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DISPOSITIF DE DEPOT LOCALISE ET CONTROLE ACTIVEMENT D'AU
MOINS UNE SOLUTION BIOLOGIQUE.
La présente invention a pour objet un dispositif de dépôt
localisé et contrôlé activement d'au moins une solution biologique sous forme
de micro-gouttes.
Dans l'industrie pharmaceutique, les investissements liés à la
recherche pour le développement de nouveaux médicaments occupent une
place considérable dans le budget des entreprises.
De nouvelles méthodes d'analyse sont nécessaires pour
1o réduire le coût de ces recherches.
L'arrivée des micro-puces dans le biomédical a révolutionné
les domaines du développement de médicament et de la bio-analyse.
Les avantages de ces micro-puces sont les suivants :
- elles permettent de développer de nouvelles méthodes plus
sensibles de détection,
- elles nécessitent des volumes plus faibles de réactifs d'où
un moindre coût,
- elles permettent aux processus analytiques d'être plus
rapides compte tenu de leurs faibles dimensions,
- elles permettent de procéder à des études de criblage ou de
diagnostic du fait du grand nombre de solutions différentes présentes sur une
même surface.
Cependant, les outils qui sont actuellement opérationnels
pour distribuer de faibles volumes de matière biologique en solution,
permettent de déposer sur des lames de verre ou sur des membranes des
gouttes de l'ordre de la centaine de microns de diamètre (ce qui correspond à
un volume de goutte de l'ordre du nanolitre). Ces systèmes reposent :
- soit dans un premier cas sur un dispositif actif piézo-
électrique réalisant l'aspiration et l'éjection des produits en solution
(système
3o de dépôt sans contact) ;
- soit dans un deuxième cas sur un mécanisme passif
constitué d'aiguilles fendues, en métal (acier inoxydable, tungstène...),
l'aspiration du liquide se faisant dans ce deuxième cas par capillarité, et
son
dépôt étant obtenu par contact de l'extrémité de l'aiguille sur une lame de
verre (système de dépôt par contact). Signalons également le système pin
and ring (aiguille et anneau) dont le principe de fonctionnement est
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comparable à celui utilisé avec le mécanisme constitué d'aiguilles fendues,
l'anneau faisant office de réservoir de liquide dans ce cas.
On connaît d'autres techniques de dépôt qui ont fait l'objet
d'études en laboratoire et qui permettent d'atteindre des volumes inférieurs à
ceux obtenus avec des outils opérationnels mentionnés ci-dessus.
Une de ces techniques est la lithographie à la plume ("Dip-
pen lithography") qui est une technique dérivée de la microscopie à force
atomique et qui permet de former des motifs sur une surface en utilisant un
effet de diffusion par transport moléculaire au niveau du ménisque d'eau qui
io se forme entre la pointe d'un microscope à force atomique et la surface sur
laquelle est effectué le dépôt. Le principe de fonctionnement repose sur la
différence des propriétés d'hydrophilie ou de mouillabilité de la pointe et de
la
surface. La surface doit être en effet plus hydrophile que la pointe pour
générer une diffusion moléculaire de la pointe vers la surface. La résolution
obtenue peut être inférieure au micron et il est également possible
d'envisager le dépôt de molécules biologiques différentes mais cela suppose
d'effectuer un changement de la pointe (qui aura été au préalable immergée
dans la solution à déposer) pour chaque solution. Cette technique de dépôt
est donc extrêmement coûteuse en temps si on désire effectuer plusieurs
dizaines de dépôts différents. D'autre part, le changement de la pointe du
microscope ne permet pas de conserver la précision d'alignement entre deux
changements. Enfin, cette approche ne peut être mise en oeuvre que dans
des conditions d'humidité élevée pour qu'il y ait formation du ménisque d'eau.
Cette technique est décrite en particulier dans les articles
suivants :
Dip-pen Nanolithography R. D. Piner, J. Zhu, F. Xu, S.
Hong, C. A. Mirkin, Science, vol. 283, Pages 661 - 663, 29 Janvier 1999.
"Multiple Ink Nanolithography : toward a Multiple-Pen Nano-
Plotter", S. Hong, J. Zhu, C. A. Mirkin, Science, vol. 286, Pages 523 - 525,
15 Octobre 1999.
Surface organization and nanopatterning of collagen by dip-
pen nanolithographie , Wilson, D L. ; Martin, R; Hong, S; Cronin-Golomb, M;
Mirkin, C A; Kaplan, D L, Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America, Volume 98, Issue 24, 20 Novembre, 2001,
Pages 13660 - 13664.
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"Dip-Pen nanolithography on semiconductor surfaces",
Ivanisevic, A; Mirkin, C A. Journal of the American Chemical Society, Volume
123, Issue 32, 15 Août, 2001, Pages 7887 - 7889.
