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MAMINA : Matériaux et Acoustiques pour MIcro et NAno systèmes intégrés

Thématique : Intégration de Fonctions Acoustiques Sur Silicium

Le développement de dispositifs acoustiques sur silicium présente un intérêt à la fois dans le développement de microsystèmes microfluidiques pour la détection et la caractérisation de cellules biologiques et dans la détection de composés chimiques volatils dans des gaz. Alors que de nombreuses réalisations reposent sur le développement de dispositifs à ondes de surface ou de résonateurs du type balance à quartz, nous avons développé des dispositifs intégrés à ondes acoustiques haute fréquence de volume et des dispositifs résonants intégrés à modes de contour.
Une technologie commune sur silicium a été mise au point autour des matériaux piézoélectriques ZnO et LiNbO3. Cette technologie permet en outre de disposer de transducteurs générant des ondes de cisaillement, y compris dans le domaine haute fréquence.

1 - Les technologies de microsystèmes acoustiques sur silicium

Responsable : Bertrand NONGAILLARD

Résultats majeurs

Caractérisations acoustiques hautes fréquences intégrée d’interfaces et de fluides

Les ondes ultrasonores hautes fréquences allant de quelques centaines de MHz à plusieurs GHz permettent de caractériser des objets ou des interfaces aux échelles micrométriques voire nanométriques. Nos compétences dans le domaine des micro/nanotechnologies ainsi que dans le domaine de l’acoustique haute fréquence, développée grâce à l’expérience dans ce domaine du laboratoire, ont permis de développer des sujets d’études originaux permettant le développement de microsystèmes permettant ces caractérisations.
Les méthodes que nous avons développées sont basées sur l’utilisation de transducteurs ultrasonores réalisés essentiellement à partir de couches minces piézoélectriques et intégrés dans des microsystèmes à base de silicium ainsi que sur l’optimisation de miroirs acoustiques intégrés permettant de guider les ondes ultrasonores.  Ces développements technologiques ont permis de proposer des méthodes de caractérisation acoustique haute fréquence (500 MHz – 5GHz) intégrée en s’affranchissant des problèmes de couplage.

 

        

Figure 1 : Transducteur ultrasonores

                                                                   a) Image d’un réseau de transducteurs en ZnO de 100μm de diamètre obtenue par microscopie optique            b) Schéma du multicouche

Un banc de mesure a été développé pour réaliser ces caractérisations sous pointes en connexion avec un analyseur de réseau vectoriel à partir duquel il-est ensuite possible de revenir dans le domaine temporel pour suivre les échos acoustiques par Transformée de Fourier Inverse.

Le banc intègre un système de contrôle microfluidique ainsi que plusieurs caméras permettant de suivre optiquement les manipulations sur le substrat.

 

Figure 2 : Banc de caractérisation acoustique haute fréquence.

 

  • Etude du mouillage d’interfaces micro/nanostructurées

Nous nous sommes notamment intéressés à l’étude du mouillage d’interfaces micro/nanostructurées qui trouve une application particulièrement intéressante pour le développement des procédés de fabrication par voie humide dans le secteur de la microélectronique dans le cadre du laboratoire commun IEMN / ST Microelectronics. Cette méthode haute fréquence extrêmement sensible à la présence d’air a également permis de détecter des défauts d’interfaces solide / résine d’épaisseur nanométrique qui peuvent alors être détectés de façon très précoce.

 

Figure 3 : Schéma de principe de la méthode de caractérisation du mouillage par –méthode acoustique haute fréquence

            

 

                       

Figure 4 : Caractérisation acoustique du mouillage sur des nano-piliers de diamètre 40 nm (a) dans du Si traité hydrophobe par suivi du coefficient de réflexion acoustique (b).

 

  • Caractérisation de liquides en canal microfluidique

Nous nous sommes également intéressés à la caractérisation de liquides en canal microfluidique implanté dans des laboratoires sur puce. Ces microsystèmes ont notamment été utilisés pour réaliser des détections de particules ou des suivis de concentration. Nous avons également - réalisé des fonctions d’actionnement en canal microfluidique par augmentation de la puissance des ondes ultrasonores.

 


Figure 5 : Guidage de l’onde acoustique dans une direction parallèle à la surface du substrat pour une étude en transmission
 

 


Figure 6 : Exemple de réalisation de laboratoire sur puce (a) Images au microscope électronique à balayage des miroirs (b).

 


Figure 7 : Caractérisation acoustique de solution de KI de concentration différente (de l’eau pure à 8 mol/L) en canal microfluidique : (a) évolution de l’amplitude du signal acoustique transmis ; (b) mesure de l’atténuation acoustique dans les solutions

 

  • Analyse des phénomènes d’évaporation en gouttes de mélanges eau-alcool

La compréhension des phénomènes d’évaporation en gouttes de mélanges binaires eau-alcool s’inscrit dans le cadre d’applications liées au transport. En particulier, les mélanges eau-alcools à fort taux de carbone, tel que le butanol, sont étudiés pour servir de fluides caloporteurs dans les caloducs. Nous avons pu suivre les cinétiques d’évaporation de gouttes sessiles de mélanges eau-éthanol et eau-butanol et remonter ainsi aux concentrations en alcools dans les gouttes lors du processus.

 


     Figure 8 : cinétiques des concentrations massiques durant l’évaporation de mélanges binaires eau-alcools : (a) eau-éthanol (b) eau-5% 1-butanol

Une perspective à cette étude concerne l’étude de nanofluides, en vue de l’amélioration des performances des caloducs en termes de conductivité du fluide. Enfin, nous avons récemment exploré la capacité de ces méthodes à réaliser des suivis d’évaporation, faire des mesures de température ou encore évaluer la stabilité de nanofluides utilisés comme fluides caloporteurs dans le cadre de la problématique de la gestion thermique notamment dans le domaine de l’embarqué et des transports.
 

