This work characterized an in vitro 3-D neural co-culture model electrophysiologically via multi electrode arrays (MEAs), and morphologically via immunocytochemistry. Since MEA surface insulation SU-8 2000 can be used in neural micro- and multi- electrode arrays, this investigation first developed techniques to make SU-8 2000 cytocompatible. The in vitro 3-D neural co-culture model was then used to study viability and electrophysiological responses to physical injury as well as drugs known to affect network signaling. 1) SU-8 2000 cytotoxicity to neuronal cultures was linked to both poor adhesive properties and toxic components, such as solvents and photo acid generator elements. Surface treatments of oxygen plasma or parylene coating following optimal combinations of heat and isopropanol sonication showed improvement in SU-8 2000 cytocompatibility. 2) The 3-D neural networks within the 3-D co-cultures maintained considerable process outgrowth and complex 3-D structure. The cultures were viable up to three weeks in vitro with functional synaptic connections and spontaneous electrophysiological activity that was responsive to chemical modulation. This electrophysiological activity was modulated by synaptic inhibition. 3) Injury experiments demonstrated that both shear and compression loading significantly increased acute membrane permeability of cells in a strain rate dependent manner. Cell death correlated with higher membrane permeability, and shear resulted in more death than compression in these 3-D cultures. While techniques were developed for making a major micro-fabrication material cytocompatible, engineering the 3-D neural co-culture resulted in a more physiologically-representative neural tissue platform, allowing an increased understanding of structure-function relationships. Overall, this research established and characterized a neural culture system for the mechanistic study of cell growth, cell-cell and cell-matrix interactions, as well as the responses to chemical or mechanical perturbations. This is the first investigation of the network-level electrophysiological activity of 3-D dissociated cultures. This system can be used to model various pathological states in vitro, testing various reparative drugs; cell-, and tissue-engineering based strategies; as well as for pre-animal and pre-clinical testing of neural implants.

L'intégration complète des dispositifs de conversion d'énergie destinés à créer des circuits d'alimentation compacts se heurte encore aujourd'hui à des contraintes technologiques fortes sur l'intégration des composants passifs inductifs et capacitifs. La fréquence de fonctionnement de ces dispositifs, d'ores et déjà de l'ordre du MHz, en augmentant pourrait réduire la taille de ces composants passifs et donc permettre leur intégration. Cependant, les pertes fortement liées à la fréquence et à la technologie, freinent encore cette augmentation.<br />Cette thèse a pour objectif l'étude systématique de structures d'inductances intégrées à travers le développement d'une modélisation accompagnée de simulations précises pour le développement d'une méthodologie de simulation valable sur la plage de fréquence de 0Hz à 1GHz. Pour cela, un modèle analytique basé sur la méthode PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) a d'abord été développé. Ce type de modèle a du être adapté aux topologies des composants étudiés : symétrie cylindrique, conducteurs de section non négligeable, milieux non homogènes... Ce modèle décompose l'étude du composant en deux étapes : calculs électromagnétiques menés sur des sous-parties du composant (éléments partiels) et calcul de la réponse fréquentielle globale à partir de modèles électriques des éléments partiels. Un procédé complet de réalisation technologique des composants inductifs a également été mis au point en parallèle afin de valider expérimentalement la modélisation. L'amélioration de la résolution des motifs et l'augmentation de l'épaisseur des dépôts lors des étapes de croissance électrolytique du cuivre, ainsi que la planarisation des niveaux de conducteurs avec de la résine SU8 ont fait l'objet d'études spécifiques. Ces avancées ont permis la réalisation de selfs multibrin et multiniveau qui présentent des caractéristiques électriques intéressantes en haute fréquence. Enfin, la caractérisation des prototypes en basse fréquence a été rendue possible par la mise en oeuvre d'un banc de mesure d'impédance pour la gamme de fréquence de 40 Hz à 110MHz et des caractérisations en haute fréquence effectuées à l'aide d'un analyseur de réseau. Ces travaux ont été complétés par la mise au point d'une méthode analytique de calcul du champ magnétique. Les calculs permettent de prédire la répartition du champ magnétique généré par des actionneurs magnétiques planaires intégrés excités en courant continu.

