Innovative detection methods in liquid for a lamb wave biosensor

par Li Feng

Thèse de doctorat en Sciences pour l'ingénieur

Sous la direction de François Bastien, Jean-François Manceau et de Yihui Wu.

Soutenue en 2008

à Besançon en cotutelle avec Changchun institute of optics (China) , en partenariat avec Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques (autre partenaire) .

mots clés

• Biocapteurs
• Lamb, Ondes de

Titre traduit

Méthodes innovantes de détection dans un liquide avec un bio-capteur à ondes de Lamb

Résumé

Les domaines de la santé et du contrôle de l'environnement ont une demande croissante de capteurs capables de détecter de faible quantité d'agents toxiques ou de particules solides dans des gaz ou des liquides. Les capteurs acoustiques, avec leur réponse rapide, leur portabilité, leur utilisation aisée et leurs petites tailles sont typiquement prometteurs pour la reconnaissance d'anticorps par des antigènes spécifiques ou l'absorption de protéines sur des surfaces préparées. Le principe de détection de ces capteurs utilise la variation de fréquence de la résonance d'une onde. Parmi les capteurs acoustiques, le capteur à ondes de Lamb semble le mieux placé pour les applications biochimiques, en raison de sa sensibilité et de son aptitude à fonctionner dans un liquide. De plus, dans cette thèse, nous montrerons que les capteurs à ondes de Lamb ont la possibilité de mesurer plusieurs paramètres simultanément. Dans cette thèse, l'onde de Lamb a été modélisée et des simulations numériques ont été effectuées par la méthode des éléments finis. Ces méthodes peuvent être appliquées aux ondes de Lamb pour des géométries et des conditions aux limites complexes. Les résultats de la simulation nous aident à concevoir et optimiser les capteurs à ondes de Lamb. Nous avons développé la conception et la fabrication de capteur à ondes de Lamb. La première amélioration a été d'utiliser pour le dépôt d'AIN des couches Mo/Ti/Si plutôt que Al/Si. La seconde a porté sur la réduction des contraintes internes de la membrane. Après sa fabrication, le capteur à ondes de Lamb a été étudié complètement, y compris la réponse en fréquence, la durée de propagation des ondes et la vibration de la membrane. . .

Résumé

The fields of health care and environment control have an ever increasing demand for sensors which are able to detect low concentrations of particIes such as molecular agents, warfare agents, or solid particIes contained in gaseous or liquid samples. The acoustic sensors, with rapid response, portability, ease of use, and small size are promising typically to be used in recognition of antigens by specific antibodies, absorption of proteins on chemical tailored surfaces, etc. Among the acoustic sensors, Lamb wave sensor is more attractive in biochemical applications for its higher sensitivity and ability to work in liquid. Further more, in the thesis it is found that Lamb wave sensor has the potential for multi parameters measurement at the same time. In this thesis, the Lamb membrane is modeled and the numerical simulations of Lamb wave are realized by FEM. These methods can be applied to Lamb wave simulation on complex geometries with complicated boundary conditions. The simulation results will help to design and optimize Lamb wave sensor for us. The design and fabricating for stable and reproducible Lamb wave sensor is investigated. The first improvement to the Lamb wave devices is using Mo/Ti/Si as AIN deposition substrate rather than Al/Si. Secondly, the problem of fragility of high sensitive Lamb wave sensor has been successfully solved by minimizing the inner stress. After the Lamb wave devices are fabricated out, the performances of Lamb wave devices are investigated comprehensively, including the frequency response, the delay of Lamb wave and the vibration of the membrane. . .