Optimisation par approche physique des micro antennes rmn fabriquees par techniques microelectroniques étude theorique et experimentale

N0 d’ordre 2014-ISAL-0066 Année 2014 Thèse Optimisation par approche physique des micro-antennes RMN fabriquées par Techniques Microélectroniques : Étude Théorique et Expérimentale Présentée devant L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon Pour obtenir Le Grade de Docteur École Doctorale : Électronique, Électrotechnique, Automatique Spécialité : Micro et Nano technologies Laboratoire : CREATIS, CNRS UMR 5220 – INSERM U1044 – INSA Lyon par TRUONG Cong Tien Soutenue le 01 Juillet 2014 devant la commission d’examen Jury M Daniel BARBIER INL, INSA Lyon Président M Claude FERMON SPEC-CEA-Saclay Rapporteur M Souhil MEGHERBI Université Paris-Sud Rapporteur M Abdelhamid ERRACHID EL SALHI Université Lyon1 Examinateur M Lecoeur PHILIPPE Université Paris Sud Examinateur Mme Latifa FAKRI-BOUCHET Créatis, INSA Lyon Directeur M Abdennasser FAKRI ESIEE Paris Co-Directeur M Huy Hoang PHAM École Polytechnique, HCMV Co-Directeur M Patrick Poulichet ESIEE Paris Invité INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales – Quinquennal 2011-2015 SIGLE CHIMIE ECOLE DOCTORALE CHIMIE DE LYON http://www.edchimie-lyon.fr Sec :Renée EL MELHEM Bat Blaise Pascal 3e etage Insa : R GOURDON E.E.A ELECTRONIQUE, ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE http://edeea.ec-lyon.fr Secrétariat : M.C HAVGOUDOUKIAN eea@ec-lyon.fr E2M2 EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION http://e2m2.universite-lyon.fr Insa : H CHARLES EDISS INTERDISCIPLINAIRE SCIENCESSANTE http://www.ediss-lyon.fr Sec : Insa : M LAGARDE INFOMATHS INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES http://infomaths.univ-lyon1.fr Sec :Renée EL MELHEM Bat Blaise Pascal 3e etage infomaths@univ-lyon1.fr Matériaux MATERIAUX DE LYON http://ed34.universite-lyon.fr Secrétariat : M LABOUNE PM : 71.70 –Fax : 87.12 Bat Saint Exupéry Ed.materiaux@insa-lyon.fr MEGA MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE CIVIL, ACOUSTIQUE http://mega.universite-lyon.fr Secrétariat : M LABOUNE PM : 71.70 –Fax : 87.12 Bat Saint Exupéry mega@insa-lyon.fr ScSo NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE M Jean Marc LANCELIN Université de Lyon – Collège Doctoral Bât ESCPE 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43 13 95 directeur@edchimie-lyon.fr M Gérard SCORLETTI Ecole Centrale de Lyon 36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY Tél : 04.72.18 60.97 Fax : 04 78 43 37 17 Gerard.scorletti@ec-lyon.fr Mme Gudrun BORNETTE CNRS UMR 5023 LEHNA Université Claude Bernard Lyon Bât Forel 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cédex Tél : 06.07.53.89.13 e2m2@ univ-lyon1.fr Mme Emmanuelle CANET-SOULAS INSERM U1060, CarMeN lab, Univ Lyon Bâtiment IMBL 11 avenue Jean Capelle INSA de Lyon 696621 Villeurbanne Tél : 04.72.68.49.09 Fax :04 72 68 49 16 Emmanuelle.canet@univ-lyon1.fr Mme Sylvie CALABRETTO LIRIS – INSA de Lyon Bat Blaise Pascal avenue Jean Capelle 69622 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72 43 80 46 Fax 04 72 43 16 87 Sylvie.calabretto@insa-lyon.fr M Jean-Yves BUFFIERE INSA de Lyon MATEIS Bâtiment Saint Exupéry avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex Tél : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28 Jean-yves.buffiere@insa-lyon.fr M Philippe BOISSE INSA de Lyon Laboratoire LAMCOS Bâtiment Jacquard 25 bis avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex Tél :04.72 43.71.70 Fax : 04 72 43 72 37 Philippe.boisse@insa-lyon.fr ScSo* M OBADIA Lionel http://recherche.univ-lyon2.fr/scso/ Université Lyon 86 rue Pasteur Sec : Viviane POLSINELLI 69365 LYON Cedex 07 Brigitte DUBOIS Tél : 04.78.77.23.86 Fax : 04.37.28.04.48 Insa : J.Y TOUSSAINT Lionel.Obadia@univ-lyon2.fr *ScSo : Histoire, Géographie, Aménagement, Urbanisme, Archéologie, Science politique, Sociologie, Anthropologie Remerciements Cette thèse a été effectuée au sein