SU-8 Guiding Layer for Love Wave Devices

SU-8 is a technologically important photoresist used extensively for the fabrication of microfluidics and MEMS, allowing high aspect ratio structures to be produced. In this work we report the use of SU-8 as a Love wave sensor guiding layer which allows the possibility of integrating a guiding layer with flow cell during fabrication. Devices were fabricated on ST-cut quartz substrates with a single-single finger design such that a surface skimming bulk wave (SSBW) at 97.4 MHz was excited. SU-8 polymer layers were successively built up by spin coating and spectra recorded at each stage; showing a frequency decrease with increasing guiding layer thickness. The insertion loss and frequency dependence as a function of guiding layer thickness was investigated over the first Love wave mode. Mass loading sensitivity of the resultant Love wave devices was investigated by deposition of multiple gold layers. Liquid sensing using these devices was also demonstrated; water-glycerol mixtures were used to demonstrate sensing of density-viscosity and the physical adsorption and removal of protein was also assessed using albumin and fibrinogen as model proteins

ST Quartz Acoustic Wave Sensors with Sectional Guiding Layers

We report the effect of removing a section of guiding layer from the propagation paths of ST-quartz Love wave sensors; this offers the ease of fabrication of a polymer guiding layer whilst retaining the native surface of the quartz which may then be used for the attachment of a sensitizing layer. Data is presented for rigid and viscous loading, which indicates a small reduction in mass sensitivity compared to a Love wave device. Biosensing capabilities of these discontinuous ‘sectional’ guiding layer devices are demonstrated using protein adsorption from solution

Semen quality detection using acoustic wave sensors

Artificial insemination (AI) is a widely used part of the modern agricultural industry, with the number of animals inseminated globally being measured in the millions per anum. Crucial to the success of AI is that the sperm sample used is of a high Quality. Two factors which determine the quality of the sample are the number of sperm present and their motility. There are numerous methods used to analyse the quality of a sperm sample, but these are generally laboratory based, expensive and in need of a skilled operator to perform the analysis. It would, therefore be useful to have a simple and inexpensive system which could be used outside the laboratory, immediately prior to the insemination of the animal. Presented in this thesis is work developing a time of flight (ToF) technique which makes use of a quartz crystal microbalance (QCM), operating at 5 MHz, as the sensing element. Data is shown developing a device where a 50 μl sample of boar sperm is added to a liquid filled swim channel, which the sperm are allowed to self-propel down and attach to the surface of a QCM at the end. The attachment of the sperm to the surface causes a measurable frequency decrease in the QCM, aproximately 50 Hz. An average effective mass measurement was made using a QCM and gave a value of 8 ± 5 pg per sperm, which was used in conjunction with the frequency change to determine the number rate of sperm reaching the QCM

Characterising room temperature ionic liquids with acoustic wave devices

Data for the physical properties of Room Temperature Ionic Liquids (RTILs) as a function of chemical composition is limited due to the expense and difficulty of producing large volumes of pure samples for characterization. RTILs comprise solely of ions and are liquid at room temperature. These are becoming of increasing interest for an extensive range of applications. This thesis looks at developing small scale characterization processes to find low cost and efficient methods for processing smaller sample volumes. Quartz crystal impedance analysis has been used to assess whether room temperature ionic liquids behave in a Newtonian manner to determine the values of their square root viscosity-density product using small volumes. Values are compared to traditional viscometer and densitometer measurements. A range of harmonics were studied for a 5 MHz fundamental crystal. The frequency shift of the third harmonic was found to provide the closest agreement between the two measurement methods with a limit seen at a square root viscosity-density product value of approximately 18 kg m??2 s??0:5. Further characterisation of the liquid was performed to separate values of density and viscosity using dual Quartz Crystal Microbalance (QCM) with fabricated surface features on one QCM; this required a total sample volume of only 240 L. Values were corroborated with standard measurement techniques demonstrating good agreement. A QCM was then incorporated into a microfluidic glass chip system to measure the square root of the viscosity-density product of RTILs

Integrated Optical Spr (surface Plasmon Resonance) Sensor Based On Optoelectronic Platform

Current major demands in SPR sensor development are system miniaturization and throughput improvement. Structuring an array of integrated optical SPR sensor heads on a semiconductor based optoelectronic platform could be a promising solution for those issues, since integrated optical waveguides have highly miniaturized dimension and the optoelectronic platform enables on-chip optical-to-electrical signal conversion. Utilizing a semiconductor based platform to achieve optoelectronic functionality poses requirements to the senor head; the sensor head needs to have reasonably small size while it should have reasonable sensitivity and fabrication tolerance. This research proposes a novel type of SPR sensor head and demonstrates a fabricated device with an array of integrated optical SPR sensor heads endowed with optoelectronic functionality. The novel integrated optical SPR sensor head relies on mode conversion efficiency for its operational principle. The beauty of this type of sensor head is it can produce clear contrast in SPR spectrum with a highly miniaturized and simple structure, in contrast to several-millimeter-scale conventional absorption type or interferometer type sensor heads. The integrated optical SPR sensor with optoelectronic functionality has been realized by structuring a dielectric waveguide based SPR sensor head on a photodetector-integrated semiconductor substrate. A large number of unit sensors have been fabricated on a substrate with a batch fabrication process, which promises a high throughput SPR sensor system or low-priced disposable sensors

