Ces dernières années, de nouvelles règlementations concernant la protection environnementale ont vu le jour, notamment avec la Directive Cadre sur l'Eau proposée en 2000. Celle-ci impose des normes de plus en plus contraignantes sur les rejets des systèmes d'assainissement dans les milieux récepteurs. Ces rejets sont d'autant plus conséquents que les évènements pluvieux sont plus intenses, causes du changement climatique, et que la population augmente comme le souligne le Plan National Santé Environnement (2009-2013). Le test de la Demande Biologique en Oxygène (DBO) est à ce jour le plus largement utilisé pour répondre à ces normes. Cependant, sa durée de réalisation ne permet pas aux gestionnaires de systèmes d'assainissement d'anticiper les pics de pollution, et de rétroagir sur le procédé d'assainissement avant déversement dans le milieu récepteur. De plus, ce test normalisé utilise un inoculum bactérien, issu de l'environnement, contenant différentes souches dont la diversité et la concentration est inconnue. Ceci ne permet pas, alors, d'avoir une bonne reproductibilité sur la mesure de la DBO. C'est donc dans ce contexte de protection environnementale que le projet BIOGUARD, issu d'une entente entre la recherche académique et les industriels du domaine, se positionne. Dans le cadre de ces travaux de thèse, nous avons développé des outils et méthodes permettant de réduire à la fois le volume d'échantillon utilisé pour la mesure par une approche d'intégration microsystème, et à la fois la durée de l'analyse par une optimisation du processus de biodégradation par les bactéries, et par une approche de modélisation mathématique. Deux types de capteurs optiques ont été utilisés, le premier permettant de mesurer l'oxygène dissous, et le second permettant de mesurer l'activité bactérienne. Ces deux capteurs ont été intégrés dans des dispositifs microfluidiques en technologie verre-PDMS, qui est une technologie tout à fait adapté à ce type de recherche du fait de sa biocompatibilité, de sa simplicité de mise en œuvre et de sa grande adaptabilité. L'une des innovations de ce projet est de proposer un biocapteur combinant les réponses de plusieurs souches bactériennes spécifiquement choisies afin d'augmenter la précision et la reproductibilité de la mesure. Lors de nos expériences, cependant, une seule souche bactérienne sera utilisée. Une étude des facteurs d'influence a été mené afin d'observer les changements du comportement bactérien. Avec les résultats expérimentaux obtenus, nous avons tenté d'expliquer ces changements par une approche mathématique, en utilisant des modèles théoriques de croissance bactérienne, dans le but de prédire la valeur de la DBO. Enfin, un prototype macro-fluidique, basé sur une seule souche bactérienne, réutilisable et automatique a également été développé dans le but de proposer une architecture fluidique simple que l'on pourrait alors dupliquer pour l'utilisation de la totalité des souches prévues dans le projet. / In recent years, new regulations concerning environmental protection have emerged, particularly with the Water Framework Directive proposed in 2000. It imposes standards more restrictive on discharges from wastewater systems in receiving environments. These discharges are even more consistent than the rainfall events are more intense, causes of climate change, and population increases as outlined in the Plan National Santé Environnement (2009-2013). The test of the Biological Oxygen Demand (BOD) is to date the most widely used to meet these standards. However, its achievement time does not allow managers sewerage systems to anticipate pollution peaks, and to retroact on the purification process prior to discharge into receiving environment. In addition, this standardized test uses a bacterial inoculum from the environment, containing different strains with the diversity and concentration is unknown. This does not, then, to have a good reproducibility of the measurement of the BOD. It is in this environmental protection context that the BIOGUARD project, result of an agreement between academic and industrial research in the field, is positioned. As part of these thesis works, we developed tools and methods to reduce both the volume of sample used for the measurement with a micro-integration approach, and both the duration of the analysis by an optimization of the biodegradation process by bacteria, and by mathematical modeling approach. Two types of optical sensors have been used, the first for measuring dissolved oxygen, and the second to measure the bacterial activity. Both sensors have been integrated into microfluidic devices in PDMS-glass technology, a technology perfectly suited to this type of research because of its biocompatibility, its simplicity of implementation and its great adaptability. One of the innovations of this project is to provide a biosensor combining responses to several bacterial strains specifically selected to increase the accuracy and reproducibility of the measurement. In our experiments, however, a single bacterial strain is used. A study of influencing factors was conducted to observe changes in bacterial behavior. With the experimental results, we have tried to explain these changes by a mathematical approach, using theoretical models of bacterial growth, in order to predict the value of BOD. Finally, a macro-fluidic prototype, based on a single bacterial strain, reusable and automatic was also developed to provide a simple fluidic architecture that could be duplicated for use with all strains included in the project.

