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Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes

Publications de l'équipe MEMS

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30documents trouvés

17140
13/07/2017

Nanoscale boundary conditions and wetting scrutinized at picometer dynamical forcing

J.P.AIME, J.P.SALVETAT, M.FAUCHER, T.ONDARCUHU, D.THERON, B.LEGRAND

IECB, CRPP, Pessac, IEMN Villeneuve, CEMES/CNRS, MEMS

Rapport LAAS N°17140, Juillet 2017, 15p.

Diffusion restreinte

140098
16320
01/04/2017

Multi-MHz micro-electro-mechanical sensors for atomic force microscopy

B.LEGRAND, J.P.SALVETAT, B.WALTER, M.FAUCHER, D.THERON, J.P.AIME

MEMS, CRPP, Pessac, IEMN Villeneuve, CBMN

Revue Scientifique : Ultramicroscopy, Vol.175, pp.46-57, Avril 2017 , N° 16320

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Abstract

Silicon ring-shaped micro-electro-mechanical resonators have been fabricated and used as probes for dynamic atomic force microscopy (AFM) experiments. They offer resotnance frequency above 10 MHz, which is notably greater than that of usual cantilevers and quartz-based AFM probes. On-chip electrical actuation and readout of the tip oscillation are obtained by means of built-in capacitive transducers. Displacement and force resolutions have been determined from noise analysis at 1.5 fm/√Hz and 0.4 pN/√Hz, respectively. Despite the high effective stiffness of the probes, the tip-surface interaction force is kept below 1 nN by using vibration amplitude significantly below 100 pm and setpoint close to the free vibration conditions. Imaging capabilities in amplitude- and frequency-modulation AFM modes have been demonstrated on block copolymer surfaces. Z-spectroscopy experiments revealed that the tip is vibrating in permanent contact with the viscoelastic material, with a pinned contact line. Results are compared to those obtained with commercial AFM cantilevers driven at large amplitudes (>10 nm).

139001
16345
01/02/2017

Fabrication of lateral porous silicon membranes for planar microfluidics by means of ion implantation

Y.HE, T.LEICHLE

MEMS

Revue Scientifique : Sensors and Actuators B: Chemical, Vol.239, pp.628-634, Février 2017 , N° 16345

Non disponible

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Abstract

We introduce a new fabrication method based on ion implantation to create lateral porous silicon membranes and integrate them into planar microfluidic devices. Our proposed method relies on the fact that the formation of porous silicon by anodization highly depends on the dopant type and concentration, which can be manipulated by ion implantation. In order to confine the porosification at desired locations within silicon steps bridging microchannels, we use boron and phosphorus implantation to respectively create a p++ layer buried in an n-type silicon substrate, and a protective n-type surficial layer. The use of a metal electrode patterned onto the silicon step for current injection during anodization enables pores to propagate laterally during the membrane formation. The optimal implantation doses and energies leading to the required boron and phosphorus profiles are determined by means of process simulation and further confirmed by SIMS analysis. We demonstrate that the proposed fabrication process leads to the creation of lateral porous silicon membranes with open-ended pores adequately bridging microchannels and that we are able to manipulate the pore size (∼3–30 nm) and membrane porosity (∼15–65%) by adjusting the current density during anodization. The adequate dead-end filtration capability of the fabricated membranes was tested and demonstrates the interest of the presented fabrication process for microfluidic applications.

137837
17002
26/01/2017

Spray-coated carbon nanotube carpets for creeping reduction of conducting polymer based artificial muscles

A.SIMAITE, A.DELAGARDE, B.TONDU, P.SOUERES, E.FLAHAUT, C.BERGAUD

MEMS, ELIA, GEPETTO, CIRIMAT

Revue Scientifique : Nanotechnology, Vol.28, N°2, 025502p., Janvier 2017 , N° 17002

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01413022

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Abstract

It is often observed that during cyclic actuation conducting polymer based artificial muscles are continuously creeping from the initial movement range. One of the likely reasons of such behaviour is unbalanced charging during conducting polymer oxidation and reduction. In order to improve the actuation reversibility and subsequently the long time performance of ionic actuators, we suggest to use spray-coated carbon nanotube (CNT) carpets on the surface of the conducting polymer electrodes. We show that carbon nanotubes facilitate conducting polymer redox reaction and improve its reversibility. Consequently, in the long term, charge accumulation in the polymer film is avoided leading to significantly improved long term performance during cycling actuation.

