WO2009141516A1 - Dispositif pour la detection gravimetrique de particules en milieu fluide, comprenant un oscillateur traverse par une veine fluidique, procede de realisation et methode de mise en oeuvre du dispositif. - Google Patents

Dispositif pour la detection gravimetrique de particules en milieu fluide, comprenant un oscillateur traverse par une veine fluidique, procede de realisation et methode de mise en oeuvre du dispositif. Download PDF

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    • G01G3/16—Weighing apparatus characterised by the use of elastically-deformable members, e.g. spring balances wherein the weighing element is in the form of a solid body stressed by pressure or tension during weighing measuring variations of frequency of oscillations of the body
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    • Y10T137/0402—Cleaning, repairing, or assembling

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of gravimetric detection in a fluid medium (liquid, gas) from NEMS / MEMS resonant structures (Nano Electro Mechanical System / Micro Electro Mechanical System).
  • This gravimetric detection relies, in general, on the detection of variations in the vibration frequency of an electromechanical oscillator when a molecule is deposited on its surface.
  • any oscillator subjected to a vibrational force between itself in vibration At certain frequencies, specific to each oscillator, the amplitude of vibration is maximum. These frequencies are called "resonance frequencies".
  • resonance frequencies frequencies that are called "resonance frequencies”.
  • subjecting an oscillator to a vibration of frequency equal to one of its resonant frequencies makes it possible to detect the deposition of a particle on the oscillator. Indeed, this deposit modifies the vibration frequency of the oscillator, which therefore no longer vibrates at a resonant frequency.
  • the vibration amplitude is then reduced and can be easily detected.
  • the minimum detectable difference in amplitude determines the resolution of the sensing device, i.e. the minimum detectable weight of a particle depositing on the oscillator.
  • This method can be used to: - detect the presence of a molecule, detect the mass of the molecule, characterize the kinetics of association / dissociation of a molecule with a complementary molecular recognition element (antibodies, nucleic acid probes or else printed polymer) grafted beforehand on the surface of said oscillator.
  • a complementary molecular recognition element antibodies, nucleic acid probes or else printed polymer
  • This invention therefore relates to the field of direct detection methods without marking biological or chemical events.
  • Many documents describe gravimetric sensors based on NEMS / MEMS oscillators.
  • beam an elongate piece, substantially horizontal, whose thickness and width are of the same order of magnitude (ratio between about 0.8 and 1, 2), which are relatively low compared to the length of the beam.
  • This sensor has detected and weighed atoms of
  • the oscillator is placed in a liquid medium during the measurement, since only one drop is deposited at the end of the oscillator, the rest of the detector being kept in a dry medium.
  • the use of the device described in this article by Teva has therefore never been validated in an aqueous medium.
  • the use of such an oscillator for biological purposes is therefore not possible because it is necessary, in this case, to extract reaction kinetics in real time and therefore, in general, in an aqueous medium.
  • the oscillator is in the form of a cantilever beam in which is provided a fluidic vein sealingly isolated from the medium in which the oscillator, of which it is a part, is actuated.
  • This oscillator is vibrated by electrostatic coupling at 220 kHz and under high vacuum, while the biological solution to be analyzed circulates within the integrated fluidic vein.
  • a quality factor of 15000 is obtained, and remains invariable according to whether the channels are filled with air or liquid.
  • This work allowed to follow the reaction kinetics of an antibody-antigen recognition, for an antigen concentration of 100 ng.ml '1 , which places this type of device at the same rank as the best quartz scales in terms of resolution.
  • the invention to overcome these disadvantages by proposing a device for the gravimetric detection of particles in a fluid medium ensuring both an important quality factor, easier use conditions, reduced size and low production cost.
  • This device can, in particular, be used for the formation of a diagnosis at the patient's bedside, the real-time monitoring of physiological parameters in the case of in-vivo implantation (for example: assay for glycosylated hemoglobin HbAIc for the treatment of diabetes and to prevent or stop the progression of ocular, renal and neurological complications), or for the detection of toxic and pathogenic species in the air or in the water.
  • the subject of the invention is a device for the gravimetric detection of particles in a fluid medium, comprising a planar electromechanical oscillator, means for supporting the oscillator and means for actuating said oscillator, said means being arranged to ensure vibration of the oscillator in its plane, said device further comprising a channel for the passage of fluid, said channel being in fluid communication with a through cavity in said oscillator.
  • planar oscillator means a plate having a length and width that are large relative to its thickness (ratio greater than 2), the length and the width being of the same order of magnitude preferably.
  • the electromechanical oscillator may have a shape taken from a disk, a ring and a polygon, preferably a square.
  • said actuating means may be in the form of at least one electrode disposed in the same plane as that of the oscillator, and at a determined distance from the oscillator; the oscillator may be square in shape and have a width and a thickness such that the ratio of the width to the thickness is between 10 and 30, preferably 10;
  • the oscillator may be a polygon and the support means arranged at at least one vertex of the oscillator; in the case of a square electromechanical oscillator, the support means may be arranged at the four vertices of said oscillator;
  • the support means may be in the form of massive parts, such as paving stones; at each vertex of the oscillator, the support means may comprise a fork comprising a handle and two teeth, oriented in the extension of a diagonal of the oscillator passing through said vertex, the teeth being connected to a solid piece; at each vertex of the oscillator, the support means may comprise a beam oriented in the extension of an diagonal oscillator passing through said apex, the beam being connected to a massive piece;
  • said electromechanical oscillator can be obtained from a metal substrate; said electromechanical oscillator can be obtained from a polycrystalline substrate;
  • said electromechanical oscillator can be obtained from a monocrystalline substrate
  • the substrate may be based on silicon; said monocrystalline substrate may be oriented along the crystallographic plane (100) or, alternatively, along the crystallographic plane (110);
  • said traversing cavity of the oscillator may be at least partially covered by molecular recognition elements;
  • said traversing cavity of the oscillator and / or the channel may contain pillars whose cross section is of shape taken from a circle, an ellipse, and a polygon.
  • This device can, in particular, be used for the formation of a diagnosis at the patient's bedside, the real-time monitoring of physiological parameters in the case of in-vivo implantation (for example: assay for glycosylated hemoglobin HbAIc for the treatment of diabetes and to prevent or stop the progression of ocular, renal and neurological complications), or for the detection of toxic and pathogenic species in the air or in the water.
  • in-vivo implantation for example: assay for glycosylated hemoglobin HbAIc for the treatment of diabetes and to prevent or stop the progression of ocular, renal and neurological complications
  • toxic and pathogenic species in the air or in the water.
  • the invention also relates to a method for producing a preceding device, comprising the following steps: the selection of a substrate suitable for the gravimetric detection envisaged, the production from said substrate of a planar electromechanical oscillator, and being suspended between two openings, producing a through cavity in said oscillator, providing a channel for fluid passage, said channel being in fluid communication with said through cavity in the oscillator.
  • the invention also relates to a method for the gravimetric detection of particles in a fluid medium, implemented with a planar electromechanical oscillator, comprising the following steps: a) generating a flow of fluid for bringing fluid into contact with the oscillator; in the through cavity; b) vibrating the oscillator at an initial frequency and according to a determined vibratory mode; c) detecting the oscillation frequency of the oscillator; d) detecting a change in the frequency with respect to the initial vibration frequency of the oscillator.
  • the gravimetric detection method may comprise a step e) of recovery and processing of detection data generated in steps c) and d);
  • the initial vibration frequency may be a resonance frequency of the oscillator
  • the vibratory mode can be taken from the group constituted by the vibratory mode of Lamé, the vibratory mode of voluminal extension, the so-called vibratory mode of "wineglass”, an off-plane vibratory mode, and a bending mode;
  • steps b) to d) can be implemented by electrodes arranged in the same plane as the oscillator and at a determined distance from the oscillator;
  • the gravimetric detection method can implement a square oscillator and four electrodes each arranged opposite of one of the sides of the oscillator, the oscillation of the oscillator provided for in step b) being preceded by a step b1) in which at least two consecutive electrodes are fed in a sinusoidal field in opposition to phase and at a specific frequency characteristic of the particles to be detected;
  • step b1) may be preceded by a step b0) in which the flow of fluid is stopped;
  • the gravimetric detection method may comprise a step aO) prior to step a), in which the surface of the cavity formed in the oscillator is at least partially covered by molecular recognition elements; and or
  • steps b) to d) can be implemented by means integrated in the oscillator.
  • the invention also relates to a method for determining the kinetics of interaction between a molecule and a complementary molecular recognition element, using the preceding gravimetric detection method, and comprising a step d) of detecting a new modification of the frequency corresponding to a return to the value of the resonant frequency of the oscillator, this step J) being performed after step d).
  • steps b), c), d) and d) can be implemented by electrodes arranged in the same plane as the oscillator.
  • the invention relates to an electromechanical oscillator for a gravimetric detection device according to the invention, said oscillator being plane, a through cavity being formed in said oscillator.
  • FIG. 3 a diagrammatic plan view of a detector according to the invention provided with means for suspending the oscillator according to a first embodiment
  • FIG. 4 is a diagrammatic perspective view of a detector according to the invention provided with means for suspending the oscillator according to a second embodiment
  • FIG. 12 a schematic representation of the control of the electrodes for the implementation of a gravimetric detection method according to the invention
  • FIG. 13 a schematic perspective view of a detector according to the invention provided with pillars.
  • a gravimetric detection device represented in FIG. 1, comprises a planar electromechanical oscillator 1 comprising a square bottom 1a and sidewalls 1c defining a through cavity 1b. Opposite each of the flanks, and at a determined distance g (see FIG. 3), an electrode 2a, 2b, 2c and 2d is disposed in the same plane as the oscillator. Throughout the application, is meant by a provision in the same plane, the fact that the electrodes are opposite the sides of the oscillator, parallel to its bottom and substantially the same thickness.
