FR3094089A1 - Capteur de gaz par mesure gravimétrique - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un capteur de gaz (100) par mesure gravimétrique qui comprend :- une ou plusieurs membranes (110) comprenant une portion principale (110a) suspendue ;- une ou plusieurs couches de fonctionnalisation formée(s) sur la portion principale (110a) et configurée(s) pour adsorber sélectivement une espèce gazeuse donnée, et désorber cette dernière en fonction d’un niveau de chauffage imposé à l’une ou plusieurs membranes (110) ;- une ou plusieurs pistes chauffantes (170) agencées sur l’une ou plusieurs membranes (110) pour imposer un chauffage à l’une ou plusieurs couches de fonctionnalisation. Figure pour l’abrégé : Figure 2a.
Description
La présente invention se rapporte au domaine des micros systèmes électromécaniques pour la détection des gaz.
En particulier, la présente invention concerne un capteur de gaz, encore plus particulièrement un capteur de gaz par mesure gravimétrique présentant une sélectivité et une durée de vie accrues par rapport aux capteurs connus de l’état de la technique.
L’invention concerne également un nez électronique mettant en œuvre le capteur de gaz.
L’avènement des techniques de micro fabrication a permis l’essor des micros systèmes électromécaniques (« MEMS » ou « Micro Electro Mechanical System » selon la terminologie Anglo-Saxonne).
Parmi ces derniers, les systèmes à membrane sont mis en œuvre dans bon nombre d’applications, et notamment dans les capteurs de gaz par mesure gravimétrique tel que décrit dans le document [1] cité à la fin de la description.
Le fonctionnement de ces capteurs, décrit dans le document [2] cité à la fin de la description, est basé sur le décalage de la fréquence de résonnance de leur membrane induit par l’adsorption d’espèces chimiques sur une face de ladite membrane.
Un tel dispositif n’est toutefois pas sélectif, et ne permet donc pas de distinguer une espèce chimique d’une autre.
Afin de pallier cette insuffisance, il a été proposé de fonctionnaliser la surface de la membrane du capteur de sorte que cette dernière adsorbe de manière sélective une ou plusieurs espèces chimiques spécifiques. Cette fonctionnalisation peut en particulier impliquer la formation d’une couche, dite de fonctionnalisation, sur la surface de la membrane du capteur.
Une modélisation et/ou une calibration appropriées permet de déterminer la masse et/ou la concentration des espèces chimiques ainsi adsorbées.
Toutefois, la sélectivité des couches de fonctionnalisation reste limitée de sorte que la réalisation d’un capteur de gaz sensible à une espèce chimique prédéterminée reste difficile, et peut, dans certains cas, nécessiter l’emploi d’un module chromatographique, en amont du détecteur, et destiné à séparer les espèces gazeuses.
Par ailleurs, les espèces chimiques adsorbées au niveau de la couche de fonctionnalisation ne sont généralement pas désorbées, de sorte qu’à terme, la surface de ladite couche est saturée, et rend ainsi le capteur inutilisable.
Un but de la présente invention est donc de proposer un capteur de gaz par mesure gravimétrique sélectif dont la durée de vie est prolongée au regard des capteurs connus de l’état de la technique.
Notamment, un but de la présente invention est de proposer un agencement permettant de régénérer la couche de fonctionnalisation.
Un autre but de la présente invention est de proposer un capteur de gaz par mesure gravimétrique présentant une sélectivité améliorée par rapport aux capteurs connus de l’état de la technique.
Les buts de la présente invention sont, au moins en partie, atteints par un capteur de gaz par mesure gravimétrique qui comprend :
- une ou plusieurs membranes comprenant une portion principale suspendue ;
- une ou plusieurs couches de fonctionnalisation formée(s) sur la portion principale et configurée(s) pour adsorber sélectivement une espèce gazeuse donnée, et désorber cette dernière en fonction d’un niveau de chauffage imposé à l’une ou plusieurs membranes ;
- une ou plusieurs pistes chauffantes agencées sur l’une ou plusieurs membranes pour imposer un chauffage à l’une ou plusieurs couches de fonctionnalisation.