138654
16321
14/12/2016

High spatial resolution imaging of transient thermal events using materials with thermal memory

O.KRAIEVA, C.M.QUINTERO PINZON, I.SULEIMANOV, E.M.HERNANDEZ, D.LAGRANGE, L.SALMON, W.NICOLAZZI, G.MOLNAR, C.BERGAUD, A.BOUSSEKSOU

LCC, I2C, MEMS

Revue Scientifique : Small, Vol.12, N°46, pp.6325-6331, Décembre 2016 , N° 16321

Lien : https://hal.laas.fr/hal-01413097

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Abstract

The accurate control of temperature is a common requirement in science and technology. In particular, although much effort has been devoted in the past decade to the development of nanoscale thermometry methods, we currently lack the tools to map transient thermal events with high spatial resolution. Here we experimentally demonstrate the working principle of a new kind of nanothermometer using materials with thermal memory as time-temperature integrators. As an application, we tackle the outstanding problem of spatially resolving a brusque erratic heating event in an operating microelectronic device. We show that a spatially and temporally confined temperature change leads to a local (reversible) modulation of the optical properties of our material. Thanks to the virtually infinite lifetime of the metastable states within the bistability region, this optical information can be retrieved later on by a simple reflectivity measurement, either in far-or near-field. This concept enabled us to acquire sub-wavelength resolution images of transient (s scale) heating events. The recent tendency of miniaturization and achievements in nanoscience and nanotechnology brought about the necessity of accurate temperature measurements on a reduced size scale [1-4]. In addition, the heat exchange in tiny volumes occurs promptly, hence the measurement needs to be done most often in a limited time window. The lack of spatio-temporal resolution and the increasingly invasive nature of common temperature sensors are the main obstacles 1

138631
16405
05/12/2016

Conception and characterization of flexible microelectrodes for implantable neuroprosthetic development

A.LECOMTE

MEMS

Doctorat : INSA de Toulouse, 5 Décembre 2016, 160p., Président: J.GRISOLIA, Rapporteurs: L.BERDONDINI, G.MALLIARAS, Examinateurs: G.OFFRANC-PIRET, Directeurs de thèse: C.BERGAUD , N° 16405