  • the distance g must be as small as possible, its value being limited mainly by the resolution of the lithography tools as well as by the thickness TSQ of the plate 1 (typically g is of the order of TSQ / 10 and greater than 100 nm).
  • FIG. 2 is illustrated the wall 1d, opposite the bottom 1a.
  • the oscillator 1 is supported by support means over an opening 3 (see FIG. 11) so that it can vibrating, preferably at its resonant frequency (according to a lamé mode, or volumetric expansion for example), substantially in its plane, by electrostatic coupling through the electrodes.
  • the gravimetric detector according to the invention has a high coefficient of quality since the displaced fluid volume is located inside the oscillator through cavity.
  • This vibration is made possible not only by the opening 3 but also by an opening 61 ( Figure 10) formed above the oscillator and the distances g separating the oscillator electrodes.
  • the device further comprises a fluid passage channel 4 arranged to be in fluid communication with the through cavity 1b of the oscillator 1.
  • a fluid passage channel 4 arranged to be in fluid communication with the through cavity 1b of the oscillator 1.
  • the fluid analyzed by the device is sealed from the environment in which the oscillator is actuated and which is, preferably, a dry medium.
  • the planar electromechanical oscillator is in the form of a plate with a width L sq and a thickness T sq such that the ratio L sq / T sq of the width over the thickness is between 10 and 30, preferably 10.
  • the plate has a vibratory behavior different from a membrane.
  • the support means are distributed at the four vertices of the oscillator. They can be in the form of massive pieces such as blocks 6 and pairs of arms 7, as illustrated in FIG. 1.
  • the two parts 6 and respectively the two pairs of arms 7 are in the extension of the diagonals of the oscillator 1. Said pairs of arms are machined so as to allow the circulation of fluid within the cavity 1b passing through the oscillator 1.
  • the support means may be limited to two pairs of arms 7 that can be arranged so diametrically opposite in the extension of the diagonals of the oscillator 1, or arranged at two adjacent vertices of the latter.
  • a last configuration is to use only one block 6 and two pairs of arms 7 as support means.
  • the support means may also be in the form of pairs of arms 7 and forks 10 comprising a handle 11 and two teeth 12, the arms and forks being in the extension of the diagonals of the oscillator and the teeth of the fork being connected to a solid piece 13.
  • the length L m of the handle 11 of the fork is chosen so that the handle can vibrate preferably in longitudinal extension, alternately in lateral bending, when the oscillator vibrates, preferably at a resonant frequency of the oscillator (Lamé mode, volumetric expansion mode, or "wine glass” if it is a ring or a disk for example).
  • the width l m of the handle is equivalent to L sq / 10, where L sq is the width of the oscillator 1.
  • the width "a" of contact between the blocks 6 or the arms 7 and the oscillator 1 is chosen as for it, so that these support means solidly support the oscillator, while altering as little as possible the vibration of the oscillator according to the desired vibratory modes.
  • the dimensioning rules respect the following condition:
  • the actuating means are implemented and arranged relative to the oscillator so that it can enter vibration in its plane, according to a specific vibration mode.
  • the oscillator may vibrate according to different modes, such as the Lamé mode, the volumetric expansion mode or, according to the so-called "wine glass” mode (particularly for a circular or annular oscillator).
  • the oscillator 1 can be vibrated, in its plane, by electrostatic coupling, via at least one of the four electrodes 2a to 2d, or, in a preferred embodiment, two adjacent electrodes. Oscillator 1 can also be vibrated out of its plane and in a bending mode. However, such an implementation will decrease the quality factor of the oscillator.
  • a substrate which may consist either of a layer of polysilicon deposited on a thermal oxide, or of an SOI (Silicon On Isolator) substrate.
  • SOI Silicon On Isolator
  • This latter substrate consists of two monocrystalline silicon layers between which is disposed a layer of silicon dioxide (SiO 2 ).
  • the exemplary embodiments will be described for a gravimetric detection device machined on SOI substrates of crystallographic orientation (100).
  • the SOI substrates used can be oriented along the crystallographic plane (110).
  • One of the advantages of this technology lies in the lower subjection to mechanical dissipation mechanisms than that of polycrystalline materials (eg polysilicum) in which grain-joint relaxation phenomena are often observed.
  • the oscillator illustrated in FIG. 4 is fabricated so that the sides 1c of the plate and the electrodes 2a-2d have a crystallographic orientation in the ⁇ 110> direction.
  • the flanks of a handle and the two teeth of each fork of the suspension means then have a crystallographic orientation in the ⁇ 100> direction.
  • the realization of a gravimetric detection device according to the invention comprises, in a general manner, the following steps: selection of a substrate suitable for the gravimetric detection envisaged, production from said substrate of a planar electromechanical oscillator, and suspended between two openings, making a through cavity in the oscillator, and performing a channel for the passage of the fluid, the channel being in fluid communication with the through cavity formed in the oscillator.
  • a suitable substrate may be an SOI silicon substrate.
  • the manufacturing method consists of producing the oscillator in two parts, namely a first part made on a first SOI substrate 20 and a second part made by a second SOI substrate 30 sealed on the first part. substrate.
  • the other components (support means, aperture, electrodes, channel) of the gravimetric detection device are also structured on these substrates 20-30 of SOI. More specifically, the first SOI substrate 20, illustrated in FIG.
  • a high-resistivity monocrystalline silicon layer 23 (p> 1000 ohm.cm) is arranged, in a preferred embodiment, and oriented along the crystallographic plane (100). This layer 23 has a thickness of about 725 microns.
  • alignment marks 24 may be made on the outer surface of the layer 21. These marks will allow more precise alignment of the two substrates 20 and 30 during the second step.
  • the through cavity 1b of the oscillator 1 is etched in the doped silicon upper layer 21 of the SOI substrate 20.
  • This cavity 1b preferably has a depth ei of 1, 5 .mu.m and a width h of 3 .mu.m.
  • said cavity may include pillars 70 (see Figure 13), spaced apart at regular intervals or not, depending on their position in the through cavity.
  • the fluid circulation channel 4 is also structured in the doped silicon upper layer 21, in fluid communication with the cavity 1b of the future oscillator.
  • the channel has a maximum femax width of approximately 110 ⁇ m, this width gradually decreasing until it reaches a minimum width l 2 min equal to the width h of the cavity, that is to say in the embodiment illustrated, 3 ⁇ m.
  • This channel 4 may also contain pillars.
  • Said pillars may be arranged upstream and / or downstream of the cavity 1b machined in the oscillator (that is to say before and / or after the passage of the arms 7 indicated in FIG. 1). Upstream of the oscillator, they can be used to capture the molecules that are not of interest and which are brought by the fluidic input E. For this, the spacing between these pillars is adjusted so as to allow the flow of input E at the output S the molecules of interest but not the other molecules. Placing pillars downstream of the oscillator makes it possible to reverse the flow direction of the fluid and thus to facilitate the use of the detection device according to the invention which does not depend on the flow direction of the fluid.
  • the pillars When the pillars are integrated in the oscillator, they serve to support and strengthen the wall 1d covering the cavity 1b formed within the oscillator. They are also used to increase the capture area available for grafting biological objects of interest, in order to increase capture probability and sensor sensitivity.
  • the pillars have a cross section of circular, elliptical or polygonal shape.
  • the second SOI substrate 30, illustrated in FIG. 8, comprises a layer 31 of monocrystalline silicon which can be strongly doped (the concentration of the charge carriers that can be greater than 5.10 18 atoms per cm 3 ), of the P or N type, a thickness of between 100 and 340 nm, and more particularly 160 nm in a preferred embodiment.
  • a layer 32 of insulating silicon dioxide (S1O2) buried On this layer 31 is disposed a layer 32 of insulating silicon dioxide (S1O2) buried, a thickness of about 1 to 3 microns.
  • a high-resistivity monocrystalline silicon layer 33 (p> 1000 ohm.cm) is arranged in a preferred embodiment, and oriented along the crystallographic plane (100). This layer 33 has a thickness of about 725 microns.
  • SOI substrate 30 can also be structured to define alignment marks 34 on the outer surface of its layer 31, and openings E and S (see Figure 2) to allow access to channel 4 of flow of machined fluid in the upper layer 21 of the substrate 20, once the two substrates are assembled.
  • the second substrate 30 has also been structured with a view to the subsequent lithography steps necessary for the production in the final device of the electrodes, the support means and the oscillator and, more particularly, their alignment with respect to the circulation channel 4. fluid machined in the upper layer 21 of the substrate 20.
  • the second SOI substrate 30 is aligned, deposited and sealed on the first substrate 20, so that the highly doped monocrystalline silicon layer 31, identical to that of the first substrate 20, covers the cavity 1b which was structured during the first step.
  • the silicon layer 33 of the second SOI substrate 30 is thinned, for example a chemical etching with TMAH (tetramethylammonium hydroxide). Then the buried silicon dioxide layer 32 is removed by chemical etching so that there remains only the layer 31 of highly doped silicon.
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • a layer 40 of electrical insulating material is formed by thermal oxidation or deposit in accordance with ALD (Atomic Layer Deposition) of a high-k oxide (high permittivity) of type AI 2 O 3 or HFO 2 on the areas intended to come into contact with the fluid, to avoid the appearance of leakage currents in aqueous medium.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • a resin is then spread on this face and then exposed through a mask for locally etching, by photolithography, this deposition of insulating material, in order to clear the latter on the future electrical contact pads.
  • a metal layer 41 is deposited on the front face of the assembly 20-30.
  • a resin is then spread on this face and then exposed through a mask to define a mold that will be used to define electrodes by electrolysis. This electrolytic growth (gold-based preferentially) is followed by the chemical shrinkage of the resin, and the layer of metal deposited beforehand.
  • a cover 50 under which is deposited a structured layer 60 of a biocompatible material, is deposited on the assembly 20-30 so as to provide an opening 61 above the oscillator 1.
