FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik - Yüksek Lisans

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/184

Gözat

Yazar "Ahmed, Amal" ile FBE- Nano Bilim ve Nano Mühendislik - Yüksek Lisans'a göz atma
  • Öge
    Biyolojik Tespit Uygulamaları İçin Pıezoresıstıve Mikrokantilever Tasarım, Simülasyon Ve Analizi
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017-02-2) Ahmed, Amal ; Trabzon, Levent ; 10135374 ; Nano Bilim ve Nano Mühendislik ; Nano Science and Nano Engineering
    Son on yılda, çeşitli araştırma çalışmaları, Biyolojik Mikroelektromekanik Sistem (Bio-MEMS) biyosensörlerinin Deoksiribonükleik Asit (DNA), proteinler, Bakteri ve Antijenler gibi biyomolekülleri belirleme yeteneğini ortaya koydu. Ancak, numunelerde tespit edilmesi gereken analitlerin düşük konsantrasyonundan dolayı, sensörün çıktısına ufak bir sinyal neden olur. Buna cevap olarak, numunedeki birkaç analitin bulgulanmasına yanıt olarak yüksek çıktı sinyali verebilen optimize edilmiş bir biyosensör için bir ihtiyaç ortaya çıkmıştır; Nihai hedef tek bir biyomoleküle yapışmayı ölçülebilir bir miktara dönüştürmektir. Bu amaçla, basit, ucuz, oldukça hassas ve daha önemlisi analitlerin optik etiketlenmesine ihtiyaç duymadığı için (Etiketsiz), MEMS mikrokantilever tabanlı biyosensörler umut verici bir algılama çözümü olarak ortaya çıkmıştır. Farklı mikrokandilever ileten teknikler arasında, piezoresistif tabanlı mikrokantilever biyosensörler, ucuz, yüksek hassasiyetli, minyatür olan, sıvı ortamlarda iyi çalışan ve entegre okuma sistemi olan cazip bir çözüm gibi gözükmektedir. Literatürde piezoresistif mikrokolantların hassasiyetini arttırmaya odaklanan birçok yayın olmasına rağmen, sırf birkaç tasarım ve işlem parametresini optimize etmeyi düşündükleri için sonuçta elde edilen hassaslık arttırmaları pratik uygulamalar için yetersiz kalıyordu. Literatürde yapılan çalışmanın analizinden sonra, Piezoresistif mikrokandilöre dayalı sensörlerin hassasiyetini arttırmak için optimize edilebilen / kullanılabilen parametreler / yaklaşımlar: kantilever boyutları, kantilever Malzemesi, kantilever şekli, Piezoresistör malzemesi, Piezoresistör Doping seviyesi, Piezoresistör Boyutları, Piezoresistörün konumu, Stres konsantrasyon Bölgesinin (SCR) şekli ve konumu. Bu çalışmada, tüm tasarım ve işlem parametrelerinin duyarlılık üzerindeki etkisini analizi yapıldıktan sonra, kademeli optimizasyon yaklaşımı geliştirilmiş. Bu yaklaşımında neredeyse tüm parametreleri , her adımda biri olmak üzere, değiştirerek öbtimsyon yapılmış ve öyleyse hassasiyet maksimum düzeyde olmasını sağlamıştır. Bu çalışma boyunca, sensör performansını simüle etmek için ticari bir Sonlu Elemanlar Analizi (FEA) aracı olan COMSOL Multiphysics 5.0 kullanıldı. Her bir optimizasyon adımında, aynı uygulanan kuvvet için piezoresistor bölgelerindeki gerilimi en üst düzeye çıkaracak ve yoğunlaştıracak şekilde parametrenin optimize edilmesi hedefi daha yüksek duyarlılık elde etmektir. Toplamda, son optimize edilmiş sensörü elde etmek için neredeyse 46 farklı simülasyon yapıldı. Biyolijik uygulamalarında kullanılan etkileşimli kuvvetler onlarca ila yüzlerce pN arasında olduğu için, bu sensörde kullanılacak 25 ila 250 pN aralığı seçilmiştir. Optimizasyon işlemindeki tüm simülasyonlar sırasında 