Design, fabrication, characterization of resonant silicon micromembranes, with integrated piezoelectric and piezoresistive detection applied to the detection of biological agents simulating threat

The threat of a massive and lethal biological attack aiming at armies or civilians has compelled military research institutions to invest massively in planning the response to such an attack. The response to a biological attack is contingent to abilities of perception and identification of this attack. Therefore, the need of low-cost, reliable, easily transportable, biological detection solutions is crucial. In this manuscript, we study the cases of biosensors based on silicon resonant micro-membranes, fabricated by standards micro-fabrication techniques. We first emphasize the advantages of these types of sensors to fill the requirements of the studied problematic. Then, according to initial objectives expressed in term of mass resolution and sensitivity, we report the theoretical study enabling the sizing and design of micro-membranes in order to satisfy these requirements. The global detection principle is dynamic micro-gravimetry. The vibration of membranes is provided through the action of a piezoelectric patch deposited on top of the membranes, the vibration detection is operated by piezoresistances located at micro-membranes' clamping. We report the micro-systems fabrication, their packaging and the fabrication of associated detection electronics. Finally, the electrical, electro-mechanical and biological characterization enables the focus on main results obtained during this work with respect to state of the art. First point lies in the demonstration of a physical co-integration of piezoelectric and piezoresistive phenomena inside a same resonating microstructure for biosensing applications. On a second hand the ability to track in real time the resonant frequency of several multiplexed micro-membranes vibrating in a liquid media provided to piezoresistive detection of vibration is reported. At last, results obtained for detection of biological warfare agents' surrogates are presented.; La menace d'une attaque bactériologique massive et létale visant les armées ou les populations civiles ont obligé les institutions de recherche militaire à investir massivement dans la préparation à une telle éventualité. La réponse à donner à une attaque bactériologique est conditionnée par les capacités de perception et d'indentification de cette attaque. Ainsi, le besoin en solution de détection et de reconnaissance biologique fiables, peu chères, facilement manipulables est crucial. Nous abordons dans ces travaux de thèse le cas de biocapteurs basés sur des micromembranes résonantes en silicium, assemblées par des technologies de microfabrication classiques. Nous montrons tout d'abord les avantages comparés de ce type de capteur pour répondre à la problématique donnée. Puis, nous rapportons l'étude théorique permettant le dimensionnement des micromembranes en fonction d'objectifs initialement formulés en termes de sensibilité et de limite de détection. La mise en vibration des membranes est assurée par l'action d'une pastille piézoélectrique déposée sur sa surface, la détection du mouvement est effectuée par une jauge piézorésistive positionnée à l'encastrement de la membrane. Nous abordons par la suite, la fabrication du microsystème, son conditionnement ainsi que la fabrication de l'électronique de détection associée. Enfin la caractérisation électrique, mécano-électrique puis biologique des membranes nous permet de mettre en relief les principaux résultats obtenus par rapport à l'état de l'art. Le premier point réside dans la démonstration de la co-intégration physique des phénomènes piézoélectrique et piézorésistif au sein d'une même structure résonante. Est démontrée ensuite la capacité à suivre en temps réel la fréquence de résonance des membranes par détection piézorésistive, lorsque celles-ci sont immergées dans un milieu biologique aqueux. Pour terminer, les résultats biologiques quant à la détection d'agents simulant la menace biologique sont présentés