Linvention du concept de µTAS (micro total chemical analysis system) au début des années quatre vingt dix a ouvert aux fluides la porte du monde des microsystèmes. Un laboratoire sur puce intègre toutes les fonctions dun laboratoire macroscopique (déplacer, mélanger, chauffer des liquides, filtrer, séparer, détecter des molécules, etc.) sur une petite surface (typiquement quelques centimètres carrés). Le challenge technologique repose sur le couplage entre un microsystème conventionnel et un réseau microfluidique. Si les procédés silicium et verre ont été largement utilisés durant les années quatre vingt dix, ils présentent plusieurs inconvénients rédhibitoires : incompatibilité des technologies silicium avec les forts champs électriques nécessaires pour les séparations électrophorétiques et/ou le pompage électroosmotique, technologies non adaptées pour des grandes surfaces, difficultés dintégration dans un système complet, prix élevé des matériaux et des procédés associés, etc. La solution explorée dans cette thèse consiste à construire directement le réseau microfluidique sur un microsystème conventionnel dans des résines photosensibles (SU-8), ce qui facilite lintégration et autorise la fabrication de structures 3D avec un excellent alignement niveau à niveau. Les outils de caractérisation microfluidique développées et utilisés dans le cadre de ce travail sont présentés. Les effets de surface étant fondamentaux à cette échelle, une stratégie générique de modification des propriétés physicochimiques de la SU-8 est proposée et caractérisée.

Les domaines du génie biologique et médicale sont considérés, à terme, comme l'un des secteurs privilégiés d'application des microsystèmes. Le sujet de thèse consiste en la conception et la réalisation d'une unité d'analyse chimique comprenant une micropompe actionnée par une résistance thermique dont le rôle est de permettre l'acheminement d'un fluide vers un multi-capteur d'analyse physico-chimique (pression, ISFET, température,...). Le projet européen Barmint (1) nous sert de support dans la conception et la réalisation d'un démonstrateur intégrant notamment les composants ci-dessus. L'originalité d'un tel procédé est de réaliser, sur un même substrat de silicium poli double face, une membrane (micro-usinée grâce à une solution chimique) et de deux microvalves à sens unique qui contrôlent l'entrée et la sortie du fluide. Ces valves sont obtenues après dépôts LPCVD et gravures par plasma du silicium polycristallin. Nous aborderons en détails toutes les étapes technologiques de réalisation de la micropompe et des microvalves. Nous nous intéresserons surtout aux problèmes de compatibilités de ces technologies avec les techniques VLSI. La réalisation d'un démonstrateur sera présentée. Les aspects simulations et modélisations thermiques et mécaniques de la micropompe seront abordes pour l'optimisation . Ce travail ouvre des perspectives quant à la conception et la réalisation de futurs microsystèmes pour des applications spatiales, médicales.

L'objectif de ce travail porte sur l'étude et la réalisation de résonateurs optiques à état liquide en microfluidique digitale. Les gouttes sphériques constituent des résonateurs à mode de galerie, dans lesquels la lumière peut être piégée par réflexion totale interne. A l'échelle microscopique, elles exhibent des propriétés optiques remarquables. Leurs facteurs de qualité très élevés en font notamment des objets propices à l'étude de phénomènes optiques non linéaires, tel l'effet laser, et leur confèrent un potentiel certain en spectroscopie. Par ailleurs, la microfluidique digitale, qui a trait aux systèmes multiphasiques dans des microcanaux artificiels, offre une grande liberté de manipulation des microgouttes : génération au kHz, transport, encapsulation, fusion, division, stockage, triage... Aussi, pour les laboratoires-sur-puce, le développement de ces microgouttes en cavités résonantes constitue une opportunité d'intégrer des outils d'analyse optique capables de sonder des échantillons allant du picolitre au nanolitre.Après un exposé des propriétés optiques des résonateurs à modes de galerie, ce mémoire rapporte les travaux réalisés. Une présentation des méthodes de microfabrication et du montage expérimental précède l'étude de la génération de cavités optiques liquides en dynamique. Ces cavités résonantes sont ensuite appliquées aux sources lasers microfluidiques. En particulier, un effet laser a été mis en évidence dans des microgouttes sphériques d'éthylène glycol contenant de la rhodamine 6G. Enfin, une ouverture sur des systèmes couplant microgouttes et cavités Fabry-Perot présente d'autres perspectives telles que l'analyse de gouttes passives en intravité laser ou bien la commutation rapide de la longueur d'onde d'émission de lasers microfluidiques monomodes.

