Elaboration of integrated microelectrodes for the detection of antioxidant species

(Pt–Pt–Ag/AgCl) and (Au–Pt–Ag/AgCl) electrochemical microcells (ElecCell) were developed for the detection of redox species by cyclic voltammetry. A special emphasis was placed on the SU-8 waferlevel passivation process in order to optimize the electrochemical properties of the different “thin film” metallic layers, i.e. gold or platinum for the working electrode, platinum for the counter electrode and silver/silver chloride for the reference electrode. (Au–Pt–Ag/AgCl) microcells were applied for the detection of antioxidant species such as ascorbic and uric acids in phosphate buffer solution, evidencing high sensitivity but low selectivity. Works were extended to skin analysis, demonstrating that a good electrical contact with the skin hydrolipidic film allowed the effective evaluation of the skin global antioxidant capacity

Unexpected effect of copper ions on electrochemical impedance behaviour of self-assembled alkylaminethiol monolayer

Effect of copper ions on the electrochemical behaviour of an alkylaminethiol monolayer has been studied by electrochemical impedance spectrosocpy. RAMAN experiment shows the effective adsorption of receptor onto the gold surfaces. The study of Nyquist plot shows that the gold/monolayer/electrolyte interface can be described by a serial combination of two R, CPE electrical circuits. In the presence of increasing amounts of copper, the Nyquist plots at low frequencies were modified showing an increase of the resistance of the second R, CPE electrical circuit. Moreover, this increase of resistance varies linearly with the amounts of copper ions added in solution from 10−8 mol·L−1 to 10−5 mol·L−1

Développement des matériaux dans le cadre des microtechnologies

Through their multidisciplinary character, the microtechnologies, and more precisely the micro-sensors/actuators fabrication, are requiring the development of the materials from the microelectronics as well as the integration of new and varied materials. This report presents the R&D works dedicated to the SiNx material deposited by low-pressure chemical vapour deposition (LPCVD), and draws up a research prospect for the material integration in the field of microtechnologies. Firstly, the properties of the silane SiH4 and disilane Si2H6 gaseous sources have been studied for the LPCVD deposition of silicon Si and silicon nitride SiNx films. The LPCVD physical-chemistry knowledge has put in evidence the competition between the deposition, "volumic" and "surfacic" crystallisation, and nitridation phenomena. All in all, semi-empirical relations have been established between the deposition and anneal technological parameters, the deposition and crystallisation kinetic, and the deposited films properties (microstructure, crystalline phase, stoichiometry, refractive index, mechanical stress and electrical conductivity). Finally, the whole study has been applied to the fabrication of micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS). Secondly, the development of materials in the field of microtechnologies has been presented. This has shown the need for multidisciplinary collaborations and has emphasised the collective and/or mass production aspect for the integration of materials. Thus, the advantages of the deposition, implantation and microlithography techniques have been studied, taking in example the development of the structure materials for the micro-opto-electro-mechanical systems (MOEMS), and of the detection materials for the chemical field-effect transistors (ChemFETs) microsensors.Par leur pluridisciplinarité, les microtechnologies, et plus précisément la fabrication de micro-capteurs/actionneurs, nécessitent le développement des matériaux conventionnels de la microélectronique mais aussi l'intégration d'autres matériaux aussi divers que variés. Cette habilitation propose une synthèse des travaux de recherche consacrés au matériau de stSchiométrie générale SiNx déposé par dépôt chimique en phase vapeur (low pressure chemical vapour deposition LPCVD), et établit une prospective de recherche pour l'intégration des matériaux dans le cadre des microtechnologies. Dans une première partie, les propriétés des filières silane SiH4 et disilane Si2H6 ont été étudiées pour le dépôt LPCVD de films de silicium Si et de nitrure de silicium SiNx. La compréhension de la physico-chimie du dépôt LPCVD a mis en évidence la compétition entre les mécanismes de dépôt, de cristallisation "volumique" et "surfacique", et de nitruration. Au total, des relations semi-empiriques ont été établies entre les paramètres technologiques de dépôt et/ou de recuit, les cinétiques de dépôt et/ou de cristallisation, et les propriétés des films déposés (microstructure, cristallinité, stSchiométrie, indice de réfraction, contrainte mécanique et conductivité électrique). Finalement, la valorisation de cette étude a été faite au travers du développement de microsystèmes opto-électro-mécaniques (MOEMS). Dans une deuxième partie, la problématique du développement des matériaux dans le cadre des microtechnologies a été présentée. Elle a montré la nécessité des collaborations pluridisciplinaires et mis en avant l'aspect fabrication collective et/ou en grande série pour l'intégration des matériaux. Les potentialités en la matière des techniques de dépôt, d'implantation ionique et de microlithographie ont ainsi été étudiées en privilégiant le développement des matériaux de structure pour les microsystèmes opto-électro-mécaniques (MOEMS) et des matériaux de détection pour les microcapte urs chimiques à effet de champ (ChemFETs)

