Mems based resonant mass sensors with feedthrough current elimination for in-liquid cell detection applications
Sıvı ortamda hücre tespiti uygulamaları için kaçak akımı eleyen mems tabanlı resonant kütle sensörleri
- Tez No: 418340
- Danışmanlar: PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 116
Özet
Bu tez gerçek zamanli hücre tespiti uygulamalari için MEMS tabanli ataletsel rezonatör sensörleri geliştirilmesini anlatmaktadır. Tezin temel amacı optik cihazlar kullanmadan, eletronik arayüz sayesinde sıvı ortamda gerçek zamanlı tespit yapabilmektir. Kıyaslanabilecek tasarımlara göre bir çok iyileştirmesi olan özgün resonatör temelli kütle sensor yapıları sunulmuştur. Yeni yapıların amacı sensör kazancını ve kalite faktörünü arttırıp elektrik akımını da eleyip gerçek zamanlı tespiti mümkün kılmaktır. Önerilen sensörler yatay düzlemde salınırlar ve boşluklara sıvı dolmasını engelleyen ince bir parilen katman ile kaplanmışlardır. Rezonatörler mikrokanalın üzerine yerletirilmiştir. Salınım yapan kütlenin üzerindeki ince bir altın film antibody kullanarak hücre yakalamayı mümkün kılmaktadır. Fiziksel rezönatör yapılarının teorik altyapısı araştırılmıştır. Bu sayede literatürdeki sensörlerin eksikliklerinin tanısı konulmuştur. Kapasitif harekete geçirme ve algılama optimizasyonları yapılmış, istenmeyen çıkış akımlarını elemek için metodlar önerilmiştir. Bu bilgiler ışığında dört yeni rezönatör yapısı tasarlanmıştır. SOI, cam ve polimer üretim teknikleri kullanılarak oluşturulan üretim şeması verilmiştir. Üretilen her cihaz 18 x 6 mm2 lik alan kaplamaktadır. Sensörlerin havadaki rezonans karakteristikleri çıkarılmış, literature göre kaydedilen ilerlemeler tespit edilmiştir. Sensör kazancının büyüklüğü sensör kütlesi değiştirilmeden 100 kata kadar arttırılmıştır. Kalite faktörü de 10 katına kadar çıkarılmıştır. Bu iyileştirmeler hücre yakalamak için ayrılmış alanda ya da asılı duran sensörü tutan yapılarda herhangi bir değişiklik yapılmadan elde edilmiştir. Kütle ölçümü deneyi mikro parçacıklarla yapılmış ve bir tanesinin ağırlığı 0.53 ng olarak ölçülmüştür. Sıvı ortamdaki performansı da test edilmiş olup havada 402 olarak ölçülen kalite faktörünün sadece 183'e düştüğü gözlenmiştir. Raporlanan bu gelişmeler için gerçek zamanlı hücre tespiti mümkün kılınmıştır.
Özet (Çeviri)
This thesis represents design and implementation of MEMS based resonant mass sensors for cell detection applications. The main objective of the thesis is real-time detection inside liquid medium and obtaining the results by electronic means, without the assistance of bulky optical instruments. Novel resonant based mass sensor architectures that have various improvements over selected benchmark design are presented. Purpose of the new structures is to establish real-time mass detection by improving the quality factor, increasing the sensor gain and eliminating the feedthrough current effect. Proposed sensors oscillate in the lateral direction and are coated with a thin parylene layer to prevent liquids flow through the narrow gaps of the device, further improving the quality factor. The resonator is located on top of a microchannel. A thin gold film on the oscillating proof mass is employed as an antibody based cell capture surface. Theoretical background of the physical resonators is investigated to diagnose the design issues of the sensors in the literature. Capacitive actuation, sensing optimization, and feedthrough current elimination methods are presented. In the light of these theoretical studies and finite element modeling simulations, four new resonating structures are proposed for the purpose of real-time mass sensing by enabling self-oscillation. A new process flow consisting SOI, glass, and polymer micromachining methods has been utilized for resonator fabrication. Each device has a foot print area of 18 x 6 mm2, a significant percent of which is used for the inlet and outlet connections of the microchannels. Resonance characterization results in air are presented to see the improvements over the benchmark design, which is previously developed in METU BioMEMS research group. Total sensor mass has been decreased without any loss in the sensor gain. Even two orders of magnitude increase in the gain is achieved with the same mass. There is also quality factor enhancement up to ten times. These improvements are established without changing the anchor structure or cell capturing surface area of the benchmark design. Feedthrough current is also eliminated to make self-oscillation possible. According to the conducted mass measurement results, the mass of a single Sigma-Aldrich® polystyrene microbead is 0.53 ng, whereas the mass is given as 0.55 ng ±30% in its datasheet. In-liquid functionality was also tested. The quality factor of the sensor is reduced from 402, in air, to only to 183 in wet environment. Reported improvements enable real time cell detection in liquid environment.
Benzer Tezler
- Development of a parylene bonding based fabrication method for MEMS gravimetric resonant based mass sensors
MEMS gravimetrik tınlaşım esaslı kütle algılayıcıların üretimi için parylene pul bağlama yöntemini esas alan yeni bir üretim akışının geliştirilmesi
FURKAN GÖKÇE
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Development of a high yield fabrication process for MEMS based resonant mass sensors for cell detection applications
Hücre algılama uygulamaları için MEMS tabanlı yüksek randımanlı rezonant kütle sensörü fabrikasyon metodu geliştirilmesi
TAYLAN BERKİN TÖRAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
YRD. DOÇ. DR. Kıvanç Azgın
- High-performance readout circuit for resonator-based MEMS accelerometer using digital control loop
Dijital kontrol döngüleri kullanarak MEMS titreşen yay tipi ivmeölçer için yüksek performanslı okuma devresi geliştirilmesi
MUHAMMAD ALI
Doktora
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN
- Microcantilever based lab-on-a-chip sensor for real-time mass, viscosity, density and coagulation measurements
Gerçek zamanlı kütle, özkütle, viskozite ve pıhtılaşma ölçümleri için mikroçubuk tabanlı mikroakışkan algılayıcılar
ONUR ÇAKMAK
Doktora
İngilizce
2015
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÜREY
- Development of a resonant mass sensor for MEMS based cell detection applications
MEMS tabanlı hücre algılama uygulamaları için rezonant kütle sensörü geliştirilmesi
DENİZ EROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
BiyoteknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH