Thèse optimisation physique micro-antennes RMN: Étude théorique et expérimentale - INSA Lyon

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 ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE CHIMIE DE LYON M. Jean Marc LANCELIN CHIMIE http://www.fr Université de Lyon – Collège Doctoral Bât ESCPE Sec :Renée EL MELHEM 43 bd du 11 novembre 1918 Bat Blaise Pascal 69622 VILLEURBANNE Cedex 3e etage Tél : 04. GOURDON directeur@edchimie-lyon.

ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE Ecole Centrale de Lyon http://edeea.fr 36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY Secrétariat : M.97 Fax : 04 78 43 37 17 eea@ec-lyon.scorletti@ec-lyon.fr EVOLUTION, ECOSYSTEME, Mme Gudrun BORNETTE E2M2 MICROBIOLOGIE, MODELISATION CNRS UMR 5023 LEHNA http://e2m2.fr Université Claude Bernard Lyon 1 Bât Forel Insa : H. CHARLES 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cédex Tél : 06.fr INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES- Mme Emmanuelle CANET-SOULAS EDISS SANTE INSERM U1060, CarMeN lab, Univ. Lyon 1 http://www.fr Bâtiment IMBL 11 avenue Jean Capelle INSA de Lyon Sec : 696621 Villeurbanne Insa : M.canet@univ-lyon1.fr INFORMATIQUE ET Mme Sylvie CALABRETTO INFOMATHS MATHEMATIQUES LIRIS – INSA de Lyon http://infomaths.fr Bat Blaise Pascal 7 avenue Jean Capelle Sec :Renée EL MELHEM 69622 VILLEURBANNE Cedex Bat Blaise Pascal Tél : 04. 46 Fax 04 72 43 16 87 3e etage Sylvie.calabretto@insa-lyon.fr infomaths@univ-lyon1.fr MATERIAUX DE LYON M.

Jean-Yves BUFFIERE http://ed34.fr INSA de Lyon Matériaux MATEIS Secrétariat : M. LABOUNE Bâtiment Saint Exupéry PM : 71.12 7 avenue Jean Capelle Bat. Saint Exupéry 69621 VILLEURBANNE Cedex Ed.materiaux@insa-lyon.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28 Jean-yves.buffiere@insa-lyon.fr MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE M. Philippe BOISSE MEGA CIVIL, ACOUSTIQUE INSA de Lyon http://mega.fr Laboratoire LAMCOS Bâtiment Jacquard Secrétariat : M.

LABOUNE 25 bis avenue Jean Capelle PM : 71.12 69621 VILLEURBANNE Cedex Bat. Saint Exupéry Tél :04.70 Fax : 04 72 43 72 37 mega@insa-lyon.boisse@insa-lyon. OBADIA Lionel ScSo http://recherche.fr/scso/ Université Lyon 2 86 rue Pasteur Sec : Viviane POLSINELLI 69365 LYON Cedex 07 Brigitte DUBOIS Tél : 04.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 à 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 tra- vail, j’adresse également mes remerciements à Messieurs Pham Huy Hoang et Abdennasser Fakri d’avoir accepté d’être co-directeur de thèse. Grâce à 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 à 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 à 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-CEA- Saclay, 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 à 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 à Madame Danielle Graveron Demilly pour son aide et ses qualités humaines.

Je tiens à remercier bien sûr toutes les personnes du laboratoire et plus particulière- ment celles qui ont partagées ces travaux avec moi : Aziz, Josué et Hung. Enfin, je dédicace ce travail à 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 à surmonter les difficultés.

i Résumé Le concept de micro capteurs RMN (nommés aussi micro-antennes ou antennes ai- guilles) pourrait conduire à des outils d’analyse fiables capables d’assurer la reproduc- tibilité 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 incon- vénient est le manque de sensibilité car l’efficacité des micro-antennes actuelles souffre de plusieurs paramètres (petite valeur d’inductance par rapport à l’inductance de fils de connexion, le bruit dû au fort couplage avec l’échantillon. Notre approche initiale réalisée in vitro dans le cadre des travaux de thèse de N. Baxan (2008) (http ://www.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 façon "simple", mais non moins aisée, d’optimiser l’efficacité d’une antenne est une conception minutieuse et une maîtrise 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 directe- ment 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 à 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 à l’optimisation de ces microantennes. Les résultats de principes physiques visant à optimiser leurs paramètres géométriques sont décrits à travers la prédiction des paramètres électriques : la self inductance, l’inductance mutuelle et les pertes additionnelles dues à 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 à 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’implanta- tion.

Dans le chapitre III, une hypothèse de calcul est présentée puis validée. Elle porte sur la distribution du courant équivalent en haute fréquence circulant à 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 à l’aide de logiciels commerciaux basés sur les méthodes par éléments finis. La fin de ce chapitre est consacrée aux développe- ments 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 à l’aide de Matlab, des nouvelles formula- tions des paramètres physiques et électriques conduisant à 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 à 300 MHz. Dans le chapitre V, le processus de microfabrication des prototypes optimisés est décrit en détail.

Ces prototypes ont été réalisés à 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, à la fois théorique et expérimental réside, dans : (i) la traduction de verrous technologiques en problématiques fondamentales, (ii) Le dévelop- iii pement d’un "Logiciel maison" qui sans avoir la prétention de rivaliser avec les logiciels commerciaux, peut s’étendre à 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 spec- troscopic 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.

Our initial approach carried out in vitro that presented in (http ://www.com) and in thesis of N. 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 accu- racy 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, des- cribes the results of the applied physical principles to improve their geometric parameters through the prediction of their electrical parameters : the self-inductance, mutual induc- tance 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.