Micropoutres pour la Microrhéologie Etienne Lemaire, Mohamed Youssry, Benjamin Caillard, Isabelle Dufour Université de Bordeaux Laboratoire IMS – UMR 5318 CNRS 351 cours de la libération, 33405 Talence cedex Email : etienne.lemaire@ims-bordeaux.fr Résumé Les micropoutres résonantes en silicium s’avèrent être des microrhéometres pouvant analyser la viscosité et la masse volumique de fluides sur une plage de fréquence plus élevée que celle obtenue par un rhéomètre classique. Le spectre de vibration de la poutre immergée dans un milieu liquide est mesuré optiquement et/ou électriquement au moyen de piézorésistances. Des mesures de résonance des poutres en milieu liquide ont été faites pour différentes géométries et différents types de liquide. Des données rhéologiques sont ensuite calculées à partir des mesures de résonances. Ensuite il est possible d’établir un rhéogramme haute fréquence du fluide étudié. 1. Introduction Un résonateur est une structure mécanique conçue pour vibrer à une fréquence de résonance particulière. Ils peuvent être fabriqués à partir d'une gamme de matériaux monocristallins avec des dimensions micrométriques en utilisant des procédés de micro-usinage différents. Ici, le résonateur est une micropoutre, gravée dans le silicium, de taille micrométrique, encastrée à une extrémité et libérée à l’autre. La fréquence de résonance d’un tel dispositif doit être extrêmement stable, lui permettant d'être utilisé comme capteur résonant [1,3]. Celui-ci est conçu de telle sorte que la fréquence propre du résonateur soit fonction du paramètre mesuré. Pour provoquer un changement de fréquence de résonance, le paramètre mesuré modifie généralement la rigidité, la masse, ou la forme du résonateur. Dans les milieux liquides, les propriétés du fluide, à savoir la densité et la viscosité, vont influencer le comportement dynamique de la structure. La densité provocant essentiellement une diminution de la fréquence de résonance et la viscosité essentiellement une augmentation de l’amortissement du système mécanique résonant [2]. Le résonateur mécanique est un système actif qu’il faut mettre en mouvement au moyen d’un système d’actionnement, et il faut dans le même temps détecter les vibrations de la structure. Le signal de mesure des vibrations détectées correspond à la sortie du système, ce signal est également renvoyé à la partie d’actionnement après une comparaison de phase (circuit PLL) ou une amplification. Ce système bouclé incluant détection et actionnement est appelé oscillateur. Il permet de suivre avec précision une fréquence et une phase données du système mécanique et d’en observer la dérive. Ce principe est par exemple utilisé dans les microaccéléromètres [4]. Les paramètres généralement étudiés dans le cas des capteurs résonants sont la fréquence de résonance et le facteur de qualité associés. Quand un microlevier, autre nom donné aux micropoutres, est placé dans une atmosphère de gaz, et a fortiori dans un liquide, le facteur de qualité n'est pas aussi élevé que celui obtenu dans le vide. La fréquence de résonance comme le facteur de qualité sont réduits de quelques pour cent dans les gaz, et très sensiblement dans les liquides. En milieu gazeux, une couche mince sensible à une espèce chimique particulière peut être déposée sur la structure afin d'en faire un capteur spécifique [5]. Le matériau sensible adsorbe les molécules cibles, ajoutant une petite masse à la couche mince, réduisant ainsi la fréquence de résonance de la structure. La détection d’espèces chimiques est rendue possible grâce à un résonateur mécanique disposant d’un facteur de qualité élevé, permettant la détection fine du décalage de la résonance. La réduction de la valeur du facteur de qualité est due à la dissipation d'énergie. Lors de l'immersion d’une micropoutre dans un liquide, les pertes énergétiques sont bien plus prononcées qu’en milieux gazeux. Pour un microlevier actionné en mode hors-plan, le facteur de qualité peut passer de 1000 à 10 lors de la transition entre l’air et un milieu liquide [6]. L’actionnement d’une micropoutre selon des modes dans le plan permet de réduire l’importance des pertes en milieu liquide pour retrouver un facteur de qualité assez élevé. Dans le cas d’un actionnement latéral dans le plan, un facteur de qualité supérieur à 60 peut être atteint dans l’eau [7]. Dans les milieux liquides la réduction du facteur de qualité est liée à l’augmentation de l’amortissement due à la viscosité. On peut donc lier le facteur de qualité, ainsi que la fréquence de résonance à une valeur de densité et de viscosité. Un modèle analytique a été développé pour cela [8]. Un autre modèle a été aussi proposé. Il permet pour chaque couple d’amplitude et de phase, donné par une mesure à l’aide d’une détection synchrone, de calculer une valeur de viscosité et de densité pour chaque fréquence [9]. Cette méthode permet théoriquement d’obtenir le comportement rhéologique « haute