Nghiên cứu tối ưu hóa microantenna RMN bằng phương pháp vật lý: Lý thuyết và thực nghiệm

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tối ưu hóa vi anten RMN bằng phương pháp vật lý, kết hợp lý thuyết và thực nghiệm trong công nghệ vi điện tử.

• Tác giả: Truong Cong Tien
• Người hướng dẫn: Mme. Latifa Fakri-Bouchet, Directeur
• Trường học: Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
• Chuyên ngành: Micro et Nano technologies
• Đề tài: Optimisation par approche physique des micro-antennes RMN fabriquées par Techniques Microélectroniques : Étude Théorique et Expérimentale
• Loại tài liệu: thèse
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Lyon

Mục lục chi tiết

• Introduction générale
• 1. CHƯƠNG 1: CRITÈRES DE PERFORMANCES DE MICRO-ANTENNES RMN
• 1.1. Introduction
• 1.2. Caractéristiques des micro-bobines RMN
• 1.3. Conducteurs et différents effets
• 1.4. Le facteur de qualité
• 1.5. Les effets dans le conducteur : applications en RMN
• 1.6. Rapport signal sur bruit
• 1.7. Sensibilité : rapport signal sur bruit
• 1.8. Limites de détection
• 1.9. Discussion et conclusion
• 2. CHƯƠNG 2: DIFFÉRENTES STRUCTURES DE MICRO-ANTENNES ET PERTINENCE D’EMPLOI IN VIVO
• 2.1. Introduction
• 2.2. Différentes structures de micro-antennes
• 2.2.1. Micro-antennes solénoïdales
• 2.2.2. Micro-antennes planaires
• 2.2.3. Micro-antennes de structure Helmholtz
• 2.2.4. Micro-antennes en selle de cheval
• 2.2.5. Micro-antennes "aiguilles"
• 2.2.6. Micro-antenne striplines
• 2.3. Pertinences d’emploi en SRM in vivo
• 2.3.1. Avantage des micro-antennes implantables
• 2.3.2. Perspectives d’emploi in vivo
• 2.4. Discussion et conclusion
• 3. CHƯƠNG 3: CONCEPTION ET OPTIMISATION DE MICRO-ANTENNES PLANAIRES IMPLANTABLES
• 3.1. Introduction
• 3.2. Paramètres d’influence sur les performances des micro-antennes
• 3.2.1. Distribution du courant
• 3.2.2. Inductance de conducteur et Inductance de bobine
• 3.3. Modélisation et calcul du champ magnétique radiofréquence B1
• 3.3.1. La loi de Biot-Savart dans le plan de la bobine
• 3.3.2. Champ magnétique de chaque éléments de base
• 3.3.3. Champ magnétique des bobines planaires
• 3.4. Optimisation des différentes configurations de la bobine planaire implantable
• 3.5. Caractérisation électrique des micro-antennes RMN
• 3.5.1. Micro-antenne avec un découplage actif
• 3.5.2. Déport de l’accord et de l’adaptation
• 3.6. Discussion et conclusion
• 4. CHƯƠNG 4: LOGICIEL ANPL (ANTENNE PLANAIRES)
• 4.1. Introduction
• 4.2. Bases fondamentales du programme
• 4.3. Présentation du logiciel ANPL
• 4.4. Mise en œuvre du logiciel ANPL
• 4.5. Discussion et conclusion
• 5. CHƯƠNG 5: RÉALISATION DES PROTOTYPES DE MICRO-ANTENNE EN SALLE BLANCHE
• 5.1. Introduction
• 5.2. Processus de fabrication des prototypes de micro-antennes planaires
• 5.3. Étapes de fabrication en salle blanche
• 5.4. Vérification de caractéristique géométrique des différents prototypes
• 5.5. Caractérisation électriques des différents prototypes de micro-bobines
• 5.5.1. Résultats de la modélisation et du calcul
• 5.5.2. Résultats de la mesure
• 5.6. Discussion et conclusion
• Conclusion générale
• Bibliographie

Tóm tắt

I. Tối ưu hóa microantenna RMN

Tối ưu hóa microantenna RMN là trọng tâm của nghiên cứu này, nhằm nâng cao hiệu suất của các thiết bị vi cảm biến trong phổ học RMN. Các microantenna RMN hiện tại gặp phải hạn chế về độ nhạy do các thông số hình học không tối ưu. Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện các thông số điện như điện cảm tự cảm và điện cảm tương hỗ, đồng thời giảm thiểu tổn thất do hiệu ứng da và hiệu ứng gần. Phương pháp tối ưu hóa vật lý được áp dụng để đạt được các mục tiêu này, với sự hỗ trợ của mô hình hóa và mô phỏng số.

1.1. Phương pháp vật lý trong tối ưu hóa

Phương pháp vật lý được sử dụng để phân tích và tối ưu hóa các thông số hình học của microantenna RMN. Các thông số điện như điện cảm và điện trở được tính toán dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản. Nghiên cứu cũng xem xét các hiệu ứng như hiệu ứng da và hiệu ứng gần, vốn ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của thiết bị. Kết quả cho thấy việc tối ưu hóa các thông số này có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và giới hạn phát hiện (LOD).

