Intégration et support de puce

Pour des raisons de coût et de gain de temps, il est logique de vouloir obtenir une puce la plus

petite possible, afin d’en obtenir un nombre maximum par wafer. Dans le cas présent, cette

intensification du procédé n’est pas limitée par les techniques de fabrication (il est possible de

construire un canal microfluidique combiné à des microbobines sur quelques millimètres

carrés seulement), mais par la taille des connectiques et les contraintes d’observation.

Pouvoir disposer, sur une même puce, d’une dizaine de microbobines (ou électrodes) est

adapté aux fonctions que l’on souhaite développer. De même, en incorporant les étapes de

mélange et de séparation sur la même puce, cinq entrées / sorties fluidiques sont nécessaires.

Enfin la puce doit être observable au microscope à fluorescence.

Pour les connexions fluidiques, la limite est imposée par le type de connecteurs utilisés (Idex /

UpChurch), et qui présentent le plus souvent un diamètre d’environ 6 mm. La solution la plus

compacte pour les connexions électriques repose sur des connecteurs à ressort, pour lesquels

des carrés de 800μm de côté suffisent. Ces choix permettent de dimensionner les puces, qui

sont des carrés de 18 mm de côté. La Fig.3.18présente les dispositifs obtenus (wafer entier et

puce individuelle).

Le type de substrat utilisé (silicium, verre ou substrat souple), outre les spécificités dues à la

microfabrication, sont guidés par les contraintes liées à l’observation. Historiquement, au

laboratoire, les deux types de connexion (fluidiques et électriques) ainsi que l’observation

se faisaient du même côté (avec un microscope droit). Cela implique que les positions des

FIGURE3.17 – Caractérisation de la partie fluidique des dispositifs à bobines spirales. a-b)

Images au microscope optique de structures fluidiques 3D : en bypass (a) et mélangeur (b). c)

Masque d’une puce combinant les bypass 3D et des bobines spirales circulaires. d) Masque

d’une puce combinant des mélangeurs 3D et des bobines spirales carrées. e) Image au

micro-scope optique de la zone de séparation (ouverture fluidique). f ) Image au micromicro-scope optique

de la sortie du dispositif (les canaux qui sont déjà séparés par une couche intermédiaire

bi-furquent vers des sorties différentes). Toutes les images sont montrées dans le dernier niveau

de film sec présent (capot). Les encadrés rouges sur c) et d) correspondent aux emplacement

des autres images.

FIGURE3.18 – Dispositifs obtenus après fabrication, combinant verre (substrat), résine et films

époxy, et pistes métalliques (or). a) Wafer entier (4"). b) Puce individuelle (tableau de pièges

magnétiques), 18 mm.

connexions doivent être suffisamment espacées pour pouvoir approcher un objectif, et que la

visualisation des entrées / sorties sont impossibles. En pratique, ces entrées / sorties peuvent

être sujettes à des bouchons de résine (fabrication), et d’autres blocages peuvent être induits

par un amas de cellules ou de billes. . . Il paraît donc indispensable de pouvoir visualiser ces

zones critiques. En utilisant un substrat transparent, l’observation au travers du substrat (en

face arrière de la puce) devient possible. Le substrat souple est une option intéressante mais

non retenue car le maintien mécanique de la puce est plus complexe à mettre en œuvre, voire

impossible si l’on souhaite combiner une bonne étanchéité (joints) et une observation en face

arrière. C’est donc la solution d’un substrat en verre qui a été choisie : un microscope inversé

a été utilisé, les connexions se font ainsi en face avant et l’observation en face arrière.

Un support mécanique de la puce est nécessaire pour assurer plusieurs fonctions :

— mise en compression de joints toriques entre le distributeur fluidique et la puce (assure

l’étanchéité de la connexion),

— maintien de la puce et support pour les connecteurs électriques à ressort,

— positionnement des aimants permanents par rapport à la puce.

La Fig. 3.19 présente le support de puce utilisé (schéma éclaté et photographie une fois

assemblé). Un distributeur fluidique à 5 connecteurs, comprenant des joints toriques, est

utilisé pour l’injection et la récupération de liquides, tout comme pour le chapitre précédent

(voir la partie2.5.3pour plus de détails).

Pour les connexions électriques, des connecteurs à ressort (autrement appelés pogo pins) ont

été choisis, ils sont placés sur une petite carte PCB qui les relie à un un autre connecteur puis

à la carte électronique contrôlant le courant électrique traversant chaque bobine (voir partie

suivante). Cette carte est elle même montée sur une plateforme de guidage linéaire, le contact

électrique est alors établi en vissant une vis de précision.

Les aimants permanents, pour les systèmes hybrides, peuvent être placés de chaque côté de

la puce. Des cales en plastique de différentes épaisseurs servent à faire varier l’espacement

entre les aimants et la puce. Enfin les longueur et largeur du support sont de 10 cm et 6 cm ce

qui le rend compatible avec les platines de microscope à disposition.

Cette configuration de puce et de support a été utile pour réaliser les expériences de

foca-lisation, déviation et piégeage lors de ces travaux de thèse, ainsi que lors d’autres travaux

combinant des canaux microfluidiques et des électrodes (mesures d’impédance) sur la même

puce. Il s’agit d’une approche pratique, qui a dû être réalisée en peu de temps et qui n’est pas

exempte de défauts. L’observation en face arrière implique par exemple de visualiser les objets

circulant dans les canalisations au travers des microbobines, ce qui permet une approche

qualitative mais devient limitante pour du suivi (notamment dans le cas des bobines spirales

qui présentent une densité de fil conducteur importante). Par ailleurs la plupart des objectifs

à fort grossissement (> 40 X) et dotés d’une bonne ouverture numérique sont prévus pour

une utilisation sur des distances de travail courtes (≤170μm, correspondant à des lamelles de

verre), condition non respectée avec des substrats de verre de 500μm : des objectifs spéciaux

ou à plus faibles grossissement doivent donc être préférés, ou le procédé de fabrication doit

être adapté pour des substrats de verre de 170μm (plus complexe étant donnée la fragilité du

wafer).