CMOS AND MEMS BASED MICROSYSTEMS FOR MANIPULATION AND DETECTION OF MAGNETIC BEADS FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS

RESUME Les micro et nano billes magnetiques dediees a l'etiquetage des bio-particules attirent de plus en plus d'interet dans de nombreuses applications environnementales et sanitaires, tels que l'analyse de genes, le transport des medicaments, la purification et l'immunologie. Les dimensions reduites et la haute sensibilite des billes magnetiques rendent leurs manipulations a haute precision possibles. Leur simplicite de suivi dans le milieu biologique et leur biocompatibilite permettent d’effectuer des detections rapides et a haute sensibilite pour des applications in vivo et in vitro. L'utilisation traditionnelle des billes magnetiques prend place dans un laboratoire se servant du materiel encombrant et dispendieux. Avec le developpement de la technologie de microfabrication, des billes magnetiques peuvent etre traitees dans un microsysteme, plus precisement, dans une structure laboratoire sur puce (LoC). La combinaison microfluidique et microelectronique offre des possibilites d’autoevaluation, ce qui peut augmenter l'efficacite du travail. Cette these est orientee vers de nouvelles approches pour la manipulation et la detection de bio-particules se servant de la technologie de microsystemes basees sur des structures microelectroniques et microfluidiques et en utilisant des marqueurs de billes magnetiques. Base sur un reseau de microbobines a la fois comme une source de champ magnetique et un capteur inductif, le microsysteme propose est realise grâce a l'efficacite de fabrication de structures CMOS-MEMS, ainsi que des circuits integres dedies CMOS de haute performance afin d'obtenir un rendement eleve de manipulation et de detection de billes magnetiques. Plusieurs defis ont ete analyses dans la mise en œuvre de ces microsystemes et des solutions correspondantes fournies. Plus precisement, la conception et la mise en œuvre d'une plate-forme controlee en temperature en format portable sont d'abord presentees, dans un effort realise pour resoudre la question de la chaleur par effet Joule lors de l'application du reseau de microbobines comme une source de champ magnetique dedie a la manipulation de billes magnetiques. Une plateforme similaire a cette derniere a ete amelioree pour effectuer une analyse magnetique immunologique, en ajoutant des circuits de detection par des billes magnetiques. De plus, des IgG et anti-IgG de souris ont ete utilises dans des experiences pour verifier les performances de detection de la plateforme de microsysteme propose. ----------ABSTRACT Magnetic micro/nano beads as labels of bio-particles have been attracting more and more interest in many environmental and health applications, such as gene and drug delivery, purification, and immunoassay. The miniature size and high sensitivity of magnetic bead allow accurate manipulation, whereas its high distinguishability from biological background and biocompatibility make fast and high sensitivity detection possible for in vitro and in vivo applications. Traditional employment of magnetic beads is done in laboratory environment with the assist of bulky and expensive equipment. Thanks to the development of microfabrication technology, magnetic beads therefore can be handled on a microsystem, more specifically, a Lab-on-Chip (LoC). The combination of microfluidics with microelectronics offers the possibility of automatic analyses, which can liberate the labor and increase the efficiency.This thesis focuses on new approaches for bio-particles manipulation and detection on microelectronic/microfluidic hybrid microsystems using magnetic beads as labels. Based on planar microcoil array as both magnetic field source and the front-end inductive sensor, the proposed microsystems can take advantage of the massive producible CMOS/MEMS fabrication process, as well as the customized high performance CMOS circuits, to achieve a high efficient magnetic beads manipulation and a quantitative detection. Several challenges in implementing such microsystems are analyzed and corresponding solutions are provided. Specifically, the design and implementation of a temperature controllable LoC platform in portable format is firstly presented, for the sake of resolving the Joule heat issue when applying microcoil array as magnetic field source in magnetic beads manipulation. The similar platform is then improved to be used for magnetic immunoassay, by adding magnetic beads sensing circuits. Mouse IgG and anti-mouse IgG are employed in experiments to verify the detection performance of the proposed microsystem platform. Additionally, a fully integrated silicon substrate MEMS chip which integrates both microfluidic channel and microcoil array on a single chip is designed and fabricated following the Finite Element Analysis (FEA) simulation results and tested using bio-particles attached magnetic beads. This monolithic chip has the potential to be applied for in vivo applications.