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Designs and applications of surface acoustic wave sensors for biological and chemical sensing and sample handling

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Material Information

Title:
Designs and applications of surface acoustic wave sensors for biological and chemical sensing and sample handling
Physical Description:
Book
Language:
English
Creator:
Cular, Stefan
Publisher:
University of South Florida
Place of Publication:
Tampa, Fla.
Publication Date:

Subjects

Subjects / Keywords:
SAW
Micro-fluidics
Acoustic streaming
Nonspecific protein removal
Dissertations, Academic -- Chemical Engineering -- Doctoral -- USF   ( lcsh )
Genre:
bibliography   ( marcgt )
theses   ( marcgt )
non-fiction   ( marcgt )

Notes

Abstract:
ABSTRACT: Acoustic wave sensors have proven useful in many fields as primarily mass sensitive devices capable of responding to small environmental perturbations. The focus of this dissertation is the development of a new type of surface acoustic wave device with application to material property measurement, and biological and chemical sensing. This device is a combination of three independent acoustic wave devices with these waves propagated across the same area, while retaining independence of actuation and sensor function. The development of a complete sensor system, and its use and operation are presented for several example cases of chemical and biomarker sensing, and sample manipulation. These include experimental and theoretical studies for organic vapor sensing, biological moiety sensing, acoustic streaming to remove loosely bound material, and optimization of designs for these applications.
Thesis:
Dissertation (Ph.D.)--University of South Florida, 2008.
Bibliography:
Includes bibliographical references.
System Details:
System requirements: World Wide Web browser and PDF reader.
System Details:
Mode of access: World Wide Web.
Statement of Responsibility:
by Stefan Cular.
General Note:
Title from PDF of title page.
General Note:
Document formatted into pages; contains 251 pages.
General Note:
Includes vita.

Record Information

Source Institution:
University of South Florida Library
Holding Location:
University of South Florida
Rights Management:
All applicable rights reserved by the source institution and holding location.
Resource Identifier:
aleph - 001983331
oclc - 294901776
usfldc doi - E14-SFE0002335
usfldc handle - e14.2335
System ID:
SFS0026653:00001


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Full Text

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D e s i g n s a n d A p p l i c a t i o n s o f S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S e n s o r s f o r B i o l o g i c a l a n d C h e m i c a l S e n s i n g a n d S a m p l e H a n d l i n g b y S t e f a n C u l a r A d i s s e r t a t i o n s u b m i t t e d i n p a r t i a l f u l f i l l m e n t o f t h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e d e g r e e o f D o c t o r o f P h i l o s o p h y D e p a r t m e n t o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a C o M a j o r P r o f e s s o r : V e n k a t R B h e t h a n a b o t l a P h D C o M a j o r P r o f e s s o r : D a r r e n W B r a n c h P h D W i l l i a m E L e e I I I P h D T h o m a s W e l l e r P h D B a b u J o s e p h P h D P a t r i c i a K r u k P h D J o e l A S t r o m M D D a t e o f A p p r o v a l : F e b r u a r y 1 5 2 0 0 8 K e y w o r d s : S A W M i c r o f l u i d i c s A c o u s t i c S t r e a m i n g N o n s p e c i f i c P r o t e i n R e m o v a l C o p y r i g h t 2 0 0 8 S t e f a n C u l a r

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N o t e t o R e a d e r N o t e t o R e a d e r : T h e o r i g i n a l o f t h i s d o c u m e n t c o n t a i n s c o l o r t h a t i s n e c e s s a r y f o r u n d e r s t a n d i n g t h e d a t a T h e o r i g i n a l d i s s e r t a t i o n i s o n f i l e w i t h t h e U S F l i b r a r y i n T a m p a F l o r i d a

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D e d i c a t i o n I d e d i c a t e t h i s w o r k t o m y f a m i l y a n d f r i e n d s t h a t h a v e m a d e i t p o s s i b l e t h r o u g h g u i d a n c e a n d s u p p o r t T h e v a l u e s t h e y i n s t i l l e d i n m e h a v e s h a p e d m e i n t o w h a t I a m S e m p e r P a r a t u s

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A c k n o w l e d g m e n t s I t h a n k m y a d v i s o r s P r o f e s s o r D r V e n k a t R B h e t h a n a b o t l a a n d D r D a r r e n W B r a n c h f o r t h e y e a r s o f s u p p o r t a n d m e n t o r i n g a n d t h e m a n y d i s c u s s i o n s o f t o p i c s n o t t a u g h t i n c l a s s e s F r o m t h e U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a I t h a n k S u b r a m a n i a n K R S S a n k a r a n a r a y a n a n a n d R e e t u S i n g h f o r t h e i r f r i e n d s h i p a n d s u p p o r t e s p e c i a l l y t h e i r a n a l y t i c a l k n o w l e d g e a n d w i l l i n g n e s s t o h e l p ; B e r n a r d B a t s o n w h o h a s b e e n r o l e m o d e l o f h a r d w o r k a n d a f a n t a s t i c s u p p o r t e r ; a n d R o b e r t S m i t h T o m G a g e a n d J a i m e C h r i s t o p h e r i n t h e e n g i n e e r i n g s h o p f o r f r i e n d s h i p a n d a s s i s t a n c e w i t h m a n y d e s i g n s a n d f a b r i c a t i o n t a s k s t h a t w e r e c r i t i c a l t o t h i s w o r k F r o m S a n d i a N a t i o n a l L a b o r a t o r i e s I o f f e r m y g r a t i t u d e t o D r S t e v e n K S h o w a l t e r a n d D r R i c h a r d W C e r n o s e k f o r t a k i n g t h e t i m e a n d i n t e r e s t i n m y r e s e a r c h L a s t l y I t h a n k t h e f u n d i n g a g e n c i e s f o r p r o v i d i n g t h e n e c e s s a r y f i n a n c i a l s u p p o r t f o r c o n d u c t i n g t h i s d i s s e r t a t i o n r e s e a r c h : N S F I G E R T g r a n t D G E 0 2 2 1 6 8 1 U S F I D R G a n d t h e D e p a r t m e n t o f D e f e n s e c o n t r a c t W 8 1 X W H 0 5 1 0 5 8 5 I a l s o g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e t h e c o m p u t a t i o n a l r e s o u r c e s p r o v i d e d b y U S F E n g i n e e r i n g C o m p u t i n g C e n t e r

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i T a b l e o f C o n t e n t s L i s t o f T a b l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i v L i s t o f F i g u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v L i s t o f A c r o n y m s a n d V a r i a b l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i i i A b s t r a c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x i i C h a p t e r 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 M o t i v a t i o n a n d O b j e c t i v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 2 O r g a n i z a t i o n o f t h e D i s s e r t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 C h a p t e r 2 S e n s o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 1 S e n s o r s G e n e r a l i z e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 1 1 B i o s e n s o r s f o r B i o m a r k e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 2 A c o u s t i c W a v e S e n s o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2 2 1 A c o u s t i c W a v e D e v i c e H i s t o r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 2 2 2 S u r f a c e A c o u s t i c W a v e D e v i c e T h e o r y a n d P r i n c i p l e s . . . . . . . . 1 2 2 3 C o m m o n M a t e r i a l s a n d M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2 3 1 I D T D e s i g n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 2 3 2 A c o u s t i c W a v e G u i d i n g L a y e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2 3 3 A c o u s t i c S t r e a m i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 2 3 4 D e v i c e F a b r i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 3 5 D e v i c e T e s t i n g a n d C h a r a c t e r i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 2 3 6 M i c r o f l u i d i c T e s t b e d a n d F i x t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 2 3 7 H e x a g o n a l S A W D e v i c e O p e r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 9 C h a p t e r 3 H e x a g o n a l S u r f a c e A c o u s t i c W a v e D e v i c e s f o r E n h a n c e d S e n s i n g a n d M a t e r i a l s C h a r a c t e r i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 3 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 3 2 M a t e r i a l s a n d M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 3 2 1 H e x a g o n a l D e v i c e D e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 7 3 2 2 E l e c t r o n i c C h a r a c t e r i z a t i o n M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 3 2 3 P o l y m e r S o l v e n t E x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 3 3 R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 3 3 1 C h a r a c t e r i z a t i o n o f D e v i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 3 3 2 P o l y m e r S o l v e n t R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 8 3 4 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6

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i i C h a p t e r 4 R e m o v a l o f N o n s p e c i f i c a l l y B o u n d P r o t e i n s o n M i c r o a r r a y s U s i n g S u r f a c e A c o u s t i c W a v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 4 1 B a c k g r o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 4 2 M a t e r i a l s a n d M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 4 2 1 S A W D e v i c e a n d R F D e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 4 2 2 S i l a n i z a t i o n o f L i t h i u m N i o b a t e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2 4 2 3 P a t t e r n i n g o f S A W D e v i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 4 2 4 D e p o s i t i o n o f P r o t e i n F i l m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 4 4 2 5 E l l i p s o m e t r y a n d T h i c k n e s s M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 4 2 6 A c o u s t i c P r o t e i n R e m o v a l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7 4 2 7 F l u o r e s c e n t I m a g i n g a n d P r o c e s s i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 7 4 3 R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8 4 3 1 O r g a n o s i l a n e a n d P r o t e i n F i l m s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 9 4 3 2 P r o t e i n A c t i v i t y a f t e r A c o u s t i c E x c i t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 4 3 3 R e m o v a l o f N o n s p e c i f i c a l l y B o u n d P r o t e i n s W h i l e R e t a i n i n g t h e S p e c i f i c a l l y B o u n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1 4 3 4 R e m o v a l o f N o n s p e c i f i c a n d S p e c i f i c P r o t e i n s . . . . . . . . . . . . . . 6 5 4 3 5 T h e C o n t r o l E x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 7 4 4 D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 8 4 5 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 0 C h a p t e r 5 I n t e r d i g i t a l T r a n s d u c e r D e s i g n f o r B i o s e n s o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2 5 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 3 5 2 M a t e r i a l s a n d M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5 5 2 1 S H S A W D e s i g n a n d F a b r i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 5 5 2 2 W a v e g u i d e A p p l i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 5 2 3 W a v e g u i d e M e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 5 2 4 F i n i t e E l e m e n t M o d e l C o n f i g u r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 8 5 3 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 0 5 4 C o n c l u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7 C h a p t e r 6 S u r f a c e A c o u s t i c W a v e B i o s e n s o r f o r I n t e r l e u k i n 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 0 6 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 1 6 2 M a t e r i a l s a n d M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3 6 2 1 S A W D e v i c e D e s i g n a n d F a b r i c a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 4 6 2 2 W a v e g u i d e A p p l i c a t i o n a n d M e a s u r e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 5 6 2 3 A n t i b o d y A t t a c h m e n t t o W a v e g u i d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6 6 2 4 E x p e r i m e n t a l S e t u p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 6 6 2 5 D a t a A c q u i s i t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 7 6 3 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8 6 3 1 S e n s o r E v a l u a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8 6 3 2 I n t e r l e u k i n 6 S e n s i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 0 6 4 C o n c l u s i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 C h a p t e r 7 S i m u l t a n e o u s S u r f a c e M a n i p u l a t i o n a n d S e n s i n g i n a B i o s e n s o r U s i n g a H e x a g o n a l S A W D e v i c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 3

