Array of microfluidic beam resonators for mass sensing applications - Design, Fabrication and Testing

Abstract

En la búsqueda de herramientas de diagnóstico más eficientes, los dispositivos biosensores basados en resonadores micro y nanoelectromecánicos han demostrado un gran impacto en este ámbito debido a su alta sensibilidad, tamaño miniaturizado y su rápida respuesta a una interacción. Bajo esta premisa, el presente trabajo de Tesis doctoral tiene como objetivo principal integrar un microsensor de masa basado en dispositivos microelectromecánicos en una platarforma Lab-on-a-Chip para la detección simultánea y en tiempo real de diferentes analitos. La tecnología del sensor se sustenta en la idea de fabricar canales de microfluídica en resonadores micromecánicos tipo puente, denominados dispositivos HMB (del acrónimo Hollowed Microbeam) para mejorar la sensibilidad del dispositivo y reducir el efecto de amortiguamiento y resistencia de la viscosidad del medio. Los microresonadores están colocados consecutivamente con reducidas distancias de separación y con ligeras variaciones en sus longitudes efectivas para mostrar picos de frecuencias de resonancia muy próximos. De esta forma, cada resonador HMB permitirá la detección de un analito específico mientras este es transportado a través del canal de microfluídica al mostrar una frecuencia de resonancia fácilmente diferenciable del resto de los resonadores. La primer parte de esta Tesis doctoral se ha centrado en un análisis teórico del comportamiento mecánico y fluídico de un array de micropuentes huecos considerando diferentes dimensiones y materiales structurales. Se han empleado simulaciones de elemento finito (FEM) en el programa multifísico Comsol para: i) validar y complementar el análisis teórico, ii) investigar la interacción fluído-estructura de los dispositivos HMB y iii) evaluar dos configuraciones de llenado (en línea y forma H) para el adecuado intercambio de líquidos dentro de las cavidades. Una vez que el diseño es optimizado, se desarrollaron tres esquemas de microfabricación en instalaciones de Sala Blanca incluyendo tanto procesos superficiales y a nivel de sustrato, como una aproximación tipo sándwich, la cual integra una capa sacrificial entre dos capas estructurales. La primera generación de dispositivos HMB produjo estructuras de nitruro de silicio con frecuencias de resonancia acopladas debido a un efecto de sobreataque. Aunque no se consiguieron estructuras huecas, esta aproximación proporcionó nuevos conocimientos útiles para aplicaciones de sensado de masa mediante el estudio de modos de vibración altamente localizados en algunas configuraciones acopladas de micropuentes. Por otra parte, la segunda fabricación permitió alcanzar exitosamente estructuras de polisilicio huecas. Con la integración de canales de polímero de elevada relación de aspecto, la densidad y viscosidad de varias soluciones así como de bebidas alcohólicas fueron evaluadas, mostrando una respuesta en masa de 7.4 Hz/pg en un rango de viscosidades entre 1 cP y 2.6 cP con una resolución de 0.15 cP. Finalmente con la tercera fabricación se trató de mejorar la integración de canales de polímero a nivel de oblea usando técnicas de laminado. Asimismo, la capa estructural de polisilicio fue oxidada para mejorar la mojabilidad de los microcanales. La caracterización de los dispositivos HMB se realizó ópticamente mediante un interferómetro. Además, los resonadores fueron excitados por medio de un barrido en frecuencias usando un transductor piezocerámico para mejorar el factor de calidad y, por tanto, la resolución en frecuencia del sensor.

In the pursuit of more efficient diagnosis tools, micro- and nanomechanical biosensors have shown promising impact due to its high sensitivity, fast interaction and small size. Under this premise, the present Doctoral Thesis has the ultimate objective of integrating a mass sensor based on Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) resonators into a Lab-on-a-Chip platform for the simultaneous detection of different analytes in real-time. The sensor technology follows the idea of fabricating microfluidic channels into doubly clamped microbeam resonators, namely Hollowed Microbeam (HMB), to enhance the sensitivity and to reduce damping and viscous drag produced by the surrounding media. The microresonators are consecutively arranged with reduced separation distances and slightly variations on their effective lengths to display extremely close resonant frequency peaks. In this way, each HMB resonator will enable the detection of a specific analyte flowing through its inner microchannel with a frequency response that can be differentiated from the remaining resonating elements. The first part of the Thesis includes a theoretical analysis of the mechanical and microfluidic behaviour of the hollowed microstructures in an array configuration when different dimensions and structural materials come into play. Finite element simulations (FEM) in Comsol Multiphysics have been employed to: i) validate and complement the theoretical analysis, ii) investigate the fluid-structure interaction of the HMB devices and iii) evaluate two filling configurations (in-line and H-shaped) for the suitable exchange of fluids inside the microchannels. Once the design was optimized, three microfabrication schemes were developed at cleanroom facilities including bulk and surface micromachining processes and implementing a three layer sandwich approach by which a sacrificial layer was embedded into two structural layers. The first generation of HMB devices produced silicon nitride structures with coupled resonant frequencies due to an over-etching effect. Although this fabrication did not build hollowed resonators, this approach provided new insights for mass sensing applications through the study of highly localized vibration modes displayed on those arrays of coupled resonators. On the other hand, the second scheme successfully fabricated hollowed polycrystalline silicon structures. With the integration of high aspect ratio polymer-based microchannels, the HMB devices measured the mass density and viscosity of different sample solutions and alcoholic drinks demonstrating a mass responsivity of 7.4 Hz/pg and a viscosity range between 1 cP to 2.6 cP with a resolution of 0.15 cP. Finally, the third fabrication dealt with incorporating on-chip polymer microfluidic channels using lamination techniques. Also, the polysilicon structural layer of the resonators was oxidized to improve the hydrophilic properties of the microchannels. The characterization of the HMB devices was performed by an optical readout interferometer for automatically capturing the out-of-plane movement of the resonators . Also, the devices were actuated through a sweep frequency methodology enhancing the Q-factor and thus the frequency resolution of the system using a piezoceramic crystal.