La recherche en médecine et en biologie s'appuie sur des appareils de mesure divers qui facilitent le diagnostic et le suivi du traitement. Parmi ces appareils, ceux visant l'imagerie moléculaire, par exemple la tomographie d'émission par positrons (TEP), se démarquent par leur capacité à apercevoir les signes distinctifs des maladies comme le cancer dès les premiers stades, et ce grâce à des traceurs métaboliques et/ou fonctionnels spécifiques. En plus du diagnostic, ces appareils permettent de mieux comprendre et étudier ces maladies en vue de développer de nouveaux ou meilleurs traitements. Pour appuyer les biologistes et médecins dans leur travail, les développeurs cherchent toujours à améliorer la qualité des images TEP, notamment grâce à la mesure du temps de vol (TDV) des rayons ionisant issus du positron. Le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke propose un concept de détecteur novateur destiné aux scanners TEP avec TDV, suivant la chaîne de détection connue d'un cristal scintillateur, un photodétecteur et l'électronique de lecture. L'architecture proposée exploite une matrice de photodiodes à avalanche monophotonique (PAMP) à numérisation directe plutôt que par somme en courant. Cette méthode permet de distinguer et compter individuellement chaque photon lumineux sortant du scintillateur, à condition que l'électronique frontale soit assez rapide dans les conditions d'utilisation normale. Afin de maximiser ce potentiel, toute l'électronique doit être intégrée à même le photodétecteur. Puisque l'électronique de détection et de traitement partage a priori la même surface de semi-conducteur, les concepteurs doivent choisir un équilibre entre la surface sensible et le niveau d'intelligence intégrée. Or, la densité croissante des canaux de détection TEP exige de plus en plus de traitement en temps réel pour avoir un appareil d'intérêt pour les biologistes. L'intégration verticale apparaît comme la solution naturelle pour ce problème en permettant de placer les circuits intelligents sous la matrice de photodétection. Ce projet de doctorat vise la conception de l'architecture d'acquisition et l'intégration des sous-systèmes électroniques de ce microsystème. Ces travaux ont mené au développement d'un discriminateur de bruit numérique sans dégradation de la mesure temporelle, à la fabrication et la caractérisation d'un prototype d'architecture à intégration verticale avec un circuit de conversion temps numérique (CTN) par canal, et enfin à une étude qui guidera les développements futurs pour la conception de détecteurs à plusieurs CTN. Ces contributions sont détaillées en trois articles distincts intégrés à la thèse. La recherche conclu que pour le cristal LYSO, d'avoir un ou quelques CTN précis et à faible gigue est plus importante que d'en avoir en grand nombre. Par contre, pour les matériaux à venir, ce nombre de CTN aura aussi un impact significatif sur le résultat final, changeant ainsi le paradigme initial de conception du microsystème.

