Lateral porous silicon membranes for planar microfluidic applications
Membranes de silicium poreux latérales pour applications microfluidiques planaires
Résumé
Lab on a chip devices aim at integrating functions routinely used in medical laboratories into miniaturized chips to target health care applications with a promising impact foreseen in point-of-care testing. Porous membranes are of great interest for on-chip sample preparation and analysis since they enable size- and charge-based molecule separation, but also molecule pre-concentration by ion concentration polarization. Out of the various materials available to constitute porous membranes, porous silicon offers many advantages, such as tunable pore size, large porosity, convenient surface chemistry and unique optical properties. Porous silicon membranes are usually integrated into fluidic chips by sandwiching fabricated membranes between two layers bearing inlet and outlet microchannels, resulting in three-dimensional fluidic networks that lack the simplicity of operation and direct observation accessibility of planar microfluidic devices. To tackle this constraint, we have developed two methods for the fabrication of lateral porous silicon membranes and their monolithic integration into planar microfluidics. The first method is based on the use of locally patterned electrodes to guide pore formation horizontally within the membrane in combination with silicon-on-insulator (SOI) substrates to spatially localize the porous silicon within the channel depth. The second method relies on the fact that the formation of porous silicon by anodization is highly dependent on the dopant type and concentration. While we still use electrodes patterned on the membrane sidewalls to inject current for anodization, the doping via implantation enables to confine the membrane analogously to but instead of the SOI buried oxide box. Membranes with lateral pores were successfully fabricated by these two methods and their functionality was demonstrated by conducting filtering experiments. In addition to sample filtration, we have achieved electrokinetic pre-concentration and interferometric sensing using the fabricated membranes. The ion selectivity of the microporous membrane enables to carry out sample pre-concentration by ion concentration polarization with concentration factors that can reach more than 103 in 10 min by applying less than 9 V across the membrane. These results are comparable to what has already been reported in the literature using e.g. nanochannels with much lower power consumption. Finally, we were able to detect a change of the porous silicon refractive index through the shift of interference spectrum upon loading different liquids into the membrane. The work presented in this dissertation constitutes the first step in demonstrating the interest of porous silicon for all-in-one sample preparation and biosensing into planar lab on a chip.
Les laboratoires sur puce visent à miniaturiser et à intégrer les fonctions couramment utilisées dans les laboratoires d’analyse afin de cibler des applications en santé avec un impact prometteur sur le diagnostic médical au lit du patient. Les membranes poreuses sont d'un grand intérêt pour la préparation et l'analyse d’échantillon sur puce car elles permettent la séparation par taille/charge de molécules, mais également leur préconcentration. Parmi les matériaux disponibles pour constituer des membranes poreuses, le silicium poreux présente de nombreux avantages tels que le contrôle précis de la taille des pores et de la porosité, une chimie de surface pratique et des propriétés optiques uniques. Les membranes de silicium poreux sont généralement intégrées dans des puces fluidiques en les montant entre deux couches comportant des micro-canaux, formant ainsi des réseaux fluidiques à trois dimensions, peu pratiques et peu adaptés à l’observation directe par microscopie. Dans ces travaux de thèse, nous avons développé deux méthodes de fabrication de membranes de silicium à pores latéraux qui permettent leur intégration monolithique dans des systèmes microfluidiques planaires. Le premier procédé est fondé sur l'utilisation d'électrodes localement structurées afin de guider la formation de pores de manière horizontale, en combinaison avec des substrats type silicium sur isolant (SOI) pour localiser spatialement la formation de silicium poreux dans la profondeur du canal. La deuxième méthode repose sur le fait que la formation de silicium poreux par anodisation est fortement dépendante du type de dopant et de sa concentration. Bien que nous utilisons encore le même type d’électrodes structurées sur les parois latérales de la membrane pour injecter le courant lors de l'anodisation, le dopage par implantation permet de confiner la membrane, de façon analogue mais à la place de l'oxyde enterré du SOI. Des membranes à pores latéraux ont été fabriquées par ces deux méthodes et leur fonctionnalité a été démontrée en réalisant des expériences de filtrage. En plus de la filtration d'échantillon, les membranes ont été utilisées pour étudier la possibilité d’effectuer de la pré-concentration électrocinétique et de la détection interférométrique. La sélectivité
ionique des membranes microporeuse permet la pré-concentration moléculaire avec des facteurs de concentration pouvant atteindre jusqu'à 103 en 10 min en appliquant moins de 9 V. Ces résultats sont comparables à ceux rapportés dans la littérature à l'aide par exemple de nanocanaux avec une consommation d'énergie beaucoup plus faible. Enfin, nous avons pu détecter une variation de l'indice de réfraction du silicium poreux par le décalage du spectre d'interférence lors du chargement de différents liquides injectés dans les membranes. Le travail présenté dans cette thèse constitue la première étape dans la démonstration de l'intérêt du silicium poreux pour la préparation d'échantillon et la biodétection dans des laboratoires sur puce planaires.