Le domaine de l’assistance cardiaque connait actuellement une rupture technologique avec l’apparition du pacemaker sans fil. Grâce à ces nouveaux dispositifs, la prise en charge des patients est simplifiée. En outre, la suppression des sondes devenues obsolètes devrait permettre une réduction drastique des problèmes rencontrés avec les pacemakers traditionnels. Cependant, la question de l’alimentation reste posée. Dans ce travail de thèse, nous tentons d’apporter une solution à base de microgénérateur piézoélectrique inertiel récupérant une portion de l’énergie vibratoire des battements cardiaques. La démarche suivie consiste tout d’abord à définir le besoin et la pertinence d’une solution à base de récupérateur d’énergie. Nous analysons ensuite l’allure de signaux cardiaques qui ont été enregistrés à l’aide d’accéléromètres directement positionnés sur le site de stimulation. On montre ainsi que le gisement vibratoire adressé (i.e. les battements cardiaques) imposent des récupérateurs vibrant aux alentours de 16 Hz. Ces fréquences sont extrêmement faibles en comparaison des microgénérateurs présentés dans la littérature (typ. > 100 Hz). Dans un second temps, et indépendamment de considérations purement technologiques, nous établissons, à l’aide de modèles analytiques et numériques, le dimensionnement optimal permettant de répondre simultanément aux spécifications dimensionnelles et au niveau de puissance récoltée nécessaire. Cette phase d’optimisation montre qu’un compromis entre fréquence de résonance et puissance délivrée doit être fait et, plus particulièrement, que celui-ci conduit à l’expression d’un besoin en termes d’épaisseur de couches piézoélectriques auquel aucune des technologies standards ne permet de répondre. Nous présentons, dans ce manuscrit, les travaux qui ont ainsi été menés pour développer une technique de réalisation de couches épaisses de PZT (typ. 15 à 100 µm) par amincissement de céramiques massives. Ce mode de réalisation est enfin mis en œuvre pour la fabrication d’un démonstrateur à l’échelle, de type poutre encastrée-libre bimorphe vibrant à 16 Hz. Nous montrons finalement que les résultats obtenus à partir de battements cardiaques reproduits en laboratoire (10-15 µW) sont en ligne avec les besoins exprimés pour la mise en œuvre d’une solution d’alimentation pour pacemaker sans fil. Ce travail de thèse a été conduit dans le cadre du projet HBS (Heart Beat Scavenging) notamment en collaboration avec la société LivaNova-Sorin CRM (Cardiac Rythm Management). Il est fortement probable que la décision initiale d’articuler l’ensemble de tâches accomplies autour des besoins de l’utilisateur final soit une des clés de la réussite de ce travail. En effet, les démonstrateurs développés dans ce travail de thèse ont, par la suite, été testés avec succès sur l’animal. Ils ont également donné lieu à un nouveau projet dont un des objectifs est d’adresser les aspects de fiabilité et de vieillissement. Ces nouvelles tâches correspondent ainsi à la poursuite de la montée en TRL (Technology Readiness Level) vers les étapes de pré-industrialisation. / The field of cardiac assistance is currently experiencing a new technological breakthrough with the introduction of the leadless pacemaker. With these new devices, the care of patients is simplified. Furthermore, removal of the leads should allow a drastic reduction of the problems encountered with conventional pacemakers. However, the question of the energy supply remains. In this thesis, we try to provide a solution based on piezoelectric inertial micro-generator in order to harvest a portion of the heartbeat vibrational energy. The approach is to first define the need and relevance of a solution based on energy scavenging. We then analyze the cardiac signals that were recorded using accelerometers positioned directly on the stimulation site. It is shown that the addressed vibration source (i.e. heartbeats) impose the devices to vibrate at around 16 Hz. These frequencies are extremely low compared to microgenerators presented in the literature (typ.> 100 Hz). Secondly, regardless of technological considerations, and using analytical and numerical models, we identify the optimal device dimensions in order to simultaneously meet the specifications in terms of size and required harvested power. This optimization phase shows that a trade-off between resonant frequency and output power must be made and, more particularly, that it leads to the expression of a need in terms of piezoelectric layer thickness to which none of the standard technologies can currently answer. Therefore, we present the work that has been undertaken to develop a technique for producing thick layers of PZT (typ. 15 to 100 µm) by the thinning and the polishing of bulk ceramics. Then, this technique is implemented for the fabrication of our demonstrator: a cantilever of bimorph type vibrating at 16 Hz. Finally, we show that the obtained results (10-15 µW) from heartbeats reproduced in the laboratory are in line with the expressed needs for the implementation of an energy supply solution for leadless pacemakers. This thesis work has been conducted in the frame of the HBS project (Heart Beat Scavenging) especially in collaboration with the company LivaNova - Sorin CRM (Cardiac Rhythm Management). It is highly believed that the original decision to articulate all the tasks that we performed around the end user needs was a key to the success of this work. Indeed, the demonstrators developed in this thesis have subsequently been successfully tested on animals. They also led to a new project whose objectives are to address the reliability and aging of these demonstrators. These new tasks correspond to the continuation of the TRL increase (Technology Readiness Level) to the stages of pre-industrialization.

