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Développement de filière polymère & verre pour micro / nano-systèmes

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Développement de filière polymère & verre pour micro / nano-systèmes

Porteur du Projet : Chantal Khan Malek (Dpt. MN2S)
Départements impliqués : MN2S, MA, Optique et Temps-Fréquence
Participants : entre 15 et 20 permanents


Contexte :
L’une des caractéristiques des microsystèmes est la diversité des applications, impliquant une approche multi-matériaux nécessaire pour assurer d’une part les fonctionnalités nécessaires et d’autre part un rapport qualité / prix concurrentiel afin de pénétrer le marché en tant que produits commerciaux au final. Les polymères et les verres sont deux classes de matériaux technologiquement très importants qui possèdent des propriétés chimiques et physiques variées, procurant ainsi des avantages et fonctionnalités spécifiques pour des applications microsystèmes ciblées où ils sont de plus en plus utilisés. Parmi les avantages des polymères, on peut citer notamment le faible coût du matériau lui-même et les techniques compatibles avec une production de masse bas coût telles que le micro-moulage par injection ou les procédés au déroulé. La grande variété de matières plastiques permet également de répondre aux nombreux besoins : transparence optique, biocompatibilité, légèreté, etc. Pour le verre on peut citer en particulier ses propriétés optiques supérieures (transparence optique, indice de réfraction élevé, moindre absorption aux UV que les polymères, excellente qualité de surface avec un poli optique), les bonnes propriétés diélectriques, la tenue en température et résistance chimique, la non-porosité vis à vis des liquides et des gaz, des schémas connus de fonctionnalisation de surface, etc. Des produits à fort volume comme les microlentilles pour caméras digitales, des dispositifs de télécommunication, ou des systèmes micro-fluidiques sont souvent réalisés en matières plastiques ou en verre pour une meilleure qualité optique ou une meilleure tenue par rapport à un environnement thermique ou chimique plus agressifs.


Objectifs scientifiques :
L’objectif de ce projet inter-département consiste à consolider les compétences scientifiques et technologiques existants à FEMTO-ST et construire des compétences spécifiques nouvelles pour le développement de micro/nano-systèmes en polymère et verre. Il se décline selon trois thèmes complémentaires et fortement interconnectés : 1) le développement de la microfabrication polymère et verre, du prototypage rapide à la petite série et la production de masse ; 2) la réalisation de micro/nano-systèmes que ce soit au niveau d’applications micro-fluidiques, micro-optiques ou opto-fluidiques ; 3) la caractérisation du comportement des matériaux ainsi que leur modélisation multi-échelle et micro-méso-macro métrique, permettant notamment une optimisation du procédé en fonction des propriétés recherchées ainsi qu’une fiabilité et durabilité accrues des pièces produites.
La nouveauté de cette approche consiste à utiliser des matériaux différents de ceux utilisés traditionnellement pour les applications micro/nanosystèmes et de mettre en œuvre des microtechnologies et procédés spécifiques (y compris nouveaux) pour la structuration et mise en forme de polymères et verres ainsi que pour la formation de microsystèmes complets.

Résultats obtenus

hot embossing

Fig. 1 : Pièces faites par hot embossing. à gauche : canaux avec réservoirs en COC (Projet ChipX) au milieu : microlentilles en PMMA ; à droite : hologrammes (b et c : projet NEMO).

figure 2 chantal

Fig 2 : Dispositif de cristallisation de protéines réalisés par moulage par injection dans du PMMA : canaux de 50 µm de large et 50 µm de haut (projet Chip-X).

fig 3 chantal

Fig. 3 : Photos MEB de microstructures réalisées dans des verres en employant différentes techniques de microfabrication.

figure 4

Fig. 4 : Matrices de lentilles en verre sur membrane silicium associant le moulage de verre haute température et la soudure anodique (projet NEMO).

Dans les quatre dernières années (depuis 2005) l’activité en microfabrication polymère / verre pour applications microsystèmes s’est traduite par plus de 10 articles dans des revues à comité de lecture et une dizaine de communications avec actes dans des revues à comité de lecture.