- une ou plusieurs membranes comprenant une portion principale suspendue ;
- une ou plusieurs couches de fonctionnalisation formée(s) sur la portion principale et configurée(s) pour adsorber sélectivement une espèce gazeuse donnée, et désorber cette dernière en fonction d’un niveau de chauffage imposé à l’une ou plusieurs membranes ;
- une ou plusieurs pistes chauffantes agencées sur l’une ou plusieurs membranes pour imposer un chauffage à l’une ou plusieurs couches de fonctionnalisation.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs membranes comprend une couche membrane en recouvrement d’une ou plusieurs cavités formées à partir d’une face principale d’un support, chaque membrane est en recouvrement d’une cavité et comprend une portion périphérique à la portion principale, et au niveau de laquelle ladite membrane est maintenue au support.
Selon un mode de mise en œuvre, le support comprend un empilement fait d’une couche support et d’une couche intermédiaire faite d’un matériau diélectrique et au travers de laquelle est/sont formée(s) l’une ou plusieurs cavités.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs pistes chauffantes comprennent des sections, dites sections principales, formées sur la ou les portions principales.
Selon un mode de mise en œuvre, les sections principales comprennent plusieurs brins connectés entre eux selon leurs extrémités, et distribués sur la portion principale de manière à homogénéiser le chauffage susceptible d’être imposé à la membrane sur laquelle ils reposent.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs pistes chauffantes comprennent des ramifications, notamment formées sur la ou les portions périphériques, et agencées pour homogénéiser le chauffage susceptible d’être imposé à l’une ou plusieurs membranes.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs pistes chauffantes est/sont intercalées entre l’une ou plusieurs couches de fonctionnalisation et la portion principale, avantageusement l’une ou plusieurs couches de fonctionnalisation est/sont exclusivement en recouvrement de l’une ou plusieurs piste chauffantes.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs pistes chauffantes est/sont formée(s) à distance de l’une ou plusieurs portions principales.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs pistes chauffantes dessine un chemin entre les portions principales.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs pistes chauffantes est /sont formée(s) par une unique piste d’un matériau conducteur.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs pistes chauffantes repose(nt) sur une couche de matériau isolant.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs couches de fonctionnalisation repose sur une couche d’accroche configurée pour favoriser l’adhésion de ladite couche de fonctionnalisation.
Selon un mode de mise en œuvre, une tranchée traversante est formée dans la couche membrane, ladite tranchée dessinant un motif qui circonscrit l’une ou plusieurs membranes.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs membranes comprend du silicium, et présente une épaisseur comprise entre 100 nm et 10 µm.
Selon un mode de mise en œuvre, l’une ou plusieurs pistes chauffantes comprend de l’or.
Selon un mode de mise en œuvre, la couche de fonctionnalisation comprend au moins un des éléments choisi parmi : éthyle cellulose (EC), poly(cyanopropylmethylsiloxane), poly(dimethylsiloxane), poly(epichlorohydrin), et poly(etherurethane).
Selon un mode de mise en œuvre, la portion principale comprend une partie centrale, et un faisceau de bras de maintien qui s’étendent, avantageusement radialement, à partir de la périphérie de la partie centrale, et qui lient ladite partie centrale à la portion périphérique de la membrane considérée.
L’invention concerne également un dispositif pourvu d’une pluralité de capteurs selon la présente invention, dans lequel la sélectivité de la couche de fonctionnalisation est différente d’un capteur à l’autre.
L’invention concerne également une détection d’une espèce gazeuse donnée avec le capteur selon la présente invention, ou le dispositif selon la présente invention.
Selon un mode de mise en œuvre, une série de mesures est exécutée en imposant, à la couche de fonctionnalisation, une température différente d’une mesure à l’autre.
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans la description qui va suivre d’un capteur de gaz par mesure gravimétrique, donnés à titre d’exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La présente invention concerne un capteur de gaz par mesure gravimétrique. Notamment, le capteur de gaz selon la présente invention est pourvu d’une membrane vibrante sur laquelle est formée un couche de fonctionnalisation destinée à adsorber sélectivement une espèce gazeuse, et des moyens de chauffage couplés à la membrane de manière à pouvoir imposer un chauffage à la couche de fonctionnalisation.
