Soutenance mémoire
Un microsystème est un composant intégré, dont la taille varie de la dizaine de micromètres jusqu‟à quelques millimètres. L‟utilisation des techniques de fabrication perfectionnées et abouties issues de la microélectronique, a permis la mise au point et la production en masse de nombreux microsystèmes qui sont autant de nouveaux outils miniaturisés. Une des applications les plus marquantes à avoir émergé dans le milieu industriel, est certainement le micro-accéléromètre, capable de détecter les chocs et déclencher les coussins gonflables de sécurité pour automobile (airbags). Un autre débouché très prometteur est le domaine des radio-fréquences. Les filtres à base de microsystèmes pourraient à terme, devenir incontournables dans la téléphonie mobile comme sélecteurs de fréquences. Ces avancées sont soutenues et complétées par l‟émergence en parallèle de l‟électronique sur substrat souple qui constituera à terme un élément primordial et incontournable de l‟intégration microsystème .
Malgré tout, le plus vaste sujet d‟exploration est encore à venir. Un intérêt tout particulier s‟est porté sur les laboratoires sur puces, famille de microsystèmes, permettant, sur des surfaces réduites, de réaliser des processus biologiques, chimiques ou médicaux (déplacement de liquide, mélange, chauffage, séparation, détection de molécules, etc.) en utilisant de très faibles quantités de réactifs ou en réduisant fortement les temps d‟utilisation. De nombreux mini-laboratoires, dont nous ne soupçonnons pas l‟innovation technologique, sont présents autour de nous. Les systèmes de mesure de la glycémie sont utilisés par les diabétiques, depuis près de vingt ans, pour contrôler de façon routinière le niveau de glucose présent dans le sang. Un protocole simple et efficace permet au patient de connaître en moins de 10 secondes son taux de glycémie. La goutte de sang, de l‟ordre du microlitre, est en général directement prélevée à l‟extrémité du doigt à l‟aide d‟un autopiqueur, puis déposée sur une bandelette de test.
DU MICROSYSTEME FLUIDIQUE AU LABORATOIRE-SUR-PUCE
Les exemples présentés ci-dessus illustrent bien le principe du laboratoire-sur-puce né au cours des années quatre-vingt-dix. Les avantages présentés par ce type d‟application sont nombreux. Le plus important étant la diminution globale des volumes d‟échantillon utilisés et par conséquent un gain considérable sur l‟investissement financier. Cette démarche de miniaturisation entraîne également une forte réduction des temps d‟analyse et le développement d‟outils d‟analyse haut débit hautement parallélisables ce qui représente un bénéfice majeur dans le cas par exemple de l‟étude du génome humain. Selon cette démarche, les premiers démonstrateurs, réalisés par usinage de volume du verre ou du silicium, ont profité d‟une large expérience acquise en micro-ingénierie pour la microélectronique. Ces procédés d‟intégration monolithique souffrent cependant d‟inconvénients majeurs : incompatibilité des technologies entre elles ; les larges surfaces nécessaires au réseau microfluidique induisent un coût de fabrication trop important ; difficulté d‟intégrer sur une même puce le canal microfluidique et le microsystème conventionnel (capteurs, actionneurs, etc.). C‟est indéniablement avec les technologies polymère (PDMS, PMMA, SU-8, etc.), introduites au milieu des années 90, que la microfluidique prend tout son essor. Aussi, l‟adaptation des techniques de moulages de polymères (coulage du PDMS, emboutissage à chaud du PMMA, etc.) et l‟utilisation de résines photosensibles épaisses (SU-8, polyimides, etc.) ont ouvert la voie aux microsystèmes hybrides (couplage du système fluidique et des outils d‟analyses).
MICROBILLES MAGNETIQUES POUR LES BIOANALYSES
Parallèlement, l‟utilisation de particules magnétiques pour des applications dans les biotechnologies, l‟industrie pharmaceutique ou la médecine est devenue de plus en plus fréquente. Ce type d‟objet a vu le jour il y a déjà une vingtaine d‟années et connaît aujourd‟hui un essor particulier, intimement lié aux objectifs de miniaturisation des analyses. Leur taille micrométrique (voire nanométrique) et la possibilité de les manier à l‟aide d‟un simple champ magnétique, en font un outil bien adapté à la manipulation d‟objets biologiques. De plus, de nombreuses sociétés (Dynal, Ademtech,…) fournissent une large variété de microbilles à la surface desquelles il est possible de greffer le plus spécifiquement possible toute sorte de molécules d‟intérêt. Dans le cas d‟une manipulation « macroscopique » de ces microbilles, le protocole général d‟utilisation se résume à l‟enchainement de plusieurs cycles d‟incubation (greffage et/ou de-greffage de molécules), de rinçage et de séparation. La manipulation de ces microbilles à l‟aide d‟un simple champ magnétique (aimant permanent ou électroaimant) confère donc à cette approche de réels avantages en termes de temps, d‟équipements et de coût.
