Conception, simulation et réalisation de capteurs matriciels MEMS ultrasoniques pour la détection de particules magnétiques en analyse biomédicale // Design, simulation and realization of ultrasonic MEMS matrix sensors to detect magnetic particles for bio

Cette thèse porte sur le développement d'un système de biodétection miniaturisé combinant des transducteurs ultrasoniques MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) et des particules magnétiques pour des applications biomédicales. Les capteurs et actionneurs ultrasoniques sont essentiels en biomédecine pour l'administration de médicaments et les dispositifs microfluidiques de diagnostic au point de soins. Les particules magnétiques permettent la détection et le ciblage à distance, facilitant les bioanalyses et les tests immunologiques sensibles. Dans nos travaux précédents, des nanoparticules magnétiques ont été utilisées dans des systèmes microfluidiques pour la détection d'agents pathogènes par des techniques de mélange de fréquences et des tests immunologiques. Ce projet étend ce concept en intégrant des réseaux MEMS ultrasoniques pour détecter les signaux provenant d'échantillons contenant des particules magnétiques. Une matrice de transducteurs ultrasoniques MEMS sera conçue, simulée, fabriquée et caractérisée afin de mesurer les signaux ultrasoniques produits par les particules dans différents types d'échantillons. Le système quantifiera la concentration et la distribution des particules magnétiques, permettant la détection de bactéries, de parasites, de cellules cancéreuses ou d'autres cibles biologiques dans des échantillons liquides ou tissulaires. L'intégration microfluidique permettra la manipulation de petits volumes d'échantillons, facilitant les applications de diagnostic au point de soins. Les simulations à l'aide de COMSOL Multiphysics guideront la conception des MEMS, optimisant leurs dimensions, leur sensibilité et leur rapport signal à bruit. La fabrication sera réalisée en salle blanche, en collaboration avec l'institut ESIEE et le laboratoire GREMAN, grâce à des techniques de microfabrication avancées pour les transducteurs ultrasonores. La caractérisation et l'intégration du système comprendront les porte-échantillons, les cartes d'acquisition de données et le traitement du signal pour les mesures en temps réel. Des circuits électroniques et d'amplification à faible bruit seront développés en collaboration avec le laboratoire LIP6 afin de garantir une détection fiable malgré la faiblesse des signaux et le bruit ambiant. Le projet générera des ensembles de données riches, analysables par des algorithmes d'intelligence artificielle (IA) pour améliorer la sensibilité, la classification et la quantification des cibles biologiques.
Une matrice 2D d'environ 36 transducteurs MEMS, fonctionnant à quelques MHz, constituera le réseau principal de capteurs, avec une grande flexibilité pour les mises à l'échelle futures. Cette approche est novatrice pour la miniaturisation de réseaux MEMS 2D à haute résolution destinés à la détection sensible de particules magnétiques dans des environnements microfluidiques contrôlés. Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour la bioanalyse et le diagnostic non invasifs et sans marquage, avec des applications potentielles dans les domaines biomédical, environnemental et thérapeutique. Le système pourrait également faciliter l'administration de médicaments et la stimulation cellulaire, un avantage indirect de la plateforme de capteurs. Ce projet s'appuie sur une collaboration multidisciplinaire entre les laboratoires LIB, ESIEE, GREMAN et LIP6, intégrant l'expertise en MEMS, électromagnétisme, microfluidique et électronique à faible bruit. Sa réalisation aboutira à une plateforme de biodétection compacte, ultrasensible et économique, ayant un impact significatif sur la santé publique et les diagnostics au point de soins.
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This thesis focuses on developing a miniaturized biosensing system combining ultrasonic Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) transducers and magnetic particles for biomedical applications. Ultrasonic sensors and actuators are essential in biomedicine for drug delivery, and microfluidic point-of-care devices. Magnetic particles enable remote detection and targeting, supporting sensitive bioanalysis and immunological assays. In our previous work, magnetic nanoparticles are used in microfluidic systems for pathogen detection using frequency mixing techniques and immunoassays. This project extends that concept by integrating ultrasonic MEMS arrays to detect signals from samples containing magnetic particles. A matrix of MEMS ultrasonic transducers will be designed, simulated, fabricated, and characterized to measure ultrasonic signals produced by the particles in various sample types. The system will quantify magnetic particle concentration and distribution, enabling detection of bacteria, parasites, cancer cells, or other bio-targets in liquid or tissue samples. Microfluidic integration will allow handling of small sample volumes, supporting point-of-care diagnostic applications. COMSOL Multiphysics simulations will guide the MEMS design, optimizing dimensions, sensitivity, and signal-to-noise performance. Fabrication will be performed in clean-room facilities in collaboration with ESIEE institute and GREMAN laboratory, leveraging advanced microfabrication techniques for ultrasonic transducers. Characterization and system integration will include sample holders, data acquisition boards, and signal processing for real-time measurements. Low-noise electronics and amplification circuits will be developed in collaboration with LIP6 laboratory to ensure reliable detection despite weak signals and environmental noise. The project will produce rich datasets that can be analyzed using Artificial Intelligence (AI) algorithms to enhance sensitivity, classification, and quantification of bio-targets.
A 2D matrix of approximately 36 MEMS transducers, operating at a few MHz, will serve as the core sensor array, with flexibility for future scaling. The approach is novel in miniaturizing high-resolution 2D MEMS arrays for sensitive detection of magnetic particles in controlled microfluidic environments. This research opens new possibilities for non-invasive, label-free bioanalysis and diagnostics, with potential applications in biomedical, environmental, and therapeutic contexts. The system may also support drug delivery and cell-level stimulation as a side benefit of the sensor platform. The project leverages multidisciplinary collaboration among LIB, ESIEE, GREMAN, and LIP6 laboratories, integrating expertise in MEMS, electromagnetism, microfluidics, and low-noise electronics. Successful realization will result in a compact, high-sensitivity, and low-cost biosensing platform with significant impact on public health and point-of-care diagnostics.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://www.lib.upmc.fr/team-mu/

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Sorbonne Université SIS (Sciences, Ingénierie, Santé)

391 Sciences Mécaniques, Acoustique, Electronique et Robotique de Paris

Une formation en microfabrication, électronique et mécanique, capteurs et instrumentation de mesure, ainsi que des connaissances en modélisation et simulations COMSOL seraient fortement appréciées. Le/la candidat(e) motivé(e) et ouvert(e) d'esprit travaillera sur une thématique émergente multidisciplinaire au LIB en étroite collaboration avec d'autres partenaires (LI6 à SU, GREMAN à l'université de Tour, et ESIEE) avec de compétences et de connaissances scientifiques complémentaires, et avec un partenaire allemand de l'Institut Fraunhofer de biologie moléculaire et d'écologie appliquée (IME, Aix-la-Chapelle) et un partenaire Autrichien (SAL).
The backgrounds in Microfabrication, electronics, electromagnetism, mechanics, sensors and instrumentation for measurements, with knowledges in modeling and COMSOL simulations would be highly appreciated. The motivated open-minded candidate will work on an emerging multidisciplinary theme at LIB in close collaboration with other partners (LI6 at SU, GREMAN at the University of Tours, and ESIEE) with complementary scientific skills and knowledge, and with a German partner from the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology (IME, Aachen) and an Austrian partner, Silicon Austria Labs GmbH (SAL).