Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / A new process for fabricating a nano fluidic device that can be used in medical application is developed and demonstrated. Nano channels are fabricated using a nano tip in indentation mode on AFM (Atomic Force Microscopy). The nano channels are integrated between the micro channels and act as a filter to separate biomolecules. Nano channels of 4 to7 m in length, 80nm in width, and at varying depths from 100nm to 850 nm allow the resulting device to separate selected groups of lysosomes and other viruses. Sharply developed vertical micro channels are produced from a deep reaction ion etching followed by deposition of different materials, such as gold and polymers, on the top surface, allowing the study of alternative ways of manufacturing a nano fluidic device. PDMS (Polydimethylsiloxane) bonding is performed to close the top surface of the device. An experimental setup is used to test and validate the device by pouring fluid through the channels. A detailed cost evaluation is conducted to compare the economical merits of the proposed process. It is shown that there is a 47:7% manufacturing time savings and a 60:6% manufacturing cost savings.

Biopsy is a standard practice in the diagnosis and treatment of many cancers. Despite its integral role in cancer diagnosis, in some instances, the biopsy tool facilitates metastasis by transferring cancerous cells attached to its exterior into the healthy tissue or the blood circulation during its retraction from the tumor. These few cancer cells can then serve as seeds for the malignant tumor to grow in the healthy tissue. Cauterization using extreme heat or cold can destroy cells in the region and minimize the chance of seeding but this can be an inexact process that increases damage to otherwise healthy tissue and prolongs healing time following a biopsy procedure. In our laboratory, we have developed the concept of a new smart biopsy tool that can reduce the chance of cancer cell dissemination during a biopsy. This tool improves on the conventional biopsy needle by introducing an impedance sensor on the biopsy tool which is housed in a sliding sheath. Due to the significant difference in the electrical conductivity of the tumor and the healthy tissue, the sensor is able to distinguish between the two and locate the exact tumor interface. The protective sheath placed around the instrumented biopsy tool and above the interface isolates the healthy tissue and prevents or at least minimizes the transfer of tumor cells. Delivering an RF dose through the sheath can kill any malignant cells that might be lurking around the interface. This thesis, in particular, will concentrate on the development of the design, fabrication and calibration of the impedance sensor and its integration with the biopsy tool. The impedance sensor essentially consists of conductive electrodes sandwiched between insulating layers. They are built on thin-film polymer, Polyimide, using conventional microfabrication techniques. These sensors are further calibrated to estimate the cell constant. Once calibrated, these probes are used to measure the conductivity of porcine tissues, and in-house prepared agar phantoms. / Master of Science

Optical resonators, which confine light by resonant recirculation, serve as the basis for a wide variety of optical components. Though they appear in many geometric forms, the most effective of optical resonators show axial symmetry in at least one dimension. A popular variation that finds broad application is the dielectric sphere. Acclaimed for their high quality (Q) factor and small modal volume, spheres owe credit of these attractive features to their support of whispering gallery mode (WGM) resonances. The sensitivity of a resonance's frequency and Q to strain, temperature, and other parameters of the surrounding medium can be the basis for ultracompact modulators and sensors. Physically, WGMs are special optical modes which can be understood as light rays that orbit the equator of the sphere guided by total internal reflection. Like a smooth stone can be skipped along the surface of a pond, light can be confined to the inside of a sphere by successive reflections. To best excite WGMs, the source light should initially trace a line tangent to the sphere's circumference. But incorporating a tiny sphere with such nanometric tolerances into a practical sensor structure has its challenges and the prospects for microsphere applications have suffered because of the plight of this problem. The work in this dissertation details the fabrication and function of three new "press fit" spherical resonators. These etched fiber micro-devices were developed to meet the demand for a robust, self-integrated means of coupling light between an optical fiber and WGMs in a microsphere resonator. The etching processes have been tuned to enable secure storage of a microsphere while also providing efficient excitation and interrogation of WGMs. Furthermore, the methods have been designed to be staightforward, quick, and repeatable. Using standard etchants on common polarization-maintaining fiber with readily purchased microspheres, the press fit resonators demonstrated here can be batch-fabricated and assembled. The press fit spherical resonator offers an alignment-free and conveniently pigtailed WGM coupler that has great potential for bio-science sensing applications and studies of resonant bispheres. / Ph. D.

