EP1668654B1

EP1668654B1 - Matrice de resistances adressables independamment, et son procede de realisation

Info

Publication number: EP1668654B1
Application number: EP04805719A
Authority: EP
Inventors: Adrien Gasse; Guy Parat
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: WO2005034148A1; ATE352845T1; FR2860641B1; FR2860641A1; DE602004004554T2; US20070247274A1; US7642893B2; DE602004004554D1; EP1668654A1

Description

DOMAINE TECHNIQUE

L'invention se rapporte aux matrices de composants passifs, plus particulièrement aux résistances connectées entre elles par des lignes et des colonnes, ainsi qu'à leur fabrication. Ces matrices de résistances peuvent être utilisées dans différents domaines, notamment pour activer des composants par effet Joule.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

Pour gagner en place et en densité de commandes, les matrices de résistances ont été développées où un nombre important d'éléments résistifs sont condensés sur une petite surface, tout en étant activables individuellement.
Le document EP-A-0 813 088 décrit un relais optique qui est activé par une stimulation thermique. Le relais étant constitué d'une matrice de résistances. Dans le document EP-A-1 188 840 une matrice d'éléments chauffants pouvant être actionnés de manière sélective est décrite.
Comme le montre la figure 1, une matrice de résistances comporte N lignes de commandes (indicées N_i, avec i entier strictement positif), M colonnes de commande (indicées M_j, avec j entier strictement positif), et NM résistances (indicées R_ij, chaque résistance R_ij étant commandée par la ligne N_i et la colonne M_j). Pour commander une résistance, on « ferme » les interrupteurs de ses ligne et colonne : on peut par exemple appliquer la tension « +V » sur la ligne N_i et « 0 » sur la colonne M_j; la résistance R_ij est alors « adressée », c'est-à-dire soumise à un courant, contrairement aux autres.
Quelle que soit l'utilisation de ces matrices, un des enjeux est de localiser précisément la puissance de commande sur une résistance déterminée afin d'atteindre l'effet escompté par la commande, tout en limitant la puissance dissipée dans les autres éléments de la matrice, notamment les résistances, du fait des courants induits ou dérivés, tant pour augmenter la puissance dans la résistance adressée que pour que la commande reste spécifique.
En effet, le maximum de puissance est dissipé dans la résistance adressée. Cependant, il existe également des autres courants non nuls circulant dans les lignes et colonnes, ainsi que dans les autres résistances, qui eux aussi induisent des pertes de puissance dans et par ces éléments. Ceci entraîne que la puissance de commande n'est pas totalement dissipée dans la résistance adressée (perte d'efficacité) et que les résistances non adressées dissipent elles aussi une puissance non désirable (perte de sensibilité). Des simulations ont ainsi montré que pour une matrice de 150 points par exemple, environ 15 % de la puissance est dissipée au point adressé, alors que les autres points où la puissance dissipée est la plus forte dégagent environ 5 % de la puissance.
Un des moyens connus pour remédier à ces effets est de coupler chaque résistance à une diode ou un interrupteur pour bloquer le courant dans les résistances non adressées. Cependant, cette solution est très lourde car elle implique de doubler chaque résistance, ce qui entraîne des coûts de fabrication et une perte de compacité préjudiciables.
Une autre technique serait de segmenter la matrice en sous unités telles que la perte de puissance est réduite, ce qui permet de réduire le nombre de diodes. Cette solution n'élimine pas les problèmes de complexité inhérents aux diodes, ni l'échauffement parasite résiduel dans chacune des matrices.
Une autre alternative consiste à commander chaque ligne et colonne avec des tensions qui sont ajustées et asservies par un système de contrôle. Par cet intermédiaire, il est possible de contrôler précisément la puissance résiduelle dans les résistances non adressées et de modifier les paramètres. Si cette solution est performante, il est clair qu'elle nécessite un système de contrôle de commande coûteux et complexe à mettre en oeuvre.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