250 pN'lik bir toplam xxvi dağıtılmış kuvvet, analitlerin sensöre bağlanmasını temsil eden Altın katmanın üzerine uygulanır. Başlangıç olarak sırasıyla uzunluk, genişlik ve kalınlık için boyutları (200μm × 120μm × 1.5μm) olan dikdörtgen bir tek kristal Silicon Microcantilever kullanılmıştır. Konsolun üst kısmında, analitlerin tutturulması için 100μm × 100μm × 0.2μm Gold katmanı kullanılırken, piezo rezistanslı algılama için 20μm × 5μm × 0.5μ dikdörtgen polisilik piezoresistor kullanılır. Burada kullanılan piezoresistor, 1 x 1016 cm-3 'lük bir p-tipi dopant yoğunluğuna, 400 nm'lik bir kalınlığa ve 1V'lık uyarılma voltajına sahiptir. Dikdörtgen bir konsoldan başlamak üzere piezoresistor malzemesi ve doping seviyesi iki aşamada optimize edilmiştir. Piezistoristor malzemesi değiştiğinde (tek kristal silikon ve Poly-silikon), tek kristal silikon durumunda ΔR / R duyarlılığının daha yüksek olduğu bulundu. Fakat bu sensör tasarımı için, hassasiyet kristal yönüne bağlı olmayan, sensör imalatı daha kolay, daha ucuz ve ITUnano laboratuarında gerçekleştirilebildiğinden, piezoresistor malzemesi olarak polisilikon seçilmiştir. Sonra, doping düzeyini 1 x 1015 cm-3 ile 1 x 1020 cm-3 aralığında değiştirerek ve ΔR / R hassasiyetini hesaplayarak, aşağıdaki simülasyonlar boyunca kullanılacak doping seviyesi belirlendi. 1 × 1018 cm -3 doping seviyesinin, termal gürültü etkisini azaltacak kadar yüksek olduğu, aynı zamanda duyarlılığın da o kadar fazla etkilemediği görülmektedir. Böylece, bu doping seviyesi tüm sonrakı simülasyonlar boyunca seçildi ve kullanıldı. Daha sonra konsol malzemesi, aynı uygulanan kuvvet için maksimum gerilme ve sapma sağlayan malzeme bulmak için çeşitlendirilir. Beklendiği gibi, farklı konsol malzemeler, farklı maksimum sapma ve gerilme değerleri verdi. Elde edilen bulgulara göre, Silikon Dioksit (SiO2) düşük genç modül değerleri nedeniyle diğer malzemelere kıyasla en yüksek azami sapma ve gerilme değerlerine sahip olduğu bulundu.Tekli kristal silikon (başlangıç konsol malzemesi) durumunda olduğu gibi SiO2'nin neredeyse 2.5 kat daha yüksek sapma ve 1.7 kat daha yüksek hassaslık ile sonuçlandı ve böylece bu biyosensörün konsol malzemesi olarak SiO2 seçildi ve aşağıdaki optimizasyon adımlarda kullanıldı. Daha sonra, çeşitli konsol şekilleri (Dikdörtgen, Pi-şekli, T-şekli, Trapezoid, Kademeli-Trapezoid ve Üçgen) tanıtıldı ve her şekil için boyutlar, işlem ve cihaz sınırlamaları göz önünde bulundurularak değiştirildi. Bütün bu simülasyonların sonuçları, maksimum hassaslığı veren optimize şekli bulmak için karşılaştırıldı. Dikdörtgen şekil mikrokantilever optimizasyon adımı sırasında konsol kalınlığının konsol uzunluğu ve genişliğindeki değişimle karşılaştırıldığında sensör hassasiyeti üzerinde en yüksek etkiye sahip olduğu bulunmuştur. Konsol kalınlığı 3μm ve 1.5μm arasında değiştiğinde, konsol kalınlığı azaldığında duyarlılık arttığı bulundu. 