  • the cover 50 is transparent, preferably, glass or Pyrex ® . It can be machined so as to be able to carry out tests under points and to take again the contacts on polarization pads of the oscillator situated at the periphery of the assembly 20-
  • the layer 60 is preferably made of a biocompatible polymer or a highly resistive silicon layer.
  • a method for gravimetric detection of particles in a fluid medium according to the invention consists in implementing the electromechanical oscillator described above. This implementation comprises the following steps:
  • Vibration of the oscillator at its initial frequency can be done according to several vibratory modes.
  • the modes vibratory which can be used are the vibratory mode of Lamé, vibratory mode of voluminal extension (or so-called mode of respiration), and the mode known as "wineglass" when the oscillator is a disc or a circular ring.
  • the initial vibration frequency is a resonant frequency of the oscillator.
  • the four corners of the oscillator and its center constitute nodes of vibration (displacement null and minimal loss of energy).
  • the shear wave that is associated with this mode of vibration propagates along the diagonals of the square, so that in the fundamental mode, the deformations of two consecutive sides of the square are phase shifted by ⁇ relative to each other .
  • the Lamé mode allows a significant improvement in the quality factor because the corners of the square plate constitute the nodes of vibration. They undergo, thus, virtually no mechanical stress during the vibration, so that this vibration is not dissipated to the rest of the device.
  • the entire vibration is focused on the oscillator so that any deposition of a molecule on its surface or removal of a molecule from its surface can be detected.
  • At least one electrode disposed opposite an edge of the oscillator is fed with an alternating signal Vj n , resonance frequency f jn corresponding to the expected Lamé mode.
  • the oscillator is biased by means of one of its support means which is powered by a DC voltage signal V D c whose function is to act on the amplitude of the electrostatic vibrating force, and the value of the resonant frequency of the oscillator.
  • two electrodes (2a and 2b for example), located opposite two consecutive edges of the plate are polarized with the same signal v in , but out of phase with ⁇ relative to each other, while the oscillator remains polarized using the DC voltage signal V D c-
  • the detection of the vibration frequency is preferably done by capacitive coupling via a current I or t generated by the modulation of the transduction capacitance between the vibrated oscillator and at least one of the electrodes which does not would not be powered by the alternative signal v m (see Figure 12).
  • the capacitive output current l o ⁇ t is measured at least on one of the electrodes 2c or 2d which is not controlled by the excitation signal v m .
  • this current lout results from the sum of two currents i out i and / 0U f 2) resulting from the capacitive coupling between the moving plate and two adjacent electrodes 2c or 2d which are not energized. by the alternative signal v m .
  • the current I out i is inverted before addition with the current I or t2-
  • At least one electrode disposed opposite an edge of the oscillator is powered by an alternating signal v in of resonance frequency f m corresponding to the volume expansion mode expected. , superimposed on a DC voltage signal VDC whose role is to act on the amplitude of the electrostatic vibrating force, and the value of the resonant frequency of the oscillator.
  • VDC DC voltage signal
  • the four electrodes will be polarized opposite the edges of the plate with the same signal v in , superimposed on a DC voltage signal V DC .
  • the detection of the vibration frequency is done by via a current I out detected at one of the support means 6 (see Figure 12).
  • the shape of the plate is conserved (square) and its sides vibrate in phase (expansion and contraction) as opposed to the Lamé mode for which two neighboring sides vibrate in phase shift of ⁇ one by report to the other.
  • the gravimetric detection method according to the invention comprises a step e) of recovery and processing of detection data generated in steps c) and d), these data making it possible to deduce, for example, the mass of the particles which have deposited on oscillator, or who have detached themselves from it and are back in the fluid.
  • Two methods can be used to improve the detection of particles with the detection device according to the invention. These methods can be combined with each other.
  • a first method consists in at least partially covering the surface of the cavity 1b within the oscillator with molecular recognition elements. In the presence of pillars within the through cavity 1b, these elements may also cover the latter. The elements specifically bind with the molecules that one wishes to detect and allow targeted detection of these molecules in a fluid comprising molecules of different types.
  • a second method, illustrated in Figure 12, is based on the dielectrophoretic effect. It is allowed by the quadrupole configuration of the electrodes of the device.
  • step b1 when the vibration of the oscillator provided for in step b), is preceded by a step b1) in which at least two consecutive electrodes are fed in sinusoidal field in opposition of phase and at a determined frequency f characteristic of the particles to be detected, and this during the time interval [0; Ts], a trapping phenomenon is obtained by maintaining in “levitation” the particles that it is desired to detect above the bottom 1a of the cavity 1b of the oscillator.
  • two facing electrodes are fed in a sinusoidal field at a determined frequency (f) characteristic of the particles to be detected, at the same potential + V 0 , the two other electrodes being in phase opposition, at the potential -V 0 (said configuration "Alternating field").
  • f frequency characteristic of the particles to be detected
  • the two other electrodes being in phase opposition, at the potential -V 0 (said configuration "Alternating field”).
  • the trapping phenomenon is obtained above the center of the bottom 1a of the cavity 1b of the oscillator.
  • Step b1) is preferably preceded by a step b0) in which the flow of fluid in the channel is stopped. This step bO) thus improves the trapping. Then the electrodes are energized during the time interval [Ts; 2Ts], so as to vibrate the oscillator according to a specific vibratory mode (Lamé mode, volumetric expansion mode, wine glass mode if it is a disk or ring for example, or other) . During this interval, the molecules are deposited on the bottom 1a of the cavity 1b of the oscillator since they are no longer driven by the fluid, nor maintained in levitation by the dielectrophoretic effect.
  • a specific vibratory mode Lamé mode, volumetric expansion mode, wine glass mode if it is a disk or ring for example, or other
  • the gravimetric detection method according to the invention can be used to determine an interaction kinetics between a molecule and a complementary molecular recognition element disposed on any wall of the cavity.
  • the method consists, in a step d), in detecting a first modification of the vibration frequency of the oscillator when the molecule is fixed on the molecular recognition element disposed on the surface of the oscillator cavity then, in a step d '), detecting a new frequency change, corresponding to a return to the value of the resonant frequency of the oscillator, when the molecule detaches from the molecular recognition element.
  • This step d ') is carried out after step d) of the gravimetric detection method.
  • This method of determining interaction kinetics can be used in the context of molecular dynamics to evaluate, for example, the constants of association / dissociation between very varied biomolecules (proteins, DNA, RNA, polysaccharides, lipids, even viruses and cells).
  • biomolecules proteins, DNA, RNA, polysaccharides, lipids, even viruses and cells.
  • biomolecules proteins, DNA, RNA, polysaccharides, lipids, even viruses and cells.
  • biomolecules proteins, DNA, RNA, polysaccharides, lipids, even viruses and cells.
  • the gravimetric detection device can also allow the trajectory tracking of circulating particles within the through cavity through the continuous measurement of the oscillation frequency of the oscillator.
  • their position within the cavity formed in the oscillator will influence the offset of the vibration frequency of the latter (as it explained in detail for a beam in-door to in the article by S. Manalis et al., "Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid", Nature 446, Apr. 26, 2007, (7139): 1066-1069).
  • This mode of operation implies that there is no capture of objects of interest on the walls of the oscillator and therefore it is necessary not to graft molecular recognition elements in the cavity of the oscillator.
  • the gravimetric detection device according to the invention has many advantages over devices of the state of the art consisting of embedded beams (bi-recessed or cantilever).
  • the gravimetric detection device according to the invention is more sensitive and more effective than an equivalent beam provided with a fluidic vein. It also makes it possible to use structuring techniques of greater size and therefore less expensive.
  • the size is reduced because the actuating means and detection are integrated in the oscillator, in that they are made in the same substrate and the same plane as the latter.
  • the manufacturing techniques used are compatible with a integration of conditioning electronics (transimpedance amplifier, phase shifter ...) and signal shaping in the vicinity of the oscillator.
  • the structure of the oscillator according to the invention allows a gravimetric detection of particles whose minimum detectable mass is about thirty two times lower than that detected using the devices of the state of the art in the form of a beam. equipped with a fluidic vein.
  • the implementation of the device according to the invention can be made in vivo and does not require precise deposition of the particles on the oscillator.
  • the device can be implanted in humans or animals and the data is transmitted by radio waves to an external server.
  • the oscillator according to the invention does not require any calibration step, unlike the TEVA device.
  • the oscillator may be a polygon and the support means arranged at at least one vertex of the oscillator.

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Abstract

L'invention propos un dispositif pour la détection gravimétrique de particules en milieu fluide assurant à la fois un facteur de qualité important, des conditions d'utilisation facilitées, un encombrement réduit et un coût de production faible. A cette fin, l'invention a pour objet un dispositif pour la détection gravimétrique de particules en milieu fluide, comprenant un oscillateur électromécanique (1) plan, des moyens de support de l'oscillateur et des moyens d'actionnement dudit oscillateur, lesdits moyens étant agencés pour assurer la vibration de l'oscillateur (1) dans son plan, ledit dispositif comportant en outre un canal (4) pour le passage du fluide, ledit canal étant en communication fluidique avec une cavité traversante (1b) ménagée dans ledit oscillateur.

Description

DISPOSITIF POUR LA DÉTECTION GRAVIMÉTRIQUE DE PARTICULES EN MILIEU FLUIDE. COMPRENANT UN OSCILLATEUR TRAVERSE PAR UNE VEINE FLUIDIQUE, PROCÉDÉ DE RÉALISATION ET MÉTHODE DE
MISE EN ŒUVRE DU DISPOSITIF
La présente invention concerne le domaine technique de la détection gravimétrique en milieu fluide (liquide, gazeux) à partir de structures résonantes de types NEMS/MEMS (Nano Electro Mechanical System/Micro Electro Mechanical System). Cette détection gravimétrique repose, de façon générale, sur la détection de variations de la fréquence de vibration d'un oscillateur électromécanique lorsqu'une molécule se dépose à sa surface.