du laboratoire CREATIS - INSA de Lyon Je tiens remercier Madame Isabelle Magnin, directrice du laboratoire CREATIS, pour son accueil et aide tout au long de ces quatre années J’exprime toute ma gratitude pour Madame Latifa Fakri-Bouchet qui a dirigée ce travail, j’adresse également mes remerciements Messieurs Pham Huy Hoang et Abdennasser Fakri d’avoir accepté d’être co-directeur de thèse Grâce leurs qualités d’encadrement, de soutien, de conseil, de disponibilité et de compétence, ce travail de thèse a pu être élaboré Les échanges scientifiques durant ces années de thèse ont contribués ma formation et ont enrichis mes connaissances scientifiques et m’ont vraiment aidé dans l’accomplissement de ce travail Je remercie chaleureusement Monsieur Patrick Poulichet pour sa disponibilité, ses conseils et l’intérêt qu’il a montré pour les réalisations effectuées l’ESIEE Paris Je remercie aussi Monsieur Lionel Rousseau et tous les membres de la salle blanche, ESIEE Paris pour les aides dans la fabrication et la mesure de ces prototypes Je voudrais remercier Monsieur Claude Fermon, Directeur de recherche, SPEC-CEASaclay, Centre d’Etudes Nucléaires de Saclay et Monsieur Souhil Megherbi, Professeur de l’Université Paris-Sud, de m’avoir fait l’honneur d’accepter de rapporter mes travaux de thèse, de participer au jury et pour leurs questions de fond sur mon manuscrit J’adresse également mes remerciements Monsieur Daniel Barbier, président du jury et Messieurs Philippe Lecoeur, Abdelhamid Errachid El Salhi pour m’avoir fait honneur de juger mon travail Mes remerciements vont également Madame Danielle Graveron Demilly pour son aide et ses qualités humaines Je tiens remercier bien sûr toutes les personnes du laboratoire et plus particulièrement celles qui ont partagées ces travaux avec moi : Aziz, Josué et Hung Enfin, je dédicace ce travail toute ma famille J’exprime ma reconnaissance pour ma grande mère Hung, mes parents Thuc et Yen, ma femme Huong et sa mère Cuc, mes enfants Ring et Lyon, ma sœur Trang et mon frère Tien Durant ces années, vous étiez toujours dans mon cœur pour me soutenir et m’aider surmonter les difficultés i Résumé Le concept de micro capteurs RMN (nommés aussi micro-antennes ou antennes aiguilles) pourrait conduire des outils d’analyse fiables capables d’assurer la reproductibilité de mesures en spectroscopie RMN haute résolution Leur emploi deviendra ainsi envisageable pour des applications in vivo A notre connaissance, aucune étude in vivo utilisant ces micro-bobines "high-tech" n’a été rapportée Le principal avantage de ce type de dispositifs est la possibilité d’observer une micro région d’intérêt bien définie, noyée dans un grand volume A l’inverse, le principal inconvénient est le manque de sensibilité car l’efficacité des micro-antennes actuelles souffre de plusieurs paramètres (petite valeur d’inductance par rapport l’inductance de fils de connexion, le bruit dû au fort couplage avec l’échantillon etc.) Notre approche initiale réalisée in vitro dans le cadre des travaux de thèse de N Baxan (2008) (http ://www.spectroscopynow.com) et de A Kadjo (2011), ne peut être mis en œuvre in vivo sans un travail complémentaire important C’est d’une importance capitale car dans ce cas le signal RMN est si petit qu’il est comparable au bruit thermique Une faỗon "simple", mais non moins aisộe, d’optimiser l’efficacité d’une antenne est une conception minutieuse et une mtrise des paramètres géométriques conditionnant les propriétés physiques et électriques La partie principale des "micro-antennes aiguilles" implantables est la bobine aux bornes de laquelle la tension est induite Elle est décrite schématiquement par une résistance et une inductance dont les valeurs impactent directement et fortement sur les principaux critères de performances en RMN : le rapport signal sur bruit (SNR) et les limites de détection (LOD) La fabrication de ces micro-antennes (500x1000µm2 ), est réalisée l’aide de techniques de microélectroniques