L'amélioration des biopuces et de leurs lecteurs est un enjeu crucial dans l'industrie actuelle qui réclame des méthodes d'analyses moléculaires plus sensibles et moins onéreuses. Dans ce but, plusieurs points doivent être revus : sensibilité du lecteur, densité des puces, marquage en fluorescence des biomolécules. Nous avons mis en place et développé différentes techniques de dépôt de molécules basées sur la lithographie douce ainsi qu'une technique de détection d'interaction biologique par diffraction afin de créer une plateforme biopuce complète, sans marquage et à bas coût. A travers ce mémoire de thèse, la structuration de diverses molécules à l'échelle nanométrique sur un substrat sera étudiée : structuration de dendrimères, de polymères à empreintes moléculaires (MIP), d'ADN. Nous verrons des techniques pour structurer des couches à l'échelle nanométrique par lithographie douce, mais sans avoir recours préalablement à la lithographie électronique pour créer les moules. De même, nous étudierons le " macrotimbre " qui permet le dépôt de plusieurs molécules différentes en une seule étape (multiplexage) par lithographie douce. Une technique de détection par diffraction de la lumière sera développée afin de passer outre l'étape de marquage qui porte le risque d'endommager la molécule et donc de dénaturer ses fonctions. Ce travail se place dans le cadre d'un projet de développement industriel en partenariat avec la société INNOPSYS et dont l'objectif est de démocratiser l'analyse biopuce en une solution financièrement accessible aux hôpitaux et aux laboratoires d'analyses et non plus seulement aux seuls organismes de recherche.

Un échange vigoureux au travers des frontières de la biologie et de la physique se développe autour de nouvelles méthodes et outils, et autour de nouveaux phénomènes. Les objets d'étude au coeur de ce recouvrement multidisciplinaire sont très divers. De manière non exhaustive, il s'agit de nanoparticules, de cellules ou encore d'objets encore plus petits et élémentaires tels que les molécules. Aussi bien pour des applications dans le domaine de la microélectronique que pour l'étude de mécanismes biologiques fondamentaux, l'intégration des objets d'intérêt à l'échelle de l'objet unique est essentielle. Dans le cadre de cette thèse, l'objectif que nous nous sommes fixés est de développer un volet technologique qui permette l'assemblage d'objets micro- ou nanométriques uniques à des endroits bien définis d'une surface solide de façon simple, fiable, bas-coût et parallèle. Pour ce développement, nous nous sommes intéressés tout particulièrement aux nanoparticules d'Au de 100 nm de diamètre, aux bactéries, puis aux molécules d'ADN. Nous décrirons les stratégies développées reposant sur la lithographie douce puis leurs potentialités pour différentes applications dans les domaines de l'analyse médicale et de la détection.

L'impression par transfert, une technique utilisée pour transférer divers matériaux tels que des molécules d'ADN, de la résine photosensible ou des nanofils semi-conducteurs, s'est dernièrement révélée utile pour la réalisation de structures de silicium statiques sous le nom de micro-maçonnerie. L'étude présentée ici explore le potentiel de la technique de micro-maçonnerie pour la fabrication de résonateurs MEMS. Dans ce but, des microplaques de silicium ont été transférées sur des couches d'oxyde avec cavités intégrées à l'aide de timbres de polymère afin de créer des structures de type plaques suspendues. Le comportement dynamique de ces structures passives a été étudié sous pression atmosphérique et sous vide en utilisant une excitation externe par pastille piézo-électrique mais aussi le bruit thermomécanique. Par la suite, des résonateurs MEMS actifs, à actionnement électrostatique et détection capacitive intégrés, ont été fabriqués en utilisant des étapes supplémentaires de fabrication après impression. Ces dispositifs ont été caractérisés sous pression atmosphérique. Les facteurs de qualité intrinsèques des dispositifs fabriqués ont été évalués à 3000, ce qui est suffisant pour les applications de mesure à pression atmosphérique et en milieu liquide. Nous avons démontré que, puisque l'adhérence entre la plaque et l'oxyde est suffisamment forte pour empêcher une diaphonie mécanique entre les différentes cavités d'une même base, plusieurs résonateurs peuvent être facilement réalisés en une seule étape d'impression. Ce travail de thèse montre que la micro-maçonnerie est une technique simple et efficace pour la réalisation de résonateurs MEMS actifs de type plaque à cavité scellée. / Lately, transfer printing, a technique that is used to transfer diverse materials such as DNA molecules, photoresist, or semiconductor nanowires, has been proven useful for the fabrication of various static silicon structures under the name micro-masonry. The present study explores the suitability of the micro-masonry technique to fabricate MEMS resonators. To this aim, silicon microplates were transfer-printed by microtip polymer stamps onto dedicated oxide bases with integrated cavities in order to create suspended plate structures. The dynamic behavior of fabricated passive structures was studied under atmospheric pressure and vacuum using both external piezo-actuation and thermomechanical noise. Then, active MEMS resonators with integrated electrostatic actuation and capacitive sensing were fabricated using additional post-processing steps. These devices were fully characterized under atmospheric pressure. The intrinsic Q factor of fabricated devices is in the range of 3000, which is sufficient for practical sensing applications in atmospheric pressure and liquid. We have demonstrated that since the bonding between the plate and the device is rigid enough to prevent mechanical crosstalk between different cavities in the same base, multiple resonators can be conveniently realized in a single printing step. This thesis work shows that micro-masonry is a powerful technique for the simple fabrication of sealed MEMS plate resonators.

