Συστοιχία ακουστικών βιοαισθητήρων τύπου Lamb για εφαρμογές στην υγεία και στο περιβάλλον

Abstract

Acoustic sensors have many applications, ranging from telecommunications to the study of protein interactions. Until now, the majority of the fabricated devices are based on bulk quartz, LiTaO3 and LiNbO3, materials that are not compatible with semiconductor processing techniques. Additionally, various parameters, like temperature, affect the operation of the device. As a consequence, the output measurements may have false indications. On the other hand, a great effort is focused on the use of polycrystalline materials, like AlN and ZnO, deposited with the sputtering method. Despite the fact that these materials fulfill the above compatibility, their quality is not the best. This is essential because it can also affect the operation of the device. In this work, a Lamb-wave device was designed for high frequency operation based for the first time on a MOCVD GaN material. MOCVD method is known for producing high quality crystalline layers. The basic target was the development of an acoustic biosensor with high sensitivity to surface perturbations and ability for monolithic integration on the same chip with other sensors and circuits. This is important for lab-on-a-chip applications with wireless data transfer. The fabricated device was evaluated as chemical and biological sensor, demonstrating a high sensitivity. The use of different biomolecules showed the capability to employ the sensor in applications related to health issues and the environment.In the first chapter (Biosensors) the reader will familiarize with the concepts of sensors/ biosensor and their types and characteristics.Second chapter (Acoustic devices) presents a general description of acoustic devices. Emphasis is given on acoustic biosensors, with several examples through bibliography. Lamb and Love type sensors are explained analytically.Chapter three (Materials and methods) contains the various methods and all the materials that were used (from fabrication to biological experiments).In chapter four (Initial experiments) a discussion takes place on the effort to detect bacteria by using Love type biosensors based on quartz material. In fact, the conclusions of this chapter lead to the development of a new system with much improved characteristics.This development, which included the design and fabrication of a Lamb-type sensor based on single-crystalline GaN material, is described in chapter five (Lamb-type acoustic device). The evaluation of the sensor with various chemical and biological molecules is presented in chapter six (Evaluation of Lamb-sensor). Additionally, the temperature effect on its performance is examined, as well as other mechanical parameters.Chapter seven (Multi-frequency experiments) contains the design of Lamb-type devices with different operational frequencies and their evaluation. The goal of this part was to study the sensitivity as a function of frequency.The design and fabrication of a Lamb-type array is described in chapter eight (Lamb-type array sensor). The novelty of the concept was the development of a platform that supports at the same time more than one frequencies, without using an external switch control system.Finally, in chapter nine (Epilogue) all our innovations are discussed. Potential applications of the Lamb-system are presented, while an approximate cost breakdown allows for comparison with commercially available systems.

