SHERBROOKE

UNIVERSITÉ DE
SHERBROOKE
Faculté de génie
Département de génie électrique et de génie informatique
DÉVELOPPEMENT DE BRIQUES TECHNOLOGIQUES
POUR LA DÉTECTION DE FLUORESCENCE SUR UNE
PLATEFORME DE TYPE LABORATOIRE SUR PUCE
Thèse de doctorat
Spécialité : génie électrique
Charles RICHARD
Jury : Paul G. CHARETTE (directeur)
Vincent AIMEZ (co-directeur)
Frédéric SARRY
Stéphane MARTEL
Serge CHARLEBOIS
Sherbrooke (Québec), Canada avril 2012

1+1
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RESUME
Le développement et l'amélioration de l'instrumentation biomédicale se veulent une
miniaturisation des équipements se trouvant dans les laboratoires médicaux standards. Cette
miniaturisation est souhaitée pour une production à plus grande échelle, permettant ainsi d'avoir
une réduction des coûts relatifs à la détection et à la prévention de maladies et aussi permettre une
disponibilité accrue. La détection de la fluorescence est une technique couramment employée dans
le domaine médical afin de pouvoir déterminer la présence de pathogènes. Les systèmes de
détection de fluorescence requièrent une bonne gestion entre la lumière excitant les marqueurs
fluorescents et la fluorescence dégagée de ces derniers. Ce projet de recherche propose le
développement de briques technologiques servant dans un système hautement intégré de détection
de fluorescence.
La première brique technologique développée a été un filtre optique hybride combinant un filtre de
type interférentiel et un filtre de type absorbant pour une épaisseur totale de 3 pin. Le filtre
interférentiel est composé d'une alternance de couches diélectriques TiCL/SiCL pour un total de
neuf couches offrant une atténuation de 16,6 dB pour une longueur d’onde d'excitation de 532 nm.
Ces couches diélectriques sont déposées soit par évaporation par faisceaux d'électrons ou bien par
pulvérisation cathodique, tous deux des procédés standards en microfabrication. Le filtre absorbant
est quant à lui une photorésine colorée permettant son dépôt par étalement rotatif. L'atténuation à
532 nm pour le filtre absorbant est de l'ordre de 32,6 dB. La réjection totale pour le filtre hybride
atteint 47 dB, une performance jamais publiée pour un filtre de cette épaisseur.
En parallèle, le développement de la seconde brique technologique a été entamé et concerne la
photodétection. L'élément de photodétection doit être sensible aux longueurs d'onde d'intérêts de
la détection de la fluorescence. La photodiode à multiples jonctions p-n enterrées conçu avec un
procédé microélectronique standard pennet la discrimination spectrale. Cette discrimination
spectrale est obtenue avec un traitement mathématique approprié et appliqué sur la mesure des
photocourants. Une simulation de type semiconducteur est venue corroborer les résultats
expérimentaux. Les mesures expérimentales ont été réalisées à l'aide d'une station de
caractérisation sous pointes entièrement conçue et montée au cours du projet de doctorat.
Une fois que les deux briques technologiques étaient rendues à un niveau de maturité, le
développement de procédés de microfabrication a permis de réaliser une preuve de concept sur la
cohabitation de ces technologies. Le développement de procédé a été réalisé en considérant une
éventuelle intégration d'un canal microfluidique pour compléter le système intégré.
Ce projet de recherche a permis de développer un nouveau type de filtre optique combinant deux
technologies afin de profiter des avantages de chacune d’elle. Le projet de recherche a également
permis la conception de deux circuits microélectroniques contenant des photodiodes innovantes
servant à l’ identification spectrale, champs d’application pour l'utilisation de multimarqueurs
fluorescents. Le travail sur l'intégration de ces deux briques a permis d'entamer un transfert
technologique vers un partenaire industriel oeuvrant dans le domaine de la microfabrication et des
procédés microélectronique.
Mots clés : Laboratoire sur puce, fluorescence, filtre interférentiel, filtre absorbant,
photodétection à multiple jonctions, intégration post-CMOS.