Development of sensors based in MEMS with mechanochromic response

Abstract

Els sensors nanomecànics han estat reportats històricament com una eina atractiva per a la biodetecció degut a la seva alta sensibilitat, alt rendiment i alta integració. La majoria dels sensors nanomecànics s’han fabricat amb tecnologia basada en silici, podent integrar milers de sensors en un sol xip. No obstant això, el desenvolupament d’aquest tipus de sistemes implica no només la fabricació de matrius de transductors mecànics, que actualment és un procés molt establert i de baix cost, sinó també l’implementació d’un sistema de lectura per llegir independentment la resposta de cada transductor. Aquesta tesi doctoral es va centrar en el desenvolupament d’un nou enfocament per a la detecció de la resposta mecànica d’una matriu de sensors mecànics mitjançant l’ús d’instrumentació senzilla. Aquest enfocament consisteix en el desenvolupament de sensors mecànics (microcantilevers i micromembranes) amb resposta mecanocròmica, és a dir, sensors mecànics que canvien el seu color intrínsecament davant l’estimulació mecànica. El desenvolupament de sensors basats en MEMS amb resposta mecanocrómica és el resultat d’una combinació efectiva de la coloració estructural produïda per xarxes de difracció o cristalls fotònics, amb el rendiment dels transductors mecànics. Els sensors mecànics amb una nanoestructura periòdica disposada en una cara del sensor, es van fabricar i caracteritzar. El color mostrat pels sensors canvia intrínsecament per l’acció d’un estímul mecànic extern (càrrega de pressió o tensió superficial) quan el transductor es deforma, i el canvi de color es recollit per un LED i una càmera RGB de baix cost. Per dur a terme aquest desenvolupament, es realitza un estudi teòric de la física de coloració estructural i de models matemàtics que descriuen el principi de funcionament del dispositiu mecanocròmic. Amb aquests elements bàsics, els materials mecanocròmics basats en dos tipus d’estructures fotòniques, xarxes de difracció 1D i acoblaments col·loïdals, són fabricats i caracteritzats per espectrometria UV-Visible, identificant els principals contribuents del canvi de color (variacions en el període de la nanoestructura i canvis en l’angle d’il·luminació de punt de vista). Aquests materials a continuació són integrats a matrius de sensors mecànics colorimètrics per ser caracteritzats per mitjà de tensió biaxial. Es fabrica, caracteritza i avalua una matriu de sensors de pressió colorimètrics basats en membranes flexibles nanoestructurades i suspeses, lliures de marcatges i d’alimentació d’energia orientat a les aplicacions optofluídiques multiplexades. La plataforma mostra una sensibilitat de 0.17 kPa-1 en la detecció de pressions pneumàtiques baixes o de fluids (en un rang entre -1 i 1 kPa) i es demostra l’idoneïtat del mètode de detecció colorimètric mesurant el canvi de color de les membranes que mostren una sensibilitat de 117 nm \/ kPa. Finalment, es realitza un estudi teòric d’un sensor nanomecrònic colorimètric de tensió superficial basat en cantilevers i es demostra la seva utilitat a la detecció de canvis conformacionals moleculars fotoinduïts. D’aquesta manera, el mètode de detecció és capaç de detectar canvis de 1° en l’escala de to (HSV), o 0.75 nm de longitud d’ona en el rang visible (400 nm a 650 nm). El desenvolupament de sensors basats en MEMS amb resposta mecanocròmica es presenta com una eina útil que compleix amb els requisits per al desenvolupament d’un dispositiu de punt d’atenció.