La qualité de la prise en charge d’un patient repose sur la disponibilité d’outils diagnostiques performants. Le développement de biocapteurs s’appuyant sur le phénomène de transfert d’énergie par résonance de type Förster permet la détection de biomarqueurs spécifiques avec une grande précision et une bonne sensibilité. Le FRET (Förster Resonance Energy Transfer) est un processus de transfert d’énergie dépendant de la distance fréquemment utilisé dans les applications de biodétection, dans lesquelles les reconnaissances, fonctions et structures biologiques sont de l’ordre de 1 à 20 nm. Cette thèse de doctorat présente la mise en œuvre de procédés de fabrication et de fonctionnalisation pour la détection optique de molécules d’intérêt biologique par FRET, en particulier pour des applications en diagnostic clinique et en séquençage d’ADN.Ce travail présente une étude du phénomène de FRET sur des surfaces d’aluminium fonctionnalisées, première étape du développement d’une plateforme de séquençage par FRET exalté par effet plasmonique. La détection quantitative du phénomène de FRET sur des surfaces d’aluminium fonctionnalisées par silanisation est développée, et les résultats de caractérisation de la fonctionnalisation par différentes méthodes (angle de contact, spectroscopie FTIR, imagerie de fluorescence) sont discutés en détails.Ce manuscrit expose également le développement d’un dispositif microfluidique fonctionnalisé pour la réalisation d’un immunodosage par FRET multiplexé. Dans l’optique de concevoir un dispositif intégré fonctionnalisé pour la détection par FRET en conditions microfluidiques, j’ai développé une stratégie pour la réalisation d’un biocapteur optique microfluidique par FRET multiplexé. Les résultats préliminaires de FRET entre deux anticorps fluorescents dans un canal microfluidique démontrent la faisabilité d’une telle plateforme de biodétection. / Patient care quality relies on the availability of efficient diagnostics tools. Development of biosensors based on Förster resonance energy transfer (FRET) allows for the detection of specific biomarkers with high precision and sensitivity. FRET is a distance dependent energy transfer process that is frequently used in biosensing applications, in which biological recognition, functions or structures are within the 1 to 20 nm length scale. This PhD thesis presents the establishment of fabrication and functionalization processes for the optical FRET detection of molecules of biological interest, toward an application in clinical diagnostics and DNA sequencing.This work presents a FRET study on functionalized aluminum surfaces, which is the first step towards the development of a sequencing platform using plasmonics enhanced FRET. Quantitative FRET detection on silanized aluminum surfaces was extensively investigated and the results of different characterization methods (contact angle, FTIR spectroscopy, fluorescence imaging) are discussed in details.This manuscript also describes the development of a functionalized microfluidic device for the realization of a multiplexed FRET immunoassay. With the aim of designing a functionalized integrated device for FRET detection in microfluidic conditions, I developed a strategy for the realization of a microfluidic optical multiplexed FRET biosensor. Preliminary FRET results between two labeled antibodies in a microfluidic channel demonstrate the feasibility of such a biosensing platform.

