Etude et réalisation d'un MEMS, intégrant des membranes avec actionneurs piézoélectriques, dédié à l'identification des propriétés de cellules biologiques

Study and development of MEMS components for biological applications

• Auteur / Autrice : Baptiste Neff
• Direction : Vincent Agache, Fabrice Casset, Arnaud Millet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique pour les sciences du vivant
• Date : Soutenance le 17/12/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Picart
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Skandar Basrour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Legrand, Cédric Ayela

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lamb, Ondes de

Systèmes microélectromécaniques

Mots clés libres

Microsystème

Actionneur piézoélectrique

Applications biologiques

Mems

Piezoelectric actuator

Biological applications

Résumé

Les systèmes vibrants proposent de manière grandissante des dispositifs en lien avec un environnement liquide pour des applications en tant que capteur et actionneur. Le fait d’immerger ces systèmes dans un milieu liquide entraine une forte atténuation des performances comparée à une utilisation dans l’air ou dans le vide. Dans notre approche et grâce à l’utilisation d’actionneurs piézoélectriques placés sur une structure de verre, des ondes de Lamb antisymétriques sont générées. Dans leur régime subsonique, ces ondes ne rayonnent pas dans le milieu liquide ce qui leur permettent de ne pas être atténuer et d’ainsi avoir un comportement sans pertes. Les caractérisations électromécaniques réalisées selon différentes configurations en milieu liquide ont permis de mesurer les performances du système en termes de fréquences de résonance, de facteurs de qualité et d’amplitudes de déplacement générées. Deux preuves de concept sont présentées. La première consiste à l’utilisation des ondes de Lamb pour réaliser des mesures simultanées de densité et de viscosité. Le capteur ainsi développé s’est montré adapté à la mesure d’importantes viscosités grâce à ses faibles pertes et ses forts facteurs de qualité en environnement hautement visqueux. La seconde preuve de concept est réalisée en milieu biologique autour de la formation de motifs de cellules adhérentes lors d’une culture cellulaire. Grâce aux forces acoustiques produites par la mise en vibration du système il est possible de créer des cicatrices millimétriques de cellules adhérentes à un support de verre. Les dimensions de ces zones d’exclusion peuvent varier selon plusieurs paramètres étudiés dont l’harmonique du mode de vibration généré. La méthode décrite permet une manipulation sans contact des cellules pour notamment des études sur la migration cellulaire. De par sa versatilité d’utilisation en tant que capteur et actionneur, le système présenté dans ces travaux a démontré la pertinence des ondes de Lamb pour des applications fluidiques et biologiques.

Vibrating systems offer more and more applications with liquid environment both as sensors and actuators. Immersed systems suffer from a high damping compared to a use in vacuum or air. In our approach, thanks to the use of piezoelectric actuators placed on a glass structure, antisymmetric Lamb waves are generated within the glass. In their subsonic regime of propagation, Lamb waves do not radiate in liquid and thus are not damped and exhibit a lossless behavior. Electromechanical characterizations are performed in different liquid configurations to determine the resonance frequencies, quality factors and displacements generated by the Lamb waves. Two proof of concept are presented. The first one is to use Lamb waves as a sensor to determine simultaneously density and viscosity of liquid. The developed sensor as shown to be adapted to measure density and high viscosity thanks to its low losses and high quality factors in highly viscous environment. The second proof of concept demonstrated in a biological environment is the creation of patterns on a population of adherent living cells in culture. Thanks to acoustic forces in liquid generated by vibration it is possible to create millimetric lines of exclusion for adherent cells on the glass substrate. Dimensions of the established patterns depends on various studied parameters including Lamb wave order. The described method allows a contactless manipulation of living cells for studies about cell migration. This work shows a new approach of the use of Lamb waves used as sensor or actuator for applications in a fluidic or biological environment.