Application des microtechnologies à la réalisation d'un spectromètre de masse miniature

Fabrication of miniature mass spectrometer with silicon microtechnologies

• Auteur / Autrice : Nicolas Sillon
• Direction : Alain Chovet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique
• Date : Soutenance en 2001
• Etablissement(s) : Grenoble INPG en cotutelle avec Université Joseph Fourier (Grenoble ; 1971-2015)

Résumé

La spectrométrie de masse est aujourd'hui utilisée dans de nombreux domaines, dont l'analyse des gaz résiduels, la détection de fuite et les analyses de pollution. La miniaturisation des instruments permettrait, en plus de réduire le poids et l'encombrement des systèmes, d'augmenter leur pression de travail et ainsi d'élargir leur champ d'action. Cependant, avec des techniques d'usinage classiques, et à cause de la précision nécessaire des alignements, la fabrication de dispositifs miniatures engendre une hausse considérable des coûts. L'utilisation des microtechnologies sur silicium, grâce auxquelles ont peut fabriquer à moindre coût des objets de très petite taille, a donc été envisagée. Ce travail avait pour but l'évaluation d'un premier prototype de spectromètre de masse sur silicum. Après une analyse détaillée des systèmes existants dans la littérature, deux architectures ont été définies et testées grâce à des logiciels de simulation. La première concerne un filtre de masse de type quadrupolaire, dont la forme des barreaux a été modifiées de manière à faciliter sa fabrication par microtechnologies. La deuxième architecture est celle d'un filtre de Wien (filtre à champ éléctrique et magnétique croisés). Pour ces deux structures, un procédé de fabricatrion a été mis au point, avec pour objectif de réaliser sur une seule et même puce la cage d'ionisation, le filtre et la détection. Grâce à ce procédè, une quarantaine d'instruments peuvent être réalisés simultanément à partir de deux substrats de silicum (100 mm de diamètre). Des premiers résultats ont été obtenus grâce aux prototypes fabriqués durant ce travail. Des tests de la cage d'ionisation et de la détection ont prouvé qu'il était possible de créer un faisceau d'ions sur une puce, d'influencer sa trajectoire et de le détecter sur cette même puce. De plus, le principe du filtre de Wien micro-usiné a été en partie validé avec des ions de masses faible (Hélium et Azote). Le filtre quadrupolaire n'a pu être complètement caractérisé, mais les modifications à apporter au système ont été tirées des problèmes rencontrés, et sont présentées.