Etude d'un capteur biochimique à ondes acoustiques de lamb
Institution:
BesançonDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The studied system is a microbalance which uses acoustic waves properties to detect mass variations. When Lamb waves are excited in a membrane, the vibrating frequency of the membrane is linked to its own mass. If a small mass quantity is added to the membrane the vibrating frequency will change and we will be able to detect this frequency shift. Lamb waves are really interesting as a basis for such a device because for a particular mode and under given conditions there is nearly no energy loss in liquid media and mass sensitivity is better than the one reached by quartz crystal microbalances. We have decided to study two particular aspects of such a system : how to reduce temperature sensitivity and how to increase mass sensitivity. Regarding temperature sensitivity, two different kinds of systems have been studied. A first system using electrostatic excitation has been built. Another system using piezoelectric excitation has also been realised. This system is made of two crossed delay lines on the same membrane. With such a system it is possible to retrieve both temperature and mass variations at the same time. As far as mass sensitivity is concerned, we wanted to reduce the membrane thickness where waves are propagating. Two kinds of devices have been studied, one using PZT as piezoelectric material, the other one using AlN. AlN devices do work as expected, and in liquid media the microbalance shows a 200 cm2/g mass sensitivity for a 13 MHz oscillating system.
Abstract FR:
Le système étudié est une microbalance utilisant les propriétés des ondes acoustiques pour détecter des variations de masse. Lorsque l'on excite des ondes de Lamb dans une membrane, la fréquence à laquelle vibre la membrane est liée à la masse de celle-ci. Une augmentation locale de la masse provoquera une variation de la fréquence de vibration que l'on pourra détecter. Le choix des ondes de Lamb est pertinent : pour un mode particulier et sous certaines conditions très peu d'énergie se retrouve dissipée en milieu liquide et la sensibilité peut être supérieure à celle des systèmes classiques à base de quartz. Nous avons orienté notre étude selon deux axes de recherche : la diminution de la sensibilité à la température et l'amélioration de la sensibilité à la masse. Pour la diminution de la sensibilité à la température, deux types de dispositifs ont été étudiés. Une première famille de dispositifs à excitation électrostatique a été réalisée. La deuxième série, plus originale, utilise l'excitation des ondes de manière piézoélectrique sur deux lignes à retard croisées sur la même membrane. Nous avons pu effectuer simultanément les mesures de variations de température et de masse. Pour l'amélioration de la sensibilité à la masse, l'étude est orientée sur la diminution de l'épaisseur de la membrane dans laquelle se propagent les ondes. Deux familles de dispositifs ont été réalisées, l'une utilise le PZT comme matériau piézoélectrique et l'autre l'AlN. Les dispositifs AlN ont entièrement été caractérisés en tant que capteur de masse fonctionnant en milieu liquide. La microbalance réalisée présente une sensibilité à la masse de 200 cm2/g environ pour un système oscillant à 13 MHz.