D'autres microsystèmes ont été également proposés pour
effectuer des dépôts pour la fabrication de biopuces. Il s'agit en général de
structures microfluidiques, par exemple celui qui est décrit dans l'article
suivant :
Micromachined needle arrays for drug delivery or fluid
extraction , IEEE Engineering in Medecine and Biology Magazine : the
1o Quarterly Magazine of the Engineering in Medicine & Biology Society, Volume
18, Issue 6, Novembre - Decembre 1999, Pages 53 - 58 Brazzle, J;
Papautsky, I; Frazier, A B.
Il s'agit de structures en silicium micro-usinées présentant des
canaux microfabriqués, et leur utilisation est en tout point comparable à
celle
d'un système à jet d'encre. Ces structures fermées , en forme de tube,
sont très difficiles à nettoyer, ce qui constitue un obstacle à l'utilisation
d'un
même dispositif pour déposer des gouttelettes de liquides différentes.
La demande de brevet internationale WO 02/00348 illustre un
système de dépôt qui permet de déposer des microgouttes d'un volume
compris entre 10 picolitres et 200 nanolitres. Un tel système est constitué
par
au moins un levier en silice ou en quartz équipé d'un canal capillaire et d'un
réservoir. Le chargement et le dépôt du liquide se font de manière purement
passive, par effet de la capillarité et de la différence de mouillabilité
entre le
dispositif et la surface de dépôt.
Des micropipettes permettant un dépôt sans contact, par effet
de champ sont décrites en particulier dans les documents suivants :
Electrospray deposition as a method for mass fabrication of
mono and multicomponent microarrays of biological and biologically active
substances , Morozov, V N ; Morozova T. Ya., Analytical Chemistry, Volume
71, Issue 15, 1 Août, 1999, Pages 3110 - 3117.
"Atomic force microscopy of structures produced by
electrospraying polymer solutions", Victor N. Morozov, Tamara Ya Morozova
and Neville R. Kallenbach, International Journal of Mass Spectrometry,
Volume 178, Issue 3, 9 Novembre 1998, Pages 143 - 159.
Ces dispositifs exploitent l'effet d'électronébulisation
( electrospray ) pour effectuer un dépôt contrôlé par un champ électrique
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réglable de très petites quantités de molécules organiques. Cependant,
l'électronébulisation consiste à appliquer un champ électrique suffisamment
élevé pour ioniser et atomiser le liquide à déposer. Les gouttelettes ainsi
produites ont des dimensions sub-micrométriques et s'évaporent avant
d'attendre la surface de dépôt ; de cette façon, des films fins sont produits.
Il
s'agit donc d'un problème différent de celui visé par la présente invention,
c'est à dire le dépôt de gouttelettes d'un volume de l'ordre du picolitre ou
du
femtolitre. De plus, les dispositifs pour électronébulisation sont constitués
de
micropipettes contenant un électrode en forme d'aiguille, ils ne peuvent donc
1o pas être lavés efficacement et doivent être remplacé à chaque fois qu'on
change de liquide.
Des travaux concernant le mouillage de surface sous l'effet
d'un champ électrique et le déplacement d'un liquide par contrôle actif de la
mouillabilité d'une surface ont été publiés dans les articles suivants :
Electrowetting and electrowetting-on-dielectric for
microscale liquid handling , J. Lee, H. Moon, J. Fowler, T. Schoellhammer,
C.J. Kim, Sensors and Actuators, A 95, Pages 259 - 268, 2002.
"Dielectrophoretic liquid actuation and nanodroplet formation",
T.B. Jones, M. Gunji, M. Washizu, M. J. Feldman, Journal of Applied Physics,
Vol 89, N 2, Pages 1441 - 1448, 2001.
Ces articles décrivent les principes physiques de
l'électromouillage et de la diélectrophorèse, ainsi que leur application à la
manipulation de gouttelettes de liquides tels que l'eau. Bien que ces effets
soient connus depuis plusieurs décennies, ils n'ont jamais été appliqués au
dépôt de gouttelettes de liquides.
En conclusion, aucun système de dépôt n'a encore été
proposé qui permette de déposer de manière précise (par rapport à une
référence) et contrôlée activement des microgouttes de diamètre inférieur à
10 microns, c'est à dire de volume inférieur au picolitre (pl).
A fortiori, aucun système de dépôt connu ne permet de
déposer de manière précise et contrôlée activement de telles gouttes sur des
microstructures de type pont, poutre ou membrane.
La présente invention permet d'atteindre ces objectifs par
l'utilisation, comme système de dépôt, d'une ou plusieurs micro-leviers en
silicium comportant au moins un électrode permettant de manipuler le liquide
à déposer par des effets électrostatiques.
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Un objet de l'invention est un dispositif de dépôt permettant
un dépôt localisé précis et contrôlée activement de microgouttes, en
particulier de diamètre inférieur à 10 microns, et plus particulièrement de
diamètre de l'ordre d'1 micron.
5 Un autre objet de l'invention est un dispositif de dépôt
permettant un dépôt localisé précis et contrôlée activement de microgouttes
sur des microstructures telles que des ponts, des poutres ou des membranes.
Un autre objet de l'invention est un dispositif de dépôt
permettant de déposer des molécules biologiques différentes.
