Micro et nanosystèmes mécaniques : problématiques afférentes à la réduction en taille et aux interfaces pour des applications dans le domaine de la chimie et de la biologie

In the first part of this document, a state of the art in the field of micro and nanoelectromechanical systems is proposed with emphasis on problems related to their reduction in size in terms of fabrication technologies, associated electronics, extrinsic and intrinsic sources of noise, signal-to-noise ratio... More specifically, the relevance of a miniaturization of electromechanical devices devoted to chemical or biological applications is evaluated by highlighting the prevailing role of surface and interface effects with respect to volume effects: energetic losses, thermodynamic equilibria, reaction kinetics& The particular case of biochips and biosensors is then presented: dynamic range of measurement, linear range, sensitivity, ultimate resolution. This state of the art enables us to establish, on the national and international level, the relative position our research activities, whose survey is drawn up in the second part. It is also aimed at justifying the choice of our long-term thematic orientations towards the field of nanobiotechnologies, these orientations being presented in the last part.Dans la première partie de ce mémoire, nous proposons un état de l'art dans le domaine des micro et nanosystèmes électromécaniques en mettant en exergue les problématiques afférentes à leur réduction en taille en termes de technologies de fabrication, d'électronique associée, de sources de bruit extrinsèques et intrinsèques, de rapport signal sur bruit... Plus spécifiquement, nous évaluons la pertinence d'une miniaturisation des dispositifs électromécaniques pour des applications dans le domaine de la chimie ou de la biologie en soulignant le rôle prépondérant des effets de surface et d'interface par rapport aux effets de volume: pertes énergétiques, équilibres thermodynamiques, cinétiques de réaction& Le cas particulier des biopuces et des biocapteurs est ensuite abordé : dynamique de mesure, domaine de linéarité, sensibilité, résolution ultime. Cet état de l'art nous permet de positionner, sur le plan national et international, nos activités de recherche, dont le bilan est dressé dans la deuxième partie. Il a également pour objectif de justifier le choix de nos orientations thématiques à plus long terme vers le domaine des nanobiotechnologies, ces orientations faisant l'objet d'une dernière partie

Conception, réalisation et caractérisation de biocapteurs micromécaniques résonants en silicium avec actionnement piézoélectrique intégré (détection de l'absorption de nanoparticules d'or)

TOULOUSE3-BU Sciences (315552104) / SudocSudocFranceF

Les interfaces cerveau machine : principes et limites technologiques en réadaptation

Les interfaces cerveau machine sont des dispositifs permettant de capter et de décoder le signal cérébral afin de piloter des aides techniques informatiques ou robotisés. Dans le domaine du très grand handicap ce type d'interface peut apparaître comme la possibilité de suppléance. Deux grands types d'interface sont décrits. Les interfaces non invasives ne nécessitent pas d'implantation chirurgicale. Elles utilisent les signaux EEG. On distingue des interfaces synchrones qui utilisent les propriétés des potentiels évoqués pour piloter le dispositif de suppléance. Il s'agit de dispositif simple et robuste mais qui on une fréquence d'acquisition lente. Plus récemment des dispositifs dits asynchrones ont été décrits. Ces interfaces utilisent la somatotopie des variations de fréquence de l'EEG au cours de l'imagination d'un mouvement. Elles utilisent un moyennage du signal et donc la répétition de la tâche. Les interfaces non invasives nécessitent un apprentissage long et leur utilisation implique un engagement cognitif important. Elles prennent une place grandissante dans la détection des états de conscience et dans une approche temporaire de la communication dans le très grand handicap moteur. Les interfaces invasives nécessitent l'implantation d'électrodes intracérébrales. Elles sont basées sur l'enregistrement sélectif de potentiels de champs ou de potentiel intra neuronaux. L'enregistrement d'une centaine de neurones simultanément permet de décoder la direction du mouvement du membre supérieur. Ces interfaces ont une vitesse d'acquisition élevée et elles autorisent les doubles tâches cognitives. L'implantation des électrodes limite les phénomènes de parasitages et améliorent le rapport signal sur bruit. Il s'agit d'une procédure chirurgicale qui n'est pas sans risque mais qui est déjà largement utilisée avec succès, dans le cadre du traitement de la maladie de parkinson. En fait la biocompatibilité au long cours des électrodes constitue à notre sens la principale barrière technologique actuelle des interfaces invasives. Les interfaces cerveau machine devraient arriver à maturité technologique dans les années à venir et prendre une place grandissante dans la suppléance du grand handicap