Les moyens de chauffage permettent notamment d’exercer un contrôle des processus d’adsorption et de désorption des espèces gazeuses au niveau de la couche de fonctionnalisation.
Plus particulièrement, les moyens de chauffage, en imposant une température, permettent de réguler le niveau d’adsorption/désorption d’une espèce gazeuse donnée au niveau de la couche de fonctionnalisation.
Les moyens de chauffage, tels que mis en œuvre dans la présente invention, permettent d’imposer une température à la couche de fonctionnalisation favorisant la désorption aux dépens de l’adsorption afin de régénérer cette dernière, et ainsi restaurer l’efficacité du capteur de gaz.
Les moyens de chauffage permettent également d’exécuter une séquence de mesures successives, en imposant une température différente à la couche de fonctionnalisation d’une mesure à l’autre. Ce mode opératoire ouvre la voie à des mesures de concentration précises des gaz détectés par le capteur.
Il est entendu que la détection d’un gaz par ladite membrane est basée sur une variation de sa fréquence de résonnance par adsorption dudit gaz.
Par ailleurs, les expressions « couche de fonctionnalisation sélective » ou « couche de fonctionnalisation destinée à adsorber sélectivement » ont le même sens dans la description qui suit.
A cet égard, par « couche de fonctionnalisation sélective », on entend une couche sur laquelle une espèce gazeuse donnée s’adsorbe de manière préférentielle au regard d’autres espèces gazeuses.
Il est entendu que cette sélectivité est fonction de la température imposée à la couche de fonctionnalisation.
Les figures 1a à 1c représentent un capteur de gaz 100 par mesure gravimétrique selon la présente invention. En particulier, la figure 1a est une représentation par une face avant 101 (dite en vue de dessus), du capteur de gaz 100, exposant, par transparence des membranes, des cavités.
Les figures 1b et 1c sont des représentations selon des plans de coupe, respectivement, AA’ et BB’ du capteur de gaz représenté à la figure 1a.
Le capteur de de gaz 100 comprend une ou plusieurs membranes 110.
Notamment, les membranes 110 sont couplées à des moyens (non représentés) configurés pour mesurer leur fréquence de résonnance. L’homme du métier peut, à cet égard, trouver dans le document [3] cité à la fin de la description les informations nécessaires à la mise en œuvre desdits moyens.
Les membranes 110 comprennent chacune une portion principale 110a suspendue.
Par « portion principale suspendue », on entend une portion essentiellement plane qui n’est maintenue que par ses bords.
Plus particulièrement, la ou les membranes 110 sont en recouvrement d’une ou plusieurs cavités 130 formées à partir d’une face principale 140 d’un support 150.
Notamment, chaque membrane 110 comprend une portion 110b, périphérique à la portion principale 110a, et au niveau de laquelle ladite membrane 110 est maintenue au support 150.
L’une ou plusieurs membranes 110 peuvent être formées à partir d’une unique couche membrane 120.
Les membranes peuvent être agencées pour former un unique capteur. Selon cette configuration, deux membranes adjacentes ont en commun une région de leur portion périphérique.
Le support 150 peut comprendre un empilement fait d’une couche support 150a et d’une couche intermédiaire 150b au travers desquelles sont formées les cavités 130.
La couche support 150a peut comprendre un matériau semi-conducteur, notamment du silicium, et présenter une épaisseur comprise entre 200 µm et 800 µm.
La couche intermédiaire 150b peut comprendre un matériau diélectrique, notamment du dioxyde de silicium ou du nitrure de silicium, et présenter une épaisseur comprise entre 100 nm et 500 nm.
La profondeur des cavités est de préférence inférieure à 500 nm, et plus particulièrement comprise entre 100 nm et 500 nm. Les cavités présentent également des dimensions latérales comprises entre 1 µm et 400 µm.
Les cavités 130 peuvent être de forme ronde, carrée ou encore rectangulaire.
La couche membrane 120 peut comprendre un matériau semi-conducteur, notamment du silicium, et présenter une épaisseur comprise entre 100 nm et 10 µm.