Un autre objet de l'invention est un dispositif de dépôt
permettant de déposer des microgouttes sans contact avec la structure ou la
microstructure sur laquelle s'effectue le dépôt.
Un autre objet de l'invention est un dispositif de dépôt
permettant de déposer des microgouttes par contact avec une structure ou
une microstructure, dans des conditions qui conservent l'intégrité de la
structure ou de la microstructure.
Au moins un des objectifs précités est atteint à l'aide d'un
dispositif de dépôt de solutions biologiques comportant au moins un levier
plan en silicium présentant un corps central et une région d'extrémité formant
une pointe dans laquelle est ménagée une fente ou une rainure, caractérisé
en ce qu'il présente au moins une piste métallique ménagée sur une face du
corps central et longeant au moins partiellement une dite fente ou rainure.
Ladite fente ou la rainure s'étend avantageusement depuis
ladite pointe jusqu'à un réservoir ménagé dans le corps central.
Avantageusement, ladite ou lesdites pistes métalliques
longent au moins partiellement ledit réservoir.
Selon un mode de réalisation du dispositif, le réservoir est
une cavité non débouchante ménagée à partir d'une face principale du corps
central.
Selon un autre mode de réalisation, le réservoir est constitué
par une ouverture débouchante ménagée entre deux faces principales
opposées du corps central.
Une dite fente ou rainure et/ou un dit réservoir et/ou une dite
piste métallique est éventuellement revêtu de Si02.
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Le levier présente avantageusement au moins une région
hydrophobe en silicium ou bien en oxyde de silicium revêtu de silane
hydrophobe.
Avantageusement, le dispositif présente au moins une
piézorésistance implantée.
Avantageusement le, ou chaque, levier présente au moins un
actionneur intégré permettant de contrôler sa flexion.
Selon un mode préféré de réalisation, ledit actionneur
comporte une couche piézoélectrique déposée sur une surface dudit levier.
io Selon un autre mode préféré de réalisation, ledit actionneur
comporte une bilame métallique et une résistance de chauffage déposée sur
une surface dudit levier.
L'invention concerne également un procédé de fabrication du
dispositif tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre :
a) au moins un dépôt d'oxyde de silicium sur une face avant
d'un substrat silicium sur isolant présentant une couche isolante enterrée,
b) la réalisation pour chaque levier d'au moins une piste
métallique.
c) au moins une attaque chimique ou gravure ionique par la
face avant du substrat silicium pour définir le contour des leviers, et au
moins
une fente ou rainure, le contour des leviers étant défini par attaque chimique
ou gravure ionique jusqu'à la couche isolante enterrée,
d) une attaque chimique ou gravure ionique par la face arrière
du substrat pour enlever y compris la couche isolante enterrée et libérer au
moins un levier.
Le procédé peut être caractérisé en ce que b comporte
également :
b1) un deuxième dépôt d'oxyde sur la face avant pour isoler
au moins une piste métallique.
Le procédé peut être caractérisé en ce que c comporte une
attaque chimique ou gravure ionique jusqu'à la couche isolante enterrée pour
définir, outre le contour des leviers, une fente et/ou une ouverture
débouchante constituant un réservoir pour au moins un levier.
Le procédé peut être caractérisé en ce que c comporte une
première attaque chimique ou gravure ionique du substrat qui est arrêtée
avant la couche isolante enterrée pour définir au moins une rainure et/ou une
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cavité non débouchante formant un réservoir, pour au moins un levier et une
deuxième attaque chimique ou gravure ionique du substrat, jusqu'à la couche
isolante enterrée pour définir au moins le contour des leviers.
La première attaque chimique ou gravure ionique peut être
effectuée de telle sorte que le contour des leviers soit défini sur une partie
de
leur épaisseur.
Avantageusement, avant a, il est prévu une étape
d'implantation d'au moins une piézorésistance.
Avantageusement, le procédé comporte également une étape
io de dépôt d'un actionneur intégré.
Selon un mode préféré de réalisation, ladite étape de dépôt
d'un actionneur intégré comporte le dépôt par pulvérisation cathodique d'un
film piézoélectrique de PbZrO3/PbTiO3.
Ledit film piézoélectrique est avantageusement isolé du
liquide par une couche en un matériau choisi entre : oxyde de silicium, PTFE
dit Téflon , un polymère.
Selon un autre mode préféré de réalisation, ladite étape de
dépôt d'un actionneur intégré comporte le dépôt chimique à basse pression
(LPCVD) d'une couche de Si3N4 suivie par un dépôt par évaporation d'une
couche de Cr et d'une couche de Au pour réaliser une résistance de
chauffage, formant ainsi une bilame métallique.
L'invention concerne également un procédé de prélèvement
d'au moins une solution biologique utilisant un dispositif tel que défini ci-
dessus, caractérisé en ce que le prélèvement et la rétention de ladite
solution
biologique sont assistés par effet de champ électrique en appliquant une
différence de potentiel entre les dites pistes métalliques.