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i i i 7 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 4 7 2 M a t e r i a l s a n d M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5 7 2 1 S e n s o r D e v i c e D e s i g n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5 7 2 2 M i c r o f l u i d i c S e n s o r F i x t u r e a n d T e s t b e d . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5 7 2 3 E x p e r i m e n t a l P r o c e d u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 6 7 3 S u r f a c e M a n i p u l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 7 7 4 S i m u l t a n e o u s S u r f a c e M a n i p u l a t i o n a n d S e n s i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 8 7 5 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 8 7 6 C o n c l u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 1 C h a p t e r 8 E f f e c t s o f M i c r o c a v i t i e s o n S h e a r h o r i z o n t a l S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S e n s o r s : T h e o r e t i c a l S t u d y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 8 1 I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 8 2 M e t h o d s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 4 8 3 R e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 6 8 4 C o n c l u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 0 C h a p t e r 9 C o n c l u s i o n s a n d P o i n t s f o r F u t u r e E n d e a v o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 1 9 1 S u m m a r y o f C o n t r i b u t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 1 9 2 P o i n t s f o r F u t u r e E n d e a v o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 3 9 2 1 S A W I D T D e s i g n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 3 9 2 2 M i c r o c a v i t y D e l a y P a t h E x p e r i m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 4 9 2 3 S i m u l a t i o n s o f N o n s q u a r e M i c r o c a v i t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 4 9 2 4 C o m b i n e d S A W – B u l k A c o u s t i c W a v e D e v i c e . . . . . . . . . . . . 1 3 5 9 2 5 C o m b i n e d S A W – S u r f a c e P l a s m o n R e s o n a n c e D e v i c e . . . . . . 1 3 5 9 2 6 N e w M a t e r i a l s : L a n g a s i t e a n d N a n o C r y s t a l l i n e D i a m o n d . . . . 1 3 8 9 2 7 S A W S e n s o r C i r c u i t O p t i m i z a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 0 9 2 8 F l u i d S o l i d I n t e r a c t i o n S i m u l a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 0 R e f e r e n c e s C i t e d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 2 A p p e n d i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 6 A p p e n d i x A A c o u s t i c W a v e T h e o r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 7 A p p e n d i x B A n s y s S i m u l a t i o n s I n p u t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 1 A p p e n d i x C E x p e r i m e n t a l C o n t r o l a n d D a t a C o l l e c t i o n a n d A n a l y s i s . . . . . . . . . . . 2 2 7 A p p e n d i x D S c h e m a t i c s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 6 A p p e n d i x E P h o t o l i t h o g r a p h y R e c i p e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 7 A b o u t t h e A u t h o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E n d P a g e

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i v L i s t o f T a b l e s T a b l e 1 T y p i c a l d e t e c t i o n m e t h o d s u s e d i n b i o s e n s o r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 T a b l e 2 C o n c e n t r a t i o n ( v o l u m e p e r c e n t ) o f s o l v e n t s i n n i t r o g e n c a r r i e r s t r e a m . . . . . . 3 0 T a b l e 3 T h e o r e t i c a l R a y l e i g h w a v e a n d m e a s u r e d v e l o c i t i e s o f t h e t h r e e s h o r t e d d e l a y p a t h s o f t h e h e x a g o n a l S A W d e v i c e o n l i t h i u m n i o b a t e . . . . . . . . . . . . . . 3 1 T a b l e 4 P r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s r e s u l t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 T a b l e 5 E l l i p s o m e t r y d e t e r m i n e d o r g a n o s i l a n e a n d p r o t e i n f i l m a v e r a g e t h i c k n e s s a n d s u r f a c e c o v e r a g e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 0 T a b l e 6 P o l y s t y r e n e m a t e r i a l p r o p e r t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 7 T a b l e 7 E l l i p s o m e t r y d a t a f o r I L 6 b i o s e n s o r l a y e r s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 8 T a b l e 8 M o d u l i a s s o c i a t e d w i t h s t r a i n m o d e s g e n e r a t e d b y S A W ( a c o u s t i c a l l y t h i n f i l m ( R < < 1 ) = > E ( 2 ) 0 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 0 T a b l e 9 C o n f i g u r a t i o n o f s p i n c o a t e r # 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 7

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v L i s t o f F i g u r e s F i g u r e 1 S c h e m a t i c l a y o u t o f a s e n s o r . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 F i g u r e 2 S u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r l a y o u t i n c l u d i n g i n p u t / o u t p u t s i g n a l s a n d I D T s a n d s e n s i n g f i l m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 F i g u r e 3 I l l u s t r a t i o n s o f t h r e e I D T d e v i c e d e s i g n s t e s t e d i n t h i s w o r k . . . . . . . . . . . . . . 1 4 F i g u r e 4 ( a ) 3 d r e n d e r i n g o f m i c r o f l u i d i c t e s t f i x t u r e f o r d i c e d h e x a g o n a l S A W d e v i c e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 F i g u r e 5 S c h e m a t i c o f m i c r o f l u i d i c t e s t b e d f o r l i q u i d p h a s e s a m p l i n g o f b i o l o g i c s a m p l e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 8 F i g u r e 6 S c h e m a t i c o f h e x a s a w c o n f i g u r e d t o s i m u l t a n e o u s l y c l e a n t h e s u r f a c e a n d m o n i t o r w i t h t w o d e l a y p a t h s f o r e n h a n c e d s e n s o r r e s p o n s e . . . . . . . . . 2 0 F i g u r e 7 C a l c u l a t e d v a l u e s o f a t y p i c a l 1 0 0 M H z S A W s e n s o r w i t h a p o l y m e r f i l m t o d e t e r m i n e i f i t i s a c o u s t i c a l l y t h i n o r t h i c k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 5 F i g u r e 8 H e x a g o n a l S A W d e v i c e s c h e m a t i c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 F i g u r e 9 S 2 1 m e a s u r e m e n t o f t h e t h r e e d e l a y p a t h s w i t h g a t i n g a p p l i e d h a v i n g g a t i n g s t a r t a n d s t o p v a l u e s o f 1 2 1 8 s a n d 3 8 7 8 s . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 F i g u r e 1 0 C o m p a r i s o n o f i n h o u s e S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n w i t h p h a s e a n d m a g n i t u d e m e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3 F i g u r e 1 1 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n i n t h e t i m e d o m a i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4 F i g u r e 1 2 C o m p a r i s o n o f o n e o f t h e f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n a s b o t h t h e L o g r i t h m i c M a g n i t u d e a n d P h a s e o f t h e t h r e e d e l a y p a t h s t h a t m a k e u p o n e S A W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 6 F i g u r e 1 3 C o m p a r i s o n o f o n e o f t h e f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n a s t i m e d o m a i n m e a s u r e m e n t s o f t h e t h r e e d e l a y p a t h s t h a t m a k e u p o n e S A W d e v i c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 7 F i g u r e 1 4 D i f f e r e n c e m e a s u r e m e n t s f r o m 5 0 0 n m P I B o n t h e h e x a g o n a l S A W a b s o r b i n g b e n z e n e i n n i t r o g e n a t 2 5 C o f v o l u m e p e r c e n t a g e s 0 9 8 0 . . . . 3 9 F i g u r e 1 5 D i f f e r e n c e m e a s u r e m e n t s f r o m 5 0 0 n m P I B o n t h e h e x a g o n a l S A W a b s o r b i n g c h l o r o f o r m i n n i t r o g e n a t 2 5 C o f v o l u m e p e r c e n t a g e s 2 0 1 7 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 0 F i g u r e 1 6 D i f f e r e n c e m e a s u r e m e n t s f r o m 5 0 0 n m P I B o n t h e h e x a g o n a l S A W a b s o r b i n g h e x a n e i n n i t r o g e n a t 2 5 C o f v o l u m e p e r c e n t a g e s 1 5 1 3 1 . . . . 4 1 F i g u r e 1 7 N o r m a l i z e d s e n s o r r e s p o n s e s t o h e x a n e c h l o r o f o r m a n d b e n z e n e . . . . . . . . 4 2 F i g u r e 1 8 P r e p r o c e s s e d d a t a o f t h e h e x a g o n a l S A W r e s p o n s e t o 2 0 c o n c e n t r a t i o n s o f h e x a n e c h l o r o f o r m a n d b e n z e n e v a p o r s . . . . . . . . . . . . . 4 4 F i g u r e 1 9 P C A c o m p o n e n t 1 p r e d o m i n a t e l y m a t e r i a l p r o p e r t i e s v e r s u s t h e P C A c o m p o n e n t 2 p r e d o m i n a t e l y c o n c e n t r a t i o n d a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 6

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v i F i g u r e 2 0 C o v a l e n t a t t a c h m e n t o f I g G a n d B S A t o L i N b O 3 s u b s t r a t e s v i a 3 G P D M S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 3 F i g u r e 2 1 A l e x a 5 9 4 l a b e l e d m o u s e a n t i r a b b i t I g G b i n d i n g t o g o a t a n t i m o u s e I g G w i t h o u t a n d w i t h a c o u s t i c e x c i t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1 F i g u r e 2 2 N o n l a b e l e d g o a t a n t i m o u s e I g G w a s c o v a l e n t l y p a t t e r n e d a n d b o u n d t o t h e 3 G P D M S s u r f a c e f o l l o w e d b y a c o u s t i c e x c i t a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f B S A t o t e r m i n a t e n o n p a t t e r n e d r e g i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 F i g u r e 2 3 O v e r a l l i n t e n s i t i e s o f f l u o r e s c e n t l y l a b e l e d p r o t e i n s v e r s u s R F p o w e r d o s e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 4 F i g u r e 2 4 G r a y s c a l e i m a g e s ( p s e u d o c o l o r e d ) o f 4 0 m m i c r o a r r a y p a t t e r n b e f o r e a n d a f t e r a c o u s t i c c l e a n i n g . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 5 F i g u r e 2 5 M o u s e a n t i r a b b i t I g G ( r e d ) a n d g o a t a n t i m o u s e I g G ( g r e e n ) p a t t e r n a n d n o n p a t t e r n e d i n t e n s i t i e s v e r s u s t h e R F p o w e r d o s e d e l i v e r e d t o t h e m i c r o a r r a y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 6 F i g u r e 2 6 A l e x a 5 9 4 l a b e l e d m o u s e a n t i r a b b i t I g G b o u n d t o g o a t a n t i m o u s e I g G w i t h ( b ) a n d w i t h o u t ( a ) v i g o r o u s w a s h i n g i n P B S s o l u t i o n . . . . . . . . . . 6 7 F i g u r e 2 7 ( a ) P r e s o l u t i o n 3 d m e s h e d s p l i t f i n g e r I D T d e s i g n w i t h h i g h e s t m e s h d e n s i t y a t t h e t o p a n d c e n t e r o f d e l a y p a t h ( r i g h t s i d e o f i m a g e ) . . . . . . . . . . 7 9 F i g u r e 2 8 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n m a g n i t u d e m e a s u r e m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1 F i g u r e 2 9 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n w i t h m e a s u r e m e n t s o f 3 M H z w i t h i n t h e p a s s b a n d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3 F i g u r e 3 0 C o m p a r i s o n o f s i m u l a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n w i t h m a g n i t u d e m e a s u r e m e n t s o f t h e p o w e r s p e c t r u m a s s i m u l a t e d w i t h A n s y s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 6 F i g u r e 3 1 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n i n t h e t i m e d o m a i n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 F i g u r e 3 2 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s t o t h e a d d i t i o n o f a p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 0 F i g u r e 3 3 C o m p a r i s o n o f s i m u l a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s t o t h e a d d i t i o n o f a p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2 F i g u r e 3 4 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s t o t h e a d d i t i o n o f a p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 F i g u r e 3 5 C o m p a r i s o n o f s i m u l a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s t o t h e a d d i t i o n o f a p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 5 F i g u r e 3 6 C o m p a r i s o n o f i n h o u s e S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s t o t h e a d d i t i o n o f a 1 0 0 p g i d e a l m a s s a c r o s s 9 6 x 1 0 9 m 2 a r e a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 7 F i g u r e 3 7 S e n s i t i v i t y d e t e r m i n a t i o n u s i n g B S A a t v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s f r o m 6 n g / m l t o 6 0 0 0 0 n g / m l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 9 F i g u r e 3 8 S e n s o r s i g n a l r e s p o n s e t o a s e r i e s o f h u m a n I L 6 i n j e c t i o n s o n t o o n e s e n s o r e l e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 F i g u r e 3 9 N o r m a l i z e d p h a s e r e s p o n s e f o r t h e c o a t i n g o f a s e n s o r w i t h a n i b o d i e s ( 1 3 8 n g / m l a n t i m o u s e I g G i n P B S ) f o l l o w e d b y t h e d e t e c t i o n o f o f t h e a n t i g e n ( 3 2 4 n g m o u s e I g G ) a n d t h e c o a t i n g o f t h e s e n s o r w i t h n o n s p e c i f i c a l l y b i n d i n g B S A ( 5 0 0 n g ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 9