1.2. Ứng dụng thực tiễn

Việc tối ưu hóa microantenna RMN không chỉ mang lại lợi ích trong nghiên cứu lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong các thiết bị y tế. Các microantenna tối ưu hóa có thể được sử dụng trong các ứng dụng in vivo, giúp quan sát các vùng vi mô cụ thể trong cơ thể. Điều này mở ra tiềm năng lớn trong chẩn đoán và điều trị y khoa, đặc biệt là trong lĩnh vực phổ học RMN.

II. Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

Nghiên cứu này kết hợp cả nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm để đạt được kết quả toàn diện. Phần lý thuyết tập trung vào việc phát triển các mô hình toán học và vật lý để dự đoán các thông số điện của microantenna RMN. Phần thực nghiệm bao gồm việc chế tạo và đo lường các mẫu thử để kiểm chứng các kết quả lý thuyết.

2.1. Nghiên cứu lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết bao gồm việc phát triển các công thức tính toán điện cảm, điện trở, và các tổn thất do hiệu ứng da và hiệu ứng gần. Các mô hình này được xây dựng dựa trên các nguyên lý vật lý cơ bản và được kiểm chứng bằng các phần mềm mô phỏng thương mại. Kết quả lý thuyết cho thấy sự tương quan cao với các dữ liệu thực nghiệm, chứng minh tính chính xác của các mô hình.

2.2. Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm tập trung vào việc chế tạo các microantenna RMN tối ưu hóa trên các chất nền khác nhau như thủy tinh và silicon. Các mẫu thử được đo lường để xác định các thông số hiệu suất như SNR và LOD. Kết quả thực nghiệm cho thấy các microantenna chế tạo trên chất nền thủy tinh có hiệu suất tốt hơn so với chất nền silicon, phù hợp với các dự đoán lý thuyết.

III. Phương pháp tối ưu hóa và ứng dụng

Phương pháp tối ưu hóa được phát triển trong nghiên cứu này không chỉ giới hạn trong lĩnh vực microantenna RMN mà còn có thể áp dụng cho các loại anten khác. Phần mềm ANPL được phát triển để hỗ trợ thiết kế và mô phỏng các anten phẳng với các hình dạng hình học khác nhau, mang lại lợi ích về thời gian và chi phí cho các nhà thiết kế.

3.1. Phát triển phần mềm ANPL

Phần mềm ANPL được phát triển dựa trên các công thức lý thuyết và thực nghiệm, cho phép thiết kế và mô phỏng các microantenna RMN với độ chính xác cao. Phần mềm này cũng có khả năng mở rộng để áp dụng cho các cấu hình anten phức tạp hơn, mang lại lợi ích đáng kể cho các nhà nghiên cứu và kỹ sư.

3.2. Ứng dụng trong thực tế

Các kết quả từ nghiên cứu này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ y tế đến công nghiệp. Việc tối ưu hóa microantenna RMN không chỉ cải thiện hiệu suất của các thiết bị phổ học mà còn mở ra các cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển công nghệ.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu của Tiến sĩ Trương Công Tiền tại phòng thí nghiệm CREATIS (CNRS UMR 5220 – INSERM U1044 – INSA Lyon) thuộc Viện Khoa học Ứng dụng Quốc gia Lyon (INSA de Lyon), chuyên ngành Vi và Công nghệ Nano, giải quyết bài toán then chốt trong lĩnh vực cộng hưởng từ hạt nhân: tối ưu hóa toàn diện cấu trúc vi ăng-ten RMN (Nuclear Magnetic Resonance micro-antennas / micro-coils) cấy ghép dạng kim nhọn nhằm phục vụ phổ cộng hưởng từ (in vivo Magnetic Resonance Spectroscopy - MRS) cục bộ ở độ phân giải không gian cao trên mô hình động vật nhỏ (chuột cống và chuột nhắt).

Bối cảnh khoa học của công trình bắt nguồn từ nghịch lý kinh điển trong cảm biến RMN: việc thu nhỏ kích thước đầu dò xuống cấp độ micromét cho phép cô lập và quan sát một vi thể tích quan tâm (Region of Interest - ROI) nằm sâu bên trong thể tích lớn mà không bị nhiễu bởi các mô xung quanh, nhưng lại gây suy giảm nghiêm trọng độ nhạy do tín hiệu cảm ứng tỷ lệ thuận với thể tích kích thích, trong khi suy hao ohmic và nhiễu nhiệt gia tăng. Như tài liệu luận án nhấn mạnh: "Notre approche initiale réalisée in vitro dans le cadre des travaux de thèse de N. Baxan (2008) 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."

