Study and realization of shear wave mode solidly mounted film bulk acoustic resonators (FBAR) made of c-axis inclined zinc oxide (ZnO) thin films : Application as gravimetric sensors in liquid environments
Etude et réalisation de résonateurs à ondes acoustiques de volume (FBAR) montés sur miroir acoustique et exploitant le mode de cisaillement dans les couches minces d'oxyde de zinc (ZnO) à axe c incliné : application aux capteurs gravimétriques en milieux liquides
Résumé
Further progress of health-care requires miniaturized sensors for the improvement of medical diagnostics. In this context, the objective of this thesis is to simulate, realize and characterize shear mode solidly mounted film bulk acoustic resonators (SMR) vibrating at 800 MHz, and demonstrate their ability to function as gravimetric bio-chemical sensors in liquids. Three sputter-deposition processes for ZnO films having an inclined c-axis with respect to the surface normal have been developed. Such films are required for the excitation of shear waves and thus essential for operation in liquids. Inclinations of up to 16Ê have been obtained through oblique incidence of the particles using additional blinds. Homogeneous films have been achieved on up to 100 % of the 4" wafer surface. Simulation and characterization tools have permitted to optimize the SMRs, improving coupling coefficients from 0.012 to 0.149 (K2 of 2.2 %) and Q-factors from 3.5 to 230. The application of the SMRs in water and glycerol solutions has shown that they are suitable as viscosity and gravimetric sensors. Measurements of antibody-antigen bindings in liquid have been successful. Compared with 10 MHz quartz crystal microbalances, the obtained sensitivity of 738 Hz cm2/ng is 1000 times higher and the mass resolution of 3.5 ng/cm2 is 4 times better. SMRs are highly sensitive, can be integrated with electronics, and allow quantitative time-dependent measurements with good mass resolutions. These piezoelectric film nanobalances are expected to form the core of portable and inexpensive systems to serve the medical diagnostic market.
Dans le futur, les systèmes publics de santé requerront des capteurs miniaturisés pour l'amélioration des diagnostics médicaux. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est d'une part de simuler, réaliser et caractériser des résonateurs à ondes acoustiques de volume à base de couches minces, vibrant en mode de cisaillement à 800 MHz et montés sur miroir acoustique (SMR), et d'autre part la démonstration de leur capacité à fonctionner comme capteurs biochimiques en milieux liquides. Trois procédés de dépôt de couches de ZnO à axe c incliné par rapport à la surface ont été développés en utilisant la pulvérisation. De telles couches sont nécessaires pour l'excitation d'ondes de cisaillement et donc essentielles pour une opération en milieux liquides. Des inclinaisons jusqu'à 16° ont été obtenues avec une incidence oblique des particules en utilisant des caches additionnels. Des couches homogènes ont été obtenues sur la surface entière d'un wafer 4 . Des outils de simulation et de caractérisation ont permis d'optimiser les SMRs, améliorant les coefficients de couplage de 0.012 à 0.149 (K2 of 2.2 %) et les facteurs de qualité de 3.5 à 230. L'application des SMRs dans l'eau et dans des solutions de glycérol a montré qu'ils peuvent être utilisés comme capteurs gravimétriques et comme viscosimètres. Des mesures de liaisons anticorps-antigènes en milieu liquide ont été réalisées avec succès. Comparées à des microbalances à quartz vibrant à 10 MHz, la sensibilité obtenue de 738 Hz cm2/ng est 1000 fois plus grande et la résolution massique de 3.5 ng/cm2 est 4 fois meilleure. Les SMRs sont hautement sensibles, peuvent être intégrés à des systèmes électroniques, et permettent des mesures quantitatives avec de bonnes résolutions. Ces nanobalances à couche piézoélectrique pourront former le noyau de systèmes portables et bon marché pour le diagnostic médical.