Study of tantalum and iridium as adhesion layers for Pt/LGS high temperature SAW devices

International audienceIn this paper, we report on the use of tantalum and iridium as adhesion layers for platinum electrodes used in high temperature SAW devices based on langasite substrates (LGS). Unlike iridium, tantalum exhibits a great adhesive strength, and a very low mobility through the Pt film, ensuring a device lifetime of at least half an hour at 1000°C. The latter is limited by morphological modifications of platinum, starting by the apparition of crystallites on the surface, and followed by important terracing and breaking of the film continuity. SNMS and XRD measurements allowed us to show that these phenomena are likely intrinsic to platinum film, whatever be the nature of the adhesion layer. Finally, after having outlined a possible scenario leading to this deterioration, we consider some solutions that could replace platinum in order to increase the lifetime of LGS-based SAW devices in high temperatures conditions

Conception, étude et réalisation de micro-capteurs et micro-actionneurs chimiques et biologiques à base de dispositifs à ondes acoustiques de surface

Ce travail est basé sur l étude de l interaction SAW/Liquide. Nous avons ainsi pu estimer la potentialité d un système microfluidique à goutte à base d ondes acoustiques de surfaces. Le système microfluidique a été réalisé sur un substrat piézoélectrique de LiNbO3 Y+128 propagation selon X. Nous avons utilisé des techniques classiques de Salle Blanche pour révéler les matrices d électrodes interdigités. Afin de minimiser la force nécessaire à l actionnement de la goutte, nous avons optimisé un proce dé de dépôt plasma de couches minces fluorocarbonées. Le revêtement présentant le plus faible force de glissement a été réalisé sous (400 mT, 100 W). Ensuite, nous nous sommes intéressés aux phénomènes induits par l interaction SAW/Liquide. Par une méthode de type PIV, nous avons pu visualiser la trajectoire de l écoulement au sein de la goutte et déterminer la vitesse d écoulement en fonction de la viscosité et de la puissance véhiculée par ces ondes élastiques. Puis, nous nous sommes intéressés à l actionnement de goutte en fonction de différents paramètres tels que le volume et la viscosité. Le dernier chapitre est consacré aux effets thermiques liés à l atténuation des ondes élastiques de surface à l interface Solide/Liquide. Ces analyses ont été réalisées avec une caméra IR et révèlent que l échauffement d une goutte n est pas négligeable. Finalement, les dispositifs à ondes acoustiques de surface ont un vrai potentiel en tant qu outil microfluidique. En effet, en couplant maîtrise de la fonctionnalisation des surfaces et interaction SAW/Goutte, les applications sont nombreuses telles que: atomiseur, micro-nanodistributeur, actionneur, mélangeur, thermocycleur.This work deals with SAW/Liquid interaction. We want to evaluate the potentiality of a microfluidic system based on surface acoustic waves. This system was carried out on a LiNbO3 piezoelectric substrate, cut Y+128 X-propagating. We used clean room traditional techniques to reveal the interdigited transducers (IDTs). In order to minimize the required force to actuate a droplet, we have optimised plasma process to deposit fluorinated carbon films. The coating which presents the lowest sliding force was deposited at (400 mT, 100 W). Then, we have investigated the phenomena induced by the SAW/Liquid interaction. By PIV method, we have visualized the flow trajectory within the droplet and determined the streaming velocity as function of fluid viscosity and electrical power. Next, we have measured the droplet displacement velocity as function of volume and viscosity. Finally, we have shown important heating effects, related to the attenuation of the surface elastic waves at the Solid/Liquid interface. These analyses were carried out with an IR camera and reveal that a 20 l droplet with sufficient viscosity can be heated above 80C. To conclude, our surface acoustic wave device presents a real potential as microfluidic tool . Indeed, numerous applications, such as atomisation system, micro-nanodispenser, actuator, mixer, thermocycler can be achieve by this device.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Sensibilité des dispositifs à ondes élastiques de surface réalisés sur des structures monocouches de quartz et structure bicouche de ZnO/Si aux déformations mécaniques (application au capteur de pression)