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01417209

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Résumé

Les neuroprothèses sont un domaine de recherche visant à restaurer les fonctions de personnes atteintes de déficiences sensorielles ou motrices. Les implants neuraux assurent une communication bidirectionnelle entre le cerveau et les ordinateurs. Ils permettent par exemple de favoriser la communication et la mobilité des personnes présentant une déficience motrice grave, rétablir la perception sensorielle (vision, audition) et réduire des symptômes neurodégénératifs (Parkinson). Les dernières avancées technologiques et la meilleure compréhension des facteurs déclenchant les réactions inflammatoires permettent d’envisager des implants corticaux chroniques fiables. Les implants traditionnels, basés sur des matériaux rigides comme le silicium ou le tungstène, sont souvent associés à une réaction immunitaire importante, du fait de leur pauvre biocompatibilité et du stress qu'ils induisent sur les tissus environnants. En ce sens, les implants flexibles, basés sur des biomatériaux souples, sont de plus en plus étudiés. Le substrat s'adapte aux micromouvements du cerveau (respiration, pulsation cardiaque) et de se fait promouvoir un meilleur contact tout en diminuant la réaction inflammatoire. Au cours de cette thèse, nous avons conçu et fabriqué un implant flexible à base de Parylène C, polymère souple de plus haute classe de biocompatibilité atteinte par la législation américaine (USP Classe VI), sur lequel des électrodes en or sont positionnées. Divers procédés de la microélectronique, comme la photolithographie et la gravure plasma utilisés communément pour le développement de microsystèmes en métal ou semi-conducteurs, ont été adaptés à la structuration d'implants en Parylène C. Par le biais de la culture cellulaire in vitro, nous avons montré que des cellules neuronales dérivées se différenciaient correctement sur les implants, validant ainsi la biocompatibilité des dispositifs. Cependant, ces nouveaux implants ont tendance à se courber à la surface du cerveau lors de leur insertion, empêchant le bon déroulement de l'implantation. Nous proposons ici une méthode basée sur l'intégration d'un film biorésorbable à l'arrière de l'implant. Ce film rigide permet d'assurer la pénétration de l'implant dans les tissus cérébraux, avant de se dissoudre de façon inoffensive dans l'organisme. Le film est réalisé en fibroïne de soie, extrait des cocons de vers à soie. Ce matériau, plus résistant que le Kevlar, est utilisé depuis des millénaires comme fils de suture biodégradable. La mise au point de l'extraction de la fibroïne de soie et sa structuration sur l'implant à l'aide d'un moule en polymère, ainsi que l’optimisation de la méthode de dépôt permet l'obtention d'une couche de soie en forme de gouttière, ce qui facilite l’insertion tout en limitant les contraintes et pressions indésirables lors de l'insertion. Nous avons montré à travers une série de test in vitro dans des gels et in vivo sur souris, que la soie augmentait par 100 la rigidité de l'implant et pouvait se résorber à taux accordable dans l'organisme. Un aspect primordial des implants neuraux concerne leur tenue et leur fiabilité sur le long terme. Si les implants traditionnels en silicium sont matière à de nombreuses études sur le sujet, les implants en polymères souples ne se sont développés que récemment et ne bénéficient pas encore du même recul. Nous proposons une étude préliminaire in vitro dans du liquide cérébro-spinal artificiel et in vivo sur souris permettant de mettre en évidence l'augmentation de la durée de vie de nos implants. Les résultats ont montré qu'au bout de six mois, les dispositifs ne présentent pas de signe de délamination, corrosion ou gonflement, ce qui se caractérise par la stabilité des propriétés électriques des électrodes. En conclusion, les implants conçus au cours de cette thèse présentent des caractéristiques prometteuses pour le développement de neuroprothèses implantables flexibles fiables sur le long terme.

Mots-Clés / Keywords
Biomatériaux; Implantation chronique; Neuroprothèse; Polymère flexible;

138281
16533
01/12/2016

Porous silicon and microfluidics

T.LEICHLE

MEMS

Ouvrage (contribution) : Handbook of porous silicon, Springer, N°ISBN 978-3-319-04508-5, Décembre 2016, pp.1-12 , N° 16533

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Abstract

This chapter presents a literature survey of works using porous silicon for microfluidic applications. Three distinct implications of porous silicon in fluidic systems are discussed: porous silicon as a material for the fabrication of fluidic channels on silicon chips; integration of porous silicon elements within lab-on-a-chip for tackling precise tasks/functions, e.g., filtering, pumping, or sensing; and the recent application of porous silicon particles in digital fluidics. For the specific use of porous silicon as fluidic elements, a list of papers that precisely discuss fluid transport within porous silicon is also included at the end of the chapter.

139055
16445
26/11/2016

Développement de nano-systèmes à base de nanofils pour l'interfaçage neuronal

A.CASANOVA

MPN, MEMS

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, Novembre 2016, 203p., Président: C.VILLARD, Rapporteurs: A.SOUIFI, C.PRINZ, Examinateurs: S.RENAUD, Directeurs de thèse: G.LARRIEU, L.NICU , N° 16445

