Étude de la fiabilité de membranes en titane micro-usinées pour capteurs de pression cardiaque implantables // Study of the reliability of micro-machined titanium membranes for implantable cardiac pressure sensors

Le projet de recherche FABIOMED (FAtigue des polycristaux pour microsystèmes BIO-MEDicaux), financé par l'Agence Nationale de la Recherche (ANR-AAPG 2025), porte sur la tenue en fatigue de dispositifs biomédicaux, et plus particulièrement sur un capteur de pression cardiaque implantable conçu pour fonctionner pendant 10 ans, soit l'équivalent d'environ 400 millions de cycles de charge. Un composant clé de ce microsystème est une membrane déformable en titane monolithique, de quelques micromètres d'épaisseur, réalisée par micro-usinage plasma (RIE). Sous l'effet de la pression intracorporelle, cette membrane se déplace vers une contre-électrode, formant ainsi une capacité variable dont la valeur est directement liée à la pression. Le choix du titane s'explique ici par son excellente biocompatibilité à long terme.
La majorité des travaux relatés dans la littérature portant sur la caractérisation, statique ou dynamique, de micromembranes métalliques ont été principalement menés via des essais de gonflage . À notre connaissance, la seule publication traitant explicitement de la fatigue de membranes de faible épaisseur est relativement récente et date de 2019 . Ces travaux, réalisés par une équipe d'Auckland, visaient à étudier la tenue en fatigue de membranes utilisées dans des capteurs de pression intracrâniens. Bien que l'article démontre la faisabilité d'un essai de fatigue basé sur une sollicitation par onde acoustique, aucune donnée expérimentale relative à la tenue en fatigue proprement dite n'y est présentée. Cela souligne à la fois la possibilité et la nécessité de développer des bancs d'essai spécifiques pour évaluer la résistance en fatigue des micromembranes en titane mises en œuvre dans le cadre du projet.
Le consortium formé autour du projet FABIOMED est constitué de deux laboratoires académiques (le C2N et le LAMPA) et une entreprise (MISTIC). Il est articulé autour de trois pôles de compétences : le pilotage et l'instrumentation des microsystèmes (C2N, Université Paris-Saclay), l'étude des mécanismes de la fatigue des alliages métalliques (LAMPA, Arts & Métiers d'Angers) et la fabrication des microsystèmes (MISTIC, hébergé en partie au C2N).
Le sujet de thèse proposé vise à développer les moyens d'essai mécanique qui permettront de caractériser le comportement en fatigue des micromembranes en tant que composant élémentaire puis du capteur de pression en tant que système complet. Le doctorant, recruté pour ce projet, et hébergé au C2N à Palaiseau, aura à charge de développer le nouveau banc d'endommagement prévu dans le projet ainsi que toute l'instrumentation qui lui sera associée. L'objectif est de fournir au consortium un ensemble de données relatif au comportement cyclique des structures testées permettant d'appréhender les mécanismes d'endommagement.
Le banc de fatigue sera développé, réalisé et exploité au C2N. Ici, le doctorant bénéficiera de la longue expérience acquise par ce laboratoire dans ce domaine, entre autres, dans le cadre de l'ANR LAUREAT où un banc de vieillissement de structures de récupération d'énergie piézoélectriques, massivement parallèle (36 structures testées en même temps), a été mis au point et employé avec succès. Le banc envisagé dans le projet FABIOMED aura pour but d'appliquer aux structures sous test une onde de pression de forte valeur (jusqu'à 0,3 MPa) et à haute fréquence (de l'ordre de 100 Hz) de manière hydraulique ou pneumatique. Cet équipement sera fortement instrumenté et automatisé afin d'évaluer l'endommagement de fatigue des membranes lors d'essais qui seront menés sur de longues périodes (plusieurs jours).
L'étude aura lieu au C2N (Université Paris-Saclay, Palaiseau). Le C2N (https://www.c2n.universite-paris-saclay.fr) est une unité mixte de recherche du CNRS, de l'Université Paris-Saclay et de l'Université Paris-Cité.
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The research project FABIOMED (FAtigue of polycrystalline materials for BIOMEDical microsystems), funded by the French National Research Agency (ANR-AAPG 2025), focuses on the fatigue resistance of biomedical devices, and more specifically on an implantable cardiac pressure sensor designed to operate continuously for 10 years, equivalent to approximately 400 million loading cycles. A key component of this microsystem is a monolithic, deformable titanium membrane, a few micrometers thick, fabricated using plasma micro-machining (RIE). Under intracorporeal pressure, the membrane deflects toward a counter-electrode, forming a variable capacitor whose value is directly linked to the pressure. Titanium was chosen for its excellent long-term biocompatibility.
Most of the studies reported in the literature on the static or dynamic characterization of metallic micromembranes have been conducted primarily using bulge testing . To our knowledge, the only publication explicitly addressing the fatigue behavior of thin membranes is relatively recent and dates back to 2019 . This work, carried out by a team in Auckland, aimed to investigate the fatigue resistance of membranes used in intracranial pressure sensors. Although the paper demonstrates the feasibility of a fatigue test based on acoustic wave loading, it does not provide any experimental data on fatigue performance itself. This highlights both the potential and the need to develop dedicated test benches to assess the fatigue resistance of titanium micromembranes used in the present project.
The consortium formed around the FABIOMED project consists of two academic laboratories (C2N and LAMPA) and one company (MISTIC). It is structured around three areas of expertise: microsystem control and instrumentation (C2N, University Paris-Saclay), the study of fatigue mechanisms in metallic alloys (LAMPA, Arts & Métiers Angers), and microsystem manufacturing (MISTIC, partly hosted at C2N).
The proposed PhD topic aims to develop mechanical testing methods to characterize the fatigue behavior of micromembranes as elementary components, and subsequently of the complete pressure sensor system. The PhD candidate, recruited for this project and hosted at C2N in Palaiseau, will be responsible for developing the new damage testing bench planned within the project, along with all associated instrumentation. The goal is to provide the consortium with a comprehensive dataset on the cyclic behavior of the tested structures, enabling a better understanding of damage mechanisms.
The fatigue testing bench will be developed, built, and operated at C2N. The candidate will benefit from the laboratory's extensive experience in this field, notably from the ANR LAUREAT project, where a massively parallel aging bench (testing 36 piezoelectric energy harvesting structures simultaneously) was successfully developed and employed. The bench planned for the FABIOMED project will aim to apply high-pressure waves (up to 0.3 MPa) at high frequency (around 100 Hz) to the tested structures, using hydraulic or pneumatic means. This equipment will be highly instrumented and automated to assess fatigue damage in the membranes during tests conducted over long durations (several days).
The study will take place at C2N (Université Paris-Saclay, Palaiseau). The C2N (https://www.c2n.universite-paris-saclay.fr) is a joint research unit of CNRS, Université Paris-Saclay, and Université Paris-Cité.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Autre financement public

