisseur 8µm, et la lentille est en polymère d’indice proche.

Collimation du faisceau

On peut voir sur la figure 2.5, un exemple de minimisation de la divergence d’un VCSEL monomode de 12° de divergence initiale pour le cas d’une lentille de 100µm de diamètre et plusieurs valeurs d’angles de contact. Comme déjà constaté dans le cas des lentilles fixes sur piédestaux [118], on constate que pour la gamme de gaps possibles avec notre technologie, si l’angle est supérieur à 40°, il sera possible d’atteindre un minimum de divergence pour une valeur de gap optimale. La valeur optimale du gap diminue quand l’angle de contact augmente (Figure 2.6 a).
Ainsi, pour une valeur de gap de 92µm (correspondant à une membrane de 8µm d’épaisseur et une hauteur d’ancrage de 100µm), ceci se produit pour un angle de contact d’environ 50°. Plus précisément, pour un angle de 47°, correspondant à une focale de 112µm, on obtient une divergence de 1.3° (en angle total) pour 92µm de gap (Figure 2.6 b). On peut voir que si le gap varie de ±4µm autour de cette valeur, la divergence varie de ±0.1°. Ainsi, le MOEMS peut permettre d’ajuster finement la divergence par exemple en cas d’erreur commise pendant la fabrication sur la hauteur du gap (Figure 2.6 a).
Nous avons aussi tracé l’évolution de la taille du waist en fonction de la distance après la lentille pour la configuration optimale dans les deux cas (Figure 2.7). Pour ces conditions, on obtient une taille de faisceau de 50 microns jusqu’à au moins 3 mm de la lentille.

Focalisation du faisceau

Si l’on veut exploiter un MEMS de mêmes dimensions que précédemment pour focaliser le faisceau à une taille plus réduite (10µm), il faut diminuer la focale de la lentille par rapport à la valeur du gap (cf. Figure 2.3 d) et donc augmenter l’angle de contact.
On peut voir sur Figure 2.8 a) la variation de la taille du faisceau après la lentille dans l’axe de propagation, pour un gap d’air initial de 92µm, un diamètre de lentille de 100µm et pour deux focales différentes : 99µm (angle 60°) et 105µm (angle 55°), avec et sans actionnement du MEMS. Pour une lentille de focale f’=99 µm (60°), on obtient ainsi une taille de waist très réduite (8 µm) à une distance de travail de l’ordre de 500µm. Sous actionnement, on observe une variation de la position du waist de de -86µm. Simultanément, la taille du waist augmente faiblement (+2µm). Il semble donc possible de scanner des canaux de l’ordre de 100µm de large avec ce système.
Si on utilise une lentille de plus grande focale (105µm /55°) et si on accepte une taille de waist plus élevée (10 µm), la distance de travail sera plus confortable (700µm) et l’accordabilité spatiale du waist passera à -170 µm (Figure 2.8 b). Plus la focale sera proche de la valeur du gap, plus le déplacement du waist sous actionnement sera élevé. Toutefois, la taille du waist sera également plus importante et variera fortement sous l’effet de l’actionnement. Il faudra donc réaliser un compromis entre la taille maximale du waist à obtenir (et donc la compatibilité avec la taille des objets analysés), la gamme de variation possible de la position du waist sous actionnement et la distance de travail requise.
Des simulations similaires réalisées avec des VCSELs de divergence initiale plus grande (22°) nous ont donné sensiblement les mêmes positions de waist après la lentille et les mêmes gammes de déplacements de waist sous actionnement. Les tailles de waist sont cependant dans ce cas plus réduites (6µm au lieu de 8µm, pour le cas d’une focale de 99µm) et l’effet de l’actionnement sur la variation d’intensité plus marqué.
En outre, nous avons vérifié qu’un désalignement latéral de ±3µm de la microlentille (en X, en Y et en X et Y) par rapport à la source VCSEL n’entraîne pas de modification importante de la taille et de la position du waist après la lentille (Figure 2.8). Nous nous sommes placés dans le cas le plus défavorable, à savoir celui d’une focale courte (f=99µm).
Si une erreur du positionnement latéral de +3µm ou -3µm est commise en x et en y (précision facilement accessible avec la photolithographie), la taille du waist ne sera pas modifiée (10.8µm) et le décalage de sa position axiale sera égal à -15µm, ce qui est acceptable par rapport à la distance de travail (>400µm) et au scan dynamique possible avec le MEMS (86µm).
Figure 2.9 Effet d’un désalignement latéral de ±3µm en X et Y de la lentille par rapport au VCSEL sur l’évolution de la taille du faisceau après la lentille (divergence initiale : 12°, diamètre lentille 100µm, focale 99µm, angle de contact 60°).
Pour conclure, ces résultats démontrent donc qu’avec un MEMS générique de hauteur fixe de 100µm et de diamètre de lentille fixe égal à 100µm, on pourra soit collimater soit focaliser le faisceau avec une tolérance aux désalignements latéraux compatible avec la précision de la photolithographie. De plus, pour le cas de la focalisation à des tailles de l’ordre de 10µm, on obtient une distance de travail compatible avec une association avec un canal microfluidique dans un biocapteur optique (>300µm). De plus, si l’on peut déplacer axialement le plan de la lentille sur 8µm en actionnant le MEMS, on pourra suivant les cas, soit ajuster finement la valeur de la divergence, soit décaler la position du focus sur 100µm.
On peut donc désormais envisager de fabriquer un seul MEMS générique de diamètre fixé sur toutes les matrices de VCSELs et de prévoir la dernière étape de fabrication (contrôle de la courbure de la lentille) pour ajuster la taille et la position du waist en fonction de la divergence réelle du composant monomode et de l’application visée. Nous allons maintenant présenter la conception du MEMS à l’aide de simulations thermo-mécaniques aux éléments finis avec le logiciel COMSOL.

