Capteurs autour des ondes de Love

des ondes de Love Friedt & al.

Les ondes de Love Influence de εr(solvant) Microfluidique Electronique´ d’interrogation Combinaisons avec l’optique Ligne `a retard→ r´esonateur Conclusions et perspectives

Capteurs autour des ondes de Love

Jean-Michel Friedt ¹, Lamia El Fissi¹,

Laurent Robert², Gilles Martin², William Daniau², Sylvain Ballandras²

1SENSeOR, Sophia Antipolis, email :jmfriedt@lpmo.edu

2 FEMTO-ST/LPMO, Besan¸con

transparents disponibles `ahttp://jmfriedt.free.fr

26 avril 2006

des ondes de Love Friedt & al.

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G´ en´ eralit´ es sur les ondes de Love

• G´en´eration de l’onde acoustique par structures interdigit´ees sur substrat pi´ezo´electrique.

• Onde acoustique de surface guid´ee dont la c´el´erit´e d´epend de l’adsorption d’esp`eces (bio)chimiques sur la couche guidante.

• Onde transverse compatible avec l’utilisation en milieu liquide.

• Cavit´e sensible entre les structures interdigit´ees vierge de toute

´

electrode.

V

SiO₂

µm µm 350 2,5 quartz AT

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Influence de la constante di´ electrique du liquide sur l’efficacit´ e de l’onde acoustique

N´ecessit´e de prot´eger les peignes du liquide (constante di´electrique

´

elev´ee, conductivit´e ´elev´ee)

120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130

−60

−50

−40

−30

−20

freq. (MHz)

I.L. (dB)

120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130

−3

−2

−1 0 1 2 3

freq. (MHz)

φ. (rad)

isopropanol acetone choroforme air toluene eau centre

eau partout

Solvant εr viscosit´e (cP)

air 1 0.02

tolu`eneC7H8 2.4 0.59

chloroformeCHCl3 4.8 0.58

isopropanolC3H8O 18.3 2.26

ac´etoneC3H6O 20.7 0.32

eau d´eionis´eeH2O 79 1

quartz solvant εr(solvant)

σ(solvant)

εr(quartz) Al

SiO₂

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Microfluidique & solutions technologiques

• Ainsi, l’efficacit´e de la g´en´eration de l’onde acoustique d´epend du confinement du champ ´electrique dans le substrat pi´ezo

⇒n´ecessit´e de limiter la diffusion des lignes de champ dans le milieu environnant

• Murs isolant les structures interdigit´ees du fluide : ´etanche + faibles pertes acoustiques, reproductibles et si possible produits en masse (wafer scale)

Solutions : r´esine photosensible ´epaisse ou nickel ´electroform´e.

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Electronique autonome ´ d’interrogation

• Interrogation en boucle ouverte des lignes `a retard : mesure de la phase et de la magnitude entre une ligne de r´ef´erence et la ligne de mesure.

• Dispositif portable et autonome, plus stable qu’un analyseur de r´eseau (mais plus sp´ecifique).

0 100 200 300 400 500

122 123 124 125 126 127

magntiude, phase (u.a.)

freq. (MHz) magnitude

phase 30MHz

TTL

< 180 MHz DDS

processeur Coldfire

demod.

I/Q SAW capteur

4

ethernet phaseφ

magnitude I.L.

+14 dB +14 dB

PC

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Combinaisons avec l’optique

• Le capteur `a onde de Love remplace un ´echantillon passif en verre.

• Application aux films de prot´eines et de polym`eres (ici pNIPAAM).

20 25 30 35 40 45

−23

−22.5

−22

−21.5

−21

SAWA(dB)

20 25 30 35 40 45

−30

−20

−10 0

SAWΔφ(◦)

20 25 30 35 40 45

−200 0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature (^◦C) SPRΔθ(m◦)

Objectif : lever l’incertitude sur les pa- ram`etres physiques coupl´es de la couche ad- sorb´ee (masse=ρ×h, viscosit´e).

00000000000 00000000000 00000000000 00000000000 00000000000 00000000000 00000000000 00000000000

11111111111 11111111111 11111111111 11111111111 11111111111 11111111111 11111111111 11111111111

x

Thermocouple

LASER 670 nm

Input IDT Output IDT

Liquid cell

Guiding layers

Coupling prism Piezoelectric substrate z

20 25 30 35 40 45 50 55 60

1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Layer thickness (nm)

Viscosity (cP)

25 °C 35.1 °C ↑

34.9 °C ↓

30.8 °C ↓

L.A. Francis, J.-M. Friedt, C. Zhou, P. Bertrand.,In Situ Evaluation of Density, Viscosity and Thickness of Adsorbed Soft Layers by Combined Surface Acoustic Wave and Surface Plasmon Resonance, accept´e pour publication Anal. Chem. (2006)

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Des lignes ` a retard aux r´ esonateurs

Mesure en boucle ferm´ee (oscillateur), avec ´eventuellement AGC pour mesurer les pertes.

Questions :

• la sensibilit´e gravim´etrique sera-t-elle la mˆeme que pour une ligne `a retard ?

• la pr´ecision de la mesure (fr´equence) sera-t-elle meilleure ?

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Conclusion

• D´eveloppement de capteurs acoustiques sensibles compatibles avec le travail en milieu liquide ...

• ... pour l’identification des propri´et´es physiques des films minces (5-500 nm).

• Combinaison avec d’autres m´ethodes possible et souhaitable (optique, microscopies `a sonde locale).

• Application `a plusieurs domaines (biochimie, polym`eres,

´

electrochimie).

• Commercialisation du capteur pour palier aux difficult´es de fabrication en laboratoire (salle blanche, technologies sp´ecifiques d’encapsulation).

Perspectives :

• D´eveloppement et validation du code de mod´elisation de la r´eponse acoustique incluant tous les effets pr´esent´es ici

• Fiabiliser la fluidique pour r´epondre aux demandes des biochimistes (aujourd’hui : cuvette ouverte, liquide statique).

• D´eterminer les limites de d´etection en fonction des syst`emes ´etudi´es (ADN, gaz ?).