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.