Los sensores nanomecánicos han sido reportados históricamente como una herramienta atractiva para la biodetección debido a su alta sensibilidad, alto rendimiento y alta integración. La mayoría de los sensores nanomecánicos se han fabricado con tecnología basada en silicio, pudiendo integrar miles de sensores en un solo chip. Sin embargo, el desarrollo de este tipo de sistemas implica no solo la fabricación de matrices de transductores mecánicos, que actualmente es un proceso muy establecido y de bajo costo, sino también la implementación de un sistema de lectura para leer independientemente la respuesta de cada transductor. Esta tesis doctoral se centró en el desarrollo de un nuevo enfoque para la detección de la respuesta mecánica de una matriz de sensores mecánicos mediante el uso de instrumentación sencilla. Este enfoque consiste en el desarrollo de sensores mecánicos (microcantilevers y micromembranas) con respuesta mecanocrómica, es decir, sensores mecánicos que cambian su color intrínsecamente ante estimulación mecánica. El desarrollo de sensores basados en MEMS con respuesta mecanocrómica es el resultado de una combinación efectiva de la coloración estructural producida por redes de difracción o cristales fotónicos, con el rendimiento de los transductores mecánicos. Los sensores mecánicos con una nanoestructura periódica dispuesta en una cara del sensor, son fabricados y caracterizados. El color mostrado por los sensores cambia intrínsecamente por la acción de un estímulo mecánico externo (carga de presión o tensión superficial) cuando el transductor se deforma, siendo el cambio de color recogido por el uso de un LED y una cámara RGB de bajo costo. Para llevar a cabo este desarrollo, se realiza un estudio teórico de la física de coloración estructural y de modelos matemáticos que describen el principio de funcionamiento del dispositivo mecanocrómico. Con estos elementos básicos, los materiales mecanocrómicos basados en dos tipos de estructuras fotónicas, redes de difracción 1D y ensamblajes coloidales, son fabricados y caracterizados por espectrometría UV-Visible, identificando los principales contribuyentes del cambio de color (variaciones en el período de la nanoestructura y cambios en el ángulo de iluminación de punto de vista). Estos materiales a continuación son integrados a matrices de sensores mecánicos colorimétricos para ser caracterizados por medio de tensión biaxial. Se fabrica, caracteriza y evalúa una matriz de sensores de presión colorimétricos basados en membranas flexibles nanoestructuradas y suspendidas, libres de marcajes y de alimentación de energía orientado a las aplicaciones optofluídicas multiplexadas. La plataforma muestra una sensibilidad de 0.17 kPa-1 en la detección de presiones neumáticas bajas o de fluidos (en un rango entre -1 y 1 kPa) y se demuestra la idoneidad del método de detección colorimétrico midiendo el cambio de color de las membranas que muestran una sensibilidad de 117 nmkPa-1. Finalmente, se realiza un estudio teórico de un sensor nanomecánico colorimétrico de tensión superficial basado en cantilevers y se demuestra su desempeño en la detección de cambios conformacionales moleculares fotoinducidos. De esta manera, el método de detección es capaz de detectar cambios de 1o en la escala de tono (HSV), o 0.75 nm de longitud de onda en el rango visible (400 nm a 650 nm). El desarrollo de sensores basados en MEMS con respuesta mecanocrómica se presenta como una herramienta útil que cumple con los requisitos para el desarrollo de un dispositivo de punto de atención.

Nanomechanical sensors have been historically reported as an attractive tool for biodetecction due to its high sensitivity, high throughput, and high integration. Most of nanomechanical sensors have been fabricated using silicon based technology being able to integrate thousands of sensors in a single chip. However, the development of this kind of systems involves not only the fabrication of arrays of mechanical transducers, which is currently a well-established and low-cost process, but also the implementation of a read-out system to independently read each transducer response. This Doctoral Thesis focused on the development of a new approach for the detection of the mechanical response of an array of mechanical sensors by using simple instrumentation. This approach consists in the development of mechanical sensors (microcantilevers and micromembranes) with mechanochromic response, i.e. mechanical sensors with an intrinsic tunable colour under mechanical stimulation. The development of sensors based in MEMS with mechanochromic response is a result of an effective combination of the structural coloration produce by diffraction gratings or photonic crystals, with the performance of mechanical transducers. Mechanical sensors with a periodical nanostructuration disposed on one face of the sensor, are fabricated and characterized. The colour displayed by the sensors change intrinsically by the action of an external mechanical stimulus (pressure load or surface stress) when the transducer deflects, being the colour change collected by the use of a LED and a low cost RGB camera. In order to carry out this development, a theoretical study of the physics of structural coloration and the mathematical models that describe the working principle of the mechanochromic device is performed. With these basics, the mechanochromic materials based on two types of photonic structures, linear 1D gratings and colloidal assemblies, are fabricated and characterized by UV-Visible spectrometry, finding the main contributors of colour change (variations in the nanostructure period and changes in the illumination and point of view angle). These materials are then integrated into arrays of coloured mechanical sensors and characterised under bi-axial strain. A label-free and power-free array of colour tunable pressure sensors based on flexible nanostructured suspended membranes is fabricated, characterized and evaluated for multiplexed optofluidics applications. The platform shows a sensitivity of 0.17 kPa^(-1) for the detection of low pneumatic or fluid pressures (in a range between -1 and 1 kPa) and the suitability of colorimetric detection method is demonstrated by measuring the membrane colour change with a sensitivity of 117 nm\/kPa. Finally, a theoretical study of a surface stress colorimetric nanomechanical sensor based in cantilevers is performed and demonstrated its performance for the detection of photo-induced molecular conformational changes. In this case, the detection method is able to detect changes of 1^o in the hue scale (HSV) or 0.75 nm for the visible band in wavelengths (400 nm to 650 nm). The development of sensors based in MEMS with mechanochromic response is presented as a useful tool that fulfils the requirements for the development of a point-of-care device, such as: high sensitivity, low-cost, high throughput, label-free, out of the shelf, disposable, multidetection, and also that does not require a sophisticated detection system.