PRESENTATION DU MEMOIRE
Les travaux présentés dans ce document s‟insèrent dans le cadre général des laboratoires-sur-puce et plus globalement des microsystèmes. L‟objectif est de construire niveau à niveau un microsystème tout polymère capable d‟intégrer sur une seule et même puce, un système d‟actionnement magnétique et un réseau microfluidique en vue de la manipulation de microbilles pour des applications biologiques. Plus largement, la mise au point d‟une technologie d‟intégration multi-niveaux, sur substrat souple, ouvrira la voix à de nombreuses applications biomédicales et fournira les briques de bases à l‟électronique « souple ».
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Table des matières
Introduction générale
1. Manipulation de microbilles magnétiques dans un réseau microfluidique : état de l’art
Introduction
1.1. La microfluidique : contexte et enjeux
1.1.1. Fondements
1.1.2. Les différents procédés de microfabrication
1.1.3. Utilisation d’un polymère particulier : la SU-8
1.2. Les billes magnétiques : propriétés et utilisations
1.2.1. Propriétés
1.2.2. Réponse d’une microbille magnétique à l’excitation d’un champ magnétique
1.2.3. Domaines d’applications : en biologie et en médecine
1.2.4. Manipulation des microbilles magnétiques en microfluidique
1.3. Bilan bibliographique et choix technologiques
1.3.1. Etat des techniques de microfabrication
1.3.2. Manipulation des microbilles magnétiques dans des systèmes microfluidiques
1.3.3. Choix technologiques
En conclusion 1
2. Simulation et conception d’un microactionneur magnétique pour la manipulation de microbilles
Introduction
2.1. Equations, bilans et designs étudiés
2.1.1. Expression de la force magnétique
2.1.2. Les différentes géométries étudiées
2.2. Simulation du comportement magnétique des différentes structures
2.2.1. Influence du design sur le champ magnétique
2.2.2. Influence du design sur le gradient de champ magnétique
2.2.3. Influence du dimensionnement des spires
2.2.4. Influence du nombre de spires
2.2.5. Influence de l’intensité d’alimentation
2.2.6. Bilan des résultats de simulation
2.3. Détermination de la force magnétique exercée sur une microbille magnétique
2.4. Forces exercées sur une microbille magnétique en suspension dans un liquide
2.4.1. La force gravitationnelle
2.4.2. La force d’Archimède
2.4.3. La force de Stockes
2.4.4. Le bilan
2.4.5. Comparaison entre force magnétique et force de traînée
En conclusion 2
3. Développement d’une plateforme microfluidique instrumentée
Introduction
3.1. Technologie d’intégration multi-niveaux
3.1.1. Présentation du procédé de fabrication
3.1.2. Fabrication de la structure ouverte
3.1.3. Capotage de la structure
3.1.4. Optimisation du procédé de laminage
3.1.5. Réseaux microfluidiques multi-niveaux
3.1.6. Vers l’intégration système
3.2. Intégration de microactionneurs magnétiques dans un canal microfluidique
3.2.1. Les différentes topologies de microbobines de forme spirale à réaliser
3.2.2. Les différentes topologies de microbobines de forme méandre à réaliser
3.2.3. Présentation du jeu de masques utilisés
3.3. Description du procédé de fabrication du système intégré
3.3.1. La couche isolante
3.3.2. Masque TI-1 : la prise de contact électrique
3.3.3. Masque TI-2 : vias électriques et couche isolante
3.3.4. Masque TI-3 : croissance électrolytique du cuivre
3.3.5. Masque TI-4 : couche de passivation et ouverture des contacts électriques
3.3.6. Masques TI-5/TI-6 : canal microfluidique et ouverture des contacts électriques
3.3.7. Evaluation de l’approche
3.4. Les connectiques
3.4.1. Connectique fluidique
3.4.2. Connectique électrique
En conclusion 3
4. La manipulation des microbilles magnétiques
Introduction
4.1. Détermination de la réponse thermique des microstructures
4.1.1. Présentation du banc de test
4.1.2. Influence de la géométrie des structures sur la réponse thermique
4.2. Caractérisation des résistances électriques
4.2.1. Présentation du banc de test
4.2.2. Mesures de l’ensemble des topologies retenues
4.3. Evaluation de l’efficacité des microactionneurs magnétiques
4.3.1. Présentation des structures tests
4.3.2. Présentation du banc de test microfluidique
4.3.3. Préparation de la solution de billes
4.3.4. Actionnement en mode statique
4.3.5. Actionnement en mode dynamique
4.4. Du microsystème au concept de laboratoire-sur-puce
4.4.1. Réalisation d’un système d’aiguillage
4.4.2. Ecoulement laminaire et tri sur billes magnétiques
4.4.3. Module de tri magnéto-fluidique multi-niveaux
4.4.4. Présentation des résultats préliminaires et perspectives
En conclusion 4
Conclusion générale
