Depuis ces dernières années, il y a eu augmentation de l'effort pour le développement des systèmes microfluidiques dédiésà la dispersion d'une phase fluide dans une autre phase fluide immiscible. Les gouttelettes ou les bulles résultantes ont de nombreuses applications dans des diverses domaines (photonique, chimique, biologique...). Pour la plupart de ces applications, il est primordial de contrôler la taille et la forme de ces gouttelettes/bulles, paramètres qui influencent directement le comportement ou la réponse du système. Notre but consiste ainsi à générer des gouttelettes de taille unique (mono-dispersées) et contrôlable pour produire des structures accordables. Nous analysons aussi leurs mécanismes de formation et étudions les paramètres qui influent sur leur taille et leur forme. Dans le présent travail, la génération de gouttelettes est réalisée en utilisant une intersection entre deux microcanaux (jonction en T) où leur taille est directement liée à la géométrie. Dans cette configuration, il existe trois régimes connus de génération de gouttelettes qui sont les régimes de dripping, squeezing et jetting. Nous nous sommes particulièrement intéressés à l'étude du régime dripping car il assure la génération de gouttelettes ayant une taille plus petite que celle obtenue avec les autres régimes. Les expériences et les études théoriques ont montré que le diamètre des gouttelettes diminue quand la largeur des canaux diminue, quand la vitesse de la phase continue augmente et quand la vitesse de la phase dispersée diminue. De plus, nous avons pu mettre en évidence un nouveau régime de génération de gouttelettes pour lequel les gouttelettes générées ont un diamètre constant, indépendamment des vitesses des phases continue et dispersée, et qui ne dépend que de la géométrie des canaux. Nous avons appelé ce nouveau régime le régime "balloon". Nous avons enfin montré l'intérêt de l'accordabilité des systèmes microfluidiques en optique et en acoustique. Ainsi, nous avons montré que la période du réseau de diffraction optique est facilement modifiable en contrôlant les paramètres de génération de bulles. De même, nous avons pu voir que la réponse acoustique est liée 'a la résonance des bulles dans le milieu liquide. Cette réponse est une fonction du diamètre des bulles générées. Enfin, nous proposons l'utilisation du système microfluidique en électronique pour produire des capacités variables, ouvrant la voie à des nouvelles fonctionnalités pour la microfluidique diphasique.

ABSTRACT DEVELOPMENT OF A MICRO-FABRICATION PROCESS SIMULATOR FOR MICRO-ELECTRO-MECHANICAL SYSTEMS (MEMS) Yildirim, Alper M.S, Department of Mechanical Engineering Supervisor: Asst. Prof. Dr. Melik D&ouml / len December 2005, 140 pages The aim of this study is to devise a computer simulation tool, which will speed-up the design of Micro-Electro-Mechanical Systems by providing the results of the micro-fabrication processes in advance. Anisotropic etching along with isotropic etching of silicon wafers are to be simulated in this environment. Similarly, additive processes like doping and material deposition could be simulated by means of a Cellular Automata based algorithm along with the use of OpenGL library functions. Equipped with an integrated mask design editor, complex mask patterns can be created by the software and the results are displayed by the Cellular Automata cells based on their spatial location and plane. The resultant etched shapes are in agreement with the experimental results both qualitatively and quantitatively. Keywords: Wet Etching, Anisotropic Etching, Doping, Cellular Automata, Micro-fabrication simulation, Material Deposition, Isotropic Etching, Dry Etching, Deep Reactive Ion Etching