Le capteur de gaz 100 selon la présente invention comprend également une couche de fonctionnalisation 160. La couche de fonctionnalisation 160 est notamment formée sur la portion principale 110a, et est notamment configurée pour adsorber sélectivement une espèce gazeuse donnée.
La couche de fonctionnalisation 160 est également configurée pour présenter un équilibre adsorption/désorption de l’espèce gazeuse donnée qui est fonction d’un niveau de chauffage (ou de température) qui lui est imposé.
En d’autres termes, il est possible, en fonction de la température imposée à la couche de fonctionnalisation 160, de favoriser l’adsorption de l’espèce gazeuse donnée au dépens de sa désorption, et inversement.
À titre d’exemple, la couche de fonctionnalisation 160 peut comprendre au moins un des éléments choisi parmi : un des éléments choisi parmi : éthyle cellulose (EC), poly(cyanopropylmethylsiloxane), poly(dimethylsiloxane), poly(epichlorohydrin), et poly(etherurethane).
Plus généralement, une couche de fonctionnalisation, au sens de la présente invention, peut comprendre un composé chimique en forme de chaîne, notamment une chaîne carbonée, pourvue de deux extrémités. Parmi ces deux extrémités, l’une, dite extrémité d’accroche, permet l’accroche de la chaîne au niveau de la membrane et/ou d’une piste chauffante (décrite ci-après), tandis que l’autre extrémité, dite extrémité d’adsorption, est configurée pour interagir de manière sélective avec une espèce gazeuse donnée.
L’extrémité permettant l’accroche de la chaîne peut notamment comprendre une fonction thiol. Cette fonction thiol permet un greffage préférentiel sur l’or, et permet donc de former la couche de fonctionnalisation de manière sélective sur les pistes chauffantes lorsque ces dernières sont faites d’or.
À titre d’exemple, et de manière non limitative, la couche de fonctionnalisation peut comprendre au moins un des éléments choisi parmi : ethyl cellulose, poly(cyanopropylmethylsiloxane), poly(dimethylsiloxane), poly(epichlorohydrin), et poly(etherurethane).
Le document [5] cité à la fin de la description liste des exemples de composés chimiques, susceptibles d’être mis en œuvre pour la formation d’une couche de fonctionnalisation 160, ainsi que leur sensibilité à des gaz donnés.
Le capteur de gaz 100 selon la présente invention comprend également au moins une piste chauffante 170 agencée pour imposer un chauffage à la couche de fonctionnalisation 160.
Notamment, la ou les pistes chauffantes 170 sont disposées sur la membrane 110.
Les dimensions latérales de la ou des pistes chauffantes sont avantageusement comprises entre 1 µm et 10 µm de manière à réaliser un contact thermique permettant un contrôle fin de la température de la membrane.
L’épaisseur de la piste peut être relativement faible, et notamment comprise entre 10 nm et 500 nm.
Le dispositif peut ne comprendre qu’une unique piste chauffante, par exemple faite d’un matériau conducteur (figure 2A, 3, 4 et 8).
Une couche de matériau diélectrique 180, notamment du nitrure de silicium, peut être interposée entre la membrane et la ou les pistes chauffantes (figure 2b décrite, ci-après, dans le cadre d’un premier mode de réalisation de la présente invention).
Par « disposées sur la membrane », on entend disposée sur la portion principale 110a et/ou sur la portion périphérique 110b. Cet aspect est discuté dans la suite de l’énoncé et en relation avec un premier et un deuxième mode de réalisation.
Ainsi, la piste chauffante 170 permet de contrôler la température de la couche de fonctionnalisation 160, et par voie de conséquence l’affinité physico-chimique entre l’espèce gazeuse donnée et la couche de fonctionnalisation.
En d’autres termes, la piste chauffante, lorsqu’elle impose un niveau de chauffage donné (donc une température donnée), permet de réguler le niveau d’affinité entre l’espèce gazeuse donnée et la couche de fonctionnalisation.
Plus particulièrement, la température imposée à la couche de fonctionnalisation par la piste chauffante régit les processus d’adsorption/désorption de l’espèce gazeuse donnée.
Ainsi, un niveau de chauffage supérieur à un chauffage seuil permet de désorber au moins en partie les espèces gazeuses susceptibles de saturer la couche de fonctionnalisation, et ainsi régénérer cette dernière.
