Conception, fabrication, caractérisation de micromembranes résonantes en silicium, à actionnement piézoélectrique et détection piézorésistive intégrés appliquées à la détection d'agents biologiques simulant la menace

par Thomas Alava

Thèse de doctorat en Micro et nano système

Sous la direction de Liviu Nicu.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    La menace d'une attaque biologique massive et létale visant les armées ont obligé les institutions de recherche militaire à investir massivement dans la préparation à une telle éventualité. La réponse à donner est conditionnée par les capacités de perception et d'indentification de l'attaque biologique. Ainsi, le besoin en solution de détection et de reconnaissance biologique fiables et peu chères est crucial. Nous abordons dans ces travaux de thèse le cas de biocapteurs basés sur des micromembranes résonantes en silicium, assemblées par des technologies de microfabrication classiques. Nous montrons tout d'abord les avantages comparés de ce type de capteur pour répondre à la problématique donnée. Puis, nous rapportons l'étude théorique permettant le dimensionnement des micromembranes. La mise en vibration des membranes est assurée par l'action d'une pastille piézoélectrique, la détection du mouvement est effectuée par une jauge piézorésistive. Nous abordons par la suite, la fabrication du microsystème, son conditionnement et la fabrication de l'électronique de détection. Enfin la caractérisation électrique, mécano-électrique puis biologique des membranes nous permet d'exposer les résultats obtenus par rapport à l'état de l'art. Premièrement, l'auteur démontre la co-intégration physique des phénomènes piézoélectrique et piézorésistif dans une même structure résonante. Est démontrée ensuite la capacité à suivre en temps réel la fréquence de résonance des membranes par détection piézorésistive, lorsque celles-ci sont immergées dans un milieu biologique aqueux. Pour terminer, les résultats biologiques quant à la détection d'agents simulant la menace biologique sont présentés.

  • Titre traduit

    Design, fabrication, characterization of resonating silicon micro-membranes, with integrated piezoelectric actuation and piezoresistive read-out, applied to detection of biological warfare agents surrogates


  • Résumé

    The threat of a massive biological attack aiming at armies has compelled military research institutions to invest massively in planning the response to such an attack. The response is contingent to abilities of perception and identification of this attack. Therefore, the need of low-cost, reliable, easily transportable, biological detection solutions is crucial. In this manuscript, we study the cases of biosensors based on silicon resonant micro-membranes, fabricated by standards micro-fabrication techniques. We first emphasize the advantages of these types of sensors to fill the requirements of the studied problematic. Then, according to initial objectives expressed in term of mass resolution and sensitivity, we report the theoretical study enabling the sizing and design of micro-membranes in order to satisfy these requirements. The detection principle is micro-gravimetry. The vibration of membranes is provided through a piezoelectric patch, the vibration detection is operated by piezoresistances located at clamping. We report the micro-systems fabrication, their packaging and the fabrication of associated electronics. Finally, the electrical, electro-mechanical and biological characterization enables the focus on main results. First, we demonstrate the physical co-integration of piezoelectric and piezoresistive phenomena inside a same resonating microstructure. Then, the ability to track in real time the resonant frequency of several multiplexed micro-membranes vibrating in a liquid media provided to piezoresistive detection of vibration is reported. At last, results obtained for detection of biological warfare agents' surrogates are presented.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (185 p.)
  • Annexes : Bibliogr. à la fin des chapitres

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2010TOU30111
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