Conception et Réalisation de Micro-capteurs de Force à base de Jauges Piézorésistives pour la Caractérisation Mécanique d'Assemblages Cellulaires en Milieu Liquide - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2006

Design and Fabrication of Force Microsensors based on Piezoresistive Strain Gauges for Biocell Assembly Mechanical Characterization in Liquid Environment

Conception et Réalisation de Micro-capteurs de Force à base de Jauges Piézorésistives pour la Caractérisation Mécanique d'Assemblages Cellulaires en Milieu Liquide

Résumé

The use of microtechnologies enables the fabrication of various kinds of sensors that can be used to perform both the electrical and mechanical characterization of living cells.

In this context, the goal of the present work is to develop a mechanical force/electrical voltage
transducer whose sensitive axis is in-plane with respect to the cell support wafer.

The designed structures are based on the piezo-resistive effect present in silicon used to make strain gauges. The architecture was especially developed to obtain sensitivities of around 10 N-1 on this axis.

The modeling and the optimization of the performances led to the fabrication of compact strain gauges composed of two levels of boron doped polysilicon, and encapsulated in three layers of low-stress silicon nitride. The whole structure is implemented on a silicon-on-insulator (SOI) layer ; a new fabrication process was developed to form these gauges. Moreover, the influence of a misalignment of the gauge over the cantilever was studied and verified during the characterisation.

Strain gauge sensitivities of the order of 30x10-6 ?N-1 were obtained with a 170 ?m long and 6.5 ?m wide gauge. The applications for this kind of strain gauge are numerous given the high quality performances obtained here, the performances are comparable to commercial AFM cantilevers.
Les microtechnologies permettent aujourd'hui de réaliser différents types de capteurs dont un domaine d'application émergeant est la caractérisation électrique et mécanique des cellules biologiques pour la détection précoce de pathologies.

Dans ce contexte, le but du travail présenté est de proposer un capteur de force dont l'axe sensible se trouve dans le plan, et dont l'information de sortie soit une grandeur électrique. Les structures conçues mettent ainsi à profit l'effet piezo-résistif au sein de jauges en silicium, dont l'architecture a été spécialement mise au point pour obtenir des sensibilités de l'ordre de 10 N-1 sur cet axe.

La modélisation et l'optimisation des performances ont conduit à la fabrication de jauges d'architecture compacte et originale réalisées sur deux niveaux de polysilicium implanté de bore, et encapsulé dans trois couches de nitrure peu contraint, le tout implémenté sur une couche de SOI. Le procédé de fabrication a été spécialement mis au point. Par ailleurs, l'influence de l'erreur d'alignement entre la jauge et la poutre d'épreuve a été étudiée et vérifiée lors des tests.

Les sensibilités obtenues avec des jauges de 170 ?m de long et 6,5 ?m de large sont de l'ordre de 30.10-6 ?N-1. Les applications mettant en œuvre ce type de dispositif sont nombreuses et les performances, comparables aux leviers AFM, font de cette configuration de jauge une structure à fort potentiel pour être utilisée pour d'autres applications.
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Dates et versions

tel-00131024 , version 1 (14-02-2007)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00131024 , version 1

Citer

Jean-Baptiste Bureau. Conception et Réalisation de Micro-capteurs de Force à base de Jauges Piézorésistives pour la Caractérisation Mécanique d'Assemblages Cellulaires en Milieu Liquide. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université des Sciences et Technologie de Lille - Lille I, 2006. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00131024⟩
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