L’agencement de la ou les pistes chauffantes sur la ou les membranes 110 permet d’exercer un contrôle précis du chauffage de ladite membrane 110, et par voie de conséquence de la couche de fonctionnalisation 160.
Cette proximité de la ou des pistes chauffantes vis-à-vis de la couche de fonctionnalisation permet de localiser le chauffage au niveau de cette dernière.
En d’autres termes, l’agencement de la ou des pistes chauffantes permet de limiter l’augmentation de température globale du capteur de gaz, et ainsi préserver l’intégrité de ce dernier.
De manière avantageuse, une tranchée traversante 200 peut être formée dans la couche membrane (figure 9), ladite tranchée dessinant un motif qui circonscrit l’une ou plusieurs membranes. Cette tranchée 200 permet de limiter les pertes thermiques.
La mise en œuvre de la ou des pistes de chauffage permet également de considérer la mise en œuvre de séries de mesures successives en imposant, à la couche de fonctionnalisation, une température différente d’une mesure à l’autre.
La connaissance du niveau de sélectivité de la couche de fonctionnalisation vis-à-vis de l’espèce gazeuse donnée en fonction de la température imposée à ladite couche, permet alors non seulement d’identifier de manière certaine ladite espèce mais également de déterminer sa masse et/ou sa concentration.
La ou les pistes chauffantes confèrent au capteur de gaz un niveau de sensibilité et une précision accrue par rapport aux capteurs de gaz connus de l’état de la technique.
De manière complémentaire, et tel qu’illustré à la figure 10, la portion principale 110a comprend une partie centrale 110ac, et un faisceau de bras de maintien 110am qui s’étendent, avantageusement radialement, à partie de la périphérie de la partie centrale 110ac, et qui lient ladite partie centrale 110ac à la portion périphérique 110b de la membrane considérée.
Cette configuration permet de limiter les pertes thermiques au niveau de la membrane 110, et plus particulièrement au niveau de la portion principale 110a.
Les bras de maintien 110am peuvent présenter une largeur inférieure à 500 nm, de préférence inférieure à 250 nm, et ainsi limiter la conductivité thermique desdits bras. Toutefois, un ou deux bras 110am peuvent présenter une largeur plus importante de manière à permettre le passage de la piste chauffante. Les figures 2a et 2b sont des représentations schématiques d’un capteur de gaz selon un premier mode de réalisation.
Selon ce premier mode de réalisation, la ou les pistes chauffantes 170 présentent des sections, dites sections principales 170a, formées sur la ou les portions principales 110a.
Selon une première variante de ce premier mode de réalisation illustrée à la figure 3, les sections principales 170a de la piste chauffante 170 comprennent plusieurs brins 170a1, 170a2, 170a3 connectés entre eux selon leurs extrémités, et distribués sur la portion principale 110a de manière à homogénéiser le chauffage susceptible d’être imposé à la membrane 110 sur laquelle ils reposent.
Selon une deuxième variante de ce premier mode de réalisation illustrée à la figure 4, la ou les pistes chauffantes comprennent des ramifications 170b, notamment formées sur la ou les portions périphériques, et agencées pour homogénéiser le chauffage susceptible d’être imposé à l’une ou plusieurs membranes.
De manière particulièrement avantageuse, la ou les pistes chauffantes s’intercalent entre la couche de fonctionnalisation 160 et la membrane 110.
Selon cette configuration, la ou les pistes chauffantes 170 sont au plus près de la couche de fonctionnalisation 160, et permettent ainsi d’exercer un contrôle strict de la température imposée à ladite couche 160.
Cette proximité permet également de limiter le budget thermique imposé au capteur de gaz, et ainsi préserver l’intégrité de ce dernier.
Indépendamment de la variante considérée, différents agencements de la couche de fonctionnalisation 160, illustrés aux figures 5, 6 et 7, sont possibles.
En particulier, le premier agencement (figure 5) représente une couche de fonctionnalisation 160 recouvrant l’intégralité des membranes et des pistes chauffantes 170.