Dans le cas où un dispositif comportant une piézorésistance
est utilisé, avantageusement une mesure de la variation de la résistance
électrique de ladite piézorésistance est effectuée après le prélèvement pour
3o déterminer la quantité de solution biologique prélevée.
L'invention concerne également un procédé de dépôt d'au
moins une solution biologique utilisant un dispositif tel que défini ci-
dessus,
caractérisé en ce que le dépôt de ladite solution biologique est assisté par
effet de champ électrique en appliquant une différence de potentiel entre
3s lesdites pistes métalliques, qui sont maintenues au même potentiel, et une
surface de dépôt comportant au moins une couche conductrice.
* (marque de commerce)
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Dans le cas où un dispositif comportant une piézorésistance
est utilisé, avantageusement une mesure de la variation de la résistance
électrique de ladite piézorésistance est effectuée après le dépôt pour
déterminer la quantité de solution biologique déposée.
L'invention concerne également un procédé de dépôt d'au
moins une solution biologique utilisant une rangée de dispositifs tels que
définis ci-dessus, comportant chacun une piézorésistance et un actionneur
intégré, caractérisé en ce que la force de contact de chaque levier avec la
surface de dépôt est déterminée par une mesure de la variation de la
io résistance électrique de chaque piézorésistance implantée et contrôlée
activement par chaque actionneur intégré.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
apparaîtront mieux à la lecture de la description ci-après en liaison avec les
dessins annexés dans lesquels :
- les figures 1A et 113, 2A et 2B, 3A et 3B, et 4A et 4B
illustrent des variantes de levier selon l'invention,
- la figure 5 illustre une vue en coupe VI-VI d'une variante de
levier présentant une piézorésistance intégrée ;
- les figures 6A et 6B illustre une vue en coupe VI-VI de deux
autres variantes de levier présentant un actionneur intégré ;
- les figures 7A et 7B illustrent un dispositif constitué par un
ensemble de leviers identiques formant une rangée.
- les figures 8A à 8J illustrent un procédé de fabrication de
leviers selon l'invention.
- et les figures 9A-9D illustrent les différents procédés de
chargement et de dépôt d'un liquide.
Comme on peut voir sur les figures 1A-4B les leviers sont de
préférence de forme rectangulaire (corps central 1) terminée par une
extrémité triangulaire 2 formant une pointe 3. Une rainure 4 ou une fente 5 au
centre des leviers, débouchant à la pointe 3, forme un canal pour le liquide.
Un réservoir 6 ou 7 de forme rectangulaire peut être inséré en terminaison
supérieure du canal 4 ou 5. Deux pistes métalliques 8 et 9 longent le canal 4
ou 5 et/ou le réservoir 6 ou 7.
Les dimensions géométriques des leviers peuvent être les
suivantes :
Longueur du levier : 1 à 2 mm
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Largeur : 100 p à 300 p, par exemple 210 pm
Epaisseur : 1 à 20 pm (selon l'épaisseur du
substrat SOI de départ)
Intervalle entre leviers : 450 pm (par exemple)
Longueur du canal
200 à 400 p et par exemple 250 pm (lorsqu'un réservoir est dessiné)
200 à 1000 p, et par exemple 550 pm (sans réservoir)
Largeur du canal :2 à 20 pm, par exemple 5 pm
Longueur du réservoir : 200 à 600 pm, et par exemple
l0 250 pm
Largeur du réservoir : 50 à 150 pm, et par exemple 80 pm
Largeur des pistes conductrices : 1 à 40 pm, et par exemple
20 pm.
Le canal peut être une rainure 4 ménagée sur une partie de
l'épaisseur du levier partir d'une surface 11 ou une fente traversante 5 qui
s'étend entre les faces 11 et 12. Le canal peut communiquer avec un
réservoir non débouchant constitué par une cavité 6 ménagée à partir d'une
face principale 11 du corps central 1 du levier, ou bien avec un réservoir
débouchant 7 constitué par une ouverture 7 ménagée entre les faces
principales 11 et 12 du corps central 1.
Les figures 1A et 1 B illustrent le cas d'une fente 5, les figures
2A et 2B, d'une fente 5 et d'un réservoir débouchant 7, les figures 3A et 3B
illustrent le cas d'une rainure 4 et d'un réservoir non débouchant 6, et enfin
les figures 4A et 4B illustrent le cas d'une fente 5 et d'un réservoir non
débouchant 6. Le cas (non illustré) d'un levier présentant une rainure 4 et un
réservoir débouchant 6 peut également être mis en oeuvre.
Les pistes métalliques 8 et/ou 9 longent le réservoir 6 ou 7
(figures 2A, 2B, 3A, 3B, 4A et 4B) et/ou la rainure 4 (figures 3A, 3B) et/ou
la
fente 5 (figures 1A, 1 B, 2A, 2B, 3A et 3B). En variante non représentée, une
seule piste métallique 8 ou 9 peut être présente.
Sur la face arrière des leviers peut être intégré un actionneur,
constitué par une couche piézoélectrique 38 (figure 6A) ou une bilame
métallique comportant une couche de Si3N4 33, une couche de Chrome 35 et
une couche d'Or 37 (figure 6B).