Nouveaux procédés d'obtention d'oxynitrure de silicium

Les techniques d'élaboration du matériau SiN[x], par LPCVD à partir du mélange disilane/ammoniac et par RTCVD à partir du mélange silane/ammoniac, ont été étudiées. L'obtention de films de stoechiométrie SiN[x] quelconque, uniformes en épaisseur et en composition, a ainsi été démontrée et un nouveau matériau, le silicium dopé azote baptisé NIDOS a été mis en évidence. L'étude de l'oxydation thermique du NIDOS a montré un effet de ralentissement de l'oxydation dû à la teneur en azote du film. Nous avons mis en évidence l'interférence des diffusions des espèces oxydantes et des atomes d'azote au cours de l'oxydation. Nous en avons déduit deux méthodes d'obtention d'oxynitrure SiO[x]N[y]: soit par oxydation thermique du NIDOS, soit par recuit de NIDOS déposé sur une couche d'oxyde enterrée. Nous avons enfin étudié la compatibilité du NIDOS avec les impératifs de la technologie silicium (rugosité, résistivité, propriétés de barrière à la diffusion des dopants), puis nous avons démontré la faisabilité de structures métal/oxynitrure/semi-conducteur utilisant une couche isolante oxynitrurée obtenue par oxydation ou recuit de NIDOS. La caractérisation électrique de ces structures a montré d'excellentes qualités isolantes: des champs électriques de claquage de 20 MV/cm et des charges stockées au claquage de 150C/cm[2] ont été mis en évidenc

Introduction [de l'anthologie "Dimension Technosciences @venir"]

National audienceLes technologies de l'information renforceront-elles le pouvoir des multinationales au détriment des libertés individuelles ? Quelles voies s'ouvrent devant les biotechnologies : le transhumanisme, l'accès universel à la santé ? Les neurotechnologies engendreront-elles une humanité augmentée, mais finalement déshumanisée ? Les développements de la robotique sont-ils les prémices de la guerre de l'homme contre la machine ? Les agro-industries permettront-elles de relancer les capacités de production de la planète malgré le réchauffement climatique ? La conquête spatiale va-t-elle ouvrir une nouvelle ère de colonisation pour l'humanité ? Tous les contributeurs de cette anthologie, nouvellistes de science-fiction ou chercheurs es sciences, nous invitent à nous poser ces questions afin d'anticiper le monde que les technosciences mettront en place pour les générations futures

