Brevet FR2916271A1 — publié le 20081121

Circuit électronique permettant la mesure de masse de matériau biologique et procédé de fabrication Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le domaine des circuits électroniques et plus spécifiquement un circuit électronique adapté à la mesure de matériau biologique et lo son procédé de fabrication. Etat de la technique Des circuits électroniques adaptés à la mesure de masse sont connus dans l'état de la technique. La figure 1 illustre un premier dispositif connu de micro balance décrit dans le 20 document High-Q Longitudinal Block Resonators with Annexed Platform for Mass sensins Application , by Zhili Hao and Farrokh Ayazi, GTRC N 3244, 2006. Ce dispositif est basé sur une structure de piézo-électrique suspendue sur deux ancrages 11 et 12 comportant également deux électrodes respectivement d'actionnement (ou drive) et de mesure (ou sense). L'électrode d'actionnement 25 reçoit une tension alternative faisant osciller la structure. La structure comporte également deux plateaux, respectivement 13 et 14 , susceptibles de servir de support pour une masse à mesure. La structure réalise l'équivalent d'un circuit de résonance de type Bulk Acoustic Wave ( BAW) fonctionnant dans un mode de largeur et non d'épaisseur. L'impact de microparticules sur les plateaux 13 et 14 30 provoque un déplacement de la fréquence de résonance de ce résonateur qui peut être mesure par le système électronique de mesure dans lequel il est intégré, et ce au moyen de la détection d'un courant sur l'électrode de mesure (sense). ST06-GRI -410 s 15 -2 2916271 La figure 2 illustre un second dispositif connu décrit dans le brevet US2004140296 en date du 5 Août 2004, intitulé Material Sensinq Sensor and module usinq thin film bulk accoustic resonator par Park Jae Yeong, Lee Heon Min, LG ELECTRONICS INC, basé lui également sur un système de résonateur de type BAW (Bulk Acoustic Wave) comportant une unité de référence associée à une unité de mesure recevant des microparticules à mesurer. A nouveau le déplacement de la fréquence de résonance est mesuré et permet de déterminer la masse des microparticules tombant dans l'unité de mesure. Tous ces dispositifs utilisent des matériaux métalliques en grande quantité et ne sont pas, en conséquence, adapté à la mesure de particules biologiques, pouvant réagir avec ces matériaux métalliques. D'une manière générale, avec l'essor des techniques scientifique dans le domaine de la biologie, il est devenu souhaitable de pouvoir disposer d'un circuit électronique simple à fabriquer et qui permette la mesure d'un poids de matériau biologique. Tel est l'objet de la présente invention. Exposé de l'invention La présente invention a pour but de proposer une structure de circuit électronique adapté à la mesure de poids d'un matériau biologique. Un autre but de la présente invention consiste à proposer un circuit électronique de micro balance simple à fabriquer et adapté à la réalisation de 30 circuits de mesure pour la biologie. L'invention réalise ces buts au moyen d'un micro circuit de mesure d'un poids comportant : ST06-GR1-410 -3- 2916271 - un substrat comportant une première zone constituant une première électrode ; - une poutre conductrice vibrante fixée à ses deux extrémités sur deux points d'appui sur ledit substrat, ladite poutre conductrice constituant une seconde électrode, caractérisé en ce que ladite poutre conductrice est réalisée au moyen 5 d'un gel polymère comportant des microparticules métalliques en quantité suffisamment faibles pour ne pas contaminer un milieu biologique à traiter mais suffisamment dense pour assurer la conductivité électrique de ladite seconde électrode. 