Sur la face arrière des leviers peut également être intégré une
piézorésistance 31 (figure 5).
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Aussi bien la piézorésistance 31 que l'actionneur 33-35-37 ou
38 sont isolés du liquide par une couche de passivation 32.
Le dispositif selon l'invention permet en particulier :
a) Une réduction des volumes déposés : les dépôts réalisés
5 avec le présent système ont par exemple un diamètre de l'ordre de 10
microns (picolitre), cette caractéristique étant de plus paramétrable;
l'obtention de microgouttes de l'ordre d'1 pm de diamètre (femtolitre) est
envisageable et rend le dispositif compatible avec les approches de type
nanotechnologie qui voient le jour actuellement (dépôt de gouttes sur des
lo nanocapteurs notamment) ; et
b) la possibilité de contrôler activement le chargement et le
dépôt du liquide via les pistes métalliques 8 et/ou 9, utilisées comme
électrodes pour exploiter les effets d'électromouillage, de diélectrophorèse
et
d'électronébulisation ; et/ou
c) la possibilité de déposer une grande variété de matériels
biologiques organiques (ADN, protéines, cellules...) ou inorganiques
(polymères, résines photosensibles...) et/ou
d) L'utilisation possible de volumes très faibles donc la
réalisation de nombreux points avec le seul chargement de levier (plus d'une
centaine de gouttes de 20 microns de diamètre réalisées en un chargement) ;
et/ou
e) La mise en oeuvre de dépôts avec ou sans contact sans
modification majeure du système (par exemple sans contact pour de l'ADN,
des protéines ou des cellules, ou avec contact pour de l'ADN ou des
cellules) ; et/ou
f) la possibilité d'intégrer une piézorésistance servant de
jauge de contrainte au niveau des microleviers ce qui permet un contrôle actif
de la force et du temps de contact, ainsi que de l'alignement d'une rangée de
leviers par rapport à la surface de dépôt lors de la phase de dépôt par
contact ; et/ou
g) la possibilité, grâce audit contrôle actif de la force de
contact, d'effectuer des dépôts sur des microstructures, tels que des micro
poutres ou des micromembranes ; et/ou
h) la mesure de la quantité de liquide prélevée et déposée par
ladite piézorésistance, fonctionnant comme une balance très sensible ; et/ou
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i) La possibilité d'intégrer au levier un actionneur constitué par
une couche piézoélectrique ou une bilame métallique avec une résistance
chauffante ; et
I) Un coût fortement réduit, grâce à l'utilisation de
techniques de fabrication collective issues de la microélectronique. ; à titre
d'exemple, une aiguille en acier inoxydable du commerce coûte de 300 à 400
$, alors que les coûts de fabrication d'un microlevier en silicium selon
l'invention laissent augurer de prix très nettement inférieurs.
Le dépôt sur des microstructures, mentionné au point (g),
1o constitue un avantage important de l'invention, car des tels dispositifs
peuvent
être utilisés comme détecteurs intégrés de biomolécules. Voir, à ce propos,
l'article :
Translating Biomolecular Recognition into
Nanomechanics , J. Fritz, M. K. Baller, H. P. Lang, H. ROthuizen, P.
Vettiger,
E. Meyer, H.-J. Guentherodt, Ch. Gerber, J. K. Gimzewski, Science, Volume
288, Pages 316-318 (2000)
ainsi que la demande de brevet français FR 2 823 998.
Concernant l'actionneur mentionné au point (i), il permet de
mettre en contact avec la surface de dépôt une partie seulement des leviers
constituant une rangée comme celle illustrée par la figure 7A. La figure 7B
montre, par exemple, une rangée dans laquelle le premier levier est fléchi
vers la surface de dépôt par l'action dudit actionneur intégré, le deuxième
est
fléchi dans la direction opposée à ladite surface pour éviter le contact et le
troisième est laissé dans sa position de repos. Les flèches F1 et F2 indiquent
la direction du déplacement de la pointe induit par l'actionneur intégré dans
le
cas du premier et du deuxième levier respectivement. L'actionnement de
microleviers en silicium par des films piézoélectriques ou des bilames
métalliques est connu de l'art antérieur, mais il est appliqué pour la
première
fois à un système de dépôt de microgouttes d'un liquide. Pour plus de
précision, voir les articles
Piezoelectric properties of PZT films for microcantilevers ,
E. Cattan, T. Haccart, G. Vélu, D. Rémiens, C. Bergaud, L. Nicu, Sensors and
Actuators 74, Pages 60-64 (1999)
en ce qui concerne l'actionnement piézoélectrique et
Micromachined arrayed dip-pen nanolithography probes for
sub-100 nm direct chemistry patterning , D. Bullen, X. Wang, J. Zou, S.
CA 02485749 2004-11-12
WO 03/097238 PCT/FR03/01481
12
Hong, S.-W. Chung, K. Ryu, Z. Fan, C. Mirkin, C. Liu, IEEE The Sixteenth
International Conference On Micro Electro Mechanical Systems, 19-23
Janvier 2003, Kyoto, Japon, Pages 4-7
pour l'actionnement thermomécanique (bilame).
