Fabrication, caractérisation et application capteur de MEMS organiques à base de microleviers

Cette thèse présente la conception de MEMS à base de matériaux organiques et cela, en vue de réaliser des capteurs biochimiques. Dans ces travaux les matériaux organiques ont été proposés en tant qu alternative au silicium afin, d une part, de réduire le coût des capteurs biochimiques par le développement de procédés de structuration simples et peu couteux et, d autre part, car les polymères peuvent être synthétisés de telle sorte à leur conférer des propriétés spécifiques et contrôlables pour une application visée. Dans ces travaux à fort caractère technologique, des méthodes adaptées à la structuration de ce type de matériau ont été développées. Une de ces méthodes consiste à déposer le matériau organique au travers d un micropochoir fait en SU-8. Cette méthode permet de déposer et de structurer le matériau en une seule étape, d une part, et d autre part de mettre en forme des polymères photo et thermosensibles. Une méthode de report inspirée du wafer-bonding en SU-8 a été adaptée pour la fabrication collective de puces de microleviers organiques. Ensuite, un actionnement électromagnétique a été intégré aux structures afin d améliorer les performances de ces dernières utilisées en tant que résonateur.Et enfin, un concept original de biocapteur de masse basé sur des microleviers monocouches a été développé. Dans ce cas, la couche sensible faite d un polymère à empreinte moléculaire assure à la fois, la reconnaissance biologique et la transduction de l effet mécanique du microlevier.This thesis presents the design of MEMS-based on organic materials to achieve biochemical sensors. In this work, organic materials have been proposed as an alternative to silicon to reduce the cost of biochemical sensors by developing simple and inexpensive processes, and because polymers can be synthesized to give them specific and controllable properties. In this technological work, suitable methods to pattern this type of materials have been developed. One of these methods combines deposition and patterning in one step thanks to spray-coating through polymer microstencils. Then, to obtain collective production of organic chips free-standing microcantilevers from a free structure, wafer-bonding approach based on bonding of two SU-8 layers has been introduced. On the other hand, an electromagnetic actuator has been integrated into the structures to improve the performances of theses structures used as resonators.And finally, an original concept of mass biosensor based on monolayer microcantilevers has been developed. In this case, the sensitive layer made of molecularly imprinted polymer allows the biological detection and the transduction of the mechanical effect.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Renal tubular absorption of β2 microglobulin

Renal tubular absorption of β2 microglobulin. 125Iodinated human β2 microglobulin (β2m, 5 to 30 mg) was administered to anesthetized rats. Clearance studies showed a low threshold of excretion of injected β2m and a high Tm of 400 to 600 µg · min-1 · kg-1. A glomerular sieving coefficient of 0.97 was calculated as the slope of the curve: β2m excretion rate = F (plasma β2m × glomerular filtration rate) for values above saturation. Electrophoresis analysis of proteinuria in agarose gel and sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel showed that injection of saturating doses of β2m induced the excretion of proteins of similar size but different charge and that of other proteins of different size. Among the latter, some were excreted transiently in association with β2m, whereas others had a delayed excretion suggesting existence of a complex mechanism of reabsorption whose steps remain to be elucidated.Absorption tubulaire rénale de la β2 microglobuline. De 5 à30 mg de β2 microglobuline (β2m) humaine marquée à l'Iode 125 ont été injectés à des rats anesthésiés. Des études de clairance ont montré un seuil d'excrétion bas et un Tm élevé de 400 à 600 µg · min-1 · kg-1. Un coefficient de tamisage de 0,97 a été mesuré à partir de la pente de la courbe: excretion de β2m = F (concentration plasmatique de β2m × filtration glomérulaire) pour les points au-dessus de la saturation. L'analyse de la protéinurie par électrophorèse sur gel d'agarose et sur gel de polyacrylamide avec dodecyl-sulfate de sodium a montré que l'injection de doses saturantes de β2m provoque l'excretion de protéines de même taille mais de charge différente, ainsi que de protéines de taille différente. Parmi ces dernières, certaines sont excrétées de manière transitoire et en même temps que la β2m, tandis que d'autres ont une excrétion retardée suggérant l'existence d'un mécanisme de réabsorption complexe dont les étapes restent à étudier

Analyse des mecanismes d'elaboration de couches minces par pulverisation ionique

SIGLECNRS T 57693 / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Capteur d'humidité en Si poreux pour la fiabilité des systems in package