Cette thèse a été effectuée dans un contexte industriel de forte concurrence en lien avec les capteurs miniatures en silicium, destinés au gigantesque marché dit "consumer", dont l'application phare est le "Smartphone", pour laquelle les fonctionnalités accrues engendrent un besoin en matière de multi-capteurs inertiels dits 10-axes (accéléromètre 3-axes, magnétomètre 3-axes, gyromètre 3-axes et capteur de pression). Tout comme les circuits intégrés, les contraintes de coût de tels capteurs se traduisent par une exigence en termes de densité d'intégration. La technologie M&NEMS (Micro- & Nano- Electro Mechanical Systems) a été développée pour répondre à cette attente. Elle repose sur l'intégration de jauges de contraintes de dimensions nanométriques (~250 nm) avec des structures électromécaniques micrométriques, ce qui prodigue une compacité hors-pair des capteurs, ouvrant la voie à la co-intégration de multi-capteurs sur la même puce de silicium. Toutefois, la nature différente des grandeurs physiques à mesurer impose des contraintes supplémentaires, parfois opposées, ce qui rend leur co-intégration difficile. Partant de ce constat, nous avons exploré et développé, des solutions devant permettre le fonctionnement sous une même pression environnante, d'accéléromètres et de gyromètres à force de Coriolis. Cette problématique de co-intégration, s'étend au-delà du couple accéléromètre-gyromètre. Des questions inhérentes au capteur de pression ainsi qu'aux 3 axes de mesure d'un accéléromètre, sont également traitées dans cette thèse / This thesis was carried out in an industrial context of strong competition in connection with miniature silicon sensors for the huge so-called “consumer” market, where the “Smartphone” is the killer application; its increasing functionality creates a need for the so-called ‘10-axis' inertial multi-sensors (3-axis accelerometer, 3-axis magnetometer, 3-axis gyro sensor and pressure). Similarly to integrated circuits, cost constraints on such sensors translate into a requirement in terms of integration density. The M & NEMS (Micro- & Nano- Electro-Mechanical-Systems) technology has been developed to meet this expectation. It is based on the integration of nanoscale (~ 250 nm) strain gauges together with micrometric electromechanical structures, which ensure unrivaled compactness, paving the way for the co-integration of multiple inertial sensors on the same silicon chip. However, the different nature of the physical quantities to be measured imposes additional constraints, sometimes conflicting, which leads to a difficult co-integration. Based on this observation, we have explored and developed solutions to allow operation under the same ambient pressure, of accelerometers together with Coriolis force based gyroscopes. This issue of co-integration extends beyond the accelerometer-gyroscope couple. Issues inherent to the pressure sensor and to the 3-axis accelerometer measurements, are also addressed in this thesis

Ce manuscrit est consacré au développement de méthodes de dérivation intra-capillaire ultrasensible et de méthodes de séparation électrocinétique hautement résolutives en vue d’une intégration dans un outil microfluidique de diagnostic de la maladie d’Alzheimer. La partie bibliographique situe d'abord le contexte épidémiologique et neurophysiopathologique de la maladie d’Alzheimer ainsi que les outils de diagnostic actuellement utilisés. Ensuite, l'état de l'art sur l'utilisation de méthodes de séparation électrocinétique, ainsi que les outils analytiques disponibles pour améliorer l’analyse d’échantillon biologique sont présentés. La partie expérimentale a porté tout d'abord sur le développement de méthodes de dérivation intra-capillaire permettant une détection ultrasensible de biomarqueurs de la maladie d’Alzheimer, en particulier l’ubiquitine, dans le liquide céphalo-rachidien. Le travail expérimental s’est ensuite prolongé par le développement d’une méthode de séparations hautement résolutives en puce en verre de différentes formes de peptides beta-amyloïdes, biomarqueurs pertinents en vue d’un diagnostic de la maladie d’Alzheimer. Pour terminer, l’apport de deux nouveaux substrats polymériques, le COC et le thiolène, pour la microfabrication de puce d’électrophorèse capillaire a été démontré. / This work is dedicated to the development of highly sensitive intra-capillary derivatization methods and highly resolutive electrokinetic separation methods, with the aim to integrate them in a microfluidic diagnostic tool of Alzheimer’s disease. The bibliographic chapter explains the epidemiologic and neurophysiopathologic background of Alzheimer’s disease and describes the diagnostic tools currently used. Then, a state of the art related to the use of electrokinetic separation methods, as well as the analytical techniques available to improve the analyses of biological samples, is presented. The first experimental part focused on the development of intra-capillary derivatization methods allowing highly sensitive detection of Alzheimer’s disease biomarkers, especially ubiquitine, in the cerebrospinal liquid. The second part was dedicated to the development of a capillary electrophoresis method, in a glass chip, capable of separating with a high resolution different forms of beta-amyloid peptides, which are relevant biomarkers of Alzheimer’s disease. Finally, the usefulness of new polymeric materials, such as COC and thiolene, for the manufacturing of microchip device was demonstrated. A careful study of their physico-chemical properties led to the development of relevant strategies for surface treatment, so as to minimize the adsorption of proteins. For the first time, a thiolene chip covered with a new copolymer allowed an electrokinetic separation of proteins.