10 Dans un mode de réalisation particulier, le substrat est du silicium et que ladite première électrode est une zone dopée sur le silicium. Alternativement, le substrat pourra être du quartz ou du verre comportant une première électrode constituée d'une couche conductrice réalisée au moyen d'un gel 15 conducteur. En intégrant le dipôle électrique constitué par les deux électrodes au sein d'un circuit oscillant, on pourra alors déterminer la fréquence de résonnance et, par suite, le poids du matériau, sous forme solide ou liquide, venant s'appuyer sur la poutre 20 vibrante. L'invention fournit également un procédé de fabrication d'un micro circuit de mesure d'un poids comportant les étapes suivantes : - préparation d'un substrat sur lequel on vient former une première électrode 25 - disposer une couche d'oxyde sacrificielle que l'on vient graver ; - création d'une électrode inférieure située sur le dit substrat ; - dépôt d'une gel polymère actif comportant des particulières métalliques en quantité suffisamment faibles pour ne pas contaminer un milieu biologique à traiter mais suffisamment dense pour assurer la conductivité électrique du gel et former ainsi une électrode supérieure; - gravure de ladite couche de gel de manière à réaliser une poutre fixée sur deux points d'ancrages positionnés sur le substrat; - suppression de ladite couche d'oxyde sacrificielle de manière à libérer ladite poutre suspendue et former un circuit résonnant; ST06-GRI-410 25 30 -4- 2916271 - dépôt de couches de conditionnement . Enfin, l'invention est particulièrement adaptée à la réalisation d'une balance de mesure d'un poids ou d'une densité d'un matériau biologique s'écoulant dans un 5 liquide. Description des dessins D'autres caractéristiques, but et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description et des dessins ci-après, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Sur les dessins annexés : 15 Les figures 1 et 2 illustrent deux circuits de mesure de poids connus. La figure 3 illustre un mode de réalisation de la micro balance selon l'invention. 20 La figure 4 est une vue en élévation du circuit de micro-balance selon l'invention Les figures 5a à 5d illustrent un premier mode de réalisation d'un transistor MOSFET selon la présente invention à partir d'un substrat standard. Les figures 6a à 6i illustrent le détail du premier mode de réalisation d'un circuit conforme à l'invention, réalisé à partir d'un substrat SOI (Silicon on insulator) ST06-GR 1-410 10 5 2916271 Description d'un mode de réalisation préféré La figure 3 est une vue en perspective la structure d'une micro balance 5 conforme à la présente invention, constituée d'un substrat 100 comportant une première électrode sur lequel est fixé une poutre suspendue 140 fixée à ses deux extrémités par deux ancrages 150 positionnés sur le substrat 100 et s'étendant suivant l'axe O-y. lo Dans la microbalance suivant la présente invention, la poutre suspendue est formée au moyen d'un polymère sous forme de gel comportant une concentration suffisante de micro-particules conductrices afin de constituer ainsi une seconde électrode située au dessus de la première électrode positionnée sur le substrat. 15 On réaliser ainsi un ensemble de deux électrodes, respectivement inférieure et supérieure, l'électrode supérieure est susceptible de constituer un résonateur présentant un facteur de qualité de grande valeur qui est, de surcroît, parfaitement biocompatible. 20 La valeur du facteur de qualité permet des mesures précises et, par suite, autorise la réalisation d'une microbalance performante adaptée à la mesure de matériaux biologiques. Dans un mode de réalisation particulier, on réaliser la poutre suspendue au 25 moyen d'un polymère électroactif, tel que, par exemple un polyimide déposé en couche mince. Alternativement, on réalise la poutre suspendue au moyen d'un résonateur dans laquelle on introduit également des particules conductrices pour assurer la 30 conduction de cette même poutre. ST06-GR1-410 25 -6 2916271 D'une manière générale, le circuit de micro-balance qui vient d'être décrit peut être réalisé de multiples façons au moyen des techniques standards utilisées en technologie CMOS et bien connues d'un homme du métier. 5 On décrit ci-après un premier mode de réalisation particulier d'un circuit de micro balance en relation avec les figures 5a à 5d, basé sur un substrat semiconducteur, par exemple de type silicium 100. Dans cette description, les techniques préliminaires du procédé qui sont bien connues d'un homme du métier ne seront pas reprises en détail. 