Towards Single Bacterium Detection: A Microelectronic/Microfluidic Hybrid System Based on a CMOS Technology

Cette thèse porte sur le développement d'un biocapteur hybride CMOS microfluidique capable de détecter des bactéries pathogènes une à une en temps réel basé sur un principe de spectroscope impédimétrique. Le biocapteur proposé se compose d'une matrice de capteurs qui comportent une matrice de microélectrodes, desmultiplexeurs à commande numérique, et des circuits de détection intégrés sur une puce de silicium CMOS. Cette recherche propose une nouvelle structure de microélectrodes qui permet à une structure de microélectrodes face à face à haute densité intégrable par post-traitement d'une puce CMOS. Au lieu d'être créée par le dépôt et la gravure de couches métalliques supplémentaires, la structure de microélectrodes face à face est construite en exploitant un empilement de couches métalliques disponible avec la technologie CMOS adoptée. Les détecteurs sont obtenus en construisant des microcanaux qui traversent le substrat. Ces microcanaux passent entre les microélectrodes face à face. Lorsque les fluides où se trouvent les échantillons traversent le microcanal, le système détecte de façon continue les changements d'impédance entre les microélectrodes induits par le passage de chaque bactérie . Cette thèse étudie le processus de microfabrication qui permet de libérer la matrice de microélectrodes et de fabriquer les microcanaux traversant le substrat. Les techniques dites de FIB (pours Focused Ion Beam) et de DRIE (pour Deep Reactive Ion Etching) sont utilisées. Les forces et faiblesses de chaque technologie sont analysées et des recettes de processus optimisés sont étudiées. La matrice de microélectrodes a été réalisée avec succès par les deux technologies. Comme preuve de concept, plusieurs microcanaux traversant le substrat sont également formés en utilisant la technologie FIB. Cette thèse propose également un nouveau circuit de détection. Réalisé grâce à la micro-électronique, ce circuit est capable de détecter les changements d'impédance causés par le passage d'une seule bactérie dans un milieu conducteur. Sans conditionnement de signaux et de circuit de traitement complexes, tels que des amplificateurs de haute précision, des filtres ou des convertisseurs analogue à numérique ou numérique à analogique, les circuits de détection sont conçus pour offrir une bonne sensibilité et une configurabilité qui permet de l'adapter aux différentes conditions de détection. Une technique de mise en boîtier biocompatible est également mise en oeuvre pour encapsuler le capteur intégré tout en fournissant des interfaces fluidiques et électriques pour l'injection d'échantillons et de signaux électriques. Une nouvelle approche pour améliorer la sélectivité de détection basée sur l'utilisation de bactéries magnétotactiques est également proposée dans cette thèse. Sous le contrôle d'un champ magnétique extérieur, les bactéries magnétotactiques sont utilisées comme bio-transporteurs, qui peuvent chercher activement et capturer les bactéries pathogènes cibles afin de les amener à la zone de détection. Une puce microfluidique est fabriquée grâce à des techniques de prototypage rapide afin de valider les idées proposées et de fournir des guides de conception d'une puce plus avancés. Les résultats de microfabrication et les résultats des tests préliminaires montrent que l'intégration monolithique des technologies CMOS et microfluidique est possible et qu'elle permet la réalisation de microélectrodes face à face dans une plate-forme capable de détecter le passage d'une seule bactérie en isolation.

Abstract

This thesis reports on the development of a CMOS Microfluidic hybrid biosensor technology that is proposed to detect single pathogenic bacterium in real time based on impedimetric spectroscopy. The proposed biosensor consists of a CMOS silicon die that incorporates a microelectrode array, digitally controlled multiplexers, and sensing circuits. This research proposes a novel microelectrode structure, which is obtained by first manufacturing high density face to face microelectrodes on a CMOS die, possible by a relatively simple CMOS post-processing. Instead of deposition and patterning of additional metal layers, the face to face microelectrode array is constructed by stacking metal and via layers of the adopted CMOS technology. By constructing through substrate microchannels in between pairs of face to face microelectrodes, when a fluid sample flows through the microchannel, the microelectrodes on the wall detect the impedance change induced by bacterium in the fluid in a continuous way. This thesis investigates the microfabrication process of releasing microelectrode arrays and constructing through substrate microchannels. FIB (Focused Ion Beam) and DRIE (Deep Reactive Ion Etching) technologies are utilized. The strength and weakness of each technology are analyzed and optimized process recipes are investigated. Microelectrode array were successfully released using both process technologies. As a proof of concept, several through substrate microchannels were also formed by using the FIB technology. This thesis also proposes a novel sensing microelectronic circuit, which is able to sense the impedance change caused by a single bacterium in a conductive medium. The system does not require complex signal conditioning and processing circuits, such as high precision amplifiers, filters or ADC/DAC. The proposed simple sensing structure offer high sensitivity, reliability and configurability. A dedicated biocompatible packaging is also implemented to encapsulate the CMOS die and provide a microchamber, fluidic and electrical interfaces for sample injection and signal interfaces. A new approach to achieve detection selectivity or specificity assisted by magnetotactic bacterium is also proposed in this thesis. Under the control of an external magnetic field, the viii magnetotactic bacteria are used as bio-carriers, which can actively search and capture some target pathogenic bacteria and bring them to the sensing area. A microfluidic chip is fabricated by rapid prototyping techniques to validate the proposed idea and to provide design guides for a more advanced and highly integrated CMOS chip. The achieved microfabrication results and preliminary testing results show that the monolithic integration of CMOS and microfluidic technology, especially the face to face microelectrode structure is a suitable platform for single bacterium detection and analysis.