L’étude proposée est une étude préliminaire en vue d’utiliser des microrésonateurs en silicium fonctionnalisé en vue de la détection électromécanique d’espèces biologiques présentes à l’état de trace. Deux aspects ont été principalement étudiés : la capture ultra-sensible mais aussi la capture ultra-spécifique d’espèces biologiques comme des marqueurs pour la maladie d’Alzheimer. Elle a été effectuée dans le cadre d’une collaboration entre le département MINASYS (Micro et Nano-Système) de l’Institut d’Electronique Fondamental (IEF) et le Laboratoire Protéines et Nanotechnologies en Sciences Séparatives de la Faculté de Pharmacie de Châtenay-Malabry.Il s’est ainsi s’agit de développer un micro-résonateur en silicium intégrant des canaux enterrés permettant la circulation d’un fluide biologique à l’intérieur de la poutre et non à l’extérieur comme ils le sont plus couramment, et ce, dans le but de limiter au maximum l’amortissement du résonateur. En ce qui concerne les aspects en biologie, nous nous sommes plus particulièrement interessé à la détection d’un bio-marqueur de la maladie d’Alzheimer, le peptide amyloïde Aβ1-42. Jusqu’à présent, le dépistage de la maladie nécessite une concentration suffisamment importante de bio-marqueurs et le recours à une ponction du liquide céphalorachidien après l’apparition des symptômes de la maladie est donc nécessaire. Le microsystème présenté ici permettra de nous approcher d’un système capable de détecter des traces de biomarqueurs présentes dans le sang ou l’urine par exemple. Ainsi, dans un premier temps, nous avons mis au point un mode de détection précoce du peptide Aβ1-42 couplant un canal micro-fluidique et la microscopie à fluorescence. La surface des canaux en silicium doit être fonctionnalisée afin de permettre le greffage spécifique des antigènes. Pour cela, nous avons mis au point une technique s’appuyant sur la reconnaissance spécifique anticorps-antigène, celle-ci nécessitant une étape préalable de fonctionnalisation chimique de surface.Le manuscrit présenté ici s’articule en quatre parties principales. Dans un premier temps, une étude bibliographique permet de faire l’état de l’art sur le principe de fonctionnement de différents types bio-capteurs couramment utilisés et leurs performances. Une seconde partie décrit la fonctionnalisation de surface du silicium et plus spécifiquement de la réaction de silanisation en phase liquide réalisée sur des surfaces planes et dans des canaux fluidique. Nous abordons ensuite le domaine de la reconnaissance spécifique d’entités biologiques et détaillons les étapes de greffage des protéines réalisées sur les surfaces ainsi que la conception d’immuno-sandwich entreprise dans des canaux fluidiques. Enfin la dernière partie du manuscrit rassemble des différents résultats préliminaires obtenus en vue de l’élaboration du micro-capteur de type poutre résonante à canaux enterrés. / This study is a preliminary study to use a fonctionnalized microsensor based on electromechanical detection of biological species present at trace levels. Two aspects were involved in this work: capture high-sensitivity but also the capture of ultra-specific biological species as markers for Alzheimer's disease. It was conducted as part of collaboration between the department MINASYS (Micro and Nanobio and Microsystems) of the Institute of Fundamental Electronics (IEF) and the Laboratory Proteins and Nanotechnologies in Separative Sciences, at the Faculty of Pharmacy of Chatenay-Malabry.The sensor includes a micro-resonator, placed in vaccum, incorporating silicon buried channels for the circulation of a biological fluid and not outside as they are more commonly, and in order to minimize the damping of the resonator. As regards the biological aspects, we primily focus on the detection of a biomarker of Alzheimer's disease, amyloidal peptide Aβ1-42. Until now, screening requires the use of a puncture and cerebrospinal fluid after onset of symptoms, therefore a sufficiently high concentration of biomarkers is required. Initially, we developed a method of early detection of Aβ1-42 peptide coupling a microfluidic system and fluorescence microscopy. Therefore, the micro-resonator that are present here allow to detect these biomarkers that are present at very low concentrations in other biological fluids in the first stage of the disease, for example, in the blood or urine. Thus, in a first step, we have developed a method of early detection of Aβ1-42 peptide coupling channel microfluidic and fluorescence microscopy. The surface of the channels in silicon must be functionalized to allow the grafting of specific antigens. For this, we developed a technique based on the specific antibody-antigen recognition, the latter requires a preliminary step of chemical functionalization of surfaces.This manuscript consists of four main parts. Initially, we present a literature review of the state of the art on the principle of operation of various types commonly used bio-sensors and the performance obtained. A second chapter describes the functionalization of silicon area and more specifically of the silanization reaction in liquid phase performed on flat surfaces and in fluidic channels. In the following chapter, we discuss the field of specific recognition of biological entities and detail the steps of grafting performed on protein surfaces and design immunoassay sandwich in fluidic channels. The last chapter of the manuscript brings together various preliminary results for the development of micro-sensor type resonant beam.