Le but du travail est de montrer la faisabilité du tissage de filament de très faible diamètre (de l'ordre de 10 à 25 -tm) et de matières différentes (cuivre, or, polyester...). Les essais du comportement mécanique (traction, fatigue) du micro filament de cuivre ont montré la possibilité du tissage de ce type du filament à cette échelle. A partir de ces résultats, il est possible d'entrevoir des solutions techniques de tissage pour réaliser des tissus à partir de ces filaments. Ce travail a permis donc de concevoir les différentes parties de la machine de micro tissage : système d'alimentation des fils de chame, système de formation de la foule, système d'insertion du fil de trame, système de mouvement du peigne, système d'appel et de stockage du tissu. Le système de formation de la foule de type Jacquard représente le cœur de la machine à tisser. Il lève un verrou technologique persistant depuis de très nombreuses années. Les résultats prometteurs des micros actionneurs fluidiques ont permis de montrer la faisabilité du micro tissage. Ils ont permis également de valider le procédé de la fabrication d'un bloc des plusieurs actionneurs capable de séparer les filaments de chaîne pour former la foule. Le logiciel de contrôle et de dessin conçu permet à la fois de réaliser des armures et de les compiler en format convenable pour pouvoir les transmettre à la carte de contrôle. Cette dernière permet de contrôler les différentes parties de la machine à tisser.

Un échange vigoureux au travers des frontières de la biologie et de la physique se développe autour de nouvelles méthodes et outils, et autour de nouveaux phénomènes. Les objets d’étude au cœur de ce recouvrement multidisciplinaire sont très divers. De manière non exhaustive, il s’agit de nanoparticules, de cellules ou encore d’objets encore plus petits et élémentaires tels que les molécules. Aussi bien pour des applications dans le domaine de la microélectronique que pour l’étude de mécanismes biologiques fondamentaux, l’intégration des objets d’intérêt à l’échelle de l’objet unique est essentielle. Dans le cadre de cette thèse, l’objectif que nous nous sommes fixés est de développer un volet technologique qui permette l’assemblage d’objets micro- ou nanométriques uniques à des endroits bien définis d’une surface solide de façon simple, fiable, bas-coût et parallèle. Pour ce développement, nous nous sommes intéressés tout particulièrement aux nanoparticules d’Au de 100 nm de diamètre, aux bactéries, puis aux molécules d’ADN. Nous décrirons les stratégies développées reposant sur la lithographie douce puis leurs potentialités pour différentes applications dans les domaines de l’analyse médicale et de la détection. / A vigorous trade across the borders of biological and physical sciences is developing around new methods and tools, and around new phenomena. The objects at the heart of this multidisciplinary overlapping are numerous. In a non exhaustive manner, the objects of study can be nanoparticles, cells, or even smaller and more elementary objects such as molecules. For applications in the field of microelectronics as for studies of fundamental biological mechanisms, the integration of these objects of interest at the single object scale is essential. In the frame of this Ph.D. thesis, the objective we pursued is the development of a technological tool-box allowing the assembly of micro- and nano-objects at pre-determined locations of a solid surface, in a simple, reliable, low-cost and parallel manner. For this development, we focused on gold nanoparticles 100 nm in diameter, bacterial cells and DNA molecules in particular. We will describe the strategies developed relying on soft-lithography and their potentialities for different applications in the fields of medical analysis and sensing.

