Nouvelles technologies de capteurs MEMS en diamant pour des applications de transduction

par Alexandre Bongrain

Thèse de doctorat en Electronique, Optronique et Systèmes

Sous la direction de Gaëlle Lissorgues.

Le président du jury était Danick Briand.

Le jury était composé de Gaëlle Lissorgues, Jose Antonio Garrido, Emmanuel Scorsone.

Les rapporteurs étaient Hubert Perrot, Isabelle Dufour.


  • Résumé

    Les propriétés physiques et chimiques exceptionnelles du matériau diamant ont suscité l'intérêt des chercheurs pour le développement d'applications industrielles, comme par exemple dans les domaines de la dissipation thermique ou de l'électronique de puissance. En particulier, les propriétés mécaniques remarquables de ce matériau peuvent être exploitées avantageusement pour la conception de résonateurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Même si certains dispositifs MEMS à base de diamant avaient été décrits dans la littérature, les propriétés mécaniques de ce matériau n'avaient jamais été associées à ses propriétés chimiques pour la réalisation de transducteurs chimiques ou biochimiques à base de résonateurs MEMS. Ainsi, l'objectif cette thèse a été de démontrer l'intérêt de ce matériau innovant pour la fabrication de ces capteurs. Les MEMS offrent la possibilité de faire de la détection en temps réel de manière directe (sans marqueur), rapide et sensible, sur de faibles quantités d'analytes. De plus ils permettent d'adresser des cibles non électro-actives qui ne peuvent pas être détectées par des capteurs électrochimiques. Dans cette étude, nous avons développé dans un premier temps des procédés de micro-structuration spécifiques du diamant. Ces procédés entièrement compatibles avec des techniques de salle blanche ont permis d'aboutir à la réalisation de nombreux transducteurs à base de micro-leviers en diamant sur des substrats en silicium de 4 pouces. De plus les approches développées permettent d'éviter la gravure fastidieuse du matériau diamant. Leur caractérisation mécanique en régime dynamique a permis de caractériser le module d'Young E du matériau diamant synthétisé en fonction des conditions de croissance. Dans le meilleur cas une valeur de E très élevée de l'ordre de 1100 GPa a été obtenue, ce qui est très proche de la valeur du diamant monocristallin (1200GPa). Par ailleurs, nous avons pu vérifier que les propriétés de résonance (fréquence de résonance et facteur de qualité) des structures en diamant réalisées étaient supérieures à celles de structures identiques en silicium. En particulier, cela rend ces résonateurs plus aptes à être exploités en milieux liquides. Nous avons montré que dans de tels milieux les micro-leviers en diamant étaient très peu sensibles à une variation massique. En revanche leur sensibilité à une variation de masse volumique du liquide est de l'ordre de 3Hz.kg-1.m3 et donc significative. Par ailleurs, en fonctionnalisant des micro-leviers en diamant par de l'acide caproïque, nous avons mis en évidence que des variations de densité de charges à la surface des micro-leviers pouvaient induire des variations de fréquence de résonance de plusieurs dizaines de Hz dans le cas de structures vibrant à quelques kHz. Ceci a permis de mettre en évidence la grande sensibilité de nos transducteurs en diamant à des interactions moléculaires. Dans ce contexte nous avons pu réaliser un capteur d'ADN permettant la reconnaissance spécifique en temps réel de brins d'ADN cibles de 24 paires de bases sans marqueur. En parallèle de ces travaux, des structures d'actionnement et de lecture ont été intégrées et évalué sur des dispositifs résonants à base de diamant. Ceci a permis de les interfacer à un premier prototype de système d'acquisition électronique portable dédié réalisé au cours de cette thèse

  • Titre traduit

    New technologies of diamond MEMS sensors for transducers applications


  • Résumé

    Diamond material is very promising for future technological applications due to its outstanding physical and chemical properties. In particular, its remarkable mechanical features may be used advantageously for MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) devices development. However, even though several diamond-based MEMS devices have been reported in the literature, the mechanical properties of this material have never been combined to its chemical properties for developing resonating MEMS-based biochemical transducers. Thus, the purpose of this study was to demonstrate the interest of such diamond transducers for chemical or biochemical sensing applications. MEMS devices are indeed attractive because they allow fast, label free and sensitive detection in real time on small volumes due to their miniaturized size. Moreover they offer the possibility to address non electroactive target species which are undetectable using classical electrochemical methods. In this study, we developed specific clean room compatible processes for diamond micro-structuring. The bottom-up approaches undertaken here were based on diamond patterns growth. Hence they avoid time consuming diamond etching steps. These processes allowed fabricating several diamond micro-cantilever transducers over 4-inches substrates. The mechanical characterization of the cantilevers in oscillating regime was performed in order to extract the material Young's modulus E when the structures were made of different polycrystalline diamond qualities. In the best case, a value of E as high as 1100 GPa and very close to the Young's modulus of monocrystalline diamond (1200 GPa) was achieved. In parallel, we verified that both cantilevers resonance frequency and Q-factor were significantly higher than those of identical silicon structures (on average twice higher). This makes diamond mechanical structures more suitable for use in liquid media. In such damping media a very poor sensitivity to mass changes was determined. Nevertheless, their sensitivity to liquid density changes was found to be significant (-3Hz.kg-1.m3). More importantly, by functionalizing diamond micro-cantilevers with caproic acid, an evidence of these transducers high sensitivity to surface molecular interactions was shown. Especially, when charge density variations occurs several tens Hz changes were measured on kHz-range oscillating cantilevers. In this context, a label free DNA sensor was achieved and allowed the specific detection of 24-mer target DNA in real time. In parallel to this work, actuation and boron doped diamond-based readout gauges were integrated to the resonant cantilevers and characterized. They allowed interfacing the cantilevers to a dedicated acquisition electronic prototype developed in the course of this study


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