Chipbaserede sensorer med utrolig følsomhed

I Londons St. Paul's Cathedral, en hvisken kan høres langt henover det cirkulære hviskegalleri, mens lyden krummer sig rundt om væggene. Nu, en optisk hviskende galleritilstandsresonator udviklet af Penn State elektriske ingeniører kan spinde lys rundt om omkredsen af ​​en lille kugle millioner af gange, skabe en ultrafølsom mikrochip-baseret sensor til flere applikationer.

"Hviskende resonatorer i galleritilstand, som grundlæggende er optiske resonatorer, har været intenst undersøgt i mindst 20 år, " sagde Srinivas Tadigadapa, professor i elektroteknik. "Hvad folk har gjort er at tage en optisk fiber og røre enden med en blæsebrænder. Når den smeltede fiber kondenserer igen, den danner en kugle i spidsen. Denne kan kobles til en lyskilde for at lave en sensor."

Den type sensor består af solide kugler og er ikke kompatibel med mikrofremstillingsmetoder, men for nylig udviklede Tadigadapa og hans team en innovativ måde at dyrke mikrosfæriske glasskaller på chip med utrolige følsomheder, der potentielt kan bruges til bevægelse, temperatur, tryk eller biokemisk sensing.

De hule borosilikatglaskugler blæses fra forseglede og tryksatte cylindriske hulrum ætset ind i et siliciumsubstrat. Ved at bruge en glaspusteteknik, den tynde glasplade, under høj varme og eksternt vakuumtryk, danner en næsten perfekt boble. Forskerne dyrkede arrays af kugler fra 230 mikron til 1,2 millimeter i diameter med vægtykkelser mellem 300 nanometer og 10 mikrometer.

"Bunden af ​​kuglen er tyndet ud, indtil det dybest set er et hul, " sagde Tadigadapa. "Du kan sætte lyset på ydersiden af ​​kuglen, men gør al kemien på indersiden af ​​skallen. Du kan medbringe enhver analyt, som du ønsker at identificere, men det går på den indre overflade. Det giver en masse muligheder. Du kan foretage kemisk sansning, dampføling, biofysisk sansning, trykføling og virkelig fremragende temperaturføling."

Efter mange mislykkede forsøg, holdet opdagede, at nøglen til at lave en sensor af høj kvalitet ligger i at sikre, at kuglens ækvatorialplan, dens centrum, er over overfladen af ​​chippen.

For at få en forståelse af kvaliteten af ​​deres sfærer, Tadigadapas ph.d.-studerende Chenchen Zhang og nyligt ph.d.-kandidat Eugene Freeman arbejdede sammen med Alexander Cocking, en doktorand i laboratoriet hos Penn State laserekspert Zhiwen Liu, professor i elektroteknik.

"Vi laver boblerne og tager dem derefter til Dr. Lius laboratorium for at få resonansniveauerne og foretage målingerne, " sagde Zhang, hovedforfatter på et papir, der beskriver deres arbejde, som optræder i dag (2. nov.) i Videnskabelige rapporter , en online, åben adgang journal. Dette resultat vil have særlig betydning for lab-on-a-chip biofysisk sansning til sygdomssansning, sagde Zhang. "Eller ved at tilføje en polymerbelægning på indersiden af ​​boblen, du kunne lave en virkelig følsom fugtsensor."

Tadigadapa tilføjede, "Der er nogle rigtig spændende muligheder. Jeg tror, ​​det vil afføde et stort opfølgningsarbejde."