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v i i F i g u r e 4 0 N o r m a l i z e d p h a s e a n g l e r e s p o n s e o f s e n s o r t o t h e r e m o v a l o f e x c e s s B S A w i t h j u s t a f l u s h o f P B S f o l l o w e d b y t h e r e m o v a l o f N S B B S A u s i n g h i g h a m p l i t u d e w a v e s o f a d i f f e r e n t d e l a y p a t h . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 1 F i g u r e 4 1 C r o s s s e c t i o n o f m e s h e d / 2 x / 2 x / 2 m i c r o c a v i t y S A W d e v i c e . . . . . . 1 2 6 F i g u r e 4 2 C o m p a r i s o n o f t r a n s m i t t e d e n e r g y o f t h e / 4 d e s i g n s / 4 a n d / 8 d e e p t h a t a r e b o t h e m p t y a n d f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e t o a n o p t i m i z e d L o v e w a v e a n d a s t a n d a r d S A W d e l a y p a t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 7 F i g u r e 4 3 C o m p a r i s o n o f t r a n s m i t t e d e n e r g y o f t h e / 2 d e s i g n s / 2 / 4 a n d / 8 d e e p t h a t a r e e m p t y a n d f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e t o a n o p t i m i z e d L o v e w a v e a n d a s t a n d a r d S A W d e l a y p a t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 8 F i g u r e 4 4 C o m p a r i s o n o f c o m b i n e d v e l o c i t y a n d v o l t a g e m a s s s e n s i t i v i t i e s o f a p l a i n s i n g l e s p l i t f i n g e r S A W s e n s o r a n o p t i m i z e d 2 2 0 0 n m p o l y s t y r e n e L o v e w a v e s e n s o r a / 2 l e n g t h b y / 8 d e p t h g r o o v e g r a t i n g f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e a n d a / 2 l e n g t h b y / 2 w i d t h b y / 8 d e p t h m i c r o c a v i t y a r r a y f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 9 F i g u r e 4 5 S P R s e n s o r s c h e m a t i c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 6 F i g u r e 4 6 I n t e g r a t e d S A W S P R s e n s o r s c h e m a t i c . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 8 F i g u r e 4 7 I l l u s t r a t i o n o f R a y l e i g h ( l e f t ) a n d s h e a r h o r i z o n t a l ( r i g h t ) w a v e s . . . . . . . . 1 5 7 F i g u r e 4 8 F o u r l a y e r m o d e l d i a g r a m o f S A W d e v i c e n e e d e d f o r b i o l o g i c a l s e n s i n g a p p l i c a t i o n s i n l i q u i d s a m p l e s w h i l e u t i l i z i n g a g u i d i n g l a y e r f o r e n h a n c e d s e n s i t i v i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 8 F i g u r e 4 9 L a y e r m o d e l d i a g r a m o f S A W d e v i c e n e e d e d f o r b i o l o g i c a l s e n s i n g a p p l i c a t i o n s i n l i q u i d s a m p l e s w h i l e u t i l i z i n g a g u i d i n g l a y e r f o r e n h a n c e d s e n s i t i v i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 5 F i g u r e 5 0 E x a m p l e L a b V i e w p r o g r a m i l l u s t r a t i n g c a s e s t r u c t u r e s a n d o p e r a t i o n b l o c k s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2 8 F i g u r e 5 1 E x a m p l e o f a u t o m a t e d f i l e n a m i n g a n d l a b e l i n g o f d a t a l a b e l s . . . . . . . . . . 2 2 9 F i g u r e 5 2 E x a m p l e o f t i m e d o m a i n s i m u l a t i o n d a t a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 2 F i g u r e 5 3 E x a m p l e o f t i m e d o m a i n d a t a c o n v e r t e d w i t h F F T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 5 F i g u r e 5 4 D o u b l e s p l i t f i n g e r I D T d e s i g n f o r 3 2 m w i t h a m e t a l i z e d / s h o r t e d d e l a y p a t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 6 F i g u r e 5 5 P r u n e d d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T d e s i g n f o r 3 2 m w i t h a m e t a l i z e d / s h o r t e d d e l a y p a t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 7 F i g u r e 5 6 U n i d i r e c t i o n a l I D T d e s i g n f o r 3 2 m w i t h a m e t a l i z e d / s h o r t e d d e l a y p a t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 8 F i g u r e 5 7 G e n e r a l h e x a g o n a l S A W l a y o u t f o r 3 2 m w i t h a m e t a l i z e d / s h o r t e d 1 9 7 d e l a y p a t h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3 8 F i g u r e 5 8 G e n e r a l h e x a g o n a l S A W b o n d p a d c e n t e r l o c a t i o n s u s i n g s y m m e t r y . . . . . 2 3 9 F i g u r e 5 9 3 ” h e x a g o n a l S A W w a f e r c u t p a t h s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 0 F i g u r e 6 0 H e x a g o n a l S A W l a y o u t p i l l b o x t e s t f i x t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 1 F i g u r e 6 1 H e x a g o n a l S A W p r o b i n g l i d f o r m i c r o f l u i d i c a p p l i c a t i o n s . . . . . . . . . . . . 2 4 2 F i g u r e 6 2 3 ” w a f e r p r o b i n g f i x t u r e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 3 F i g u r e 6 3 M o d i f i e d p r o b i n g f i x t u r e a r m s a c c o u n t i n g f o r c i r c u i t b o a r d . . . . . . . . . . . . 2 4 4 F i g u r e 6 4 W a f e r p r o b e f i x t u r e l i d c l a m p s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 5 F i g u r e 6 5 P r o b e l i d f o r e a s i e r m i c r o s c o p y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 4 6

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v i i i L i s t o f A c r o n y m s a n d V a r i a b l e s 3 G P D M S ( 3 g l y c i d o x y p r o p y l ) d i m e t h y l e t h o x y s i l a n e A A r e a ; M o l a r R e f r a c t i v i t y A F M A t o m i c F o r c e M i c r o s c o p y A l e x a 4 8 8 A l e x a F l u o r 4 8 8 F l u o r e s c e n t D y e A l e x a 5 9 4 A l e x a F l u o r 5 9 4 F l u o r e s c e n t D y e A m p A m p l i f i e r B A W B u l k A c o u s t i c W a v e B S A B o v i n e S e r u m A l b u m i n C C D C h a r g e d C o u p l e d D e v i c e c i S A W F i l m C o u p l i n g P a r a m e t e r d T h i c k n e s s o f F i l m D A Q D a t a A c q u i s i t i o n D S F D o u b l e S p l i t F i n g e r E ( i ) Y o u n g ’ s M o d u l u s f o r i t h C o m p o n e n t E L I S A E n z y m e L i n k e d I m m u n o s o r b e n t A s s a y f F r e q u e n c y F E F i n i t e E l e m e n t F E M F i n i t e E l e m e n t M e t h o d

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i x G B u l k M o d u l u s G P I B G e n e r a l P u r p o s e I n t e r f a c e B u s h H e i g h t o f F i l m I D T I n t e r d i g i t a l T r a n s d u c e r I F I n t e r m e d i a t e F r e q u e n c y I g G I m m u n o g l o b u l i n G I L 6 I n t e r l e u k i n 6 K B u l k M o d u l u s k 0 W a v e N u m b e r L i N b O 3 L i t h i u m N i o b a t e L i T a O 3 L i t h i u m T a n t a l a t e M i G e n e r a l i z e d M o d u l u s f o r i t h C o m p o n e n t M w M o l e c u l a r W e i g h t n I n d e x o f R e f r a c t i o n N S B N o n s p e c i f i c a l l y B o u n d P r o t e i n P B S P h o s p h a t e B u f f e r e d S a l i n e P C P e r s o n a l C o m p u t e r P C A P r i n c i p a l C o m p o n e n t A n a l y s i s P I B P o l y i s o b u t y l e n e P R D S F P r u n e d D o u b l e S p l i t F i n g e r P S P o l y s t y r e n e R M o t i o n a l R e s i s t a n c e R F R a d i o F r e q u e n c y

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x S A W S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S H S h e a r h o r i z o n t a l S i S t r a i n S M A S u b m i n i t u r e V e r s i o n A S P R S u r f a c e P l a s m o n R e s o n a n c e S P U D T S i n g l e p h a s e U n i d i r e c t i o n a l T r a n s d u c e r T i S t r e s s o f t h e i t h C o m p o n e n t T k M a t r i x o f P r i n c i p a l C o m p o n e n t S c o r e s T T E T r i p l e T r a n s i t E f f e c t s U D S F U n i d i r e c t i o n a l D o u b l e S p l i t F i n g e r u i D i s p l a c e m e n t G r a d i e n t U V U l t r a v i o l e t V k M a t r i x o f E i g e n v e c t o r s V N A V e c t o r N e t w o r k A n a l y z e r Z i I m p e d a n c e o f i t h C o m p o n e n t A t t e n u a t i o n C o m p o n e n t o f S A W R e s p o n s e i C o m p l e x P r o p a g a t i o n F a c t o r f o r i t h C o m p o n e n t C o m p l e x R e s p o n s e P h a s e S h i f t ( D i f f e r e n c e ) l D e c a y L e n g t h i n t o L i q u i d U n e x p l a i n e d V a r i a n c e n l V i s c o s i t y o f L i q u i d L a m C o n s t a n t