This dissertation presents the design and implementation of a 16-channel sinusoidal generator to stimulate microfluidic devices that use electrokinetic forces to manipulate particles. The generator has both, independent frequency and independent amplitude control for each channel. The stimulation system is based upon a CMOS application specific (ASIC) device developed using 0.35μm technology. Several generator techniques were compared based on frequency range, total harmonic distortion (THD), and on-chip area. The best alternative for the microfluidic applications is based in a triangle-to-sine converter and presents a frequency range of 8kHz to 21MHz, an output voltage range of 0V to 3.1VPP , and a maximum THD of 5.11%. The fabricated device, has a foot-print of 1560μm×2030μm. The amplitude of the outputs is extended using an interface card, achieving voltages of 0V to 15VPP . The generator functionality was tested by performing an experimental set-up with particle trapping. The set-up consisted of a mi-cromachined channel with embedded electrodes configured as two electrical ports located at different positions along the channel. By choosing specific amplitude and frequency values from the generator, different particles suspended in a fluid were simultaneously trapped at different ports. The multichannel stimulator presented here can be used in many microfluidic experiments and devices where particle trapping, separation and characterization is desired.

L'étude des écoulements, réactifs ou non, nécessite la mise en place de méthodes de diagnostics non-intrusives. Les méthodes de diagnostic optiques sont d'excellentes candidates pour répondre à ce type de problématique. Les milieux étudiés sont alors ensemencés de traceurs adaptés. S'ils sont correctement choisis, ces traceurs permettront de caractériser l'écoulement. L'utilisation de l'holographie numérique pour l'étude des écoulements offre un avantage certain par rapport à des méthodes d'imagerie classiques. En effet, elle permet d'accéder aux caractéristiques tridimensionnelles des traceurs utilisés (vitesses, tailles, position). La simplicité du montage optique utilisé pour l'enregistrement holographique rend cette technique particulièrement adaptée à l'étude des écoulements non-confinés tels que les sprays ou les jets. En revanche, dans le cadre de l'étude des écoulements confinés (écoulements canalisés par exemple), l'utilisation de l'holographie (et des méthodes de diagnostic optique en général) nécessite des modifications dans le dispositif expérimental. En effet, dans le cas d'écoulements canalisés, la géométrie cylindrique des canalisations introduit de l'astigmatisme dans le dispositif d'imagerie. Pour pouvoir étudier les écoulements canalisés et prendre en compte l'astigmatisme du montage, un modèle de simulation numérique des hologrammes est mis en place. Ce dernier permet, grâce au formalisme des matrices ABCD, de prendre en compte les paramètres géométriques la canalisation. Les hologrammes ainsi obtenus sont, ensuite, restitués par transformation de Fourier fractionnaire (TF fractionnaire). En effet, cet opérateur est adapté à la restitution des hologrammes enregistrés en lumière astigmate. De plus, il est ici prouvé que la TF fractionnaire permet effectivement de remettre au point sur les images des objets, que ceux-ci soient centrés sur l'axe optique du système ou non. Bien que l'astigmatisme puisse apparaître comme une difficulté à lever, il est possible d'en tirer partie. Ainsi, l'utilisation d'un faisceau référence focalisé dans la canalisation a permis d'isoler, de manière " tout-optique ", une région d'intérêt tridimensionnelle dans l'écoulement à étudier. Cette démarche permet ainsi d'alléger les traitements de restitution des hologrammes et offre la possibilité de sonder des volumes particuliers de l'écoulement. La généralisation de ces approches au cas des écoulements microcanalisés est discutée et appliquée, avec succès, à la visualisation de billes de latex de 5µm de diamètre situées dans un microcanal de 100µm de diamètre interne ou dans une région d'intérêt de dimensions réduites.

Les émulsions stabilisées par des particules solides sont connues et étudiées depuis le début du XXème siècle, dans le but de comprendre les propriétés originales qu'elles présentent. Afin de rationaliser ces systèmes, nous développons un système modèle basé sur l'utilisation de techniques microfluidiques pour la fabrication de gouttes et de nanoparticules de silice onodisperses pour les stabiliser. La première partie de ce travail porte sur 'optimisation et la compréhension de la synthèse diphasique des nanoparticules dans le cadre de la Théorie Classique de la Nucléation. Ces nanoparticules sont ensuite utilisées pour stabiliser des gouttes d'huiles ormées dans une puce microfluidique, ce qui permet de découpler les différents phénomènes conduisant à l'obtention d'une émulsion : création de surface, adsorption des particules, coalescence des gouttes. Les émulsions collectées peuvent être déstabilisées par ajout d'un solvant dans la phase continue, provoquant la formation de gouttes non sphériques ou la séparation totale des eux phases. Enfin, nous examinons les mécanismes permettant d'expliquer la stabilisation ou la déstabilisation provoquée des gouttes par des nanoparticules.

