vid´eo et informatique complexes suppl´ementaires pour assurer ces ´etapes. Cependant, utilis´ee en manuel, cette m´ethode a l’avantage d’ˆetre efficace et de mettre en œuvre une instrumentation relativement simple.
Une approche alternative se base sur la diffraction d’un faisceau laser sur un r´eseau de leviers interdigit´es [69, 70]. L’intensit´e de la figure de diffraction d´epend alors de la d´eflexion des leviers. Cette technique ne n´ecessite pas forc´ement de modification de la chaˆıne de mesure ´equipant le banc de d´eflexion laser vu pr´ec´edemment.
Une autre m´ethode optique utilise l’interf´erom´etrie laser ou optique pour d´eterminer la position du levier. Cette m´ethode permet d’obtenir une mesure directe et absolue du d´eplacement du levier [71, 72, 73]. La mesure peut ˆetre effectu´ee sur une matrice de leviers et permet aussi l’automatisation de la mesure23.
Quittons le domaine optique pour des syst`emes plus proches de la micro-´electronique. L’int´egration d’une couche de mat´eriau pi´ezo´electrique sur la poutre permet la mesure et mˆeme l’actionnement de sa d´eflexion [74].
La mesure de la variation de capacit´e entre le levier et une ´electrode fixe donne aussi de bons r´esultats [75]. Nonobstant, il n’est pas possible d’utiliser cette m´ethode dans les liquides et elle est surtout sensible aux grands d´eplacements.
Terminons enfin par l’incorporation de pi´ezor´esistances qui agissent comme des jauges de contraintes. Cette technique est une excellente mani`ere d’int´egrer la mesure sur le microlevier [76, 77]. Les avantages d’une telle technique par rapport `a la d´eflexion laser sont que l’on peut suivre plusieurs leviers en parall`ele, au lieu d’un seul faisceau, et sans avoir `a le positionner sur le levier ; on peut aussi travailler en milieu liquide non transparent, et enfin l’encombrement est alors fortement r´eduit par l’int´egration de la d´etection dans le levier. Signalons ici que l’avantage d’utiliser plusieurs leviers en parall`ele permet d’utiliser un levier comme r´ef´erence. Cette technique diff´erentielle permet de s’affranchir des variations de temp´eratures et aussi des interactions parasites. Baselt et al. [11] ont montr´e qu’ils pouvaient mesurer des greffages biologiques sur des microleviers pi´ezor´esistifs, grˆace `a des microbilles magn´etiques se fixant sur le ligand. La d´eflexion du levier dans un champ magn´etique est ici d´etect´ee par les pi´ezor´esistances int´egr´ees dans le levier.
1.3
Conclusion : pr´esentation des axes de recherche
Nous avons pr´esent´e les diff´erents types de d´etections possibles de biocapteurs, et nous l’avons vu, la d´etection m´ecanique permet la d´etection de r´eactions sur des structures microscopiques, la sensibilit´e augmentant avec la miniaturisation.
Notre objectif est de r´ealiser un biocapteur sensible `a plusieurs r´eactions simultan´ees et dont la transduction ou la mesure du ph´enom`ene est int´egr´ee au support. Pour cela, nous nous sommes orient´es vers la d´etection m´ecanique. Elle permet de travailler sur plusieurs r´eactions en parall`ele par l’interm´ediaire de dispositifs m´ecaniques plac´es en matrice.
L’utilisation des technologies de fabrication issues de la micro´electronique va nous per- mettre de concevoir en parall`ele des dispositifs microm´ecaniques dont l’application est la d´etection d’interactions biomol´eculaires sp´ecifiques. On se basera sur la variation de fr´equence de r´esonance de ces structures pour quantifier l’interaction. Il est n´ecessaire d’´etudier la sensibilit´e du capteur pour savoir si ce type de capteur pourra donner une information compl´ementaire sur le niveau d’interaction, ou le nombre de mol´ecules ayant interagi.
