Integrated acoustic transducers and their applications

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.

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 4.1 : 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 4.2 : Banc de caractérisation acoustique haute fréquence.

Etude du mouillage/ séchage 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 ou pour la lithographie de surfaces texturées 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 4.3 : Schéma de principe de la méthode de caractérisation du mouillage par –méthode acoustique haute fréquence

Figure 4.4 : Détermination expérimentale des transitions de mouillage sur structures DTI (Deep Trench Isolation – Structure STMicroelectronics)

Articles principaux

[1] Li et al, Langmuir, 30, 25 (2014) 7601-7608
[2] Virgilio et al , ICU (2016)
[3 ]A Salhab, et al, Proc. of SPIE (2022) Vol 12002, 120020J-1
[4] A Salhab, et al, Solid State Phenomena (2021) 314, 143-149

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

Figure 4.6: Exemple de réalisation de laboratoire sur puce (a) Images au microscope électronique à balayage des miroirs (b).

Figure 4.7 : Détection de particules micrométriques en canal microfluidique : (a) évolution de l’amplitude du signal acoustique transmis ; (b) mesure de l’atténuation acoustique dans les solutions c ) Création de Vortex par ondes acoustiques focalisées en canal microfluidique

Articles principaux

[1] Gao et al, Sens. Actuator B-Chem., 177 (2013) 753-760      
[2] Wang et al, Ultrasonics, 51, 5 (2011) 532-538
[3] Li et al, APL, 2017

Analyse des phénomènes d’évaporation en gouttes de mélanges binaires

La compréhension des phénomènes d’évaporation en gouttes de mélanges binaires, comme eau-alcool par exemple, 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 4.8 : 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.

Articles principaux

[1] J. Carlier et al, ICU (2015)
[2] P. Chen et al, Langmuir (2016) (LAMIH – IEMN)
[3] I Zaaroura, et al, Journal of Molecular Liquids, (2021) 341, 117385
[4] H Reda et al, Composite Interfaces (2019) 26 (4), 325-337
[5] I Zaaroura et al, International Journal of Heat and Mass Transfer 127, 1168-1177

Collaborations

  • STMicroelectronics,
  • LAMIH (UMR CNRS 8201 – UPHF),
  • IEMN (groupe BioMEMS)

Responsable : Julien CARLIER (@email)