L'objectif des travaux est de démontrer que la lithographie douce, quelquefois baptisée " Micro-Contcat Printing (µCP)", constitue une méthode de dépôt de biomolécules présentant de nombreux avantages pour des applications de type Biopuces. Pour la fabrication de puces à ADN, nous démontrons que le µCP est une technique compétitive par rapport au dépôt robotisé de gouttes traditionnellement utilisé. Le coût est inférieur, la densité des puces est augmentée et la qualité et la définition des motifs biomoléculaires sont supérieures. Une étude complète des mécanismes d'encrage des timbres élastomères d'impression ainsi que des mécanismes de transfert par contact des molécules vers le substrat est présentée. Le rôle prépondérant des fragments de polymère non réticulés présents à la surface des timbres est mis en évidence. Dans un second volet nous étudions la possibilité de générer par la même méthode des puces à biomolécules uniques. Nous montrons comment le µCP peut être poussé jusqu'à une résolution sub-micrométrique proche de 50 nm. Deux voies technologiques originales impliquant la lithographie douce sont proposées : l'une pour peigner individuellement en des sites organisés précisément sur la surface des longs brins d'ADN pour des études de génétique, l'autre pour fixer des molécules individuelles d'ADN par une extrémité rendant possible l'étude dynamique de molécules uniques (ADN) sur de larges populations.

Afin de réaliser des dispositifs en polymère à forte valeur ajoutée, l'industrie de la plasturgie s'intéresse depuis quelques années à la convergence possible entre les microtechnologies et les méthodes industrielles de mise en oeuvre des polymères (le thermoformage et la thermo-injection). Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse est de démontrer l'intérêt d'une approche à base de microtamponnage pour l'intégration de capteurs à base métallique dans des circuits microfluidiques en thermoplastique réalisés par thermoformage. Pour ces matériaux, cette approche apparait plus pertinente en terme de production de masse qu'une approche de photolithographie classique. Nous avons choisi de démontrer ce concept en étudiant l'intégration d'un capteur de pH et d'un capteur de température dans un système microfluidique en copolymère d'oléfine cyclique (COC) réalisé par thermoformage. En effet, la mesure de ces paramètres physico-chimiques est extrêmement répandue dans différents domaines d'application allant de la chimie à la biologie et à la médecine. Pour le capteur de pH, nous avons développé une couche sensible au pH à base d'oxyde d'iridium (IrOx) électrodéposé sur or. L'influence de différents paramètres (solution d'électrodépôt, méthode d'électrodéposition, nature du substrat métallique et son mode de préparation) sur la réponse au pH de ces couches a été étudiée. Nous avons ainsi pu démonter qu'une approche par microtamponnage passive est adaptée à la préparation de capteurs de pH sur un substrat en COC/Au ayant une sensibilité de -72 mV/pH et une durée de vie de 1 an. Pour le capteur de température, la solution retenue est basée sur le principe d'une thermorésistance. Les capteurs ont été élaborés en utilisant une approche par microtamponnage actif avec croissance d'une couche de nickel (dont l'épaisseur varie entre 0,2 et 5 μm) par métallisation autocatalytique sur polyimide. La dérive des capteurs est actuellement trop importante pour une application pratique. Finalement, des résultats préliminaires d'intégration de ces capteurs dans un microsystème fluidique thermoformé sont présentés avec notamment une configuration originale de mesure différentielle du pH / The plastics industry has been interested for some years in the possible convergence between microtechnologies and conventional polymer manufacturing (hot embossing and injection molding). In this context, this thesis aims at demonstrating the potential of a process based on microcontact printing in order to integrate metal based sensors in thermoplastic microfluidic devices shaped by hot embossing. For the mass production of thermoplastic devices, this approach appears more relevant than conventional photolithography. We chose to demonstrate this concept by investigating the integration of both a pH sensor and a temperature sensor in a thermoformed Cyclo Olefin Copolymer (COC) microfluidic system. Indeed, the measurement of these physicochemical parameters are extremely widespread in different applicative areas ranging from chemistry tobiology and medicine. For the pH sensor, we developed a pH-sensitive layer based on electrodeposited iridium oxide (IrOx) on Au. The influence of various parameters (plating solution and method , nature of the metal substrate and its method of preparation) on the pH response of these layers was studied. We were able to demonstrate that microcontact printing based on a passive approach is suitable for the preparation of pH sensors on a COC substrate with a sensitivity of -72 mV/pH and a 1 year lifetime. As regards the temperature sensor, the solution was to design a thermistor. Sensors were implemented with an approach based on active microcontact printing followed by electroless deposition of nickel (thickness varies between 0,2 and 5 μm) on polyimide. The drift of these sensors is too large for practical application. Finally, preliminary results presenting the integrating of these sensors in a fluidic microsystem are reported using an original configuration based on differential measurement of pH

