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Université Paul Sabatier - Toulouse III (09/10/2003), Bergaud Christian (Dir.)
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Conception, réalisation et caractérisation de biocapteurs micromécaniques résonants en silicium avec actionnement piézoélectrique intégré : détection de l'adsorption de nanoparticules d'or
Matthieu Guirardel1

Ce travail consiste en l'étude et la réalisation d'un micro-capteur destiné à la mesure de concentration d'un composé en solution. La méthode de détection est basée sur la variation de fréquence de résonance d'un micro-dispositif mécanique dont la surface est fonctionnalisée pour adsorber le composé à mesurer. Ces biocapteurs en silicium, sous forme de micromembranes piézoélectriques, sont remarquables par leur grande sensibilité et la possibilité d'explorer en parallèle de nombreux échantillons. Après avoir exposé les différentes technologies de biocapteurs existantes, l'étude se concentre sur l'optimisation des conditions d'élaboration de couches minces piézoélectriques pour obtenir un procédé technologique parfaitement compatible avec la technologie silicium. Une caractérisation mécanique de ces membranes a été effectuée par interférométrie optique 3D pour extraire le coefficient piézoélectrique du matériau. Les premières membranes réalisées présentent des propriétés d'actionnement excellentes. Une deuxième génération de membranes a ensuite été réalisée en modifiant les géométries des différentes couches. La sensibilité obtenue est compatible avec les seuils de détection nécessaires pour la détection de molécules biologiques. Des protocoles chimiques permettant la fonctionnalisation de la surface des micromembranes ont ensuite été développés. L'évaluation du comportement du microdispositif en situation, c'est-à-dire en milieu liquide, a enfin été effectuée. Pour cela, une cellule fluidique avec régulation de température a été mise au point. Les membranes piézoélectriques ont été positionnées à l'intérieur de cette cellule fluidique pour mesurer la cinétique d'adsorption de nanoparticules d'or en solution. Dans le cadre des biopuces, des microleviers permettant le dépôt de micro-gouttes de solutions ont aussi été développés. Ils permettent notamment de fonctionnaliser individuellement chaque membrane et présentent l'avantage de ne pas endommager les microstructures.
1:  LAAS - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes [Toulouse]
Capteur biologique – Micro et nano technologies – Résonateur mécanique – Modes de résonance – Microbalance – Microlevier – Piézoélectrecité – PZT

This work consists in the study and development of a microsensor assigned to measure compound concentration in solution. Detection method is based on resonance frequency shift of a mechanical microdevice whose surface has been functionnalized to adsorb the compound to be measured. These silicon-based biosensors that are piezoelectric micromembranes, are remarkable for their high sensitivity and their ability to explore in parallel many samples. After a description of the various biosensor technologies, we focus our work on the optimisation of piezoelectric thin film deposition to obtain a silicon-compatible technology. A mechanical characterization of these membranes is then performed by optical 3D interferometry to extract the piezoelectric coefficient. The first manufactured membranes show excellent actuation properties. A second generation of membranes has been next developed with modified film geometries. The obtained sensitivity is compatible with detection threshold required to detect biomolecules. Then, chemical protocols have been developed to functionalize the micromembrane surface. Finally, the evaluation of the microdevice behaviour in actual situation, i.e. in liquid, has been carried out. For this measurement, a temperature regulated fluidic cell has been adjusted. The piezoelectric membrane has been positioned inside this fluidic cell to measure the adsorption kinetic of gold nanoparticles in solution. For biochip applications, dedicated microcantilevers for depositing liquid micro-spot have been developed. They allow in particular functionalizing individually each membrane and offer the advantage not to damage the microdevices.

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