طراحي و شبيه‌ سازي يك حسگر زيستي بر اساس آرايه نوسانگرهاي ميكرو‌ الكترومكانيكي

Design and simulation of a biosensor based on a microelectromechanical resonator array

استفاده از سيستم‌هاي ميكروسيالاتي براي كاربردهاي مختلف از جمله آزمايشگاه بر روي تراشه، انتقال دارو و راكتورهاي ريزشيميايي روز به روز در حال افزايش است كه براي كنترل و توسعه اين ريزسيستم‌ها حسگرهاي متعددي ارائه شده‌است. در اين مقاله حسگري برپايه سيستم‌هاي ميكروالكترومكانيكي با كاربرد مستقيم در محيط مايع براي سيستم‌هاي ميكروسيالات ديجيتال معرفي مي‌گردد كه قابليت اجتماع با ساير مولفه‌هاي سيالاتي مانند انتقال، جداسازي و تركيب را نيز داراست. حسگر پيشنهادي از تعدادي ميكرونوسانگر همبندي هم‌اندازه تشكيل يافته كه به موازات بستر حركت كرده از اين رو قابليت اجتماع در ميان الكترودهاي مسطح در ميكروسيالات ديجيتال را داراست. ناحيه فعال حسگر در وسط سازه قرار گرفته و براي به دام‌انداختن هدف زيستي ايستا گرديده‌است. به دليل حركت در صفحه اين حسگر، ميرايي سيالاتي در حدي است كه ضريب كيفيت قابل قبول در خروجي به دست مي‌آيد. ساختار پيشنهادي به روش اجزا محدود شبيه‌سازي گرديده و نتايج نشانگر اين است كه فركانس مناسب براي حركت در صفحه سيستم برابر با 16/5 كيلوهرتز است. علاوه بر آن ضريب كيفيت و حساسيت جرمي به ترتيب برابر با 49و 100 هرتز بر ميكروگرم بوده كه قابل مقايسه با حسگرهايي با كاربرد مشابه سيالاتي است.

The use of microfluidic systems for various applications such as lab-on-chip, drug delivery, and micro chemical reactors is increasing day by day and several sensors have been provided to control and develop these microsystems. In this paper, a biosensor based on microelectromechanical systems was introduced with direct application in liquid environment for digital microfluidic systems that have the ability to be integrated with various fluidics components such as delivery, separation, and mixing. The proposed sensor comprises semi-sized coupled microresonators which vibrate in parallel to the substrate so that it can be integrated between the plane electrodes in digital microfluidics systems. Active area of the sensor is located in the center of the structure and immobilized for capturing any special biological targets. Due to in-plane vibration of the sensor, the viscous damping is low enough to achieve measurable quality factor by resonator. The total system is simulated by finite element methods and the results demonstrate that the appropriate vibration frequency for in-plane motion of the sensor is 16.5kHz. In addition, the quality factor and mass sensitivity are 49 and 100Hz/µg, respectively, which are comparable to sensors with similar fluidics applications.