Le procédé de fabrication de leviers pour le dépôt repose sur
les techniques de fabrication collective de la microélectronique. Une série
d'étapes technologiques est réalisée sur un substrat de silicium sur isolant
(SOI : Silicon On Insulator).
La première partie du procédé comprend une succession
io d'élaborations de couches minces (figures 8A et 8C), et la deuxième partie
consiste en une suite de micro-usinages afin de définir les leviers.
La première étape (figure 8A) est un dépôt d'oxyde 22 de
silicium par LPCVD (dépôt chimique en phase vapeur à basse pression), sur
la face avant 21 d'un substrat 20 en silicium présentant une couche d'oxyde
enterrée 30. La couche d'oxyde 22 sert d'isolant entre le substrat et les
métallisations suivantes.
Lors de l'étape de la figure 8B, un sous-décapage ("lift-off")
permet de réaliser les pistes métalliques 25, à savoir une photolithographie
suivie d'un dépôt métallique 25 par évaporation puis d'un retrait de la résine
(qui a servi au masquage des régions métallisées) dans l'acétone et avec
application d'ultrasons, et enfin un recuit de la métallisation.
La dernière étape de la partie couches minces est un
deuxième dépôt localisé 26 d'oxyde de silicium (figure 8C) par LPCVD pour
isoler les métallisations du liquide lors de l'utilisation des leviers, suivi
d'une
photolithographie pour accéder aux plots de contacts des métallisations par
attaque chimique de l'oxyde de silicium.
Pour débuter le micro-usinage, une photolithographie face
avant dans la couche de silicium 27 permet de définir les contours des
leviers.
Une première gravure plasma (gravure ionique réactive ou RIE) est alors
3o réalisée pour l'oxyde de silicium puis une seconde gravure plasma est
réalisée pour le silicium monocristallin (figure 8D).
Enfin, une dernière photolithographie à partir de la face
arrière 28 de la plaquette, suivie d'une gravure ionique réactive profonde
(DRIE) de la couche de silicium 29 sont réalisées pour libérer les leviers
(figure 8E). La gravure plasma est stoppée par la couche d'arrêt 30 d'oxyde
de silicium du SOI. Une gravure ionique réactive de cet oxyde 30 est
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finalement réalisée - toujours par la face arrière - pour terminer de libérer
les
structures.
Lors de la gravure des profils des leviers, plusieurs
possibilités sont réalisables selon le profil désiré. Pour des leviers à canal
débouchant (fente 5 traversant toute l'épaisseur du levier) avec ou sans
réservoir, une seule étape suffit (comme représenté à la figure 8D) en
arrêtant
la gravure du silicium sur la couche d'oxyde du substrat sur oxyde SOI.
Cependant, pour la gravure de structures non débouchantes
(rainure 4 ou cavité 6), deux photolithographies suivies de gravures doivent
1o être réalisées consécutivement. La première, définissant le canal 4 et/ou
le
réservoir 6, doit être arrêtée avant d'arriver sur la couche d'oxyde
intermédiaire du substrat SOI. Il faut alors compléter cette étape par une
photolithographie et une gravure des seuls contours externes des leviers
jusqu'à la couche d'oxyde intermédiaire du substrat SOI.
L'implantation éventuelle d'au moins une piézorésistance,
disposée par exemple longitudinalement dans le corps 1 du levier, peut être
effectuée avant l'étape figure 8A. Un oxyde mince est tout d'abord réalisé
avant l'implantation de dopants dans le silicium. L'épaisseur de cet oxyde, la
dose et l'énergie du dopage doivent être choisis pour obtenir une sensibilité
maximale de la piézorésistance. Ensuite l'oxyde (figure 8A) est déposé puis
ouvert par attaque chimique au niveau des contacts de la piézorésistance et
un dépôt métallique est réalisé (figure 8B) par un décapage, qui prend en
compte les pistes servant d'électrodes et les pistes pour les
piézorésistances.
Le procédé de fabrication se poursuit ensuite comme précédemment.
Une ou plusieurs piézorésistances implantées sur au moins
certains des leviers permettent de disposer d'une ou plusieurs jauges de
contrainte dont la variation de résistance permet de détecter en particulier
le
contact du levier avec une surface. Ceci permet notamment d'assurer un
réglage de la coplanarité des leviers lors d'un dépôt collectif.
Eventuellement, une pellicule piézoélectrique 30, par exemple
constituée d'un mélange de PbZrO3 et PbTiO3 dans un rapport 54/46 peut
être déposée par pulvérisation cathodique ( sputtering ), comme décrit
dans :
PZT Polarization effects on off-centered PZT patch
actuating silicon membranes , M. Guirardel, C. Bergaud, E. Cattan, D.
Remiens, B. Belier, S. Petitgrand, A. Bosseboeuf, 16th European Conférence
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on Solid State Transducers (EUROSENSORS XVI), Prague (Rép. Tchèque),
15-18 Septembre 2002, Pages 697-700.