Ionic Electrochemical Actuators

International audienceIonic electroactive polymer (iEAP) actuators with ionic liquid (IL) electrolytes are distinguished by their ability to operate in ambient air with an enhanced lifetime. This chapter reports the developments in iEAP actuator technologies for several applications, with a particular focus on the use of conducting polymers (CPs). CPs have attracted attention because of their promising electronic, optical and electromechanical properties. These smart materials are characterized by their possible dimensional changes due to the migration or diffusion of ions upon electrochemical oxidation or reduction processes. In an adequate ionic conducting medium, CPs can be used as the active component in actuators and lead to interesting potential applications, including soft robotics, prosthetic devices, microsystems and medical devices. This chapter starts with an overview of existing iEAP actuators. CP actuation mechanisms and configurations are explained in detail, and existing and potential applications are discussed, emphasizing the benefits of using ionic liquids (high ionic conductivity, non-volatility, larger electrochemical window and biocompatibility). Finally, to conclude, the future developments and challenges in this area are discussed

First-Order Based Non-Linear Open-Loop Identification of a Ionic Polymer Bending Actuator and Derived Linear PI closed-loop Control

International audienceTri-layer electroactive bending polymeric artificial muscles generally exhibit no overshoot during open-loop step response with a non-zero initial slope when the output is the vertical position of the bending sample tip. If a simple linear first order is not able to capture the variety of step responses when the u-voltage varies along its practical range, we propose to identify such a bending step contraction by a nonlinear system derived from a linear first order system in the form: u e k T t r) 1 (/ where the parameters k, T and r depend on the u-control voltage. We show the relevance of this approach for identifying the step-response of a PEDOT:PSS/PVDF/ionic liquid actuator developed at the laboratory. As a consequence, we show that a linear PI-controller is a simple and an efficient approach for a closed-loop control of the bending actuator. A simple method taking into account voltage saturation control is proposed and applied to both real steps and sine-wave tracking

Assembly of CdSe/ZnS nanocrystals on microwires and nanowires for temperature sensing

Methods for assembling semiconductor nanocrystals on top of micro- and nanowires are presented. One method utilizes a simple drying process while the other is based on electrical field forces. Electrical field assembly is achieved by the creation of a non-uniform ac electrical field between a micro- or nanowire and a flat macroelectrode. The choice of assembly method depends mainly on the surface properties of the wire sample. As for electrical field assembly, it is found that a slightly different setup has to be used for successful assembly on nanowires as compared to the microwire case. By taking advantage of the temperature dependent fluorescence of semiconductor nanocrystals, these assembly techniques will be useful in mapping the temperature on electrically heated nanowires. Once these characteristics are known, nanowires may potentially be employed as nanoheaters in order to control, with high spatial and temporal precision, the temperature in single molecule studies

Towards inkjet printable conducting polymer artificial muscles

International audienceInkjet printing is a key technology in the field of defined polymer deposition as well as in fabrication of strain sensors. It is also one of the most promising alternatives to prevalent fabrication of conducting polymer actuators. Nevertheless, inkjet printed actuators were not yet realised due to rheological properties of conducting polymer solutions that challenge jetting and the complex solution–membrane interactions, that lead to poor adhesion or uncontrolled infiltration. In order to enable this fabrication method, hybrid hydrophilic-hydrophobic polyvinylidene fluoride (PVDF) ultrafiltration membranes were used. They ensure good adhesion with printed poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) layer. Furthermore, PEDOT:PSS compositions that have liquid properties suitable for printing but do not cause uncontrolled infiltration through the membrane were identified. This allowed the realisation of the first inkjet printed PEDOT:PSS based ionic actuators working in air

Editorial: Short-Term Versus Long-Term Challenges in Functional Biomaterials Interfacing Living Systems: Two Sides of the Coin

International audienc