fort coûteuses La modélisation et la simulation numérique s’avèrent des outils essentiels amplement justifiés La majeure partie de ce travail est consacré l’optimisation de ces microantennes Les résultats de principes physiques visant optimiser leurs paramètres géométriques sont décrits travers la prédiction des paramètres électriques : la self inductance, l’inductance mutuelle et les pertes additionnelles dues l’effet de peau et de proximité Ce document est organisé en cinq chapitres Le premier chapitre, reprend les résul- ii tats de principes physiques visant prédire les paramètres électriques (résistance et la self inductance) en vue de l’optimisation des paramètres géométriques des micro-bobines La question importante des critères de performances en RMN est reprise et la théorique de limite de détection est redémontrée sous un angle plus fondamental Le chapitre II est une vue d’ensemble des différentes structures de micro-antennes RMN existantes et la pertinence de leurs d’emplois in vivo, plus particulièrement dans le cas de l’implantation Dans le chapitre III, une hypothèse de calcul est présentée puis validée Elle porte sur la distribution du courant équivalent en haute fréquence circulant la périphérie des conducteurs pour déterminer les pertes supplémentaires tenant compte des effets de peau et de proximité Une nouvelle méthode de calcul de l’inductance est aussi démontrée Dans ce chapitre, la modélisation et le calcul du champ magnétique radiofréquence B1 ont été aussi effectués L’ensemble des résultats obtenus est en bonne corrélation avec ceux rapportés dans la littérature et ceux simulés l’aide de logiciels commerciaux basés sur les méthodes par éléments finis La fin de ce chapitre est consacrée aux développements instrumentaux entrepris en vue de l’amélioration des conditions de détection La difficulté du maintien du modèle dans l’espace restreint de l’aimant RMN est solutionnée en proposant différents montages de déport de l’accord et de l’adaptation Le Chapitre IV est une mise sous forme de code informatique l’aide de Matlab, des nouvelles formulations des paramètres physiques et électriques conduisant l’optimisation des paramètres géométriques Ce code constitue un "logiciel maison" ANPL pour ANntenne PLanaire Il permet la conception et la simulation des bobines planaires de formes géométriques quelconques, de calculer leurs performances en termes de SNR et LOD et de modéliser leur champ magnétique en se basant sur les hypothèses démontrées au troisième chapitre Les résultats de ce code ont été validés par une comparaison avec les résultats de calculs et avec des valeurs de mesures pour des gammes de fréquences allant de 100 300 MHz Dans le chapitre V, le processus de microfabrication des prototypes optimisés est décrit en détail Ces prototypes ont été réalisés la fois sur substrat de verre et de silicium Les résultats des mesures des paramètres de performances des micro-bobines ont démontré l’avantage du substrat de verre L’originalité de ce travail, la fois théorique et expérimental réside, dans : (i) la traduction de verrous technologiques en problématiques fondamentales, (ii) Le dévelopiii pement d’un "Logiciel maison" qui sans avoir la prétention de rivaliser avec les logiciels commerciaux, peut s’étendre d’autre configuration plus complexes de micro-antennes ou d’antennes RMN et cibler au mieux les besoins des "RMN’iste-Antenn-istes" tout en leur offrant un gain en temps et en coût non négligeable Mots clés : Microantenne, Antenne planaire, Antenne de surface, Spectroscopie RMN, Inductance, Résistance, Distribution du courant, Pertes, SNR, LOD, Simulation, Microfabrication iv Abstract The concept of NMR microsensors (named also microantennas or needle coils) could lead to reliable analysis tools able to ensure the reproducibility of high resolution spectroscopic measurements, making possible to consider their use for in vivo applications To the best of our knowledge, no in vivo study has been done with