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) được xác định bao gồm:

1. Thiếu hụt các mô hình giải tích chính xác để tính toán tổn hao cao tần do hiệu ứng bề mặt (skin effect) và hiệu ứng lân cận (proximity effect) trên các dây dẫn vi điện tử tiết diện chữ nhật/vuông nhiều vòng.
2. Các công thức kinh điển của Butterworth (1921) hay Smith (1971) vốn chỉ áp dụng cho dây dẫn tiết diện tròn, không phản ánh đúng phân bố dòng điện vi dải (stripline/microstrip) trong vi cuộn cảm phẳng.
3. Tổn hao điện môi và điện dung ký sinh từ đế bán dẫn Silic chưa được mô hình hóa định lượng trong môi trường RMN tần số 100–300 MHz.
4. Rào cản cơ khí trong không gian hẹp của lồng nam châm RMN đòi hỏi giải pháp chuyển dịch mạch điều hợp (tuning/matching).

Các câu hỏi nghiên cứu ($RQ$) và giả thuyết khoa học ($H$) được thiết lập:

• $RQ_1$: Làm thế nào để dự đoán chính xác điện trở xoay chiều ($R_{AC}$), tự cảm riêng ($L_{self}$), và hỗ cảm ($M$) của vi cuộn cảm phẳng tiết diện chữ nhật dưới tác động đồng thời của hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận ở tần số 100–300 MHz?
• $RQ_2$: Cấu trúc hình học (tròn, vuông, chữ nhật, race-track) và vật liệu đế (Thủy tinh vs. Silic) nào tối đa hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($SNR$) và tối thiểu hóa giới hạn phát hiện ($LOD$)?
• $RQ_3$: Cơ chế phối hợp trở kháng và khử ghép (decoupling) nào đảm bảo chuyển giao năng lượng tối ưu trong không gian hạn chế của nam châm tiền lâm sàng?
• $H_1$: Phân bố dòng điện vi phân tương đương trên chu vi dây dẫn cho phép tính toán giải tích $R_{AC}/R_{DC}$ với độ chính xác tương đương phương pháp phần tử hữu hạn 3D (FEM) nhưng giảm thiểu chi phí tính toán hơn 90%.
• $H_2$: Việc thay thế đế Silic bằng đế Thủy tinh (Glass substrate) sẽ triệt tiêu hoàn toàn tổn hao nền ($R_{sub}, C_{sub}$), nâng cao đáng kể hệ số phẩm chất $Q$.

Khung lý thuyết cốt lõi dựa trên Định lý hỗ tương Hoult & Richards (1976), lý thuyết phân rã cảm ứng tự do (Free Induction Decay - FID), và các phương trình điện từ học trường biến thiên của Maxwell kết hợp định luật Biot-Savart. Phạm vi nghiên cứu bao quát dải tần số 100 MHz đến 300 MHz (tương ứng với từ trường tĩnh $B_0$ từ 2.35 T đến 7.05 T đối với proton $^1\text{H}$), tập trung vào các vi ăng-ten diện tích hoạt động $500 \times 1000,\mu\text{m}^2$ và $1000 \times 1000,\mu\text{m}^2$, bề dày dây dẫn $22\text{--}40,\mu\text{m}$, được chế tạo bằng công nghệ quang khắc và mạ điện tại phòng sạch ESIEE Paris.

Literature Review và Positioning

Lịch sử phát triển vi đầu dò RMN trải qua ba nhánh nghiên cứu chính:

flowchart TD
    A["Nghiên cứu Vi đầu dò RMN"] --> B["Nhánh 1: Vi cuộn Solenoid<br/>(Olson 1995, Rogers 1997, Peck 1995)"]
    A --> C["Nhánh 2: Vi ăng-ten Phẳng / Vi dải<br/>(Massin 2003, Renaud 2002, Eroglu 2003)"]
    A --> D["Nhánh 3: Vi cấu trúc Helmholtz / Stripline<br/>(Ciocan, Ehrmann, Syms)"]
    B --> E["Hệ số điền đầy cao nhưng khó cấy ghép in vivo"]
    C --> F["Định vị không gian xuất sắc nhưng chịu tổn hao lân cận & đế Silic"]
    D --> G["Độ đồng nhất từ trường cao nhưng chế tạo vi cơ MEMS phức tạp"]
    F --> H["Định vị Luận án TRUONG Cong Tien (2014):<br/>Tối ưu hóa hình học giải tích + Phần mềm ANPL + Đế Thủy tinh + Cấy ghép In Vivo"]
    G --> H

Nhánh 1: Vi cuộn cảm dạng Solenoid. Olson et al. (1995), Rogers et al. (1997), và Peck et al. (1995) đã chứng minh độ nhạy vượt trội của cuộn solenoid vi mô nhờ hệ số điền đầy (filling factor) cao và từ trường $B_1$ đồng nhất. Webb et al. (1996) cùng Minard et al. (2001) đã chuẩn hóa việc áp dụng công thức Butterworth để ước lượng tổn hao điện trở. Tuy nhiên, hình học solenoid cuộn tròn quanh ống mao dẫn là bất khả thi đối với các ứng dụng cấy ghép trực tiếp vào mô não động vật sống mà không gây tổn thương mô nghiêm trọng.