L'objet de l'invention est de proposer une solution simple, qui évite les inconvénients inhérents aux solutions existantes, pour la réalisation d'une matrice de résistances permettant de localiser de la puissance sur une des résistances de la matrice en limitant la puissance dissipée dans le reste de la matrice. Thermiquement, cette résistance active un composant associé.
Plus particulièrement, l'un des aspects de l'invention concerne le choix des propriétés thermiques d'au moins une résistance, afin d'augmenter son rendement d'adressage, c'est-à-dire la puissance dissipée par cette résistance par rapport à la puissance totale dissipée, puissance permettant d'activer thermiquement un composant associé. Cette résistance (ou ces résistances) est ainsi choisie à coefficient de température négatif, c'est-à-dire que la valeur de la résistance diminue avec sa température. Au cours de son utilisation, par le dégagement de puissance, la température de l'élément résistant augmente ; selon l'invention, la valeur de sa résistance va alors diminuer, et donc sa puissance augmenter à tension constante au cours de l'échauffement. La précision de l'activation de composants associés est ainsi accrue.
L'invention se rapporte ainsi à une matrice de résistances dont l'une des résistances est à coefficient de température négatif et associée à un composant activable thermiquement. Avantageusement, ces résistances à coefficient de température négatif sont constituées d'un matériau unique possédant cette propriété, ce qui simplifie d'autant le processus de fabrication.
Un exemple de réalisation préféré concerne une matrice dont toutes les résistances sont à coefficient de température négatif, et notamment identiques. En effet, quelle que soit la matrice, la puissance dégagée dans les résistances non adressées est inférieure à la puissance dissipée au point adressé. La température de la résistance adressée augmente donc plus vite que la température du reste du circuit : même si toutes les résistances sont à coefficient de température négatif, voire identiques, la valeur des résistances non adressées diminuera moins vite au cours du temps que celle de la résistance adressée. Un phénomène d'augmentation de la puissance dégagée par les résistances non adressées se produit, mais inférieur à l'augmentation de la puissance dissipée par la résistance adressée. On observe donc également dans ce cas un gain en rendement par rapport à celui réalisé dans une matrice classique.
Avantageusement, le matériau utilisé pour certaines des lignes et colonnes, voire toutes, possède un coefficient de température positif, ce qui entraîne une augmentation de la résistance de ces éléments et donc une diminution de puissance perdue.
Plusieurs résistances de la matrice selon l'invention, voir toutes, peuvent être couplées à des composants pour les activer. L'invention se rapporte également à un dispositif utilisant cette matrice, tel une biopuce ou une carte réactionnelle.
Avantageusement, pour optimiser son rendement, il est possible d'ajuster, par exemple par un générateur d'impulsions programmable, le temps d'application de la tension de commande sur une résistance.
L'invention se rapporte également au procédé de fabrication d'une matrice de résistances dont une résistance, associée à un composant activable thermiquement, est formée d'un matériau mis en place, par exemple par dépôt, sur un substrat, le matériau possédant une résistance à coefficient de température négatif.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

L'invention sera mieux comprise au moyen des figures suivantes, qui servent uniquement à illustrer l'invention et ne sont nullement restrictives:

