Cette thèse traite un sujet pluridisciplinaire, la conception d’un prototype de micro-capteur biologique pour la détection des anticorps de patients susceptibles d'être allergiques.Elle a pour objectif la miniaturisation de la méthode ELISA pour « Enzyme Linked Immune Sorbent Assay » en concevant en « full-custom », avec une technologie CMOS APS, un capteur colorimétrique. Ce capteur est posé en dessous un système micro fluidique contenant l’échantillon biologique à tester, le tout est illuminé via une fibre optique. Le détecteur capte la lumière qui a traversé le micro-tube contenant l’échantillon. Les courants photoniques induits sont liés à la concentration et la coloration de la solution. Le virage colorimétrique de la réaction enzymatique, due à la présence des anticorps dans le sérum, et l’évaluation quantitative de la concentration seront déterminée par la mesure de ces photo-courants. Le capteur pourrait contenir une matrice de 20x20 pixels de détecteurs de couleur ainsi que leur électronique de lecture et de commande. Pour des raisons de coûts, nous avons validé le procédé à l’aide d’une matrice de 4x4 pixels de détecteur de couleur. La réalisation du circuit a été suivie par une caractérisation électrique et colorimétrique. La caractérisation électrique a permis de valider le fonctionnement du bloc de commande du circuit ainsi que celui du pixel (l’électronique de lecture, BDJ). Les résultats de mesures concordent avec ceux de simulations. La caractérisation colorimétrique consiste à mesurer le virage colorimétrique de deux solutions différentes. Les mesures ont pu montrer que notre capteur est plus sensible que le spectromètre utilisé pour mesurer la concentration des deux solutions. Ainsi ce travail de recherche a contribué à la miniaturisation d’une bio-puce colorimétrique dédiée aux tests immunologiques basée sur la méthode ELISA. / This PhD treats a multidisciplinary subject based on the design of a biological micro-sensor prototype for the detection of antibodies of patients susceptible to be allergic.The goal has been the miniaturization of the ELISA "Enzyme Linked Immune Sorbent Assay" method, designing in integrated full-custom colorimetric sensor with a CMOS APS technology. This sensor is installed below a microfluidic system containing the biological test sample, the whole is illuminated via an optical fiber. The sensor detects the light passed through the micro reservoir containing the sample, the induced photo-currents is related to the concentration of the solution. The color change of the enzyme reaction due to the presence of antibodies in the serum, and the quantitative evaluation of the concentration will be determined by the measurement of the induced photo-currents. The sensor may contain a matrix of 20x20 color detector pixels and their reading and control electronics. For cost reasons, we validated the method using a matrix of 4 x 4 pixels of color detectors.The design of electrical device was followed by a colorimetric and electrical characterizations. The latter was used to validate the operation of the control block of the circuit as well as that of the pixel (readout electronics, BDJ). The results brought by measurements are in good agreement with those obtained through simulations. The colorimetric characterization consists in measuring the intensity of the color of two different solutions of different colors. These measurements have shown that our sensor is more sensitive than a spectrometer. Therefore, this research work has contributed to the miniaturization of a colorimetric sensor and its electronic part for the Immunoassay based on the ELISA method.

Ce travail est axé sur l'étude de l'évaporation lente d'un liquide confiné dans un tube capillaire de section carrée, en lien avec l'étude du phénomène de séchage. Dans un tel capillaire, si le liquide est suffisamment mouillant, des films liquides se forment par capillarité le long des coins internes. L'évaporation du liquide en sommet de film engendre un pompage capillaire et l'espèce volatile est alors transportée, sous phase liquide, au plus près du sommet du capillaire. Ce mode de transport dépend de la compétition entre les effets capillaires et les effets visqueux et de gravité qui s'opposent tous deux au mouvement du liquide vers le sommet du capillaire. Ces films liquides sont étudiés en adoptant une approche expérimentale. Le principe des expériences est de laisser un liquide volatil s'évaporer dans un tube capillaire carré. Plusieurs expériences d'évaporation sont réalisées en faisant varier la nature du liquide, la taille du capillaire et son orientation (horizontale et verticale). Une méthode de thermographie infra-rouge permet de mesurer le profil de température le long du capillaire. Le refroidissement induit par le changement de phase liquide-vapeur ainsi que sa position sont alors mesurables. A partir d'une méthode de visualisation par ombroscopie, plusieurs grandeurs sont mesurées : position du ménisque principal, taux d'évaporation et épaisseur relative des films. En s'appuyant sur une analyse simple du transfert de masse, on montre alors que les cinétiques d'évaporation obtenues expérimentalement se divisent en trois principales phases caractéristiques, ressemblant fortement aux trois périodes de la cinétique classique de séchage des milieux poreux capillaires. L'analyse de