Conception de circuit intégré pour les applications gravimétriques basées sur l’utilisation de résonateurs mécaniques arrangés en réseau

par Guillaume Gourlat

Thèse de doctorat en Nano electronique et nano technologies

Sous la direction de Gilles Sicard.

Le président du jury était Skandar Basrour.

Le jury était composé de Patrick Villard, Rose-Marie Sauvage, Sébastien Hentz.

Les rapporteurs étaient Pascal Nouet, Ian O'Connor.


  • Résumé

    L’extrême sensibilité des résonateurs mécaniques (NEMS) aux variations physiques à l’échelle atomique a permis le développement d’un nouveau concept de spectrométrie de masse à base de NEMS capable de mesurer la taille d’une particule unique. L’utilisation de large réseau de capteurs doit permettre à terme de palier la faible surface de capture des résonateurs tout en ouvrant de nouvelles perspectives pour les applications qui nécessitent des informa- tions sur la répartions spatiale des particules au sein du faisceau de mesure. Pour réaliser un spectromètre de masse à base de NEMS viable pour des applications de mesures réelles, il est impératif de développer une technologie de co-intégration NEMS CMOS permettant de fortement densifier le niveau d’interconnexion entre le capteur et l’électronique de lecture. Dans ce travail, nous présentons les premiers résultats mettant en oeuvre une telle techno- logie au travers de mesures de laboratoire et de la conception de circuit intégré co-intégré avec les résonateurs mécaniques. L’électronique de lecture capable de suivre la fréquence de nombreux NEMS simultanément est encore un facteur limitant la forte intégration nécessaire à la lecture de grand réseau de NEMS (>1000), les travaux de cette thèse mettent l’accent sur les problématiques liées à la lecture d’un grand nombre de résonateurs en termes de surface de silicium, de consommation et de performances. Nous présentons dans ce manuscrit une nouvelle architecture d’oscillateur hétérodyne bimode qui doit permettre de répondre à la fois au besoin de compacité tout en assurant le suivi simultané des différents modes de résonances des capteurs. Les travaux présentent également l’effort de modélisation et de co-simulation électro mécanique mis en oeuvre pour la conception des trois circuits. Enfin, nous présentons les résultats de mesure physique obtenue avec l’un des circuits revenus de fabrication et testé au sein du banc de spectrométrie de masse mise en place par les équipes du CEA/LETI.

  • Titre traduit

    Integrated circuit design towards gravimetric sensing applications based on large nanomechanical resonator arrays


  • Résumé

    The extreme sensitivity of nano electro mechanical system (NEMS) to atomic scale physical variations has led to the breakthrough development of NEMS- based mass spectrometry sys- tems capable of measuring a single molecule. Parallel sensing using thousands of devices will help to circumvent the small effective sensing area while opening new perspectives for applica- tions which require spatial mapping. While the development of NEMS CMOS co-integration technology is of paramount importance to achieve high density sensor arrays (>1000 devices), the readout circuitry capable of tracking NEMS resonator frequency shifts is still the limiting factor for the very large scale integration of individually addressed sensors. Moreover, in order to resolve the mass and position of an adsorbed analyte, single particle mass sensing appli- cations require to track simultaneously and in real time at least two modes of the resonators. This requirement adds complexity to the design of the overall system. To respond to the size, power consumption and resolution constraints linked to NEMS array measurement, this work focuses on the development of a new readout architecture based upon a dual mode heterodyne oscillator. This work also emphasis the effort made on the modelization and co-simulation of the NEMS devices with their readout electronics. Then, the manuscript describe the first results of the CEA/LETI CMOS co-integraton process developed to tackle the sensor density challenge of mass spectrometry application. Finally, present the two integrated circuit that were designed during this thesis. The first one was a proof of concept for the aforementioned oscillator architecture while the second one combine the architecture with the co-integration processus developed.


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