L'évolution de notre société est spectaculaire. Les nouvelles technologies apportent sans cesse des bouleversements dans nos vies, dont nous n'avons d'ailleurs pas toujours conscience tellement ces changements sont rapides et naturels. Qui aujourd'hui ne possède pas un téléphone portable extra miniature, possédant de multiples fonctionnalités intégrées: appareil photo, boussole, loupe...? Qui n'a pas entendu parlé des progrès phénoménaux réalisés en médecine avec, par exemple, la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) ou encore l'utilisation par les chirurgiens d'outils extrêmement précis, assistés par ordinateur? Parmi ce contexte très général de révolutions technologiques, ma simple contribution se situe dans le développement de microsystèmes hyperfréquences, que ce soit :  pour les communications et transfert d'informations avec des modules toujours plus performants et agiles (multifonctionnalité),  et plus récemment pour les domaines de la biologie et du médical avec le développement de systèmes d'analyse par ondes électromagnétiques hautes fréquences. La démarche scientifique adoptée vise à établir, grâce aux microtechnologies, de nouvelles perspectives d'exploitation des microsystèmes hyperfréquences, au-delà des technologies conventionnelles. Ceci commence par l'élaboration de circuits passifs à fort coefficient de qualité, leur intégration tridimensionnelle vers toujours plus de miniaturisation et fréquences de fonctionnement plus élevées, l'évaluation de matériaux inédits (notamment à base de nanotubes de carbone) qui apportent de nouvelles possibilités aux concepteurs HF, de concepts innovants de composants à forte reconfigurabilité, que ce soit par une approche mécanique avec les MEMS RF, ou encore avec des liquides, jusque de nouvelles applications pour les domaines de la biologie et du médical, l'environnement et même l'agro-alimentaire.

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Avec l'avènement des BioMEMS (Bio-MicroElectroMechanical Systems), ce sont toutes les pratiques médicales, biologiques, environnementales et agro-alimentaires qui entament une nouvelle ère. Les enjeux scientifique et industriel se rejoignent dans la miniaturisation des systèmes de détection, l'amélioration de leurs sensibilités et la simplification de leurs procédés de fabrication. Cette thèse hautement interdisciplinaire s'inscrit dans le cadre de ces enjeux. Elle expose la fabrication, la bio-fonctionnalisation et l'application d'un BioMEMS pour l'analyse de réactions enzymatiques en temps réel et à l'échelle micrométrique. Deux choix stratégiques ont été adoptés pour ce travail: le premier concerne l'utilisation de la technologie des plasmas froids ou polymérisation plasma pour la fonctionnalisation de surface à travers le dépôt de films polymères d'allylamine. Ce dépôt a permis ultérieurement l'immobilisation covalente de la trypsine (enzyme modèle protéolytique) au sein du BioMEMS. Cette technologie a été également utilisée pour développer une méthode simple de microfabrication des circuits microfluidiques compatible avec une production à grande échelle. Le second choix concerne l'utilisation de ce bioMEMS autour d'une transduction TeraHertz (THz) mise au point au sein de l'équipe. La spectroscopie THz vise à détecter les événements moléculaires à l'échelle de la picoseconde, sans marqueur et d'une manière non-invasive, en sondant directement les liaisons chimiques de faible énergie. Au cours de ce travail, nous avons donc développé un procédé de fonctionnalisation de surfaces par des amines, optimisé une méthode de greffage des enzymes, et étudié l'activité de la trypsine immobilisée. Nous avons ensuite intégré ces étapes dans le procédé de microfabrication du BioMEMS. Les mesures réalisées dans le domaine sub-THz (0,06-0,11 THz) sur une réaction de biocatalyse confirment la faisabilité d'une telle approche comme méthode analytique en biologie. Les résultats des différentes études montrent également que le mariage des plasmas froids avec les méthodes lithographiques représente une voie efficace, rapide et très compétitive pour le transfert de la technologie des BioMEMS à l'échelle industrielle.

Le domaine des biopuces et biocapteurs évolue dans le sens de la miniaturisation. La problématique qui apparait alors concerne l'adressage et l'immobilisation des biomolécules sur des structures devenant de plus en plus petites et intégrées dans des environnements fragiles. Le robot Bioplume a été retenu comme méthode d'adressage, pour la pertinence de l'échelle concernée (1-50µm) et le fort potentiel pressenti de la technique. Le dépôt de biomolécules et la technique spot-dans-spot ont été développés, ce qui réduit de 106 à 109 fois les quantités d'échantillons biologiques. Quatre méthodes d'immobilisation ont ensuite été mises en œuvre, afin d'appréhender les performances et les contraintes de chacune : la silanisation par GPTS, l'auto-assemblage d'alcanethiols, l'utilisation du polymère PLLgPEG et enfin l'électrodépôt par oxydation de pyrrole. L'adaptation de cette méthode électrochimique au robot Bioplume a permis d'apporter une solution efficace à la fois en termes d'adressage et en termes d'immobilisation, car la réaction d'immobilisation est réalisée simultanément au dépôt. Elle a donc été retenue pour deux applications : d'abord la réalisation de matrices de cellules isolées, avec détection par SPRi, puis le dépôt sur la section de fibres optiques. Enfin, trois nouvelles pistes dans le domaine de l'électrochimie localisée ont été explorées : l'électrodésorption de PLLgPEG, la miniaturisation des gouttes grâce à des pointes nanométriques, et enfin l'électrodépôt sur des microélectrodes dédiées. L'une des perspectives principales est la valorisation industrielle du robot Bioplume. Un nouveau prototype est ainsi développé afin de produire des biopuces à haute densité.

Les systèmes publics de santé nécessitent des capteurs miniaturisés pour l'amélioration des diagnostics médicaux. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse était de simuler, réaliser et caractériser des résonateurs à ondes acoustiques de volume à base de couches minces, vibrant en mode de cisaillement à 800 MHz et montés sur miroir acoustique (SMR), et de démontrer leur capacité à fonctionner comme capteurs gravimétriques en milieu liquide.<br /><br />Trois procédés de dépôt par pulvérisation de couches de ZnO à axe c incliné ont été développés. De telles couches sont nécessaires pour l'excitation d'ondes de cisaillement et essentielles pour un fonctionnement en milieu liquide. Des inclinaisons jusqu'à 16° ont été obtenues avec une incidence oblique des particules en utilisant des caches additionnels. Des couches homogènes ont été déposées sur la surface entière d'un wafer 4“. Des outils de simulation et de caractérisation ont permis d'optimiser les SMRs, améliorant le coefficient de couplage de 0.012 à 0.149 et le facteur de qualité de 3.5 à 230. Leur application dans des solutions de glycérol a montré qu'ils se prêtent à la détection gravimétrique et comme viscosimètres. Des mesures de liaisons anticorps-antigènes en milieu liquide ont été réalisées avec succès. Comparées à des microbalances à quartz vibrant à 10 MHz, la sensibilité est 1000 fois plus grande et la résolution est 4 fois meilleure.<br /><br />Les SMRs sont hautement sensibles, peuvent être intégrés à des systèmes électroniques, et permettent des mesures quantitatives avec de bonnes résolutions. Ces nanobalances à couche piézoélectrique pourront former le noyau de systèmes portables et bon marché pour le diagnostic médical.