Dans ce mémoire nous avons présenté une étude théorique et expérimentale de dispositifs à ondes élastiques de surface (OES) appliqués à la réalisation de capteurs de pression sur substrat en quartz et de manière plus originale sur structure bicouche ZnO/Si. Dans la partie expérimentale nous avons mis en œuvre un banc de mesure permettant la caractérisation sous pression. Nous avons développé et optimisé les procédés technologiques nécessaire pour la réalisation des dispositifs OES à l'aide des outils de simulation des procédées microélectronique SILVACO. Nous avons aussi optimisé la croissance de couches minces piézoélectriques de ZnO par le procédés de pulvérisation magnétron. Concernant la modélisation nous avons développé un ensemble de codes dans l'environnement MATLAB pour modéliser la propagation des OES en régime linéaire et non linéaire. Nous avons validé ce travail de modélisation dans le cas du quartz et nous l'avons extrapolé ensuite à l'étude de la structure ZnO/Si.The aim of this thesis is the devellopment of a pressure sensor using surface acoustic wave device. A theoretical and exprimental study of the sensor perfomed on quartz substrate and ZnO/Si structure are presented. Concerning the experimental study we have developped an experimental set-up wich permit testing under pressure. We have developed and optimized the SAW process manufacturing using SILVACO (soft for process simulation). We have also optimized the ZnO piezoelectric film deposition by using a DC planar magnetron sputtering system. Concerning the theoretical study we have developed a set of computer code in MATLAB environnement. For linear surface acoustic wave propagation a Jones and campbel method is used. For nonlinear surface acoustic wave propagation a Tierstein perturbation procedure was used. Both devices performed on quartz and ZnO/Si structure were investigated.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

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)

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.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 16 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.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Etude théorique et expérimentale de dispositifs à ondes élastiques de surface (O.E.S) à base des structures multicouches (ZnO/Quartz, AIN/Diamant et ZnO/AIN/Diamant)

Ce mémoire avait l'objectif de modéliser, réaliser et caractériser des dispositifs SAW à base de structures multicouches à savoir : ZnO/Quartz, AlN/Diamant et ZnO/AlN/Diamant, pour les applications capteurs et hautes fréquences. La première partie de ce mémoire a été consacrée à l'étude théorique de modélisation de structures multicouches de dispositifs SAW. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons présenté les procédés technologiques nécessaires pour la fabrication de ces dispositifs, ainsi nous avons également présenté les méthodes de caractérisation des principaux paramètres de ces dispositifs. Concernant La troisième partie, nous avons étudié les dépôts de films de diamant, d'oxyde de zinc et de nitrure d'aluminium. Nous avons également proposé une solution originale consistant à utiliser la face de nucléation du diamant auto-supporté qui présente une bonne qualité morphologique permettant d'assurer une bonne propagation des ondes élastiques. Dans la dernière partie, nous avons réalisé des capteurs SAW à base de structure ZnO/Quartz stables aux variations thermiques et présentant de bonnes sensibilités. Nous avons également réalisé des filtres SAW à base de structure AlN/diamant fonctionnant à haute fréquence tout en offrant de bonnes qualités de filtrage. Enfin, nous avons étudié et réalisé une structure originale, ZnO/AlN/Diamant, combinant un grand coefficient de couplage électromécanique et une grande vitesse de propagation.We investigate in this work the multilayer structures ZnO/Quartz, AlN/Diamond and ZnO/AlN/Diamond for designing SAW sensors and high frequency SAW filters. Beginning with a theoretical study that we have developed for modelling the SAW structures, we discuss then the technological processes used for preparing such devices and also the characterisation methods implemented to determine the device principal parameters. We describe subsequently an original method that we have established for SAW device design of the deposits on the diamond. The films are grown in this method on the unpolished nucleation side of the freestanding CVD diamond. These nucleation side have good morphological qualities which enhance the acoustic wave propagation. The ZnO/Quartz-based SAW sensors and AlN/Diamond-based SAW filters that we have designed are then presented and discussed as to their performances. While the sensors show a high sensibility and a low temperature coefficient, the filter can be operate at high frequencies without loosing its filtering capacity. Finally, a. new SAW device based on ZnO/AlN/Diamond combining high phase velocity and high electromechanical coupling coefficient has been investigated for GHz-band applications.NANCY1-SCD Sciences & Techniques (545782101) / SudocSudocFranceF

