Les laboratoires sur puce visent à intégrer sur un substrat miniaturisé une ou plusieurs fonctions de laboratoire. Cette miniaturisation d’opérations élémentaires présente des avantages indéniables en termes de portabilité, de vitesse et de rendement des analyses chimiques ou biologiques. Il est ainsi nécessaire de pouvoir contrôler avec précision des petites quantités de liquide sous forme de gouttes. Les actionneurs à ondes acoustiques de surfaces permettent de réaliser la plupart des opérations requises en exploitant les interactions non linéaires entre une onde acoustique et un liquide. Toutefois la physique sous-jacente à ces microsystèmes n’est encore que partiellement comprise, limitant le développement de telles plateformes d’analyse. Nous nous proposons, dans ce travail, d’étudier de manière théorique et expérimentale l’oscillation et le déplacement d’une goutte soumise à des ondes acoustiques de surface. La réaction d’une goutte à une telle excitation ainsi que les transferts non linéaires d’énergie sont abordés dans une première partie. La deuxième partie est consacrée à la modélisation faiblement non linéaire de l’oscillation d’une goutte afin de prédire les résonances paramétriques d’une goutte soumise à une excitation périodique. Dans une troisième partie, la comparaison de la dynamique de gouttes pendantes et de gouttes posées sur des plans horizontaux et inclinés met en exergue l’influence de la gravité sur la dynamique de la goutte, et permet d’observer de nouvelles dynamiques complexes. Enfin dans la dernière partie, les dynamiques décrites dans les précédents chapitres sont utilisées pour trier des cellules en fonction de leur pouvoir d’adhésion. / A lab-on-a-chip aims at integrating on a miniaturized substrate one or several laboratory functions. This miniaturization of elementary functions has major advantages to design portable systems, to control precisely the experimental conditions or to reduce the environmental impact of industrial activities. In most of these microsystems, it is necessary to actuate a small amount of chemical or biological fluid under the form of droplets. In particular, it is often necessary to move, divide atomize or mix these small quantities of fluids. Surface Acoustic Wave actuators allow to perform all these elementary operations. They rely on the nonlinear interaction of a surface wave and a liquid. However a precise understanding of the underlying physics is still missing, hence restraining a widespread use of these microsystems. We present, in this thesis, a theorical and experimental study of the oscillation and the displacement of a droplet under a surface acoustic wave excitation. In the first part, we describe the droplet dynamics and nonlinear energy transfers that occur during actuation. The second part of the manuscript is dedicated to the development of a weakly nonlinear model to study parametric response of a droplet to periodic excitation. In a third part, the influence of the gravity is shown through the comparison of pendant and sessile droplet dynamics. A competition beetwen acoustic forces and gravity appears when tilting the experimental device and allow us to observe new droplet dynamics. In the last part of the manuscript, the free surface drop deformations generated by surface acoustic waves, are used to viably sort cells based on their adhesion properties.