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x i W a v e l e n g t h L a m C o n s t a n t V e l o c i t y C o m p o n e n t o f S A W R e s p o n s e 0 O r i g i n a l V e l o c i t y D e n s i t y l D e n s i t y o f L i q u i d r A m p l i t u d e R a t i o A n g u l a r V e l o c i t y

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x i i D e s i g n s a n d A p p l i c a t i o n s o f S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S e n s o r s f o r B i o l o g i c a l a n d C h e m i c a l S e n s i n g a n d S a m p l e H a n d l i n g S t e f a n C u l a r A B S T R A C T A c o u s t i c w a v e s e n s o r s h a v e p r o v e n u s e f u l i n m a n y f i e l d s a s p r i m a r i l y m a s s s e n s i t i v e d e v i c e s c a p a b l e o f r e s p o n d i n g t o s m a l l e n v i r o n m e n t a l p e r t u r b a t i o n s T h e f o c u s o f t h i s d i s s e r t a t i o n i s t h e d e v e l o p m e n t o f a n e w t y p e o f s u r f a c e a c o u s t i c w a v e d e v i c e w i t h a p p l i c a t i o n t o m a t e r i a l p r o p e r t y m e a s u r e m e n t a n d b i o l o g i c a l a n d c h e m i c a l s e n s i n g T h i s d e v i c e i s a c o m b i n a t i o n o f t h r e e i n d e p e n d e n t a c o u s t i c w a v e d e v i c e s w i t h t h e s e w a v e s p r o p a g a t e d a c r o s s t h e s a m e a r e a w h i l e r e t a i n i n g i n d e p e n d e n c e o f a c t u a t i o n a n d s e n s o r f u n c t i o n T h e d e v e l o p m e n t o f a c o m p l e t e s e n s o r s y s t e m a n d i t s u s e a n d o p e r a t i o n a r e p r e s e n t e d f o r s e v e r a l e x a m p l e c a s e s o f c h e m i c a l a n d b i o m a r k e r s e n s i n g a n d s a m p l e m a n i p u l a t i o n T h e s e i n c l u d e e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l s t u d i e s f o r o r g a n i c v a p o r s e n s i n g b i o l o g i c a l m o i e t y s e n s i n g a c o u s t i c s t r e a m i n g t o r e m o v e l o o s e l y b o u n d m a t e r i a l a n d o p t i m i z a t i o n o f d e s i g n s f o r t h e s e a p p l i c a t i o n s

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1 C h a p t e r 1 I n t r o d u c t i o n A c o u s t i c w a v e s e n s o r s y s t e m s r e l y o n m a n y c o m p o n e n t s t o f u n c t i o n a s b i o l o g i c a l a n d c h e m i c a l s e n s i n g i n s t r u m e n t s T h e s e d e v i c e s a l t h o u g h c o m p l e x h a v e b e e n u s e d s u c c e s s f u l l y f o r m a n y y e a r s f o r t h e s e n s i n g o f c h e m i c a l s p e c i e s a n d m e a s u r e m e n t o f m a t e r i a l p r o p e r t i e s M o r e r e c e n t w o r k h a s u t i l i z e d t h e m i n s e n s i n g o f b i o l o g i c a l s p e c i e s I n t h i s d i s s e r t a t i o n n e w d e s i g n s a n d s u p p o r t i n g s y s t e m s t h a t i m p r o v e t h e s t a n d a r d s f o r s e n s i n g s y s t e m s a r e p r e s e n t e d T h e t o t a l w o r k i s d e s c r i b e d i n i t i a l l y a s i n d i v i d u a l c o m p o n e n t s f r o m u n d e r l y i n g p r i n c i p l e s t h r o u g h d e v e l o p m e n t o f t h e c o m p l e t e s y s t e m a n d o p t i m i z a t i o n s t u d i e s a s a s e r i e s o f i n d e p e n d e n t p a p e r s 1 1 M o t i v a t i o n a n d O b j e c t i v e s T h i s w o r k i s m o t i v a t e d b y t h e w i d e d e s i r a b i l i t y o f r e l i a b l e s e n s o r s y s t e m s i n m e d i c a l d i a g n o s t i c s a n d i n c h e m i c a l s e n s i n g I n p a r t i c u l a r a l l e v i a t i n g t h e n e e d f o r s a m p l e h a n d l i n g a n d m a n i p u l a t i o n n e c e s s a r y i n c u r r e n t b i o l o g i c a l s e n s o r t e c h n o l o g i e s i s a n i m p o r t a n t m o t i v a t i o n f o r t h i s w o r k

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2 A c o u s t i c w a v e d e v i c e s h a v e a d m i r a b l e c h a r a c t e r i s t i c s t h a t m a k e t h e m u s e f u l i n s e n s o r s y s t e m s i n c l u d i n g f o r m e d i c a l d i a g n o s t i c s T h e s e s e n s o r s a r e h i g h l y p o r t a b l e c o n f i g u r a b l e t o m a n y a p p l i c a t i o n s a n d h a v e h i g h s e n s i t i v i t y [ 1 2 ] A c o u s t i c w a v e s e n s o r s c a n a d d i t i o n a l l y b e u t i l i z e d a s a c t u a t o r s t o r e m o v e l o o s e l y b o u n d m a t e r i a l f r o m t h e i r s u r f a c e [ 3 6 ] T h e w o r k p r e s e n t e d h e r e i s f o c u s e d o n t h e d e v e l o p m e n t o f a s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r d e s i g n a n d t e c h n i q u e t o p e r m i t r a p i d a n a l y s i s o f b i o l o g i c a l s a m p l e s c o n t a i n i n g m u l t i p l e a n a l y t e s w h i l e r e d u c i n g u n w a n t e d e f f e c t s c o m m o n l y s e e n i n c u r r e n t a s s a y t e c h n o l o g i e s A t t h e c o r e o f t h i s r e s e a r c h i s t h e u s e o f a h e x a g o n a l s h a p e d t r a n s d u c e r f o r p r o d u c i n g a c o u s t i c w a v e s t o m a n i p u l a t e s e n s i n g f i l m s a s w e l l a s f o r e n h a n c i n g s e n s i n g F u n c t i o n a l i t y t o m a n i p u l a t e t h e s e n s i n g f i l m i s p a r t o f t h e d e s i g n w h i l e s i m u l t a n e o u s l y m o n i t o r i n g i t f o r p e r t u r b a t i o n s f r o m a n a l y t e s [ 7 ] S u c h a c o n c e p t f i t s w i t h t h e c u r r e n t t r e n d t o r e v e r s e t h e s t e r e o t y p i c a l e v e n t o f h a v i n g t o t a k e a s a m p l e t o a l a b o r a t o r y w i t h t a k i n g t h e l a b o r a t o r y t o t h e m a t e r i a l n e e d i n g a n a l y s i s [ 8 9 ] F o r t h e e n d u s e r a p p l i c a t i o n s o f e a r l y b i o m a r k e r d e t e c t i o n d e s c r i b e d h e r e t h e i m p o r t a n c e o f h a v i n g a d e v i c e c a p a b l e o f o p e r a t i n g a u t o n o m o u s l y f r o m a n a l y t i c a l i n s t r u m e n t s i s p a r a m o u n t T h e o u t c o m e o f t h i s d i s s e r t a t i o n w o r k i s t h e d e m o n s t r a t i o n o f t h e f e a s i b i l i t y o f a c o u s t i c w a v e s t o s i m u l t a n e o u s l y m a n i p u l a t e a n d s e n s e a n a n a l y t e s p e c i f i c f i l m f o r b i o m a r k e r s O b j e c t i v e s f o r t h i s r e s e a r c h a r e : 1 D e v e l o p m e n t o f a h e x a g o n a l s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r c a p a b l e o f s i m u l t a n e o u s l y m a n i p u l a t i n g a n a n a l y t e s p e c i f i c f i l m a n d s e n s i n g t h e p e r t u r b a t i o n s t o t h e f i l m w h e n e x p o s e d t o t h e a n a l y t e

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3 2 D e v e l o p m e n t o f s e n s o r e l e c t r o n i c s a n d t e s t b e d f o r t e s t i n g a c o u s t i c w a v e s e n s o r s w i t h o u t a n a l y t i c a l i n s t r u m e n t s 3 C a l i b r a t i o n o f t h e s e n s o r f o r s i m p l e a s w e l l a s c o m p l e x t e s t s y s t e m s r e p r e s e n t a t i v e o f r e a l b i o l o g i c f l u i d s a m p l e s 4 D e v e l o p m e n t o f m o d e l s f o r s e n s o r a n a l y s i s t h r o u g h a n a l y t i c a l a n d f i n i t e e l e m e n t m e t h o d s 1 2 O r g a n i z a t i o n o f t h e D i s s e r t a t i o n T h i s d i s s e r t a t i o n i s o r g a n i z e d s u c h t h a t c h a p t e r 2 c o n t a i n s g e n e r a l a n d c o m m o n s u p p o r t i n g i n f o r m a t i o n f o r c h a p t e r s 3 8 w h i c h h a v e b e e n p r e p a r e d a s s e p a r a t e m a n u s c r i p t s T h e d e t a i l s o f e a c h o f t h e s e c h a p t e r s a r e a s f o l l o w s : 1 C h a p t e r 2 d i s c u s s e s i n g e n e r a l t e r m s w h a t a s e n s o r i s a n d d o e s S p e c i f i c d e t a i l s o f a c o u s t i c w a v e s e n s o r s w i t h a n e m p h a s i s o n s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r s f o l l o w B a c k g r o u n d i n f o r m a t i o n t h a t d e s c r i b e s t h e p h y s i c s o f s e n s o r o p e r a t i o n i s p r e s e n t e d a s a b r i e f o v e r v i e w F o r a m o r e t h o r o u g h u n d e r s t a n d i n g o f a c o u s t i c w a v e s e n s o r s o n e s h o u l d c o n s u l t o n e o f a n u m b e r o f e x c e l l e n t b o o k s r e f e r e n c e d t h r o u g h o u t c h a p t e r 2 A d d i t i o n a l l y c h a p t e r 2 h a s c o m m o n m a t e r i a l s a n d m e t h o d s u s e d t h r o u g h o u t t h i s d i s s e r t a t i o n r e s e a r c h 2 C h a p t e r 3 d i s c u s s e s a n e w d e s i g n o f s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r t h a t h a s t h r e e c r o s s i n g a c o u s t i c d e l a y p a t h s T h e c r o s s i n g o f t h e d e l a y p a t h s a l l o w s f o r t h e