L’objectif de cette thèse est la fabrication d’un microdispositif magnétique pour la détection et la manipulation d’éléments biologiques à base de nanoparticules magnétiques en conditions microfluidiques. Il a pour but d’intégrer des fonctions de base de contrôle et détection magnétique, pour atteindre des mesures spécifiques, stables, rapides et reproductibles. En effet, la technique d’immunodosage couplée à des nanoparticules magnétiques, bien connue dans la littérature, nécessite un contrôle du déplacement de ces dernières pour les fonctionnaliser efficacement et créer un complexe biologique encapsulant une molécule cible (biomarqueur). Dans notre cas une molécule modèle pour le domaine de la biodéfense a été utilisée : l’ovalbumine. Pour contrôler le champ magnétique nécessaire pour la capture des complexes magnétiques, nous avons opté pour l’utilisation de microbobines intégrées aux dispositifs fluidiques et comparé cette technique originale avec d’autres plus conventionnelles. Pour détecter un complexe biologique, la fluorescence est largement utilisée en biologie, mais cette technique ne permet pas une intégration complète pour un dispositif autonome. Dans cette optique, nous proposons la détection des complexes à base de nanoparticules magnétiques en relevant la variation de l’inductance d’un microcircuit magnétique refermant une chambre microfluidique contenant ces complexes immunologiques. Le dimensionnement des microbobines de contrôle par simulation a permis de déterminer les paramètres permettant d’obtenir le champ magnétique le plus adapté au contrôle des complexes biologiques. Dans le cas des microbobines utilisées pour la détection, des branches magnétiques micrométriques ont été insérées autour des microbobines pour créer un circuit de détection magnétique encore plus sensible. La réalisation de ces dispositifs a impliqué l’intégration de matériaux et de structures de nature fortement hétérogène, et leur assemblage a nécessité de résoudre de nombreux verrous technologiques. L’enjeu a été de déterminer l’ensemble des étapes successives et nécessaires pour un procédé de microfabrication fiable et reproductible. Pour montrer l’intérêt des dispositifs de capture des nanoparticules magnétiques, des tests immunologiques ont été réalisés tout d’abord en microtubes pour les comparer à ceux réalisés dans un circuit fluidique à l’aide d’aimant externe puis de microbobines intégrées. Dans ce dernier cas, une optimisation considérable a été validée en termes de réduction de temps d’incubation, de reproductibilité des mesures et de limites de détection équivalentes à l’état de l’art pour l’ovalbumine. Pour le dispositif de détection magnétique, des premières expériences de caractérisation électrique ainsi que des études en concentration de nanoparticules magnétiques ont été réalisées et comparées aux résultats obtenus par simulation. Pour la preuve de concept, un démonstrateur de détection de complexes magnétiques a été également finalisé validant la possibilité d’intégration du microcircuit magnétique dans un dispositif fluidique. Il a validé également l’obtention d’une gamme de sensibilité remarquable corrélée à la présence des complexes magnétiques. Ses caractéristiques ont été confrontées à celles obtenues par les simulations et discutées en tenant compte de toutes les étapes critiques du procédé de microfabrication. / RésuméThe objective of this thesis is the fabrication of a magnetic microdevice for the detection and manipulation of biological elements based on magnetic nanoparticles under microfluidic conditions. It aims to integrate basic functions of control and magnetic detection, to achieve specific, stable, fast and reproducible measurements. Indeed, the immunoassay technique coupled to magnetic nanoparticles, well known in the literature, requires a control of the displacement of magnetic nanoparticles to effectively functionalize them and create a biological complex to encapsulate a target molecule (biomarker). In our case, a model molecule for the field of biodefense was used: ovalbumin. To control the magnetic field which is necessary for the capture of magnetic complexes, we opted for the use of microcoils integrated in the fluidic devices and compared this original technique with other more conventional ones. To detect a biological complex, fluorescence is widely used in biology, but this technique does not allow a complete integration for an autonomous device. In this context, we propose the detection of complexes based on magnetic nanoparticles by observing the variation of the inductance of a magnetic microcircuit closing a microfluidic chamber containing these immunological complexes. The design of the control microcoils by simulation made it possible to determine the parameters allowing to obtain the most adapted magnetic field to the control of the biological complexes. In the case of microcoils used for detection, micrometric magnetic branches were inserted around the microcoils to create an even more sensitive magnetic sensing circuit. The realization of these devices involved the integration of materials and structures of highly heterogeneous nature, and their assembly has required to solve many technological locks. The challenge was to determine all the successive and necessary steps for a reliable and reproducible microfabrication process. To show the interest of magnetic nanoparticle capture devices, immunoassays were first performed in microtubes to compare with those made in a fluid circuit using external magnet and integrated microcoils. In the latter case, considerable optimization has been validated in terms of reduction of incubation time, reproducibility of measurements and detection limits equivalent to the state of the art for ovalbumin. For the magnetic detection device, first experiments of electrical characterization as well as concentration studies of magnetic nanoparticles were carried out and compared to the results obtained by simulation. For the proof of concept, a demonstrator of detection of magnetic complexes was also finalized validating the possibility of integration of the magnetic microcircuit in a fluidic device. It has also validated obtaining a remarkable range of sensitivity correlated with the presence of magnetic complexes. Its characteristics were compared to those obtained by the simulations and discussed taking into account all the critical steps of the microfabrication process.

