Abdelghani Kherrat - Université de Rennes 1

N° d’ordre : 4505 ANNÉE 2012
THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1
sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne
pour le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1
Mention : (Electronique)
Ecole doctorale (MATISSE)
présentée par
Abdelghani Kherrat
préparée à l’unité de recherche IETR, UMR 6164
Département Microélectronique et Microcapteurs
UFR Informatique-Electronique
Réalisation de micro-
chambres
d'analyse chimique :
microcapteurs de pH
et microfluidique
associés
Thèse soutenue à Rennes
le 31 Mai 2012
devant le jury composé de :
Pierre TEMPLE-BOYER
Directeur de recherche CNRS / rapporteur
Dominique REBIERE
Professeur à l’université de Bordeaux / rapporteur
Marie-Caroline JULLIEN
Chargée de Recherche CNRS, ESPCI ParisTech /
examinatrice
Anne-Claire SALAÜN
Maitre de conférences HDR à l’université de
Rennes 1 / examinatrice
France LE BIHAN
Professeur à l’université de Rennes 1 / directrice de
thèse
Florence RAZAN
Maitre de conférences à l’ENS Cachan antenne
Bretagne / co-directrice de thèse

Remerciements
En premier lieu je souhaite remercier M. Daniel THOUROUDE ainsi que M. Eric POTTIER
qui lui a succédé de m’avoir accueilli au sein du laboratoire : Institut d’Electronique et de
Télécommunication de Rennes IETR ces années de thèse, et plus particulièrement M. Tayeb
MOHAMMED-BRAHIM de m’avoir accueilli au sein de son département Microélectronique
et Microcapteurs.
Je tiens aussi à remercier M. Martinus WERTS de m’avoir accueilli au sein de son équipe
BIOMIS du laboratoire SATIE à L’ENS Cachan antenne Bretagne.
Que mes remerciements les plus sincères soient adressés à madame France LE BIHAN
directrice de thèse et madame Florence RAZAN co-directrice de thèse de m’avoir guidé, suivi
et soutenu scientifiquement tout au long de ce travail.
Je remercie vivement M. Dominique REBIERE et M. Pierre TEMPLE-BOYER d’avoir
accepté d’examiner mes travaux de recherche et pour leurs conseils autant que rapporteurs.
Je remercie également Mme Marie-Caroline JULLIEN et Mme Anne-Claire SALAÜN
d’avoir accepté de faire partie de jury.
Je remercie également tout le personnel des deux laboratoires et en particulier Laurent
GRISCOM, Christophe LEBRETON, Nathalie COULON, Régis ROGEL pour leurs aide et
conseils ainsi qu’aux différents dépôts que m’ont faits.
Sans oublier Emmanuel JACQUES pour son aide et sa participation à une partie de ces
travaux ainsi que Maxime THOMAS.
Une pensée aux thésards qui m’ont précédé : Khaled BELARBI, Himi Deen TOURE, Fouad
DEMAMI, Isman SOULEIMAN, Bruno DA SILVA, Liang NI
Je tiens à remercier Khalid KANDOUSSI pour ses conseils et les bons moments qu’on a
passé durant cette aventure
Je souhaite bon courage pour les autres doctorants : Sabri JANFAOUI, Ismail BOUHADDA,
Gertrude GODEM WENGA, Peng ZHANG, Lamine SAMB, Hanpeng DONG …..
Bien entendu, je remercie également mes parents qui m’ont toujours soutenu pendant
les études, ainsi qu’à toute ma famille.
Ma dernière pensée va à la femme de ma vie, Nassima, qui a su me supporter et me soutenir et
à notre fils, Adam, à qui je dédie cette thèse de doctorat.
Abdelghani KHERRAT

Sommaire
1
S OMMAIRE
Introduction générale………………………………………………………………………….7
Chapitre 1 : Etat de l’art
I. Les capteurs chimiques et biologiques ................................................................................. 12
I.1 Les capteurs chimiques ................................................................................................... 12
I.1.1 Détection électrique ou électrochimique ................................................................. 13
I.1.2 Mesure du pH ........................................................................................................... 16
I.1.2.1 Définition du pH ............................................................................................... 16
I.1.2.2 Mesure du pH .................................................................................................... 17
I.1.2.3 Méthode avec électrode de verre ...................................................................... 17
I.1.3 Les ISFETs ............................................................................................................... 18
I.1.4 Les SGFETs et la mesure du pH .............................................................................. 22
I.2 Les capteurs biologiques ou les biocapteurs ................................................................... 24
I.2.1 Définitions ................................................................................................................ 24
I.2.2 Modes de détection .................................................................................................. 25
II. Intégration des capteurs avec un système microfluidique ................................................... 28
II.1 Intérêt de l’intégration avec un système microfluidique ............................................... 28
II.2 Introduction à la mécanique des fluides dans les microsystèmes .................................. 28
II.2.1 Notion de fluide ...................................................................................................... 28
II.2.2 Le mouillage ........................................................................................................... 29
II.2.2.1 Tension de surface ........................................................................................... 29
II.2.2.2 Capillarité ........................................................................................................ 30
II.2.3 La densité ................................................................................................................ 30
II.2.4 La viscosité ............................................................................................................. 30
II.2.4.1 La viscosité dynamique ................................................................................... 31
II.2.4.2 La viscosité cinématique ................................................................................. 31
II.2.5 Nombre de Reynolds .............................................................................................. 31
II.2.6 Equations de Navier-Stokes .................................................................................... 32
II.2.7 Hydrodynamique à l’échelle micrométrique .......................................................... 33
II.2.7.1 Écoulement laminaire ...................................................................................... 33
II.2.7.2 Écoulement turbulent ....................................................................................... 33
II.3 Définition des biopuces ................................................................................................. 34