l'hydrodynamique des films montre qu'il est indispensable de prendre en compte l'arrondi interne des coins des capillaires dans la modélisation de l'écoulement au sein des films. On montre notamment que le phénomène étudié est très sensible à ce paramètre, qui limite l'extension des films. Ce travail expérimental a permis de développer une modélisation du transfert de masse dans la configuration étudiée, couplée à une modélisation de l'écoulement des films, et finalement de proposer un modèle de séchage d'un capillaire carré quantitativement satisfaisant. / In connection with the study of the phenomenon of drying, this work focuses on the study of slow evaporation of a liquid confined in a capillary of square cross section. In such a capillary, if the liquid wetting contact angle is low enough, liquid films are trapped by capillary forces along the capillary inside corners. Evaporation of the liquid at the film top creates a capillary pumping. The volatile species is then transported in liquid phase to the top of the capillary. This efficient mode of transport depends on the competition between the effects of capillarity and the effects of viscosity and gravity both opposing to the liquid flow towards the top of the capillary. In this work, the liquid films are studied experimentally.The principle of the experiments is to leave a volatile liquid evaporate in a square capillary tube. Several evaporation experiments are conducted, varying the liquid, the capillary tube size and its orientation (horizontal and vertical). An infrared thermography method allows to measure the temperature profile along the capillary. The cooling induced by the liquid-vapor phase change and its location is then measured. Owing to an ombroscopy visualization method, the location of the bulk meniscus, the evaporation rate and the relative thickness of the films can be measured. The experimental results show that the evaporation kinetics is similar to the drying kinetics of capillary porous media. This finding allows to study evaporation in a square capillary by analogy with the study of drying of capillary porous media. Based on a simple analysis of mass transfer in the system, it is then shown that the evaporation kinetics obtained experimentally can be divided into three main characteristic phases. The analysis of the hydrodynamic of the films shows that it is essential to take into account the roundeness of the capillary tube inside corners in the modelling of the flow in the films. We show that the phenomenon studied is very sensitive to the degree of roundedness of the tube internal corners, which limits the extension of the films. Modelling of the mass transfer coupled with modelling the film flow lead to a quantitatively satisfactory model of the drying of a square capillary tube.

Les travaux menés dans le cadre de cette thèse sont focalisés sur les procédés deréplication permettant la transformation des mélanges en composants par les technologiesen séquentiel ou bien en continu, selon les applications visées. Les développementsconcernent la mise en place et l’hybridation de différents procédés de micro-réplication(estampage à chaud de polymère thermoplastique et par laminage circulaire entre deuxrouleaux). Ces deux procédés sont développés et optimisés pour l’élaboration decomposants micro-structurés ou de microcomposants possédant des propriétésfonctionnelles mécaniques ou thermo-physiques requises à partir de différents mélangeschargés en poudres métalliques ou en nanotubes de carbone. Des exemples de réalisationde composants structurés, à base d’un système micro-fluidique possédant plusieurs canauxde 200 microns par 200 microns et des réservoirs de diamètre de 2 mm, sont prises commeexemple tout au long de ces travaux de cette thèse. Différents travaux de caractérisationsont été entrepris pour optimiser les procédés de micro-réplication par estampage à chaud etpar laminage circulaire entre deux rouleaux. / The Ph.D subject concerns the study of two micro-replication processes by hotembossing and roll to roll processes for thermoplastic polymers and loaded polymers withpowders or carbon nanotubes. The micro-replication processes, realized in sequential orcontinuous ways, use some different elaborated loaded feedstocks in order to obtainstructural components or micro-component with high aspect ratio and mechanical orthermo-physical properties.A chain combining hot embossing and roll embossing and powder metallurgy have beendeveloped in our lab and investigated. The different micro mould die cavities have beenrealized with different micro-manufacturing process, elastomeric mould has been obtainedby casting process. Finally, a metallic structured die cavity has been obtained by combininghot embossing and debinding and sintering stages. The second topic is the comparison ofmetallic die cavity mould obtained by roll embossing or rolls embossing. Two demonstratorshave been developed during the preparation of this Ph.D period: first a metallic micro-fluidicsystem with micro-structuration with diameter of 1 mm for the reservoir and 200 microns by200 microns for the channel have been realized and characterized by different methods.Secondly, some functional micro-component has been obtained with carbon nanotube andsome specific properties in terms of mechanic and thermo-physical properties have beencharacterized.