1.5μm kalınlıktaki konsolun kullanılması, 3μm kalınlıktaki konsoldan 4 kat daha fazla yüksek hassasiyet göstermiştir. Böylece, 1.5μm son optimize konsol kalınlığı olarak seçildi. Konsol uzunluğu 150μm ila 350μm arasında değiştirildiğinde, konsol uzunluğu arttıkça hassasiyet artmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, 350μm uzunluğunda konsolun 150μm uzunluğundaki konsoldan yaklaşık 3.5 kat daha yüksek bir xxvii hassaslık verdiğini görüyoruz. Böylece, 350μm son optimize konsol uzunluğu olarak seçildi. Konsol genişliği 120μm ve 250μm arasında değiştirildiğinde, konsol genişliği arttıkça hassasiyet azalmaktadır. Elde edilen sonuçlara göre, 120μm genişlikli konsolun 250μm genişliğinde konsoldan 2.4 kat daha yüksek bir hassaslık verdiğini görüyoruz. Böylece, 120μm son optimize konsol genişliği olarak seçildi. Buna ek olarak, farklı dikdörtgen mikrokantilever boyutları optimize edildikten sonra (uzunluk, genişlik ve kalınlık), duyarlılık 18.3x kat arttı. Ayrıca, dikdörtgen konsol yapısına (T şekli) iki yan delik eklenmesi, duyarlılığı 1,6 oranında arttırmıştır. Farklı trapezoid biçimli konsollardan elde edilen sonuçlardan, sıkıştırılmış konsol kenarı ile serbest kenar arasındaki 1:4 oranındaki yapının en yüksek maksimum von Mises stresini ve en yüksek duyarlılığı verdiğini görülebilir. Bunların 1:1'lik durumundan (optimize edilmiş dikdörtgen konsol) neredeyse 2.5 kat daha fazla hassasiyet vardır. Böylece, bu tasarım optimize edilmiş yamuk şeklinde konsol tasarımı olarak seçildi. Farklı basamaklı trapezoid şekilli konsollardan elde edilen sonuçlara göre, sıkıştırılmış konsol kenarı ile serbest kenara arasındaki oran 1: 4 olan yapıda, en yüksek maksimum von Mises gerilmesi ve en yüksek duyarlılık görülürken, bunun neredeyse 2.5 kat arttığı görülmektedir 1: 1'den daha büyüktür (optimize edilmiş dikdörtgen konsol). Böylece, bu tasarım optimize edilmiş basamaklı trapez şeklinde konsol tasarımı olarak seçildi. Aynı uygulanan kuvvet için, trapez şeklinde mikrokancilever tasarımı, başlangıç sensöründen 46 kat daha fazla daha yüksek hassasiyet vermiştir Hassasiyet), Kademeli-Trapezoid şekli en fazla azami sapma göstermiştir. Ardından, daha fazla duyarlılık geliştirme arayışında olan farklı konum ve yönlerde optimize trapezoid yapıda Stres Yoğunlaştırma Bölgesi (SCR) tanıtıldı. Simülasyonlardan, kelepçelenmiş konsol kenarından 15μm uzakta bulunan optimize edilmiş trapezoid yapıya 30μ × 10μm SCR dikdörtgen bir delik açılmasının, diğer konumlara kıyasla en iyi hassasiyet değerini veren neredeyse 1.6x kat daha fazla hassasiyet artışı sağladığı bulundu. Nihai sensör duyarlılığı, uygulanan kuvvete karşı dirençteki normalize edilmiş değişim açısından -1.5×10-8 Ω/Ω ⁄pN 'ye eşittir. Bu, her bir 1pN (10-10 g) için biyomoleküllerin bu biyosensöre tutunması için, piezoresistor direnci 1.5×10-8 Ω kadar azalacaktır. Başlangıç sensörüne kıyasla, son sensör tasarımı 73.5x kat daha iyi ΔR / R duyarlılığı sağlamış ve daha önce literatürde bildirilen diğer sensör tasarımlarına göre daha duyarlıdır. Bu sensörün üretim sırası hazırlanmış ancak ITUnano laboratuvarında bulunan bazı cihazlarda teknik problemler nedeniyle sensör üretilmemiştir. Gelecekteki bir çalışma olarak, önerilen imalat dizisi sensörü imal etmek ve sonuçları simülasyon sonuçları ile karşılaştırmak için kullanılacaktır. Simülasyon sonuçlarına göre, konsol kalınlığı ve piezoresistor kalınlığı sensör hassasiyetini kolayca etkiler. Bu tasarımda silisyum dioksit konsol ve polisilikon piezoresistor için en düşük kalınlık sınırı olarak 1.5μm ve 0.5μm ayarlandı. Aynı tasarım için bu malzemelerin daha ince katmanlarının kullanılması duyarlılığın daha da artmasına neden olacaktır.