Ce travail de recherche porte sur le développement d’une plateforme microfluidique de type laboratoire sur puce pour la mesure du pouvoir infectieux d’agents pathogènes présents dans l’eau. La principale fonction étudiée dans ce manuscrit est la concentration de parasites en suspension dans un liquide. La manipulation des microparticules est basée sur l’emploi de forces électrocinétiques. Une analyse numérique en deux et trois dimensions apporte des informations qualitatives. Elle permet également d’extraire les valeurs géométriques clés des électrodes employées pour la concentration des microparticules. Ces premiers résultats théoriques sont confirmés expérimentalement à l’aide de deux dispositifs contenant une grande variété de concentrateurs. A partir des éléments théoriques et expérimentaux, nous concevons un concentrateur optimisé. Il est intégré dans un dispositif employant la technique de déplacement de goutte par électromouillage sur diélectrique (EWOD). Ce système est employé selon trois modes : concentrateur, extracteur et séparateur. Des oocystes de Cryptosporidium et des kystes de Giardia lambia sont utilisés pour la caractérisation du dispositif. Enfin, des résultats préliminaires de cultures cellulaires sur des surfaces fonctionnalisées à l’échelle de la centaine de micromètres permettent d’envisager le développement d’une plateforme microfluidique complète d’analyse du pouvoir infectieux d’agents pathogènes du genre Cryptosporidium. / This work focuses on the development of a microfluidic platform (lab on a chip) for the measurement of pathogens infectivity power in water. The main function studied in this manuscript is the concentration of parasites suspended in a liquid. The manipulation of microparticles is based on the use of electrokinetic forces. Numerical analysis in two and three dimensions provides qualitative information. It can also extract the geometric key values of electrodes used for the concentration of the microparticles. These theoretical results are confirmed experimentally using two devices containing a wide variety of concentrators. From the theoretical and experimental results, we design an optimized concentrator. It is integrated in a system allowing droplet motion by electrowetting on dielectric (EWOD). This system is used in three modes: concentrator, extractor and separator. Cryptosporidium oocysts and Giardia lamblia cysts are used for the characterization of the device. Preliminary results of cell culture on surfaces functionalized at scale of hundreds of microns allow to consider the development of a complete microfluidic platform for infectivity analysis of pathogenic agent such as Cryptosporidium.

Le but de ce mémoire est l'étude des méthodes d'analyse de données d'une expérience de microréseau. Nous nous intéressons au problème des tests d'hypothèses multiples, de contrôle de l'erreur de type 1 et de taux de faux positifs. Nous décrivons les techniques de Dudoit et al. (2003), de Hochberg (1988), de Benjamini et Hochberg (1995) et de Westfall et Young (1993) entre autres. Les problèmes des tests d'hypothèses multiples, les mesures différentes de l'erreur du type 1 et le contrôle de telles erreurs sont discutées ici d'après Dudoit et al. (2003). Nous nous intéressons également à la théorie des inégalités de probabilité dues à Dunn (1967), Jogdeo (1970, 1977) et Simes (1986) parce que ces inégalités forment la base de la méthodologie pour contrôler les différentes erreurs de type 1. De plus, une description d'un progiciel informatique pour faire une telle analyse de données de microréseau est aussi présentée, une analyse utilisant une des méthodes de Dudoit et al. (2003) ainsi que des données de Colub et al. (1999) avec les gènes de deux types de leucémie. Nous avons introduit la méthode de «Jackknife» comme un autre contrôle du taux des faux positifs pour cet exemple. Le mémoire termine avec une étude de simulation afin d'illustrer les différences entre les mesures de l'erreur du type 1. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Microréseaux, Génétique, Inférence statistique, Taux d'erreur, Jackknife, Simulations.