Cette thèse traite le sujet du micro-actionnement multistable employant des radiations optiques pour atteindre les différentes positions offertes par le micro-actionneur. Dans le cadre des travaux réalisés, un mécanisme bistable reposant sur un principe de doubles poutres préformées situées en position antagoniste est proposé, et, sur cette brique élémentaire, un micro-actionneur quadristable a été conçu. Afin de valider le principe de fonctionnement de micro-actionneur, des procédés de fabrication Laser (sur le matériau « médium - MDF») puis DRIE (sur un wafer SOI de silicium) ont été utilisés. Sur le prototype en silicium, permettant une réduction des courses du rang interne et du rang externe du micro-actionneur, celles-ci ont été fixées à 300 µm et 200 µm respectivement. L’actionnement à distance de ce micro-actionneur a été prouvé en utilisant le chauffage laser d’un élément actif en Nitinol structuré par un dépôt de SiO2, ceci générant un effet « deux sens » de l’élément actif permettant d’annuler la charge sur les poutres du micro-actionneur une fois celui-ci déclenché puis en position stable. L’utilisation d’un banc expérimental incluant une membrane MEMS de balayage laser a permis de démontrer la quadristabilité du micro-actionneur sur 90 000 cycles. Afin de réduire davantage la course de ce micro-actionneur, des concepts de dispositifs de réduction de course ont été développés pour démontrer, à partir de prototypes fabriqué en MDF par usinage laser, la capacité à atteindre une course de 1 µm. Enfin, à la suite de ces travaux de réduction de course, un concept de nano-actionneur multistable a été proposé. Ce nano-actionneur est composé de quatre modules bistables liés et disposés en parallèle pour offrir 16 positions discrètes sur une course rectiligne. Les simulations de cet actionneur montrent la possibilité d’atteindre les 15 positions espacées de 10 nm sur une course de 150 nm. / In this work, a bistable mechanism based on antagonistic pre-shaped double beams was proposed. Employing the proposed bistable mechanism, a quadristable micro-actuator was designed. ln order to validate the quadristability of the device, a meso-scaled prototype was fabricated from MDF by laser cutting. After the quadristability was experimentally confirmed, a quadristable micro-actuator was realized on SOl wafer using DRIE technique. Strokes for inner row and outer row were reduced to 300 µm and 200 µm respectively. For the actuation of the quadristable micro-actuator,laser heated SMA elements with deposited Si02 layer were used to realize the optical wireless actuation. With the help of a laser beam steering micro-mirror, both inner row and outer row were successfully actuated. ln order to further reduce the stroke, a bistable actuator with stroke reducing structure was designed and a prototype eut from MDF was tested. Bistability was validated and a stroke of 1µm was experimentally achieved. Based on this bistable module, a multistable nano-actuator, which contains four parallel coupled bistable modules,was designed and simulated. The simulated result have indicated that it was capable of outputs 16 discrete stable positions available from 0 nm to 150 nm with a step of 10 nm between two stable positions.

This research lays the foundation of a highly simplified maskless micro-fabrication technique which involves incorporation of laser direct writing technique combined with fountain pen based micro-patterning method to fabricate polymer-based Mach-Zehnder interferometer sensor arrays' prototype for chemical/biological sensing applications. The research provides methodology that focuses on maskless technology, allowing the definition and modification of geometric patterns through the programming of computer software, in contrast to the conventional mask-based photolithographic approach, in which a photomask must be produced before the device is fabricated. The finished waveguide sensors are evaluated on the basis of their performance as general interferometers. The waveguide developed using the fountain pen-based micro-patterning system is compared with the waveguide developed using the current technique of spin coating method for patterning of upper cladding of the waveguide. The resulting output power profile of the waveguides is generated to confirm their functionality as general interferometers. The results obtained are used to confirm the functionality of the simplified micro-fabrication technique for fabricating integrated optical polymer-based sensors and sensor arrays for chemical/biological sensing applications.

