Thèmes de recherche

Equipe 1 - Micro Systèmes Acoustiques

Responsable : Pierre Campistron

Membres : Dorothée Callens-Debavelaere, Pierre Campistron, Julien Carlier, Bertrand Nongaillard

Non permanents : Assane Ndieguene (Doctorant), Sheng Xiang Wang (Post-doctorant)

Equipe Micro Systèmes Acoustiques

 

Opérations de recherche

Cette équipe nouvellement formée se donne pour but la fabrication et l’intégration de transducteurs ultrasonores hautes fréquences dans les BIOMEMS (Biological Micro Electro-Mechanical Systems). Il apparait en effet très clairement que les ondes acoustiques hautes fréquences peuvent apporter des solutions originales à des besoins spécifiques aux BIOMEMS. Nous pouvons citer par exemple :

  • L’aide au micro-mélange (micro-mixing) :
    Le nombre de Reynolds d’un écoulement en canal micro fluidique est généralement très faible (<< 1), le flux est laminaire ce qui rend difficile le mélange de deux réactifs, et par conséquent allonge considérablement le temps de réaction. L’onde acoustique générée par un capteur focalisé crée un vortex au foyer du capteur. Nous pouvons tirer parti de ce phénomène pour accélérer le mélange. L’onde ultrasonore est ici utilisée comme actionneur.

  • La détection de corps dans un canal micro-fluidique :
    Il est souvent nécessaire de repérer le passage d’une cellule en un lieu particulier d’un canal micro fluidique afin de l’observer, de l’immobiliser, de l’aiguiller dans une autre branche du canal, … Il est alors nécessaire d’observer la zone d’intérêt au microscope et de déclencher une action (arrêt du flux de fluide, …) lorsque la cellule est détectée. Ceci n’est pas aussi simple en situation expérimentale que cela n’y parait, et devient tout à fait impossible à réaliser si le système est parallélisé (plusieurs branches de canaux micro-fluidiques transportant des cellules). La détection peut être faite par ultrasons ce qui permet de disposer d’un signal électrique utile à l’automatisation des procédés.

  • La caractérisation ultrasonore :
    L’onde ultrasonore est utilisée pour caractériser un milieu en environnement micro-fluidique. Il peut être question :

    • de la caractérisation d’un fluide (coefficient d’incompressibilité ou viscosité). L’intérêt de la méthode est ici de n’utiliser qu’un volume extrêmement réduit de fluide. La méthode utilisée consiste à mesurer la célérité de l’onde, longitudinale ou transversale, se propageant dans le fluide.

    • de l’évaluation de la force d’adhésion d’une cellule ou d’un amas de cellules sur un substrat. Ce type d’évaluation est d’un grand intérêt dans le domaine des Biomatériaux. La méthode consiste à mesurer le coefficient de réflexion d’une onde transversale à l’interface substrat / cellules.

    • d’évaluer, de façon dynamique et non destructive, l’élasticité d’une cellule ou d’un amas de cellules en environnement biologique contrôlé, proche des conditions in-vivo. Ce type d’évaluation peut apporter une aide au diagnostic de certaines maladies et à la compréhension des mécanismes intra et inter cellulaires conférant aux tissus leurs fonctionnalités. La méthode utilisée consiste à mesurer la célérité de l’onde longitudinale se propageant dans le fluide.

  • L’imagerie cellulaire intégrée : ultime application des ultrasons hautes fréquences.
    Cette image, caractéristique des propriétés mécaniques de la cellule et de ses constituants subcellulaires, pourrait être couplée à une image obtenue par microscopie de fluorescence. Nous utilisons une méthode échographique.

La fréquence de fonctionnement du système ultrasonore est choisie de l’ordre du gigahertz. Ce choix est motivé par la longueur d’onde ultrasonore (1,5 µm) comparable aux dimensions du biosystème et l’atténuation acceptable compte tenu des faibles distances de propagation dans le microsystème. Il est cohérent avec l’objectif d’intégration d’un grand nombre de fonctions sur un même substrat dans une démarche d’analyse et de traitement en parallèle.