Nous nous sommes intéressés à l'auto-enroulement de films de polydimethylsiloxane (PDMS) oxydés dans des vapeurs de solvant. Brièvement, des films minces de PDMS sont obtenus par enduction sous centrifugation. Ces films sont ensuite exposés à un plasma d'oxygène, ce qui a pour conséquence d'oxyder et de rigidifier leurs surfaces. Lorsque ces systèmes sont exposés à certains solvants en phase gazeuse, le PDMS non-oxydé gonfle. Cela mène à l'auto-enroulement des films et donc à la formation de capillaires. Ce mécanisme est intéressant pour la fabrication de canaux microfluidiques car ce qui deviendra la surface interne desdits canaux peut-être caractérisé et fonctionalisé avant l'enroulement.Dans un premier chapitre, différents aspects de l'auto-enroulement sont passés en revue théoriquement et numériquement.Un second chapitre expérimental est dédié à l'étude de la couche oxydée par nano-indentation AFM. Les propriétés mécaniques du système composite (couche dur sur substrat mou) sont mesurées et interprétées au moyen d'un nouveau modèle pour extraire notamment l'épaisseur du film oxydé.Dans un troisième chapitre, l'auto-enroulement des tubes lui-même est étudié. Le diamètre interne des capillaires obtenus en fonction de paramètres expérimentaux est examiné et confronté à la théorie. Plusieurs démonstrations de principe de tube avec une surface interne fonctionnalisée sont fournies.Enfin, pour répondre à des problématiques d'intégration des systèmes dans une structure microfluidique plus complexe, une méthode innovante est proposée dans un quatrième et dernier chapitre. Basée sur l'impression jet d'encre de moules sacrificiels, la méthode est d'abord mise en place expérimentalement. De nombreuses démonstrations de principe du vaste potentiel de cette idée sont ensuites proposées. / The guideline of this work is the spontaneous rolling of oxidized polydimethylsiloxane (PDMS) thin films in organic solvant vapors. Briefly, thin films of PDMS are produced by spin coating. Those films are then exposed to oxygen plasma which oxidizes and hardens their surfaces. When those systems are immersed in appropriate solvent vapors, non oxidized PDMS selectively swells. This leads to the spontaneous rolling of the films and thus to the formation of capillaries. This mechanism is of great interest for the fabrication of microfluidic channels because what is to become the inner surface of those channels can be characterized and functionalized prior to rolling.In a first chapter, different aspects of spontaneous rolling are reviewed theoretically and numerically.A second chapter is dedicated to the investigation of the oxide layer by AFM nanoindentation. The mechanical properties of the composite system (hard layer on a soft substrate) are measured and interpreted with a new model in order to extract in particular the thickness of the oxide layer.A third chapter dwells on engineering of the rolled-up tubes. The inner diameter of the capillaries as a function of experimental parameters is measured and confronted to theory. We present tubes with various inner surface functionalizations as a proof of concept of the method.Finally, in order to solve the issue of the integration of the system in a wider structure, an innovative method is proposed in a final fourth chapter. Based on the fabrication of a sacrificial mold by inkjet printing, the method is first established and implemented. Several proof-of-concept systems are then displayed in order to demonstrate the great potential of that idea.

In the present era where MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems) technology is in¬evitable from the perspective of applications in non-silicon based micro-devices (such as biosensors, microfluidics, microvalves etc.), it is imperative to develop different micro¬fabrication technologies which are simple in operation, have low operational cost and high versatility in terms of incorporating different materials. The microfabrication tech¬nologies (e.g: bulk micromachining, surface micromachining, X-ray LIGA (lithoqraphie galvanoformung abformung) etc.), which exist commercially are mostly limited to sili¬con based technologies. They are either constrained in fabricating complex geometry in micro dimension or have high operational cost. Microstereolithography (MSL) is one such rapid prototyping technique, which can satisfy the above requirements to a larger extent. MSL h8B evolved in the l8Bt decade from conventional stereolithographic (SLA) technique, which involves the free-form microfabrication of a UV sensitive liquid resin layer by layer photo-polymerization process, when it is exposed to UV irradiation accord¬ing to the predefined CAD (Computer Aided Design). However, this technique is not limited to polymer microfabrication and it h8B an immense potential to fabricate com¬plex 3D structures of ceramics in micro dimension. In this thesis, the primary focus is on developing an in house built scanning b8Bed MSL system indigenously and to explore the possibility of micro fabrication of different materials (from polymer to ceramics involving different routes. In addition, polymer micro cantilever h8B been fabricated using this technique and its application to surface stress me8Burement h8B been demonstrated. The thesis comprises of eight chapters. The following section describes the summary of the individual chapters. Chapter 1 describes the introduction and background literature of this technol¬ogy. A brief review on MSL technology developed by various research groups and their achievements h8B been listed. Since photopolymerizable