Towards MEMS-based chem/bio sensing arrays with on-chip optical read-out

• Autorzy: Martyniuk M.

Warianty tytułu

PL

Rozwój czujników MEMS z zintegrowanym systemem odczytu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Sensing on the microscale using microelectromechanical systems (MEMS) has established itself commercially as one of the dominant world-wide sensing technologies, providing commercialised sensing solutions for pressure, inertia, temperature, as well as for more challenging applications in remote infrared imaging and energy harvesting. However, to date MEMS has not delivered any commercially successful chem/bio sensor, even though it has been established for some time that microcantilever-based sensing can detect chem/bio agents at the level of single molecules or even zeptograms (10-21 g). The widespread application of this class of sensors has been largely impeded by the lack of a technology capable of performing high-resolution measurements of large arrays of MEMS devices. We demonstrate a technology capable of filling that need that is based on MEMS suspended microcantilevers and an on-chip optical read-out, and show an implementation of an effective toluene sensor.

PL

Mikroczujniki wykonane w technologii MEMS zdominowały światowe technologie dostarczając rozwiązań komercyjnych do pomiaru ciśnienia, bezwładności i temperatury. Pojawiły się również bardziej zaawansowane zastosowania w dziedzinie zobrazowania podczerwieni i kumulacji energii. Do dzisiaj jednak nie udało się zademonstrować komercyjnego czujnika chemiczno-biologicznego, chociaż raporty o wysokiej czułości mikro-belek umożliwiające rejestrację pojedynczej molekuły (zeptogramy, 10-21g) są już dostępne w literaturze. Głównym problemem ograniczającym rozwój tej technologii jest brak metod umożliwiających pomiar odkształcenia matryc mikro-belek z wysoką rozdzielczością. Artykuł prezentuje technologię otrzymania wymaganej rozdzielczości dla dużych matryc mikro-belek w technologii MEMS z wykorzystaniem metod optycznych. Jako przykład zastosowania przedstawiono rezultaty dla czujnika toluenu.

Słowa kluczowe

EN

biological sensor; micro electro-mechanical system; MEMS; optical MEMS; nano-positioning

PL

sensor biologiczny; układ mikroelektromechaniczny; nano-pozycjonowanie

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 91, nr 10
• Strony: 233--236
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Martyniuk M.

• The University of Western Australia, School of Electrical, Electronic and Computer Engineering, 35 Stirling Hwy, Crawley, WA 6009, Australia

Bibliografia

• [1] Yole Development reports, Status of the MEMS Industry 2014 (August 2014 edition), MEMS & Sensors for Mobile Phones and Tablets. see http://www.yole.fr/2014_press_releases.aspx
• [2] Burg T.P., Godin M., Knudsen S.M., Shen W., Carlson G., Foster J.S., Babcock K., and Manalis S.R., Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid, Nature, 446, 1066-1069, 2007; doi:10.1038/nature05741
• [3] Yang Y.T., Callegari C., Feng X.L., Ekinci K.L., and Roukes M.L., Zeptogram-Scale Mass Sensing, Nano Lett., 6, p. 583, 2006; doi: 10.1021/nl052134m
• [4] Huber F., Lang H.P., Backmann N., Rimoldi D., Gerberdoi Ch., Direct detection of a BRAF mutation in total RNA from melanoma cells using cantilever arrays, Nature Nanotechnology 8, 125-129, 2013; doi:10.1038/nnano.2012.263
• [5] Wu G., Datar R.H., Hansen K.M., Thundat T., Cote R.J., Majumdar A., Bioassay of prostate-specific antigen (PSA) using microcantilevers, Nature Biotechnology 19, 856-860, 2001; doi:10.1038/nbt0901-856
• [6] Burg T.P., Godin M., Knudsen S.M., Shen W., Carlson G., Foster J.S., Babcock K., Manalis S.R., Weighing of biomolecules, single cells and single nanoparticles in fluid, Nature 446, 1066-1069, 2007; doi:10.1038/nature05741
• [7] Dufrêne Y.F., Towards nanomicrobiology using atomic force microscopy, Nature Reviews Microbiology 6, 674-680, 2008; doi:10.1038/nrmicro1948
• [8] Lavrik N.V., Sepaniak M.J. and Datskos P.G., Cantilever transducers as a platform for chemical and biological sensors, Rev. Sci. Instrum. 75, 2229, 2004; doi: 10.1063/1.1763252
• [9] Stievater T.H., Rabinovich W.S., Ferraro M.S., Papanicolaou N.A., Bass R., Boos J.B., Stepnowski J.L., McGill R.A., Photonic microharp chemical sensors, Opt Express; 16(4):2423-30, 2008; doi: 10.1364/OE.16.002423
• [10] Binnig G., Despont M., Drechsler U., Häberle W., Lutwyche M., Vettiger P., Mamin H.J., Chui B.W., Kenny T.W., Ultrahighdensity atomic force microscopy data storage with erase capability, Applied Physics Letters, 74, 1329-1331, 1999; doi: 10.1063/1.123540
• [11] Putrino G., Keating A., Martyniuk M., Faraone L., Dell J., Integrated Resonant Optical Readout Applicable to Large Arrays of MEMS Beams, Photonics Technology Letters, IEEE, vol.24, no.24, 2243,2246, 2012; doi: 10.1109/LPT.2012.2225611
• [12] TA-2100 Toluene Gas Detector, see http://www.milram. com/public/ta_2100_toluene_page.html
• [13] Sabah A. Abdul-Wahab, Sick Building Syndrome: in Public Buildings and Workplaces, Springer Science & Business Media, 2011; doi: 10.1007/978-3-642-17919-8_15
• [14] Miyagi Y., Shima F., Ishido K., Yasutake T., and Kamikaseda K., Tremor induced by toluene misuse successfully treated by a Vim thalamotomy, J Neurol Neurosurg Psychiatry, 66(6): 794–796, 1999; doi: 10.1136/jnnp.66.6.794
• [15] Yamaguchia H., Kidachib Y., Ryoyamab K., Toluene at Environmentally Relevant Low Levels Disrupts Differentiation of Astrocyte Precursor Cells, Archives of Environmental Health, Vol.57, Issue 3, 2002 doi: 10.1080/00039890209602942
• [16] Putrino G., Keating A., Martyniuk M., Faraone L., Dell J., Model and analysis of a high sensitivity resonant optical read-out approach suitable for cantilever sensor arrays, Journal of Lightwave Technology, vol.30, no.12, 1863-1868, 2012, doi: 10.1109/JLT.2012.2190973
• [17] Putrino G., Martyniuk M., Keating A., Faraone L., Dell J., Onchip Read-out of Picomechanical Motion Under Ambient Conditions, Nanoscale, 7, 1927-1933, 2015; doi: 10.1039/C4NR05419A
• [18] Urbiztondo M., Peralta A., Pellejero I., Sesé J., Pina M., Dufour I., Santamaría J., Detection of organic vapours with Si cantilevers coated with inorganic (zeolites) or organic (polymer) layers, Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 171–172, 822-831, 2012; doi: 10.1016/j.snb.2012.05.078