Tout oscillateur soumis à une force de vibration entre lui- même en vibration. A certaines fréquences, propres à chaque oscillateur, l'amplitude de vibration est maximale. Ces fréquences sont appelées « fréquences de résonance ». Ainsi, soumettre un oscillateur à une vibration de fréquence égale à l'une de ses fréquences de résonance permet de détecter le dépôt d'une particule sur l'oscillateur. En effet, ce dépôt modifie la fréquence de vibration de l'oscillateur qui ne vibre donc plus à une fréquence de résonance. L'amplitude de vibration est alors réduite et peut être détectée facilement. La différence minimale d'amplitude pouvant être détectée détermine la résolution du dispositif de détection, c'est-à-dire le poids minimal détectable d'une particule se déposant sur l'oscillateur. Cette méthode peut être utilisée pour : - détecter la présence d'une molécule, détecter la masse de la molécule, caractériser la cinétique d'association/dissociation d'une molécule avec un élément de reconnaissance moléculaire complémentaire (anticorps, sondes d'acides nucléiques ou encore polymère imprimé) greffé préalablement à dessein sur la surface dudit oscillateur.
Cette invention concerne donc le domaine des méthodes de détection directe, sans marquage des événements biologiques ou chimiques. De nombreux documents décrivent des capteurs à détection gravimétrique à base d'oscillateurs NEMS/MEMS.
On peut ainsi citer des travaux dans lesquels a été utilisé un capteur de masse sous la forme d'une poutre bi-encastrée en carbure de silicium, mise en vibration par transduction magnétostatique.
Dans l'ensemble de la description, on entendra par poutre, une pièce allongée, sensiblement horizontale, dont l'épaisseur et la largeur sont du même ordre de grandeur (ratio compris entre environ 0,8 et 1 ,2), lesquelles sont relativement faibles par rapport à la longueur de la poutre. Ce capteur a permis de détecter et de peser des atomes de
Xénon, déposés sous vide élevé (10'10Torr) et à très basse température (4,20K), à la surface du capteur. Un tel capteur présente une résolution de l'ordre de sept zeptogrammes (zg) et une sensibilité massique de l'ordre de 0,96 Hz/zg. Les conditions très contraignantes de fonctionnement de ce capteur rendent difficile, voire impossible, son exploitation à des fins biologiques car la transduction magnétostatique est faible en milieu aqueux et le vide poussé est incompatible avec des mesures in vivo.
On connaît également quelques travaux concernant la détection gravimétrique avec des oscillateurs électromécaniques opérant en milieu aqueux. On peut ainsi citer l'article de T. Adrega et al., "Résonance of electrostatically actuated thin-film amorphous silicon microelectromechanical Systems microresonators in aqueous solutions: Effect of solution conductivity and viscosity", J. Appl. Phys. 2007, 101 , 094308. Cet article décrit une poutre bi-encastrée mise en vibration hors-plan, et dont Ia fréquence de résonance est mesurée par le biais d'une détection optique. Le facteur de qualité d'une telle structure est relativement faible puisqu'il est de l'ordre de 3, compte tenu du volume de liquide qui est déplacé par la structure mise en mouvement et de la sollicitation mécanique importante des points d'ancrage. Par ailleurs, cette structure est encombrante car la poutre bi-encastrée se présente sous la forme d'un pont sous lequel est disposée une électrode d'actionnement. Cet encombrement est encore augmenté par la présence des moyens de détection, en l'occurrence, une source laser et une photodiode.
On citera encore des travaux concernant la mise en œuvre d'un oscillateur électromécanique de type poutre en porte-à-faux. Les résultats de ces travaux sont expliqués en détail dans l'article de J. Teva et al., "A femtogram resolution mass sensor platform based on SOI electrostatically driven résonant cantilever. Part II: Sensor calibration and glycérine evaporation rate measurement", Ultramicroscopy 2006, 106, 808- 814. Une microgoutte de glycérine est déposée avec précision sur cet oscillateur, puis des mesures de fréquence de résonance sont effectuées pour suivre la vitesse d'évaporation de la goutte. Cette méthode qui consiste à extraire une variation de masse à partir d'une mesure de fréquence, nécessite une étape de calibrage préalable de la sensibilité massique à partir de billes en latex. On ne peut pas considérer que l'oscillateur est placé dans un milieu liquide lors de la mesure, puisque seule une goutte est déposée à l'extrémité de l'oscillateur, le reste du détecteur étant maintenu en milieu sec. L'utilisation du dispositif décrit dans cet article de Teva n'a donc jamais été validée en milieu aqueux. L'utilisation d'un tel oscillateur à des fins biologiques n'est donc pas envisageable car il est nécessaire, dans ce cas, d'extraire une cinétique de réaction en temps réel et donc, en général, en milieu aqueux.
On peut enfin citer d'autres travaux qui ont consisté à intégrer une solution biologique à analyser au sein même de l'oscillateur. Ces travaux sont expliqués en détails dans l'article de S. Manalis et al., "Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid", Nature 446, Apr 26 2007, (7139): 1066-1069.
L'oscillateur se présente sous la forme d'une poutre en porte- à-faux dans laquelle est prévue une veine fluidique isolée de manière étanche du milieu dans lequel l'oscillateur, dont elle fait partie, est actionné. Cet oscillateur est mis en vibration par couplage électrostatique à 220 kHz et sous un vide poussé, tandis que la solution biologique à analyser circule au sein de la veine fluidique intégrée. Dans cette configuration, un facteur de qualité de 15000 est obtenu, et reste invariable selon que les canaux soient remplis d'air ou de liquide. Ces travaux ont permis de suivre la cinétique de réaction d'une reconnaissance anticorps-antigènes, pour une concentration en antigènes de 100 ng.ml'1, ce qui place ce type de dispositif au même rang que les meilleures balances à quartz en termes de résolution.
Ces travaux présentent cependant des limites, résidant notamment dans la méthode de détection employée. En effet, elle met en œuvre une détection optique à l'aide d'un laser et d'une photodiode externe, lesquels contribuent à l'encombrement global du système. II résulte de cette présentation qu'il n'existe à ce jour aucun dispositif pour la détection gravimétrique mettant en œuvre un oscillateur NEMS/MEMS économique, permettant une détection de particules en milieu liquide, dans des conditions compatibles avec des analyses biologiques, présentant un facteur de qualité élevé et un encombrement réduit. L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un dispositif pour la détection gravimétrique de particules en milieu fluide assurant à la fois un facteur de qualité important, des conditions d'utilisation facilitées, un encombrement réduit et un coût de production faible.
L'invention a. pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un dispositif pour la détection gravimétrique de particules en milieu fluide assurant à la fois un facteur de qualité important, des conditions d'utilisation facilitées, un encombrement réduit et un coût de production faible. Ce dispositif peut, notamment, être utilisé pour la formation d'un diagnostic au chevet même du malade, le suivi en temps réel de paramètres physiologiques dans le cas d'une implantation in-vivo (par exemple : dosage de l'hémoglobine glycosylée HbAIc pour le traitement du diabète et prévenir ou stopper l'évolution des complications oculaires, rénales et neurologiques), ou pour la détection d'espèces toxiques et pathogènes dans l'air ou dans l'eau.
A cette fin, l'invention a pour objet un dispositif pour la détection gravimétrique de particules en milieu fluide, comprenant un oscillateur électromécanique plan, des moyens de support de l'oscillateur et des moyens d'actionnement dudit oscillateur, lesdits moyens étant agencés pour assurer la vibration de l'oscillateur dans son plan, ledit dispositif comportant en outre un canal pour le passage du fluide, ledit canal étant en communication fluidique avec une cavité traversante ménagée dans ledit oscillateur. Dans l'ensemble de la description, on entendra par oscillateur plan, une plaque présentant une longueur et une largeur importantes par rapport à son épaisseur (ratio supérieur à 2), la longueur et la largeur étant du même ordre de grandeur préférentiellement.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - l'oscillateur électromécanique peut présenter une forme prise parmi un disque, un anneau et un polygone, de préférence un carré.
- lesdits moyens d'actionnement peuvent se présenter sous la forme d'au moins une électrode disposée dans le même plan que celui de l'oscillateur, et à une distance déterminée de l'oscillateur ; - l'oscillateur peut être de forme carrée et présenter une largeur et une épaisseur telles que le rapport de la largeur sur l'épaisseur est compris entre 10 et 30, de préférence 10 ;
- l'oscillateur peut être un polygone et les moyens de support disposés à au moins un sommet de l'oscillateur ; - dans le cas d'un l'oscillateur électromécanique carré, les moyens de support peuvent être disposés aux quatre sommets dudit oscillateur ;
- les moyens de support peuvent se présenter sous la forme de pièces massives, telles que des pavés ; - à chaque sommet de l'oscillateur, les moyens de support peuvent comprendre une fourche comprenant un manche et deux dents, orientés dans le prolongement d'une diagonale de l'oscillateur passant par ledit sommet, les dents étant reliées à une pièce massive ; - à chaque sommet de l'oscillateur, les moyens de support peuvent comprendre une poutre orientée dans le prolongement d'une diagonale de l'oscillateur passant par ledit sommet, la poutre étant reliée à une pièce massive ;
- ledit oscillateur électromécanique peut être obtenu à partir d'un substrat métallique ; - ledit oscillateur électromécanique peut être obtenu à partir d'un substrat polycristallin ;
- ledit oscillateur électromécanique peut être obtenu à partir d'un substrat monocristallin ;
- le substrat peut être à base de silicium ; - ledit substrat monocristallin peut être orienté selon le plan cristallographique (100) ou, alternativement, selon le plan cristallographique (110) ;
- ladite cavité traversante de l'oscillateur peut être au moins partiellement recouverte par des éléments de reconnaissance moléculaire ; et/ou
- ladite cavité traversante de l'oscillateur et/ou le canal peu(ven)t contenir des piliers dont la section transversale est de forme prise parmi un cercle, une ellipse, et un polygone.