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4 m e a s u r e m e n t o f m u l t i p l e p r o p e r t i e s a s v e r i f i e d t h r o u g h t h e u s e o f p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s o n p o l y m e r / o r g a n i c v a p o r s o r p t i o n e x p e r i m e n t s 3 C h a p t e r 4 d e s c r i b e s t h e u s e o f a c o u s t i c s t r e a m i n g t o r e m o v e n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d m a t e r i a l f r o m t h e s u r f a c e o f s e n s o r s I n t h i s e x p e r i m e n t a l s t u d y f l u o r e s c e n t l y l a b e l e d p r o t e i n s a r e u s e d t o b o t h s p e c i f i c a l l y a n d n o n s p e c i f i c a l l y b i n d t o a s e n s o r s u r f a c e T h e f l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y i s m e a s u r e d u s i n g a n i n v e r t e d f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p e a n d i s q u a l i t a t i v e l y c o r r e l a t e d w i t h r e m o v a l p h e n o m e n a 4 C h a p t e r 5 d e s c r i b e s t h e o p t i m i z a t i o n o f p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e t h i c k n e s s f o r s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s s p e c i f i c a l l y f o r s h e a r h o r i z o n t a l w a v e s t h a t c r e a t e d L o v e w a v e s w h e n a n a p p r o p r i a t e w a v e g u i d e i s a p p l i e d t o t h e s u r f a c e I n t h i s w o r k e x p e r i m e n t a l a n d f i n i t e e l e m e n t s s i m u l a t i o n d a t a a r e c o m p a r e d T h e s i m u l a t i o n s u s e d i n t h i s w o r k a l l o w e d f o r t h e d i r e c t c a l c u l a t i o n o f s e n s i t i v i t y d a t a t h a t w e r e u s e d t o c o m p a r e t h r e e d i f f e r e n t i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r d e s i g n s 5 C h a p t e r 6 d e s c r i b e s a s h e a r h o r i z o n t a l s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r u t i l i z e d f o r t h e s e n s i n g o f i n t e r l e u k i n 6 i n p h o s p h a t e b u f f e r e d s a l i n e p H 7 4 I n t h i s c h a p t e r t h e n e e d f o r b i o s e n s o r s i s p r e s e n t e d i n t e r m s s p e c i f i c f o r i n t e r l e u k i n 6 A d d i t i o n a l l y s e n o r s e n s i t i v i t y i s s h o w n t h r o u g h a s a t u r a t i o n c u r v e i n c l u d i n g i n t e r l e u k i n 6 c o n c e n t r a t i o n s t h a t a r e p h y s i o l o g i c a l l y r e l e v a n t 6 C h a p t e r 7 d e s c r i b e s t h e u s e o f a s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r a n d a c t u a t o r t h a t s i m u l t a n e o u s l y a l l o w s m e a s u r e m e n t s f r o m s u r f a c e p e r t u r b a t i o n s a n d s t i m u l a t e s t h e s a m e s u r f a c e w i t h h i g h i n t e n s i t y w a v e s t o r e m o v e l o o s e l y b o u n d m a t e r i a l 7 C h a p t e r 8 e x p a n d s u p o n t h e d e s i g n s p r e s e n t e d i n c h a p t e r 5 u s i n g f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n s P a r t i c u l a r t o t h i s c h a p t e r i s a n e w d e s i g n a p p r o a c h t o i n c r e a s e

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5 s e n s i t i v i t y a n d d e c r e a s e s e n s o r p o w e r c o n s u m p t i o n T h e d e s i g n s s i m u l a t e d t a k e t h e b e s t o f a l l p r e v i o u s l y u s e d c o n c e p t s f o r e f f i c i e n t s u r f a c e a c o u s t i c w a v e t r a n s m i s s i o n a n d p r e s e n t a n o p t i m a l d e s i g n w i t h a l o w e n e r g y l o s s a n d h i g h m a s s s e n s i t i v i t y 8 C h a p t e r 9 s u m m a r i z e s c o n t r i b u t i o n s o f t h i s d i s s e r t a t i o n a n d p r o v i d e s r e c o m m e n d a t i o n s f o r f u t u r e w o r k t o f u r t h e r a d v a n c e t h e f i e l d o f a c o u s t i c w a v e s e n s o r s 9 T h e a p p e n d i c e s o f t h i s d i s s e r t a t i o n c o n t a i n e x t e n s i v e d e t a i l s r e q u i r e d t o r e p r o d u c e p r e s e n t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n C o d e s f o r f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n s a n d d a t a a n a l y s i s d e s i g n s o f f i x t u r e s d e s i g n s o f s u r f a c e a c o u s t i c w a v e d e v i c e s a n d a n a l y t i c a l m o d e l s a r e a l l p r e s e n t e d

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6 C h a p t e r 2 S e n s o r s S e n s o r s a r e c o m m o n t o e v e r y d a y l i f e a n d a r e d e v e l o p e d t o m a k e l i v e s b e t t e r S o m e o f t h e m o r e c o m m o n s e n s o r t y p e s t h a t c o m e t o m i n d a r e t a c t i l e s e n s o r s s u c h a s t o u c h p a d s o n c o m p u t e r s a n d t o u c h s c r e e n s T h e s e d e v i c e s t a k e a n i n p u t f r o m t h e e n v i r o n m e n t t h e p r e s s i n g b y a f i n g e r a n d c o n v e r t i t i n t o a n e l e c t r i c a l s i g n a l t h a t i s t h e n p r o c e s s e d t o p e r f o r m a n o p e r a t i o n b y t h e c o m p u t e r T h i s c o m p l e t e s y s t e m i s a s e n s o r s y s t e m T h e w o r k d e s c r i b e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n c r o s s e s m u l t i p l e f i e l d s o f s t u d y w h i c h w i l l b e b r i e f l y d e s c r i b e d i n t h i s c h a p t e r t o p e r m i t u n d e r s t a n d i n g o f t h e w o r k a c c o m p l i s h e d T h e t o p i c s d e s c r i b e d c o v e r a b i o s e n s o r p e r t i n e n t f o r b i o m a r k e r d e t e c t i o n a c o u s t i c w a v e s i n v i s c o e l a s t i c m e d i a a n d t h e d e s i g n a s p e c t s o f t h e h e x a g o n a l s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r d e v e l o p e d a s p a r t o f t h i s d i s s e r t a t i o n w o r k 2 1 S e n s o r s G e n e r a l i z e d T h e r o l e o f a s e n s o r i s t o m e a s u r e a p a r t i c u l a r a n a l y t e a n d p r o d u c e a s i g n a l t h a t i s t h e n i n t e r p r e t e d b y t h e r e s t o f t h e s y s t e m S e n s o r s c a n b e t h o u g h t o f a s c o n s i s t i n g o f t h r e e c o m p o n e n t s a s s h o w n i n F i g u r e 1 : d e t e c t i o n e l e m e n t t r a n s d u c e r a n d s i g n a l

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7 p r o c e s s o r A s a n a n a l y t e c o m e s i n c o n t a c t w i t h t h e d e t e c t i o n e l e m e n t a c h a n g e o c c u r s w i t h t h e d e t e c t i o n e l e m e n t t h a t i s c o n v e r t e d b y t h e t r a n s d u c e r i n t o a s i g n a l t h a t i s f i n a l l y p r o c e s s e d b y t h e s i g n a l p r o c e s s o r F o l l o w i n g t h i s g e n e r a l i d e a o f a s e n s o r o n e c a n c o n s i d e r t h e n o s e a s a s e n s o r A p a r t i c u l a r s m e l l ( a n a l y t e ) c r e a t e s c h a n g e s i n t h e o l f a c t o r y m e m b r a n e ( d e t e c t i o n e l e m e n t ) N e r v e c e l l s ( t r a n s d u c e r s ) t h e n c o n v e r t t h e c h a n g e s i n t o a s i g n a l t h a t i s c a r r i e d t o t h e b r a i n ( s i g n a l p r o c e s s o r ) f o r r e c o g n i t i o n [ 1 8 9 ] F i g u r e 1 S c h e m a t i c l a y o u t o f a s e n s o r E a c h o f t h e c o m p o n e n t s i n t h e s c h e m a t i c o f F i g u r e 1 c a n h a v e m a n y d i f f e r e n t a s p e c t s T h e d e t e c t i o n e l e m e n t i s t h e m o s t i m p o r t a n t c o m p o n e n t f o r a s e l e c t i v e s e n s o r s y s t e m P a r t i c u l a r l y t h i s e l e m e n t s h o u l d o n l y r e s p o n d a s p e c i f i c a n a l y t e o r a g r o u p o f a n a l y t e s w i t h s i m i l a r p r o p e r t i e s F o r t h e w o r k c o n t a i n e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n d e t e c t i o n e l e m e n t s u s e d a r e p o l y m e r s f o r c h e m i c a l v a p o r s e n s i n g a n d a n t i b o d i e s f o r p r o t e i n a n a l y t e s e n s i n g [ 7 1 0 1 1 ] F o r a b i o s e n s o r t o b e f u n c t i o n a l t h e s e n s o r m u s t h a v e a s e l e c t i v e d e t e c t i o n e l e m e n t t h a t i s s p e c i f i c t o a p a r t i c u l a r a n a l y t e i n a s a m p l e S u c h a n a l y t e s f o r t h i s p r o j e c t i n c l u d e b i o m a r k e r s f o r c a r d i a c t r a u m a T h e b i o m a r k e r s w i t h i n t h i s p r o j e c t a r e s p e c i f i c p r o t e i n s t h a t h a v e b e e n i d e n t i f i e d t o b e f o u n d i n e l e v a t e d c o n c e n t r a t i o n s a s a r e s u l t o f t h e i l l n e s s e s P a r t i c u l a r l y i n t e r l e u k i n 6 i s a c o m m o n b i o m a r k e r t h a t h a s b e e n s h o w n t o r e a c h D e t e c t i o n E l e m e n t A n a l y t e T r a n s d u c e r S i g n a l P r o c e s s i n g

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8 s i g n i f i c a n t l y h i g h l e v e l s i n p e o p l e t h a t h a v e e x p e r i e n c e d i n j u r i e s i n c l u d i n g a c a r d i a c t r a u m a T h e t r a n s d u c e r c o m p o n e n t c a n b e a n y o f m a n y d i f f e r e n t d e v i c e s t h a t h a v e b e e n f o u n d i n t r a d i t i o n a l a n a l y t i c a l t e c h n i q u e s s u c h a s p h o t o m e t r i c t r a n s d u c e r s i n s p e c t r u m a n a l y z e r s T r a n s d u c e r s c o m m o n l y f i t i n t o f o u r c a t e g o r i e s : e l e c t r o c h e m i c a l o p t i c a l p i e z o e l e c t r i c a n d t h e r m a l t r a n s d u c e r s F o r t u n a t e l y a l l o f t h e t r a n s d u c e r s u t i l i z e s i m i l a r t e c h n i q u e s t o a t t a c h t h e d e t e c t i o n e l e m e n t t o t h e t r a n s d u c e r [ 9 ] U t i l i z i n g t h e t r a n s d u c e r o f a s e n s o r s y s t e m t h e s i g n a l p r o c e s s i n g c o m p o n e n t c a n b e a n y t h i n g f r o m a s i m p l e c i r c u i t a n d m e t e r t o a f u l l c o m p u t e r c o n t r o l l e d d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m F o l l o w i n g t h e s c h e m a t i c i n F i g u r e 1 a l l o f t h e c o m p o n e n t s n e e d t o b e i n t e g r a t e d i n a c o m p a t i b l e f a s h i o n T h e s i g n a l p r o c e s s i n g c o m p o n e n t o f f e r s t h e g r e a t e s t d i v e r s i t y ; h e n c e i n t h e s c h e m a t i c i t i s n o t d i r e c t l y c o n n e c t e d t o t h e t r a n s d u c e r [ 1 9 ] A s t h e c o m p o n e n t s a r e i n t e g r a t e d f r o m l a b o r a t o r y b e n c h t o p t o h a n d h e l d d e v i c e s c o n s i d e r a b l e w o r k i s n e c e s s a r y t o d e v e l o p e a s y t o u s e i n t e r f a c e s 2 1 1 B i o s e n s o r s f o r B i o m a r k e r s W i t h i n t h e s c o p e o f t h i s w o r k a b i o s e n s o r i s d e f i n e d a s t h e i n t e r f a c e f r o m a b i o l o g i c a l s y s t e m t o a n e l e c t r o n i c s y s t e m [ 1 2 ] B i o s e n s o r s a r e t y p i c a l l y n a m e d f o r t h e m a t e r i a l s a n d o r e q u i p m e n t u s e d T h e s e d e v i c e s c o m e i n a l l d i f f e r e n t t y p e s s o m e r e q u i r i n g l a b e l i n g w i t h f l u o r e s c e n t d y e s i s o t o p e s o r o t h e r d e t e c t a b l e m a t e r i a l s a n d s o m e t h a t a r e l a b e l f r e e M a n y b i o s e n s o r s r e q u i r e a b a s i c v i s u a l i n s p e c t i o n t o a l a r g e a n a l y t i c a l