Conception électro-thermo-mécanique du MOEMS

Pour aborder la complexité croissance des systèmes réalisés, de nombreux logiciels de conception sont utilisés dans l’ingénierie. Ces outils aident à résoudre rapidement et efficacement des problèmes multi-physiques complexes, souvent non-linéaires tenant compte de la réalité du comportement réel des différents matériaux mise en œuvre. Ils sont devenus une étape incontournable dans la phase de conception et d’optimisation des systèmes. Parmi ces logiciels, on peut citer : ANSYS, SinusPhy et COMSOL … Notre choix s’est porté sur COMSOL pour sa simplicité d’utilisation, ses capacités à aborder la problématique liée au MEMS (électro-thermo-mécanique) et la qualité du support technique pour répondre à nos attentes très spécifiques. Enfin, après quelques années de recul, ce simulateur multi-physique semble s’imposer dans sa catégorie.
Le groupe COMSOL a été créé par M. Svante Littmarck et M. Farhad en Suède en 1986. COMSOL Multiphysics est un logiciel d’analyse par éléments finis qui utilise des solveurs numériques pour modéliser diverses applications de la physique et de l’ingénierie. Dans sa première version de 1998, le logiciel COMSOL Multiphysics n’est applicable que dans le domaine de la mécanique des structures. Son environnement de simulation facilite toutes les étapes du processus de modélisation, telles que la définition de géométries complexes, le choix de la physique et du maillage retenus et permet un post-traitement des résultats [122].
Il existe plusieurs modules spécifiques dans COMSOL Multiphysics, mais sans les énoncer exhaustivement, les modules utilisés ici concernent le transfert de chaleur et la mécanique des structures, le tout associé à la bibliothèque de matériaux [122].
Le point de départ de notre modélisation concerne la simulation du MOEMS développé lors de la thèse de Benjamin Reig [107] (Figure 2.10). Ce MOEMS à actionnement électro-thermomécanique est capable d’un déplacement vertical de 8µm à l’aide d’une puissance appliquée de 42mW (cf. Figure 3.1) [109].
Nous avons utilisé COMSOL Multiphysics pour simuler l’actionnement électro-thermo-mécanique de la structure suspendue. Dans un premier temps, une modélisation bidimensionnelle de cette première génération de MOEMS nous a permis de bien nous familiariser avec le logiciel. La déclaration d’une structure simplifiée (hypothèse de symétrie radiale) permet de concentrer les efforts sur le maillage et d’affiner la modélisation en intégrant : l’évolution de la résistivité du métal de l’élément chauffant (Titane) avec la température, l’évolution de la conductivité thermique du polymère (SU-8) avec la température et enfin les évolutions des paramètres mécaniques (module de Young) en lien avec les déformations dans le plan (X,Y) et hors plan (Z). Puis, nous avons pu aborder la modélisation tridimensionnelle 3D, certes plus complexe, mais surtout plus réaliste pour mieux décrire le fonctionnement global du microsystème. Pour cela, nous avons directement utilisé le dessin des masques de photolithographie des MOEMS pour définir le plus fidèlement possible la topologie du MOEMS. Enfin, après validation de cette modélisation 3D sur la première génération de MOEMS, nous avons abordé l’optimisation des paramètres géométriques et technologiques pour concevoir une nouvelle génération de MOEMS plus performants.