resin is the primary material to fabricate micro dimensional structures, the rate of photopolymerization is an impor¬tant phenomena which requires an attention before choosing the photopolymerizable resin. Further, this chapter also describes the photoinitiation principles and the type of photo initiators (PI) which help to photopolymerize the resin in order to fabricate micro dimensional polymer structures. In addition, this chapter also gives a glimpse of applications of this technology in fabrication of micro cantilever b8Bed sensors. The later part of the chapter focused on the microfabrication of ceramic from colloidal and met¬alorganic routes in brief. In Chapter 2, the design of the in house built MSL system and its working princi¬ples including various optical issues have been addressed. Several research groups have attempted to optimize photopolymerization parameters to incre8Be the throughput of the scanning b8Bed MSL systems through modified beam scanning techniques. Efforts in reducing the curing line width in order to get low feature size have been implemented through high numerical aperture (NA) optical setups. However, the intensity contour symmetry and the depth of field of focus have led to grossly non-vertical and non-uniform curing profiles. The focus of the work h8B been to exploit the rich potential of photoreactor scanning system in achieving desired fabrication modalities (minimum curing width, uniform depth profile, and vertical curing profile) even with a reduced NA optical setup and a single movable stage. The present study tries to manipulate to its advantage the effect of optimized lower photoinitiator (PI) concentration ([c]) in reduc¬ing the minimum curing width to 10-15 jJm, even with the higher spot size (21.4 jJm) rv through a judiciously chosen gmonomer UPIi' system. In this chapter, two different cl8BS of multifunctional acrylates (1,6 Hexane diol diacrylate (HDDA) and Trimethylol propanetriacrylate (TMPTA)) and one monofunctional methacrylate (methyl mathacry¬late (MMA)) have been chosen to explore their fabricability in micro dimensions using this MSL technology, by varying the various operational parameters including the type and the concentration of the PI. Chapter 3 deals with the application of this technology in micro cantilever based sensors. Microcantilever based sensors have been explored for several decades for their application in bio-molecular or explosive detection, chemical sensing etc. Due to the adsorption of molecular species on the cantilever surface, differential surface stress gen¬erates between the top and bottom surface of the cantilever. Depending on the type of stress (tensile or compressive) generated, the cantilever bends accordingly. The, novel diffraction based deflection method has been proposed in order to measure the deflection profile accurately for low dimensional structures. To prove this method, a dual mi¬crocantilever structure with sufficiently low gap (100 f.lm) has been fabricated using the developed MSL set up, such that diffraction occurs during transillumination by spherical wavefronts. Among the two micro cantilevers one was fabricated bent with a specific di¬mension with respect to the other. The cantilever material was chosen as poly HDDA for its low elastic modulus in order to achieve high sensitivity. From the obtained diffraction pattern, the bent profile of the each cross section of one cantilever corresponding to the other has been measured. This proposition will enable to measure surface stress at each cross section of the cantilever depending on the adsorbed analyte molecule adsorption. In Chapter 4, an effort has been made to improve the thermal, thermo mechanical and mechanical properties of the cantilever material (poly HDDA). The sensitivity of a micro cantilever depends precisely on fabrication and material aspects. The former de¬pends on the aspect ratio of the structure and can be controlled by fabrication parameters whereas the latter is inherently limited by the choice of the material. The properties of the material which impact the applicability are elastic modulus, Poisson's ratio, thermal expansion and thermal stability. Hence, these properties are studied for poly HDDA. However, the properties are not completely satisfactory for only poly HDDA (PHDDA) since, PHDDA will fail for high surface stress measurement (>275 mN/m). Hence, it h8B been copolymerized with MMA with an intention to improve the above mentioned properties and to determine the best composition for the micro cantilever application. It is observed by Finite Element Analysis (FEM) that Phpm5050 (HDDA:MMA(50:50)) composition shows optimum sensitivity when reliability is concerned for me8Buring high surface stress (275 mN/m). Chapter 5 bridges Chapter 2 and Chapter 6. Chapter 2 highlights the polymer mi¬crofabrication where8B, Chapter 6 deals with the microfabrication of ceramics. In order to fabricate ceramic micro objects by MSL, ceramic particles need to be blended with a photopolymerizable monomer followed by l8Ber induced photopolymerization . Under l8Ber irradiation, the monomer gets cured and traps the ceramic particles. Thus near net shape of green ceramic structures are 0 btained. After achieving the near net shape, it is important to remove the polymer, which acts 8B the binder for the green ceramic body. This debinding should be diffusion controlled so 8B to achieve defect free micro ceramics. Here two multifunctional monomers (HDDA and TMPTA) have been chosen 8B a b8Be monomer for fabricating ceramics. Therefore it is essential to