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Abstract

For the purpose of biochip miniaturization, we developed a liquid spotter-based on silicon microcantilevers incorporating in-plane nanotips as a MEMS nanopatterning tool. We present new fabricated cantilevers with added piezoresistors for the contact force control during deposition. Matrices of droplets of 1 ¼m in diameter were achieved with a 10 ¼m interspot distance with high uniformity and high reproducibility by the nanotip cantilever with piezoresistive force controller.

Mots-Clés / Keywords

Piezoresistive cantilever; Silicon nanotip; Femtoliter droplet; Biochips;

Résumé

Cette étude vise à intégrer des microlentilles sur la surface de VCSELs afin de contrôler leur divergence. Nous présentons une technique originale basée sur l'utilisation de micro-leviers en silicium robotisés pour déposer des microlentilles en polymère sur des piedestaux de résine épaisse(SU-8) définis par photolithographie. Les caractérisations des microlentilles par MEB(Microscopie Electronique à Balayage) et profilométrie optique ont permis d'évaluer l'influence des dimensions du piédestal sur la forme finale de la microlentille. L'auto-alignement des microlentilles avec des piédestaux à géométrie circulaire est également démontré.

Abstract

We have used fountain pen microlithography to deposit arrays of molecularly imprinted polymer microdots on flat substrates. We visualize analyte binding to the dots by fluorescence microscopy with the aid of fluorescein as a model analyte. Elution and readsorption of the analyte to the MIP dots were possible if the porosity of the dots was improved by a sacrificial polymeric porogen. The imprinting effect was confirmed by using compounds structurally related to fluorescein. In addition, we show with another MIP specific to 2,4-D that, apart from the direct measurement of the binding of fluorescent compounds, a competitive immunoassay-type format can also be used to transduce the binding. We believe that this technique has a strong potential for the fabrication of biomimetic microchips and other types of integrated biosensors.

Résumé

Les techniques de structuration et de fonctionnalisation de surfaces aux échelles micro- et nanométriques connaissent un intérêt croissant lié aux possibilités qu'elles offrent pour l'étude des phénomènes fondamentaux à faible échelles et aux avancées technologiques qu'elles permettent dans les domaines de l'électronique, de la photonique et de la bio-ingénierie. Parmi les nombreuses techniques qui ont été développées durant les dernières décennies, les méthodes reposant sur l'utilisation de microleviers pour le dépôt de faibles volumes de liquide offrent, entre autre, l'avantage d'être directes et parallélisées, et sont particulièrement adaptées aux applications biologiques. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur la conception et la réalisation d'un système de dépôt de gouttes micrométriques à l'aide de matrices de leviers en silicium. L'originalité de ce système, nommé Bioplume, repose sur l'intégration de capteurs de forces et sur l'utilisation de méthodes de dépôt assistées par champ ou par auto-assemblage pour contrôler in-situ la taille, l'uniformité et la composition des motifs réalisés. Le système fonctionne en boucle fermée afin d'automatiser la fabrication de micromatrices de spots tout en garantissant la correction des erreurs d'alignement et le contrôle de la force exercée et du temps de dépôt. Après avoir validé le chargement assisté par électromouillage et le dépôt de solutions biologiques, nous utilisons les phénomènes d'auto-organisation afin de créer directement, à partir de solutions de nanoparticules, des microspots cristallins. Enfin, à l'aide d'électrodes incorporées aux leviers, des réactions électrochimiques sont induites dans les volumes de liquides déposés (de l'ordre du picolitre), permettant l'électrodéposition de cuivre et l'éléctropolymérisation de pyrroles. Les nombreuses fonctionnalités apportées à ce système pendant cette thèse permettent d'étendre ses capacités, faisant de Bioplume une solution fiable et complémentaire aux techniques de jet d'encre et de dip-pen en terme de taille de motifs.

Abstract

The interest in patterning surfaces with micro- and nanometer resolutions has been growing fast in recent years, illustrating the tremendous potential of patterning techniques for both fundamental investigations and technological applications in photonics, molecular electronics, and biosensors. Among the various patterning methods, liquid dispensing techniques relying on the use of microcantilevers are very promising for several reasons. The first one is that they permit a direct patterning of the surface with different kinds of materials without any need for prefabricated patterns. Secondly, alignment of the cantilevers with respect to specific regions on the surface is straightforward since the cantilevers themselves can be used as displacement sensors. Moreover, parallel approaches can be developed to meet specific requirements in terms of throughput and fabrication costs. In this thesis we present a liquid spotter (so-called Bioplume) based on the use of silicon microcantilevers. Droplets are formed on the surface by a direct contact method. The fabricated cantilever array is integrated to a closed-loop automated system allowing the control of the droplet homogeneity and the spatial positioning of the microarray. The system relies on the use of force sensors, i.e. piezoresistors, integrated into the cantilevers to adjust the trim and to control the deposition parameters, i.e. contact force and time. By using a specific external loading chip, different liquids can be loaded onto the cantilevers, enabling the parallel deposition of several entities in a single deposition run. Besides, an electrode is incorporated in the channel to allow using electrowetting and electrochemistry. The former is used to actively load the cantilever and to control the drop size during delivery, while the latter is used to drive electrochemical reactions in the deposited picoliter droplets. This tool has been used to print biological solutions, to electrodeposit copper, to electropolymerize functionalized pyrrole and to directly create crystalline microspots of nanobeads. The control of the printed features (resolution, thickness, and composition), the versatility of the printed materials and the added electro-assisted features demonstrate the tremendous potential of the Bioplume tool for research work and industrial applications.

Mots-Clés / Keywords

Microleviers; Structuration de surface; Microgouttes; Electrodéposition; Auto-assemblage; Piézorésistances ultra-minces; Silicon microcantilevers; Surface patterning; Picoliter droplets; Electrodeposition; Self-assembly; Piezoresistors;