Grâce aux avancées de la recherche de ces dix dernières années, qui ont permis l'implémentation de plus en plus de fonctions au sein d'un système microfluidique, les " laboratoires sur puce " connaissent un essor important notamment dans le domaine de la santé. Les premiers dispositifs voient le jour dans le domaine commercial, mais un verrou important reste d'identifier des éléments circulants en faible concentration dans le sang par exemple. Les techniques de séparation simples, efficaces et modulables sont la clef de cette problématique. Nous présentons dans ce travail une voie originale de séparation magnétique grâce à des bobines planaires en cuivre combinées à un système microfluidique 3D permettant une séparation verticale efficace. L'étude consiste en la conception, la modélisation, la réalisation et le test de dispositifs appliqués à des solutions tests constituées de billes magnétiques dans un premier temps, puis de composés biologiques de culture. La réalisation des laboratoires sur puce a été faite par des procédés de photolithographie et grâce à une technologie originale de laminage de film sec. De par sa très bonne robustesse, dans le temps et face aux solvants, ainsi que sa biocompatibilité, la SU-8 est un candidat de choix pour la réalisation de ces LOC. Cette technologie nous a permis de réaliser des dispositifs tout-polymère tridimensionnels et intégrant des fonctions actives dont l'actionnement magnétique. La microélectronique a depuis longtemps permis de miniaturiser tous les éléments électroniques courants tels les capteurs et les bobines. Il est alors très intéressant de voir comment nous pouvons les intégrer dans un dispositif microfluidique pour créer des fonctions plus complexes. Nous avons pu ainsi démontrer une séparation continue de monocyte THP1 de culture avec une efficacité de 82% et des voies d'amélioration prometteuses validées avec des billes magnétiques.

La microfluidique est un domaine relativement récent, elle est réellement apparue qu'au début des années 90. Mais ce domaine a connu une très forte progression et a atteint une certaine maturité qui lui permet d'intervenir dans un large spectre d'applications, chimiques, biologiques, génomiques, optiques... Cet essor a été permis par le développement de technologiques spécifiques et particulièrement par les technologies polymères. Le travail de thèse présenté ici s'appuie donc sur le savoir-faire technologique du laboratoire en microfabrication pour réaliser un couplage entre la microfluidique et les hyperfréquences et ainsi élargir encore un peu plus son spectre d'application. Un des challenges actuels pour les circuits d'émissions-réceptions est la miniaturisation des éléments passifs reconfigurables. Des filtres accordables grâce à des moyens microfluidique ont donc été étudiés de la conception à la caractérisation, en passant par un important travail de fabrication. Celui-ci est basé sur la technique de laminage de film sec de SU-8 et a permis d'intégrer des canaux microfluidiques aux substrats de filtres micro-rubans. La circulation d'eau distillée a montré de très bons résultats en termes de décalages de la fréquence centrale. D'autres pistes d'interactions liquides-micro-ondes sont également présentées telles qu'une utilisation de filtres comme capteur d'élément chimiques ou biologiques.La microfluidique est un domaine relativement récent, elle est réellement apparue qu'au début des années 90. Mais ce domaine a connu une très forte progression et a atteint une certaine maturité qui lui permet d'intervenir dans un large spectre d'applications, chimiques, biologiques, génomiques, optiques... Cet essor a été permis par le développement de technologiques spécifiques et particulièrement par les technologies polymères. Le travail de thèse présenté ici s'appuie donc sur le savoir-faire technologique du laboratoire en microfabrication pour réaliser un couplage entre la microfluidique et les hyperfréquences et ainsi élargir encore un peu plus son spectre d'application. Un des challenges actuels pour les circuits d'émissions-réceptions est la miniaturisation des éléments passifs reconfigurables. Des filtres accordables grâce à des moyens microfluidique ont donc été étudiés de la conception à la caractérisation, en passant par un important travail de fabrication. Celui-ci est basé sur la technique de laminage de film sec de SU-8 et a permis d'intégrer des canaux microfluidiques aux substrats de filtres micro-rubans. La circulation d'eau distillée a montré de très bons résultats en termes de décalages de la fréquence centrale. D'autres pistes d'interactions liquides-micro-ondes sont également présentées telles qu'une utilisation de filtres comme capteur d'élément chimiques ou biologiques.