1. Publications sur la plateforme polymère & verre pour micro/nanosystèmes : 2005- 2009

Manufacture of microfluidic glass chips by deep plasma etching, femtosecond laser ablation, and anodic bonding ,
S. Queste, R. Salut, S. Clatot, J-Y. Rauch et C. Khan Malek,
accepté à J. Microsystem Technologies (2010) - doi:10.1007/s00542-010-1020-1

Fabrication of spherical microlenses by a combination of isotropic wet etching of silicon and molding techniques
J. Albero, L. Nieradko, C. Gorecki, H.Ottevaere, V. Gómez, H.Thienpont, J.Pietarinen, B.Päivänranta, N. Passilly,
Optics Express 17(8), (2009).

Microfluidic chips for the crystallization of biomacromolecules by counter-diffusion and on-chip crystal X-ray analysis
K. Dhouib, C. Khan-Malek, W. Pfleging, B. Gauthier-Manuel, R. Duffait, G. Thuillier, R. Ferrigno, L. Jacquamet, J. Ohana, J.-L. Ferrer, A. Théobald-Dietrich, R. Giegé, B. Lorber, C. Sauter,
Lab on a Chip 9 (10), pp. 1412-1421 (2009).

Room temperature, water-based, microreactor synthesis of gold and silver nanoparticles
A. Singh, M. Shirolkar, N. Prasad Lalla, C. Khan Malek, S. K. Kulkarni,
International Journal of Nanotechnology 6 (5-6), pp. 541-551 (2009).
Femtosecond laser machining and lamination for large- area flexible organic microfluidic chips
C. Khan Malek, L. Robert, R. Salut,
European Physical Journal - Applied Physics EPJ Applied Physics 46 (1), pp. 12503p1-12503p5 (2009).

Quality assessment of polymer replication by hot embossing and micro-injection moulding processes using scanning mechanical microscopy”,
M. Sahli, C. Millot, C. Roques-Carmes, C. Khan Malek, T. Barrière et J. C. Gelin,
Journal of Materials Processing Technology, Article in Press
Comparative replication quality of micrometric patterns replicated by hot embossing and microinjection moulding
M. Sahli, J.C. Gelin, T. Barrière, C. Millot, C. Roques-Carmes, C. Khan Malek,
accepté à J. of Steel Research International 79, pp. 521-527 (2008).

Measuring the mechanical behaviour of human oocytes with a very simple SU-8 micro-tool
B. Wacogne, C. Pieralli, C. Roux, T. Gharbi,
Biomed Microdevices 10(3), pp. 411-9 (2008).

Microfluidics on foil: state of the art and new developments
T. Velten, H. Schuck, M. Richter, G. Klink. K. Bock, C. Khan Malek, S. Roth, H. Schoo, P. Bolt,
J. of Engineering Manufacture, Part B, 222 (1), pp. 107-116(10) (2008).

Facile and fast approach for the synthesis of doped nanoparticles using a microfluidic device
A. Singh, M. Limaye, S. Singh, N. P. Lalla, C. Khan Malek, S. Kulkarni,
J Nanotechnology, 19 245613 (7pp) 2008 - doi: 10.1088/0957-4484/19/24/245613
Deep microstructuring in glass for microfluidic applications
C. Khan Malek, L. Robert, J.-J. Boy, P. Blind,
J. Microsystem Technologies, 13 (5-6), pp. 447-453 (2007).

Développement de microvalve bi-matériaux polymères PDMS/PMMA par deux techniques de réplication
C. Khan Malek, G. Thuillier, R. Duffait, P. Blind, La Houille Blanche, N4, pp. 40-44 (2006).

Hybrid replication development for construction of polymeric devices
C. Khan Malek, G. Thuillier, P. Blind
J. Microsystem Technologies, 10 (10), pp. 711 - 715 (2004).

Proc. de Conférences avec comité de lecture

3D modelling and simulation of the filling of cavities by viscoelastic polymer in roll embossing process
M. Sahli, C. Khan Malek, J.C. Gelin, Proc. ESAFORM (2009).