Nhánh 2: Vi ăng-ten phẳng và vi dải bề mặt. Massin et al. (2003), Renaud et al. (2002), và Eroglu et al. (2003) đã tiên phong phát triển các vi cuộn phẳng xoắn ốc (tròn và chữ nhật) trên đế silic bằng công nghệ vi cơ điện tử (MEMS), đạt độ phân giải không gian $30,\mu\text{m}$. Dẫu vậy, các tác giả này chủ yếu dựa vào các phép đo thực nghiệm hoặc mô phỏng FEM thô sơ, chưa đưa ra được công thức giải tích chuẩn xác để tính toán hiệu ứng lân cận giữa các vòng dây phẳng có tiết diện chữ nhật dày.

Nhánh 3: Cấu trúc vi kim và vi dải Helmholtz. Ciocan et al., Ehrmann et al., và Syms et al. nghiên cứu các vi cuộn tích hợp kênh vi lưu (microfluidics) hoặc vi kim trên silic. Song, các cấu trúc này gặp hạn chế lớn về suy hao điện môi tại tần số cao trên 200 MHz.

Cuộc tranh luận lý thuyết trung tâm nằm ở sự bất tương thích giữa các mô hình giải tích cổ điển và cấu trúc vi điện tử hiện đại:

• Trường phái Butterworth (1921) – Arnold (1946) – Smith (1971): Thiết lập mô hình suy hao $R_{AC}$ dựa trên dây dẫn tròn cô lập hoặc bó dây song song đồng nhất.
• Trường phái Edwards (1911) – Silvester (1967) – Antonini (1999): Khẳng định trên dây dẫn dải mỏng và tiết diện chữ nhật, mật độ dòng điện dồn tích dị thường tại các góc mép sắc nhọn, khiến công thức Butterworth ước tính sai lệch nghiêm trọng tỷ số $R_{AC}/R_{DC}$.

Luận án của Trương Công Tiền định vị chính xác tại giao điểm này: chuyển hóa các bế tắc công nghệ vi chế tạo thành bài toán vật lý cơ bản, xây dựng mô hình giải tích dòng điện bề mặt tương đương cho dây dẫn tiết diện chữ nhật, vượt qua giới hạn của nghiên cứu tiền nhiệm (Baxan 2008, Kadjo 2011) để hiện thực hóa khả năng đo phổ in vivo.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đóng góp 4 bước tiến lý thuyết nền tảng:

1. Mở rộng Định lý Hỗ tương Hoult & Richards và Tái lập thuyết Giới hạn Phát hiện ($LOD$): Tác giả tái chứng minh biểu thức lực điện động cảm ứng $\xi(t)$ và biên độ tín hiệu RMN $S_0$ từ phương trình Bloch và tích phân phân bố từ hóa quay trong thể tích $V$: $$S_0 = \frac{B_{1xy}}{I} \omega_0 M_0 V = \frac{B_{1xy}}{I} \frac{\omega_0 N_s \gamma^2 \hbar^2 s(s+1) B_0 V \sin\theta}{3kT}$$ Trong đó $\frac{B_{1xy}}{I}$ đại diện cho hiệu suất sinh từ trường trên mỗi đơn vị dòng điện. Giới hạn phát hiện $LOD$ được thiết lập dưới góc độ vi mô: $$LOD \propto \frac{\sqrt{R_{bruit}}}{S_0 / V}$$ Chứng minh rằng giảm kích thước vi cuộn làm tăng vượt bậc $\frac{B_{1xy}}{I}$, bù đắp cho sự sụt giảm thể tích $V$.

2. Mô hình Dòng điện Biên Phân bố Tương đương giải quyết Hiệu ứng Lân cận: Dựa trên nguyên lý chồng chập hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận, tác giả xây dựng công thức xác định dòng điện bề mặt tần số cao. Khi khoảng cách giữa các vòng dây $\Delta$ thu hẹp, xuất hiện hiện tượng dòng điện âm cục bộ tại bề mặt đối diện khi số vòng $m \ge 3$, làm gia tăng đột biến điện trở xoay chiều $R_{AC}$.

3. Tổng quát hóa Phương pháp Tính Tự cảm và Hỗ cảm Cấu trúc Bất đối xứng: Kế thừa định lý Neumann (1846), tích phân Hoer (1965), và khái niệm khoảng cách trung bình hình học (Geometric Mean Distance) của Rosa (1908), tác giả mở rộng tính toán ma trận cảm kháng cho dây dẫn phân đoạn thành $m \times n$ sợi filament: $$M_{12} = \frac{\mu_0}{4\pi} \iint \frac{d\vec{l}_1 \cdot d\vec{l}_2}{r}$$ Biến đổi công thức tính tự cảm riêng của dây dẫn thẳng tiết diện $w \times t$ thành dạng giải tích kín, loại bỏ sự phụ thuộc vào các xấp xỉ vô hạn của Grover (1946).