L'ingénierie des modèles (IDM) a depuis très largement démontré sa pertinence dans les développements logiciels; restait alors à démontrer son applicabilité dans le développement de tout système d'information. Aujourd'hui, de nombreuses expérimentations montrent avec plus ou moins de succès que l'IDM peut parfaitement supporter d'autres domaines comme le domaine du co-design ou celui de l'ingénierie des processus.Dans le domaine du co-design, les activités de conception consiste essentiellement à concevoir et analyser des systèmes implantées sur des plateformes spécifiques (SoC, MPSoC, NoC, etc.): cela nécessite l'utilisation de langages dédiés permettant de représenter : les constituants du système ou de la plateforme, les contraintes non fonctionnelles, les allocations spatio-temporelles des blocs du système sur la plateforme, les analyses qui découlent des choix d'allocation. Le langage de modélisation généraliste UML (Unified Modeling Language) ne pouvait que très difficilement satisfaire de tels besoins. C'est pourquoi l'OMG (Object Management Group) a standardisé une extension d'UML dédiée à la conception et l'analyse de systèmes embarqués temps réel (MARTE). L'objectif premier de cette thèse est de proposer une méthodologie de conception de SoPC (System-on-Programmable-Chip) basée sur l'utilisation de modèles qui fait la synthèse des approches proposées par les communautés de l'ESL et de l'IDM.Aussi avons-nous poussé la réflexion sur les manières de capitaliser au mieux notre méthodologie et sur sa mise en œuvre dans l'élication des processus de co-design. C'est la raison pour laquelle, après avoir fait une étude sur la formalisation des processus de développement, nous avons trouvé opportun de proposer notre propre extension du langage SPEM (Software and System Process Engineering Modeling), standardisé par l'OMG, afin d'y intégrer des concepts manquants, essentiels à notre sens à la représentation des processus IDM de co-design. / The relevancy of the Model Based Approach (MBE) applied in the field of software engineering has been widely demonstrated though several experiments. In the field of co-design, business activities are mainleny design and analysis activities of complex systems implemented into chips (SoC - System-on-Chip) or reprogrammable chip (SoPC) - System-on-Programmable-Chip). Those activities require dedicated languages and tools allowing capture of : system or platform components, non-functional properties, allocation of system blocks onto the platform, either into space or into time, subsequent analysis to allocation choices. The Unified Modeling Language (UML) is a general purpose language that does not fit to such activities. That is why the OMG has standardized a UML profile dedictated to design and analysis of Real-Time Embedded Systems (MARTE). Associated to such language, on of the goal of this thesis is to propose a clear methodology that make benefits of both MBE and Electronic System Level (ESL) techniques. Beneath the simple proposition of an MBE/ESL methodology, another goal of this thesis is to propose a better capitalization of methodology rules allowing a continuous maturity of processes. That is why we found relevant to propose an extension to SPEM in order to introduce missing concepts to acheive our goals.

Cette thèse est composée de deux parties. La première explore la problématique de la modélisation de trafic Internet. Nous avons proposé, à partir de l'étude de nombreuses traces, un modèle basé sur des processus stochastiques non-gaussiens à longue mémoire (Gamma-Farima) permettant de modéliser de manière pertinente les traces de débit agrégé, et ce pour une large gamme de niveau d'agrégation. Afin de pouvoir générer du trafic synthétique, nous avons proposé une méthode de synthèse de tels processus. Nous avons ensuite, à partir du modèle Gamma-Farima, proposé un modèle multirésolution permettant de différencier un trafic régulier, d'un trafic contenant une attaque (de type déni de service distribuée). Ceci nous a permis de proposer une méthode de détection d'anomalie que nous avons évalué sur des traces réelles et en simulation. Enfin nous avons étudié expérimentalement le problème de la production de trafic à longue mémoire dans un simulateur de réseaux (NS-2). La deuxième partie traite la problématique de la génération de trafic au sein des systèmes sur puce (SOC). Dans ce domaine, l'arrivée de véritable réseaux sur puce place la conception de l'interconnexion au premier plan, et pour accélérer les simulations, il convient de remplacer les composants par des générateurs de trafic. Nous avons mis en place un environnement complet de génération de trafic sur puce permettant de rejouer une trace, de produire une charge aléatoire sur le réseau, de produire un trafic stochastique ajusté sur une trace de référence et de tenir compte des phases dans le trafic. Nous avons effectué de nombreuses simulations dans l'environnement de simulation de SOC académique SOCLIB qui nous ont permis de valider notre approche, d'évaluer notre algorithme de segmentation ainsi que la génération de trafic stochastique multiphase que nous avons introduite. Nous avons aussi exploré la présence de longue mémoire dans le trafic des processeurs sur puce, ainsi que l'impact de cette caractéristique sur les performances du réseau sur puce.

