Micro/nano/bio-systèmes, ondes et microfluidique

Lancée au milieu des années 90, la recherche sur les Micro et Nano Systèmes à l’IEMN connaît actuellement un essor important avec l’implication croissante de plusieurs groupes de recherche qui couvrent les aspects capteurs et actionneurs avec des applications dans la fluidique, la biologie, la thermique, les nanotechnologies tout en conservant une activité de recherche conceptuelle dans les matériaux et les modes d’actionnement.
Sous-tendue par des travaux de modélisations dont le but est de comprendre les phénomènes physiques mis en jeu, la présentation des activités de recherche de l’axe MNS conduites au cours des quatre dernières années peut être illustrée par les actions suivantes :

MNS vibrants pour la microscopie à force atomique

Un des enjeux majeurs des microsystèmes pour les années futures est de se placer à l’interface entre les nanotechnologies et le monde macroscopique. Le microsystème peut alors posséder lui-même des organes à l’échelle nanométrique, ou alors il est amené à produire et mesurer des déplacements ou des forces compatibles avec la manipulation et la caractérisation des nano-objets. Un résultat récent concerne la fabrication collective de nanopointes de silicium, dont le rayon de courbure à l’apex est de quelques dizaines de nanomètres et sur lesquelles le greffage de nanotubes de carbone a été obtenu avec un remarquable rendement de 60 %. Ces objets sont alors intégrés à des leviers vibrant pour des applications de microscopie en champ proche à très haute résolution latérale.

RF MEMS : résonateurs électro-mécaniques

Faisant suite à des travaux entrepris dès 1999, les résultats acquis récemment situent l’IEMN dans les laboratoires de références travaillant sur les résonateurs électro mécaniques destinés aux systèmes de communication. Au cours des dernières années, les objectifs d’application ont évolué du filtrage vers la référence temporelle, se traduisant en termes de fréquence par une réduction de la gamme de fréquence visée qui s’établit aujourd’hui à quelques dizaines de MHz contre le GHz il y a quatre ans. En collaboration avec STMicroelectronics ou NXP Semiconductors, les dispositifs fabriqués dans des filières industrielles ont permis d’explorer les approches « in-IC » et « above-IC ».

BioMEMS térahertz

L’objectif poursuivi est l’étude des changements de conformation des protéines au moyen d’une nouvelle instrumentation basée sur la spectroscopie THz. Un premier axe de recherche concerne l’établissement des signatures THz spécifiques de solutions protéiques. Un second axe vise la définition d’une microscopie THz basée sur la propagation filaire de type ligne de Goubau. Récemment, l’excellente propagation autour de fils de tailles nanométriques a été démontrée. Ces orientations technologiques permettent l’obtention de la bonne résolution spatio-temporelle nécessaire à l’examen cellulaire.

Microsources d’électronébullisation pour la protéomique

La spectrométrie de masse bénéficie de travaux menés sur les micro sources d’électronébullisation. En effet, si le gain en taille n’est pas de plusieurs ordres de grandeur, le rendement d’ionisation se trouve lui considérablement augmenté grâce à une conception brevetée de sources dont la fabrication est compatible avec une technologie « top-down ». Le capillaire en verre traditionnellement employé est remplacé par une micro fente capillaire en silicium permettant ainsi de réduire le champ électrique tout en augmentant le rapport signal sur bruit lors de l’analyse spectrométrique.

Microfluidique discrète

Les gouttes sont considérées comme des micro laboratoires mobiles. Ce point de vue permet la réalisation de prototypes pour l’analyse des protéines par spectrométrie de masse de type MALDI-SM mais aussi pour l’analyse du comportement d’une cellule unique sous stimuli pour laquelle les protéines exprimées sont des marqueurs potentiels. De plus les dispositifs développés se prêtent à l’étude de la communication intercellulaire dans des réseaux pré organisés.

Microsystèmes magnéto mécaniques

Les MMMS sont des microsystèmes basés sur des effets magnétiques et mécaniques couplés. La spécificité est de rechercher, ou d’induire volontairement, des instabilités magnétiques ou mécaniques dans les dispositifs, dans le but d’améliorer leurs performances ou de leur procurer de nouvelles fonctionnalités. L’activité porte notamment sur l’élaboration de films actifs magnétiques avec instabilités induites de type transitions de phase structurelles ou de réorientation de spin, ainsi que sur l’élaboration de microsystèmes originaux basés sur ces films ou utilisant des commandes électromagnétiques couplées à des instabilités mécaniques.

Microcapteurs thermiques

L’IEMN a mis au point et breveté un microcapteur de flux thermique entièrement réalisé en technologie silicium ce qui permet de le fabriquer en très grande série pour un prix très faible. La structure de ces capteurs peut être considérée comme une matrice de cellules comportant des discontinuités thermiques réalisées dans le wafer sous la forme de caissons de silicium poreux dont la conductivité thermique est au moins 100 fois inférieure à celle du silicium massif. En conséquence, pour chacune de ces zones, le flux de la chaleur incident est converti en gradient de température de surface puis en tension à l’aide d’une thermopile polysilicium dopé. A l’aide de cette technologie, plus de 200 cellules peuvent facilement être réalisées sur un microfluxmètre de 5×5 mm² , avec une sensibilité très élevée (typiquement 5 V/W) pour un capteur de cette surface .