Optical design and developent of building blocks for a new generation of vertically integrated on-chip confocal microscopes

par Maciej Baranski (Baransky)

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Christophe Gorecki et de Nicolas Passilly.

Soutenue le 12-12-2013

à Besançon , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Design optique et réalisation de briques de base pour une nouvelle génération de microscopes confocaux sur-puce intégrés verticalement


  • Résumé

    Les travaux de thèse concernent le design optique et le développement d’un microscope confocal miniature MEMS intégré verticalement. Différentes architectures optiques ont été proposées afin de combiner un design optique optimal aux nombreuses contraintes technologiques liées à la fabrication collective des différents blocs élémentaires du microscope sur puce. Ceux-ci, réalisés avec des technologies hybrides, sont encapsulés par assemblage vertical de wafers utilisant les technologies de soudure ≪multi-wafer≫, et permettent la construction d’un microsystème complet d’instrumentation. Un accent particulier a été émis sur la minimisation des aberrations optiques générées par les différents composants micro optiques pour permettre une résolution de mesure élevée. Pour satisfaire ces besoins, différentes briques élémentaires ont été développées : un cube semi-transparent micro-fabriqué, différentes microlentilles réfractives basées sur le micro moulage silicium et un micro-objectif réflecteur. Un montage expérimental de caractérisation dédié à l’ évaluation de la qualité de ces micro composants a également été proposé. De plus, les différents procédés de micro-usinage silicium (gravure humide anisotrope et isotrope, gravure sèche isotrope du silicium) pour la génération de micro-miroirs et de microlentilles ont été comparés. Enfin, les procédures d’assemblage vertical, incluant toutes les technologies d’interconnexion électrique ont été développées. Le travail de thèse a été réalisée dans le cadre du projet DWST-DIS ( The Development of Multi Wafer Stacking 3D Technology for Displays and Imaging MicroSystems), programme financé par le programme Inter Carnot Fraunhofer (PICF) - un projet ANR entre FEMTO-STet l’institut Fraunhofer ENAS.


  • Résumé

    The thesis manuscript concerns optical design and development of a vertically integrated MEMSbasedconfocal microscope. Different optical architectures have been proposed that aim to combineoptimal optical design and the numerous technological constraints linked to the batch fabricationof the different building blocks. The latter, made by hybrid technologies, and packaged byvertical assembly using multi- wafer bonding, allow the construction of a complete microsystem forinstrumentation. Special emphasis is placed on the minimization of optical aberrations generatedby the different microoptical components to ensure good resolution of measurement. For thesepurposes, different building blocks have been developed, namely a batch-fabricated cube-typedbeamsplitter, different silicon moulded refractive microlenses and a miniature reflective objective.Dedicated characterization system for quality assessment of the fabricated micro-components wasalso developed. Moreover, different processes of silicon-based micromachining for generation ofmicromirrors and microlenses (wet anisotropic and isotropic etch, dry isotropic etch of silicon) havebeen compared. Finally, procedures of vertical assembly including all electrical interconnectiontechnologies have been developed. The thesis work was performed in the frame of the DWST-DIS(The Development of Multi Wafer Stacking 3D Technology for Displays and Imaging MicroSystems)project funded by the Programme Inter Carnot Fraunhofer (PICF) – an ANR project between FEMTO-STand ENAS - Fraunhofer Institute.


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  • Détails : 1 Vol.(231p.)
  • Annexes : Bibliogr. 235 ref

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : SCI.BESA.2013.39
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