classDiagram
    class TheoreticalFramework {
        +Hoult_Richards_Reciprocity()
        +Equivalent_Boundary_Current()
        +Segmented_Hoer_Inductance()
        +Yue_Substrate_Loss_Model()
    }
    class ANPL_Engine {
        +Arbitrary_Geometry_Discretization()
        +RAC_RDC_Computation()
        +B1_Field_Mapping_3D()
        +SNR_LOD_Evaluation()
    }
    class Prototype_Realization {
        +Borosilicate_Glass_Substrate()
        +Electrodeposited_Cu_Au_Traces()
        +Remote_Tuning_Matching()
        +Active_PIN_Decoupling()
    }
    TheoreticalFramework --> ANPL_Engine : Cung cấp công thức giải tích
    ANPL_Engine --> Prototype_Realization : Định hướng thông số tối ưu

Các mệnh đề lý thuyết được lượng hóa:

• Mệnh đề 1 ($P_1$): Tỷ số $R_{AC}/R_{DC}$ của vi cuộn phẳng không tăng tuyến tính theo tần số mà phụ thuộc phi tuyến vào tỷ số bước khoảng cách $\Delta / \delta$.
• Mệnh đề 2 ($P_2$): Hệ số phẩm chất $Q$ của vi cuộn trên đế bán dẫn Silic bị khống chế bởi nhánh dẫn nạp tổn hao ký sinh của chất nền di chuyển theo phương trình Yue et al. (1998): $$Q = \frac{\omega L_S}{R_S} \frac{R_P}{R_P + (\omega L_S / R_S)^2 R_S [1 + (R_S^2 C_0 / L_S)]} \left[ 1 - \frac{R_S^2 C_0}{L_S} - \omega^2 L_S C_0 \right]$$

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đa tầng:

• Tích hợp 3 hệ thống lý thuyết: Điện từ học Maxwell trường gần, Thuyết mạch tích hợp siêu cao tần RF, và Cơ học lượng tử cộng hưởng từ hạt nhân.
• Khởi xướng phần mềm chuyên dụng ANPL (ANtenne PLanaire) viết trên nền tảng MATLAB, cho phép nạp các tọa độ vector hình học bất kỳ (tròn, vuông, chữ nhật, race-track), chia lưới giải tích và tính toán đồng thời các trường $B_1(x,y,z)$, ma trận tự cảm, điện trở tần số cao và bản đồ phân bố $SNR$ 3D trong vài giây mà không cần giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng cồng kềnh như Ansys HFSS.
• Điều kiện biên: Áp dụng nghiêm ngặt cho dải kích thước $w, t$ từ $10,\mu\text{m}$ đến $100,\mu\text{m}$, tần số hoạt động $100\text{--}300,\text{MHz}$.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ thế giới quan thực chứng (positivism) kết hợp chủ nghĩa hiện thực phản biện (critical realism). Thiết kế nghiên cứu đa mức (tri-level design):

flowchart LR
    L1["CẤP ĐỘ 1: LÝ THUYẾT & GIẢI TÍCH<br/>• Phân bố dòng tương đương<br/>• Tích phân Neumann & Hoer<br/>• Định lý hỗ tương Hoult"] --> L2["CẤP ĐỘ 2: MÔ PHỎNG SỐ<br/>• Phát triển phần mềm ANPL<br/>• Kiểm chứng chéo với Ansys FEA<br/>• Mô hình mạch Multisim RF"]
    L2 --> L3["CẤP ĐỘ 3: THỰC NGHIỆM VI CHẾ TẠO<br/>• Phòng sạch ESIEE Paris<br/>• Quang khắc 3 lớp & Mạ điện<br/>• Đo VNA & Probe Station (50-300MHz)"]

Quy mô mẫu thử nghiệm bao gồm 4 cấu hình hình học vi cuộn chính:

1. Hình tròn xoắn ốc (Circular spiral).
2. Hình vuông (Square spiral).
3. Hình chữ nhật (Rectangular spiral).
4. Dạng đường đua (Race-track) – tối ưu hóa chuyên biệt cho cấy ghép dạng kim. Số vòng dây biến thiên $n \in [2, 6]$, độ dày kim loại $t \in [20, 40],\mu\text{m}$, độ rộng dải $w \in [20, 30],\mu\text{m}$, khoảng cách rãnh $\Delta \in [6, 22],\mu\text{m}$.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu vi chế tạo tại phòng sạch ESIEE Paris tuân thủ quy chuẩn nghiêm ngặt qua 3 tầng mặt nạ quang khắc:

sequenceDiagram
    autonumber
    participant Sub as Substrate (Glass/Si)
    participant Dep as Metal Deposition (Cr/Au)
    participant Res as Thick Resist (SU-8/AZ)
    participant Elec as Electroplating (Cu/Au)
    participant Test as RF Probe Station

    Sub->>Dep: Bay hơi chân không lớp dính Cr/Au (Seed layer)
    Sub->>Res: Phủ nhựa quang khắc dày tạo khuôn vi rãnh
    Res->>Res: Chiếu xạ UV qua Mask & Hiện hình định hình rãnh cuộn
    Res->>Elec: Mạ điện làm đầy rãnh đồng/vàng (dày 29-40 um)
    Elec->>Res: Tẩy bóc lớp nhựa quang khắc & Ăn mòn Seed layer
    Sub->>Test: Đo kiểm hình học SEM JEOL JSM 840 & Đo tham số S11

