Conception, réalisation et modélisation de microcapteurs pour l'analyse biochimique : application à la détection de l'urée

par Ahmed Benyahia

Thèse de doctorat en Micro et nano système

Sous la direction de Pierre Temple-Boyer.

Soutenue en 2010

à Toulouse 3 .

mots clés

• PH-ChemFET
• EnFET
• Microélectrode
• Modélisation
• Urée
• Microcapteurs
• Diagnostic biologique
• Urée
• Médecine -- Appareils et matériel

Résumé

Les récents développements dans l'analyse chimique et biochimique, grâce à la technologie des ChemFETs, ont permis de proposer un large champ d'application. Ces composants ont besoin néanmoins d'être développés pour des applications médicales et agroalimentaires comme la transduction, l'intégration de couches sensibles et l'intégration de l'électrode de référence. Au cours de cette thèse, une étude sur l'intégration d'une microélectrode de référence a été réalisée pour permettre de concevoir une puce ChemFET tout intégrée, avec les techniques de la microélectronique. Cette microélectrode doit imposer un potentiel stable au milieu d'analyse, ayant une faible dérive temporelle, et une longue durée de vie. Ainsi, nos travaux ont conduit au développement d'un nouveau procédé de fabrication de puce pH-ChemFET. Ces nouvelles structures ont été réalisées au sein de la centrale du LAAS- CNRS et validées par leurs caractérisations. La compréhension des phénomènes interagissants, la prévision du fonctionnement, l'influence de l'environnement passent par la modélisation et la simulation. Les modèles existant des pH-ChemFET sont nombreux et robustes. Cependant, concernant les détecteurs enzymatiques EnFETs, il n'existe pas de modèle intégrant tous les phénomènes physico-chimiques. Ainsi, nous avons développé un modèle intégrant la diffusion, la cinétique enzymatique, les équations acido-basiques, le flux, la réponse potentiometrique. Ce modèle a permis la compréhension des mécanismes physiques et d'étudier l'impact des différentes grandeurs influentes. A partir de ce modèle adaptable aux différents capteurs enzymatiques, des EnFETs ont été ainsi réalisées. Les caractérisations de ces détecteurs ont permis par la concordance des résultats expérimentaux et des résultats de simulation, de montrer la validité et la robustesse du modèle.

Titre traduit

Realization and modeling of microsensor to biochemical measurement

Résumé

Recent developments in chemical and biochemical analysis have allowed its use to a wide variety of applications, thanks to the ChemFET technology. However, several aspects of these components still need to be developed for use in medical and food-industry applications, like selectivity and sensitivity, as well as technological integration of the sensitive layers and a reference electrode. In this thesis, a study on the integration of a reference microelectrode was conducted to allow for the design of a fully integrated ChemFET chip fabricated with standard microelectronics processes. The microelectrode must apply a constant potential in the media to be analyzed, with low temporal drift, and long life. Thus, our work has led to the development of a new chip manufacturing process for pH-ChemFETs. These new structures have been fabricated in LAAS-CNRS and their function validated by their characterizations. More insight on the interacting phenomena and the influence of environmental parameters can be gained by modeling and simulation. Existing models of pH-CHEMFETS are numerous and robust. However, for enzymatic EnFETs detectors, there is no model that integrates all the physico-chemical interactions. Thus, we have developed a model that incorporates diffusion, enzyme kinetics, acid-base equations, flow and potentiometric response. The model has allowed the understanding of physical mechanisms and to study the impact of each input parameter. This model which can be adaptad to suit different types of enzymatic sensors has been applied to the fabricated EnFETs. The good agreement between experimental results and simulation demonstrate the validity and robustness of the proposed model.