Pour arriver `a une bonne sensibilit´e, il est indispensable d’int´egrer la source de vibration sur les structures. Polla [78] a pu montrer l’avantage inh´erent `a l’int´egration d’une couche de mat´eriau pi´ezo´electrique, par rapport `a une excitation externe, source de nombreux effets parasites. Le mat´eriau pi´ezo´electrique se contracte sous l’effet du champ ´electrique,
induisant une d´eformation de la structure m´ecanique. En d´eformant le dispositif `a certaines fr´equences particuli`eres, appel´ees fr´equences de r´esonance, l’oscillation passe alors `a une amplitude facilement d´etectable.
Nous fabriquerons dans nos travaux `a la fois des leviers et des membranes. Les leviers, plus complexes `a r´ealiser que les membranes, permettent `a partir de mod`eles analytiques simples de remonter facilement `a divers param`etres m´ecaniques. Ils seront donc utilis´es pour la caract´erisation m´ecanique. Les membranes seront quant `a elles utilis´ees dans le cadre de la d´etection pour leur simplicit´e d’utilisation lors des protocoles biologiques. Le chapitre 2 pr´esentera les techniques de fabrication mises en œuvre pour r´ealiser ces dispositifs `a actionnement pi´ezo´electrique int´egr´e.
Nous pr´esenterons ensuite les caract´erisations ´electrom´ecaniques dans le chapitre 3. Nous montrerons tout d’abord avec des leviers comment retrouver les caract´eristiques pi´ezo´electriques du mat´eriau utilis´e. Une extension de cette m´ethode pour les membranes r´ealis´ees sera ensuite expos´ee. Le comportement fr´equentiel des membranes sera ´egalement abord´e.
Nous l’avons d´ej`a soulign´e, un facteur important pour obtenir une bonne sensibilit´e pour ce genre de capteur est d’avoir un coefficient de qualit´e `a la r´esonance le plus ´elev´e possible. Ici, ces coefficients seront bien sˆur plus faibles que pour les microbalances `a quartz, mais la masse intrins`eque de la structure vibrante sera bien plus faible que pour un quartz, ramenant la masse `a d´etecter `a des ordres de grandeurs plus proches, d’o`u une sensibilit´e accrue. De plus, nous l’avons not´e en partie 1.2.2.1, une boucle de contre r´eaction peut ˆetre rajout´ee dans les liquides augmentant ainsi le coefficient de qualit´e de la r´esonance et, de fait, la sensibilit´e.
Pour terminer par une approche englobant le syst`eme int´egr´e, le chapitre 4 pr´esentera le dispositif dans son application de biocapteur. Nous pr´esenterons son adaptation au milieu liquide par l’interm´ediaire d’une cellule liquide thermor´egul´ee et nous calculerons la sensibilit´e du syst`eme. L’utilisation de nanoparticules a ´et´e privil´egi´ee dans cette ´etude pour augmenter l’effet de masse lors de l’interaction.
Cette approche de biocapteurs en parall`ele `a base de microstructures m´ecaniques n’ont de raison d’ˆetre que si il est possible d’effectuer un adressage des esp`eces biologiques `a immobiliser en surface. Cet adressage peut ˆetre r´ealis´e soit par une voie microfluidique, proc´ed´e complexe et posant de nombreux probl`emes nourrissant la recherche actuelle, soit par d´epˆot, technique plus simple que nous avons privil´egi´ee. En deuxi`eme partie du cha- pitre 4, nous pr´esenterons un syst`eme robotis´e de d´epˆot de liquides biologiques que nous avons d´evelopp´e permettant de r´ealiser des microgouttes de quelques picolitres.
Voyons maintenant quelles sont les technologies de fabrication employ´ees pour conce- voir ces microcapteurs. Nous pr´esenterons la maturation du projet avec les divers pro- bl`emes rencontr´es qui ont orient´e son ´evolution.
CHAPITRE
2
Technologies et fabrications
Sommaire
2.1 Int´egration du mat´eriau pi´ezo´electrique : fabrication de leviers . . . 32 2.1.1 Choix du mat´eriau pi´ezo´electrique . . . 32 2.1.2 Proc´ed´es de fabrication de membranes pi´ezo´electriques . . . 33 2.1.3 Choix du type de structures . . . 33 2.1.4 D´epˆot de la couche pi´ezo´electrique apr`es lib´eration des leviers . . . 33 2.1.5 Lib´eration de microleviers apr`es d´epˆot de la couche pi´ezo´electrique . . . 34