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Capteurs autour 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 esonateur Conclusions et perspectives Capteurs autour des ondes de Love Jean-Michel Friedt 1 , Lamia El Fissi 1 , Laurent Robert 2 , Gilles Martin 2 , William Daniau 2 , Sylvain Ballandras 2 1 SENSeOR, Sophia Antipolis, email : [email protected] 2 FEMTO-ST/LPMO, Besan¸ con transparents disponibles ` a http://jmfriedt.free.fr 26 avril 2006 1/8

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Capteurs autourdes ondes de

Love

Friedt & al.

Les ondes deLove

Influence deεr (solvant)

Microfluidique

Electroniqued’interrogation

Combinaisonsavec l’optique

Ligne a retard→resonateur

Conclusions etperspectives

Capteurs autour des ondes de Love

Jean-Michel Friedt 1, Lamia El Fissi 1,Laurent Robert 2, Gilles Martin 2, William Daniau 2, Sylvain

Ballandras 2

1 SENSeOR, Sophia Antipolis, email : [email protected] FEMTO-ST/LPMO, Besancon

transparents disponibles a http://jmfriedt.free.fr

26 avril 2006

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Capteurs autourdes ondes de

Love

Friedt & al.

Les ondes deLove

Influence deεr (solvant)

Microfluidique

Electroniqued’interrogation

Combinaisonsavec l’optique

Ligne a retard→resonateur

Conclusions etperspectives

Generalites sur les ondes de Love• Generation de l’onde acoustique par structures interdigitees sur

substrat piezoelectrique.

• Onde acoustique de surface guidee dont la celerite depend del’adsorption d’especes (bio)chimiques sur la couche guidante.

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

• Cavite sensible entre les structures interdigitees vierge de touteelectrode.

V

SiO2

350

2,5

quartz AT

2 / 8

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Capteurs autourdes ondes de

Love

Friedt & al.

Les ondes deLove

Influence deεr (solvant)

Microfluidique

Electroniqued’interrogation

Combinaisonsavec l’optique

Ligne a retard→resonateur

Conclusions etperspectives

Influence de la constantedielectrique du liquide sur

l’efficacite de l’onde acoustique

Necessite de proteger les peignes du liquide (constante dielectriqueelevee, conductivite elevee)

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. (r

ad)

isopropanolacetone choroforme

air toluene eau centre

eau partout

Solvant εr viscosite (cP)

air 1 0.02toluene C7H8 2.4 0.59

chloroforme CHCl3 4.8 0.58isopropanol C3H8O 18.3 2.26

acetone C3H6O 20.7 0.32eau deionisee H2O 79 1

quartz

solvant

εr(solvant)

σ (solvant)

εr(quartz)

Al

SiO2

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Capteurs autourdes ondes de

Love

Friedt & al.

Les ondes deLove

Influence deεr (solvant)

Microfluidique

Electroniqued’interrogation

Combinaisonsavec l’optique

Ligne a retard→resonateur

Conclusions etperspectives

Microfluidique & solutionstechnologiques

• Ainsi, l’efficacite de la generation de l’onde acoustique depend duconfinement du champ electrique dans le substrat piezo⇒ necessite de limiter la diffusion des lignes de champ dans lemilieu environnant

• Murs isolant les structures interdigitees du fluide : etanche + faiblespertes acoustiques, reproductibles et si possible produits en masse(wafer scale)

Solutions : resine photosensible epaisse ou nickel electroforme.

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Capteurs autourdes ondes de

Love

Friedt & al.

Les ondes deLove

Influence deεr (solvant)

Microfluidique

Electroniqued’interrogation

Combinaisonsavec l’optique

Ligne a retard→resonateur

Conclusions etperspectives

Electronique autonomed’interrogation

• Interrogation en boucle ouverte des lignes a retard : mesure de laphase et de la magnitude entre une ligne de reference et la ligne demesure.

• Dispositif portable et autonome, plus stable qu’un analyseur dereseau (mais plus specifique).

0

100

200

300

400

500

122 123 124 125 126 127

mag

ntiu

de, p

hase

(u.

a.)

freq. (MHz)

magnitude

phase

30MHzTTL

< 180 MHzDDS

processeurColdfire

demod.I/Q

SAWcapteur

4

ethernetphase φ

magnitude I.L.

+14 dB+14 dB

PC

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Capteurs autourdes ondes de

Love

Friedt & al.

Les ondes deLove

Influence deεr (solvant)

Microfluidique

Electroniqued’interrogation

Combinaisonsavec l’optique

Ligne a retard→resonateur

Conclusions etperspectives

Combinaisons avec l’optique

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

• Application aux films de proteines et de polymeres (ici pNIPAAM).

20 25 30 35 40 45−23

−22.5

−22

−21.5

−21

SAW

A(d

B)

20 25 30 35 40 45−30

−20

−10

0

SAW

Δφ

(◦)

20 25 30 35 40 45−200

0200400600800

10001200

Temperature (◦C)

SPR

Δθ

(m◦ )

Objectif : lever l’incertitude sur les pa-rametres physiques couples de la couche ad-sorbee (masse=ρ× h, viscosite).

����������������������������������������������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������������������������

x

Thermocouple

LASER670 nm

Input IDT Output IDT

Liquid cell

Guiding layers

Coupling prism

Piezoelectric substrate

z

20 25 30 35 40 45 50 55 601

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Layer thickness (nm)

Vis

cosi

ty (

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, accepte pour publication Anal. Chem. (2006)

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Capteurs autourdes ondes de

Love

Friedt & al.

Les ondes deLove

Influence deεr (solvant)

Microfluidique

Electroniqued’interrogation

Combinaisonsavec l’optique

Ligne a retard→resonateur

Conclusions etperspectives

Des lignes a retard aux resonateurs

Mesure en boucle fermee (oscillateur), avec eventuellement AGC pourmesurer les pertes.Questions :

• la sensibilite gravimetrique sera-t-elle la meme que pour une ligne aretard ?

• la precision de la mesure (frequence) sera-t-elle meilleure ?

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Capteurs autourdes ondes de

Love

Friedt & al.

Les ondes deLove

Influence deεr (solvant)

Microfluidique

Electroniqued’interrogation

Combinaisonsavec l’optique

Ligne a retard→resonateur

Conclusions etperspectives

Conclusion• Developpement de capteurs acoustiques sensibles compatibles avec

le travail en milieu liquide ...• ... pour l’identification des proprietes physiques des films minces

(5-500 nm).• Combinaison avec d’autres methodes possible et souhaitable

(optique, microscopies a sonde locale).• Application a plusieurs domaines (biochimie, polymeres,

electrochimie).• Commercialisation du capteur pour palier aux difficultes de

fabrication en laboratoire (salle blanche, technologies specifiquesd’encapsulation).

Perspectives :• Developpement et validation du code de modelisation de la reponse

acoustique incluant tous les effets presentes ici• Fiabiliser la fluidique pour repondre aux demandes des biochimistes

(aujourd’hui : cuvette ouverte, liquide statique).• Determiner les limites de detection en fonction des systemes etudies

(ADN, gaz ?).8 / 8