La problématique de cette thèse est l amélioration de la fiabilité des systèmes électroniques encapsulés, concernant l herméticité et les perturbations causées par les infiltrations d humidité. Le travail consiste en l étude d un capteur pour mesurer in situ le taux d humidité dans les cavités des systèmes encapsulés. Comparativement aux actuelles techniques d évaluation de l herméticité, l intérêt du dispositif réside dans la généralisation du test à chaque cavité, le contrôle de l atmosphère de la cavité sur une longue période d utilisation, et la correction automatique de la dérive occasionnée (packaging intelligent). Deux structures en Si poreux (SP) ont été étudiées pour réaliser des capteurs, et ont d abord été caractérisées d un point de vue morphologique. Les deux couches ont la même porosité de 45 %. Les mesures de sorption d azote appliquées aux théories BET et BJH ont montré que SP1 et SP2 présentaient respectivement des surfaces spécifiques de 330 et 223 m /g, et des diamètres poreux moyens de 4,3 et 5.5 nm. Une nouvelle méthode de caractérisation basée sur le traitement d image de surface de Si poreux est présentée. La méthode permet d estimer les distributions de taille de pore (DTP), porosité, surface spécifique et fraction volumique d oxyde. Elle est validée par la cohérence des résultats obtenus, comparés à ceux donnés par les théories de sorption. Outre le caractère complet de l analyse, les avantages de cette méthode sont sa simplicité de mise en œuvre, sa non restriction à une gamme de taille de pores, et l absence d hypothèse mathématique sur l estimation de la DTP. Les tests électriques ont montré que SP1 présentait une résistance supérieure à SP2 et que le capteur basé sur SP1 présentait une plus grande sensibilité vis-à-vis de la prise d humidité : -90 % entre 0 et 80 % d humidité relative. La spécificité du transport électrique dans les structures étudiées a été mise en évidence expérimentalement, conduisant à l hypothèse d une barrière de potentiels à l interface Si - Si poreux. La plus grande résistance présentée par SP1 a été explicitée par sa plus grande fraction volumique d oxyde, ainsi que les effets plus prononcés de confinement quantique et de déplétion de surface. L utilité d un capteur d humidité in situ en Si poreux pour l herméticité des systems in package a été démontrée par les résultats expérimentaux d un prototype.This work deals with the improvement of reliability of packaged electronic devices, concerning the hermeticity and the disturbances caused by moisture infiltration. As an analysis method of sealing quality of Systems in Package (SiP), a study of humidity sensors for in situ moisture level evaluation of SiP microcavities is presented. Compared to others analysis methods, the interest of the present one is its global utility for all manufactured chips, the capability to monitor the cavities atmosphere over a long period, and the possibility of automatic drifts correction. Two porous silicon (PS) based structures have been studied to make sensors. First we performed morphological analyses of PS layers. Both have a porosity of 45 %. Nitrogen sorption measurements applied to BET and BJH theories showed that PS1 and PS2 respectively present specific areas of 330 and 223 m /g and mean pore diameters of 4.3 and 5.5 nm. A new analysis method based on processing of PS surface images is presented. It allows the estimation of pore size distribution (PSD), porosity, specific area, and volumic oxide ratio. The method has been validated by the closeness between its results and sorption theories results. In addition to the method s completeness, it presents several advantages such as easy-to-use application, no restriction on PSD range, and no computing hypothesis on PSD evaluation. Electrical measurements showed that PS1 resistance is higher than PS2 resistance, and that sensitivity of PS1 based sensors exposed to moisture variation is superior: -90 % from 0 to 80 % relative humidity. Specificity of carriers transport in PS structures has been experimentally underlined; leading to the hypothesis of a potential barrier between PS and non porous Si. Higher resistance has been explained by the higher volumic oxide ratio of PS1, and the more developed quantum confinement and depletion surface effects. Utility of such in situ PS moisture sensor for SiP hermeticity has been demonstrated by preliminary experimental results.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Approche alternative de l'évaluation de l'herméticité des micro cavités (application au packaging des MEMS)

Les MEMS, qui comportent des structures libérées et mobiles, sont particulièrement sensibles aux variations de leur environnement de travail. L'herméticité du packaging et la détection des phénomènes de fuites sont donc des points clés pour la fiabilité de ces composants. Or, avec l'apparition des techniques d'encapsulation niveau wafer et la miniaturisation des boîtiers, l'herméticité est de plus en plus difficile à contrôler. Les techniques de détection de fuite utilisées classiquement pour les composants électroniques ne sont plus applicables. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse visent à améliorer l'approche actuelle de ces problèmes de test et d'évaluation de l'herméticité des micro boîtiers utilisés pour l'encapsulation des MEMS. Pour y parvenir, nous nous sommes efforcés dans un premier temps de mieux comprendre les phénomènes de fuite mis en jeu pour ce type de micro boîtiers. Il a ensuite été possible de développer des moyens plus adaptés pour évaluer le degré d'herméticité des micro boîtiers MEMS, à la fois d'un point de vue théorique en modélisant la diffusion du gaz à travers les colles organiques, et d'un point de vue expérimental en développant une technique alternative de détection de fuite par spectroscopie infrarouge pour les micro boîtiers siliciumBORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Caractérisation et modélisation de la réponse transitoire d'un capteur d'humidité à couche sensible polymère