Superconducting single-photon detectors (SSPDs) are the leading detectors in terms of high-speed single-photon counting and high detection efficiency (DE). One factor that limits the DE is the critical current Ic, which is the maximum current before the superconductor switches to the normal state. Increasing device’s bias current towards the Ic can improve the DE. However, the device’s Ic is reduced due to constriction and current crowding at the edges of the wire. Typically, this is caused by fabrication defects. Locally suppressing superconductivity at these defects can potentially lessen the occurrence of current crowding. In this thesis, we used the beam from the helium ion microscope (HIM) and measured the Ic to observe the effects of locally irradiating specific areas on a SSPD wire. Due to the HIM’s small spot size and high collimation, we can control the superconducting gap precisely at the center and edges of the wire. Suppressing the edges can potentially reduce current crowding and increase the device’s critical current while suppressing the center can improve detection sensitivity for photons incident at that location. Our results showed that the irradiated devices had reduced Ic compared to unirradiated devices for both cases. We then extend this method of local suppression of superconductivity to explore an alternative method of fabricating SSPDs by directly writing the device on the superconducting thin film. This can enable the fabrication of devices without the use of lithography resist. In our experiment, we fabricated a 3 μm wire using optical lithography that was disconnected at the center and connected it by writing a single 1 μm wire with the He+ ion beam. We measured the Ic for samples with and without the 1 μm wire pattern and observed that the Ic decreased as we increased the ion dose. Overall, this work aims to contribute to the continuing investigation of the detection mechanism for SSPDs and the improvement of nanofabrication methods using the HIM.

Les travaux de thèse portent sur le développement de méthodologies d'élaboration de dispositifs à base de polymères PDMS, destinés à des applications médicales. Ce travail s'appuie sur deux volets applicatifs : le développement de matrices de micro-capteurs capacitifs souples portables destinées à la mesure de champs de pression dans un contexte de suivi d'appuis du corps humain, et le développement d'une technique de collage réversible de composants PDMS dans une application de laboratoire sur puce en micro-fluidique. Dans ces travaux, les propriétés mécaniques du PDMS sont déterminées expérimentalement et à l'aide de modélisations numériques, afin d'identifier les éléments essentiels du dimensionnement des micro-capteurs capacitifs. Différents types de micro-capteurs de pression souples sont réalisés par un procédé de microfabrication à transfert de films. Ce procédé est optimisé à chacune de ses étapes afin d'obtenir un procédé fiable et reproductible. Les caractérisations électromécaniques montrent que les capteurs fabriqués sont opérationnels et adaptés aux applications médicales visées. Les capteurs de pression normale ont une variation de capacité de 3 à 17 % à 10 N - 300 kPa, adaptée à une application dentaire. Les capteurs à trois axes de sensibilité ont une résolution spatiale de 25 mm2, et une sensibilité de 4 % à 3 N en compression et 1,4 % par Newton en cisaillement pur, et sont adaptés à une application de mesure de la pression plantaire destinée à l'analyse de la marche et la détection des hyper-appuis. Par ailleurs, deux méthodes différentes permettant le collage réversible de composants PDMS sont développées. Les dispositifs microfluidiques fabriqués avec ces méthodes peuvent être utilisés avec jusqu'à 5 cycles de collage/décollage, et travailler à débit élevé (500 µL/min, correspondant à une pression de 148 kPa). Les méthodologies développées dans ces travaux ouvrent la voie à l'élaboration de dispositifs à base de PDMS performants et optimisés pour répondre à des cahiers des charges exigeants pour des applications biomédicales ciblées. / This thesis focuses on the development of methodologies dedicated to the development of PDMS-based devices, which are required in medical applications. Two objective applications are considered in this work: i) the development of wearable flexible micro-sensors arrays for measuring pressure fields on human body and ii) the development of a reversible bonding technique of PDMS components dedicated to microfluidic chips. In this work, the mechanical properties of PDMS are determined using experiments and computations; they allow identifying the essential elements of the design of capacitive micro-sensors. The manufacturing process is reliable and reproducible, and different types of flexible pressure sensor have been fabricated by a film transfer process. Electromechanical characterizations show that the fabricated sensors are fully operational and suitable for the intended applications. Normal pressure sensors have a capacitance change ranging from 3 to 17% under a 10 N - 300 kPa - load, which is suitable for dental applications. Fabricated triaxial sensor arrays have a spatial resolution of 25 mm2, and a sensitivity of 4% under 3 N load in compression, and 1.4% / N under shear. These features are suitable for plantar pressure measurements required in gait analyses or for the detection of over-pressures. Besides, two different process methods for the reversible bonding of PDMS devices are developed. The microfluidic devices fabrcitated with these methods can be used within up to 5 “bonding & peeling off” cycles, and can be working at high microfluidic flows (500 µL / min, corresponding to a pressure of 148 kPa). The methodologies developed in these works open the way to the design and fabrication of PDMS-based devices suitable for demanding biomedical applications.