Le dépôt peut être effectué par exemple sur la face arrière du
levier, comme illustré par la figure 8F. Alternativement, il peut être
effectué
sur la couche d'oxyde 26 qui couvre les pistes métalliques 25 comme illustré
par la figure 8G. En tout cas, l'actionneur piézoélectrique doit être isolé du
liquide par une couche 32 d'oxyde ou de tout matériau permettant d'assurer
une isolation efficace : PTFE dit Téflon , polymère (PDMS, résine...). Voir
à ce propos les articles suivants :
Tapping mode atomic force microscopy in liquid with an
insulated piezoelectric microactuator B. Rogers, D. York, N ; Wishman, M.
Jones, K. Murray, D. Adams, T. Sulchek, S. C. Minne, Review of Scientific
Instruments 73, pages 3242-3244 (2002) et
High-speed atomic force microscopy in liquid , T. Sulchek,
R. Hsieh, S. C. Minne, C. F. Quate, D. M. Adderton, Review of Scientific
Instruments 71, pages 2097-2099 (2000).
Alternativement, l'actionneur peut être constitué par une
bilame métallique. Les figures 8H-8L montrent les différentes étapes de
réalisation d'un tel dispositif. Premièrement, une couche 33 de Si3N4 est
déposée par un procédé de dépôt chimique de vapeur à basse pression
(LPCVD) (figure 8H) ; ensuite une couche 35 de Chrome (figure 81) et une
couche 37 d'Or pour constituer la résistance chauffante (figure 8L), formant
ainsi une bilame, sont déposées par évaporation thermique. Une couche de
silicium polycristallin dopé peut être également utilisée comme résistance
chauffante. Suivent une étape de lithographie pour définir les contours de ces
éléments, le dépôt d'une couche d'oxyde isolant et réalisation des contacts
électriques de la résistance de chauffage.
Les pistes métalliques constituent le c ur de l'invention, car
elles permettent de contrôler la montée du liquide dans la fente ou rainure
lors du remplissage du dispositif, et sa descente lors du dépôt par effet de
champ.
Une première technique, dite diélectrophorèse et proposée
par Jones et collaborateurs (voir document cité ci-dessus), consiste à
utiliser
un champ électrique alternatif pour confiner un liquide polarisable (eau par
exemple) dans des zones de fort champ électrique (l'utilisation d'un champ
continu est possible, mais peut induire des effets gênants, tels que
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l'électrolyse du liquide ou l'endommagement de biomolécules). Ce champ
étant créé entre deux électrodes isolées et coplanaires, le liquide se
plaque littéralement sur les électrodes. Un effet tout à fait similaire,
mais
dont l'origine physique est différente, se produit pour des liquides
s conducteurs. Par ailleurs, il est important de considérer qu'un liquide peut
être
conducteur ou diélectrique en fonction de la fréquence du champ
électrique qui lui est appliqué. Si, dans l'intervalle de fréquences
considéré, le
liquide constitue un diélectrique, les électrodes peuvent ne pas être revêtus
d'isolant. Une autre technique, connue sous le nom d'électromouillage,
1o permet de modifier les propriétés de mouillabilité d'une surface (angle de
contact entre la surface et le liquide) par l'application d'une différence de
potentiel entre ladite surface et le liquide, et de contrôler ainsi les effets
de
capillarité. Si une différence de potentiel de quelques Volt à 10 V est
appliquée entre les électrodes et une surface conductrice, l'effet de champ
15 peut induire un dépôt sans contact. Une différence de potentiel plus élevée
(au delà du kV) peut induire électronébulisation.
Plusieurs traitements de surface peuvent être réalisées sur
les leviers pour les rendre hydrophiles ou hydrophobes afin d'optimiser le
comportement du liquide déposé sur la surface.
II est possible tout d'abord jouer sur les matériaux dérivés du
silicium connaissant leurs propriétés : l'oxyde de silicium est ainsi utilisé
comme composé hydrophile et le silicium monocristallin est utilisé comme
matériau hydrophobe.
Cependant, le silicium ayant tendance à s'oxyder
naturellement en surface (présence d'un oxyde natif), il peut être nécessaire
de réaliser un traitement chimique de surface. Un tel traitement consiste par
exemple en une accroche de silane hydrophobe, par exemple un silane ayant
un groupement méthyl ou fluoré comme terminaison, qui est déposé sur de
l'oxyde de silicium. Ce composé se dépose sur de l'oxyde de silicium sous
forme de monocouches auto-assemblées et a l'avantage d'être fortement
hydrophobe.
Inversement, les techniques de créations de charges
rémanentes dans l'oxyde par technique d'implantation ou d'irradiation (par
rayons X par exemple) sont envisageables pour augmenter les propriétés de
mouillabilité ou d'hydrophilie de la couche de passivation (couche d'oxyde
froid par exemple).