Les biopuces sont des systèmes miniaturisés qui permettent des analyses en parallèle et à haut débit. Ainsi, les puces à protéines/peptides sont très utiles dans l'étude des interactions entre diverses molécules biologiques. Nous avons réalisé des puces à protéines et peptides en se basant sur la technologie des polymères conducteurs : la méthode consiste à immobiliser les molécules sondes (protéines ou peptides) sur des supports par électrocopolymérisation à partir d'un mélange de pyrrole et de pyrrole lié à la molécule sonde. Le support consiste en un prisme recouvert d'un film d'or permettant l'analyse des interactions protéine-protéine ou antigène-anticorps par imagerie de la résonance plasmonique de surface. Cette méthode optique, compatible avec des mesures en parallèle, permet une analyse directe, en temps réel et donne accès aux paramètres cinétiques des interactions. Ces puces, de réalisation facile, présentent une très bonne spécificité et une bonne sensibilité. Elles peuvent être régénérées un grand nombre de fois et sont compatibles avec l'analyse d'échantillons biologiques complexes tels que du sérum non dilué. Ces caractéristiques permettent un champ d'application très large, en recherche fondamentale ou clinique mais aussi en diagnostic.

L'objectif d'un avion plus électrique conduit à l'utilisation croissante de systèmes d'électronique y compris dans des zones de haute température. Les modules de puissance classiques doivent être adaptés à cet environnement: les composants en SiC sont commercialement disponibles mais l'environnement de la puce est à modifier. Cette thèse s'intéresse aux techniques d'attaches de puces basses température que sont le frittage d'argent et la brasure en phase liquide transitoire (TLPB) or-étain. Dans une première partie, les enjeux de l'électronique de puissance et plus particulièrement des applications haute température est donnée. Les mécanismes physique (mouillage, diffusion)qui régissent le frittage et le TLPB (Transient liquid Phase Bonding) sont ensuite décrits avec précision. La deuxième partie de cette thèse s'intéresse à la mise en oeuvre d'un protocole fiable d'attache de puce par frittage d'une nanopoudre d'argent commerciale. Une fois établie, la méthode a ensuite été optimisée pour différentes tailles de composants. La caractérisation de l'attache a été réalisée en shear-test et par des images en microscopie optique. La troisième et dernière partie de ce travail a pour objet la réalisation d'attaches de puces par TLPB or-étain. Ce chapitre traite de la mise en oeuvre expérimentale de la technique, depuis la métallisation des wafers jusqu'à la caractérisation des attaches en microscopie (optique et MEB). Ce travail de thèse est très expérimental car même si un protocole de mise en oeuvre existe (pour le frittage), il est indispensable de l'adapter aux conditions expérimentales pour l'optimiser. Ce travail a aussi mis en évidence certaines difficultés techniques de préparation des surfaces.

Les technologies de type laboratoire sur puce (« lab on chip » LOC) mettent à profit la miniaturisation pour réaliser production, traitement, et analyse physico-chimiques sur un même substrat de petite taille avec comme résultat des dispositifs portables, plus rapides, demandant de plus petites quantités de réactifs, produits et opérés à plus faible coût. Les produits et les applications développés pour tirer profit de ces avantages ont le potentiel de transformer plusieurs secteurs comme ceux de la médecine et de la surveillance environnementale. Les mesures de calorimétrie revêtent un intérêt particulier pour l’intégration aux plateformes de type LOC notamment parce que la production de chaleur est un phénomène ubiquitaire. Or, cette intégration repose avant tout sur la capacité de produire des dispositifs miniaturisés suffisamment performants et compatibles avec la construction des plateformes LOC. La calorimétrie miniaturisée est un champ relativement peu développé même si, comme à l’échelle conventionnelle, elle permet d’obtenir des informations utiles pour la compréhension des phénomènes de transformations de la matière. Or, la calorimétrie miniaturisée fait face à un défi de taille. La taille réduite des échantillons résulte inévitablement en une diminution de la quantité de chaleur à mesurer. Possiblement pour faire face à cette limite, la grande majorité des calorimètres miniaturisés adopte une configuration planaire, car le positionnement du système cellule calorimétrique-échantillon sur membrane a pour effet de maximiser leur sensibilité. La configuration membranaire réduit la conduction thermique à travers le substrat