Collaboration : STMicroelectronics, Université de Wuhan, Université de Fudan, LAMIH, IEMN (groupe BioMEMS)

 

2 - Résonateurs à modes de contour

Responsable : Tadeusz GRYBA

Description
Une première partie de l'activité est orientée vers la modélisation des résonateurs soit à partir des schémas électriques équivalents soit par l'utilisation d'un système de polynômes orthogonaux. La méthode polynomiale permet de calculer à la fois la réponse en régime libre et la réponse en régime forcé. Appliquée aux résonateurs à modes de contour en modélisation bi et tridimensionnelle incluant les sources et les détecteurs, la méthode a montré son aptitude à modéliser les structures MEMS avec métallisation partielle ou complète et à retrouver à la fois les résonances utiles et les résonances latérales parasites avec des temps de calcul et des capacités mémoire requis raisonnables.

La figure 1 présente une résonance à la fréquence fondamentale et et la figure 2 une résonance parasite latérale à une fréquence très voisine de la fréquence de résonance fondamentale (le paramètre Wr désigne la fréquence normalisée).

Figure 1: Déplacement mécanique sur la résonance à la fréquence fondamentale.

 

Figure 2: Déplacement mécanique sur une résonance latérale parasite

 

L'extension de la méthode au calcul de la réponse des transformateurs piézoélectriques est en cours.

Une deuxième partie de l'activité est orientée vers la conception, la réalisation et le test des résonateurs à modes de contour. Ces résonateurs sont réalisés à partir de structures à base de matériau ferroélectrique (BaxSr1-xTiO3) réalisées sur Silicium. Nous exploitons à la fois l'effet piézoélectrique et l'effet électrostrictif. L'application d'une tension continue induit des effets non linéaires prononcés sur les constantes physiques du matériau diélectrique. Ceci autorise un réglage à la fois de la fréquence centrale et de la bande de fréquences des résonateurs. La théorie de Landau-Devonshire permet de calculer les performances des résonateurs tant en mode épaisseur (TE) qu'en mode excitation latérale (LFE).

Les résonateurs sont fabriqués à partir des technologies MEMS en exploitant les technologies sous vide qui permettent de réaliser des couches très minces (quelques centaines de nm) piézoélectrique et métalliques ce qui permet d’atteindre des fréquences de résonance très élevées.

Résultats majeurs
 

Figure 3: Résonateur  en mode épaisseur (TE)

 

 

Figure 4: Résonateur en mode latéral (LFE)

3 – Courbes de dispersion 3D


Responsable : Jean-Etienne LEFEBVRE

Une potentialité inhérente à la méthode polynomiale développée pour la modélisation des structures MEMS est exploitée pour résoudre un problème difficile qui se pose en contrôle non destructif. La caractérisation de défauts, position, taille et forme, qui exploite la sommation des modes diffractés ou diffusés par les défauts nécessite la connaissance de la totalité des modes possibles, propagatifs et non propagatifs, dans la structure. Ceci oblige au calcul des courbes de dispersion dans le plan complexe, courbes dites 3D, à savoir partie réelle kR et partie imaginaire kI du nombre d'onde k en fonction de la fréquence f des ondes.
En milieux élastiques parfaits, milieux non dissipatifs, les modes propagatifs sont les modes avec kR≠0  et kI=0 et les modes non propagatifs sont les modes pour lesquels soit kR≠0 et kI≠0 soit kR=0 et kI≠0. Ces modes non propagatifs correspondent à des vibrations locales sur les ruptures d'impédance acoustique présentées par les discontinuités de matériaux ou les défauts.
En milieux dissipatifs, seuls les modes propagatifs complexes c'est-à-dire avec kR≠0 et kI≠0 existent.

Résultats majeurs

Le calcul des courbes de dispersion 3D dans des structures générales c'est-à-dire dans des structures de géométrie plane ou cylindrique ou sphérique éventuellement multicouches où chaque couche peut être d'anisotropie quelconque est un problème difficile. Nous avons mis en évidence l'aptitude de notre méthode polynomiale à résoudre naturellement ce problème de façon élégante c'est-à-dire à travers la résolution d'un système aux valeurs propres et vecteurs propres qui permet d'éviter la recherche dans le plan complexe des zéros d'une fonction caractéristique elle aussi complexe. La méthode polynomiale s'adapte facilement aux différentes géométries et aux différentes anisotropies des matériaux des structures multicouches.

La figure ci-dessous présente les courbes de dispersion pour une plaque de cuivre de symétrie cubique: elle donne kRh et kIh en fonction de fh où h désigne l'épaisseur de la plaque. Les courbes en bleu donnent les racines réelles pures, les courbes en rouge les racines imaginaires pures et les courbes en vert les racines complexes. Les traits continus sont les solutions exactes obtenues par le calcul des zéros de la fonction caractéristique et les points les solutions calculées par la méthode polynomiale.
 

 

Figure 5: Courbes de dispersion 3D pour une plaque de cuivre d'anisotropie cubique.

Cette recherche a été effectuée dans le cadre d'une collaboration MAMINA-TPIA (Weijiang Xu et Farouk Benmeddour).
 

Travaux en cours - Prospectives

  • Modélisation des transformateurs piézoélectriques
  • Modélisation de structures rayonnantes ce qui ouvrira la voie au calcul de la réponse des transducteurs

Collaborations

  • LMTI, Faculté polydisciplinaire d’Ouarzazate, Univ. Ibn Zohr, Ouarzazate, Maroc
  • LAPAUF, Fianarantsoa, Madagascar
  • School of Mechanical and Power Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo, Chine