Ce travail porte sur trois problèmes d'hydrodynamique à petite échelle, dans lesquels des structures déformables interagissent avec un fluide visqueux. Ces structures sont des filaments flexibles, inspirés des flagelles biologiques. Dans chaque cas, une étude expérimentale quantitative est associée à un modèle théorique minimal afin de saisir l'essentiel de la physique mise en jeu. Le premier système est un filament élastique macroscopique, entraîné en rotation. Lorsque la fréquence augmente, le filament subit une transition d'un état peu déformé à un profil hélicoïdal. Selon les conditions d'ancrage, cette transition de forme peut être associée à une branche instable dans la relation force/couple. Le second système est constitué de microcils artificiels, obtenus par auto-assemblage de colloïdes superparamagnétiques. Nous avons étudié la dynamique individuelle et collective de ces microcils actionnables. Nous présentons leur fabrication et leur organisation en réseaux de géométrie contrôlée, dans des canaux microfluidiques. Les filaments sont actionnés en précession autour de l'axe vertical. Il existe une inclinaison critique de champ magnétique par rapport à l'axe de précession, au-delà de laquelle la réponse d'un filament à haute fréquence n'est plus synchrone. Cette transition dynamique repose sur un critère géométrique, lié à la nature de l'interaction magnétique dipolaire. Enfin, sous l'effet des interactions hydrodynamiques à longue portée, les trajectoires des extrémités libres d'un réseau de filaments subissent une évolution morphologique inattendue. Un modèle minimal à deux corps apporte une compréhension semi-quantitative de nos résultats expérimentaux.

La perméabilisation cellulaire par l'intermédiaire de champs électriques est une des méthodes les plus sures pour le transfert de gènes et de molécules d'intérêt. La découverte des effets intra-cellulaires d'un nouveau type d'impulsions électriques - les nanopulses - a ouvert de nouvelles perspectives à l'application des impulsions électriques au vivant. La mise au point de nouveaux outils est indispensable avant de pouvoir appliquer ces techniques à l'homme. Aussi, notre but a été de mettre au point des systèmes d'exposition de cellules à ces impulsions et de montrer que de nouvelles applications thérapeutiques étaient possibles, en particulier en cancérologie. Une nouvelle méthode d'exposition de cellules ou de tissus basée sur l'utilisation d'électrodes isolées a été proposée permettant d'éviter tout risque de contamination ou brûlure électrochimique. A l'aide de cette nouvelle méthode, des expériences in vitro puis in vivo ont pu être menées et confirment la possibilité d'augmenter d'un facteur 3 à 6 la production de luciférase après un électrotransfert de ce gène. Enfin, l'exposition de tumeurs à ces impulsions en présence de bléomycine a permis d'obtenir des régressions tumorales complètes. Nous avons aussi conçu un biomicrosystème permettant d'étudier les effets de telles impulsions à l'échelle cellulaire sous microscope s'intégrant comme terminaison adaptée dans la chaîne d'exposition. L'ensemble des résultats présentés dans cette thèse montre qu'il est possible d'envisager l'utilisation de ces impulsions comme nouvel outil thérapeutique dans le traitement de cancers ou en thérapie génique.

Cette thèse traite de l'action des ondes acoustiques sur des bulles micrométriques excitées à leur fréquence de résonance. En effet, les bulles peuvent être considérées comme des oscillateurs mécaniques et les forces acoustiques à leur résonance, appelées forces de Bjerknes, ont des propriétés non triviales. De plus, les bulles interagissent entre elles par l'émission d'un champ secondaire, menant à leur auto-organisation sur un motif périodique. Ici, les bulles sont confinées dans des microcanaux, elles ne sont pas sphériques et frottent fortement sur les parois. L'étude expérimentale des forces acoustiques (primaire et secondaire) est alors précédée par la modélisation de l'écoulement des bulles, liant la friction sur les parois aux forces externes appliquées. Plusieurs applications aux laboratoires sur puce sont développées, dont le tri en taille, la division asymétrique contrôlée, l'aiguillage automatique à une bifurcation, et la manipulation de goutte.

Trois micro-systèmes ont été développés pour la détection des polluants dans l'environnement. Un système microfluidique basé sur l'extraction en phase solide et sur une détection fluorimétrique a été mis en point pour la détermination de traces de Pb2 + dans l'eau potable. Le mécanisme et la cinétique chimique de la complexation entre le senseur et le plomb ont été étudiés en détail. Un autre dispositif pour la détection des ions de métaux lourds est un capteur optofluidique basé sur une microcavité laser. Une grande attention est portée sur la recherche de matériaux efficaces pour élaborer la microcavité. Les copolymères biblocks ont été choisis dans notre étude. Le troisième dispositif est l'électrophorèse capillaire miniaturisée avec une détection électrochimique pour l'analyse des perturbateurs endocriniens (PE) dans les eaux usées. Tous ces dispositifs ont de bonnes performances et ils sont à la base de futures appareils miniaturisés pour l'analyse sur le terrain.