Structures phononiques à ondes de Love pour la biodétection

Le développement de systèmes de biodétection est extrêmement important pour un grand nombre de domaines et la nécessité d’améliorer la sensibilité et la précision des mesures devient un enjeu important pour des applications de pointe comme la sureté alimentaire, le diagnostic médical ou encore la surveillance de l’environnement. Les ondes acoustiques de surface (SAW) sont largement utilisées comme capteurs notamment pour la biodétection. Cependant les limites théoriques de leur sensibilité sont rapidement atteintes. Parallèlement à l’accroissement de leur positionnement sur le marché, de nouvelles méthodes de manipulation des ondes acoustiques grâce à des arrangements périodiques, appelés cristaux phononiques, ont été développées. Nous partons de l’hypothèse que ces structures peuvent être utilisées pour accroître la sensibilité des capteurs acoustiques. L’objectif de ce projet doctoral est de concevoir une plate forme de biodétection intégrant des structures phononiques dans un dispositif SAW à ondes de Love afin d’améliorer la sensibilité à un dépôt de masse et démontrer le potentiel de ce type de dispositif pour des applications de biodétection. Le travail s’appuie sur deux phases majeures, l’une de modélisation numérique afin de concevoir et optimiser une structure phononique de référence, l’autre de développement expérimental de processus de fabrication en salle blanche et de tests de détection afin de caractériser les dispositifs et d’estimer leur sensibilité

Système microfluidique d'analyse sanguine en temps réel pour l'imagerie moléculaire chez le petit animal

De nouveaux radiotraceurs sont continuellement développés pour améliorer l'efficacité diagnostique en imagerie moléculaire, principalement en tomographie d'émission par positrons (TEP) et en tomographie d'émission monophotonique (TEM) dans les domaines de l'oncologie, de la cardiologie et de la neurologie. Avant de pouvoir être utilisés chez les humains, ces radiotraceurs doivent être caractérisés chez les petits animaux, principalement les rats et les souris. Pour cela, de nombreux échantillons sanguins doivent être prélevés et analysés (mesure de radioactivité, séparation de plasma, séparation d'espèces chimiques), ce qui représente un défi majeur chez les rongeurs à cause de leur très faible volume sanguin (-1,4 ml pour une souris). Des solutions fournissant une analyse partielle sont présentées dans la littérature, mais aucune ne permet d'effectuer toutes les opérations dans un même système. Les présents travaux de recherche s'insèrent dans le contexte global d'un projet visant à développer un système microfluidique d'analyse sanguine complète en temps réel pour la caractérisation des nouveaux radiotraceurs TEP et TEM. Un cahier des charges a tout d'abord été établi et a permis de fixer des critères quantitatifs et qualitatifs à respecter pour chacune des fonctions de la puce. La fonction de détection microfluidique a ensuite été développée. Un état de l'art des travaux ayant déjà combiné la microfluidique et la détection de radioactivité a permis de souligner qu'aucune solution existante ne répondait aux critères du projet. Parmi les différentes technologies disponibles, des microcanaux en résine KMPR fabriqués sur des détecteurs semiconducteurs de type p-i-n ont été identifiés comme une solution technologique pour le projet. Des détecteurs p-i-n ont ensuite été fabriqués en utilisant un procédé standard. Les performances encourageantes obtenues ont mené à initier un projet de maîtrise pour leur optimisation. En parallèle, les travaux ont été poursuivis avec des détecteurs du commerce sous forme de gaufres non découpées. Un premier dispositif intégrant des canaux en KMPR sur ces gaufres a permis de valider le concept démontrant le grand potentiel de ces choix technologiques et incitant à poursuivre les développements dans cette voie, notamment en envisageant des expériences animales. L'utilisation prolongée des canaux avec du sang non dilué est cependant particulièrement exigeante pour les matériaux artificiels. Une passivation à l'albumine a permis d'augmenter considérablement la compatibilité sanguine de la résine KMPR. Le concept initial, incluant la passivation des canaux, a ensuite été optimisé et intégré dans un système de mesure complet avec toute l'électronique et l'informatique de contrôle. Le système final a été validé chez le petit animal avec un radiotraceur connu. Ces travaux ont donné lieu à la première démonstration d'un détecteur microfluidique de haute efficacité pour la TEP et la TEM. Cette première brique d'un projet plus global est déjà un outil innovant en soi qui permettra d'augmenter l'efficacité du développement d'outils diagnostiques plus spécifiques principalement pour l'oncologie, la cardiologie et la neurologie

SU-8 Guiding Layer for Love Wave Devices

SU-8 is a technologically important photoresist used extensively for thefabrication of microfluidics and MEMS, allowing high aspect ratio structures to beproduced. In this work we report the use of SU-8 as a Love wave sensor guiding layerwhich allows the possibility of integrating a guiding layer with flow cell during fabrication.Devices were fabricated on ST-cut quartz substrates with a single-single finger design suchthat a surface skimming bulk wave (SSBW) at 97.4 MHz was excited. SU-8 polymer layerswere successively built up by spin coating and spectra recorded at each stage; showing afrequency decrease with increasing guiding layer thickness. The insertion loss andfrequency dependence as a function of guiding layer thickness was investigated over thefirst Love wave mode. Mass loading sensitivity of the resultant Love wave devices wasinvestigated by deposition of multiple gold layers. Liquid sensing using these devices wasalso demonstrated; water-glycerol mixtures were used to demonstrate sensing of density-viscosity and the physical adsorption and removal of protein was also assessed usingalbumin and fibrinogen as model proteins