Le second agencement, illustré à la figure 6, met en œuvre une couche d’accroche 190 sur laquelle repose la couche de fonctionnalisation 160. La couche d’accroche est notamment configurée pour favoriser l’adhésion de la couche de fonctionnalisation sur la membrane et/ou la piste chauffante.
Cette couche d’accroche 190 permet par ailleurs d’imposer un potentiel à la couche de fonctionnalisation 160.
À titre d’exemple et tel que décrit dans le document [4] cité à la fin de la description, la couche d’accroche 190 peut comprendre une couche de chrome de 2 nm d’épaisseur et recouverte par une couche d’or de 53 nm d’épaisseur.
Le troisième agencement, illustré à la figure 7, met en œuvre une couche de fonctionnalisation 160 en recouvrement de l’une ou plusieurs pistes chauffantes 170.
En particulier, à l’instar de la couche d’accroche considérée dans le second agencement, la piste chauffante 170 est également un promoteur d’adhésion sélectif de la couche de fonctionnalisation 160.
En d’autres termes, la piste chauffante est adaptée pour que le dépôt de la couche de fonctionnalisation se fasse essentiellement sur ladite piste chauffante 170, et au détriment des autres zones exposées du capteur.
Ainsi, le dépôt de la couche de fonctionnalisation exclusivement sur la piste chauffante permet de simplifier le procédé de fabrication du capteur, et notamment d’éviter la mise en œuvre d’une étape de photolithographie destinée à imposer un motif à la couche de fonctionnalisation.
Cet effet est notamment obtenu lorsque la piste chauffante considérée comprend de l’or et lorsque l’extrémité d’accroche du composé formant la couche de fonctionnalisation comprend une fonction thiol.
La figure 8 est une représentation schématique d’un capteur de gaz selon un deuxième mode de réalisation, qui, lorsque cela est applicable, reprend pour l’essentiel les caractéristiques du premier mode de réalisation.
Selon ce deuxième mode de réalisation, l’une ou plusieurs pistes chauffantes 170 est/sont formée(s) à distance des portions principales 110a.
Notamment, l’une ou plusieurs pistes chauffantes dessinent un chemin entre les portions principales. En d’autres termes, les pistes chauffantes sont disposées sur les portions périphériques 110b.
Ce deuxième mode de réalisation est particulièrement avantageux dès lors qu’il est nécessaire de préserver l’intégrité thermomécanique de la portion principale 110a. Ainsi, et à titre d’exemple, la piste chauffante peut être à une distance de 4 µm de la portion principale 110a.
L’invention concerne également un dispositif pourvu d’une pluralité de capteurs selon la présente invention, dans lequel la sélectivité de la couche de fonctionnalisation est différente d’un capteur à l’autre.
La présente invention concerne également la détection d’une espèce gazeuse donnée avec le capteur ou le dispositif.
La mise en œuvre comprend notamment une série de mesures en imposant, à la couche de fonctionnalisation, une température différente d’une mesure à l’autre.
Un procédé de fabrication du capteur de gaz selon la présente invention met en œuvre des étapes de micro fabrication connues de l’homme du métier.
À cet égard, les figures 11a à 11o illustrent des étapes d’un exemple de procédé de fabrication du capteur 100.
Le procédé comprend notamment une étape a) de formation de motifs 1010 à partir d’une face principale d’un substrat 1000, et notamment un substrat de silicium. Les motifs 1010 sont notamment destinés à définir les contours des cavités (figure 11a).
L’étape a) met en œuvre une étape de photolithographie et une étape de gravure.
L’étape a) est suivie d’une étape b) de remplissage, par du dioxyde de silicium, des vides définis par les motifs 1010 (figure 11b). Ce remplissage peut être exécuté par PECVD (« Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition »). Le dioxyde de silicium ainsi déposé est destiné à former la couche intermédiaire 150b.
Une étape c), illustrée à la figure 11c, de définition des cavités 130 est alors exécutée. Cette étape c) comprend notamment une gravure, au moins partielle des motifs 1010 en affleurement avec la surface exposée de la couche 150b.