such "high-tech micro coils" The main advantage of this device kind is the possibility to observe a well-defined micro region of interest in a large volume On the opposite, the main drawback resides in the poor sensitivity of the device since the efficiency of presently designed microcoils suffers from several misadjustments (small inductance value of the useful wires compared to the inductance of connecting wires, strong coupling noise with sample etc.) Our initial approach carried out in vitro that presented in (http ://www spectroscopynow.com) and in thesis of N Baxan (2008) and A Kadjo (2011), cannot be realized in vivo without a very important complementary work This is of crucial importance, because the source signals are so small as to be comparable to the thermal noise The simplest approach to increase antennas efficiency is a careful design and accuracy of geometric parameters influencing the physical and electrical properties The main part of the implantable "needle antenna" is the loop where the voltage is induced It is schematically described by a resistance and inductance that modify directly and strongly the NMR performance criteria : signal to noise ratio (SNR) and the limits of detection (LOD) The design of such micro-antennas (500x1000µm2 ) is performed using microelectronic techniques that are very expensive Thus modeling and numerical simulation are essential tools amply justified The bulk of this work dedicates to the optimization of these microantennas, describes the results of the applied physical principles to improve their geometric parameters through the prediction of their electrical parameters : the self-inductance, mutual inductance and the additional losses caused by skin effect and proximity This document is organized into five chapters, in the first one, the NMR performance criteria are discussed and a more comprehensive LOD theory is provided Chapter II v is an "overview" of the different structures of NMR microantennas and the relevance of their in vivo implementation, particularly in implantation cases In chapter III, a calculus hypothesis of the distribution of the equivalent current at high frequency on the conductor’s periphery is presented and validated The additional losses due to skin effect and proximity are also determined and a new calculation method for the inductance is also demonstrated In the second part of this chapter, the modeling and calculation of the radiofrequency magnetic field B1 were also performed All obtained results are in good correlation with those reported in the literature and those simulated by the finite element methods from commercial software The end of this chapter is dedicated to improvement of receiver probe to enhance detection conditions The limitation of access into the magnet bore is resolved by different setups of tuning and matching The chapter IV is computer code (based on Matlab software) of the new formulations of the inherent physical and electrical proprieties leading to optimization of the microcoils geometrical parameters This "homemade software" called ANPL (ANntenne PLanaire) allows designing and simulating planar coils of any geometric shape, to calculate their performance in terms of SNR and LOD It can also achieve their magnetic field mapping based on formulations demonstrated in the third chapter The results of this software have been validated by comparison with those of calculations and measurements in a frequency range from 100 to 300 MHz In Chapter V, the process of lithographic microfabrication of the optimized microcoils is described These prototypes were carried out on the glass and silicon substrate The measurement results of their performance parameters highlighted the advantage of the glass substrate The originality of this work is : (i) the conversion of technological point in question to fundamental issues, (ii) The development of a "homemade software" which, no pretend to compete with commercial software, can be extended to