understand the debinding mechanism of these polymers. However, (HDDA) h8B high shrinkage upon polymeriza¬tion with low rate of polymerization kinetics and low viscosity where8B the properties of (TMPTA) are exactly opposite. Hence, in order to optimize these properties, copoly¬merization of HDDA and TMPTA h8B been carried out for different compositions and their thermal properties have been investigated to understand the degradation mech¬anism. This chapter deals with the mechanism of thermal degradation by model free kinetic methods with an intention to determine the optimum composition of HDDA and TMPTA copolymer, to used 8B the b8Be monomer material for ceramic microfabrication. Besides, the debinding strategy is also discussed b8Bed on the degradation profile of the optimum composition. TH20S0(TMPTA: HDDA(20:S0)) is found to be the ideal com¬position to fabricate ceramic micro-component by MSL since its degradation is diffusion controlled in N 2 atmosphere. Chapter 6 describes the methodology of microfabrication of ceramics by the de-veloped MSL technique. A colloidal approach has been adopted to fabricate ceramics in micro-dimensions. Two different ceramics have been chosen, which have potential applications in structural (alumina) and functional (Lead Iron Niobate (PFN))aspects. Before fabricating ceramic micro-objects, ceramic particles need to be blended in the monomer suspension in the presence of dispersant at an optimum solids loading. Opti¬mization of solids loading is important in view of low dimensional shrinkage after sin¬tering. However, lower loading leads to higher shrinkage whereas higher loading would increase the viscosity of the suspension and make the suspension inconvenient to deal with. Hence, rheological studies have been carried out to optimize the solids loading and dispersant concentration. 40 vol% alumina and 35 vol% PFN are found to be the highest achievable solids loading for the chosen monomer (TH2080) composition. This chapter also describes the limitation involved in ceramic microfabrication depending on their scattering factors during laser irradiation. The chapter demonstrates the fabrica¬tion methodology of several complex ceramic(alumina and PFN) micro-objects by the in house built MSL instrument. Chapter 7 investigates the possibility of microfabrication of ceramics from metalor¬ganic precursor. In this route, titanium metal-organic (Ti-n butoxide) precursor has been chosen which is stabilized by the addition of chelating monomer (2-( methacryloyloxy) ethyl acetoacetate). Following this, the crosslinker and photoinitiators have been added to form Ti photoresist which is coated on top of the bare silicon substrate by spin coating to achieve specific thickness. The coated silicon wafer by the above photoresist has been patterned by selectively exposure in the MSL setup. The cured patterns are washed and heat treated at high temperature in order to 0 btain the net shape of the Ti02 pattern of polycrystalline rutile phase. It is observed this route is advantageous in terms of reduc¬ing curing dimension (curing width 14 f.lm) than the colloidal route (curing width more than 80 f.lm ) of fabrication of ceramics where the scattering factor greatly influences the dimensions of the feature size. The key findings and future aspects are summarized in the Chapter 8. The work reported in this thesis has been carried out by the candidate as part of the Ph.D. programme. He hopes that this would constitute a worthwhile contribution towards developing an MSL technique and its aspects in micro fabrication of polymer and ceramic structures of any complex shape and its possible applications in microdevices.

Il y a un besoin de mesures de vibration, tel que dans l'automobile pour le contrôle actif du bruit acoustique. Les microsystèmes électromécaniques (MEMS) et les technologies sans fils sont des technologies de plus en plus répandues pour l'implémentation de capteurs. Ce projet vise donc le développement de capteurs de déformation en utilisant une solution sans fil pour l'acquisition des mesures de la vibration, avec les technologies MEMS. Ce projet de recherche utilise la technologie des systèmes RFID passifs pour la communication, intégrée avec un transducteur de déformation MEMS pour la mesure. Le capteur consiste en une antenne reliée à un transducteur MEMS capacitif par l'entremise d'une ligne de transmission avec des discontinuités. Les déformations de la structure sur laquelle le capteur est fixé sont traduites en changement de capacité du transducteur, ce qui engendre un retard dans le signal réfléchi par l'antenne. Une étude de l'état de l'art des principes de communication et de transduction a permis de comparer les avantages et inconvénients des approches. Une modélisation analytique faite sur différents types de transduction a conduit à une combinaison optimale faisant intervenir un transducteur type capacitif. Pour atteindre une taille du capteur de l'ordre du centimètre, le système travaille à une fréquence micro-onde fixée à 24,125 GHz. Un dispositif fût alors conçu, incluant la ligne de transmission avec des discontinuités pour l'identification du capteur ainsi que le transducteur capacitif avec peignes interdigités et ressorts en silicium. La conception d'un tel capteur permet d'aboutir à une sensibilité de 11ps/[epsilon] avec une bonne linéarité sur une plage de mesure [0..2500[micro][epsilon]]. Un procédé de microfabrication du transducteur MEMS est aussi proposé, ainsi qu'une approche pour la fabrication pour les éléments RF sur un substrat d'alumine et leur intégration.