Ce dispositif peut, notamment, être utilisé pour la formation d'un diagnostic au chevet même du malade, le suivi en temps réel de paramètres physiologiques dans le cas d'une implantation in-vivo (par exemple : dosage de l'hémoglobine glycosylée HbAIc pour le traitement du diabète et prévenir ou stopper l'évolution des complications oculaires, rénales et neurologiques), ou pour la détection d'espèces toxiques et pathogènes dans l'air ou dans l'eau.
L'invention se rapporte également à un procédé de réalisation d'un dispositif précédent, comprenant les étapes suivantes : la sélection d'un substrat approprié à la détection gravimétrique envisagée, - la réalisation à partir dudit substrat d'un oscillateur électromécanique plan, et étant suspendu entre deux ouvertures, la réalisation d'une cavité traversante dans ledit oscillateur, la réalisation d'un canal pour le passage du fluide, ledit canal étant en communication fluidique avec ladite cavité traversante ménagée dans l'oscillateur.
L'invention se rapporte également à une méthode de détection gravimétrique de particules en milieu fluide, mise en œuvre avec un oscillateur électromécanique plan, comprenant les étapes suivantes : a) générer un flux de fluide pour amener du fluide au contact de l'oscillateur; dans la cavité traversante ; b) mettre en vibration l'oscillateur à une fréquence initiale et selon un mode vibratoire déterminé ; c) détecter la fréquence de vibration de l'oscillateur ; d) détecter une modification de la fréquence par rapport à la fréquence de vibration initiale de l'oscillateur.
Par convention, les étapes de ce procédé sont faites dans l'ordre alphabétique.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention :
- la méthode de détection gravimétrique peut comprendre une étape e) de récupération et de traitement de données de détection générées aux étapes c) et d) ;
- la fréquence de vibration initiale peut être une fréquence de résonance de l'oscillateur ;
- le mode vibratoire peut être pris dans le groupe constitué par le mode vibratoire de Lamé, le mode vibratoire d'extension volumique, le mode vibratoire dit de « verre à vin », un mode vibratoire hors- plan, et un mode de flexion ;
- les étapes b) à d) peuvent être mises en œuvre par des électrodes disposées dans le même plan que l'oscillateur et à une distance déterminée de l'oscillateur ;
- la méthode de détection gravimétrique peut mettre en œuvre un oscillateur carré et quatre électrodes disposées chacune en regard de l'un des côtés de l'oscillateur, la mise en vibration de l'oscillateur prévue à l'étape b), étant précédée d'une étape b1) dans laquelle au moins deux électrodes consécutives sont alimentées en champ sinusoïdal en opposition de phase et à une fréquence déterminée caractéristique des particules à détecter ;
- l'étape b1) peut être précédée d'une étape bO) dans laquelle le flux de fluide est arrêté ;
- la méthode de détection gravimétrique peut comprendre une étape aO) préalable à l'étape a), dans laquelle la surface de la cavité ménagée dans l'oscillateur est recouverte au moins partiellement par des éléments de reconnaissance moléculaire ; et/ou
- les étapes b) à d) peuvent être mises en œuvre par des moyens intégrés à l'oscillateur.
L'invention se rapporte également à une méthode de détermination de cinétique d'interaction entre une molécule et un élément de reconnaissance moléculaire complémentaire, utilisant la méthode de détection gravimétrique précédente, et comprenant une étape d') de détection d'une nouvelle modification de la fréquence correspondant à un retour à la valeur de la fréquence de résonance de l'oscillateur, cette étape dJ) étant réalisée après l'étape d).
Selon une autre caractéristique, les étapes b), c), d) et d') peuvent être mises en œuvre par des électrodes disposées dans le même plan que l'oscillateur.
Enfin, l'invention se rapporte à un oscillateur électromécanique pour un dispositif de détection gravimétrique selon l'invention, ledit oscillateur étant plan, une cavité traversante étant ménagée dans ledit oscillateur.
D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après faite en référence aux figures qui représentent, respectivement :
- la figure 1 , une vue schématique en perspective d'une partie inférieure d'une fraction d'un détecteur gravimétrique selon l'invention ; - la figure 2, une vue schématique en perspective du détecteur de la figure 1 et complété en partie ;
- la figure 3, une vue schématique en plan d'un détecteur selon l'invention muni de moyens de suspension de l'oscillateur selon un premier mode de réalisation ;
- la figure 4, une vue schématique en perspective d'un détecteur selon l'invention muni de moyens de suspension de l'oscillateur selon un deuxième mode de réalisation ;
- les figures 5 à 11 , des vues schématiques de substrats pour un mode de fabrication préféré d'un détecteur selon l'invention à différentes étapes de la réalisation ;
- la figure 12, une représentation schématique de la commande des électrodes pour la mise en œuvre d'une méthode de détection gravimétrique selon l'invention ; et - la figure 13, une vue schématique en perspective d'un détecteur selon l'invention muni de piliers.
Un dispositif de détection gravimétrique selon l'invention, représenté en figure 1 , comprend un oscillateur électromécanique plan 1 comportant un fond 1a carré et des flancs 1c définissant une cavité traversante 1b. En regard de chacun des flancs, et à une distance g déterminée (voir figure 3), une électrode 2a, 2b, 2c et 2d est disposée dans le même plan que l'oscillateur. Dans l'ensemble de la demande, on entend par une disposition dans le même plan, le fait que les électrodes sont en regard des flancs de l'oscillateur, parallèles à son fond et sensiblement de même épaisseur. D'autre part, la distance g doit être aussi petite que possible, sa valeur étant limitée principalement par la résolution des outils de lithographie ainsi que par l'épaisseur TSQ de la plaque 1 (typiquement g est de l'ordre de TSQ/10 et supérieur à 100nm).
En référence à la figure 2, est illustrée la paroi 1d, opposée au fond 1a.
En outre, l'oscillateur 1 est supporté par des moyens de support au-dessus d'une ouverture 3 (voir figure 11) de telle sorte qu'il puisse entrer en vibration, de préférence à sa fréquence de résonance (selon un mode de lamé, ou d'extension volumique par exemple), sensiblement dans son plan, par couplage électrostatique par l'intermédiaire des électrodes. Ce faisant, le détecteur gravimétrique selon l'invention présente un coefficient de qualité élevé puisque le volume de fluide déplacé est localisé à l'intérieur de la cavité traversante de l'oscillateur.
Cette mise en vibration est rendue possible non seulement par l'ouverture 3 mais également par une ouverture 61 (figure 10) ménagée au-dessus de l'oscillateur et par les distances g séparant l'oscillateur des électrodes.
Le dispositif comporte en outre, un canal 4 de passage d'un fluide agencé pour être en communication fluidique avec la cavité traversante 1b de l'oscillateur 1. Ainsi, comme illustré par la flèche F en figure 2, le fluide entre dans le dispositif par une entrée fluidique E, traverse la cavité de l'oscillateur puis ressort du dispositif par la sortie fluidique S.
Ainsi, le fluide analysé par le dispositif est isolé de manière étanche de l'environnement dans lequel l'oscillateur est actionné et qui est, préférentiellement, un milieu sec.
Selon un mode préféré de réalisation, l'oscillateur électromécanique plan se présente sous la forme d'une plaque avec une largeur Lsq et une épaisseur Tsq telle que le rapport Lsq / Tsq de la largeur sur l'épaisseur est compris entre 10 et 30, de préférence 10. De cette manière, la plaque présente un comportement vibratoire différent d'une membrane.
Dans un mode préféré de réalisation, les moyens de support sont répartis aux quatre sommets de l'oscillateur. Ils peuvent se présenter sous la forme de pièces massives telles que des pavés 6 et des paires de bras 7, comme illustré sur la figure 1. Sur cette figure, on voit que les deux pièces 6 et respectivement les deux paires de bras 7 sont dans le prolongement des diagonales de l'oscillateur 1. Lesdites paires de bras sont usinées de sorte à permettre la circulation de fluide au sein de la cavité 1b traversant l'oscillateur 1. Alternativement, les moyens de support peuvent se limiter à deux paires de bras 7 qui peuvent être disposées de façon diamétralement opposée dans le prolongement des diagonales de l'oscillateur 1 , ou disposées à deux sommets adjacents de ce dernier. Enfin, une dernière configuration consiste à n'utiliser qu'un seul pavé 6 et deux paires de bras 7 comme moyens de support. Comme illustré sur la figure 4, les moyens de support peuvent également se présenter sous la forme de paires de bras 7 et de fourches 10 comprenant un manche 11 et deux dents 12, les bras et les fourches étant dans le prolongement des diagonales de l'oscillateur et les dents de la fourche étant reliées à une pièce massive 13. La longueur Lm du manche 11 de la fourche est choisie de telle sorte que le manche puisse vibrer de préférence en extension longitudinale, alternativement en flexion latérale, lorsque l'oscillateur vibre, de préférence à une fréquence de résonance de l'oscillateur (mode de Lamé, mode d'extension volumique, ou « verre à vin » s'il s'agit d'un anneau ou d'un disque par exemple).
Par ailleurs, la largeur lm du manche équivaut à Lsq/10, où Lsq désigne la largeur de l'oscillateur 1. La largeur "a" de contact entre les pavés 6 ou les bras 7 et l'oscillateur 1 est choisie, quant à elle, pour que ces moyens de support soutiennent solidement l'oscillateur, tout en altérant le moins possible la vibration de l'oscillateur selon les modes vibratoires souhaités. Pour ce faire, les règles de dimensionnement respectent la condition suivante:
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Les moyens d'actionnement sont mis en œuvre et agencés par rapport à l'oscillateur pour que celui-ci puisse entrer en vibration, dans son plan, selon un mode de vibration déterminé. Selon la manière dont sont activés les moyens d'actionnement, l'oscillateur peut vibrer selon différents modes, tels que le mode de Lamé, le mode d'extension volumique ou, selon le mode dit « du verre à vin » (en particulier pour un oscillateur circulaire ou annulaire). L'oscillateur 1 peut être mis en vibration, dans son plan, par couplage électrostatique, par l'intermédiaire d'au moins une des quatre électrodes 2a à 2d, ou, dans un mode préféré, de deux électrodes adjacentes. L'oscillateur 1 peut également être mis en vibration hors de son plan et selon un mode de flexion. Cependant, une telle mise en œuvre diminuera le facteur de qualité de l'oscillateur.