Développement de microcapteurs électrochimiques pour l'analyse en phase liquide

Les techniques d'analyses chimiques et biologiques nécessitent le développement à faible coût de capteurs chimiques fiables. Dans ce contexte, les transistors chimiques à effet de champ ChemFETs et les microélectrodes offrent des solutions innovantes à condition d'optimiser l'interface entre les différents domaines que sont les microtechnologies, la biologie et la chimie. Au cours de cette thèse, nous nous sommes attachés à développer des techniques permettant de coupler des agents chimiques au silicium. Deux approches ont été étudiées, toutes les deux basées sur l'utilisation de polymère. La première approche a été centrée sur le développement des techniques d'encapsulation avec la réalisation de microcuves et micro-canaux d'analyse en PDMS. Le suivi de l'activité bactérienne à l'aide de pH-ISFETs a été optimisé dans le cadre de l'étude des lactobacillus acidophilolus. La deuxième approche s'est intéressée à l'adaptation des ChemFETs et des microélectrodes d'or à la détection d'ions tels que le potassium et le sodium. L'utilisation des techniques de photolithographie a ainsi permis la fabrication collective de couches ionosensibles en PSX (polysiloxane)The chemical and biological analysis techniques require the low cost development of reliable chemical sensors. In this context, the chemical field effect transistors ChemFETs and the microelectrodes offer innovating solutions but it involves an optimized interface between microtechnology, biology and chemistry. During this thesis, we have developed techniques allowing to couple chemical agents with silicon. Two approaches were studied, both based on the polymer use. First approach was centred on the encapsulation techniques development with realization of analysis microcuves and micro-canals in PDMS. The bacterial activity monitoring with pH-ISFETs was optimized within the framework study of the lactobacillus acidophilolus. The second approach relies on ChemFETs adaptation and gold microelectrodes to ions detection such as potassium and sodium. The photolithography technique allows us to make ionosensible layers using PSX (polysiloxane) in order to realize ion detectionINIST-CNRS (INIST), under shelf-number: RP 17272 / SudocSudocFranceF

Développement des microcapteurs ChemFETs pour l'analyse de l'eau

L'intérêt porté aux microcapteurs électrochimiques ChemFETs (Chemical Field Effect Transistor) ne cesse de croître, stimulé par leurs nombreuses applications. Au cours de cette thèse, différentes structures de ChemFETs à canal non préformé et préformé ont été étudiées, simulées et réalisées. Le procédé technologique et l'encapsulation des ChemFETs à canal préformé ont été mis au point. Les caractéristiques électrochimiques de ces structures ChemFETs ont été effectuées afin de mettre en évidence l'influence du régime de fonctionnement du ChemFETs sur leurs paramètres de détection (sensibilité, linéarité...). Le microcapteur générique pH-ChemFET (grille SiO2/Si3N4) a été adapté à la détection de l'ion ammonium aboutissant à la réalisation de pNH4-ChemFET (grille SiO2/Si3N4/PSX). L'utilisation des techniques de photolithographie a permis la fabrication collective des couches ionosensibles à base d'une matrice organique en polysiloxane (PSX) et d'un ionophore associé: nonactine. La fonctionnalité des pH-ChemFETs et pNH4-ChemFETs a été vérifiée expérimentalement pour la gamme de concentration pH = [2-11] et pNH4 = [1-5] respectivement.The interest in electrochemical microsensors ChemFETs (Chemical Field Effect Transistor) continues unabated, stimulated by its wide range of applications. The simulation, the fabrication and the characterization of different ChemFET's structures (normally-off and normally-on) have been carried out during this work. The technological process and the packaging of normally-on ChemFETs sensors have been successfully developed. An analysis of the influence of the functioning ChemFET's mode on their characteristics (sensitivity, linearity...) has been done using an electrochemical characterization of chemical sensors.Finally, pH-ChemFETs (SiO2/Si3N4 gate) microsensors have been adapted to the ammonium ion NH4+ detection thanks to a polysiloxane (PSX) membrane containing nonactine as ionophore, leading to the realization of pNH4-ChemFETs (SiO2/Si3N4/PSX gate). The ion sensitive film was deposed using photolithography techniques. The performance of the pH-ChemFETs and pNH4-ChemFETs have been experimentally validated for the concentration range pH = [2-11] and pNH4 = [1-5] respectively.INIST-CNRS (INIST), under shelf-number: RP 17272 / SudocSudocFranceF

Fonctionnalisation de surfaces d'électrodes par un film de poly (3,4-éthylènedioxythiophène) PEDOT pour l'élaboration de microcapteur spécifique des acides ascorbique et urique (application à l'étude des propriétés antioxydantes du sérum sanguin)

