Transductores acústicos integrados y sus aplicaciones

El desarrollo de dispositivos acústicos basados en silicio es de interés tanto en el desarrollo de microsistemas microfluídicos para la detección y caracterización de células biológicas como en la detección de compuestos químicos volátiles en gases. Mientras que muchas implementaciones se basan en el desarrollo de dispositivos de ondas superficiales o resonadores de tipo balanza de cuarzo, nosotros hemos desarrollado dispositivos integrados de ondas acústicas a granel de alta frecuencia y dispositivos integrados de resonancia de modo de contorno.

Se ha desarrollado una tecnología común basada en el silicio en torno a los materiales piezoeléctricos ZnO y LiNbO3. Esta tecnología también permite utilizar transductores que generan ondas de corte, incluso en el dominio de la alta frecuencia.

Caracterización acústica integrada de alta frecuencia de interfaces y fluidos

Las ondas ultrasónicas de alta frecuencia, que van desde unos cientos de MHz hasta varios GHz, permiten caracterizar objetos o interfaces a escala micrométrica o incluso nanométrica. Nuestras competencias en el ámbito de las micro/nanotecnologías, así como en el de la acústica de alta frecuencia, desarrolladas gracias a la experiencia del laboratorio en este campo, nos han permitido desarrollar temas de estudio originales que permiten el desarrollo de microsistemas que permiten estas caracterizaciones.

Los métodos que hemos desarrollado se basan en la utilización de transductores ultrasónicos fabricados esencialmente a partir de películas finas piezoeléctricas e integrados en microsistemas basados en el silicio, así como en la optimización de espejos acústicos integrados que permiten guiar las ondas ultrasónicas.

; Estos desarrollos tecnológicos han permitido proponer métodos integrados de caracterización acústica de alta frecuencia (500 MHz - 5GHz) liberándose de los problemas de acoplamiento.

Figura 4.1: Transductor ultrasónico:  a) Imagen de microscopía óptica de un conjunto de transductores de ZnO de 100μm de diámetro  b) Esquema de la multicapa

Se ha desarrollado un banco de medición para realizar estas caracterizaciones de subvueltas en conexión con un analizador de redes vectoriales desde el que es posible volver al dominio del tiempo para seguir los ecos acústicos por Transformada Inversa de Fourier. El banco integra un sistema de control microfluídico, así como varias cámaras para seguir ópticamente las manipulaciones en el sustrato.

Figura 4.2: Banco de caracterización acústica de alta frecuencia.

Estudio de la humectación/secado de interfaces micro/nanoestructuradas

Estábamos especialmente interesados en el estudio de la humectación de interfaces micro/nanoestructuradas, que tiene una aplicación especialmente interesante para el desarrollo de procesos de fabricación en húmedo o para la litografía de superficies texturizadas en el sector de la microelectrónica en el marco del laboratorio conjunto IEMN / ST Microelectronics. Este método de alta frecuencia, que es extremadamente sensible a la presencia de aire, también ha permitido detectar defectos en interfaces sólido/resina de grosor nanométrico, que pueden ser detectados muy pronto.

Figura 4.3: Diagrama esquemático del método de caracterización de la humectación por -método acústico de alta frecuencia

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Figura 4.4: Determinación experimental de las transiciones de humectación en DTI (Deep Trench Isolation - estructura de STMicroelectronics)

Artículos principales

[1] Li et al, Langmuir, 30, 25 (2014) 7601-7608
[2 ]Virgilio et al , UCI (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

Caracterización de líquidos en canales microfluídicos

También nos hemos interesado por la caracterización de líquidos en canales microfluídicos implantados en lab-on-a-chip. Estos microsistemas se han utilizado sobre todo para realizar la detección de partículas o el control de la concentración. También hemos - realizado funciones de actuación en el canal microfluídico mediante el aumento de la potencia de las ondas ultrasónicas.

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Figura 4.5: Guiar la onda acústica en dirección paralela a la superficie del sustrato para un estudio de transmisión

Figura 4.6: Ejemplo de implementación de lab-on-a-chip (a) Imágenes de microscopio electrónico de barrido de espejos (b).

Figura 4.7: Detección de partículas micrométricas en el canal microfluídico: (a) evolución de la amplitud de la señal acústica transmitida; (b) medición de la atenuación acústica en soluciones c ) Creación de Vórtices por ondas acústicas focalizadas en canal microfluídico

Artículos principales

[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

Análisis de los fenómenos de evaporación en gotas de mezclas binarias

La comprensión de los fenómenos de evaporación de gotas de mezclas binarias, como por ejemplo agua-alcohol, forma parte de las aplicaciones relacionadas con el transporte. En particular, se estudian las mezclas de agua y alcohol con un alto contenido en carbono, como el butanol, para su uso como fluidos de transferencia de calor en tuberías de calor. Hemos podido seguir la cinética de evaporación de gotas sésiles de mezclas de agua-etanol y agua-butanol y así trazar las concentraciones de alcoholes en las gotas durante el proceso.

Figura 4.8: cinética de concentración de masa durante la evaporación de mezclas binarias agua-alcohol: (a) agua-etanol (b) agua-5% 1-butanol

Una perspectiva de este estudio se refiere al estudio de los nanofluidos, con el fin de mejorar el rendimiento de las tuberías de calor en términos de conductividad del fluido. Por último, recientemente se ha explorado la capacidad de estos métodos para llevar a cabo la monitorización de la evaporación, realizar mediciones de temperatura o evaluar la estabilidad de los nanofluidos utilizados como fluidos de transferencia de calor en el contexto del problema de la gestión térmica, especialmente en el ámbito de los sistemas embebidos y el transporte.

El estudio de la estabilidad de los nanofluidos en el contexto del problema de la gestión térmica en el ámbito de los sistemas embebidos y el transporte se ha llevado a cabo en el contexto de la

Artículos principales

[1] J. Carlier et al, UCI (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

Colaboraciones

  • STMicroelectronics,
  • LAMIH (UMR CNRS 8201 - UPHF),
  • IEMN (grupo BioMEMS).

Responsable: Julien CARLIER (@email)