The main focus of this thesis is placed on high frequency PCB signal Integrity Is-sues and RF/Microwave filters using EBG structures. From the signal Integrity aspect, two topics were mainly discussed. On one hand, the effect of increasing frequency on classical design rules for crosstalk reduction in PCBs was investigated experimentally and by full-wave simulations. An emphasis was placed on the 3×W spacing rule and the use of guard traces. Single-ended and differential transmission lines were considered. S-parameter measurements and simu-lations were carried out at high-frequency (up to 20 GHz). The results emphasize the necessity to reevaluate traditional design rules for their suitability in high frequency applications. Also, the impacts of using guard traces for high frequency crosstalk re-duction were clearly pointed out. On the other hand, the effect of high loss PCB ma-terials on the signal transmission characteristics of microstrip lines at high frequency (up to 20 GHz) was treated. Comparative studies were carried out on different micro-strip configurations using standard FR4 substrate and a high frequency dielectric ma-terial from Rogers, Corporation. The experimental results highlight the dramatic im-pact of high dielectric loss materials (FR4 and solder mask) and magnetic plating metal (nickel) on the high frequency signal attenuation and loss of microstrip trans-mission lines. Besides, the epoxy-based SU8 photoresist was characterized at high frequency (up to 50 GHz) using on-wafer conductor-backed coplanar waveguide transmission lines. A relative dielectric constant of 3.2 was obtained at 30 GHz. Some issues related to the processing of this material, such as cracks, hard-skin, etc, were also discussed. Regarding RF/Microwave filters, the concept of Electromagnetic Band Gap (EBG) was used to design and fabricate novel microstrip bandstop filters using periodically modified substrate. The proposed EBG structures, which don’t suffer conductor backing issues, exhibit interesting frequency response characteristics. The limitations of modeling and simulation tools in terms of speed and accuracy are also examined in this thesis. Experiments and simulations were carried out show-ing the inadequacies of the Spice diode model for the simulations in power electronics. Also, an Artificial Neural Network (ANN) model was proposed as an alternative and a complement to full-wave solvers, for a quick and sufficiently accurate simulation of interconnects. A software implementation of this model using Matlab’s ANN toolbox was shown to considerably reduce (by over 800 times) the simulation time of microstrip lines using full-wave solvers such as Ansoft’s HFSS and CST’s MWS. Finally, a novel cooling structure using a double heatsink for high performance electronics was presented. Methods for optimizing this structure were also discussed. / QC 20100809

La multiplication des besoins des utilisateurs dans le domaine des télécommunications a conduit à une surexploitation du spectre de fréquence. Ceci a engendré la raréfaction des bandes de fréquence conduisant à une nécessité de gestion rationnelle des fréquences. Des contraintes ont été rajoutées aux systèmes d’émission / réception et en particulier sur les filtres pour éviter la saturation des services. Dans cette thèse, les travaux s’orientent surtout vers la conception de résonateurs, de filtres planaires et volumiques (3D) accordables dans le domaine des fréquences millimétriques (>= 30 GHz) en utilisant une nouvelle technique d’accordabilité basée sur des principes microfluidiques. Il s’agit d’une nouvelle approche d’agilité qui consiste à faire circuler de la matière (liquides conducteur, diélectrique ou magnétique) dans un substrat diélectrique par le biais de micro canaux. Le substrat diélectrique utilisé, est une résine SU-8 qui offre une souplesse dans la réalisation des micros canaux et des structures volumiques grâce à son bon facteur de forme (≈ 50%). La circulation de liquides dans le substrat, permet de modifier localement les propriétés électromagnétiques du milieu, ce qui conduit à une modification de la fréquence de résonance du dispositif. / The proliferation of user needs in the field of telecommunications, has led to overexploitation of the frequency spectrum. This led to the scarcity of frequency bands leading to a need for efficient management of frequencies. Constraints were added to the transmitting / receiving systems and in particular on the filters to prevent the saturation of the services. In this thesis, work is mainly oriented towards the design of resonators, planar and volumetric (3D) tunable filters in the field of millimeter wave frequencies (> = 30 GHz) using a new tunable technique which is microfluidic. This is a new approach to agility which consists of circulating the material (conductive, dielectric or magnetic liquids) in a dielectric substrate through micro channels. The dielectric substrate used is a resin SU-8 which provides flexibility in the implementation of microchannels and volumetric structures thanks to its good form factor (≈ 50%). The circulation of fluid in the substrate allows to locally modifying the electromagnetic properties of the medium. This leads to a change in the resonant frequency of the device.