design of more complex configuration of NMR antennas or microantennas It could also better target specific needs of designers of NMR antennas and users, providing them a time gain and a cost reduction Keywords : Microantenna, planar antenna, antenna surface, NMR spectroscopy, Inductance, Resistance, Current distribution, Loss, SNR, LOD, Simulation, Microfabrication vi BIBLIOGRAPHIE units in the human uterine cervix Acta obstetricia et gynecologica Scandinavica, 45 :1–188, 1966 [29] L Rayleigh On the Self-inductance and Resistance of Straight Conductors Philosophical magazine, 21(132) :381–394, 1886 [30] A Levasseur Nouvelles formules, valables toutes les fréquences, pour le calcul rapide de l’effet Kelvin Journal de Physique et le Radium, 1(3) :93–98, 1930 [31] S Butterworth Eddy Current Losses in Cylindrical Conductors with Special Application to Alternating-Current Resistance of Short Coils Phil Trans Roy Soc (London), 222A :57–100, 1921 [32] S Butterworth Effective Resistance of Inductance Coils at Radio Frequencies Experimental Wireless & The Wireless Engineer, :April p203–210, May p309–316, July p417–424 and Aug p483–492., 1926 [33] C.N Hickman Alternating-current resistance and inductance of single-layer coils Alternating-current resistance and inductance of single-layer coils, 19 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technologies RESUME : Le concept de micro capteurs RMN (nommés aussi micro-antennes ou antennes aiguilles) pourrait conduire des outils d'analyse fiables capables d'assurer la reproductibilité de mesures en spectroscopie RMN haute résolution Leur emploi deviendra ainsi envisageable pour des applications in vivo A notre connaissance, aucune étude in vivo utilisant ces micro-bobines "high-tech" n’a été rapportée Le principal avantage de ce type de dispositifs est la possibilité d’observer une micro région d'intérêt bien définie, noyée dans un grand volume A l’inverse, le principal inconvénient est le manque de sensibilité car l’efficacité des micro-antennes actuelles souffre de plusieurs paramètres (petite valeur d'inductance par rapport l'inductance de fils de connexion, le bruit dû au fort couplage avec l’échantillon etc.) Notre approche initiale réalisée in vitro dans le cadre des travaux de thèse de N Baxan (2008) (http://www.spectroscopynow.com) et de A Kadjo (2011), ne peut être mis en œuvre in vivo sans un travail complémentaire important C’est d’une importance capitale car dans ce cas le signal RMN est si petit quil est comparable au bruit thermique Une faỗon "simple", mais non moins aisée, d’optimiser l’efficacité d’une antenne est une conception minutieuse et une mtrise des paramètres géométriques conditionnant les propriétés physiques et électriques La partie principale des "micro-antennes aiguilles" implantables est la bobine aux bornes de laquelle la tension est induite Elle est décrite schématiquement par une résistance et une inductance dont les valeurs impactent directement et fortement sur les principaux critères de performances en RMN: le rapport signal sur bruit (SNR) et les limites de détection (LOD) La fabrication de ces micro-antennes (500x1000µm2), est réalisée l’aide de techniques de microélectroniques fort coûteuses La modélisation et la simulation numérique s’avèrent des outils essentiels amplement justifiés La majeure partie de ce travail est consacré l’optimisation de ces microantennes Les résultats de principes physiques visant optimiser leurs paramètres géométriques sont décrits travers la prédiction des paramètres électriques: la self inductance, l’inductance mutuelle et les pertes additionnelles dues l’effet de peau et de proximité Ce document est organisé en cinq chapitres Le premier chapitre, reprend les résultats de principes physiques visant prédire les paramètres électriques (résistance et la self inductance) en vue de l’optimisation des paramètres géométriques des micro-bobines La question importante des critères de performances en RMN est reprise et la