La lévitation est un moyen fascinant de se soustraire à l'action de la gravité. Le diamagnétisme est le seul phénomène physique permettant une lévitation stable, statique et passive à température ambiante. Toutefois, cet effet magnétique est généralement insignifiant aux échelles usuelles. Parmis les différents moyens d'augmenter l'amplitude de ce phénomène, la réduction d'échelle est une voie prometteuse. Ces travaux contribuent à l'exploration des possibilités et des potentialités de la lévitation dans le domaine des microsystèmes. La diminution en taille permet d'une part d'augmenter les forces diamagnétiques volumiques et d'autre part de diminuer les forces diamagnétiques absolues. Ces propriétés ont été mises en oeuvre à travers la conception et la fabrication de microcapteurs (accéléromètre, inclinomètre, capteur de force) et de microactionneurs (manipulation de microparticule par inclinaison ou au moyen d'un laser). Ces réalisations ouvrent des perspectives novatrices et des fonctionnalités nouvelles dans le micromonde.

La manipulation optique d'objets en surface d'un guide d'onde représente une approche potentiellement intéressante pour le développement de microsystèmes de tri de particules. Toutefois, la mise en oeuvre de ces dispositifs est actuellement freinée par des performances limitées en terme de propulsion mais aussi par une mauvaise maîtrise des interactions mises en jeu sur des objets métalliques. Ces difficultés ont jusqu'alors interdit la manipulation d'objets biologiques sur ces composants. A travers une étude théorique, nous proposons une méthode originale de calcul des forces optiques s'exerçant sur un objet en surface d'un guide d'onde. Elle permet de mettre en évidence l'existence de forces de gradient répulsives, sur des billes métalliques, dans certaines conditions. L'élaboration d'un dispositif expérimental dédié à la manipulation de particules nous a permis de valider ce modèle et de mettre en évidence une forte dépendance des vitesses des billes métalliques micrométriques avec la polarisation de la lumière. Ces observations illustrent l'impact des forces de gradient sur le mouvement des particules. D'un point de vue plus appliqué, le modèle théorique développé nous a permis de concevoir des structures guidantes destinées à optimiser la propulsion des particules. Expérimentalement, l'utilisation de guides en nitrure de silicium a effectivement conduit à améliorer de façon conséquente les performances des dispositifs existants. Celles-ci nous ont permis d'élargir le champ d'application de cette technique au domaine de la biologie et de mettre en oeuvre le déplacement et la concentration de cellules sur des guides d'onde, sans aucun marquage.

La miniaturisation des moteurs est un point important dans le domaine des microsystèmes. De nouveaux moteurs synchrones planaires de diamètres § 3 à <|> 8 mm ont été fabriqués, qui devraient stimuler le développement des micromoteurs. Leurs performances remarquables sont dues à leur conception hybride adaptée à l'état de l'art des moyens de fabrication disponibles. Ils allient ainsi un bobinage statorique triphasé à 2 couches obtenu par une utilisation innovante des techniques de lithographie profonde, à un rotor disque en SmCo aimanté avec jusqu'à 15 paires de pôles, le tout étant encapsulé dans un boîtier usiné avec lès moyens éprouvés de l'industrie horlogère. Ce travail fait d'abord un bilan général de l'état de l'art des micromoteurs, puis décrit tout le processus de conception, et enfin la fabrication de prototypes de micromoteurs synchrones planaires à aimants, qui développent un couple nominal approchant 100 uN.m.