Afin de miniaturiser les différents éléments du dispositif de détection gravimétrique, il est souhaitable de les réaliser à l'aide de techniques de micro ou nanostructuration d'un substrat pouvant être constitué soit d'une couche de polysilicium déposé sur un oxyde thermique, soit d'un substrat de SOI (Silicon On Isolator). Ce dernier substrat est constitué de deux couches de silicium monocristallin entre lesquelles est disposée une couche de dioxyde de silicium (SiO2).
Dans la suite de la présente description, les exemples de réalisation seront décrits pour un dispositif de détection gravimétrique usiné sur des substrats SOI d'orientation cristallographique (100). Alternativement, les substrats SOI utilisés peuvent être orientés selon le plan cristallographique (110). L'un des avantages de cette technologie repose sur la plus faible sujétion aux mécanismes de dissipation mécanique que celle des matériaux polycristallins (par exemple le polysilicum) dans lesquels sont souvent observés des phénomènes de relaxation des joints de grain.
Ainsi, lorsque qu'un substrat SOI est utilisé, l'oscillateur illustré en figure 4 est fabriqué pour que les flancs 1c de la plaque et les électrodes 2a à 2d présentent une orientation cristallographique dans la direction <110>. Les flancs d'un manche et des deux dents de chaque fourche des moyens de suspension présentent, alors, une orientation cristallographique dans la direction <100>. La réalisation d'un dispositif de détection gravimétrique selon l'invention comprend, d'une manière générale, les étapes suivantes : sélection d'un substrat approprié à la détection gravimétrique envisagée, réalisation à partir dudit substrat d'un oscillateur électromécanique plan, et suspendu entre deux ouvertures, réalisation d'une cavité traversante dans l'oscillateur, et réalisation d'un canal pour le passage du fluide, le canal étant en communication fluidique avec la cavité traversante ménagée dans l'oscillateur.
Un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention est illustré dans les figures 5 à 12.
Pour une détection gravimétrique de masse à l'échelle du kilo- dalton (kDa), voire en dessous de cette échelle, un substrat approprié peut être un substrat de silicium SOI. Selon le mode de réalisation décrit, le procédé de fabrication consiste à réaliser l'oscillateur en deux parties, à savoir une première partie réalisée sur un premier substrat de SOI 20 et une deuxième partie réalisée par un deuxième substrat de SOI 30 scellé sur le premier substrat. Par ailleurs, les autres composants (moyens de support, ouverture, électrodes, canal) du dispositif de détection gravimétrique sont également structurés sur ces substrats 20-30 de SOI. Plus précisément, le premier substrat de SOI 20, illustré en figure 5, comprend une couche 21 de silicium monocristallin, qui peut être fortement dopé (la concentration des porteurs de charge pouvant être supérieure à 5.1018 atomes par cm3), de type P ou N, d'une épaisseur comprise entre 1 et 5μm, et plus particulièrement 3μm dans un mode préféré de réalisation. Sous cette couche 21 , est disposée une couche 22 de dioxyde de silicium isolant (SiO2) enterrée, d'une épaisseur d'environ 1 à 3 μm. Sous cette couche 22, est disposée une couche 23 de silicium monocristallin, à haute résistivité (p >1000 ohm. cm), dans un mode préféré de réalisation, et orientée selon le plan cristallographique (100). Cette couche 23 présente une épaisseur d'environ 725 μm.
Dans une première étape facultative, illustrée en figure 6, des marques d'alignement 24 peuvent être réalisées sur la surface extérieure de la couche 21. Ces marques permettront un alignement plus précis des deux substrats 20 et 30 lors de la deuxième étape. Dans une deuxième étape, la cavité traversante 1b de l'oscillateur 1 est gravée dans la couche supérieure 21 de silicium dopé du substrat SOI 20. Cette cavité 1b présente, de préférence, une profondeur ei de 1 ,5μm et une largeur h de 3μm. Dans un mode de réalisation particulier, ladite cavité peut inclure des piliers 70 (voir figure 13), espacés entre eux à intervalle régulier ou non, selon leur position dans la cavité traversante. Le canal 4 de circulation du fluide est également structuré dans la couche supérieure 21 de silicium dopé, en communication fluidique avec la cavité 1b du futur oscillateur. De préférence, comme illustré en figure 7, le canal présente une largeur femax maximale d'environ 110 μm, cette largeur diminuant progressivement jusqu'à atteindre une largeur minimale l2min égale à la largeur h de la cavité, c'est-à-dire, dans le mode de réalisation illustré, 3μm. Ce canal 4 peut également contenir des piliers.
Lesdits piliers peuvent être disposés en amont et/ou en aval de la cavité 1b usinée dans l'oscillateur (c'est-à-dire avant et/ou après le passage des bras 7 indiqués en figure 1). En amont de l'oscillateur, ils peuvent servir à capturer les molécules qui ne sont pas d'intérêt et qui sont amenées par l'entrée fluidique E. Pour cela, l'espacement entre ces piliers est ajusté de sorte à laisser circuler de l'entrée E à la sortie S les molécules d'intérêt mais pas les autres molécules. Disposer des piliers en aval de l'oscillateur permet d'intervertir le sens de circulation du fluide et, ainsi de faciliter l'utilisation du dispositif de détection selon l'invention qui ne dépend pas du sens d'écoulement du fluide.
Lorsque les piliers sont intégrés dans l'oscillateur, ils servent à supporter et à renforcer la paroi 1d recouvrant la cavité 1b ménagée au sein de l'oscillateur. Ils servent également à augmenter l'aire de capture disponible pour le greffage des objets biologiques d'intérêt, afin d'accroître la probabilité de capture et la sensibilité du capteur.
Les piliers ont une section transversale de forme circulaire, elliptique ou polygonale.
Le second substrat de SOI 30, illustrée en figure 8, comprend une couche 31 de silicium monocristallin qui peut être fortement dopé (la concentration des porteurs de charge pouvant être supérieure à 5.1018 atomes par cm3), de type P ou N, d'une épaisseur comprise entre 100 et 340 nm, et plus particulièrement 160 nm dans un mode préféré de réalisation. Sur cette couche 31 est disposée une couche 32 de dioxyde de silicium isolant (S1O2) enterrée, d'une épaisseur d'environ 1 à 3 μm. Sur cette couche 32, est disposée une couche 33 de silicium monocristallin, à haute résistivité (p >1000 ohm. cm) dans un mode préféré de réalisation, et orientée selon le plan cristallographique (100). Cette couche 33 présente une épaisseur d'environ 725 μm.
Le substrat SOI 30 peut être lui aussi structuré afin d'y définir des marques d'alignement 34 sur la surface extérieure de sa couche 31 , ainsi que des ouvertures E et S (voir figure 2) pour permettre d'accéder au canal 4 de circulation du fluide usiné dans la couche supérieure 21 du substrat 20, une fois que les deux substrats seront assemblés. Le deuxième substrat 30 a également été structuré en vue des étapes de lithographie ultérieures nécessaires à la réalisation dans le dispositif final des électrodes, des moyens de support et de l'oscillateur et, plus particulièrement, leur alignement par rapport au canal 4 de circulation du fluide usiné dans la couche supérieure 21 du substrat 20.
Dans une troisième étape, illustrée en figure 8, le second substrat de SOI 30 est aligné, déposé et scellé sur le premier substrat 20, de sorte que la couche 31 de silicium monocristallin fortement dopée, identique à celle 21 du premier substrat 20, recouvre la cavité 1b qui a été structurée lors de la première étape.
Dans une quatrième étape, illustré à la figure 9, la couche 33 en silicium du deuxième substrat de SOI 30 est amincie, par exemple une gravure chimique avec du TMAH (Tetramethylammonium hydroxide). Puis la couche de dioxyde de silicium enterrée 32 est retirée par gravure chimique de sorte qu'il ne subsiste plus que la couche 31 de silicium fortement dopée.
Par ailleurs, l'ensemble 20-30 subit une lithographie et une gravure sèche de manière à délimiter les flancs 1c de l'oscillateur 1 (voir figure 10). D'autre part, une couche 40 de matériau isolant électrique est formée par oxydation thermique ou dépôt conforme ALD (Atomic Layer Déposition) d'un oxyde « high-k » (haute permittivité) de type AI2O3 ou HFO2 sur les zones destinées à rentrer en contact avec le fluide, pour éviter l'apparition de courants de fuite en milieu aqueux.
Une résine est ensuite étalée sur cette face puis exposée à travers un masque pour graver localement, par photolithographie, ce dépôt de matériau isolant, afin de dégager ce dernier sur les futurs plots de contact électrique.
Après retrait de la résine, une couche de métal 41 est déposée en face avant de l'ensemble 20-30. Une résine est ensuite étalée sur cette face puis exposée à travers un masque pour y définir un moule qui servira à la définition des électrodes par électrolyse. Cette croissance électrolytique (à base d'Or préférentiellement) est suivie du retrait chimique de la résine, et de la couche de métal déposée au préalable.