FIG. 1 : schéma d'une matrice de résistances, avec indication d'un courant induit.
FIG.2: évolution par rapport au temps de différents paramètres en cours d'utilisation d'une matrice de résistances à coefficient de température positif (FIG.2a) et d'une matrice de résistances à coefficient de température négatif (FIG.2b).
FIG.3: synopsis d'un exemple de fabrication d'une matrice préférée selon l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Ainsi que décrit précédemment, la figure 1 représente une matrice classique de résistances adressables séparément comprenant N lignes, M colonnes et NM résistances. Ces résistances peuvent être commandées soit simultanément, soit successivement, soit encore selon une combinaison de ces deux modes.
La résistance R_ij est adressée, et dissipe une puissance $P_{ij} : P_{ij} = \frac{U^{2}}{R_{ij}},$
avec U tension aux bornes. La puissance P_ij peut notamment être utilisée pour activer thermiquement un composant associé à la résistance R_ij.
Le rendement Q_ij de la résistance R_ij adressée est égal à la puissance P_ij rapportée à la puissance totale dégagée. Or, les autres éléments de la matrice réagissent eux aussi à la tension d'adressage : un exemple de courant induit est ainsi représenté en pointillés, qui entraîne dans cette configuration un dégagement de puissance notamment par les résistances R_{i+1 j}, R_{i+1 j+1}, R_{i j+1}, R_{i j+2}, ainsi que par les segments de lignes et colonnes les séparant. Ces paramètres sont à prendre en compte pour l'évaluation du rendement.
Par ailleurs, toute dissipation de puissance s'accompagne d'un échauffement de la résistance concernée et d'une élévation de sa température. La température de la résistance adressée augmente plus et plus vite que celle des autres éléments.
Or les matériaux classiques pour fabriquer des résistances voient leur résistance augmenter lorsque la température augmente : voir la courbe R_ij de la figure 2a. La puissance dissipée (courbe P_ij) par la résistance R_ij va donc diminuer au cours du temps, et ce plus rapidement que la puissance dégagée par les autres résistances, dont la température et la résistance (courbe R_na) augmentent moins vite. Le rendement de la résistance R_ij adressée diminue donc au fur et à mesure de son activation (courbe Q_ij), et l'augmentation de température, qui est l'objectif souhaité dans le cadre des matrices de commande pour chauffage par effet Joule des éléments, ralentit.
Dans le cadre de l'invention, on utilise pour fabriquer la résistance R_ij un matériau dont la résistance diminue avec la température, c'est-à-dire une résistance à coefficient de température négatif, ou NTCR (« Negative Thermal Coefficient Resistance »). Ce matériau peut être l'un des composants de la résistance ou la résistance peut être fabriquée entièrement d'un tel matériau. Des exemples en sont le Nitrure de Tantale, des alliages Nickel-Chrome, ou des nitrures de matériaux réfractaires. Le coefficient de température (TCR) peut être ajusté, soit par la combinaison de matériaux, soit par les paramètres choisis lors de la fabrication de la résistance. Selon les besoins, le NTCR peut ainsi varier de -100 à -3000 ppm/°C.
Dans ce cas d'une matrice de NTCR illustré par la figure 2b, au cours du temps, la dissipation d'énergie par la résistance adressée R_ij augmente ainsi que sa température, sa résistance (courbe R_ij) diminue, et donc sa puissance dissipée (courbe P_ij) augmente d'autant plus.
On constate aussi sur la figure 2b que, dans ce cas où toutes les résistances sont des NTCR, les autres résistances à coefficient de température négatif qui ne sont pas adressées voient également leur résistance diminuer (courbe R_na), mais de façon moindre car leur température évolue moins vite, la puissance dégagée par elles restant inférieure à la puissance dissipée P_ij. Le rendement de la résistance adressée (courbe Q_ij) augmente donc.
Une combinaison des deux exemples est envisageable, où la résistance adressée R_ij est à coefficient de température négatif, et les autres R_na à coefficient de température positif : on constaterait alors que le rendement Q_ij du point adressé augmente d'autant plus (non illustré), et notamment dans des proportions plus grandes encore que dans le cas d'une matrice totalement NTCR. D'autres combinaisons sont envisageables, avec par exemple une ligne et/ou une colonne NTCR seulement.
Par ailleurs, la résistance R_ij est adressée par une puissance de commande qui détermine la tension U aux bornes et la puissance P_ij dissipée par cette résistance.
Un facteur de modulation de P_ij autre que la valeur de chaque résistance est donc la puissance « réellement » adressée à R_ij. Cette puissance est inférieure à la puissance de commande initiale, avec des pertes partielles dans les autres résistances tel que décrit plus haut, mais également des pertes reliées à la résistance intrinsèque des lignes et des colonnes.
Il peut donc être avantageux d'utiliser un matériau à TCR positif, tel l'aluminium ou le cuivre, pour ces lignes et colonnes : par conduction thermique depuis la résistance chauffée, le matériau utilisé dans les lignes et colonnes est susceptible de chauffer. Grâce à l'utilisation d'un matériau à TCR positif pour ces lignes et colonnes, la résistance des lignes et colonnes va alors augmenter, et la puissance perdue dans celles-ci va diminuer, augmentant d'autant la puissance adressée, et par là même le rendement de la résistance adressée.
La puissance adressée, et donc la tension aux bornes de la résistance adressée, peuvent également être modulées lors de l'utilisation par ajustement de la durée d'application de cette tension. Ce dernier paramètre temporel permet d'optimiser le rendement souhaité pour chaque résistance R_ij adressée, et la température souhaitée pour activer le composant concerné par cette résistance. En effet, le processus permettant le chauffage par effet Joule est un phénomène dynamique. Ainsi, l'application d'une tension pendant une durée courte, par exemple 0,2 s, permettra d'obtenir des élévations de température modérées, de l'ordre de 100°C, et l'application de la commande pendant une durée plus longue, par exemple 10 s, entraînera des températures plus élevées, de l'ordre de 500°C (voir figure 2b). A titre d'exemple est représenté dans la figure 1 un générateur d'impulsions (1) relié aux lignes et colonnes, qui permet d'appliquer des tensions déterminées en amplitude et en durée aux bornes desdites lignes (N) et colonnes.

