Etudes technologiques de composants PDMS pour applications biomédicales : développement de capteurs souples de pression par transfert de film

Study of technologies of PDMS devices for biomedical applications : development of fabrication of flexible pressure sensors arrays by film transfer

• Auteur / Autrice : Thi hong nhung Dinh
• Direction : Elisabeth Dufour-Gergam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique et optoélectronique, nano- et microtechnologies
• Date : Soutenance le 24/11/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Pernod
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Pernod, Isabelle Dufour Dabadie, Anne-Marie Haghiri-Gosnet, Skandar Basrour, Pierre-Yves Joubert, Emile Martincic
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Abdelhamid Errachid El Salhi, Isabelle Dufour Dabadie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Microcapteurs

Microtechniques

Mots clés libres

Micro-Capteurs de pression

Capteurs souples

Procédé de microfabrication

Polymères PDMS

Collage réversible

Caractérisations électromécaniques

Capacitive pressure sensors

Flexible sensors

Micro-Fabrication process

Pdms

Reversible packaging

Film transfer

Résumé

Les travaux de thèse portent sur le développement de méthodologies d'élaboration de dispositifs à base de polymères PDMS, destinés à des applications médicales. Ce travail s'appuie sur deux volets applicatifs : le développement de matrices de micro-capteurs capacitifs souples portables destinées à la mesure de champs de pression dans un contexte de suivi d'appuis du corps humain, et le développement d'une technique de collage réversible de composants PDMS dans une application de laboratoire sur puce en micro-fluidique. Dans ces travaux, les propriétés mécaniques du PDMS sont déterminées expérimentalement et à l'aide de modélisations numériques, afin d'identifier les éléments essentiels du dimensionnement des micro-capteurs capacitifs. Différents types de micro-capteurs de pression souples sont réalisés par un procédé de microfabrication à transfert de films. Ce procédé est optimisé à chacune de ses étapes afin d'obtenir un procédé fiable et reproductible. Les caractérisations électromécaniques montrent que les capteurs fabriqués sont opérationnels et adaptés aux applications médicales visées. Les capteurs de pression normale ont une variation de capacité de 3 à 17 % à 10 N - 300 kPa, adaptée à une application dentaire. Les capteurs à trois axes de sensibilité ont une résolution spatiale de 25 mm2, et une sensibilité de 4 % à 3 N en compression et 1,4 % par Newton en cisaillement pur, et sont adaptés à une application de mesure de la pression plantaire destinée à l'analyse de la marche et la détection des hyper-appuis. Par ailleurs, deux méthodes différentes permettant le collage réversible de composants PDMS sont développées. Les dispositifs microfluidiques fabriqués avec ces méthodes peuvent être utilisés avec jusqu'à 5 cycles de collage/décollage, et travailler à débit élevé (500 µL/min, correspondant à une pression de 148 kPa). Les méthodologies développées dans ces travaux ouvrent la voie à l'élaboration de dispositifs à base de PDMS performants et optimisés pour répondre à des cahiers des charges exigeants pour des applications biomédicales ciblées.

This thesis focuses on the development of methodologies dedicated to the development of PDMS-based devices, which are required in medical applications. Two objective applications are considered in this work: i) the development of wearable flexible micro-sensors arrays for measuring pressure fields on human body and ii) the development of a reversible bonding technique of PDMS components dedicated to microfluidic chips. In this work, the mechanical properties of PDMS are determined using experiments and computations; they allow identifying the essential elements of the design of capacitive micro-sensors. The manufacturing process is reliable and reproducible, and different types of flexible pressure sensor have been fabricated by a film transfer process. Electromechanical characterizations show that the fabricated sensors are fully operational and suitable for the intended applications. Normal pressure sensors have a capacitance change ranging from 3 to 17% under a 10 N - 300 kPa - load, which is suitable for dental applications. Fabricated triaxial sensor arrays have a spatial resolution of 25 mm2, and a sensitivity of 4% under 3 N load in compression, and 1.4% / N under shear. These features are suitable for plantar pressure measurements required in gait analyses or for the detection of over-pressures. Besides, two different process methods for the reversible bonding of PDMS devices are developed. The microfluidic devices fabrcitated with these methods can be used within up to 5 “bonding & peeling off” cycles, and can be working at high microfluidic flows (500 µL / min, corresponding to a pressure of 148 kPa). The methodologies developed in these works open the way to the design and fabrication of PDMS-based devices suitable for demanding biomedical applications.