L'électrochromatographie capillaire (ECC) est une méthode séparative très prometteuse. En effet, elle combine l'efficacité due au profil plat du flux électroosmotique (ECZ) et la sélectivité due aux interactions avec une phase stationnaire (CPL). Les phases stationnaires monolithiques ont été développées comme alternative aux phases particulaires de par leur facilité de synthèse in situ. C'est pourquoi ces nouvelles phases stationnaires peuvent être facilement intégrées dans des microsystèmes analytiques. Cependant un des inconvénients majeurs lié aux techniques miniaturisées est leur faible sensibilité lors d'analyses de traces. Ces difficultés peuvent être circonvenues en réalisant une étape appropriée de préconcentration des composés d'intérêt avant l'étape d'analyse proprement dite. Une telle stratégie serait particulièrement pertinente pour des échantillons environnementaux et d'intérêts biologiques. Dans un premier temps nous avons étudié l'optimisation de la synthèse in situ de phases stationnaires monolithiques à base d'acrylates. Des facteurs tels que la dose énergétique appliquée ainsi que le prétraitement du capillaire ont été étudiés afin de déterminer dans quelle mesure ceux-ci peuvent influer sur les performances structurales et séparatives de ces colonnes. Dans un deuxième temps, les résultats obtenus en ECC avec des colonnes monolithiques testées en tant que matériau de préconcentration et de séparation sont présentés. Ces études ont été menées avec des composés modèles environnementaux. De très bonne efficacité (250 000 à 350 000 plateaux par mètre) et des facteurs de préconcentration supérieurs à 10 000 ont été obtenus, avec succès. Enfin le couplage en ligne d'une étape de préconcentration avant la séparation dans des microsystèmes comportant une phase stationnaire monolithique a été réalisé, des hydrocarbures polyaromatiques ont ainsi été analysés.

Ce travail étudie l'alimentation en énergie de systèmes électroniques communicants. Le but est de les rendre autonomes en récupérant de l'énergie provenant du milieu extérieur. En particulier, nous nous sommes attachés à explorer la piste des variations temporelles de température. Ces variations doivent être lentes (quelques degrés sur plusieurs heures) ce qui exclue bon nombre de solutions « classiques ». Pour répondre à cette problématique, nous avons développé une nouvelle approche, couplant des matériaux magnétiques et piézoélectriques. Cette hybridation permet de s'affranchir de la dépendance temporelle et de générer des pics d'énergie de plusieurs dizaines de μW lors du dépassement de certains seuils de température. Pour terminer, nous nous sommes enfin intéressés à la modélisation globale de ce phénomène sous Simulink.

Le piégeage et la manipulation d'objets à la surface d'un guide d'onde est une approche intéressante, qui permet d'envisager des développements nouveaux dans le domaine des microsystèmes intégrés. Mais la mise au point de tels dispositifs, était jusqu'à maintenant limitée par la difficulté à comprendre et à maîtriser les phénomènes physiques mis en jeu dans une expérience. Ces points-clé empêchaient la démonstration de la manipulation d'objets biologiques, comme des cellules, sur ces structures. L'utilisation de guides d'ondes optiques représentatifs de technologies de fabrication différentes nous a ainsi permis de juger expérimentalement des forces et des faiblesses propres à chaque technologie et déterminer les conditions les plus favorables en vue d'un déplacement de matériel biologique. L'utilisation de guides en nitrure de silicium a permis une amélioration significative des performances de piégeage et de manipulation de particules sur ces structures.<br />Ceci nous a ainsi permis de réaliser un démonstrateur de propulsion optique et a rendu possible l'application de cette technologie à des objets de masse ou de taille supérieures ainsi qu'à d'autres domaines scientifiques, comme la chimie ou la biologie. Nous avons effectué la première démonstration expérimentale à notre connaissance de la propulsion d'objets biologiques par ondes évanescentes. En particulier, nous avons réalisé des expériences de tri cellulaire de sous-populations dans un mélange. Ceci démontre la capacité à réaliser, sur une faible surface, des expériences biologiques simples grâce à de tels dispositifs et renforce l'espoir d'utiliser une telle technique dans une approche de type laboratoire-sur-puce.