Exemple 1

Soit un réseau de 144 résistances adressées par 12 lignes et 12 colonnes, avec des résistances chauffantes à adresser de 1000 ohms et une résistance inter lignes et inter colonnes de 1 ohm, c'est-à-dire une résistance intrinsèque de 1 ohm de chaque ligne et/ou colonne d'interconnexion.
Par simulation, on a trouvé que pour des résistances à coefficient de température nul, la puissance dissipée au point adressé est de 15 % de la puissance totale dissipée dans le réseau, et que la puissance maximale dégagée par les autres résistances est de 4,5 %.
Si les résistances ont un TCR de -2500 ppm/°C, lorsque la température de la résistance adressée atteint 300°C, les autres résistances ont au maximum atteint 100°C, et la puissance dissipée par la résistance adressée atteint 40 % de la puissance totale au lieu de 15 %, c'est-à-dire qu'elle a plus que doublé.
La matrice selon l'invention permet donc d'obtenir des températures très élevées, de 500°C et plus, en des points très localisés, pour des matrices qui permettent d'adresser de nombreux points (50 jusque 1000 et plus), et ce de façon rapide. Un ajustement de la puissance maximale nécessaire est possible en contrôlant la valeur du TCR des résistances. Ces effets sont de plus possibles sans dispositif de diodes ou d'interrupteurs pour alourdir le système, et la matrice peut être réalisée sur différents types de substrats, par l'intermédiaire de méthodes de fabrication évitant les technologies lourdes.
En effet, pour réaliser une matrice selon l'invention, des technologies standard de la microélectronique, impliquant notamment dépôt et photolithogravure, sont utilisées de façon préférée. Cependant, toute autre technique utilisable pour la fabrication de microsystèmes est envisageable : sérigraphie de colles, adhésifs, polymères conducteurs ou non, pâtes de sérigraphie, technologie de jet d'encre,...
La figure 3 représente un exemple de procédé de fabrication: un substrat (10) tel le silicium est choisi. Une couche d'aluminium (12) est déposée par pulvérisation cathodique (FIG.3a). Photolithographie et gravure chimique permettent d'obtenir des motifs lignes (14) (FIG.3b). Une couche de matériau résistif NTCR (16) est déposée par pulvérisation cathodique (FIG.3c) ; les motifs résistifs (18) sont obtenus par photolithographie et gravure (FIG.3d). Une couche diélectrique (20) est ensuite déposée pour isoler lignes (14) et colonnes (FIG.3e), avec photolithographie des motifs de reprise de contact (22) sur les colonnes (FIG.3f). Enfin, une couche d'aluminium (12) est déposée par pulvérisation cathodique (FIG.3g), les motifs colonnes (24) étant réalisés par photolithographie et gravure (FIG.3h). Les composés activables thermiquement sont associés selon les techniques connues.
Typiquement, la couche d'aluminium (12) a une épaisseur de 500 à 50000 Å (50 à 5000 nm), de préférence 500 nm; l'épaisseur de NTCR (16) est typiquement comprise entre 500 à 5000 Å (50 à 500 nm), de préférence 100 nm. Le NTCR peut être ajusté de préférence entre -100 et -3000 ppm/°C suivant les conditions de dépôt et les paramètres d'utilisation recherchés.
Comme isolant diélectrique (20), on peut utiliser un polymère ou un minéral tel SiO₂ ou Si₃N₄. Le substrat (10) est isolant et comprend par exemple du silicium, un polymère, un verre, une céramique, etc., ou encore une combinaison de ces matériaux.