Description de la structure de base

Le dimensionnement initial du MOEMS a été fixé par la modélisation optique en tenant compte des propriétés du faisceau VCSEL, du pas entre deux VCSELs adjacents (pitch 500µm) et des contraintes technologiques (diamètre et focale possible de la microlentille). L’autre paramètre important est le gap d’air entre le laser et la lentille que nous avons choisi égal à 92µm. Nous avons considéré dans cette étude un diamètre de lentille de 100 µm et une épaisseur de membrane de 8 µm. La première génération se présentée sous forme de barrettes de 4 MOEMS distants de 500µm avec un ancrage commun (Figure 2.10). L’électrode chauffante en titane mesure 30µm de large et 100nm d’épaisseur.
Sur COMSOL multiphysics, la déclaration de la structure est la reproduction fidèle du composant réel existant. Le logiciel propose plusieurs choix possibles de modélisation en sélectionnant la dimension de l’espace (3D, 2D, 1D…). Concernant l’espace 3D, nous avons le choix de nombreuses formes géométriques élémentaires telles que les cubes, sphères, cylindres. Il est également possible de dessiner sur un plan (2D) dans l’espace 3D ou mieux encore directement d’importer les dessins des différents niveaux de masque, et de les extruder ensuite. L’interface de modélisation géométrique intègre plusieurs opérations booléennes (intersection, différence, union) et des transformations (miroir, mise à l’échelle, déplacement…) qui facilitent la déclaration de structures complexes dans l’espace (3D).

Modèles physiques utilisés

Ce paragraphe présente les propriétés physiques des matériaux employés, ainsi que les lois thermiques et mécaniques mises en œuvre dans notre MOEMS. COMSOL multiphysics propose une variété de modèles physiques standards à utiliser. Comme les modèles physiques sont définis par défaut, il est nécessaire de vérifier si les équations proposées conviennent à notre problématique MOEMS et d’éventuellement compléter la base de données matériaux. Puis, Il convient d’ajouter les conditions aux limites et de sélectionner les éléments de la géométrie qui sont concernés par ces propriétés.
Nous avons sélectionné pour notre étude un chauffage par effet joule et la thermo-dilatation. Les propriétés par défaut qui décrivent notre physique sont les suivantes :
– l’élasticité linéaire dépendant de la température qui nécessite : module de Young, coefficient de poisson, masse volumique, coefficient de dilatation thermique et température de référence pour les déformations
– le modèle effet Joule qui nécessite : conductivité électrique, capacité calorifique à pression constante et permittivité relative
– les sources de chaleur électromagnétiques
– les éléments libres de mouvement
– l’isolation électrique
– l’isolation thermique
Les valeurs des paramètres décrites ci-dessus sont renseignées automatiquement lorsqu’on sélectionne l’élément concerné de la géométrie, mais pour cela, il faut préalablement déclarer le matériau de ce dernier.
Ensuite, nous ajoutons les paramètres physiques manquants :
– le transfert de chaleur dans les solides qui met en jeu la conductivité thermique, la masse volumique et la capacité calorifique à pression constante.
– le flux de chaleur convectif qui met en jeu le coefficient de transfert de chaleur et la température externe.
Enfin, nous intégrons les conditions initiales et les conditions aux limites, les potentiels électriques appliqués sur les électrodes, les deux masses électriques ou une source de chaleur. On définit ensuite la face arrière du substrat comme élément de référence donc en ajoutant une température de 293.15K et un encastrement mécanique.
Le fonctionnement de notre actionneur fait appel à des principes physiques issus de plusieurs disciplines : l’électricité, les transferts thermiques et la mécanique. Il est basé sur le chauffage par effet Joule des bras suite à l’application d’une différence de potentiel entre les deux électrodes. La puissance appliquée induit une élévation locale de température lors de sa dissipation par conduction. Le gradient de température induit ainsi un déplacement hors plan des bras de la membrane qui sont initialement déformés (flambement). Dans notre cas, cette déformation mécanique est donc essentiellement un déplacement vertical, et non une dilatation latérale.