First results in femtosecond machining of glass and polymer at FEMTO-ST
R. Salut, J. C. Jeannot, C. Khan Malek,
Proc. 5th Int. Conference Multi-Material Micro Manufacture & 4th Int. Conference on Micro Manufacturing (4M/ICOMM 2009), V. Saile, K. Ehmann, et S. Dimov (Ed), Karlsruhe,.Sept. 23 – 25, pp.127-130 (2009).

DRIE of non-conventional materials: first results
S. Queste, G. Ulliac, J.-C. Jeannot, C. Khan Malek,
Proc. 4th Int. Conference Multi-Material Micro Manufacture (4M2008), S. Dimov et W. Menz (Ed), Cardiff, UK., Sept. 9 – 11, pp.171-174 (2008).

Plastic light coupler for absorbance detection in silicon microfluidic devices
S. Van Overmeire, H. Ottevaere, L. Nieradko, P. Marc, T. Mappes, J. Mohr, C. Gorecki, H. Thienpont
MOC2008, September 2008
Si moulds for glass and polymer microlenses replication
J. Albero., L. Nieradko., C. Gorecki., H. Ottevaere, V. Gomez, J. Pietarinen
in Proc. of SPIE - Micro-Optics 2008, France (2008)

Towards integration of glass microlens with silicon comb-drive X-Y microstage
K. Laszczyk, S. Bargiel, C. Gorecki, J. Krezel
Proc. IEEE/LEOS - Topical Meeting on Optical MEMS & Nanophotonics, Allemagne (2008)
Design and Use of Wafer Level Fluidic Packaging for Surface Acoustic Wave Sensors
J. M. Friedt, L. El Fissi , F. Cherioux, B. Guichardaz, V. Blondeau-Patissier, S. Ballandras
Frequency Control Symposium, 2007 Joint with the 21st European Frequency and Time Forum. IEEE International -, Suisse (2007).

Silicon moulds of microlenses for different replication techniques
J. Albero, L. Nieradko, C. Gorecki, H. Ottevaere, V. Gómez, S. Van Overmeire, N. Passilly, B. Päivänranta, D. Nieto, M. Flores-Arias, C. Gómez-Reino, Proc 14th Microoptics Conf. MOC’08, 166-167, Sept 2008 ; Bruxelles.
Injection moulding of micro-parts: applications to micro-gears, T. Barriere, J. C. Gelin, G. Michel, M. Sahli, and C. Quinard, AIP Conf. Proc. 907, 671-676 (2007).

Development of Metal/Polymer Mixtures for Micro Powder Injection Moulding,
C. Quinard, T. Barriere, and J. C. Gelin, , in AIP Conf. Proc. 907, 933-938 (2007)
High speed fabrication of functional PMMA microfluidic devices by CO2-laser patterning and HPD-laser transmission welding,
W. Pfleging , P. Schierjott, C. Khan Malek,
Proc. 5th International Conference on Laser Assisted Net Shape Engineering (LANE), Erlangen, Germany, 25-29 2007. M. Geiger, A. Otto, M. Schmidt (Ed), pp. 1207-1220 (2007).

Optical microlenses for MOEMS
R. Carrasco, J.A. Dziuban, I. Moreno, C. Gorecki, L. Nieradko, R.Walczak, M. Kopytko, M. Jozwik, Proc. SPIE 5836-74, Seville (Spain), pp. 657-666 (2005).

2. Contrats autour de la plateforme

- Projet FUI CONPROMI : Convergences des procédés de micro-fabrication de composants plastiques à forte valeur ajoutée (jan 2010 – dec. 2013)

- Projet Carnot-Fraunhofer 3µP: Plateforme microfluidique pour l'analyse d'échantillons et réactions multiples (sept. 2009 – fev. 2012)

- Contrat ANR Chip X : Maturation d’une puce microfluidique pour la cristallisation des biomolécules (janvier 2008 – mars 2010)
- Réseau d’excellence 4M : Microfabrication multi-matériaux: (oct. 2004 – 2009) - FP6

- Réseau d’excellence NEMO : Micro-optique (sept. 2004 - août 2008) – FP6

- 2 PIR CNRS : « Dispositif microfluidique adapté à la cristallisation et l’analyse de macromolécules biologiques » et « Système micro-fluidique adressé pour puces à imagerie de plasmon de surface» (janv 2004 – déc. 2006).

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