Stage Master 2ème année ou Projet de Fin d`études - Femto-ST

Stage Master 2ème année ou Projet de Fin d’études
Modélisation d’un capteur biologique gravimétrique pour la détection et la
quantification de molécules
Laboratoire d’accueil : Institut Femto-ST – Département Mécanique Appliquée
Domaine : simulation numérique pour les microsystèmes
Personne à contacter : Vincent Walter - 03 81 66 67 27 - [email protected]
Financement : 533,40 €/mois (valeur lissée pour un stage de 6 mois entre mars et août 2016)
Contexte général :
Dans le domaine biomédical, la recherche de biomarqueurs est un point clé pour le dépistage ou le
diagnostic de maladies. Les biocapteurs utilisés aujourd’hui sont de plus en plus sophistiqués et
intégrés. Ils permettent de quantifier de manière fiable, rapide et précise certains processus
biologiques. Pour répondre à la grande diversité des processus biologiques à quantifier, les systèmes
développés intègrent différents éléments de reconnaissance et de transduction.
Deux techniques sont principalement employées aujourd’hui pour détecter puis quantifier ces
biomarqueurs en assurant un suivi en temps réel et sans marquage: une technique optique, la
résonance des plasmons de surface (SPR), et une technique gravimétrique, la microbalance à quartz
(QCM). Ces capteurs permettent la détection d’analytes avec une haute sensibilité, de l’ordre de
quelques femtomoles, et sont utilisés dans le dépistage de biomarqueurs spécifiques pour de
nombreuses applications diagnostics. Souvent mises en concurrence, ces deux techniques possèdent
chacune leurs avantages et inconvénients; l’inconvénient majeur des techniques SPR réside dans leur
encombrement qui ne permet pas d’envisager des applications nomades. Au contraire, les techniques
de mesure de masse, comme les QCM, sont généralement de petites dimensions et sont facilement
intégrables mais n’autorisent pas actuellement des mesures multiples simultanées.
L’équipe MEMS du Département Mécanique Appliquée développe depuis peu une collaboration avec
l’équipe BioMicroDevice du Département Micro Micro Nano Sciences & Systèmes. L’équipe
BioMicroDevice possède un savoir-faire et une expertise reconnue dans le domaine des biocapteurs à
base de matériau piézoélectrique de type AsGa, tant sur la partie microfabrication des dispositifs que
sur la partie fonctionnalisation. L’équipe MEMS possède une expérience de longue date dans le
INSTITUT FEMTO-ST – Département Mécanique Appliquée – 24 Chemin de l’Epitaphe - 25000 BESANÇON
Tél. +33 (0)3 81 66 60 00 - Fax +33 (0)3 81 66 67 00 - www.femto-st.fr
domaine de la modélisation mécanique, ainsi que sur les dispositifs à actionnement électrostatique.
La collaboration entre ces deux équipes a pour objectif de développer des biocapteurs ultrasensibles,
mettant en œuvre les compétences de chacune des deux équipes. C’est dans ce cadre que s’inscrit le
sujet proposé, qui reposera en l’occurrence sur les compétences en modélisation de l’équipe MEMS
du Département Mécanique Appliquée.
Objectifs de l’étude :
L’objectif du stage est la modélisation de structures mécaniques faiblement couplées pour réaliser des
biocapteurs à haute sensibilité.
La géométrie des structures mécaniques envisagées sera de type cantilever et/ou membrane.
Ces structures mécaniques faiblement couplées font intervenir un phénomène physique connu sous
le nom de localisation de modes. La présence de petites irrégularités dans des structures quasipériodiques peut inhiber la propagation d’une vibration et localiser les modes de vibration. En
présence d’un couplage interne faible, les déformées modales subissent des changements drastiques
pour devenir fortement localisées lorsqu’un petit désordre est introduit, confinant ainsi l’énergie
associée à un mode, dans une petite zone géométrique. L’intérêt de ce principe réside dans sa grande
sensibilité, estimée à deux ordres de grandeur supérieurs à celui d’une détection basée sur le shift en
fréquence.
En amont de l’étape de modélisation, une recherche bibliographique sera réalisée pour permettre un
état des lieux sur l’état de l’art de la modélisation, analytique et numérique, du phénomène de
localisation de modes.
La modélisation devra permettre de quantifier les performances attendues de capteurs utilisant ce
phénomène, avec une étude modale et une étude harmonique, en utilisant le logiciel Comsol ou Ansys.
Compte tenu des modes d’actionnement envisagés, électrostatique ou piézoélectrique, il s’agit d’une
modélisation multiphysique.
Les différents modèles à construire pourront explorer les paramètres suivants :
-
La nature de la structure mécanique : cantilever ou membrane
Le nombre d’éléments constitutif du réseau de la structure mécanique
La géométrie de la zone générant le couplage mécanique faible
L’influence du facteur de qualité
La nature du mode d’actionnement des structures : électrostatique ou piézoélectrique
Compétences requises : Simulation numérique sous COMSOL Multiphysics® ou ANSYS, Dynamique
des structures
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