Ce travail de thèse porte sur la conception, la réalisation et l’évaluation expérimentale d’ un microsystème d’analyse dont l’originalité repose sur l’intégration d’une micro antenne planaire de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (SRMN) sur un système micro fluidique à base d’un polymère, le Cyclique Oléfine Copolymère (COC). La détermination des caractéristiques géométriques optimales du microsystème afin d’optimiser le couplage électromagnétique entre la micro antenne de détection et l’échantillon est effectuée à l’aide d’un modèle de calcul numérique, ce qui permet l’optimisation du rapport signal sur bruit (RSB). La réalisation du microsystème avec des procédés de micro fabrication développés au laboratoire ont permis de valides son fonctionnement dans un spectromètre dont le champ magnétique statique atteint 11.74 Tesla (fréquence de Larmor du proton égale à 500MHz). Travailler dans un champ aussi intense permet d’améliorer la sensibilité de détection mais nécessite de porter une attention particulière à l’homogénéité du champ magnétique qui, dans notre cas, peut être dégradée en raison de l’introduction du microsystème dans le spectromètre. En effet, les distorsions du champ magnétique, dues aux différentes susceptibilités magnétiques des matériaux constituant la microsonde, ont un impact direct sur la résolution spectrale. C’est pourquoi, une modélisation 3D par éléments finis est proposée afin de prévoir l’influence du microsystème sur la forme des raies spectrales et donc d’en déduire la résolution spectrale pouvant être espérée. La comparaison des résultats expérimentaux et ceux issus des simulations permet de valider le modèle de calcul numérique. Il apparait cependant nécessaire d’inclure le phénomène d’amortissement radiatif afin de pouvoir rendre compte des résultats expérimentaux relatifs à la résolution spectrale effectivement observée. / The work presented in this thesis involves the design, the development and the experimental evaluation of an analysis micro system. The originality of the work lies in the integration of a planar micro coil of spectroscopy by nuclear magnetic resonance (SNMR) on a micro fluidic system based on a polymer, cyclo olefin copolymer (COC). The determination of the optimum geometric characteristics of the micro system to improve electromagnetic coupling between the detection micro coil and the sample is performed with the aid of a numerical model that ensures the optimization of the signal to noise ratio (SNR). Using micro fabrication techniques developed in the laboratory, the micro system was developed and its behaviour was validated in spectrometer producing a static magnetic field off 11.74 Tesla (Larmor frequency of the proton equal to 500MHz). Working in such an intense field results in improved sensitivity of detection but requires paying close attention to the homogeneity of magnetic field. In this case the homogeneity can be degraded due to the introduction of the micro system in the spectrometer. Indeed, the distortions of the magnetic field, due to the different magnetic susceptibilities of the materials constituting the microprobe, have a direct impact on the spectral resolution. As such, 3D modelling by finite elements is proposed to predict the influence of the micro system on the shape of the spectral lines and to determine the best expected spectral resolution. The comparison of the experimental results to those obtained from simulation allows the validation of the numerical model. However, it appears necessary to include the effect of the radiation damping in the model to be able to justify the experimental results relative to the spectral resolution that was observed.