Les pathologies du système nerveux central sont souvent caractérisées par des pertes de populations cellulaires. Une voie thérapeutique prometteuse en développement consiste à utiliser des biomatériaux bioactifs, associant une greffe de cellules et des biopolymères servant d'échafaudage pour la confection des nouveaux tissus in vitro, implantés in vivo. Dans cette thèse, nous développons une bioprothèse cérébrale qui combine le potentiel régénératif des cellules souches adultes humaines avec un pilotage du comportement de ces cellules par la microtopographie et les nanotubes de carbone. Dans une première partie, dédiée aux études in vitro des interactions entre différents types de cellules neuronales et des indices topographiques, nous montrons que la variation de la géométrie de microsillons créés sur la surface d'un polymère non cytotoxique, le PDMS, permet de déterminer l'architecture des réseaux neuronaux développés. Nous démontrons aussi que les nanotubes de carbone déposés sur des surfaces sous forme de couches constituent un substrat favorable pour le développement des cellules neuronales, et proposons une nouvelle explication de leur rôle dans la culture cellulaire. Dans une deuxième partie, nous utilisons ces résultats pour élaborer une bioprothèse cérébrale pour le rat visant à reconstituer un tissu lésé, dans le cortex moteur responsable de la motricité. L'architecture de la bioprothèse développée intègre les impératifs liés à la culture de cellules souches et liés à la neurochirurgie. Elle est faite en PDMS qui est microstructuré en surface et comporte des cellules souches neurales adultes prédifférenciées en neurones. Nos premiers essais d'implantation chez le rat montrent une récupération fonctionnelle partielle de la motricité des animaux

Le but du travail est de montrer la faisabilité du tissage de filament de très faible diamètre (de l'ordre de 10 à 25 -tm) et de matières différentes (cuivre, or, polyester...). Les essais du comportement mécanique (traction, fatigue) du micro filament de cuivre ont montré la possibilité du tissage de ce type du filament à cette échelle. A partir de ces résultats, il est possible d'entrevoir des solutions techniques de tissage pour réaliser des tissus à partir de ces filaments. Ce travail a permis donc de concevoir les différentes parties de la machine de micro tissage : système d'alimentation des fils de chame, système de formation de la foule, système d'insertion du fil de trame, système de mouvement du peigne, système d'appel et de stockage du tissu. Le système de formation de la foule de type Jacquard représente le cœur de la machine à tisser. Il lève un verrou technologique persistant depuis de très nombreuses années. Les résultats prometteurs des micros actionneurs fluidiques ont permis de montrer la faisabilité du micro tissage. Ils ont permis également de valider le procédé de la fabrication d'un bloc des plusieurs actionneurs capable de séparer les filaments de chaîne pour former la foule. Le logiciel de contrôle et de dessin conçu permet à la fois de réaliser des armures et de les compiler en format convenable pour pouvoir les transmettre à la carte de contrôle. Cette dernière permet de contrôler les différentes parties de la machine à tisser. / The aim of this work is to demonstrate the feasibility ofweaving filaments of very small diameter (about 10 to 25 -tm) made ofvarious materials (copper, gold, polyester, etc...). The possibility of weaving copper micro filaments at this scale has been proved via the fatigue and traction mechanical tests. According to these results, it was possible to foresee weaving technical solutions to produce fabrics from these micro filaments. This work has permitted the design of the different parts of the micro weaving machine: warp let-off system, warp shedding system, filling insertion system, beat-up system and take-up system. Warp shedding system of Jacquard type represents the heart of the weaving machine. It solved the complicated technical problem ofweaving materials that persists since many years. The positive results of micro fluidic actuators have demonstrated the feasibility of micro weaving. They have also validated the process of manufacturing a block of severa! actuators capable of separating the warp filament's to form the shed. The created software of control and design allows to make weaves and to compile them into a convenient format to be transmitted to the control card. This card controls the different parts of the weaving machine.

L'exploitation des couches interfaciales à base de d'oxydes métalliques ouvre des perspectives nouvelles dans le domaine des cellules photovoltaïques organiques (PVOs). Cette thèse s'inscrit dans le développement, la caractérisation et l'analyse de couches interfaciales, à base d'oxyde de zinc (ZnO), déposées par pulvérisation cathodique, dans l'élaboration de dispositifs solaires compatibles avec des substrats flexibles et des procédés " roll-to-roll ". Après un état de l'art du domaine, une première étude sera consacrée à l'apport et à l'optimisation des dépôts par pulvérisation cathodique des films de ZnO sur des couches actives de P3HT:PCBM dans le cas de structures conventionnelles. Une seconde partie mettra en évidence l'importance des procédés de recuit des couches de ZnO déposées sur des substrats flexibles ou rigides à base d'ITO pour des structures inverses de cellules PVOs flexibles. Suite à ces études, l'élaboration de ces dispositifs sera testée et validée à partir de techniques inspirées de la lithographie douce. L'interfaçage de nouveaux matériaux tels que le graphène avec de tels couches de ZnO sera également sera abordée lors de ces recherches.