TOULOUSE3-BU Sciences (315552104) / SudocSudocFranceF

Etude d'une structure amplificatrice pour le développement des capteurs (application à la détection en milieux aqueux)

Les capteurs chimiques CHEMFETs (Chemical Field Effect Transistor) ont été couramment utilisés pour la détection de diverses espèces chimiques (ions, molécules,). Cependant, la pertinence de la structure FET n'a jamais été discutée. Au premier abord, elle présente l'avantage d'intégrer naturellement les parties " détection ", i.e. la grille chimique sensible, et " mesure ", i.e. le canal source - drain mais, en contrepartie, est caractérisée par de faibles sensibilités (loi de Nernst : 59 mV/pH à 300K). Afin d'amplifier les propriétés de détection, il est nécessaire de séparer ces parties " détection " et " mesure ". Cette solution aboutit naturellement au développement de capacités chimiquement sensibles (Chemical Field Effect Transistor ou CHEMFET) et d'amplificateurs électroniques adaptés. Diverses structures CHEMFEC/MOSFET ont été étudiées afin d'amplifier la sensibilité de détection et la vérification expérimentale a été effectuée sur partir des capacités sensibles aux ions H+ (SiO2/Si3N4 pH-ISFEC). Des réponses linéaires et des sensibilités élevées (jusqu'à 775 mV/pH à 300K) ont été obtenues sur de grandes gammes de pH. Un bon accord a enfin été obtenu entre théorie, simulation et expérience, explicitant les différents défauts de mesure au travers de la prise en compte de phénomènes dynamiques et des propriétés de détection du matériau chimiquement sensible. Ces études ont été effectuées dans le cadre des capteurs chimiques CHEMFETs, mais elles pourront être facilement étendues à l'ensemble des microcapteurs basés sur le transistor à effet de champ (GASFET, RADFET,).Field effect transistors (FET) have been shown to be usable as transducers for many applications. However, the relevance of the FET structure itself has never been fully discussed. At first, by integrating in a single structure the detection part, i.e. the gate structure, and the measurement part, i.e. the source-drain channel, the FET seems to be the perfect solution for the collective fabrication of sensors. Therefore, since the FET potentiometric detection principle is well adapted to the ions detection, chemical field effect transistors (ChemFETs) sensors have been successfully developed for chemical applications. However, with the development of biotechnologies and the detection of various biochemical species (ARN strands, proteins, bacteria, cells,), the ChemFETs advantages do no longer exist. First, the FET potentiometric detection technique is not fully suited to such applications. Second, the overlap of the detection and measurement parts prevents the amplification of the detection properties. The development of chemical field effect capacitors (ChemFECs) based on the electrolyte/ insulator/semiconductor (EIS) structure can bring solutions for biochemical applications since they are suited for both potentiometric and impedancemetric detection technique. In return, they require the development of specific measurement and characterisation techniques. With this aim in view, an electronic structure associating a ChemFEC sensor and a MOSFET amplifier has been developed and successfully applied to a SiO2/Si3N4 pH-ChemFEC sensor. Varied theoretic and experimental studies have therefore been performed in order to explain thoroughly the dynamic behaviour of the FEC/MOSFET amplifier, taking into account the influences of the different electrical parameters of the whole structure and demonstrating the potentiometric and impedancemetric detection principle of the ChemFEC sensor.TOULOUSE-INSA (315552106) / SudocSudocFranceF

The effect of gamma sterilization on pH-ISFETs behaviour for single-use bioreactors

International audienceOne of the key requirements biomedical and pharmaceutical sensors have to satisfy is their ability to withstand sterilization cycle. In this paper, the influence of gamma sterilization on the electrical and electrochemical characterizations of pH-ISFET sensors is examined before and after gamma irradiation. The ion-sensitive field effect transistor (ISFET) was intended for use in single-use bioreactor. It is shown that pH-ISFET is suitable for use in vitro analysis and more precisely for bioreactors