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9 i n s t r u m e n t i n o r d e r t o m a k e a d e t e r m i n a t i o n a s d e s c r i b e d i n T a b l e 1 [ 1 2 1 4 ] A d d i t i o n a l l y a q u a l i t a t i v e c o m p a r i s o n o f t h e s p e e d o f r e s p o n s e a n d a c c u r a c y o f t h e s y s t e m s i s p r o v i d e d i n t h e t a b l e T a b l e 1 T y p i c a l d e t e c t i o n m e t h o d s u s e d i n b i o s e n s o r s D e t e c t i o n P r o b e L a b e l i n g D a t a A c q u i s i t i o n R e a l t i m e R e s o l u t i o n E L I S A ( E n z y m e l i n k e d i m m u n o s o r b e n t a s s a y ) E n z y m e l i n k e d a n t i b o d i e s C C D ( c h a r g e d c o u p l e d d e v i c e ) i m a g i n g N o L o w I s o t r o p i c l a b e l i n g R a d i o i s o t o p e l a b e l e d a n a l y t e X r a y f i l m o r p h o s p h o r i m a g e r N o H i g h S a n d w i c h i m m u n o a s s a y F l u o r e s c e n t l y l a b e l e d a n t i b o d i e s L a s e r s c a n n i n g N o H i g h S P R ( s u r f a c e p l a s m a r e s o n a n c e ) N o t n e c e s s a r y R e f r a c t i v e i n d e x c h a n g e Y e s L o w N o n c o n t a c t A F M ( a t o m i c f o r c e m i c r o s c o p y ) N o t n e c e s s a r y S u r f a c e t o p o l o g i c a l c h a n g e N o H i g h P l a n a r w a v e g u i d e F l u o r e s c e n t l y l a b e l e d a n t i b o d i e s C C D i m a g i n g Y e s H i g h S e l d i ( s u r f a c e e n h a n c e d l a s e r d e s o r p t i o n / i o n i z a t i o n ) N o t n e c e s s a r y M a s s s p e c t r o m e t r y N o L o w E l e c t r o c h e m i c a l M e t a l c o u p l e d a n a l y t e C o n d u c t i v i t y m e a s u r e m e n t Y e s M e d i u m A c o u s t i c w a v e N o t n e c e s s a r y I n t e g r a t e d c i r c u i t Y e s H i g h F u r t h e r a n a l y s i s o f s e n s o r t y p e s i s f a r m o r e q u a n t i t a t i v e P a r a m e t e r s s u c h a s p r o p o r t i o n a l s i g n a l r e s p o n s e h y s t e r e s i s r e s p o n s e t i m e s i g n a l t o n o i s e r a t i o s s e l e c t i v i t y a n d s e n s i t i v i t y a l l n e e d t o b e c o n s i d e r e d t o d e t e r m i n e w h i c h s e n s o r i s t h e m o s t s u i t a b l e f o r a p a r t i c u l a r a p p l i c a t i o n [ 1 8 ]

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1 0 2 2 A c o u s t i c W a v e S e n s o r s A c o u s t i c w a v e s e n s o r s c a n b e f o u n d i n a m u l t i t u d e o f d e s i g n s s p e c i f i c f o r t h e i r r e s p e c t i v e a p p l i c a t i o n P e r h a p s t h e m o s t c o m m o n a c o u s t i c w a v e s e n s o r i s t h e q u a r t z c r y s t a l m i c r o b a l a n c e T h i s d e v i c e h a s b e e n u s e d f o r m a n y y e a r s f o r d e p o s i t i o n m o n i t o r i n g a n d t h i n f i l m c h a r a c t e r i z a t i o n [ 1 1 5 1 6 ] A l t h o u g h n o t t h e t o p i c o f t h i s d i s s e r t a t i o n t h e q u a r t z c r y s t a l m i c r o b a l a n c e s h a r e s w i t h t h e s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s t h e s a m e f u n d a m e n t a l p r i n c i p l e s t h a t u s e s p i e z o e l e c t r i c i t y t o c o n v e r t e l e c t r i c a n d m e c h a n i c a l s i g n a l s [ 1 ] T h e s e p r i n c i p l e s a r e d e s c r i b e d i n t h i s c h a p t e r w i t h i n t h e c o n t e x t o f d e v e l o p i n g a b a s i c u n d e r s t a n d i n g o f s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r s 2 2 1 A c o u s t i c W a v e D e v i c e H i s t o r y A p p r o x i m a t e l y 1 2 0 y e a r s a g o t h e C u r i e b r o t h e r s d i s c o v e r e d p i e z o e l e c t r i c i t y w h i c h i s t h e c o u p l i n g b e t w e e n e l a s t i c d e f o r m a t i o n a n d e l e c t r i c p o l a r i z a t i o n t h a t e x i s t s i n c e r t a i n c r y s t a l s s u c h a s q u a r t z l i t h i u m n i o b a t e a n d s a p p h i r e j u s t t o n a m e a f e w S h o r t l y t h e r e a f t e r L o r d R a y l e i g h i n 1 8 8 5 d e m o n s t r a t e d s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s b u t i t w a s n o t u n t i l t h e m i d d l e o f t h e 2 0 T H c e n t u r y t h a t t h e s e t w o f i n d i n g s w e r e c o m b i n e d T h e k e y t h a t w a s m i s s i n g u n t i l t h i s t i m e w a s t h e i n v e n t i o n o f i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r s ( I D T ) b y W h i t e a n d V o l t m e r i n 1 9 6 5 H a v i n g t h e b a s i c c o n c e p t s o f t h e I D T a v a i l a b l e a l l o w e d f o r m a n y d e s i g n s t o p e r f o r m s i g n a l p r o c e s s i n g a n d t h u s t h e b e g i n n i n g o f s u r f a c e a c o u s t i c w a v e ( S A W ) s i g n a l p r o c e s s i n g o c c u r r e d O v e r t i m e S A W s e n s o r s w e r e r e a l i z e d [ 1 7 ]

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1 1 A c o u s t i c w a v e d e v i c e s a r e p a r t i c u l a r l y u s e f u l i n g a s a n d l i q u i d s e n s i n g e n v i r o n m e n t s d u e t o t h e r e l a t i v e e a s e o f u s e a n d l o w d e t e c t i o n l i m i t s ( 3 x 1 0 1 5 g a c c o r d i n g t o W o h l t j e n ( 1 9 8 4 ) ) [ 1 ] T h e r e i s a p r o b l e m t h a t p l a g u e s a c o u s t i c s e n s o r s : s u b s t r a t e c r y s t a l s t h a t l e n d t h e m s e l v e s t o b e t t e r s e n s o r s o f t e n h a v e t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t s t h a t a r e v e r y h i g h a n d r e q u i r e a d d i t i o n a l m e a n s t o c o m p e n s a t e t h e s i g n a l f o r t e m p e r a t u r e c h a n g e s L i t h i u m n i o b a t e f o r e x a m p l e h a s e x c e l l e n t p r o p e r t i e s s u c h a s a c o u p l i n g c o n s t a n t o f 0 0 4 5 w h i c h i s m a n y t i m e s g r e a t e r t h a n t h e t r a d i t i o n a l l y u s e d q u a r t z b u t h a s a t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t o f 1 9 p p m / o C l e a d i n g t o t h e n e c e s s i t y o f m o r e a d v a n c e d d a t a a c q u i s i t i o n s c h e m e s [ 2 ] S A W d e v i c e s a r e e x t r e m e l y c o m m o n t o d a y ; t h e y a r e u s e d i n m a n y f o r m s o f e l e c t r o n i c s s u c h a s b a n d p a s s f i l t e r s “ E v e r y m o d e r n t e l e v i s i o n r e c e i v e r c o n t a i n s a t l e a s t o n e S A W f i l t e r … ” [ 1 7 ] D u e t o t h e c o m m e r c i a l v a l u e o f f i l t e r s t h e y h a v e b e e n d e v e l o p e d t o a v e r y h i g h l e v e l o f s o p h i s t i c a t i o n f o r t h e r e m o v a l o f i d e a l s e n s o r b e h a v i o r s A s a r e s u l t i t i s n e c e s s a r y t o f a b r i c a t e i n h o u s e S A W s e n s o r s t h a t d o n o t i n c o r p o r a t e a d v a n c e d d e s i g n s t o r e m o v e t h e e f f e c t s o f m a s s l o a d i n g [ 1 8 ] T h e s e s e n s o r s d o t h e i n v e r s e a n d a m p l i f y t h e r e s u l t i n g r e s p o n s e t o a s p e c i f i c a n a l y t e T h e r e s u l t i n g r e s p o n s e o f a S A W s e n s o r c a n b e f r o m e i t h e r a n i n c r e a s e i n t h e m a s s o r a c h a n g e i n e l e c t r i c p r o p e r t i e s i n t h e w a v e ’ s p a t h w h i c h a r e g o v e r n e d b y t h e d e v i c e s c h a r a c t e r i s t i c s [ 1 ]