théorique de limite de détection est redémontrée sous un angle plus fondamental Le chapitre II est une vue d’ensemble des différentes structures de micro-antennes RMN existantes et la pertinence de leurs d’emplois in vivo, plus particulièrement dans le cas de l’implantation Dans le chapitre III, une hypothèse de calcul est présentée puis validée Elle porte sur la distribution du courant équivalent en haute fréquence circulant la périphérie des conducteurs pour déterminer les pertes supplémentaires tenant compte des effets de peau et de proximité Une nouvelle méthode de calcul de l’inductance est aussi démontrée Dans ce chapitre, la modélisation et le calcul du champ magnétique radiofréquence B1 ont été aussi effectués L’ensemble des résultats obtenus est en bonne corrélation avec ceux rapportés dans la littérature et ceux simulés l’aide de logiciels commerciaux basés sur les méthodes par éléments finis La fin de ce chapitre est consacrée aux développements instrumentaux entrepris en vue de l’amélioration des conditions de détection La difficulté du maintien du modèle dans l’espace restreint de l’aimant RMN est solutionnée en proposant différents montages de déport de l’accord et de l’adaptation Le Chapitre IV est une mise sous forme de code informatique l’aide de Matlab, des nouvelles formulations des paramètres physiques et électriques conduisant l’optimisation des paramètres géométriques Ce code constitue un "logiciel maison" ANPL pour ANntenne PLanaire Il permet la conception et la simulation des bobines planaires de formes géométriques quelconques, de calculer leurs performances en termes de SNR et LOD et de modéliser leur champ magnétique en se basant sur les hypothèses démontrées au troisième chapitre Les résultats de ce code ont été validés par une comparaison avec les résultats de calculs et avec des valeurs de mesures pour des gammes de fréquences allant de 100 300 MHz Dans le chapitre V, le processus de microfabrication des prototypes optimisés est décrit en détail Ces prototypes ont été réalisés la fois sur substrat de verre et de silicium Les résultats des mesures des paramètres de performances des micro-bobines ont démontré l’avantage du substrat de verre L’originalité de ce travail, la fois théorique et expérimental réside, dans: (i) la traduction de verrous technologiques en problématiques fondamentales, (ii) Le développement d’un "Logiciel maison" qui sans avoir la prétention de rivaliser avec les logiciels commerciaux, peut s’étendre d'autre configuration plus complexes de micro-antennes ou d'antennes RMN et cibler au mieux les besoins des "RMN’isteAntenn-istes" tout en leur offrant un gain en temps et en coût non négligeable Mots clés: Microantenne, Antenne planaire, Antenne de surface, Spectroscopie RMN, Inductance, Résistance, Distribution du courant, Pertes, SNR, LOD, Simulation, Microfabrication Laboratoire(s) de recherche : CREATIS, CNRS UMR 5220 – INSERM U1044 – Université Lyon – INSA Lyon Domaine Scientifique de la DOUA, CPE, Bât 308, Aile C, rue Victor Grignard, 69616 Villeurbanne cedex, France Directeur de thèse: Mme Latifa FAKRI-BOUCHET ; M Huy Hoang PHAM; M Abdennasser FAKRI Composition du jury : M Abdelhamid ERRACHID EL SALHI, M Abdennasser FAKRI, M Claude FERMON, M Daniel BARBIER, M Huy Hoang PHAM, Mme Latifa FAKRI-BOUCHET, M Lecoeur PHILIPPE, M Patrick POULICHET, M Souhil MEGHERBI ... recherches et qui nous ont permis d’appliquer ces bases théoriques aux calculs des paramètres géométriques de nos micro- antennes RMN 1.1 1.1.1 Caractéristiques des micro- bobines RMN Conducteurs et différents... d’autre part détaillés dans l? ?étude de Medina et al [52] Plus récemment, les études portant sur l’effet pelliculaire ont été essentiellement traitées par des méthodes numériques L’équipe de Dauge et. .. complexes de micro- antennes ou d? ?antennes RMN et cibler au mieux les besoins des "RMN? ??iste-Antenn-istes" tout en leur offrant un gain en temps et en coût non négligeable Mots clés : Microantenne,