Dans un contexte d'integration des dispositifs de conversion d'energie de petite puissance, le travail de these presente porte sur la realisation de micro-bobines integrees sur silicium. Les contraintes liees a ce type d'integration resident dans la mise au point, la compatibilite des procedes technologiques contribuant a la fabrication du systeme complet et le cout de fabrication. Dans un premier temps, une etude bibliographique nous a permis de faire une synthese sur les structures integrables de micro-bobines ainsi que sur les materiaux conducteurs et magnetiques et leurs techniques de depot. Une fois les objectifs fixes, notamment concernant la nature des materiaux a deposer, nous avons mis au point les depots electrochimiques et les procedes photolithographiques de resines epaisses destinees a la realisation de moules. Ces resines doivent resister a la fois a des contraintes chimiques et physiques fortes. Une premiere structure de micro-bobine de type spirale a ete dimensionnee et le processus de fabrication a ete identifie. En parallele, des motifs specifiques de forme bien definie ont ete etudies puis realises afin de caracteriser les couches deposees par electrochimie, en termes de resistivite, permeabilite et composition de l'alliage. La derniere partie de la these a consiste a appliquer ce procede de fabrication a une seconde structure de bobine dont la geometrie a ete definie dans le but de reduire le nombre d'etapes technologiques. Actuellement les premiers prototypes de ces bobines ont ete realises avec de faibles epaisseurs de materiaux. Ceci nous a permis de valider les procedes de fabrication de ces dispositifs.

La multiplication des besoins des utilisateurs dans le domaine des télécommunications a conduit à une surexploitation du spectre de fréquence. Ceci a engendré la raréfaction des bandes de fréquence conduisant à une nécessité de gestion rationnelle des fréquences. Des contraintes ont été rajoutées aux systèmes d'émission / réception et en particulier sur les filtres pour éviter la saturation des services. Dans cette thèse, les travaux s'orientent surtout vers la conception de résonateurs, de filtres planaires et volumiques (3D) accordables dans le domaine des fréquences millimétriques (>= 30 GHz) en utilisant une nouvelle technique d'accordabilité basée sur des principes microfluidiques. Il s'agit d'une nouvelle approche d'agilité qui consiste à faire circuler de la matière (liquides conducteur, diélectrique ou magnétique) dans un substrat diélectrique par le biais de micro canaux. Le substrat diélectrique utilisé, est une résine SU-8 qui offre une souplesse dans la réalisation des micros canaux et des structures volumiques grâce à son bon facteur de forme (≈ 50%). La circulation de liquides dans le substrat, permet de modifier localement les propriétés électromagnétiques du milieu, ce qui conduit à une modification de la fréquence de résonance du dispositif.

Microelectromechanical systems (MEMS) based artificial sensory hairs for flow sensing have been widely explored, but the processes involved in their fabrication are lithography intensive, making the process quite expensive and cumbersome. Most of these devices are also based on silicon MEMS, which makes the fabrication of out-of plane 3D flow sensors very challenging. This thesis aims to develop new fabrication technologies based on Polymer MEMS, with minimum dependence on lithography for the fabrication of piezoresistive 3D out-of-plane artificial sensory hairs for sensing of air flow. Moreover, the fabrication of a flexible sensor array is proposed and new materials are also explored for the sensing application. Soft lithography based approaches are first investigated for the fabrication of an all elastomer device that is tested in a bench top wind tunnel. Micromolding technologies allow for the mass fabrication of microstructures using a single, reusable mold master that is fabricated by SU-8 photolithography, reducing the need for repetitive processing. Polydimethylsiloxane (PDMS) is used as the device material and sputter deposited gold is used as both the piezoresistive as well as the electrode material for collection of device response. The fabrication results of PDMS to PDMS metal transfer micromolding (MTM) are shown and the limitations of the process are also discussed. A dissolving mold metal transfer micromolding process is then proposed and developed, which overcomes the limitations of the conventional MTM process pertinent to the present application. Testing results of devices fabricated using the dissolving mold process are discussed with emphasis on the role of micro-cr  acking as one failure mode in elastomeric devices with thin film metal electrodes. Finally, a laser microfabrication based approach using thin film Kapton as the device material and an electrically conductive carbon-black elastomer composite as the piezoresistor is proposed and demonstrated. Laminated sheets of thick and thin Kapton form the flexible substrate on which the conductive elastomer piezoresistors are stencil printed. Excimer laser ablation is used to make the micro-stencil as well as to release the Kapton cantilevers. The fluid-structure interaction is improved by the deposition of a thin film of silicon dioxide, which produces a stress-gradient induced curvature, strongly enhancing the device sensitivity. This new approach also enables the fabrication of backside interconnects, thereby addressing the commonly observed problem of flow intrusion while using conventional interconnection technologies like wire-bonding. Devices with varying dimensions of the sensing element are fabricated and the results presented, with smallest devices having a width of 400 microns and a length of 1.5 mm with flow sensitivities as high as 60 Ohms/m/s. Recommendations are also proposed for further optimization of the device.