Les travaux présentés dans cette thèse concernent l’étude et la fabrication de composants passifs hyperfréquence possédant un facteur de qualité important sur les bandes Q et V. Pour cela, nous nous sommes orientés vers la fabrication de composants volumiques à air. Des lignes coaxiales à section rectangulaire à air ainsi que des filtres à cavité métalliques à air ont été réalisés. Aussi, ces travaux consistent à définir une méthode de fabrication permettant d’obtenir les composants cités précédemment. Plusieurs techniques de micro-fabrication additives ont ainsi été établies afin de répondre à la problématique. / This work concerns the study and the fabrication of passive RF components with a high quality factor on Q/V bands. The components were fabricated with an air-filled 3D architecture. Air-filled rectangular micro-coaxial lines and air filled cavity filters were demonstrated. Also, micro-additive fabrication processes were demonstrated for the realization of the 3D air-filled components.

Dans certains cas, la concentration du gaz à détecter est si faible qu'elle est en dessous de la limite de détection des capteurs usuels et donc la présence d'une unité de préconcentration en amont du capteur devient indispensable. Le principe de cette technique repose l'accumulation du gaz à détecter au moyen d'un adsorbant qui , ensuite sous l'effet d'une hausse brusque de la température, est désorbé puis redirigé vers un détecteur, entraînant ainsi une amplification de la concentration du gaz vu par ce détecteur. Cette thèse présente le développement d'un préconcentrateur pour la détection de substances chimiques à l'état de trace gaz. Ce micro-préconcentrateur sera constitué d'un microcomposant en silicium rempli d'un adsorbant et muni d'une résistance chauffante à son dos et de capillaires métalliques servant de connectiques fluidique à l'entrée et à la sortie du dispositif. La particularité de ce dispositif repose sur son applicabilité aussi bien dans le domaine de la surveillance de la pollution atmosphérique (Benzène, Toluène, Xylène...) que la détection d'explosifs (composés nitroaromatiques). Différents modèles de micro-dispositifs ont été étudiés et une attention particulière a été consacrée au carbone adsorbant. L'optimisation et le fonctionnement de ce système de préconcentration ont été étudiés suivant son application future. En plus, les avantages de l'utilisation de silicium poreux pour faciliter la fixation de l'adsorbant dans le réacteur et modifier la cinétique de désorption de gaz ont été également étudiés.

L'objectif de cette thèse a été d'étudier, sous différentes conditions d'écoulement, la rhéologie et l'électrorhéologie de suspensions de nanoparticules (taille comprise entre 10 nm et 200 nm) appelées plus couramment nanofluides, afin de quantifier l'importance des principaux paramètres impliqués dans la valeur de leur viscosité. Une approche inédite, la rhéologie à très fort taux de cisaillement, a permis de distinguer pour les nanofluides le régime d'agrégation péricinétique dominé par le mouvement Brownien, du régime d'agrégation orthocinétique dominé par les interactions hydrodynamiques. La transition entre ces deux régimes a pu être atteinte grâce à la conception de microrhéomètres capillaires à capteurs de pression intégrés, dont la réalisation ont constitué une partie importante de ce travail. Les résultats de ces recherches mettent en évidence une corrélation entre l'augmentation du nombre de Peclet Pe quantifiant l'importance des interactions hydrodynamiques par rapport aux interactions Browniennes et la taille des agrégats au passage de la transition Pe=1. Des conclusions nettes ont été tirées sur la prépondérance du rôle des agrégats dans la rhéologie des nanofluides et sur l'influence des conditions d'écoulement sur leur forme.

