Enhancing the mass responsivity of resonant MEMS sensors for the detection of organic nano-gram particles in liquid

Abstract

Diese Masterarbeit untersucht die Massenempfindlichkeit von MEMS-basierten Cantilever-Sensoren zur Detektion von Partikel im Nanometer Bereich in Flüssigkeiten. Der Fokus liegt auf dem Einfluss von Partikelgröße, Partikelkonzentration sowie der Cantilever-Geometrie auf die Resonanzfrequenzverschiebung. Sowohl nicht-perforierte als auch perforierte Cantilever-Strukturen wurden hergestellt und experimentell charakterisiert. Die Perforation dient der Reduktion der effektiven Masse und beeinflusst die Fluid Struktur Wechselwirkung, wodurch die Sensoreigenschaften gezielt modifiziert werden können. Die experimentellen Untersuchungen wurden mit Polystyrol-Partikeln mit Durchmessern von 40 nm, 160 nm und 1 μm bei unterschiedlichen Konzentrationen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Resonanzfrequenzverschiebung pri-mär durch die Gesamtmasse bestimmt wird, die sich aus der Partikelmasse und der Anzahl der gebundenen Partikel ergibt. Die größte Frequenzverschiebung wurde für Partikel mit einem Durchmesser von 160 nm beobachtet, was auf ein optimales Verhältnis zwischen Partikelmasse und erreichbarer Oberflächenbelegung zurückzuführen ist. Sehr kleine Partikel tragen aufgrund ihrer geringen Masse nur begrenzt zur Gesamtmasse bei, während große Partikel durch geometrische Einschränkungen in ihrer Anzahl limitiert sind. Abweichungen vom idealen Verhalten bei höheren Konzentrationen werden auf Partikelaggregation, Transporteffekte sowie eine partielle Sättigung der Bindungs-stellen zurückgeführt. Insgesamt zeigen die Ergebnisse, dass die Sensitivität von MEMS-Cantilever-Sensoren durch das Zusammenspiel von Partikelgröße, Partikelanzahl und Sensor-design bestimmt wird. Die Arbeit liefert damit wichtige Erkenntnisse zur Optimierung von MEMS-basierten Sensorsystemen für die Detektion nanoskaliger Partikel in Flüssigkeiten.

This thesis investigates the mass responsivity of resonant MEMS cantilever sensors for particle detection in liquid environments, with a focus on the influence of particle size, particle concentration, and cantilever design on the resonance frequency shift. Both non-perforated and perforated cantilever structures were fabricated and experimentally analyzed. The perforated design is expected to reduce the effective mass and modify the fluid structure interaction, thereby influencing sensor performance. Experimental measurements were conducted using polystyrene particles with diameters of 40 nm, 160 nm, and 1 μm at different concentrations. The results show that the resonance frequency shift is primarily governed by the total mass loading on the cantilever surface, which depends on both the particle mass and the number of attached particles. The largest resonance frequency shift was observed for particles with a diameter of 160 nm, indicating an optimal balance between particle mass and achievable surface coverage. Deviations from ideal behavior at higher concentrations were attributed to particle aggregation, transport limitations, and partial saturation of binding sites. Overall, the results demonstrate that sensor performance in liquid environments is governed by the combined influence of particle size, particle concentration, hydrodynamic effects, and cantilever geometry. The presented findings contribute to the optimization of MEMS-based resonant particle sensors for liquid-phase sensing applications.