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1 2 2 2 2 S u r f a c e A c o u s t i c W a v e D e v i c e T h e o r y a n d P r i n c i p l e s S A W f i l t e r d e s i g n i s a t e c h n o l o g y t h a t h a s p r e d o m i n a t e l y b e l o n g e d t o t h e c o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r y I n r e c e n t h i s t o r y t h i s i n d u s t r y h a s d e v e l o p e d a d v a n c e d d e s i g n s t h r o u g h a n i t e r a t i v e p r o c e s s t o e l i m i n a t e t h e e f f e c t s t h a t a r e u s e d t o m a k e g o o d s e n s o r s [ 1 ] F o r t h i s r e a s o n i t i s i m p o r t a n t t o c o n t i n u e t h e d e v e l o p m e n t o f S A W d e v i c e s f o r s e n s o r a p p l i c a t i o n s t h a t w e r e n o t c o n s i d e r e d b y c o m m u n i c a t i o n c o m p a n i e s T h e b a s i c S A W d e v i c e a s s h o w n i n F i g u r e 2 c o n s i s t s o f a p a i r o f I D T s f o r i n p u t a n d o u t p u t t r a n s d u c t i o n a n d a d e l a y p a t h f o r t h e a c o u s t i c w a v e t o p r o p a g a t e T h e d e l a y p a t h i n s e n s o r a p p l i c a t i o n s i s c o a t e d w i t h a s e n s i n g f i l m t h a t p e r t u r b s t h e p r o p a g a t i n g w a v e w h e n i t i s e x p o s e d t o a s p e c i f i c a n a l y t e [ 2 ] T h e d e s i g n a n d l a y o u t o f t h e I D T s d e t e r m i n e s t h e s i g n a t u r e r e s p o n s e o f t h e S A W d e v i c e s [ 1 1 8 ] F i g u r e 2 S u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r l a y o u t i n c l u d i n g i n p u t / o u t p u t s i g n a l s a n d I D T s a n d s e n s i n g f i l m

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1 3 2 3 C o m m o n M a t e r i a l s a n d M e t h o d s 2 3 1 I D T D e s i g n s T h r e e d e s i g n s o f S A W d e v i c e I D T s w e r e f a b r i c a t e d a n d t e s t e d i n t h i s r e s e a r c h T h e s e d e s i g n s i n t e n d e d f o r s e n s o r a p p l i c a t i o n s a r e s c h e m a t i c a l l y s h o w n i n F i g u r e 3 T h e f i r s t d e s i g n i s a s t a n d a r d d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e c o n s i s t i n g o f 6 0 f i n g e r p a i r s d e l a y p a t h o f 1 9 7 a n d a w a v e l e n g t h o f 3 2 m S u c h a d e s i g n p r o v i d e s a n a r r o w p a s s b a n d r e s p o n s e t h a t i s d e s i r a b l e f o r a s e n s o r ; h o w e v e r d u e t o t h e l a r g e n u m b e r o f f i n g e r s t h e d e v i c e d i s p l a y e d a s i g n i f i c a n t a m o u n t o f i n t e r n a l r e f l e c t i o n s S u b s e q u e n t a n d c u r r e n t d e s i g n s h a v e r e d u c e d t h e n u m b e r o f f i n g e r p a i r s b y h a l f b u t h a v e m a i n t a i n e d t h e s a m e d e l a y p a t h l e n g t h a n d w a v e l e n g t h t o a l l o w f o r e a s i e r c o m p a r i s o n s O f t h e t h r e e d e s i g n s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 3 t w o o f t h e m a r e d i r e c t c o m p a r i s o n s t o t h e o r i g i n a l 6 0 f i n g e r p a i r d e s i g n F i r s t t h e p r u n e d I D T d e s i g n i s a n i n t e r e s t i n g m o d i f i c a t i o n t h a t h a s t h e s a m e l e n g t h I D T ; h o w e v e r e v e r y o t h e r f i n g e r p a i r s e t h a s b e e n r e m o v e d A s e x p e c t e d t h e r e s p o n s e f r o m t h i s d e s i g n s h o w s m u c h l e s s i n t e r n a l r e f l e c t i o n y e t i t m a i n t a i n s t h e d e s i r a b l e n a r r o w p a s s b a n d T h e s e c o n d d i r e c t m o d i f i c a t i o n w a s t o r e m o v e h a l f o f t h e f i n g e r p a i r s T h i s d e s i g n a l s o m e t e x p e c t a t i o n s w i t h l e s s i n t e r n a l r e f l e c t i o n s a n d a w i d e r p a s s b a n d U n f o r t u n a t e l y t h i s d e s i g n s h o w s a t r i p l e t r a n s i t e f f e c t t h a t c a n h i n d e r a s e n s o r s s i g n a l t o n o i s e r a t i o [ 1 9 ] T h e f i n a l d e s i g n a s s h o w n i n t h e f i g u r e i s a n a d v a n c e d d e s i g n t h a t u t i l i z e s n o n u n i f o r m I D T w i d t h s t o r e d u c e u n w a n t e d e f f e c t s a n d b e t t e r g u i d e t h e S A W A l l o f t h e s e n e w e r d e s i g n s h a v e a d d i t i o n a l f e a t u r e s t h a t i n c l u d e a p e r t u r i z a t i o n a n d g r a t i n g s t o f u r t h e r g u i d e t h e S A W f o r b r e v i t y t h e s e

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1 4 f e a t u r e s p r o v i d e s m a l l i m p r o v e m e n t s t o w a v e p r o p a g a t i o n s f r o m t h e i n p u t t o o u t p u t p o r t [ 1 8 1 9 ] F i g u r e 3 I l l u s t r a t i o n s o f t h r e e I D T d e v i c e d e s i g n s t e s t e d i n t h i s w o r k F r o m l e f t t o r i g h t t h e d o u b l e s p l i t f i n g e r ( D S F ) d e s i g n p r u n e d d o u b l e s p l i t f i n g e r ( P R D S F ) a n d u n i d i r e c t i o n a l d e s i g n ( U D S F ) 2 3 2 A c o u s t i c W a v e G u i d i n g L a y e r s A s i d e f r o m t h e t y p i c a l S A W s e n s o r i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 2 t h e s e n s o r u s e d i n t h i s r e s e a r c h h a s t w o a d d i t i o n a l f e a t u r e s t o e n h a n c e t h e s e n s i t i v i t y a n d r e s o l u t i o n o f t h e s e n s o r T h e f i r s t a d d e d c o m p o n e n t i s a g u i d i n g l a y e r t o t r a p e n e r g y o f t h e S A W n e a r t h e s u r f a c e t o m a k e t h e s e n s o r m o r e s e n s i t i v e t o s u r f a c e p e r t u r b a t i o n s E v e n t h o u g h S A W s e n s o r s a r e i n h e r e n t l y c a p a b l e o f d e t e c t i n g a n a l y t e s i n s o l u t i o n c o n c e n t r a t i o n s o n t h e o r d e r o f p p b b y m a s s t h r o u g h u s e o f h i g h e r f r e q u e n c y ( > 3 0 0 M H z ) t h e s e h i g h e r f r e q u e n c y d e v i c e s h a v e s m a l l e r s e n s i n g r e g i o n s t h a t a c t u a l l y a r e t o o s m a l l t o b e f e a s i b l e

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1 5 f o r a s e n s o r a p p l i c a t i o n [ 2 0 ] F o r t h i s r e a s o n a d d i t i o n a l m e a s u r e s s u c h a s a a d d i n g a g u i d i n g l a y e r n e e d t o b e t a k e n t o e n h a n c e t h e s e n s i t i v i t y o f t h e l o w e r f r e q u e n c y ( 1 0 0 2 0 0 M H z ) d e v i c e s t o r e a c h s e n s i t i v i t i e s t o o n t h e o r d e r o f 1 0 0 p p b b y m a s s [ 2 1 ] B y a p p l y i n g a n a p p r o p r i a t e g u i d i n g l a y e r e n e r g y o f t h e S A W i s t r a p p e d w i t h i n t h e l a y e r t o a c t a s a n a m p l i f i e r t o t h e s u r f a c e p e r t u r b a t i o n s [ 2 0 2 2 ] L a y e r s t h a t a r e i d e a l n e e d t o h a v e a l o w e r d e n s i t y a n d l o w e r a c o u s t i c v e l o c i t y t h a n t h e p i e z o e l e c t r i c s u b s t r a t e M a t e r i a l s t h a t h a v e b e e n u t i l i z e d i n p a s t i n c l u d e p o l y m e r s s u c h a s p o l y m e t h y l m e t h a r c y l a t e [ 2 1 ] a n d N o v o l a c [ 2 0 ] a n d o x i d e s i n c l u d i n g s i l i c o n d i o x i d e [ 2 3 ] a n d s i l i c o n m o n o x i d e [ 2 4 ] 2 3 3 A c o u s t i c S t r e a m i n g T h e s e c o n d a d d i t i o n a l f e a t u r e o f t h e s e n s o r i s t h e u s e o f a c o u s t i c e n e r g y t o r e m o v e b o u n d m a t e r i a l f r o m t h e s e n s i n g f i l m I t h a s b e e n s h o w n t h a t a R a y l e i g h w a v e l a u n c h e s e n e r g y l o n g i t u d i n a l l y i n t o t h e m e d i u m a b o v e s u b s t r a t e i n w h i c h t h e w a v e i s t r a v e l i n g [ 2 5 2 6 ] T h i s p h e n o m e n o n i s t e r m e d a c o u s t i c s t r e a m i n g A n d u n t i l r e c e n t l y i s n o w b e i n g e x p l o i t e d i n f l u i d i c a p p l i c a t i o n s [ 4 2 7 2 9 ] T y p i c a l l y f o r S A W s e n s o r s t h e R a y l e i g h w a v e i s o n l y u s e d i n g a s e o u s e n v i r o n m e n t s b e c a u s e a t t e n u a t i o n o f t h e w a v e f r o m t h e l o s s o f t h i s e n e r g y i n t o a l i q u i d s a m p l e W h a t w a s c h o s e n i n t h i s r e s e a r c h w a s t o i n c r e a s e t h e i n p u t e n e r g y i n t o t h e S A W d e v i c e t o n o t l e t t h e w a v e b e c o m e a t t e n u a t e d T h i s h a s t h e e f f e c t o f c l e a n i n g l o o s e l y b o u n d m a t e r i a l f r o m t h e s u r f a c e a t l o w e r e n e r g i e s a n d p o t e n t i a l l y r e m o v i n g m o r e s t r o n g l y b o u n d m a t e r i a l w i t h h i g h e r e n e r g y i n p u t s [ 3 5 2 7 ]