L'adhésion et la migration des cellules jouent un rôle important dans de nombreux mécanismes cellulaires qui vont de la morphogenèse à la prolifération tumorale en passant par la réparation des tissus. Il est maintenant bien établi que l'environnement physique et mécanique des cellules a une grande influence sur de nombreuses fonctions cellulaires comme l'adhésion et la migration ainsi que sur leur devenir et donc leur différentiation. Pour contrôler les propriétés de l'environnement cellulaire, nous avons choisi de combiner des méthodes de micro-fabrication issues de la microélectronique aux techniques de biologie cellulaire et moléculaire. Nous nous sommes notamment intéressés à l'influence de la rigidité du support sur la migration cellulaire et les forces mécaniques exercées par les cellules, des fibroblastes, sur la matrice. Pour cela, nous avons utilisé un substrat constitué de micro-piliers flexibles, qui ont servi de micro-capteurs de force. Nous avons montré que les cellules employées adaptent les forces qu'elles exercent sur leur support à la rigidité de ce dernier. Nous avons ensuite étudié l'influence de la topographie du substrat sur la migration cellulaire. Nous avons pour cela également utilisé des micro-piliers, mais dont le diamètre est 5 à 10 fois supérieur aux précédents. Les cellules, en migrant, rencontrent donc alternativement des surfaces lisses et rugueuses. Nous avons montré que dans ces environnements, les cellules adoptent un comportement s'approchant de celui observé dans un gel tridimensionnel et que le noyau joue un rôle dans cette migration. Enfin, nous avons abordé l'étude de l'étalement cellulaire dans ces environnements texturés.

Radiative heat transfer in nanostructures with sub-wavelength dimensions can exceed that predicted by Planck&#039 / s blackbody distribution. This increased effect is due to the tunneling of infrared radiation between nanogaps, and can allow the eventual development of nano-thermo-photo-voltaic (Nano-TPV) cells for energy generation from low temperature heat sources. Although near field radiation effects have been discussed for many years, experimental verification of these effects is very limited so far. In this study, silica coated silicon wafer sample chips have been manufactured by using MEMS fabrication methods for testing the near field radiation effects. A variety of samples with 1&times / 1, 2&times / 2 and 5&times / 5 mm2 area, and with 25 nm, 50 nm, 100 nm and 200 nm (nano-gap) separations have been prepared. 3D structures with vacuum gaps have been obtained by bonding of the silica coated wafers. The samples have been tested in an experimental setup by a collaborative group at &Ouml / zyegin University, Istanbul. An increase in the net radiation heat transfer with decreasing nano-gap size has been reported by the &Ouml / zyegin group who used these samples in a parallel study. The thesis outlines the micro-fabrication techniques used for the sample preparation. Also, the manufacturing problems we have faced during this research program are discussed.

Ce travail de thèse présente la conception et la réalisation d'un capteur de pression 3D flexible pouvant être intégré dans un gant ou sur un outil de chirurgie pour qualifier et quantifier les forces de préhension notamment sous contraintes normales et de cisaillement. Un état de l'art présente d'abord les technologies se prêtant à cette application. Puis, le choix est porté sur la conception et le dimensionnement à partir de la loi de Hooke, d'un capteur matriciel capacitif tri-axe de 8 x 8 x 3 cellules/cm² à partir d'un diélectrique flexible de faible module d'Young autour de 1 MPa. Les cellules conçues ont une capacité nominale voisine de 0,5 pF. Une variation de 30% est attendue à une force maximale envisagée de 100 N/cm². La dynamique visée est de 1 à 1000. Elle correspondant à une résolution de 0,15 fF ou 100 mN/cm². La fabrication du capteur souple est abordée en prenant en compte la caractérisation des matériaux support, notamment le Kapton, dans un flux de microfabrication. Les problèmes de métallisation et d'adhérence d'électrodes sur PDMS conduisent au développement d'un procédé basé sur la technologie de transfert de film adapté aux électrodes enfouies dans le PDMS. Des résultats de simulation sous ANSYS valident le principe physique exploité. Ils sont confirmés par des mesures électriques statiques et en charge du capteur tactile pour des forces de 10 mN à 20 N.