Des microcapteurs en quartz intégrés sur silicium

Résultat scientifique Micro et nanotechnologies

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 pour créer des capteurs intégrés de force et de masse 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 développement des applications des matériaux 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.

Une équipe de l'Institut d'électronique et des systèmes (IES, CNRS/Univ. Montpellier), en collaboration avec l’Institut de Recherche en infectiologie de Montpellier (IRIM, CNRS/Univ. Montpellier) et l’Institut de Ciencia de Materials de Barcelona (ICMAB), a mis au point un nouveau procédé, compatible avec les technologies du silicium, pour fabriquer un système électromécanique (Mems) à base de quartz piézoélectrique. Le capteur obtenu est constitué d'une mince couche de quartz piézoélectrique épitaxiée1 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 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 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. Ainsi, un nouveau projet, Virusensor, a pour but d'étudier la capture et la détection de virus 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, mais aussi dans la récupération d'énergie.

Le dispositif piézoélectrique est réalisé par dépôt chimique de silice en solution sur le substrat en silicium, nanotexturation de la surface par nanoimpression douce, puis cristallisation du quartz par chauffage à 1000°C. © IES/projet Sensisoft
Le dispositif piézoélectrique est réalisé par dépôt chimique de silice en solution sur le substrat en silicium, nanotexturation de la surface par nanoimpression douce, puis cristallisation du quartz par chauffage à 1000°C. © IES/projet Sensisoft

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

  • 1. l'épitaxie est la croissance d'une couche mince d'un matériau (ici: le quartz) orientée par la structure cristalline du substrat sur lequel on la fait croître (ici: le silicium)

Contact

Adrien Carretero-Genevrier
Chargé de recherche CNRS à l’Institut d’électronique et des systèmes (IES, CNRS/Univ. Montpellier)
Communication INSIS