MEMS à veine fluidique intégrée pour la caractérisation et la pesée d'échantillons liquides

par Céline Hadji

Thèse de doctorat en Physique appliquée

Sous la direction de Elisabeth Charlaix et de Picard Cyril.

Soutenue le 04-11-2016

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Élise Lorenceau.

Le jury était composé de Vincent Agache.

Les rapporteurs étaient Bernard Legrand, Vincent Thomy.


  • Résumé

    Les systèmes MEMS et NEMS permettent, par résonance mécanique, des mesures de masse avec une sensibilité et une résolution propices à la caractérisation d'objets de taille micro- et nanométrique. Ces dispositifs, adaptés à une intégration dans des systèmes d'analyse miniatures plus complexes, sont d'intérêt pour la recherche biomédicale et la détection de particules. Toutefois la caractérisation en milieu liquide reste à ce jour délicate, principalement à cause de phénomènes dissipatifs associés à la mise en mouvement du fluide environnant le dispositif vibrant.Afin de lever ce verrou, l’équipe au sein de laquelle s’est déroulée cette thèse a développé des MEMS fluidiques sous forme de plaques minces mises en vibration dans leur plan de manière à limiter l'excitation du fluide environnant. Chaque plaque comporte un canal microfluidique permettant la circulation d'un liquide dont la masse moyenne est précisément déterminée par la fréquence de résonance du système. A terme, l'ambition de ces systèmes est de parvenir à révéler, par un décalage en fréquence, le passage au sein de la plaque vibrante d’une particule unique transportée par le liquide.Deux objectifs ont été atteints dans le cadre de cette thèse. D'une part, le comportement de ces structures en présence de divers liquides a été finement caractérisé ce qui a permis d’évaluer leurs performances réelles en fonction des conditions d'excitation. La résolution mesurée pour ces capteurs est de l’ordre de quelques g.L-1, pour une sensibilité d’environ 100 Hz.(g.L-1)-1.D'autre part, une nouvelle génération de capteurs aux caractéristiques innovantes a été conçue en vue d’abaisser le seuil de détection en diminuant la masse des résonateurs et en améliorant le bruit en fréquence.Ce manuscrit sera articulé autour de quatre chapitres. Le premier propose un état de l’art des techniques existantes pour la caractérisation de particules en fluide, et détaille ensuite les solutions MEMS et NEMS développées à cette fin dans la littérature. Le second chapitre livre les résultats issus de la caractérisation d’une première génération de MEMS fluidiques. Le troisième décrit les observations et mesures réalises, et propose des perspectives d’amélioration de ces composants ainsi que de leur protocole de caractérisation. Enfin, on présente dans le dernier chapitre une nouvelle génération de NEMS conçue et fabriquée au cours de cette thèse ; pour finir sont discutés les choix réalisés et les perspectives d’évolution attendues pour ces composants.

  • Titre traduit

    MEMS with an embedded microchannel for characterization and weighing of fluidic samples


  • Résumé

    MEMS and NEMS allow sensitive and precise mass detection consistent with micro- and bio- objects analysis. These systems are promising for biomedical research and particle metrology, and can be easily integrated in miniaturized multifunctional systems. Thererfore, characterization in liquid media remains tricky due to viscous dissipation consequent to the movement induced in the fluidic environment.In order to overcome this technological lock, our laboratory previously designed and fabricated specific MEMS devices for fluidic analysis; these thin plate resonators with and embedded microchannel are actuated in liquid media, with four capacitive electrodes providing both actuation and detection. The circulating fluid mass can be precisely measured by monitoring the device’s resonant frequency. The long-term objective is to be able to detect and weigh one single particle transported by the fluid.Two main objectives were fulfilled during these three years. First, the MEMS behaviour in presence of various liquids was evaluated, providing a fine-grained analysis of their performances as mass sensors. The measured resolution of our sensors is about a few g.L-1 with a sensitivity of 100 Hz.(g.m-3)-1.Meanwhile, a new generation of NEMS sensors with innovative features was designed; the objective is to decrease the effective mass and reduce the frequency noise, both for a better mass resolution.This thesis includes four chapters. The first one consists in a review of the existing techniques for particles characterization in fluid as well as MEMS and NEMS solutions for particles metrology described in the litterature. The second part of the manuscript presents the results of the experimental characterizations carried out on the first generation of sensors. The third chapter gathers the conclusions of these measurements and gives an outlook on possible improvements on both the design and the characterization of the sensors. At last, the fourth part describes the new generation of devices and discusses their characteristics in terms of expected resolution and applications.


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