Etude et réalisation par lithographie électronique de dispositifs à ondes acoustiques de surface à structure multicouche (des filtres pour la bande X aux capteurs de liquide)

Après beaucoup de travail, de nombreuses heures de réflexion, d'idées à améliorer et, des fois, à rejeter, une quantité innombrable d'échantillons et d'heures passés sur les différentes installations, nous voilà au point de présenter les résultats de tous ces efforts. Tout au début, nous avions décidé de se lancer dans la recherche et le développement de dispositifs à ondes acoustiques de surface pouvant servir en tant que filtres électriques passe-bande pour les nouvelles technologies de télécommunication et en tant que capteurs de liquide. Nous avons commencé à faire l'inventaire des tous les domaines que nous allions aborder lors de nos travaux de recherche, en nous en avons présenté ce qui nous semblait important. Même si la science est le pilier principal de cette thèse, nous nous sommes assurés que nos efforts ne seraient pas vains dès le départ en analysant les besoins industriels, et donc indirectement les retombées économiques possibles, en dispositifs à ondes acoustiques de surface. Nous nous sommes donc dotés de tous les outils nécessaires pour pouvoir avancer : Nous avons étudié l'évolution des dispositifs à ondes acoustiques de surface afin de reconnaître, avec un peu de chance, des tendances et de nouvelles ouvertures. Nous avons élucidé la partie théorique correspondante, au niveau de la piézoélectricité et des ondes acoustiques de surface. Nous avons fait le tour des matériaux piézoélectriques utilisées pour se faire une idée des leurs propriétés pour pouvoir faire, le moment venu, une sélection judicieuse selon les besoins de l'application. En partant de la théorie générale des ondes acoustiques de surface, nous avons étudié les différents types d'ondes existants dans la même optique : Disposer d'une multitude intéressante de choix possibles pour trouver la bonne solution à la fin. [...]After a lot of hard work, countless hours of brainstorming, ideas to still improve or simply to drop, an amazing number of processed samples and a remarkable amount of time spent on all of those different machines have finally brought us to the point where we are able to present our results. Right at the beginning of this work, we had decided to get into the development of surface acoustic wave devices that could possibly serve as well as electric band pass filters as as liquid sensors. We have started out by making an inventory in all domains that we would possibly be confronted with and we proposed a selection of the most valuable information that could be found. Even if science is at the heart of this thesis, we wanted to be sure that our efforts would not be opposed to real world economic and industrial needs. We have thus arranged all necessary tools to our side: From historical evolution of surface acoustic wave devices through acoustic wave theory in solids, from general piezo-electricity to surface acoustic waves. We went through commonly used piezoelectric materials in order to get an idea of their properties and differences to be able to make the right decision at the right time, similarly to the study of the different types of acoustic surface waves with always the same goal in mind: Rely on the vastest number of possibilities in order to make the right decision when required. [...]NANCY1-Bib. numérique (543959902) / SudocSudocFranceF

Magnetic tunnel junctions with a zinc oxide - cobalt oxide composite tunnel barrier

International audienceComposite CoO–ZnO tunnel junctions showing nonlinear and asymmetric current-voltage characteristics with significant magnetoresistance ratios (up to 8% at 77 K) have been prepared by using reactive sputtering from a zinc target. Electron transmission microscopy demonstrates the formation of a zinc oxide–cobalt oxide bilayer. Observed asymmetries, which are directly linked to the difference in zinc oxide and cobalt oxide barrier heights are in good agreement with calculations done within the framework of a parabolic bands model, using thicknesses extracted from transmission electron microscopy (TEM) images and barrier heights found in literature

Magnetic properties of ultra-thin films grown on (001) bcc Fe

International audienc