Οι ακουστικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών, που κυμαίνεται από τις τηλεπικοινωνίες μέχρι τη μελέτη πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων. Μέχρι σήμερα οι περισσότερες από αυτές τις συσκευές βασίζονταν σε υλικά όπως ο χαλαζίας, το LiTaO3 και το LiNbO3, τα οποία δεν είναι συμβατά με τεχνικές διεργασίας ημιαγωγών. Ταυτόχρονα, διάφοροι παράγοντες, όπως η θερμοκρασία, επιδρούν στη λειτουργία της συσκευής, με συνέπεια να επηρεάζουν τις μετρήσεις. Από την άλλη, μια αξιόλογη προσπάθεια έχει γίνει με τη χρήση υλικών όπως τα πολυκρυσταλλικά AlN και ZnO, τα οποία εναποτίθενται με τη μέθοδο κονιορτοποίησης στόχου. Παρότι τα υλικά αυτά πληρούν τη παραπάνω συμβατότητα, η ποιότητα τους δεν είναι και η καλύτερη. Αυτό με τη σειρά του μπορεί να επηρεάσει πάλι τη λειτουργία της συσκευής. Στη συγκεκριμένη δουλειά χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά GaN υλικό σε ακουστική συσκευή τύπου Lamb. Η εναπόθεση του υλικού έγινε με τη μέθοδο MOCVD, μια μέθοδο γνωστή για τη δημιουργία υλικών με υψηλή κρυσταλλική ποιότητα. Ο βασικός στόχος ήταν η δημιουργία ενός ακουστικού βιοαισθητήρα με υψηλή ευαισθησία στις διάφορες αλληλεπιδράσεις που λαμβάνουν μέρος στην επιφάνεια και ο οποίος να μπορεί να ολοκληρωθεί μονολιθικά πάνω στην ίδια ψηφίδα με άλλους αισθητήρες και κυκλώματα, οδηγώντας στη δημιουργία συστημάτων τύπου lab-on-a-chip. Η συσκευή που κατασκευάστηκε, αξιολογήθηκε σαν χημικός και βιολογικός αισθητήρας, επιδεικνύοντας υψηλή ευαισθησία. Η χρησιμοποίηση διαφορετικών βιομορίων αποδεικνύει τη δυνατότητα χρήσης του συγκεκριμένου συστήματος σε εφαρμογές που σχετίζονται τόσο με το περιβάλλον, όσο και την υγεία.Στο πρώτο κεφάλαιο (Βιοαισθητήρες) ο αναγνώστης θα έρθει σε επαφή με τις έννοιες του αισθητήρα/ βιοαισθητήρα, τα είδη που υπάρχουν, καθώς και κάποια βασικά χαρακτηριστικά τους.Στο δεύτερο κεφάλαιο (Ακουστικές συσκευές) γίνεται μια γενική περιγραφή των ακουστικών συσκευών που υπάρχουν. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στους ακουστικούς βιοαισθητήρες, με διάφορα παραδείγματα μέσα από την βιβλιογραφία. Οι αισθητήρες τύπου Lamb (κεφάλαια 5-9) και Love (κεφάλαιο 4) περιγράφονται αναλυτικά.Το κεφάλαιο 3 (Υλικά και μέθοδοι) περιέχει τις διάφορες μεθόδους, καθώς και όλα τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν (από την κατασκευή μέχρι και τα βιολογικά πειράματα).Στο τέταρτο κεφάλαιο (Αρχικά πειράματα) γίνεται συζήτηση της προσπάθειας ανίχνευσης βακτηρίων με ακουστικούς αισθητήρες τύπου Love πάνω σε χαλαζία. Ουσιαστικά, τα συμπεράσματα αυτού του κεφαλαίου αποτέλεσαν το έναυσμα προς την ανάπτυξη ενός συστήματος με καλύτερα χαρακτηριστικά.Η ανάπτυξη αυτή, που περιλάμβανε τη σχεδίαση και κατασκευή ενός αισθητήρα τύπου Lamb πάνω σε κρυσταλλικό υλικό GaN, περιγράφεται στο κεφάλαιο 5 (Ακουστική συσκευή τύπου Lamb).Η αξιολόγηση του αισθητήρα με διάφορα χημικά και βιολογικά μόρια γίνεται στο κεφάλαιο 6 (Αξιολόγηση του αισθητήρα Lamb). Επιπλέον, γίνεται έλεγχος της επίδρασης της θερμοκρασίας στη λειτουργία του αισθητήρα καθώς και διαφόρων άλλων μηχανικών παραμέτρων.Το έβδομο κεφάλαιο (Πειράματα πολλαπλής συχνότητας) περιλαμβάνει τη σχεδίαση ακουστικών συσκευών τύπου Lamb με διαφορετικές συχνότητες λειτουργίας και την αξιολόγηση τους. Σκοπός της συγκεκριμένης δουλειάς ήταν να μελετηθεί η ευαισθησία του αισθητήρα Lamb σαν συνάρτηση της συχνότητας.Ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας συστοιχίας Lamb περιγράφεται στο κεφάλαιο 8 (Συστοιχία αισθητήρων τύπου Lamb). Βασική πρωτοτυπία ήταν η δημιουργία ενός συστήματος που λειτουργεί ταυτόχρονα σε περισσότερες από μια συχνότητες, χωρίς τη χρήση εξωτερικού μηχανήματος (σύστημα εναλλαγής).Τέλος, στο ένατο κεφάλαιο (Επίλογος) αναφέρονται οι καινοτομίες της συγκεκριμένης εργασίας. Περιγράφονται πιθανές εφαρμογές, καθώς επίσης γίνεται κοστολόγηση του αισθητήρα και σύγκριση με εμπορικά διαθέσιμα συστήματα.