Cantilever Array Platform for Quantitative Biological Analysis

The objective of the present project is to develop an array of microsensors for gathering cellular and molecular quantitative biological data. Such data can be used in various fields including cellular and molecular analysis, detection of specific biological interactions, monitoring diseases, and drug discovery. The proposed sensing platform in this project can convert biological interactions into mechanical variations and subsequently converts the mechanical variations to electrical ones. This platform offers the advantage of high sensitivity, real time measurement, high throughput sensing array suitable for fundamental studies as well as clinical applications. We modeled the operation of cantilevers using COMSOL multiphysics software. These simulation techniques can efficiently be used to choose the suitable design and dimensions of cantilevers. Two readout methods, piezoresistive and capacitive, have been chosen to be used along with sensors. Both sensors were fabricated through CMC Microsystems; PolyMUMPs process was employed for fabrication of capacitive sensor array and piezoresistive sensors were developed by MetalMUMPs process. The functionality of cantilevers and their incorporated sensors were characterized through different techniques including interferometry.Based on these simulation and characterization results, the proposed sensors can be good candidate for developing a low cost, high throughput platform for various biological applications.

Résumé

L'objectif de ce projet est de développer un réseau de microcapteurs pour collecter des données biologiques quantitatives. Ces types de données peuvent être utilisés dans divers domaines, notamment pour l'analyse cellulaire et moléculaire, la détection d'interactions biologiques spécifiques, la surveillance de maladies et la découverte de médicaments. Les capteurs proposés possèdent des réseaux de « cantilevers » qui convertissent les interactions biologiques en variations mécaniques et électriques. Ces capteurs peuvent avoir une sensibilité élevée et ont montré leurs efficacités dans diverses applications. De plus, leur utilisation permet de concevoir un système à haut débit pour la détection en temps réel de diverses paramètres. Afin de développer ces capteurs, un logiciel multiphysique (COMSOL) a été utilisé pour modéliser les « cantilevers » et plusieurs simulations électromécaniques ont été réalisées pour atteindre une conception appropriée. Deux méthodes de lecture, piezorésistive et capacitive, ont été choisies pour être utilisées avec les capteurs. Les deux capteurs ont été fabriqués par le biais de CMC Microsystems; le processus PolyMUMPs a été employé pour la fabrication de réseaux de capteurs capacitifs, et les capteurs piézorésistifs, quant à eux, ont été développés par le processus de MetalMUMPs. Enfin, les capteurs fabriqués ont été caractérisés suivant différentes étapes incluant l'interferometrie afin d'assurer leur fonctionnalité. Sur la base des résultats de simulation et de caractérisation obtenus, ces capteurs peuvent être utilisés pour élaborer une plateforme haut débit à bas coût pour diverses applications biologiques.