Des microcapteurs en quartz intégrés sur silicium

Publié par Redbran le 07/06/2021 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Afin d'améliorer les performances des microsystèmes piézoélectriques en quartz, une équipe de l'Institut d'électronique et des systèmes a développé un procédé qui combine le dépôt chimique en solution, la nanoimpression et la microfabrication sur silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) pour créer des capteurs intégrés de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) et de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) à haute sensibilité. Ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle famille de micro balance en quartz plus efficace que celle actuellement disponible sur le marché.


Le dispositif piézoélectrique est réalisé par dépôt chimique de silice en solution sur le substrat en silicium, nanotexturation de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) par nanoimpression douce, puis cristallisation du quartz par chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un...) à 1000°C. © IES/projet Sensisoft

Le développement des applications des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) piézoélectriques, en particulier des capteurs, passe par leur intégration dans les technologies du silicium. Pour réaliser un dispositif intégré à base de quartz, la seule voie possible était jusqu'ici de micro usiner le quartz, puis de l'assembler sur un substrat de silicium. Une méthode qui limite les performances et la sensibilité du capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...).

Une équipe de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) d'électronique et des systèmes (IES, CNRS/Univ. Montpellier), en collaboration avec l'Institut de Recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) en infectiologie de Montpellier (IRIM, CNRS/Univ. Montpellier) et l'Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB), a mis au point (Graphie) un nouveau procédé, compatible avec les technologies du silicium, pour fabriquer un système électromécanique (L'électromécanique est l'association des technologies de l'électricité et de la mécanique.) (Mems) à base de quartz piézoélectrique. Le capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une...) obtenu est constitué d'une mince couche de quartz piézoélectrique épitaxiée sur le silicium. Les résultats ont été publiés, en couverture, dans la revue Advanced Materials Technologies.

La première étape du procédé développé à l'IES consiste à effectuer, à partir d'une solution, un dépôt de couches de silice sur un substrat en silicium. Ce film est ensuite structuré par une technique de lithographie par nanoimpression. Enfin, un chauffage à 1000°C cristallise le film de quartz nanostructuré.

Le capteur obtenu, qui mesure des forces ou des masses, repousse les limites de l'état de l'art actuel. En effet, le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de la couche de quartz (cristallinité, épaisseur, rugosité) intégrée sur silicium améliore la réponse piézoélectrique. En analysant la sensibilité du capteur au moyen d'une pointe de microscope AFM, les chercheurs ont montré que leur technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) devrait être capable de mesurer des masses avec une résolution de l'ordre du picogramme (10-12 g). La nano structuration et la fonctionnalisation de la couche de quartz permettent d'envisager de nombreuses applications, notamment en biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....). Ainsi, un nouveau projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...), Virusensor, a pour but d'étudier la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui...) et la détection de virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise...) par ce type de capteur.

Ces résultats ouvrent la voie à une nouvelle famille de micro balance en quartz, plus efficace que celle disponible actuellement sur le marché. Un programme de prématuration du nouveau procédé est envisagé, avec pour objectif de concevoir une plateforme de réalisation de dispositifs piézoélectriques intégrés sur silicium, à base de quartz et d'autres matériaux, qui viseront des applications en biologie, en chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...), mais aussi dans la récupération d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...).

Références:

- Soft-Chemistry-Assisted On-Chip Integration of Nanostructured α-Quartz Microelectromechanical System,
Claire Jolly, Andres Gomez, David Sánchez-Fuentes, Dilek Cakiroglu, Raïssa Rathar, Nicolas Maurin, Ricardo Garcia-Bermejo, Benoit Charlot, Martí Gich, Michael Bahriz, Laura Picas, and Adrian Carretero-Genevrier.
Advanced Materials Technologies, 2021.
doi.org/10.1002/admt.202000831

- Epitaxial Nanostructured α-Quartz Films on Silicon: From the Material to New Devices
Claire Jolly, David Sanchez-Fuentes, Ricardo Garcia-Bermejo, Dilek Cakiroglu, Adrian Carretero-Genevrier.
Journal of Visualized Experiments, 2020.
doi.org/10.3791/61766

- Micro/Nanostructure Engineering of Epitaxial Piezoelectric α-Quartz Thin Films on Silicon.
Q Zhang, D Sánchez-Fuentes, R Desgarceaux, A Gomez, P Escofet-Majoral, J Oró-solé, J Gazquez, G Larrieu, B Charlot, M Gich, A Carretero-Genevrier.
ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 4, 4732-4740.
doi.org/10.1021/acsami.9b18555

Contacts:
- Adrien Carretero-Genevrier - Chargé de recherche CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) à l'Institut d'électronique et des systèmes (IES, CNRS/Univ. Montpellier)
carretero at ies.univ-montp2.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication at cnrs.fr
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