10 Comme cela est illustré en figure 5a, le procédé commence par la préparation du substrat de silicium 100, que l'on vient doper pour créer une zone conductrice qui constituera une électrode inférieure 110 servant d'électrode d'actionnement. Puis, comme illustré dans la figure 5b, on vient déposer une couche sacrificielle d'oxyde sacrificielle 120, tel que de la silice (SiO2), que l'on vient graver pour lui donner la forme adéquate, par exemple celle d'un parallélépipède. 20 On vient ensuite déposer comme cela est illustré dans la figure 5c, un gel de polymère électroactif 140, tel que du polyimide par exemple. Le dépôt de ce gel peut être réalisé au moyen de techniques bien connues d'un homme du métier. On pourra par exemple effectuer le dépôt de cette couche 140 de polymère au moyen d'une technique d'étalement ou de spinning . Alternativement, on pourra déposer le polymère 140 au moyen d'une technique de pulvérisation (désignée par sputtering dans la terminologie anglo-saxonne). 30 On grave ensuite ce gel pour lui donner la forme définitive du résonateur, à savoir une poutre fixée à ses deux extrémités sur deux appuis disposés sur le substrat 100. ST06-GR1-410 15 15 -7 2916271 On vient ensuite supprimer la couche d'oxyde sacrificielle 120 au moyen de techniques connues (gravure humide ou à sec) et ainsi libérer le résonateur 140, constituant la partie fonctionnelle de la microbalance. s On achève ensuite la réalisation de la micro-balance en venant réaliser un conditionnement (ou packaging) du substrat consistant à venir insérer la microbalance qui vient d'être décrite dans un volume de confinement qui pourra être réalisé de multiples manières en fonction de techniques utilisables qui sont bien connues d'un homme du métier. 10 On trouvera en particulier le détail de réalisation d'un tel procédé dans la publication de N. Abelé, D. Grogg, C. Hibert, F. Casset, P. Ancey et A.M. Ionescu intitulée " 0-level vacuum packaging RT process for MEMS resonators ", DTIP 2007, pp. 33-36 Dans un mode de réalisation, on effectue un conditionnement de manière à permettre le passage d'un liquide biologique apportée par des microconduits ou micro-canaux sur la microbalance pour la mesure de la densité du liquide. 20 Une fois réalisée, la microbalance est insérée dans un circuit électronique de manière à permettre la détermination de la fréquence de résonance dépendant étroitement de la masse venant peser sur la poutre 140. En pratique , on dispose le dipôle formé par les deux électrodes 110 et 140 dans une boucle d'oscillation utilisant un amplificateur quelconque et dont on vient mesurer la fréquence 25 d'oscillation pour déterminer la fréquence de résonance. De tels circuits sont bien connus d'un homme du métier et, pour cette raison, ne seront pas décrits plus avant. La mesure de la fréquence de résonance fo conduit à la détermination de la 30 masse m de produit pesant sur la poutre flexible suivant la formule : ST06-GR1-410 -8 2916271 }r 25 avec k étant la rigidité de la structure ; On décrit à présent un second mode de réalisation d'un circuit de micro balance conforme à la présente invention pour lequel on utilise, au lieu d'un substrat de silicium, un substrat non conducteur tel que du quartz ou du verre. lo Dans ce second mode de réalisation, on vient déposer sur le substrat de quartz ou de verre une première couche conductrice d'un gel polymère. Cette première couche est déposée en film mince au moyen de techniques connues d'étalement ou de spinning , que l'on vient ensuite patterner. 15 On vient ensuite déposer une couche sacrificielle d'oxyde, tel que de la silice (SiO2). On vient ensuite déposer une seconde couche de polymère conducteur que l'on vient graver comme précédemment pour lui donner la forme d'une poutre 20 constituant le résonateur. La seconde couche de polymère pourra être réalisée en un matériau identique à la première couche ou différente de celle-ci. On vient ensuite libérer le résonateur en supprimant la couche d'oxyde sacrificielle venant ainsi achever la partie fonctionnelle de la microbalance. L'opération de conditionnement (ou de packaging) pourra ensuite être identique à celle décrite dans le premier mode de réalisation. ST06-GRI-410 5 -9 2916271 Les figures 6a-6i illustrent plus en détail un mode particulier de réalisation d'une microbalance sur un substrat dopé. Comme cela est illustré