Etude de nouvelles architectures de laboratoires sur puces hyperfréquences intégrées sur CMOS pour les applications biomédicales

par Meissa Babay

Thèse de doctorat en Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes

Sous la direction de Arnaud Pothier, David Cordeau et de Bruno Barelaud.

Soutenue le 15-06-2020

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le jury était composé de Arnaud Pothier, David Cordeau, Bruno Barelaud, François Danneville, Cristiano Palego, Pierre Blondy, Claire Dalmay.

Les rapporteurs étaient Philippe Ferrari, François Rivet.


  • Résumé

    Le travail proposé dans ce manuscrit de thèse concerne le développement, la conception et l’implémentation d’une architecture originale et innovante d’un biocapteur RF actif dédié à la spectroscopie diélectrique hyperfréquence. Le capteur développé est basé sur une détection capacitive. Il permet de détecter, d’analyser et de discriminer des échantillons biologiques mis sous test telles que des cellules cancéreuses, en suspension dans un canal microfluidique, en fonction de leurs propriétés diélectriques. Il est capable de mesurer les différences existantes entre elles avec une très haute sensibilité. Le système de détection développé est basé sur deux oscillateurs LC verrouillés par injection, fonctionnant à une fréquence proche de 5 GHz et intégré sur un substrat silicium en technologie BiCMOS SiGe:C 0,25 μm de IHP. Le fonctionnement du circuit a été validé en premier lieu avec des simulations électriques et post-layout. Le système de détection proposé est capable d’atteindre, en travaillant en mode faible injection, les performances requises en ce qui concerne la sensibilité de détection (de l’ordre de 2 ppm), ce qui permet de pouvoir à termes détecter et caractériser avec précision les propriétés diélectriques de cellules biologiques. Un banc de mesure dédié a été développé une fois le prototype fabriqué afin de caractériser le circuit. Les expérimentations ont démontré que le dispositif présente des résultats de mesures prometteurs qui concordent avec les simulations. Cela démontre le fort potentiel de l'approche proposée permettant à termes de pouvoir détecter et mesurer des différences entre les éléments biologiques d’une manière non invasive.

  • Titre traduit

    Study of new CMOS integrated architectures of lab-on-chip for biomedical applications


  • Résumé

    The proposed work presented in this thesis concerns the design and the implementation of an original and innovative architecture of an active RF biosensor dedicated to microwave dielectric spectroscopy. The developed sensor is based on capacitive detection. It is able to detect, analyze and discriminate biological samples, such as cancer cells, suspended in a microfluidic channel, according to their dielectric properties. It is capable of measuring the existing differences between them with a very high sensitivity. A detection system, based on two LC injection locked oscillators (ILOs) operating at a frequency close to 5 GHz and integrated on a silicon substrate using a BiCMOS SiGe: C 0.25 μm technology, was designed. The concept was at the first validated with electrical and post-layout simulations. The detection system is capable of achieving, in low injection mode, the required performance regarding the detection sensitivity (in the order of 2 ppm), which makes it possible to detect and characterize with precision the dielectric properties of biological cells. A dedicated measurement bench have been developed once the prototype manufactured in order to characterize the circuit. Experiments have demonstrated that the proposed circuit presents promising measurement results with a good agreement with simulations. This demonstrates the high potential of the proposed approach, which make it possible to detect and measure differences between biological elements in a non-invasive way.


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