1. Chế tạo vi mạch 3 lớp:

   • Lớp 1 (Connection lines): Khắc dải dẫn kết nối đáy.
   • Lớp 2 (Seed layer & Vias): Bay hơi lớp mầm kim loại dính bám $\text{Cr/Au}$.
   • Lớp 3 (Coil profile): Quang khắc lớp nhựa dày định hình khuôn, sau đó mạ điện hóa (electrodeposition) phát triển dây dẫn đồng/vàng đạt độ dày vượt trội $29\text{--}40,\mu\text{m}$ (đảm bảo $t \gg \delta$ để cực tiểu hóa trở kháng).
   • Kiểm tra hình thái học bằng kính hiển vi điện tử quét SEM JEOL JSM 840.

2. Kỹ thuật Đo lường và Khử nhiễu RF:

   • Sử dụng trạm đo vi đầu dò (Probe Station) kết hợp Máy phân tích mạng vector (VNA) đo thông số tán xạ $S_{11}$ từ 50 MHz đến 300 MHz.
   • Trích xuất ma trận tham số $Y$, mô hình tương đương mạch $\Pi$ vi sai (differential) và đơn cực (single-ended).
   • Phát triển hệ thống chuyển dịch điều hợp và phối hợp trở kháng (remote tuning and matching) sử dụng đường truyền cáp đồng trục $50,\Omega$ kết hợp hai tụ điện tiền điều hợp ($C_1, C_2$), giải quyết triệt để rào cản không gian lồng nam châm hẹp.
   • Thiết kế mạch khử ghép tích cực (active decoupling) bằng đi-ốt PIN bảo vệ vi đầu dò thu trong suốt chu kỳ phát xung RF công suất lớn của cuộn kích thích toàn thân.

Data và phân tích

Dữ liệu thực nghiệm được xử lý qua mô hình hồi quy đa thức (polynomial fitting) nhằm trích xuất chính xác các tham số thành phần ký sinh:

• Điện cảm thực tế $L(f)$ và điện trở thực tế $R(f)$.
• Tách biệt điện dung ký sinh giữa các vòng dây ($C_s$) và điện dung rò xuống chất nền ($C_{ox}, C_{sub}$).
• Đối chuẩn chéo 3 chiều (triangulation): Dữ liệu phân tích giải tích từ mã ANPL $\leftrightarrow$ Mô phỏng số 3D Ansys $\leftrightarrow$ Phép đo thực nghiệm trên wafer.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Hiện tượng Phân bố Dòng Đảo Chiều do Hiệu ứng Lân cận Đa Vòng: Mô hình giải tích và mô phỏng trên ANPL phát hiện khi số vòng dây $m \ge 3$, mật độ dòng điện tại bề mặt trong của các vòng dây trung tâm không chỉ bị đẩy ra biên mà còn xuất hiện các vector mật độ dòng âm cục bộ. Điều này giải thích tại sao tỷ số $R_{AC}/R_{DC}$ tăng vọt phi mã khi khoảng cách $\Delta < 20,\mu\text{m}$. Bảng so sánh cho thấy sự trùng khớp tuyệt đối giữa giải tích ANPL và Ansys (sai số $< 2.1%$), trong khi công thức Smith kinh điển đánh giá thấp tổn hao tới $35%$.

2. Ưu thế Tuyệt đối của Đế Thủy tinh so với Đế Silic: Thực nghiệm đo kiểm trên wafer chứng minh đế Thủy tinh loại bỏ hoàn toàn các vòng dòng điện xoáy cảm ứng Foucault trong chất nền bán dẫn.

• Trên đế Silic: Hệ số phẩm chất $Q$ đạt đỉnh sớm ở tần số thấp và suy thoái nghiêm trọng khi tiến gần 200 MHz do dòng rò qua điện dung $C_{Si}$ và điện trở dẫn $R_{Si}$.
• Trên đế Thủy tinh: $Q$ tiếp tục tăng tuyến tính theo $\frac{\omega L}{R}$, đạt giá trị $Q > 35$ tại 200 MHz cho cấu hình race-track 4 vòng, suy hao điện môi gần như bằng 0.

xychart-beta
    title "Diễn biến Hệ số Phẩm chất Q theo Tần số (50 - 300 MHz)"
    x-axis [50MHz, 100MHz, 150MHz, 200MHz, 250MHz, 300MHz]
    y-axis "Hệ số Phẩm chất (Q-factor)" 0 --> 45
    line "Đế Thủy tinh (Glass Substrate)" [8, 17, 26, 35, 41, 44]
    line "Đế Silic chuẩn (Silicon Substrate)" [7, 14, 18, 16, 11, 5]

3. Cấu hình Race-track Tối ưu hóa cho Cấy ghép Dạng Kim: Vi cuộn dạng race-track 4 vòng ($w = 22,\mu\text{m}, t = 40,\mu\text{m}, \Delta = 22,\mu\text{m}$, diện tích hữu công $500 \times 1000,\mu\text{m}^2$) mang lại sự cân bằng hoàn hảo: tạo ra trường $B_{1xy}$ tập trung cực đại tại thể tích quan sát nằm trực diện mũi kim, tối ưu hóa $SNR_t$ trong dải thể tích $1\text{--}64,\text{mm}^3$, đồng thời giữ diện tích xâm lấn mô ở mức an toàn sinh học.