en figure 6a, le procédé commence par la 5 préparation d'un substrat classique 100 (dit bulk) doté de tranchées STI 101 (Shallow Trench Insolator) permettant d'assurer l'isolation électrique des différentes structures positionnées sur un même substrat. La technique dite STI est bien connue d'un homme du métier et ne sera pas décrite plus avant. Le substrat 100 est, par exemple en silicium monocristallin (Si), recouverte d'une couche sacrificielle 10 d'oxyde 102, tel que de la silice (SiO2). On vient ensuite déposer une couche de polymère actif . Dans une étape ultérieure, comme cela est illustré dans la figure bb, on vient 15 graver cette couche de polymère de manière à réaliser la structure de la poutre suspendue. La figure n'illustre pas les ancrages ou points d'appuis 150 de la figure 3 car ceux-ci sont disposés de part et d'autre du plan de la figure 7b, en avant et en arrière, et prennent position sur les zones STI ou même directement sur le silicium du substrat 100 après gravure sélective de la zone d'oxyde. 20 On réalise ensuite la zone d'implantation destiné à former la première électrode 110, disposée sous la couche 140. Bien évidemment, un homme du métier pourra envisager tout type d'implantation, notamment de type N ou P. En outre, on adaptera l'énergie de l'implantation en fonction de l'épaisseur de la couche 25 d'oxyde 102 à traverser. Si la couche d'oxyde 102 est particulièrement épaisse on pourra alors envisager une gravure à sec par exemple, préalablement à l'opération d'implant. Toutes ces techniques sont bien connues d'un homme du métier et ne seront donc pas reprises plus avant. 30 Dans une étape ultérieure, représentée dans la figure 6c, on vient ensuite supprimer la couche d'oxyde sacrificielle 102 au moyen de toute technique connue, telle que par exemple un bain humide employant un acide BHF. ST06-GR1-410 -10- 2916271 La structure de poutre de grille est à présent achevée et l'on finalise cette structure par un procédé de conditionnement adéquat, tel que, par exemple, le procédé illustré dans les figures 6d à 6i. 5 Ce conditionnement débute par une étape de pulvérisation (ou " sputtering ") de silicium amorphe venant déposer une couche sacrificielle 141, comme illustré en figure 6d. Alternativement, on pourra déposer une couche de polysilicium conforme - i.e. sans orientation préférentielle au moyen de techniques bien connues. 10 On grave ensuite cette couche 141 de manière à former deux flancs en biais, respectivement à gauche et à droite, de la couche 141, comme cela est illustré dans la figure 6e . On procède ensuite, comme illustré dans la figure 6f, au dépôt d'une couche 15 structurelle 142 permettant le maintien du capot du produit semi-conducteur, que l'on réalise au moyen d'un dépôt d'une couche d'oxyde ou de nitrure appropriée. On procède ensuite à l'ouverture d'un via de contact sur la zone dopée 110, comme cela est illustré dans la figure 6g, afin de réaliser l'électrode inférieure. On 20 réalise également un via sur l'un des ancrages de la poutre de la poutre suspendue de manière à assurer la réalisation de l'électrode supérieure (non visible sur la figure 6g). On remplit ensuite avec un polymère conducteur de manière à créer le contact avec l'électrode inférieure de la figure 6h. 25 On réalise ensuite des vias dits de libération (ou " release "), à savoir des orifices suffisamment fins pour permettre un accès à la couche sacrificielle de silicium amorphe 141, que l'on supprime ensuite par des moyens connus de gravure. 30 On effectue le dépôt d'une couche d'oxyde non conforme permettant de recouvrir les métallisations effectuées dans les vias de contacts ainsi que les orifices des vias de release. ST06-GR 1-410 -11- Le circuit de micro-balance qui vient d'être décrit peut être inséré au sein d'un circuit électronique oscillant permettant de mesurer la variation de la fréquence de résonance en fonction de la masse de poids venant peser sur l'électrode supérieure. s La microbalance qui vient d'être décrite est parfaitement adaptée à la mesure d'un poids de microparticules. Alternativement, cette microbalance permet également la mesure de densité de liquide biologique comportant des microparticules biologiques à peser. Dans une telle réalisation, on conditionnera le lo microcircuit dans un dispositif comportant deux types respectivement d'arrivée et d'évacuation du liquide à mesurer de manière à mettre ce dernier en contact avec le résonateur. II est à remarquer que, dans cette application particulière, on perd quelque peu la valeur importante du coefficient de qualité que l'on obtient lorsque la poutre résonne dans l'air ambiant. 