Conception et fabrication d'un biocapteur à haute sensibilité pour la détection des neurotransmetteurs

Dans ce mémoire, nous présentons de nouvelles architectures de différents biocapteurs électrochimiques discrets et intégrés appelés potentiostats. Tous les potentiostats développés sont basés sur une structure entièrement différentielle pour une meilleure sensibilité et une meilleure précision. Deux conceptions discrètes à un et quatre canaux ont été proposées. La conception discrète à un canal détecte la molécule de dopamine avec un courant de l’ordre du nA et une consommation électrique de 120 mW. Cette architecture a été développée sur une carte de circuit imprimé (PCB) de 20 mm x 35 mm. L’architecture discrète à quatre canaux est la version améliorée de la précédente en termes de superficie, de sensibilité et de consommation électrique. Une autre version du potentiostat, implémentée sur un PCB de 15 mm x 15 mm, peut mesurer les courants d’oxydoréduction dans la plage du pA avec une consommation de puissance de 60 mW. L’avantage de la structure à multicanaux est qu’elle offre des sensibilités différentes allant du pA au mA pour chaque canal. Une chambre microfluidique de 7,5 mm x 5 mm avec deux entrées et une sortie a été déposée sur le PCB. Une solution saline tampon au phosphate (PBS) avec une solution de ferrocyanure a été utilisée pour tester la fonctionnalité du système réalisé. La voltampérométrie cyclique a été utilisée comme technique de détection. Un comportement linéaire a été observé lorsque la concentration des neurotransmetteurs change. De plus, un potentiostat intégré a été proposé et fabriqué en technologie CMOS 180 nm, basé sur une structure entièrement « différentiel de différence » (Fully Differential Diffrence Amplifier FDDA) pour une faible consommation de puissance et un système à haute sensibilité. Cette nouvelle configuration a été conçue pour la détection des neurotransmetteurs en très faible concentration avec un faible bruit et une plage dynamique élevée. Cette architecture intégrée peut détecter les courants dans une plage inférieure au pA avec un bruit d’entrée faible de 6,9 μVrms tout en consommant seulement 53,9 μW. Le potentiostat proposé est dédié aux dispositifs implantables à faible consommation de puissance et à sensibilité et linéarité élevées.In this thesis, we present different discrete and integrated electrochemical biosensors. All these designed potentiostats are based on fully-differential architecture to enhance sensitivity and accuracy. Two complete single channel and four-channel discrete designs were fabricated. The single channel discrete design imaged the dopamine neurotransmitter with the sensed current of approximately low nano-ampere and power consumption of 120 mW implemented on a 20 x 35 mm PCB. The four-channel discrete design was the improved version of previous one in terms of area, sensitivity and power consumption. The 15 x 15 mm PCB was able to measure the reduction-oxydation currents in the range of high pico-ampere while consuming 60 mW. The advantage of the multichannel architecture is to provide a system with different sensitivity going from pA to mA for each channel. A microfluidic 7.5 x 5 mm chamber with two inlets and one outlet was bonded to the PCB. A phosphate buffered saline (PBS) with ferrocyanide solution was used to test the functionality of the implemented system. Cyclic voltammetry has been used as a detection technique. A linear behavior had been observed when the neurotransmitter concentration changed. An integrated CMOS potentiostat was designed and fabricated in 180 nm technology based on a fully-differential-difference architecture for a low power consumption and also high sensitivity system. This new architecture was designed in order to sense ultra-low concentration of neurotransmitters with low noise and high dynamic range. This integrated design was able to image currents in the range of sub-pA with low input-referred noise of 6.9 µVrms while consuming only 53.9 µW. The proposed potentiostat is dedicated for implantable devices with low power consumption and high sensitivity and linearity

Miniaturized FDDA and CMOS Based Potentiostat for Bio-Applications

A novel fully differential difference CMOS potentiostat suitable for neurotransmitter sensing is presented. The described architecture relies on a fully differential difference amplifier (FDDA) circuit to detect a wide range of reduction-oxidation currents, while exhibiting low-power consumption and low-noise operation. This is made possible thanks to the fully differential feature of the FDDA, which allows to increase the source voltage swing without the need for additional dedicated circuitry. The FDDA also reduces the number of amplifiers and passive elements in the potentiostat design, which lowers the overall power consumption and noise. The proposed potentiostat was fabricated in 0.18 µm CMOS, with 1.8 V supply voltage. The device achieved 5 µA sensitivity and 0.99 linearity. The input-referred noise was 6.9 µV rms and the flicker noise was negligible. The total power consumption was under 55 µW. The complete system was assembled on a 20 mm × 20 mm platform that includes the potentiostat chip, the electrode terminals and an instrumentation amplifier for redox current buffering, once converted to a voltage by a series resistor. the chip dimensions were 1 mm × 0.5 mm and the other PCB components were off-chip resistors, capacitors and amplifiers for data acquisition. The system was successfully tested with ferricyanide, a stable electroactive compound, and validated with dopamine, a popular neurotransmitter