Application

Les matrices selon l'invention trouvent leur application dans de nombreux domaines, comme par exemple la biologie, l'imagerie ou les écrans plats, où les systèmes de commande doivent être miniaturisés. Plus particulièrement, les matrices selon l'invention peuvent être utilisées pour fabriquer des biopuces ou encore des « Lab On Chip », appelés aussi cartes réactionnelles. Une telle carte réactionnelle est connue par exemple du document WO 02/18823. De façon générale, on appellera par la suite dispositif à usage biologique toute structure apte à être utilisée dans des applications en biologie, comme par exemple les cartes réactionnelles ou les biopuces.
Cependant, pour réaliser de tels dispositifs à usage biologique, un réseau micro fluidique est intégré sur la carte de support du dispositif: le liquide à analyser doit circuler par exemple entre les différents réactifs. Afin de faire circuler un liquide dans un réseau de micro canaux, on actionne des micro-vannes.
Des micro-vannes ont été développées pour des applications dans des microsystèmes, des biopuces et des cartes réactionnelles. Un exemple en est donné dans le document FR-A-2 828 244, qui concerne des micro-vannes actionnées par effet pyrotechnique. La mise en route des micro-vannes demande de réaliser un chauffage localisé en dessous du microsystème, par exemple par l'échauffement d'une résistance sous chaque micro-vanne qui sera alors actionnée par effet Joule.
Pour cette application préférée, le réseau de micro-vannes doit être conséquent, avec une densité importante de ces composants à activer : par exemple 50 à 1000 micro-vannes sur une surface typiquement de l'ordre de la taille d'une carte de crédit doivent être adressées séparément. L'utilisation de matrices de résistances semble donc toute indiquée.
Les matrices selon l'invention ajoutent comme avantage l'optimisation du rendement de chaque adressage, et donc une meilleure efficacité et spécificité des analyses effectuées.

Claims

Matrice de résistances comportant N lignes de commandes N_i, avec i entier strictement positif, M colonnes de commande M_j, avec j entier strictement positif, et NM résistances R_ij, chaque résistance R_ij étant commandée par la ligne N_i et la colonne M_j, caractérisée par le fait qu'au moins une des résistances est à coefficient de température négatif et est associée à un composant activable thermiquement.
Matrice selon la revendication 1 caractérisée en ce que chaque résistance R_ij est associée à un composant activable thermiquement.
Matrice selon l'une des revendications 1 ou 2 dont au moins un des composants activables est une micro-vanne.
Matrice selon l'une des revendications 1 à 3 dont toutes les résistances R_ij sont à coefficient de température négatif.
Matrice selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée en ce que au moins une des résistances à coefficient de température négatif est constituée d'un seul matériau.
Matrice selon la revendication 4 caractérisée en ce que toutes les résistances à coefficient de température négatif sont constituées d'un seul matériau.
Matrice selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que toutes les résistances sont identiques.
Matrice selon l'une des revendications précédentes dont la résistance à coefficient de température négatif comprend du Nitrure de Tantale, un alliage Nickel-Chrome ou un nitrure de matériau réfractaire.
Matrice selon l'une des revendications précédentes dont la résistance à coefficient de température négatif a un coefficient de température compris entre -100 et -3000 ppm/°C.
Matrice selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisée en ce que le matériau utilisé pour au moins une ligne et/ou au moins une colonne a une résistance à coefficient de température positif.
Matrice selon la revendication 10 caractérisée en ce que toutes les lignes et/ou toutes les colonnes sont composées d'un matériau à résistance à coefficient de température positif.
Matrice selon l'une des revendications 1 à 11 caractérisée en ce que toutes les lignes et toutes les colonnes sont composées du même matériau.
Matrice selon l'une des revendications 1 à 12 associée à un substrat isolant.
Matrice selon l'une des revendications précédentes comprenant en outre des moyens pour ajuster la durée d'application de la tension de commande sur au moins une des résistances R_ij pour en obtenir le rendement souhaité, en particulier sur chaque résistance R_ij.
Procédé de fabrication d'une matrice de résistances dont l'une au moins des résistances est obtenue par mise en place d'un matériau résistif (16) dont la résistance est à coefficient de température négatif sur un substrat (10) et comprenant l'association de cette résistance à un composant activable thermiquement.
Procédé de fabrication selon la revendication 15 comprenant la mise en place du matériau résistif par pulvérisation cathodique.
Procédé de fabrication selon l'une des revendications 15 ou 16 comprenant la mise en place d'un matériau conducteur (12) sur le substrat (10) pour former les lignes (14) avant la mise en place du matériau résistif.
Procédé de fabrication selon l'une des revendications 15 à 17 comprenant le dépôt d'un matériau conducteur (12) pour former les colonnes (24) après la mise en place du matériau résistif.
Procédé selon l'une des revendications 15 à 18 comprenant une étape de mise en place sur ledit substrat d'un matériau (20) isolant les lignes des colonnes.
Procédé selon l'une des revendications 17 à 19 comprenant le choix d'un matériau dont la résistance est à coefficient de température positif pour les lignes et/ou colonnes.
Procédé selon l'une des revendications 15 à 20 comprenant l'association de la matrice à un réseau de micro-vannes.
Dispositif à usage biologique comprenant une matrice selon l'une des revendications 1 à 14 associée à un réseau microfluidique.