4. Hiệu chuẩn Thành công Mạch Chuyển dịch Phối hợp Trở kháng: Mô hình mô phỏng Multisim và thực nghiệm khẳng định đường truyền cáp đồng trục chuyển dịch kết hợp tụ $C_1, C_2$ duy trì chính xác phối hợp $50,\Omega$ tại tần số Larmor 200 MHz mà không làm suy giảm hệ số $Q$ tổng thể của hệ thống quá $4.5%$.

Implications đa chiều

• Về mặt Lý thuyết: Luận án khép lại khoảng trống kéo dài nhiều thập kỷ trong việc tính toán suy hao vi dải RF tiết diện dày, cung cấp khung giải tích tổng quát cho các nhà vật lý từ trường.
• Về mặt Phương pháp luận: Bộ công cụ phần mềm ANPL mang lại giải pháp thay thế mã nguồn mở hiệu năng cao, giảm thời gian thiết kế ăng-ten RMN từ vài tuần mô phỏng FEM xuống còn vài phút tính toán giải tích.
• Về mặt Thực tiễn Y sinh: Cung cấp mẫu cảm biến vi kim cấy ghép hoàn chỉnh, mở đường cho các nghiên cứu chuyển hóa thần kinh học chuyên sâu: theo dõi trực tiếp động học của các chất chuyển hóa não bộ như Lactate, N-acetylaspartate (NAA), Choline, Creatine, và GABA trên động vật sống mà không cần hy sinh mẫu.

Limitations và Future Research

Luận án thẳng thắn thừa nhận các giới hạn:

1. Mô hình giải tích 2.5D: ANPL giả định phân bố trường trong môi trường đồng nhất, chưa tính toán trọn vẹn tải điện môi phức tạp và tính dẫn điện dị hướng ($\sigma_{tissue}$) của các lớp vỏ não sống.
2. Rào cản tương thích sinh học dài hạn: Các vi mẫu thử nghiệm trên đế thủy tinh mới dừng lại ở kiểm tra điện học và cấy ghép cấp tính (acute); hiện tượng phản ứng viêm mạn tính và bao xơ mô quanh vi kim chưa được khảo sát trong thời gian $> 30$ ngày.
3. Giới hạn dải tần thực nghiệm: Các kiểm chứng tập trung chủ yếu từ 100 MHz đến 300 MHz (tương thích máy RMN 2.35T – 7T), chưa mở rộng lên các hệ thống siêu từ trường 9.4T hay 11.7T (400–500 MHz).

Chương trình nghiên cứu tiếp nối:

• Tích hợp cảm biến nhiệt vi mô và kênh vi lưu vi phân liều lượng (microdialysis) ngay trên thân vi kim thủy tinh.
• Phát triển vi ăng-ten đa kênh điều hợp kép ($^1\text{H}/^{31}\text{P}$ và $^1\text{H}/^{13}\text{C}$) nhằm khảo sát đồng thời chuyển hóa năng lượng ti thể.
• Ứng dụng kỹ thuật ghép nối không dây cảm ứng vi dải (wireless inductive coupling) để loại bỏ hoàn toàn dây dẫn xuyên sọ.

Tác động và ảnh hưởng

• Học thuật: Công trình là tài liệu tham khảo cốt lõi cho các nhóm nghiên cứu cộng hưởng từ y sinh và cảm biến Bio-MEMS quốc tế, dự kiến thu hút trích dẫn cao trong các tạp chí chuyên ngành như Journal of Magnetic Resonance (JMR), IEEE Transactions on Biomedical Engineering, và Sensors and Actuators.
• Công nghiệp & Y tế: Định hình tiêu chuẩn thiết kế đầu dò cho các nhà sản xuất thiết bị RMN/MRI tiền lâm sàng (Bruker BioSpin, Rapid Biomedical). Giúp rút ngắn chu kỳ R&D vi cảm biến, tiết kiệm hàng chục nghìn euro chi phí chế tạo thử nghiệm trong phòng sạch.
• Xã hội: Thúc đẩy tiến trình phát hiện sớm các cơ chế bệnh học thần kinh nguy hiểm như đột quỵ, u não tế bào thần kinh đệm (glioma), và các bệnh thoái hóa thần kinh (Alzheimer, Parkinson).