Enfin, un capot 50, sous lequel est déposée une couche structurée 60 d'un matériau biocompatible, est déposé sur l'ensemble 20-30 de sorte à ménager une ouverture 61 au dessus de l'oscillateur 1. Le capot 50 est transparent, de préférence, en verre ou en Pyrex®. Il peut être usiné de façon à pouvoir réaliser des tests sous pointes et reprendre les contacts sur des plots de polarisation de l'oscillateur situés en périphérie de l'ensemble 20-
30 et reliés électriquement à l'oscillateur via les moyen de support. La couche 60 est, de préférence, constituée d'un polymère biocompatible ou d'une couche en silicium hautement résistif.
Enfin, une ouverture 3 est gravée sous l'oscillateur 1 , dans les couches 22 et 23, pour lui permettre d'entrer en vibration selon un mode vibratoire déterminé (figure 11). Une méthode de détection gravimétrique de particules en milieu fluide selon l'invention consiste à mettre en œuvre l'oscillateur électromécanique décrit précédemment. Cette mise en oeuvre comprend les étapes suivantes :
(a) générer un flux de fluide pour amener du fluide au contact de l'oscillateur dans la cavité traversante 1b ; b) mettre en vibration l'oscillateur 1 à une fréquence initiale et selon un mode vibratoire déterminé ; c) détecter la fréquence de vibration de l'oscillateur 1 ; d) détecter une modification de la fréquence par rapport à la fréquence de vibration initiale de l'oscillateur 1.
La mise en vibration de l'oscillateur à sa fréquence initiale peut être faite selon plusieurs modes vibratoires. Dans un mode préférentiel de réalisation de l'invention, pour lequel l'oscillateur serait constitué d'une plaque carrée, grâce à la disposition des électrodes en face de chaque bord de l'oscillateur et dans le même plan que la plaque, les modes vibratoires qui peuvent être utilisés, avec de bons résultats, sont le mode vibratoire de Lamé, le mode vibratoire d'extension volumique (ou mode dit de respiration), et le mode dit de « verre à vin » lorsque l'oscillateur est un disque ou un anneau circulaire.
De préférence, la fréquence de vibration initiale est une fréquence de résonance de l'oscillateur. Selon le mode vibratoire de Lamé, les quatre coins de l'oscillateur et son centre constituent des noeuds de vibration (déplacement nul et perte d'énergie minimale). L'onde de cisaillement qui est associée à ce mode de vibration se propage selon les diagonales du carré, de sorte qu'au mode fondamental, les déformés de deux côtés consécutifs du carré sont déphasés de π l'un par rapport à l'autre. Il en résulte un mode isochore, ce qui permet une réduction significative des pertes thermo-élastiques à travers la structure mise en vibration, contrairement aux poutres encastrées (bi- encastrées ou en porte-à-faux) qui sont sollicitées en flexion. Autrement dit, le mode de Lamé permet une amélioration significative du facteur de qualité car les coins de la plaque carrée constituent les nœuds de vibration. Ils ne subissent, ainsi, quasiment aucune contrainte mécanique lors de la vibration, de sorte que cette vibration n'est pas dissipée au reste du dispositif. Toute la vibration est concentrée sur l'oscillateur de sorte que le moindre dépôt d'une molécule sur sa surface ou retrait d'une molécule de sa surface peut être détecté.
Pour obtenir une vibration de l'oscillateur selon le mode de Lamé, au moins une électrode disposée en face d'un bord de l'oscillateur est alimentée à l'aide d'un signal alternatif Vjn, de fréquence de résonnance fjn correspondant au mode de Lamé attendu. L'oscillateur est polarisé par l'intermédiaire de l'un de ses moyens de support qui est alimenté par un signal de tension continue VDc dont le rôle est d'agir sur l'amplitude de la force électrostatique de mise en vibration, et sur la valeur de la fréquence de résonance de l'oscillateur. Dans un mode préférentiel, pour faire vibrer l'oscillateur selon le mode de lamé, deux électrodes (2a et 2b par exemple), situées en face de deux bords consécutifs de la plaque, sont polarisées avec le même signal vin, mais déphasé de π l'une par rapport à l'autre, tandis que l'oscillateur reste polarisé à l'aide du signal de tension continue VDc-
La détection de la fréquence de vibration se fait préférentiellement par couplage capacitif par l'intermédiaire d'un courant lout généré par la modulation de la capacité de transduction entre l'oscillateur mis en vibration et au moins l'une des électrodes qui ne serait pas alimentée par le signal alternatif vm (voir figure 12). Ainsi, le courant capacitif de sortie loυt est mesuré au moins sur l'une des électrodes 2c ou 2d qui n'est pas commandée par le signal d'excitation vm. Dans un mode préféré de l'invention, ce courant lout résulte de la somme de deux courants iouti et /0Uf2) issus du couplage capacitif entre la plaque en mouvement et de deux électrodes adjacentes 2c ou 2d qui ne sont pas alimentées par le signal alternatif vm. Le courant louti est inversé avant addition avec le courant lout2-
Pour obtenir une vibration selon le mode d'extension volumique, au moins une électrode disposée en face d'un bord de l'oscillateur est alimentée par un signal alternatif vin de fréquenc e de résonnance fm correspondant au mode d'extension volumique attendu, se superposant à un signal de tension continue VDC dont le rôle est d'agir sur l'amplitude de la force électrostatique de mise en vibration, et sur la valeur de la fréquence de résonance de l'oscillateur. Dans un mode préférentiel, pour exciter le mode d'extension volumique, on polarisera les quatre électrodes en face des bords de la plaque avec le même signal vin, se superposant à un signal de tension continue VDC. La détection de la fréquence de vibration se fait par l'intermédiaire d'un courant lout détecté au niveau de l'un des moyens de support 6 (voir figure 12).
Dans le mode vibratoire d'extension volumique, la forme de la plaque est conservée (carrée) et ses flancs vibrent en phase (dilatation et contraction) par opposition au mode de Lamé pour lequel deux côtés voisins vibrent en déphasage de π l'un par rapport à l'autre.
Ainsi, lorsque le fluide circule à l'intérieur du canal 4 et dans la cavité 1b, et que l'oscillateur vibre à sa fréquence de résonance, il est possible d'observer une variation de la fréquence de résonance lors du dépôt de particules sur les parois de la cavité 1b de l'oscillateur 1 ou, au contraire, lorsque des particules se sont détachées de ces parois et sont de nouveau en solution.
La méthode de détection gravimétrique selon l'invention comprend une étape e) de récupération et de traitement de données de détection générées aux étapes c) et d), ces données permettant de déduire, par exemple, la masse des particules qui se sont déposées sur l'oscillateur, ou qui se sont détachées de ce dernier et sont de nouveau dans le fluide.
Deux méthodes peuvent être utilisées pour améliorer la détection de particules avec le dispositif de détection selon l'invention. Ces méthodes peuvent être combinées entre elles.
Une première méthode consiste à recouvrir au moins partiellement la surface de la cavité 1b au sein de l'oscillateur avec des éléments de reconnaissance moléculaire. En présence de piliers au sein de la cavité traversante 1b, ces éléments pourront également recouvrir ces derniers. Les éléments se lient spécifiquement avec les molécules que l'on souhaite détecter et permettent une détection ciblée de ces molécules dans un fluide comportant des molécules de types différents.
Une deuxième méthode, illustrée en figure 12, est basée sur l'effet diélectrophorétique. Elle est permise par la configuration quadripolaire des électrodes du dispositif.
Ainsi, lorsque la mise en vibration de l'oscillateur prévue à l'étape b), est précédée d'une étape b1) dans laquelle au moins deux électrodes consécutives sont alimentées en champ sinusoïdal en opposition de phase et à une fréquence déterminée f caractéristique des particules à détecter, et ce pendant l'intervalle de temps [0 ; Ts], un phénomène de piégeage est obtenu en maintenant en "lévitation" les particules que l'on souhaite détecter au-dessus du fond 1a de la cavité 1b de l'oscillateur.
De préférence, deux électrodes en regard sont alimentées en champ sinusoïdal à une fréquence déterminée (f) caractéristique des particules à détecter, au même potentiel +V0, les deux autres électrodes étant en opposition de phase, au potentiel -V0 (configuration dite « à champ alterné »). Ce faisant, le phénomène de piégeage est obtenu au-dessus du centre du fond 1a de la cavité 1b de l'oscillateur.
L'étape b1) est préférentiellement précédée d'une étape bO) dans laquelle le flux de fluide dans le canal est arrêté. Cette étape bO) améliore ainsi le piégeage. Ensuite, les électrodes sont alimentées pendant l'intervalle de temps [Ts ; 2Ts], de manière à faire vibrer l'oscillateur selon un mode vibratoire déterminé (mode de Lamé, mode d'extension volumique, mode du verre à vin s'il s'agit d'un disque ou anneau par exemple, ou autre). Durant cet intervalle, les molécules se déposent sur le fond 1a de la cavité 1b de l'oscillateur puisqu'elles ne sont plus ni entraînées par le fluide, ni maintenues en lévitation par l'effet diélectrophorétique.
La méthode de détection gravimétrique selon l'invention peut être utilisée pour déterminer une cinétique d'interaction entre une molécule et un élément de reconnaissance moléculaire complémentaire disposé sur une paroi quelconque de la cavité. Dans ce cas, la méthode consiste, dans une étape d), à détecter une première modification de fréquence de vibration de l'oscillateur lorsque la molécule se fixe sur l'élément de reconnaissance moléculaire disposé à la surface de la cavité de l'oscillateur, puis, dans une étape d'), à détecter une nouvelle modification de la fréquence, correspondant à un retour à la valeur de la fréquence de résonance de l'oscillateur, lorsque la molécule se détache de l'élément de reconnaissance moléculaire. Cette étape d') est réalisée après l'étape d) de la méthode de détection gravimétrique. Cette méthode de détermination de cinétique d'interaction pourra être mise à profit dans le contexte de la dynamique moléculaire pour évaluer, par exemple, les constantes d'association/dissociation entre biomolécules très variées (protéines, DNA, RNA, polysaccharides, lipides, voire virus et cellules). Citons les interactions antigène-anticorps, anticorps- anticorps, hormone-récepteur, drogue-récepteur, enzyme-cofacteur/inhibiteur, protéine-ADN, protéine-ARN, ADN-ADN, lipoprotéine-enzyme, protéine- peptide, phages-anticorps, etc.