15 20 25 ST06-GRI-410 - 12 - Revendications 5 1. Micro circuit de mesure d'un poids comportant : - un substrat (100) comportant une première zone constituant une première électrode (110) ; -une poutre conductrice vibrante (140) fixée à ses deux extrémités sur deux points 10 d'appui (150) sur ledit substrat, ladite poutre conductrice constituant une seconde électrode, caractérisé en ce que ladite poutre conductrice est réalisée au moyen d'un gel polymère comportant des microparticules métalliques en quantité suffisamment faibles pour ne pas contaminer un milieu biologique à traiter mais suffisamment 15 dense pour assurer la conductivité électrique de ladite seconde électrode. 2. Micro circuit de mesure d'un poids selon la revendication 1 caractérisé en ce que le substrat est du silicium et que ladite première électrode est une zone dopée sur le silicium. 3. Micro circuit de mesure d'un poids selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit substrat soit du quartz ou du verre, comportant une première électrode constituée d'une couche conductrice réalisée au moyen d'un gel conducteur. 25 4. Micro circuit de mesure d'un poids selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce qu'il est intégré dans un circuit électronique oscillant permettant de déterminer la fréquence de résonance. 5. Procédé de fabrication d'un micro circuit de mesure d'un poids 30 comportant les étapes suivantes : - préparation d'un substrat (100) sur lequel on vient disposer une couche d'oxyde sacrificielle (102) - création d'une électrode inférieure située sur le dit substrat ; ST06-GR 1-410 20 -13 - 2916271 - dépôt d'une gel polymère actif comportant des particules métalliques en quantité suffisamment faibles pour ne pas contaminer un milieu biologique à traiter mais suffisamment dense pour assurer la conductivité électrique du gel et former ainsi une électrode supérieure; -gravure de ladite couche de gel de manière à réaliser une poutre fixée sur deux points d'ancrages positionnés sur le substrat (100) ; suppression de ladite couche d'oxyde (102) sacrificielle de manière à libérer ladite poutre suspendue (140) et former un circuit résonnant; dépôt de couches de conditionnement . 6. Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la suppression de ladite couche d'oxyde sacrificielle est réalisée en bain humide employant un acide BHF 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que le substrat est du 15 silicium et que ladite première électrode est réalisée par un dopage dudit substrat. 8. Procédé selon la revendication 5 ou 6 caractérisé en ce que ledit substrat est du quartz ou du verre comportant une première électrode constituée d'une couche conductrice réalisée au moyen d'un gel conducteur. 20 9. Balance de mesure d'un poids ou d'une densité d'un matériau biologique s'écoulant dans un liquide, ladite balance comportant un circuit intégré de micro mesure comportant : - un substrat (100) comportant une première zone constituant une première 25 électrode (110) ; - une poutre conductrice vibrante (140) fixée à ses deux extrémités sur deux points d'appui (150) sur ledit substrat, ladite poutre conductrice constituant une seconde électrode, caractérisé en ce que ladite poutre conductrice est réalisée au moyen d'un gel 30 polymère comportant des microparticules métalliques en quantité suffisamment faibles pour ne pas contaminer un milieu biologique à traiter mais suffisamment dense pour assurer la conductivité électrique de ladite seconde électrode. ST06-GR 1-410 - 14 -2916271 10. Balance de mesure d'un poids ou d'une densité d'un matériau biologique s'écoulant dans un liquide selon la revendication 9 caractérisé en ce que le substrat est du silicium et que ladite première électrode est une zone dopée sur le silicium. 5 10 ST06-GRI-410