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01445826

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Abstract

Due to constant aging of world population, the struggle against neurodegenerative diseases is one of the major challenges in the near future and a better understanding of these pathologies goes through an improvement of basic mechanism knowledge involved in neuronal networks. In that scope, miniaturization of electronic components opens new perspectives for addressing such issues and holds great promise to improve the resolution levels. 1D-nanostructures such as NW-FET or NW-probes, offer real benefits thanks to their very small sections allowing to be less intrusive combined with their high surface-to-volume ratio leading to a higher affinity with cells. Here, we propose to co-integrate passive and active devices based on 1D nanostructures on the same platform (vertical NW probes and NW-FETs), to accurately compare advantages and drawbacks of each configuration regarding neuron electrical activity measurement. The two NW devices are fabricated with a large scale and cost effective top-down approach combining conventional lithography tools, plasma etching and sacrificial oxidation step to tune the nanostructure geometry. A core-shell-type device has been developed with a conductive part at the center, encapsulated by a conformal silicon oxide to insulate the probing nanostructures from liquid. In parallel, silicon NW-FETs are created with a planar NW channel (50 nm) connected by two highly doped low resistive regions. The device operation has been characterized in liquid environment (interface impedance of passive probes and pH sensing for transistors). Primary rat cortical neuronal cultures have been grown in-vitro with an unprecedented surface functionalization approach to precisely locate single neurons and guide the growth of their extensions. The approach allows the perfect location of somas on devices and the control of neurite growth at sub-micrometer scale. After 10 days-in-vitro, we detected for the first time spontaneous mammalian neuron action potentials using passive vertical NW-probes. Thereafter, several kinds of stimulation protocols have been implemented: (i) at the network level, with chemical stimulations such as KCl depolarization to mimic epileptic synchronization or with more refined stimulation (bicuculline). Local field potentials from few somas and action potentials from single neurons have been successfully recorded with a maximal signal-to-noise ratio of 10 for transistors compared to 40 for passive probes. (ii) At the cell level, where bi-directionality of passive probes have been used to locally trigger neuronal activity under electrical stimulation. Finally, multi-site recordings with vertical probes have been used to compare extra and intracellular probing.

Résumé

De par le vieillissement de la population mondiale, les maladies neurodégénératives touchent de plus en plus de personnes. Ces maladies, trouvant leur siège dans la plupart des cas au sein des neurones, restent mal comprises. Dans le but d’améliorer notre connaissance des dysfonctionnements causés lors de ce type d’agression, il est indispensable de raffiner notre analyse (neurones individuels). Les dispositifs à base de nanofils (nanosondes verticales ou transistors à NF) offrent une valeur ajoutée certaine concernant l'interfaçage de dispositifs nanoélectroniques avec les cellules vivantes. En effet, leurs sections sont beaucoup plus petites que les dimensions des cellules, les rendant peu intrusifs et leur grand rapport surface/volume permet une forte interaction NF-cellule. Dans ces travaux de thèse, nous proposons de co-intégrer ces deux types de capteurs passifs et actifs sur une même plateforme à l’aide d’un procédé basé sur une approche top-down, couplant des étapes de photolithographie conventionnelle et de gravure plasma. Afin de tirer parti de la dimension de ces capteurs, particulièrement adaptée à l’interfaçage de cellules individuelles, une approche innovante de fabrication de réseaux organisés de neurones par fonctionnalisation chimique de surface sera présentée. Basée sur l’auto-alignement de molécules d’adhésion grâce à un fort contraste hydrophile/hydrophobe de la surface de l’échantillon, elle permet de contrôler très précisément la localisation spatiale des somas et de guider la croissance des prolongements. De larges réseaux organisés de neurones ont ainsi pu être réalisés, avec un taux élevé de somas individuels (74% des sites occupés). La croissance des prolongements est également maîtrisée à l’échelle sub-micronique. Couplée aux dispositifs d’enregistrement présentés précédemment (nano-sondes passives et transistors à NF), cette maîtrise de la croissance des neurones ouvre de nombreuses perspectives pour le suivi multi-site de l’activité électrique au sein d’une culture neuronale. La chaîne d’acquisition nécessaire au transport de l’information enregistrée depuis le capteur (échelle nanométrique) jusqu’à la visualisation des signaux sera ensuite présentée. Des cultures de neurones ont été réalisées sur cette plateforme et une activité électrique spontanée (PAs et LFPs) a pu être enregistrée après 9DIV par les nanosondes passives. Ces résultats restent à ce jour, inédits avec de tels dispositifs passifs à nanofils sur des neurones de rongeurs. Plusieurs stimulations chimiques (dépolarisation KCl et potentialisation bicuculline) ont également été effectuées, permettant de valider le fonctionnement des transistors et de comparer les deux approches (passive et active). Le caractère multi-sites des enregistrements à l’aide des nanosondes a aussi été mis en évidence. Enfin, des stimulations électriques localisées à l’aide des nanosondes verticales ont été réalisées et des LFPs provenant de l’excitation des neurones voisins du capteur ont pu être enregistrés, démontrant ainsi la bidirectionnalité de l’interaction.