Table des matières

Chapitre 1 Objectifs de la thèse : mise en forme du faisceau des VCSELs pour les microsystèmes d’analyse optique
1.1 Contexte : besoins de sources compactes pour les microsystèmes d’analyse optique
1.2 Sources VCSELs monomodes pour les biocapteurs optiques
1.2.1 Principe des VCSELs
1.2.2 Avantages
1.2.3 Historique
1.2.4 Sources VCSELs monomodes pour l’instrumentation et le biomédical
1.3 Besoins de mise en forme du faisceau des VCSELs
1.3.1 Collimation pour la détection de déflexion de micropoutres dans un capteur d’hybridation ADN
1.3.2 Focalisation pour la mesure de flux dans un capteur par self-mixing
1.4 Micro-optique passive sur VCSEL
1.4.1 Assemblage hybride de microlentilles sur des VCSELs
1.4.2 Intégration monolithique dans la structure laser
1.4.3 Intégration de microlentilles en polymère en surface
1.4.4 Micro-optique active sur VCSEL
1.4.5 VCSEL accordables à base de MEMS
1.4.6 Hybridation de MEMS en SOI pour le contrôle actif du faisceau
1.5 MOEMS polymère pour la micro-optique active intégrée sur VCSEL
1.5.1 Principe de l’actionnement électrothermique retenu
1.5.2 Motivations pour le choix du matériau structurel : polymère SU-8
1.5.3 Résultats antérieurs et objectifs de la thèse
Chapitre 2 Conception du MOEMS
2.1 Principe de fonctionnement du MOEMS et contraintes technologiques
2.2 Conception optique
2.2.1 Description géométrique
2.2.2 Rappel sur les faisceaux gaussiens
2.2.3 Dimensionnement optique sous Zemax
2.3 Conception électro-thermo-mécanique du MOEMS
2.3.1 Description de la structure de base
2.3.2 Modèles physiques utilisés
2.3.3 Matériaux et prise en compte de l’anisotropie des propriétés mécaniques
2.3.4 Choix du maillage
2.3.5 Résultats de modélisation thermomécanique 2D du MOEMS
2.3.6 Modélisation 3D du MOEMS et optimisations
2.3.7 Sensibilité à l’intégration d’une lentille sur la structure MOEMS
2.4 Conclusion
Chapitre 3 Report uniforme de films photosensibles épais par impression thermique douce
3.1 Motivations de l’étude
3.1.1 Etapes principales de fabrication du MOEMS
3.1.2 Rappel sur la résine épaisse SU-8
3.2 Etat de l’art des solutions possibles
3.3 Mise au point d’une méthode d’ « impression thermique douce »
3.3.1 Principe de la méthode proposée
3.3.2 Mise au point sur silicium avec des films maisons
3.3.3 Optimisation des conditions d’impression thermique douce
3.4 Application de la méthode à des films commerciaux
3.4.1 Laminage sur 2.5×2.5cm²
3.4.2 Impression thermique douce sur 2.5×2.5cm²
3.4.3 Bilan et comparaison des méthodes
3.4.4 Application à la réalisation de plots de 100μm sur un échantillon de GaAs de 2.5×2.5cm
3.5 Conclusions
Chapitre 4 Réalisation technologique de MOEMS SU-8 sur VCSELs
4.1 Fabrication des VCSEL GaAs monomodes émettant à 850 nm
4.2 Description et limites du procédé de fabrication du MOEMS polymère de première génération
4.2.1 Description
4.2.2 Problèmes identifiés
4.3 Description du processus planaire des MOEMS de seconde génération
4.3.1 Description
4.3.2 Caractérisations du dépôt métallique sur film SU-8 non révélé
4.3.3 Délimitation du titane sur film SU-8 non révélé
4.3.4 Délimitation de l’or et du titane sur film SU-8 non révélé
4.3.5 Morphologie des MOEMS obtenus
4.4 Dépôt localisé des microlentilles sur les MOEMS
4.4.1 Travaux antérieurs : dépôt par microplumes robotisées
4.4.2 Développement du dépôt de lentilles par jet d’encre
4.5 Conclusions
Chapitre 5 Caractérisation des MOEMS réalisés
5.1 Moyens utilisés pour la caractérisation électromécanique des MOEMS
5.2 Problèmes mis en évidence sur les MOEMS de première génération
5.2.1 Caractérisation électriques des éléments parasites d’accès du MOEMS
5.2.2 Caractérisation électro- thermomécanique
5.3 Optimisation électrique du MOEMS
5.3.1 Caractérisation électrique et électrothermique
5.3.2 Forme initiale du MOEMS
5.3.3 Déplacement vertical obtenu sous actionnement
5.4 Optimisation électrothermique du MOEMS
5.4.1 Caractérisation électrique et électrothermique
5.4.2 Forme initiale du MOEMS
5.4.3 Déplacement vertical obtenu sous actionnement
5.5 Optimisation électro-thermomécanique
5.5.1 Caractérisation électrique et électrothermique
5.5.2 Forme initiale du MOEMS
5.5.3 Déplacement vertical obtenu sous actionnement
5.6 Influence du procédé de dépôt du polymère : lamination et impression thermique
5.7 Bilan, reproductibilité et répétabilité
5.8 Confrontation des résultats expérimentaux avec la simulation COMSOL
5.9 Réponse temporelle du MOEMS : Transitoire thermique
5.10 Résultats d’intégration globale sur VCSELs sur MOEMS de 1ère génération
5.11 Conclusions
Conclusions et perspectives
Références Bibliographiques

Télécharger le rapport complet