Calorimètres miniaturisés sur puce : Impact de la miniaturisation des dispositifs sur leur performance

Abstract

Les technologies de type laboratoire sur puce (« lab on chip » LOC) mettent à profit la miniaturisation pour réaliser production, traitement, et analyse physico-chimiques sur un même substrat de petite taille avec comme résultat des dispositifs portables, plus rapides, demandant de plus petites quantités de réactifs, produits et opérés à plus faible coût. Les produits et les applications développés pour tirer profit de ces avantages ont le potentiel de transformer plusieurs secteurs comme ceux de la médecine et de la surveillance environnementale. Les mesures de calorimétrie revêtent un intérêt particulier pour l’intégration aux plateformes de type LOC notamment parce que la production de chaleur est un phénomène ubiquitaire. Or, cette intégration repose avant tout sur la capacité de produire des dispositifs miniaturisés suffisamment performants et compatibles avec la construction des plateformes LOC.

La calorimétrie miniaturisée est un champ relativement peu développé même si, comme à l’échelle conventionnelle, elle permet d’obtenir des informations utiles pour la compréhension des phénomènes de transformations de la matière. Or, la calorimétrie miniaturisée fait face à un défi de taille. La taille réduite des échantillons résulte inévitablement en une diminution de la quantité de chaleur à mesurer. Possiblement pour faire face à cette limite, la grande majorité des calorimètres miniaturisés adopte une configuration planaire, car le positionnement du système cellule calorimétrique-échantillon sur membrane a pour effet de maximiser leur sensibilité.

La configuration membranaire réduit la conduction thermique à travers le substrat ce qui, à puissance égale, résulte en davantage de signal. Cette configuration demande toutefois certains compromis. Elle pousse par exemple à construire les thermopiles à partir de films de plus en plus minces afin d’éviter d’annuler les gains. Or, des effets de « film mince », sont observés qui dégradent significativement les propriétés attendues des matériaux. Les gains apportés par la configuration membranaire peuvent aussi être annulés par la conduction thermique hors substrat qui est très sensible à la géométrie de la source de chaleur ainsi qu’aux conditions ambiantes. Ces deux phénomènes affectent significativement la sensibilité des calorimètres miniaturisés et peuvent résulter en une diminution de la précision des mesures. Dans le premier cas, on estime à 20-30% l’erreur évitée; dans le second cas, on estime à près de 30% l’erreur évitée.

Les contributions présentées dans cette thèse proposent des moyens d’améliorer la précision des calorimètres miniaturisés, en renforçant la compréhension des compromis fondamentaux à négocier dans la conception de tels dispositifs et d’établir un « modèle » pour prédire avec une plus grande fidélité la performance de calorimètres miniaturisés à partir des paramètres de l’architecture. On peut donc plus précisément évaluer le potentiel de différents designs de calorimètres miniaturisés et explorer la manière de faire des calorimètres miniaturisés de bons candidats à l’intégration sur les plateformes LOC, que ce soit sur structure membranaire ou d’autres substrats.