La croissance du développement des microsystèmes fluidiques de puissance dans la dernière décennie a augmenté considérablement le besoin de développer des instruments de mesure différents des instruments traditionnels. Le but du présent travail est l'étude et la fabrication des micro-débitmètres à pression différentielle. Dans ce cas, le principe de calcul du débit se fait par la mesure de la chute de pression à travers un micro-orifice dans un microcanal à section rectangulaire. Ces micro-débitmètres à micro-organe déprimogène sont destinés pour mesurer le débit dans les microsystèmes fluidiques opérant à gaz tels que les power MEMS. Pour ces derniers, actuellement, il n'existe aucun micro-débitmètre sur le marché adapté pour leurs conditions d'opération. Dans ce mémoire, une série de 16 micro-débitmètres de type orifice plat à section rectangulaire ont été fabriqués et testés expérimentalement. Leur géométrie est caractérisée par deux paramètres : un coefficient de contraction allant de 0,2 à 0,8 et un rapport de forme au niveau de l'orifice allant de 0,21 à 2,45. Le diamètre hydraulique des microcanaux varie entre 220 et 388 [micro]m.La variation de la chute de pression à travers le micro-orifice en fonction du débit a été mesurée pour chaque micro-débitmètre avec une pression d'entrée de 5, 6,5 et 8 bars.La plage de débit étudiée est entre 0,2 et 100 mg/s. Le coefficient de décharge de chaque micro-débitmètre a été déterminé. Par ailleurs, le comportement du coefficient de décharge a été étudié en fonction du nombre de Reynolds allant de 100 à 13000, et en fonction de la perte de pression adimensionnée, [[Delta]P/P[indice inférieur 1]], allant de 0,001 à 0,6. À même dimension géométrique, les résultats expérimentaux ont montré que le coefficient de décharge est fonction du nombre de Reynolds pour une valeur du facteur d'expansion, Y, supérieure à 0,9. Pour des valeurs de Y inférieures à 0.9, le coefficient de décharge est dépendant de [[Delta]P/P[indice inférieur 1]]. Les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats de la simulation numérique. De cette façon, le modèle numérique a été validé. Ce travail a permis de développer des micro-débitmètres capables de mesurer de faibles débits à l'ordre des milligrammes par seconde (mg/s) dans les microsystèmes fluidiques de puissance. Particulièrement, le travail a permis de répondre aux exigences de l'installation d'une micro-turbopompe en termes de mesure du débit de gaz. De plus, l'étude approfondie des micro-débitmètres a permis d'acquérir une connaissance plus élaborée de l'écoulement à travers ce type de restriction dans les microcanaux rectangulaires.La caractérisation expérimentale de ce type de micro-débitmètres a été faite pour la première fois. En effet, cette étude a permis de définir des corrélations empiriques du coefficient de décharge spécifiques à chaque dimension géométrique. Ces corrélations seront un bon outil de design de ce genre de mesure.

