Summary:

Depuis leur apparition, les MEMS ont joué un rôle prépondérant dans l’avancement des dispositifs électromécaniques. Parmi ces concepts technologiques, Les µ-poutres prennent une place considérable dans des applications couvrant divers domaines. Elles sont considérées, selon le contexte, comme des capteurs clés vu leurs sensibilités en effet de charges, raison qui justifie nos critères de choix. L’intégration des µ-poutres vibratoires dans un µ-système global d’acquisitions et d’analyses visant un concept ‘lab-on-a-chip’ a fait l’objectif principal de ce travail. Il s’appuie principalement sur une collaboration initiée en 2012 avec le département de l’oncologie de l’université de Gotebörg (Suède). Le but est d’aboutir à une technique complémentaire et ‘Soft’ de dépistage précoce d’un état potentiellement cancéreux touchant le sein comme organe principal. Sur la base de cette approche nous avons concentré nos efforts sur l’affinement d’un concept micrométrique basé sur l’analyse des variations des caractéristiques dynamiques et vibratoires des µ-poutres considérées comme des capteurs par effet de charges. En premier temps, l’étude analytique consolidée et validée par une approche numérique nous a permis de valider ensuite nos choix conceptuels expérimentaux. Cela, nous a conduit à une technique de mise en résonance des poutres par l’intégration d’une source électromécanique (PZT) dans la structure globale assurant un couplage optimal conduisant ainsi à une continuité dans le déplacement dynamique et une amplification vibratoire maîtrisée. Sur le plan technologique, les micro-poutres d’une dimension de 800 μm x 140 μm x 40 μm ont été réalisées par une gravure laser (femto) tout en tenant compte des caractéristiques physico-chimiques et dimensionnelles optimales qui ont rendu possible l’évaluation des grandeurs recherchées à la fois sur la dynamique vibratoire des capteurs ainsi que leurs comportements dans le fluide d’analyse. Cette approche nous a permis d’établir une relation de dépendance entre les réponses vibratoires des µ-poutres, d’un côté évaluer la nature intrinsèque du fluide sous investigation et d’un autre côté quantifier l’effet de charge d’une masse ajoutée sur la surface.

Abstract:

Since their first appearance, MEMS have played a major role in the development of electromechanical devices. Among these technological concepts, µ-beams play a considerable role in applications covering various fields. Depending on the context, they are considered to be key sensors because of their sensitivity to load effects, which justifies our selection criteria. The integration of vibratory µ-beams into a global µ-acquisition and analysis system based on a ‘lab-on-a-chip’ concept was the main objective of this work. It is based primarily on a collaboration initiated in 2012 with the Department of Oncology at the University of Gotebörg (Sweden). The aim is to develop a complementary and ‘soft’ technique for the early detection of a potentially cancerous condition affecting the breast as the main organ. Based on this approach, we have concentrated our efforts on refining a micrometric concept based on the analysis of variations in the dynamic and vibratory characteristics of µ-beams considered as load effect sensors. Firstly, the analytical study, consolidated and validated by a numerical approach, enabled us to validate our experimental conceptual choices. This led us to a technique for setting the beams in resonance by integrating an electromechanical source (PZT) into the overall structure to ensure optimum coupling, leading to continuity in the dynamic displacement and controlled vibration amplification. Technologically, the micro-beams, measuring 800 μm x 140 μm x 40 μm, were produced by laser engraving (femto), taking into account the optimum physico-chemical and dimensional characteristics that made it possible to assess the quantities sought both in terms of the vibratory dynamics of the sensors and their behaviour in the analysis fluid. This approach enabled us to establish a dependency relationship between the vibratory responses of the µ-beams, on the one hand to assess the intrinsic nature of the fluid under investigation and on the other hand to quantify the loading effect of an added mass on the surface.