Une couche de passivation 1020, par exemple un empilement comprenant une couche de nitrure de silicium de 300 nm d’épaisseur et une couche de dioxyde de silicium de 30 nm d’épaisseur, est formée, lors d’une étape d) (figure 11d), sur la face du substrat 1000 exposant les cavités 130. Cette couche de passivation est déposée de manière conforme de sorte que les motifs définis par les cavités sont préservés.
Le procédé comprend également une étape e) d’assemblage de la couche de passivation avec un substrat SOI 2000 (figure 11e). Cette étape d’assemblage peut en particulier comprendre un collage par adhésion moléculaire.
Le substrat SOI 2000 est ensuite aminci lors d’une étape f) (figure 11f) pour ne conserver que sa couche de silicium 2010. Cette couche de silicium 2010 est destinée à former la couche membrane 120.
Une étape g) (illustrée à la figure 11g) est ensuite exécutée. Cette dernière comprend le dépôt d’une couche de passivation 2020 (par exemple une couche de nitrure de silicium de 50 nm d’épaisseur formée par PVD) sur la face exposée de la couche de silicium 2010.
Cette étape g) est suivie d’une étape h) (illustrée à la figure 11h) de formation d’une couche 2030 de 5 nm à 100 nm d’épaisseur d’or, et d’une couche 2040 de 10 nm à 100 nm d’épaisseur de nitrure de titane, en recouvrement de la couche de passivation 2020.
Ces couches 2030 et 2040 sont destinées à former la piste chauffante 170 après exécution d’une étape i) (illustrée à la figure 11i), de gravure. Une couche 2050 de dioxyde de silicium est également déposée pour protéger la piste chauffante.
Une étape j) (figure 11j) de gravure est ensuite exécutée pour définir la ou les membranes 110.
Des ouvertures 1030a, 1030b et 1030c, respectivement, au niveau du substrat 1000, de la membrane 110 et de la couche 2040 sont formées lors d’une étape k) (illustrée à la figure 11k). Ces ouvertures sont notamment formées lors d’étapes de gravure successives, respectivement, de la couche 1020, des couches 2020 et 2050, ou uniquement de la couche 2050.
Des reprises de contact 1040 sont formées au niveau des ouvertures 1030a, 1030b, et 1030c lors d’une étape l) (figure 11l).
Les reprises de contact 1040 sont ensuite passivées avec une couche de nitrure de silicium 1050 (étape m), figure 11m).
Une étape n) d’exposition des pistes chauffantes est ensuite exécutée (figure 11n). Cette étape comprend notamment un retrait de la couche 2050 et de nitrure de titane à l’aplomb desdites pistes.
Enfin, le procédé de fabrication comprend une dernière étape o) de formation de la couche de fonctionnalisation 160 sur les pistes chauffantes 170 (figure 11o). Cette étape comprend en particulier la formation d’une couche comprenant une fonction thiol qui n’adhère que sur les pistes chauffantes.
[1] Hyunjoo J. Lee et al., «CMUT as a Chemical Sensor for DMMP Detection», IEEE, 2008, pages 434-439
[2] S. Fanget et al., «Gas sensors based on gravimetric detection-A review», Sensors and Actuators B, 160, 804-821, 2011
[3] M. Kumar et al., «A Low-Power Integration Circuit for Interfacing a Capacitive Micromachined transducer (CMUT) Based Resonant Gas Sensor», IEEE, 2015
[4] Sophie Brenet et al., «DEVELOPMENT OF A NOVEL MULTIPLEXED OPTOELECTRONIC NOSE FOR ANALYSIS OF VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS», IEEE, 2017
[5] Chunguang Jin et al., «Limits of Recognition for Binary and Ternary Vapor Mixtures Determined with Multitransducer Arrays», Anal. Chem. 2008, 80, 7283–7293.
Claims (20)
- Capteur de gaz (100) par mesure gravimétrique qui comprend :
- une ou plusieurs membranes (110) comprenant une portion principale (110a) suspendue ;
- une ou plusieurs couches de fonctionnalisation (160) formée(s) sur la portion principale (110a) et configurée(s) pour adsorber sélectivement une espèce gazeuse donnée, et désorber cette dernière en fonction d’un niveau de chauffage imposé à l’une ou plusieurs membranes (110) ;
- une ou plusieurs pistes chauffantes (170) agencées sur l’une ou plusieurs membranes (110) pour imposer un chauffage à l’une ou plusieurs couches de fonctionnalisation (160). - Capteur selon la revendication 1, dans lequel l’une ou plusieurs membranes (110) sont formées par une couche membrane (120) en recouvrement d’une ou plusieurs cavités (130) formées à partir d’une face principale d’un support (150), chaque membrane (110) est en recouvrement d’une cavité (130) et comprend une portion périphérique (110b) à la portion principale (110a), et au niveau de laquelle ladite membrane (110) est maintenue au support (150).