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Dans un mode préféré de réalisation de la présente invention,
la surface du dispositif est rendue fortement hydrophobe et le chargement du
liquide est effectué grâce aux effets de diélectrophorèse et
d'électromouillage
mentionnés ci-dessus. De cette façon, le nettoyage du dispositif est facilité
et
le dépôt de plusieurs liquides différents sans contamination est rendu
possible.
Un micro-robot trois axes (X, Y, Z) permet d'utiliser les
microleviers selon l'invention pour les phases de remplissage et de dépôt.
Il s'agit, pour la phase de chargement, de plonger les
1o microstructures dans un réservoir contenant la solution à déposer et de
remplir les micro-canaux par effet de champ, éventuellement assisté par la
capillarité.
Pour la phase de dépôt, le micro-robot permet de positionner
les microstructures très précisément par rapport à une surface destinée à
recevoir le dépôt. Le dépôt s'effectue alors par contact direct avec la
surface
ou par effet de champ sans contact. La technique de dépôt par électro-
nébulisation ( electrospray ) est également envisageable dans la mesure
où le champ appliqué est suffisamment important pour générer une
nébulisation et une atomisation des biomolécules.
Le robot est par exemple un robot trois axes X, Y, et Z
disponible dans le commerce, avec un pas de 50 nanomètres, largement
compatible avec un diamètre de dépôts à réaliser de l'ordre de 10 à 20
microns. Cette précision permet un contrôle fin du contact levier-surface de
dépôt, donnant ainsi une meilleure homogénéité volumique des spots
réalisés. Une amélioration ultérieure du contrôle de contact est obtenue par
l'utilisation d'un actionneur, par exemple piézoélectrique ou
thermomécanique, intégré dans la microstructure. De plus, dans le cas d'une
rangée de leviers, les actionneurs intégrés permettent de contrôler
individuellement le contact de chaque dispositif avec la surface.
Les piézorésistances intégrées permettent de réaliser un
asservissement du robot et desdits actionneurs.
Le déplacement selon chaque axe est assuré par un moteur
pas à pas. Chaque moteur, alimenté en courant alternatif, est associé à un
capteur de position linéaire permettant un asservissement de position en
boucle fermée.
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L'angle d'incidence, c'est-à-dire l'angle de contact entre le
levier et la surface sur laquelle est effectué le dépôt, a une influence
notable
su la taille des gouttes déposées. On obtient les résultats les plus
satisfaisants avec un angle proche de 600. Il est à noter que, pendant la
phase du contact, cet angle varie de 60 jusqu'à 45 pour une descente du
levier après contact de 50 microns (pour la valeur de la distance de descente
du levier après contact on adoptera pour la suite le terme de profondeur de
contact ). La force d'appui plus ou moins importante fait ainsi varier le
volume de liquide déposé.
L'angle est rendu variable grâce à une pièce mobile fixée sur
l'axe Z et en rotation par rapport à l'axe Y. Il est possible de contrôler cet
angle directement à partir de microcontrôleurs connectés au système de
pilotage.
Le dépôt peut être réalisé de la manière suivante, comme
illustré par les figures 9A-9D.
La première étape (figure 9A) consiste à remplir le canal et le
réservoir (lorsqu'il existe) usiné dans l'axe des leviers. Pour ce faire, le
logiciel
de contrôle permet de positionner les leviers au-dessus du réservoir
contenant le liquide à déposer et de les immerger dans ce liquide. Un champ
électrique est alors créé par application d'une tension entre les électrodes
usinées sur les leviers et le liquide ; les leviers sont ensuite déplacés à
l'extérieur du liquide et le robot les positionne au-dessus de l'emplacement
du
premier dépôt à réaliser.
Nous avons alors deux possibilités : soit le robot déplace les
leviers contre la surface et le dépôt est réalisé par contact (figure 9B) ;
soit le
robot positionne les leviers au-dessus de la surface (quelques microns) pour
réaliser cette fois un dépôt sans contact (figures 9C et 9D).
Dans le cas du dépôt par contact, le volume déposé dépend
de la profondeur, de l'angle et du temps de contact. L'effet de champ aussi
peut être exploité pour contrôler le volume du dépôt: une diminution du
champ électrique entre les pistes conductrices augmente la quantité de
liquide déposé, et vice versa. Si une rangée de leviers est utilisée, le dépôt
est contrôlé individuellement pour chaque levier grâce aux actionneurs
intégrés, qui agissent sur les caractéristiques du contact, et aux électrodes.
Dans le cas du dépôt sans contact, une différence de
potentiel de quelque volt à 10 V est appliquée entre les pistes métalliques et
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la surface de dépôt, qui doit être conductrice, ou comporter un revêtement
conducteur ; l'effet de champ (diélectrophorèse) ainsi induit aspire le
liquide.
Une différence de potentiel plus élevée (au delà du kV) peut induire
électronébulisation.
Ce processus est réitéré pour chaque ensemble de points de
dépôt, suivant une programmation établie par l'utilisateur et ceci tant que le
nombre de points pouvant être effectués sans recharge n'est pas atteint. Si le
cas se produit, le robot interrompt la tâche de dépôt et reprend celle du
chargement en liquide.