Mots-Clés / Keywords
Nanofils; Biocapteurs; Nano-sondes; Transistors; In-vitro; Cellules primaires; Nanowires; Biosensors; Neurons; Nano-probes; Primary cells;

138416
16472
22/11/2016

Lateral porous silicon membranes for planar microfluidic applications

Y.HE

MEMS

Doctorat : Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 22 Novembre 2016, 147p., Président: F.MORANCHO, Rapporteurs: F.CUNIN, J.BRUGGER, Examinateurs: S.ARSCOTT, Directeurs de thèse: L.NICU, T.LEICHLE , N° 16472

Lien : https://hal.laas.fr/tel-01445669

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Abstract

Lab on a chip devices aim at integrating functions routinely used in medical laboratories into miniaturized chips to target health care applications with a promising impact foreseen in point-of-care testing. Porous membranes are of great interest for on-chip sample preparation and analysis since they enable size- and charge-based molecule separation, but also molecule pre-concentration by ion concentration polarization. Out of the various materials available to constitute porous membranes, porous silicon offers many advantages, such as tunable pore size, large porosity, convenient surface chemistry and unique optical properties. Porous silicon membranes are usually integrated into fluidic chips by sandwiching fabricated membranes between two layers bearing inlet and outlet microchannels, resulting in three-dimensional fluidic networks that lack the simplicity of operation and direct observation accessibility of planar microfluidic devices. To tackle this constraint, we have developed two methods for the fabrication of lateral porous silicon membranes and their monolithic integration into planar microfluidics. The first method is based on the use of locally patterned electrodes to guide pore formation horizontally within the membrane in combination with silicon-on-insulator (SOI) substrates to spatially localize the porous silicon within the channel depth. The second method relies on the fact that the formation of porous silicon by anodization is highly dependent on the dopant type and concentration. While we still use electrodes patterned on the membrane sidewalls to inject current for anodization, the doping via implantation enables to confine the membrane analogously to but instead of the SOI buried oxide box. Membranes with lateral pores were successfully fabricated by these two methods and their functionality was demonstrated by conducting filtering experiments. In addition to sample filtration, we have achieved electrokinetic pre-concentration and interferometric sensing using the fabricated membranes. The ion selectivity of the microporous membrane enables to carry out sample pre-concentration by ion concentration polarization with concentration factors that can reach more than 103 in 10 min by applying less than 9 V across the membrane. These results are comparable to what has already been reported in the literature using e.g. nanochannels with much lower power consumption. Finally, we were able to detect a change of the porous silicon refractive index through the shift of interference spectrum upon loading different liquids into the membrane. The work presented in this dissertation constitutes the first step in demonstrating the interest of porous silicon for all-in-one sample preparation and biosensing into planar lab on a chip.

Mots-Clés / Keywords
Anodization; Filtration; Ion concentration polarization; Membranes; Microfluidics; Optical biosensors; Porous silicon;

138517
16506
07/11/2016

Fast SNP (single-nucleotide polymorphism) discrimination using a fluorescence-based nanofluidic platform

J.CACHEUX, A.BANCAUD, P.CORDELIER, T.LEICHLE

MEMS, MILE, CRCT-INSERM

Manifestation avec acte : Nano Bio Tech ( Nano Bio Tech ) 2016 du 07 novembre au 09 novembre 2016, Montreux (France), Novembre 2016, 2p. , N° 16506

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138838
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