- Capteur selon la revendication 2, dans lequel le support (150) comprend un empilement fait d’une couche support (150a) et d’une couche intermédiaire (150b) faite d’un matériau diélectrique et au travers de laquelle est/sont formée(s) l’une ou plusieurs cavités (130).
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’une ou plusieurs pistes chauffantes comprennent des sections, dites sections principales (170a), formées sur la ou les portions principales (110a).
- Capteur selon la revendication 4, dans lequel les sections principales (170a) comprennent plusieurs brins (170a1, 170a2, 170a3) connectés entre eux selon leurs extrémités, et distribués sur la portion principale (110a) de manière à homogénéiser le chauffage susceptible d’être imposé à la membrane (110) sur laquelle ils reposent.
- Capteur selon la revendication 4 ou 5, dans lequel l’une ou plusieurs pistes chauffantes comprennent des ramifications (170b), notamment formées sur la ou les portions périphériques, et agencées pour homogénéiser le chauffage susceptible d’être imposé à l’une ou plusieurs membranes (110).
- Capteur selon l’une des revendications 4 à 6, dans lequel l’une ou plusieurs pistes chauffantes est/sont intercalées entre l’une ou plusieurs couches de fonctionnalisation et la portion principale (110a), avantageusement l’une ou plusieurs couches de fonctionnalisation est/sont exclusivement en recouvrement de l’une ou plusieurs pistes chauffantes.
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’une ou plusieurs pistes chauffantes est/sont formée(s) à distance de l’une ou plusieurs portions principales.
- Capteur selon la revendication 8, dans lequel l’une ou plusieurs pistes chauffantes dessinent un chemin entre les portions principales.
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel l’une ou plusieurs pistes chauffantes sont formées par une unique piste d’un matériau conducteur.
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel l’une ou plusieurs pistes chauffantes reposent sur une couche de matériau isolant.
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel l’une ou plusieurs couches de fonctionnalisation repose sur une couche d’accroche configurée pour favoriser l’adhésion de ladite couche de fonctionnalisation.
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 12 et en combinaison avec la revendication 2, dans lequel une tranchée traversante est formée dans la couche membrane (120), ladite tranchée dessinant un motif qui circonscrit l’une ou plusieurs membranes (110).
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 13, dans lequel l’une ou plusieurs membrane (110) comprend du silicium, et présente une épaisseur comprise entre 100 nm et 10 µm.
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 14, dans lequel l’une ou plusieurs pistes chauffantes comprend de l’or.
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 15, dans lequel la couche de fonctionnalisation comprend au moins des éléments choisi parmi : ethyl cellulose (EC), poly(cyanopropylmethylsiloxane), poly(dimethylsiloxane), poly(epichlorohydrin), etpoly(etherurethane).
- Capteur selon l’une des revendications 1 à 16, dans lequel la portion principale (110a) comprend une partie centrale (110ac), et un faisceau de bras de maintien (110am) qui s’étendent, avantageusement radialement, à partir de la périphérie de la partie centrale (110ac), et qui lient ladite partie centrale (110ac) à la portion périphérique (110b) de la membrane considérée.
- Dispositif pourvu d’une pluralité de capteurs selon l’une des revendications 1 à 17, dans lequel la sélectivité de la couche de fonctionnalisation est différente d’un capteur à l’autre.
- Utilisation du capteur selon l’une des revendications 1 à 17, ou du dispositif selon la revendication 18 pour la détection d’une espèce donnée.
- Utilisation du dispositif selon la revendication 18, dans laquelle une série de mesures est exécutée en imposant, à la couche de fonctionnalisation, une température différente d’une mesure à l’autre.
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