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

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

• Auteur / Autrice : Meissa Babay
• Direction : Arnaud Pothier, David Cordeau, Bruno Barelaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des hautes fréquences, photonique et systèmes
• Date : Soutenance le 15/06/2020
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Pothier, David Cordeau, Bruno Barelaud, François Danneville, Cristiano Palego, Pierre Blondy, Claire Dalmay
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Ferrari, François Rivet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Emploi en diagnostic

Spectroscopie diélectrique large bande

BiCMOS

Oscillateurs radiofréquences

Biocapteurs

Mots clés libres

Biocapteur RF

Oscillateurs verrouillés par injection

BiCMOS

Spectroscopie diélectrique

RF biosensors

Injection locked oscillator

BiCMOS

Dielectric spectroscopy

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.

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.