Ce travail de thèse a eu pour objectif de développer de nouvelles méthodes de dépôts et de formation de motifs pour mieux contrôler l'organisation de molécules d'intérêt biologique sur des substrats solides.<br />Dans la première partie du manuscrit, nous présentons une méthode originale, la micro-aspiration, permettant de réaliser des assemblages réversibles de canaux microfluidiques sur un substrat et servir à guider les liquides. Nous avons étudié les propriétés de ces systèmes avec des modèles physiques simples et appliqué ces phénomènes à la micromanipulation de liquides, le dépôt de protéines à diverses concentrations sur un substrat, la fabrication de motifs de polymères, nanoparticules, gels, etc.<br />Dans la seconde partie, nous avons exploré des nouvelles méthodes de dépôt de films de phospholipides multicouches sur des substrats solides et les avons appliqués à la fabrication de vésicules unilamellaires géantes de taille contrôlée. Tout d'abord, l'adaptation de techniques conventionnelles (micro-contact printing, moulage, etc.) a permis d'obtenir des motifs de phospholipides de taille micrométrique. Les dépôts ont ensuite été réalisés par retrait d'un ménisque en situation d'évaporation (assemblage capillaire). Nous avons identifié deux régimes de dépôt en fonction de l'importance relative des forces visqueuses et de l'évaporation, permettant un contrôle de l'épaisseur du film jusqu'à 200 nm à la bicouche près. L'émergence d'instabilités de mouillage ou le guidage sur micro-structures ont permis en outre de réaliser des motifs variés. En utilisant des substrats comme électrodes, ces différents niveaux d'organisation ont permis d'obtenir par électroformation des vésicules unilamellaires géantes de taille contrôlée. L'ensemble de ces travaux ouvre de nouvelles voies à la réalisation de surfaces et de motifs micrométriques d'intérêt biologique.

Ce travail s'inscrit dans le cadre du développement de sondes actives destinées à améliorer les performances des microscopes à force atomique (AFM) en vue de caractériser des objets nanométriques en milieu liquide avec une grande résolution spatiale et temporelle. Il s'agit d'un enjeu d'actualité qui mobilise la communauté scientifique tant au niveau de la physique encore souvent mal comprise que de l'instrument lui-même dont la sonde microsystème va fournir des performances accrues. L'architecture de ce nouveau capteur AFM va être identique aux sondes de type poutre encastrée-libre classiquement utilisées en AFM sous vide ou dans l'air.<br /><br />L'innovation réside dans l'intégration d'un actionnement propre directement sur le capteur, pour diminuer la quantité de fluide déplacé par rapport à un actionnement déporté d'une sonde classique, et d'une pointe effilée par un nanotube de carbone, pour atteindre une résolution latérale inférieure au nm. <br /><br />La recherche de la compréhension des phénomènes physiques entrant en jeu a conduit à une modélisation analytique complète du comportement dynamique du levier en milieu liquide. Cette modélisation, intégrant les phénomènes de dissipation intrinsèque à la structure et ceux dus au milieu liquide, permet d'optimiser les paramètres géométriques du capteur conduisant aux meilleures performances en terme de fréquence de résonance (>MHz) et de coefficient de qualité (>10). Des leviers aux dimensions optimales pour un actionnement en milieu liquide ont ainsi été fabriqués par technique de micro-usinage de surface et de volume. Deux voies technologiques ont été envisagées : l'actionnement électrostatique et l'actionnement piézoélectrique qui, au vue de l'étude bibliographique, sont les deux principes d'actionnement les plus adaptés à la détection de force en milieu liquide.<br /><br />La résolution latérale nanométrique a été obtenue en intégrant à l'extrémité du levier une pointe à apex très effilée. Une première méthode a consisté à utiliser la croissance localisée d'un unique nanotube de carbone dans le prolongement de la pointe. Cette étape a été rendue possible par une collaboration intensive avec le LEPES et plus particulièrement avec Anne-Marie Bonnot où une statistique de greffage de nanotubes de carbone a été réalisée sur des champs de pointe à géométrie variable pour contrôler, entre autre, la longueur des tubes obtenus à l'apex des pointes en silicium. Le procédé de dépôt des nanotubes de carbone étant réalisé à haute température (>800°C), il n'est donc compatible qu'avec une technologie de fabrication haute tempérautre comme c'est le cas de l'actionnement électrostatique (1100°C). Une autre méthode est donc utilisée pour effiler les pointes en silicium des leviers piézoélectriques à technologie froide (<650°C). La pointe est fabriquée avant le dépôt des couches de PZT qui réalisent l'actionnement et un apex nanométrique est obtenu par cycles d'oxydation-désoxydation. <br /><br />Ainsi les leviers actifs ont pu être caractérisés dans l'air et dans l'eau par vibrométrie laser puis par AFM, les leviers comportant un support aux dimensions entièrement compatibles avec les AFM commerciaux. Les effets d'électrolyse et d'écrantage du potentiel des électrodes, inhérents au milieu liquide d'actionnement, ont été d'autre part étudiés.<br /><br />Cette étude pluridisciplinaire en collaboration avec le LEPES (nanotube de carbone) et le CPMOH (caractérisations AFM des pointes à nanotubes) a permis de fabriquer une nouvelle génération de sondes actives AFM adaptées au milieu liquide.