Le dispositif de détection gravimétrique selon l'invention peut permettre également le suivi de trajectoire de particules circulant au sein de la cavité traversante par le biais de la mesure en continu de la fréquence de vibration de l'oscillateur. En effet, outre la masse des particules d'intérêt, leur position au sein de la cavité ménagée dans l'oscillateur va influer sur le décalage de la fréquence de vibration de ce dernier (comme il expliqué en détails pour une poutre en porte-à-faux dans l'article de S. Manalis et al., "Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid", Nature 446, Apr 26 2007, (7139): 1066-1069). Ce mode de fonctionnement implique qu'il n'y ait pas de capture d'objets d'intérêt sur les parois de l'oscillateur et donc il convient de ne pas greffer d'éléments de reconnaissance moléculaire dans la cavité de l'oscillateur.
Le dispositif de détection gravimétrique selon l'invention présente de nombreux avantages par rapport aux dispositifs de l'état de la technique constitué par des poutres encastrées (bi-encastrées ou en porte-à- faux). Le dispositif de détection gravimétrique selon l'invention est plus sensible et plus efficace qu'une poutre équivalente munie d'une veine fluidique. Il permet également d'utiliser des techniques de structuration de taille supérieure et donc moins chères.
Par ailleurs, son encombrement est réduit car les moyens d'actionnement et de détection sont intégrés à l'oscillateur, en ce sens qu'ils sont réalisés dans le même substrat et le même plan que ce dernier. D'autre part, les techniques de fabrication utilisées sont compatibles avec une intégration de l'électronique de conditionnement (amplificateur transimpédance, déphaseur ...) et de mise en forme du signal au voisinage de l'oscillateur.
La structure de l'oscillateur selon l'invention permet une détection gravimétrique de particules dont la masse minimale détectable est d'environ trente deux fois plus faible que celle détectée à l'aide des dispositifs de l'état de la technique sous forme de poutre munie d'une veine fluidique.
En outre, la mise en œuvre du dispositif selon l'invention peut être faite in vivo et ne nécessite pas un dépôt précis des particules sur l'oscillateur. Dans ce cas, le dispositif peut être implanté chez l'homme ou l'animal et les données sont émises par ondes radio vers un serveur externe.
D'autre part, le fait de faire circuler le fluide à l'intérieur de l'oscillateur permet de s'affranchir des forces hydrodynamiques et optimise la sensibilité du capteur. Son coefficient de qualité est également amélioré par rapport à un oscillateur sous forme d'une plaque vibrant entre deux canaux fluidiques, car ce dernier déplace une quantité de liquide supérieure à celle déplacée par un dispositif selon l'invention.
Enfin, l'oscillateur selon l'invention ne nécessite aucune étape de calibrage, contrairement au dispositif de TEVA. Selon d'autres modes de réalisation, l'oscillateur peut être un polygone et les moyens de support disposés à au moins un sommet de l'oscillateur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif pour la détection gravimétrique de particules en milieu fluide, comprenant un oscillateur électromécanique (1) plan, des moyens de support de l'oscillateur et des moyens d'actionnement dudit oscillateur, lesdits moyens étant agencés pour assurer la vibration de l'oscillateur (1) dans son plan, ledit dispositif comportant en outre un canal (4) pour le passage du fluide, ledit canal étant en communication fluidique avec une cavité traversante (1b) ménagée dans ledit oscillateur.
2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel l'oscillateur électromécanique présente une forme prise parmi un disque, un anneau et un polygone, de préférence un carré.
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou
2, dans lequel lesdits moyens d'actionnement se présentant sous la forme d'au moins une électrode (2a, 2b, 2c, 2d) disposée dans le même plan que celui de l'oscillateur, et à une distance déterminée (g) de l'oscillateur.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à
3, dans lequel l'oscillateur est de forme carrée et présente une largeur (Lsq) et une épaisseur (Tsq) telles que le rapport de la largeur sur l'épaisseur (Lsq/Tsq) est compris entre 10 et 30, de préférence 10.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à
4, dans lequel l'oscillateur est un polygone et les moyens de support sont répartis sur au moins un sommet de l'oscillateur.
6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel dans le cas d'un l'oscillateur électromécanique carré, les moyens de support sont disposés aux quatre sommets dudit oscillateur.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens de support se présentent sous la forme de pièces massives, telles que des pavés (6).
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou
6, dans lequel à chaque sommet de l'oscillateur, les moyens de support comprennent une fourche (10) comprenant un manche (11) et deux dents (12), orientés dans le prolongement d'une diagonale de l'oscillateur passant par ledit sommet, les dents étant reliées à une pièce massive (13).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel à chaque sommet de l'oscillateur, les moyens de support comprennent une poutre orientée dans le prolongement d'une diagonale de l'oscillateur passant par ledit sommet, la poutre étant reliée à une pièce massive.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel ledit oscillateur électromécanique est obtenu à partir d'un substrat métallique.
11. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel ledit oscillateur électromécanique est obtenu à partir d'un substrat polycristallin.
12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel ledit oscillateur électromécanique est obtenu à partir d'un substrat monocristallin.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, dans lequel le substrat est à base de silicium.
14. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel ledit substrat monocristallin est orienté selon le plan cristallographique (100) ou, alternativement, selon le plan cristallographique (110).
15. Dispositif selon les revendications 1 à 14, dans lequel ladite cavité traversante de l'oscillateur est au moins partiellement recouverte par des éléments de reconnaissance moléculaire.
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à
15, dans lequel ladite cavité traversante de l'oscillateur et/ou le canal contient des piliers dont la section transversale est de forme prise parmi un cercle, une ellipse, et un polygone.
17. Procédé de réalisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 16, comprenant les étapes suivantes : la sélection d'un substrat approprié à la détection gravimétrique envisagée, la réalisation à partir dudit substrat d'un oscillateur (1) électromécanique plan, et étant suspendu entre deux ouvertures (3, 61), la réalisation d'une cavité traversante (1b) dans ledit oscillateur, la réalisation d'un canal (4) pour le passage du fluide, ledit canal étant en communication fluidique avec ladite cavité traversante (1b) ménagée dans l'oscillateur.
18. Méthode de détection gravimétrique de particules en milieu fluide, mise en oeuvre avec un oscillateur électromécanique plan comportant une cavité traversante et comprenant les étapes suivantes : a) générer un flux de fluide pour amener du fluide au contact de l'oscillateur; dans la cavité traversante (1b), b) mettre en vibration l'oscillateur à une fréquence initiale et selon un mode vibratoire déterminé ; c) détecter la fréquence de vibration de l'oscillateur ; d) détecter une modification de la fréquence par rapport à la fréquence de vibration initiale de l'oscillateur.
19. Méthode de détection gravimétrique selon la revendication 18, comprenant une étape e) de récupération et de traitement de données de détection générées aux étapes c) et d).
20. Méthode de détection gravimétrique selon l'une quelconque des revendications 18 ou 19, dans laquelle la fréquence de vibration initiale est une fréquence de résonance de l'oscillateur.
21. Méthode de détection gravimétrique selon l'une quelconque des revendications 18 à 20, dans laquelle le mode vibratoire est pris dans le groupe constitué par le mode vibratoire de Lamé, le mode vibratoire d'extension volumique, le mode vibratoire dit de « verre à vin », un mode vibratoire hors-plan, et un mode de flexion.
22. Méthode détection gravimétrique selon l'une quelconque des revendications 18 à 21 , dans laquelle les étapes b) à d) sont mises en oeuvre par des électrodes (2a à 2d) disposées dans le même plan que l'oscillateur et à une distance déterminée (g) de l'oscillateur.
23. Méthode de détection gravimétrique selon la revendication 22, mettant en œuvre un oscillateur carré et quatre électrodes disposées chacune en regard de l'un des côtés de l'oscillateur, dans laquelle la mise en vibration de l'oscillateur prévue à l'étape b), est précédée d'une étape b1) dans laquelle au moins deux électrodes consécutives sont alimentées en champ sinusoïdal en opposition de phase et à une fréquence déterminée (/) caractéristique des particules à détecter.
24. Méthode de détection gravimétrique selon la revendication 23, dans laquelle l'étape b1) est précédée d'une étape bO) dans laquelle le flux de fluide est arrêté.
25. Méthode de détection gravimétrique selon l'une des revendications 18 à 24, comprenant une étape aO) préalable à l'étape a), dans laquelle la surface de la cavité dudit oscillateur est recouverte au moins partiellement par des éléments de reconnaissance moléculaire.
26. Méthode détection gravimétrique selon les revendications
18 à 25, dans laquelle les étapes b) à d) sont mises en œuvre par des moyens intégrés à l'oscillateur.
27. Méthode de détermination de cinétique d'interaction entre une molécule et un élément de reconnaissance moléculaire complémentaire, utilisant la méthode de détection gravimétrique selon l'une des revendications 18 à 26, et comprenant une étape d') de détection d'une nouvelle modification de la fréquence correspondant à un retour à la valeur de la fréquence de résonance de l'oscillateur, cette étape d') étant réalisée après l'étape d).
28. Méthode de détermination de cinétique d'interaction entre une molécule et un élément de reconnaissance moléculaire complémentaire selon la revendication 27, dans laquelle les étapes b), c), d) et d') sont mises en œuvre par des électrodes (2a à 2d) disposées dans le même plan que l'oscillateur.
29. Oscillateur électromécanique pour un dispositif de détection gravimétrique de particules en milieu fluide, conforme à l'une des revendications 1 à 16, ledit oscillateur étant plan, une cavité traversante étant ménagée dans ledit oscillateur.
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