Dans un avenir proche, les dispositifs de détection médicaux miniaturisés en temps réels (lab-on-chip) seront au centre de la révolution des méthodes de diagnostics médicaux et d’identification des processus biologiques et cela, autant au niveau clinique qu’au niveau de la recherche. Pour y arriver, il est important de développer des chimies de surface stables et spécifiques, ce qui demande une compréhension des interactions intermoléculaires à l’interface liquide/solide. Pour bien comprendre ces interactions, il est important de développer des instruments adaptés à la mesure près de l’interface liquide/solide des différentes caractéristiques à identifier. Ce projet de recherche présente la conception, la fabrication et les expériences tests d’un capteur multimodal pour l’identification de processus biologiques à l’interface basés sur des technologies de résonance des plasmons de surface (SPR) et de microcalorimétrie. Ces deux technologies mises ensemble vont permettre d’effectuer des mesures de la cinétique des interactions ainsi que des caractéristiques thermodynamiques. En premier lieu, les caractéristiques d’une interaction intermoléculaire à l’interface d’une réaction d’hybridation d’ADN furent définies afin d’en déduire un cahier des charges pour les transducteurs. Suite à cela, la conception des transducteurs microcalorimétriques et SPR furent réalisés en tenant compte des contraintes de chacun des transducteurs. Suite à la conception théorique des différentes parties du capteur, un procédé de fabrication compatible avec les méthodes de fabrication standard de la microélectronique fut défini et testé. Afin de s’assurer de la fonctionnalité des dispositifs ainsi fabriqués, des tests de fonctionnalisation de surface furent appliqués sur les échantillons afin de tester la compatibilité du procédé de fonctionnalisation avec les méthodes de fabrication et avec une chimie de surface type. Pour terminer, un système de mélange actif fut testé et caractérisé avec le dispositif de microcalorimétrie afin de s’assurer qu’il était possible de mélanger les fluides avec les produits biologiques pour s’assurer de la qualité de la réaction de surface. Le système développé pourra être utilisé pour effectuer la mesure d’hybridation d’ADN à l’interface. Le système intègre deux modalités permettant la caractérisation en temps réel des interactions intermoléculaires à l’interface liquide/solide. Ce type de système permet la mesure de la cinétique de différents modèles biologiques tels que les puces à sucre encore certains récepteurs cellulaires ou la mesure de conformation moléculaire à l’interface. Des mesures d’oxydation du glucose catalysée par la glucose oxydase sont montrées.

In the present thesis, research work to tackle challenges such as large-scale integration, selectivity and low efficiency around different types of nanocarbon based sensors is performed. The findings of these studies are given in the form of peer-reviewed publications and conclusions with future recommendations proposed as a summary. The work focuses on three key sensors types, gas sensors, biosensors and photodetectors. The first key aspect is dielectrophoretic (DEP) deposition of nitrogen doped single-walled carbon nanotubes (N-SWCNTs) and it is used as a route to large-scale assembly of increased reactivity, and thus selectivity, gas sensors. Furthermore, suspended SWCNTs and few layer graphene (FLG) devices are fabricated through a novel process which results in increased surface area transducers and low resistance SWCNTs based devices. Moreover, biosensors face similar challenges to gas sensors with the addition that their selectivity needs to be engineered through the formation of a biomimetic interface due to the nature of the analytes they are destined to investigate. Non-covalent functionalization of graphene using self-assembled phospholipid membranes delivered in a controlled and precise manner by dip-pen nanolithography (DPN) was demonstrated together with a high-speed fabrication process of bioassays onto patterned CVD graphene using a parallel tips system. Lastly, for the case of photodetectors, a SWCNT – nanoplasmonic system is proposed as a solution to the major issue of low quantum efficiency in low dimensionality materials. First, the performance of various geometries and arrangements of Au nanoparticles is explored by transferring a micromechanically exfoliated graphene flake onto them and studying the Raman enhancement that arises due to uncoupled and coupled near-fields. An increase of graphene Raman signal of 103 was observed for the areas suspended between two closely spaced dimers as a result of strong near field coupling when the polarisation of the incident light is parallel to the nanostructures axis. A large-scale integration of SWCNTs positioned in between the dimers using DEP is performed as a demonstration of the scalability of the system.

Three projects are described in this thesis that combine microfabrication techniques with optical micromanipulation. The aim of these projects is to use expertise in microlithography and optical tweezing to create new tools for Lab-on-Chip devices. The first project looks at the creation of microgears that can be moved using an optical force. The microgears include one dimensional photonic crystal that creates birefringence. This allows the transfer of angular momentum from a circularly polarised light beam to the microgear, making them spin. The microgears are simulated, fabricated and tested. Possible biological applications are suggested. The second project looks at creating microchannels to perform micromanipulation experiments in. Different methods of fabricating the microfluidic channels are compared, and the resulting chambers are used to find the maximum flow rate an optical sorting experiment can be performed at. The third project involves using a thin photoconductive layer to allow the optical control of an electrical force called dielectrophoresis. This light induced dielectrophoresis (LIDEP) allows similar control to optical tweezing but requires less irradiance than optical tweezing, allowing control over a larger area with the same input optical power. A LIDEP device is created and experiments to measure the electrical trap size that is created with a given optical spot size are performed. These three projects show different microfabrication techniques, and highlight how well suited they are for use in optical manipulation and microfluidic experiments. As the size of objects that can be optically manipulated matches well with the size of objects that can be created with microfabrication, it seems likely that many more interesting applications will develop.