Ce travail porte sur la caractérisation et la modélisation de la réponse transitoire d'un capteur d'humidité capacitif dont la couche sensible est constituée d'un film polymère dérivé du benzocyclobutène (BCB). L'étude de la structure du capteur et des mécanismes physico-chimiques d'absorption de vapeurs dans les polymères a permis de construire des modèles analytiques physiques et comportementaux de la réponse du capteur, validés expérimentalement et par simulation numérique. Ces modèles ont été utilisés pour la simulation prédictive de la réponse du capteur dans un contexte médical : l'analyse du souffle humain. Ils ont permis d'élaborer des stratégies d'optimisation du temps de réponse. Ces modèles ont aussi été appliqués à la simulation prédictive de l'herméticité des micro-boîtiers d'encapsulation des MEMS.This work presents the characterization and modelling of the transient response of a capacitive humidity sensor. The sensitive layer of the sensor consists in a benzocyclobutene (BCB) polymer film. Analytical physical and behavioural models of the sensor were developed on the basis of the theory of sorption and diffusion of gases in polymers, and on the study of the capacitive structure of the sensor. These models were validated by experiments and numerical simulations. They allow the prediction of the transient response of the sensor when exposed to the specific humidity conditions of human breath for medical application. They also provide strategies to shorten the response time of the sensor. Finally, these models were used to predict moisture diffusion in BCB adhesive films for wafer-level MEMS packaging.BORDEAUX1-BU Sciences-Talence (335222101) / SudocSudocFranceF

Contribution à l'intégration de centrales inertielles (outils d'aide à la conception et à l'optimisation)

Le travail présenté dans ce mémoire concerne la réalisation d un microsystème intégrant une centrale inertielle permettant la détection de mouvements. Le microsystème étudié est composé d un accéléromètre capacitif associé à son électronique de traitement. L accéléromètre capacitif a conduit à l élaboration d un outil logiciel afin de le pré-dimensionner. Ce pré-dimensionnement a été effectué en fonction des spécifications de l application et de la technologie de fabrication. Cet outil intègre des modèles fluidiques et électrostatiques en vue de calculer des paramètres du modèle de l accéléromètre pour une simulation système. L électronique de traitement de l accéléromètre capacitif a été conçue autour d un convertisseur Sigma-Delta . L architecture Sigma-Delta a nécessité des modifications pour pouvoir être adaptée au capteur. Nous avons alors développé, sous Matlab-Simulink , une bibliothèque de composants permettant d ajuster le fonctionnement du convertisseur. Une fois l architecture optimisée et les caractéristiques des composants connues, la conception de l architecture Sigma-Delta est ainsi réalisable sous le logiciel CADENCE.The aim of this thesis is the realisation of microsystem for movements detection. This microsystem is composed of capacitive accelerometers and of their electronics. The conception of capacitive accelerometers has induced developement of a software for the first dimensionnement of sensors. This software computes parameters of capacitive accelerometers thanks to electrostatic models, flow models, specifications of application and fabrication process. The electronics of capacitive accelerometer is a Sigma-Delta convertor. The adaptation of convertor leads to developement of components libraries for Matlab-Simulink . The simulation systems allows to fit parametres convertor for the application. After that,the conception of convertor under CADENCE software is then possible.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Microcapteurs chimiques à base de micropoutres en silicium modi?ées à l'aide de matériaux inorganiques microporeux

Afin d'optimiser l'utilisation des micropoutres en tant que capteurs chimiques, de nouvelles couches sensibles à base de matériaux microporeux ont été testées pour la détection d'humidité, de toluène et d'éthanol. Des essais sans couches sensibles ont aussi été effectués et des modèles simples ont été mis au point afin de prédire la réponse des micropoutres lors d'un changement d'environnement. Ces études ont donc permis la mise en oeuvre des micropoutres selon deux principes de détections différents: l'un reposant sur la variation de masse du capteur à base de micropoutre lors de l'absorption de composé par une couche sensible; l'autre reposant sur la détection de changements de propriétés physiques du fluide environnant.In order to optimize the use of microcantilever in the way of chemical sensing, microporous sensitive coatings have been tried to detect ethanol, toluene and humidity. The use of microcantilever without sensitive coating have been performed and simple models has been made and permit to predict the response of microcantilever in different environments. These studies rely on the use of microcantilever within two different detection mode: the detection of mass variation of the sensor because of the sorption of species in sensitive coating; and the detection of the change of physical properties of the fluid.BORDEAUX1-Bib.electronique (335229901) / SudocSudocFranceF

Elaboration of soft and flexible silicone stencils for the wafer-level micropatterning of polymers

International audienc