Résultats majeurs

Transducteurs hautes fréquences

Nous avons exploité deux voies de fabrication de transducteurs compatibles avec les technologies silicium utilisées dans les BIOMEMS, ces deux technologies nous permettent de couvrir la gamme de fréquences 100MHz-1GHz :

  • Le report de couche de monocristaux de niobate de lithium (LiNbO3), ensuite aminci par polissage jusqu’à une épaisseur d’une demi longueur d’onde. Il nous permet de choisir le cristal piézo-électrique et le type d’onde mis en jeu (longitudinal ou transversal) par le choix de la direction de coupe cristallographique de façon à optimiser rendement. Il est par contre assez difficile d’atteindre une fréquence de résonance de l’ordre du GHz (cela requiert un amincissement de la couche jusqu’à environ 5µm).

  • La pulvérisation cathodique d’oxyde de zinc (ZnO) qui permet de déposer une couche mince d’une demi longueur d’onde. Elle ne permet ni un choix aussi large de matériaux piézo-électrique, ni le choix de l’orientation cristalline, elle est par contre beaucoup plus performante sur le contrôle des faibles épaisseurs. Les réalisations de transducteurs par pulvérisation cathodique ont été effectuées au sein de l’équipe MIMM de l’IEMN-DOAE.

Les mesures du paramètre S11 effectuées sous pointes à l’analyseur de réseau nous ont permis de vérifier un bon accord avec la théorie (une partie des simulations a été effectuée au sein de l’équipe MODMEMS de l’IEMN-DOAE). L’analyse du signal réfléchi nous permet également de noter un rendement électro-acoustique correct (Fig.1). Ces transducteurs ont été utilisés pour la caractérisation ultrasonore de couches minces (Fig.4).

fig.1 - Système de caractérisation électrique sous pointe - rendement électrostatique

fig.4 - exemple de réponse impulsionnelle

Couches d’adaptation quart d’onde

Recherchant à optimiser la chaine de mesure, nous nous sommes intéressés à la mise au point de couches d’adaptation mécanique à l’interface silicium / eau. Sont en effet perdus environ 6 dB par passage à l’interface. Nous avons choisi comme matériaux de base, la résine époxy SU-8 pour ses propriétés photosensibles. Les premières réalisations ont porté sur des adaptations par double lames quart d’onde (SiO2 par PECVD / SU-8) (Fig.2).

fig.2 - Mesures des pertes d'insertion acoustique - adaptation double quart d'onde SiO2/SU-8

Nous avons ensuite mis au point des procédés de dopage de la résine SU-8 par nanoparticules. Le but est d’augmenter l’impédance acoustique de la SU-8 tout en conservant ses propriétés photo sensibles.

Ces nouveaux matériaux ont été caractérisés par des tests de photolithographie, afin de s’assurer qu’ils conservent bien leurs propriétés photo sensibles, par voie acoustique avec les transducteurs hautes fréquences et par nano indentation au sein du groupe NAM6 de l’IEMN. La possibilité d’obtenir des matériaux photo sensibles (Fig.3) d’impédances acoustiques ajustables est vérifiée (Tab.1).

fig.3 - photolithographie sur SU-8 dopée en nanoparticules

tab.1 - résumé des résultats de caractérisations

Prospectives

Des essais de gravure sur silicium sont en cours, nous prévoyons de les finaliser par la réalisation de lentilles acoustiques.

Nous envisageons d’achever l’optimisation des transducteurs par son adaptation électrique, le circuit sera intégré sur silicium. Nous pourrons alors expérimenter nos systèmes Lab-On-Chip dans des conditions ‘réelles’ d’utilisation :

  • Nous commencerons en premier lieu à en tester les performances comme aide pour le micro mélange et pour la détection de cellule.

  • L’équipe coopère de façon régulière avec des biologistes et des chimistes. Nous envisageons de tester assez rapidement les interfaces entre biomatériaux et tapis cellulaire dans le but d’obtenir des informations sur l’adhésion cellulaire. Le système transducteur / canal micro fluidique devra être suffisamment simple à utiliser pour être transporté dans un laboratoire de biologie. Les discussions avec nos collègues biologistes et chimistes ont déjà permis d’obtenir un design du Lab-On-Chip répondant aux contraintes des différentes disciplines et le protocole expérimental à mettre en œuvre.

Bibliographie

Collaborations

  • Collaboration avec le Laboratoire de Chimie Organique et Macromoléculaire, Université de Lille I, CNRS UMR 8009
  • Collaboration avec le Groupe de Recherche sur les Biomatériaux, Faculté de Médecine de Lille, Université de Lille II, UPRES EA 1049
  • Collaboration avec Xing Zhong ZHAO du Laboratoire Smart Material & Microdevice, Department of Physics, Wuhan University (China)