Ce travail de thèse a pour objectif principal d'améliorer la sensibilité d'un micro-récepteur RMN implantable, utilisé dans le cadre de la micro-spectroscopie localisée in vivo. Dans la première partie de cette thèse, nous avons réexaminé la fabrication et modélisation de ce micro-récepteur par rapport à sa sensibilité. Parmi les deux procédés de fabrication proposés (électrodéposition du micro-récepteur avec un underpass sur un substrat de silicium et de verre), nous avons retenu celui-qui nous a permis d'obtenir les meilleures performances en termes de facteur de qualité. Les prototypes fabriqués avec ce procédé ont été caractérisés à l'aide d'un modèle que nous avons développé, basé sur une équation à coefficients polynomiaux. Ceux-ci ont été établis à partir de la simulation du layout du capteur et ont été réajustés en fonction des mesures. Ce modèle polynomial nous a conduits à un circuit équivalent du micro-récepteur, permettant d'approfondir l'étude de son comportement électrique en radio fréquences. La deuxième partie de ce travail est développée autour de l'association d'un amplificateur faible bruit (LNA) au plus près du micro-récepteur, afin d'améliorer sa sensibilité. Nous avons analysé l'état de l'art de l'amplification de micro-bobines RMN ainsi que l'interaction électromagnétique entre un circuit intégré et l'environnement RMN. En partant de cette analyse et des contraintes à remplir par le circuit d'adaptation (en termes de transmission de puissance, gain en tension et adaptation faible bruit), nous avons proposé un circuit d'amplification locale permettant d'améliorer la sensibilité du capteur. Nous avons validée notre démarche par simulation (avec notre micro-récepteur) et nous avons vérifié l'intérêt de celle-ci en RMN (avec une bobine de surface). Les résultats de ce travail nous ont permis d'établir des solutions concrètes pour atteindre la sensibilité nécessaire à nos applications / The aim of this thesis is to improve the sensitivity of an implantable micro NMR sensor, dedicated to the in vivo local micro-spectroscopy. In the first part of this thesis, we re-examined the design and modeling of this micro-sensor according to its sensitivity. We proposed two micromachining processes (electrodeposition of the micro-sensor with an underpass on a silicon and glass substrate) and we kept the one allowing the higher quality factor. The prototypes made with the chosen process were characterized thanks to a model that we developed, based in an equation with polynomial coefficients. These coefficients were determined from the layout of the sensor and were adapted to match the measurements. From this polynomial model, we proposed an equivalent circuit of the micro-sensor to have a better knowledge of its electrical behavior at high frequencies. The second part of this work is about the closer association of a low noise amplifier (LNA) with the micro-sensor to improve its sensitivity. We analyzed the state of art on the amplification of NMR micro-coils and the electromagnetic interaction between the integrated circuits ant the NMR environment. From this analysis and the conditions of the matching network (power transmission, voltage gain and low noise matching), we proposed a local amplification circuit achieving the sensitivity improvement of the sensor. This approach was validated by simulation (with our micro-sensor) and verified in an NMR system (with a surface coil). The results of this work allow us to set practical solutions to reach the required sensitivity of our applications