ANR

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

575 Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering

Le sujet de thèse proposé est très pluridisciplinaire et fait appel à des compétences dans plusieurs domaines techniques/scientifiques qui sont : • Conception mécanique (une connaissance d'un logiciel CAO tel Solidworks est un plus) • Instrumentation, mise en œuvre de capteurs/actionneurs • Electronique analogique/numérique • Programmation, pilotage d'instruments (langage Python) • Caractérisation mécanique de microstructures (MEB, caractérisation optique …) Même si le candidat n'est pas expert dans tous les domaines listés, une motivation à apprendre et à évoluer dans un environnement interdisciplinaire sera essentielle. Le doctorant devra faire preuve de rigueur, d'autonomie et d'un bon sens de l'expérimentation pour assurer le développement, la validation et l'exploitation du banc de mesure. Un étudiant titulaire d'un Master 2 (M2)/Diplôme d'ingénieur en Micro/nanotechnologie, en Science des Matériaux, en Conception Mécanique ou en Génie Electrique (liste non exhaustive) devrait avoir les compétences nécessaires à cette étude.
The proposed PhD topic is highly multidisciplinary and calls for skills across several technical and scientific areas, including: • Mechanical design (knowledge of a CAD software such as SolidWorks is suitable) • Instrumentation and implementation of sensors/actuators • Analog and digital electronics • Programming and instrument control (Python language) • Mechanical characterization of microstructures (SEM, optical characterization, etc.) While the candidate is not expected to be an expert in all the listed fields, motivation to learn and grow in an interdisciplinary environment will be essential. The PhD student must demonstrate rigor, autonomy, and good experimental skills to ensure the development, validation, and operation of the testing bench. A candidate holding a Master's degree (M2)/ Engineering degree in Micro/Nanotechnology, Materials Science, Mechanical Design, or Electrical Engineering (non-exhaustive list) should have the necessary skills for this study.