Optimiser la fabrication et l'intégration de micro-capteurs grâce à l'écriture laser
Publié par Redbran le 21/11/2018 à 12:00
Source: CNRS-INC
Gain de coût, gain de temps, miniaturisation ! En jouant sur la puissance d'une source laser et la teneur en oxygène de l'air, des chercheurs de l'Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS/Université de Haute-Alsace) et leurs collègues taïwanais (National Chiao Tung University, Hsinchu) ont conçu en une seule étape des structures micrométriques composites de dioxyde de titane (Le dioxyde de titane est une substance composée d'oxygène et de titane.) et carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.). Ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...) présentant un comportement piézorésistif (sa conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant électrique.) peut être modulée par l'application d'une contrainte mécanique) a servi à la conception d'un micro-capteur de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) par écriture laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...). Ces travaux, publiés dans la revue Advanced Materials, offrent de belles perspectives à l'intégration simplifiée de microstructures complexes aux propriétés électriques modulables dans des dispositifs microélectroniques, tels que des laboratoires sur puce.


Représentation schématique de la fabrication de microstructures réalisées par écriture laser directe présentant des propriétés électriques modulables en fonction des conditions de fabrication.
© Shangu-Yu Yu

Les oxydes métalliques, dont fait partie le dioxyde de titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro atomique 22.) (TiO2), sont utilisés dans de nombreux domaines comme la santé (La santé est un état de complet bien-être physique, mental et social, et ne consiste pas seulement en une absence de maladie ou...) (capteurs de fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans...) cardiaque, etc.) ou la robotique (peau artificielle, etc.). Cependant, leur intégration dans des dispositifs de taille micro ou nanométrique reste complexe et nécessite plusieurs étapes. En maîtrisant l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) lumière-matière, une collaboration internationale impliquant des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de science des matériaux (La science des matériaux regroupe les domaines qui étudient la matière qui constitue les objets. Cela va des roches (en géologie) aux métaux en passant...) de Mulhouse (CNRS/Université de Haute-Alsace) a permis la fabrication de microstructures de TiO2 en une seule étape. À l'aide d'une source laser localisée, les chercheurs dessinent des architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans, diffusé sur Arte depuis 1995.) sur mesure. Ils modulent ainsi les propriétés des structures de TiO2 de sorte à obtenir un matériau amorphe (structure atomique désordonnée) ou bien cristallin (structure atomique ordonnée) en modifiant uniquement la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) du laser.

Les chercheurs démontrent également que l'absence d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) favorise la formation de carbone dans la matrice TiO2, ce qui entraîne une augmentation de la conductivité (la capacité à conduire l'électricité) du matériau final. Pour illustrer l'impact de ces travaux, un capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité,...) de pression miniaturisé a été réalisé. En plus d'être conducteur, il présente un comportement piézorésistif: il réagit en fonction de la contrainte mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...) appliquée, ce qui permet de mesurer précisément cette dernière. Une bonne sensibilité du capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension...) pour de faibles pressions a été mise en évidence via l'utilisation d'un microscope à force atomique (Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un dérivé du microscope à effet tunnel (ou Scanning Tunneling Microscope, STM), qui peut servir à visualiser la topologie de la surface d'un échantillon ne...). Ces travaux pourront également être utilisés pour la fabrication d'autres types de capteurs miniatures (capteur d'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance (linge, pain, produit chimique, etc.).), de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement...), etc.) ainsi que pour leur intégration directe dans des dispositifs microélectroniques comme des laboratoires sur puce.

Références publication:
S-Y. Yu, G. Shrodj, K. Mougin, J. Dentzer, J-P. Malval, H-W. Zan, O. Soppera et A. Spangenberg
Direct Laser Writing of Crystallized TiO2 and TiO2/Carbon Microstructures with Tunable Conductive Properties
Advanced Materials – Octobre 2018


Contacts chercheur:
- [url=https://web-ast.dsi.
cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr/l3c/owa/personnel.frame_infos?p_etat=pe&p_numero_sel=1201398&p_i=0&p_nb_res=0&p_numero=0]Olivier Soppera, IS2M UMR7361, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Haute-Alsace
- Arnaud Spangenberg, IS2M UMR7361, Université de Haute-Alsace
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