Evaluation de couches barrières biocompatibles pour l’encapsulation de dispositifs médicaux microélectroniques

par Jorge Mario Herrera Morales

Thèse de doctorat en Biotechnologie, instrumentation, signal et imagerie pour la biologie, la médecine et l'environnement

Sous la direction de François Berger et de Jean-Charles Souriau.

Soutenue le 23-11-2015

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale ingénierie pour la santé, la cognition, l'environnement (Grenoble) , en partenariat avec CEA Grenoble-LETI (laboratoire) et de Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Alain Ripart.

Le jury était composé de François Berger, Jean-Charles Souriau, David Marcel Jean Ratel.

Les rapporteurs étaient Christian Bergaud, George Malliaras.


  • Résumé

    Les dispositifs médicaux miniaturisés sont de plus en plus répandus dans le monde médical, car ils offrent de nouvelles opportunités de traitement et de surveillance. La miniaturisation des systèmes permet notamment une chirurgie minimalement invasive, une portabilité améliorée et une facilité d'utilisation. Parmi les exemples on peut mentionner les micro-stimulateurs cardiaques, les micro-implants cochléaires et les micro-capteurs ex-situ de glucose. Cependant, les micro-dispositifs implantables qui utilisent des technologies d'assemblage autres que les boîtiers métalliques sont encore à découvrir. La surveillance de paramètres physiologiques à l'aide de capteurs in-situ de pression et BioMEMS pourraient bénéficier des progrès faits sur les études d'encapsulation en couche mince destinées à protéger les micro-dispositifs de silicium contre la corrosion. En effet, une barrière qui empêche la diffusion et la pénétration des substances nocives est indispensable pour protéger à la fois le patient et le micro-dispositif. Les couches minces céramiques déposées par des procédés chimiques en phase vapeur sont de bons candidats grâce à leurs faibles perméabilités aux gazes, faibles réactivités chimique et conformités de dépôt élevées. Cependant, dans des milieux biologiques représentatifs du corps humain, peu d'études ont été réalisées dans le domaine de la protection des dispositifs microélectroniques contre la corrosion.Au cours de cette thèse, dix matériaux, choisis à l'issue d'une étude bibliographique, ont été étudiés: Al2O3, BN, DLC, HfO2, SiC, SiN, SiO2, SiOC, TiO2 et ZnO. Des couches ultrafines de ces matériaux (de 5 à 100 nm) ont été déposées par voie chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) ou par couches atomiques (ALD) sur des substrats silicium recouverts de matériaux généralement présents dans des dispositifs microélectroniques tels que le silicium cristallin, le cuivre, le tungstène nitrure et le poly-imide. Des mesures de cytotoxicité ont été réalisées et des tests de vieillissement ont été effectués pendant plusieurs semaines à des températures différentes dans une solution saline phosphatée (PBS) mais aussi dans une solution à base de sérum de veau fœtale (NaCl/SVF). Les changements dans la composition chimique et l'épaisseur ont été suivies par VASE, XPS et spectroscopie de masse d'ions secondaires à temps de vol (TOF-SIMS). Il a été montré que les couches de SiO2 et de SiN (généralement utilisées pour la protection dans l'industrie de la microélectronique) n'étaient pas stables dans le PBS et le NaCl/SVF à 37°C, même si en revanche elles offraient une bonne barrière aux gazes. L'Al2O3 a lui montré une très bonne tenu en milieu salin et une remarquable herméticité mais en revanche, il s'est corrodé rapidement dans le NaCl/SVF. Les couches de DLC, SiOC et TiO2 ont donné les meilleurs résultats de stabilité dans le PBS et le sérum de veau. Enfin, il a aussi été montré dans cette thèse que l'empilement TiO2 sur Al2O3 offrait la meilleure efficacité comme barrière hermétique et diffusive pour la protection des microsystèmes de silicium contre la corrosion dans les milieux salins.

  • Titre traduit

    Evaluating biocompatible barrier films as encapsulants of medical micro devices


  • Résumé

    Miniaturized medical devices are becoming increasingly adopted by doctors and patients because they enable new treatment and monitoring capabilities, minimally invasive surgery, improved portability and ease of use. Recent examples include micro pacemakers, micro cochlear implants and ex-situ micro glucose sensors. However, implantable micro devices employing packaging technologies other than metallic enclosures are yet to be seen. Physiological monitors such as in-situ pressure sensors and BioMEMS could profit significantly from advances in thin barrier films for corrosion protection of silicon micro devices. Coating films that stop the diffusion and permeation of harmful substances are necessary to protect both the patient and the micro device. Ceramic films deposited by chemical vapor deposition techniques are good candidates for this task due to their low permeability to gases, low chemical reactivity and high conformality. However, few studies are available about the corrosion protection offered by biocompatible coatings to microelectronic devices in representative biological environments.Ten materials were selected in this thesis after a bibliographic study: Al2O3, BN, DLC, HfO2, SiC, SiN, SiO2, SiOC, TiO2 and ZnO. Ultra-thin films of these materials (5-100 nm) were deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) or atomic layer deposition (ALD) on substrates commonly found in electronic micro devices: crystalline silicon, copper, tungsten nitride and polyimide. In vitro cytotoxicity tests and degradation tests were performed for several weeks at different temperatures in Phosphate Buffer Saline (PBS) and NaCl supplemented with 10% Fetal Bovine Serum (NaCl/FBS). Changes in thickness and chemical composition were monitored by VASE, XPS and time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS). It was found that SiO2 and SiN films (generally used for protection in the microelectronics industry) are not stable in PBS and NaCl/FBS at 37°C, even though they act as good hermetic barriers. Al2O3 showed very good stability in saline solution and excellent behavior as gas barrier, but it was rapidly dissolved in NaCl/FBS.In contrast, films of DLC, SiOC and TiO2 showed very low chemical reactivity in both mediums. Finally, it was shown that multilayers of TiO2 on Al2O3 offer the best performance as hermetic and diffusion barriers for corrosion protection of silicon micro systems in saline environments.


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