Towards MEMS-based chem/bio sensing arrays with on-chip optical read-out

Abstract

Sensing on the microscale using microelectromechanical systems (MEMS) has established itself commercially as one of the dominant world-wide sensing technologies, providing commercialised sensing solutions for pressure, inertia, temperature, as well as for more challenging applications in remote infrared imaging and energy harvesting. However, to date MEMS has not delivered any commercially successful chem/bio sensor, even though it has been established for some time that microcantilever-based sensing can detect chem/bio agents at the level of single molecules or even zeptograms (10 -21 g). The widespread application of this class of sensors has been largely impeded by the lack of a technology capable of performing high-resolution measurements of large arrays of MEMS devices. We demonstrate a technology capable of filling that need that is based on MEMS suspended microcantilevers and an on-chip optical read-out, and show an implementation of an effective toluene sensor.Streszczenie. Mikroczujniki wykonane w technologii MEMS zdominowały światowe technologie dostarczając rozwiązań komercyjnych do pomiaru ciśnienia, bezwładności i temperatury. Pojawiły się również bardziej zaawansowane zastosowania w dziedzinie zobrazowania podczerwieni i kumulacji energii. Do dzisiaj jednak nie udało się zademonstrować komercyjnego czujnika chemiczno-biologicznego, chociaż raporty o wysokiej czułości mikro-belek umożliwiające rejestrację pojedynczej molekuły (zeptogramy, 10 -21 g) są już dostępne w literaturze. Głównym problemem ograniczającym rozwój tej technologii jest brak metod umożliwiających pomiar odkształcenia matryc mikro-belek z wysoką rozdzielczością. Artykuł prezentuje technologię otrzymania wymaganej rozdzielczości dla dużych matryc mikro-belek w technologii MEMS z wykorzystaniem metod optycznych. Jako przykład zastosowania przedstawiono rezultaty dla czujnika toluenu. Rozwój czujników MEMS z zintegrowanym systemem odczytu

Thermal noise-driven resonant sensors

“…The SNR of our sensors are enhanced by the low transduction noise level of optical vibrometry compared to that found in traditional electrical readout circuits. Moreover, recent advances have shown that on-chip optical detection 49 is becoming practical. Further, we have previously shown that careful construction of electrical transduction circuits can produce superior SNR compared to optical transduction 50 .…”