ce qui, à puissance égale, résulte en davantage de signal. Cette configuration demande toutefois certains compromis. Elle pousse par exemple à construire les thermopiles à partir de films de plus en plus minces afin d’éviter d’annuler les gains. Or, des effets de « film mince », sont observés qui dégradent significativement les propriétés attendues des matériaux. Les gains apportés par la configuration membranaire peuvent aussi être annulés par la conduction thermique hors substrat qui est très sensible à la géométrie de la source de chaleur ainsi qu’aux conditions ambiantes. Ces deux phénomènes affectent significativement la sensibilité des calorimètres miniaturisés et peuvent résulter en une diminution de la précision des mesures. Dans le premier cas, on estime à 20-30% l’erreur évitée; dans le second cas, on estime à près de 30% l’erreur évitée. Les contributions présentées dans cette thèse proposent des moyens d’améliorer la précision des calorimètres miniaturisés, en renforçant la compréhension des compromis fondamentaux à négocier dans la conception de tels dispositifs et d’établir un « modèle » pour prédire avec une plus grande fidélité la performance de calorimètres miniaturisés à partir des paramètres de l’architecture. On peut donc plus précisément évaluer le potentiel de différents designs de calorimètres miniaturisés et explorer la manière de faire des calorimètres miniaturisés de bons candidats à l’intégration sur les plateformes LOC, que ce soit sur structure membranaire ou d’autres substrats.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail de recherche est centré sur l’électromouillage sur diélectrique (EWOD) et l’emploi de surfaces superhydrophobes dans une optique d’intégration dans un système microfluidique en gouttes. Dans un premier temps, nous détaillons la réalisation de surfaces présentant différentes échelles de rugosités : micro-, nano- et micro/nanotexturées. Leur robustesse à l'imprégnation d'un liquide soumis à pression extérieure est étudiée. Deux techniques sont mises en œuvre, l’impact de goutte et l’EWOD. Les surfaces à double échelle de rugosité montrent une meilleure robustesse (>13kPa). Cependant, une surface de nanofils de silicium présente des seuils d’empalement à l’état de l’art (>17kPa) et une réversibilité complète sous EWOD. Dans un second temps nous caractérisons le déplacement de gouttes par EWOD au sein d’un système microfluidique et mettons en évidence l’influence des surfaces superhydrophobes (par rapport à des surfaces hydrophobes). Nous obtenons pour une tension donnée, des vitesses de déplacement supérieures (+30%), pour une vitesse donnée, une tension d’actuation réduite (-30%), ainsi que des contraintes de cisaillements proche paroi plus importantes. Enfin, ces propriétés sont mises en avant à travers deux applications que sont la collecte de bio-particules et l’analyse par spectrométrie de masse de biomolécules présentes en solution. Dans le premier cas, une efficacité de collecte proche de 100% est obtenue que ce soit pour des virus ou des spores. Dans le second cas, nous avons pu analyser des concentrations de peptides jusque 10fmol dans des zones localisées ainsi qu’un très faible niveau de pollution en dehors de ces zones. / This work deals with electrowetting on dielectric (EWOD) technique and integration of superhydrophobic surfaces in a droplet-based microfluidic device. The first part of the thesis consists on the preparation of micro-, nano- and micro-nano-structured surfaces, and a detailed study of their robustness to impalement under electrowetting and drop impact. Hierarchical surperhydrophobic surfaces showed the best robustness to impalement. However, a silicon nanowires surface has shown an impalement threshold still in the state of art with a total reversible behavior under EWOD. In a second approach, we characterized droplet displacement using electrowetting in a microfluidic system and evidenced the influence of superhydrophobic surfaces compared to hydrophobic ones. For a given actuation voltage, the droplet motion is increased by +30% and for a given droplet motion, the actuation voltage is reduced by -30%. Moreover, wall shear stresses are more important. Finally, these properties are featured through two main applications: particles collection and bio-molecules analysis by matrix-free laser desorption/ionization mass spectrometry. For particles collection, a cleaning efficiency close to 100% either for virus or bacteria particles was reached using superhydrophobic surfaces. For lab-on-chip application, a detection limit of 10 fmol was obtained for peptides analysis using mass spectrometry.