Lab-on-a-chip for high frequency acoustic characterization

par Jiaming Gao

Thèse de doctorat en Micro et Nanotechnologies, Acoustique et Télécommunications

  • Titre traduit

    Laboratoire sur puce pour caractérisation acoustique haute fréquence


  • Résumé

    Ce travail de thèse s’est porté sur le développement technologique d’un laboratoire sur puce permettant la caractérisation ultrasonore de milieux biologiques en canal microfluidique grâce à des transducteurs de ZnO fonctionnant à une fréquence centrale de 1 GHz. Ce système permet de caractériser, par la transmission d’ondes longitudinales de volume au travers de ce canal, les propriétés mécaniques du milieu sous investigation. Les ondes de volume sont guidées dans une direction parallèle à la surface du substrat grâce à l’introduction de miroirs à 45° obtenus par gravures humides. Cette thèse s’est portée plus particulièrement sur les développements technologiques des briques de base (transducteur ultrasonore en couche mince, miroirs acoustiques, canal microfluidique, lentille cylindrique) ainsi que leur intégration dans un laboratoire sur puce à base de silicium et PDMS. Ces élément ont été étudiés et optimisés afin de réussir le guidage d’ondes dans le substrat de silicium vers le canal microfluidique d’un transducteur émetteur vers un transducteur récepteur. Ce système a permis de réaliser des essais de détection de particules, des mesures de concentration de milieu de référence et également de faire des premières mesures sur des liquides biologiques grâce à l’utilisation de lentilles cylindriques obtenues par gravure plasma.


  • Résumé

    This thesis presents an acoustofluidics platform for elastic characterization of biological samples using ultra high frequency (~1GHz) ultrasonic bulk acoustic waves (BAW). Passive 45° mirror planes obtained by wet chemical etching can be used to control bulk acoustic wave to transmit in the directions parallel to the surface of the silicon wafer. Zinc oxide (ZnO) thin film transducers were deposited by radio frequency sputtering on the other side of the wafer, which act as emitter/receiver after aligned with the mirrors. A microchannel fabricated using ICP technology was inserted between 45° mirror and vertical mirrors to realize the real time biosensing applications. To validate the design and technology of the silicon and PDMS-based platform, the propagation of bulk acoustic waves through the microfluidic channel was studied. This lab-on–a-chip platform was used to characterize different concentrations of chemical solutions in the microfluidic channel and detect latex particles passing through the channel. Moreover, with this design, a confocal cylindrical lens using ICP technology was integrated in the microsystem. The confocal lens controls the phase of acoustic waves for focusing which is used to characterize and detect biosamples (e.g. blood cells), especially on-line to evaluate the concentration of red blood cells.


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