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học RF: Tiếp cận phương pháp luận tính toán giải tích mạch vi dải và thuật toán ANPL để mở rộng cho các dạng hình học ăng-ten phức tạp.
• Kỹ sư Vi điện tử & MEMS: Nắm vững quy trình công nghệ quang khắc 3 lớp mạ điện kim loại dày ($40,\mu\text{m}$) trên đế Thủy tinh cách điện.
• Bác sĩ & Nhà khoa học Thần kinh tiền lâm sàng: Sở hữu công cụ đo phổ chuyển hóa tại chỗ với độ phân giải thể tích cấp vi lít, độ nhạy $SNR$ vượt trội.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì?

Luận án đã mở rộng xuất sắc Thuyết tương hỗ Hoult & Richards (1976) bằng việc tích hợp mô hình phân bố dòng điện biên tương đương trên dây dẫn tiết diện chữ nhật nhiều vòng, giải quyết chính xác sự gia tăng điện trở $R_{AC}$ do hiệu ứng lân cận mà các mô hình Butterworth hay Rosa trước đó không thực hiện được.

2. Đột phá phương pháp luận so với các nghiên cứu tiền nhiệm?

So với Baxan (2008) và Kadjo (2011) vốn phụ thuộc vào thực nghiệm in vitro mò mẫm, luận án đã xây dựng thành công phần mềm giải tích tự phát triển ANPL (trên MATLAB), cho phép mô phỏng tức thời bản đồ trường $B_1$, $SNR$, $LOD$ và tự cảm vi cuộn tùy biến, đạt độ chính xác tương đương Ansys HFSS nhưng tốc độ nhanh hơn gấp hàng chục lần.

3. Phát hiện thực nghiệm đáng ngạc nhiên nhất?

Sự suy giảm đột ngột hệ số phẩm chất $Q$ trên đế Silic ở tần số $> 150,\text{MHz}$ do tổn hao điện dung nền, và việc chuyển sang đế Thủy tinh đã giải phóng hoàn toàn hiệu suất của cuộn cảm, cho phép duy trì đường đặc tuyến $Q$ tăng trưởng đơn điệu tuyến tính đạt $Q > 35$ tại 200 MHz.

4. Quy trình chế tạo có khả năng tái lặp không?

Toàn bộ quy trình vi chế tạo tại phòng sạch ESIEE Paris được văn bản hóa chi tiết từng bước: từ thông số ăn mòn, độ dày lớp mầm Cr/Au, loại nhựa cản quang dày, dòng mạ điện hóa cho đến kỹ thuật đo vi điểm (probe station S-parameters), đảm bảo khả năng tái lặp $100%$ tại bất kỳ xưởng MEMS tiêu chuẩn nào.

5. Tầm nhìn phát triển nghiên cứu trong 10 năm tới?

Lộ trình phát triển bao gồm: Chuyển dịch từ vi kim đơn kênh sang mảng vi kim đa kênh (phased array), tích hợp chip tiền khuếch đại chống nhiễu trực tiếp trên đầu kim (Active-probe on-chip), và thực hiện các phép đo chuyển hóa carbon-13 ($^{13}\text{C}$) tăng phân cực (hyperpolarized MRS) trên não động vật chuyển gen.

Kết luận

Luận án Tiến sĩ của TRUONG Cong Tien đã giải quyết trọn vẹn và mẫu mực chuỗi mắt xích từ lý thuyết vật lý cơ bản, mô phỏng giải tích toán học, công nghệ vi chế tạo phòng sạch cho đến đo kiểm thực nghiệm RF chuyên sâu:

1. Xây dựng thành công hệ phương trình giải tích tính toán chính xác tổn hao xoay chiều $R_{AC}/R_{DC}$ và ma trận tự cảm/hỗ cảm cho vi cuộn cảm phẳng tiết diện chữ nhật dưới hiệu ứng da và lân cận.
2. Phát triển và chuẩn hóa phần mềm ANPL, công cụ thiết kế vi ăng-ten RMN phẳng tốc độ cao, hỗ trợ đắc lực cho cộng đồng nghiên cứu cộng hưởng từ.
3. Chứng minh định lượng ưu thế tuyệt đối của đế Thủy tinh so với đế Silic trong việc triệt tiêu tổn hao nền RF tại dải tần 100–300 MHz.
4. Hiện thực hóa giải pháp phần cứng chuyển dịch phối hợp trở kháng và mạch khử ghép tích cực, dỡ bỏ rào cản cơ học trong không gian hẹp của nam châm RMN.
5. Chế tạo thành công các mẫu vi ăng-ten dạng kim race-track ($500 \times 1000,\mu\text{m}^2$) với độ dày kim loại $40,\mu\text{m}$, sẵn sàng cho các ứng dụng đo phổ chuyển hóa in vivo độ phân giải siêu cao.

Công trình đánh dấu bước chuyển mình quan trọng, đưa kỹ thuật vi cảm biến RMN từ các thử nghiệm in vitro sang hiện thực ứng dụng in vivo trên hệ thần kinh trung ương, tạo nền tảng vững chắc cho sự phát triển của vi quang học và vi từ học y sinh hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 : [phone] [e-mail]@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 : [e-mail] 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 [phone]e etage [e-mail] [e-mail] 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 [phone] [e-mail] 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 : [phone] [e-mail]@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 : [e-mail] *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.