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1 6 2 3 4 D e v i c e F a b r i c a t i o n T h e S A W d e v i c e s w e r e f a b r i c a t e d u s i n g a s i n g l e s t e p p h o t o l i t h o g r a p h i c p a t t e r n p r o c e s s t o p r e p a r e t h e w a f e r s f o r m e t a l l i z a t i o n a n d l i f t o f f p r o c e s s e s I n c l u d e d i n t h e l i t h o g r a p h i c p r o c e s s i n g a r e s p e c i a l i z e d s t e p s t o e n a b l e s a f e a n d r e l i a b l e f a b r i c a t i o n s u c h a s c o n t r o l l e d d i s c h a r g e s f r o m t h e p y r o e l e c t r i c c r y s t a l s a f t e r t h e r m a l t r e a t m e n t s D u e t o t h e u n i q u e n a t u r e o f t h e c r y s t a l s u s e d i n t h i s w o r k t h e s e s p e c i a l i z e d p r o c e s s i n g s t e p s w e r e d e v e l o p e d w i t h i n t h e c a p a b i l i t i e s o f t h e e x i s t i n g f a c i l i t i e s S i n c e t h e p r o c e s s i n g t e c h n i q u e s w e r e d e v e l o p e d a n d o p t i m i z e d a l l c u r r e n t d e v i c e s a r e f a b r i c a t e d u s i n g t h e s e r e c i p e s T h e p r o c e s s i n g r e c i p e s c a n b e f o u n d i n 9 2 8 A p p e n d i x E 2 3 5 D e v i c e T e s t i n g a n d C h a r a c t e r i z a t i o n S A W d e v i c e t e s t i n g a n d c h a r a c t e r i z a t i o n w a s d o n e i m m e d i a t e l y a f t e r t h e f a b r i c a t i o n p r o c e s s i n g w a s c o m p l e t e d F i r s t t e s t s i n c l u d e v i s u a l a n a l y s i s a n d c o n d u c t i v i t y m e a s u r e m e n t s o f t h e I D T s t o i n s u r e t h a t t h e n e c e s s a r y p r o c e s s i n g w a s c o m p l e t e F o l l o w i n g t h e b a s i c i n s p e c t i o n s a n d t e s t i n g d e v i c e s w e r e p r o b e d d i r e c t l y o n w a f e r u s i n g t h e c u s t o m w a f e r p r o b i n g f i x t u r e s h o w n i n F i g u r e 4 b T h e m e a s u r e m e n t s t a k e n w h i l e u s i n g t h e p r o b i n g f i x t u r e i n c l u d e t h e t r a n s m i s s i o n a n d r e f l e c t i o n s c a t t e r p a r a m e t e r s a n d t i m e d o m a i n m e a s u r e m e n t s

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1 7 ( a ) ( b ) F i g u r e 4 ( a ) 3 d r e n d e r i n g o f m i c r o f l u i d i c t e s t f i x t u r e f o r d i c e d h e x a g o n a l S A W d e v i c e s ( b ) 3 d i l l u s t r a t i o n o f w h o l e w a f e r m i c r o f l u i d i c t e s t f i x t u r e f o r t h e h e x a g o n a l S A W d e v i c e s 2 3 6 M i c r o f l u i d i c T e s t b e d a n d F i x t u r e T o f a c i l i t a t e e a s y t e s t i n g o f l i q u i d p h a s e b i o l o g i c a l s a m p l e s a m i c r o f l u i d i c t e s t f i x t u r e h a s b e e n c o n f i g u r e d a s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 5 T h e s e n s i t i v i t y r e q u i r e d f o r d e t e c t i o n o f m a n y b i o l o g i c a l m a r k e r s i s o n t h e o r d e r o f a f e w n a n o g r a m s w h i c h i s o b t a i n a b l e b y m a n y s e n s o r s ; h o w e v e r d u e t o t h e h i g h o p e r a t i n g f r e q u e n c i e s p o s s i b l e o f S A W d e v i c e s t h e y a r e t h e m o s t s e n s i t i v e [ 3 0 3 2 ] T h e c h a l l e n g e a s s o c i a t e d w i t h t h i s t y p e o f m a s s s e n s i t i v i t y b e c o m e s l a r g e l y a f i x t u r e a n d t e s t p a r a m e t e r i s s u e a s a n y v a r i a t i o n i n f l u i d f l o w o r p r e s s u r e w i l l c a u s e a s i g n i f i c a n t s e n s o r r e s p o n s e [ 3 3 ] T o

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1 8 a d d r e s s t h i s i s s u e a p r e c i s i o n s y r i n g e p u m p m a n u f a c t u r e d b y H a r v a r d A p p a r a t u s w a s u s e d w h i c h u n l i k e p e r i s t a l t i c p u m p s p r o v i d e s a s m o o t h c o n t i n u o u s f l o w w i t h n o p u l s e s T h e e q u i p m e n t s h o w n i n t h e i l l u s t r a t i o n i s h i g h l y a d a p t a b l e f o r a l l o f r e q u i r e d f l u i d r e q u i r e m e n t s f r o m n a n o l i t e r s t o m i l l i l i t e r s [ 3 4 ] A d d i t i o n a l l y m a k i n g t h e c o n f i g u r a b i l i t y a n d o p e r a t i o n o f t h e t e s t b e d s i m p l e i s a L a b V i e w v i r t u a l i n s t r u m e n t i n t e r f a c e t h a t c o n t r o l s a n d r e c o r d s a l l e l e c t r o n i c o p e r a t i o n s i n c l u d i n g f l o w r a t e f l o w d i r e c t i o n a n d v a l v e s a m p l e s e l e c t i o n F i g u r e 5 S c h e m a t i c o f m i c r o f l u i d i c t e s t b e d f o r l i q u i d p h a s e s a m p l i n g o f b i o l o g i c s a m p l e s D u e t o t h e d e s i g n o f t h e h e x a g o n a l S A W a t y p i c a l f l u i d i c f i x t u r e i s n o t f e a s i b l e s o a n i n h o u s e d e s i g n h a s b e e n d e s i g n e d a n d f a b r i c a t e d T h e t e s t f i x t u r e s h a v e b e e n c o n s t r u c t e d o f a c e t a l a n d L e x a n w h i c h h a v e l o w m o i s t u r e a b s o r p t i o n h i g h s t r e n g t h n o c e n t e r l i n e p o r o s i t y a n d a r e e a s i l y m a c h i n e d A “ p i l l b o x ” d e s i g n a s s h o w n i n F i g u r e 4 ( a ) w a s u t i l i z e d f o r e v e n d i s t r i b u t i o n o f c l a m p i n g f o r c e ( a t t a i n e d w i t h f i n e t h r e a d i n g o n b o t h t h e s e a l i n g r i n g a n d f i x t u r e b o d y ) w i t h s p r i n g l o a d e d p o g o p i n s c o n t a c t i n g t h e b o n d i n g

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1 9 p a d s o f t h e d e v i c e F l u i d i n l e t / o u t l e t t o t h e c e n t r a l r e g i o n i s p e r m i t t e d v i a s u i t a b l e p l u m b i n g f i t t i n g t o f a c i l i t a t e l i q u i d p h a s e o p e r a t i o n T h e c o n i c a l r e g i o n i n t h e m i d d l e ( b l u e ) p i e c e i s i n t r o d u c e d t o i n c r e a s e s u r f a c e a r e a a v a i l a b l e f o r t h e f l u i d i n l e t / o u t l e t f i t t i n g s F i g u r e 4 ( b ) i s a w h o l e w a f e r p r o b i n g a p p a r a t u s t h a t w a s d e s i g n e d f o r t h e p u r p o s e o f b e i n g a b l e t o t e s t S A W d e v i c e d e s i g n s w i t h o u t t h e n e e d t o d i c e t h e w a f e r s T h e c o n s t r u c t i o n c o n s i s t s o f m e t a l b a s e p l a t e w i t h t w o a r m s s p a n n i n g t h e w i d t h o f t h e b a s e p l a t e w i t h a r e c e s s j u s t g r e a t e r t h a n t h a t o f a t y p i c a l w a f e r T h e p r o b i n g i s a c c o m p l i s h e d w i t h a n a c e t a l p i e c e s i m i l a r t o t h e o n e u s e d i n t h e “ p i l l b o x ” d e s i g n e d ; h o w e v e r t h i s p i e c e h a s m i c r o f l u i d i c c h a n n e l s a n d c h a m b e r a s w e l l a s a n a t t a c h e d c i r c u i t b o a r d w i t h S M A c o n n e c t o r s f o r s i m p l e c o n n e c t i o n s t o a l l a n a l y t i c a l i n s t r u m e n t s 2 3 7 H e x a g o n a l S A W D e v i c e O p e r a t i o n I n i t i a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e s e n s o r s w a s d o n e u s i n g a n H P 8 7 5 3 E S S p a r a m e t e r N e t w o r k A n a l y z e r ( V N A ) A l t h o u g h t h e i n s t r u m e n t c a n p r o v i d e a c o m p l e t e d a t a s e t w i t h i n a f e w s e c o n d s i t i s i m p r a c t i c a l t o c o n s i d e r a n a n a l y t i c a l t o o l t o b e u s e d o u t s i d e o f t h e l a b o r a t o r y A s a s o l u t i o n c i r c u i t r y a s d e p i c t e d i n t h e s c h e m a t i c F i g u r e 6 h a s b e e n d e v e l o p e d T h i s c i r c u i t i s c o n s t r u c t e d s u c h t h a t a s i n g l e w a v e f o r m i s s p l i t i n t o t h r e e s i g n a l s s e n t t h r o u g h t h e t h r e e d e l a y p a t h s o f t h e h e x a s a w a n d f i n a l l y i s m e a s u r e d w i t h c o m m e r c i a l i n t e g r a t e d c i r c u i t s ( A n a l o g R F / I F g a i n a n d p h a s e d e t e c t o r [ 3 5 ] ) p r o v i d i n g i n d e p e n d e n t p h a s e a n d m a g n i t u d e m e a s u r e m e n t s t h a t c a n b e e a s i l y r e c o r d e d w i t h a D a t a

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2 0 A c q u i s i t i o n S y s t e m T h e u n i q u e p a r t o f t h i s c o n f i g u r a t i o n i s t h e u s e o f a p o w e r a m p l i f i e r c a p a b l e o f p r o v i d i n g e n o u g h R F p o w e r ( f e w m i l l i W a t t s ) t o t h e S A W t o r e m o v e p r o t e i n s f r o m t h e s u r f a c e N o t e t h a t t h e c o n f i g u r a t i o n a s s h o w n i n t h e f i g u r e u s e s t w o s e t s o f I D T ’ s t o m o r e u n i f o r m l y d e l i v e r t h e R F p o w e r t o t h e s e n s o r ’ s f i l m F i g u r e 6 S c h e m a t i c o f h e x a s a w c o n f i g u r e d t o s i m u l t a n e o u s l y c l e a n t h e s u r f a c e a n d m o n i t o r w i t h t w o d e l a y p a t h s f o r e n h a n c e d s e n s o r r e s p o n s e T h e d e c i s i o n t o m o n i t o r t h e p h a s e a n d m a g n i t u d e w a s m a d e i n l i g h t o f t h e n e c e s s i t y f o r t h i s p r o j e c t t o h a v e s t a b l e m e a s u r e m e n t s T y p i c a l l y t h i s t y p e o f m e a s u r e m e n t i s d o n e w i t h l a r g e a n a l y t i c a l t o o l s a n d h a s b e e n s h o w n b y s e v e r a l r e s e a r c h e r s t o b e a s g o o d a s o r b e t t e r t h a n m e a s u r e m e n t s u t i l i z i n g a f e e d b a c k l o o p T h e m o r e t r a d i t i o n a l a p p r o a c h o f u s i n g a f e e d b a c k l o o p o s c i l l a t o r c i r c u i t w i t h t h e S A W d e l a y l i n e b e i n g t h e l i m i t i n g f a c t o r t o t h e f r e q u e n c y h a s b e e n u s e d e x t e n s i v e l y a n d i s w e l l k n o w n ; h o w e v e r t h i s m e t h o d i s s o m e w h a t l i m i t e d b y i n t e r f e r e n c e f r o m a n u m b e r o f s o u r c e s i n c l u d i n g t h e R F a m p l i f i e r A n o t h e r d r a w b a c k t o t h e o s c i l l a t o r c o n f i g u r a t i o n i s o n l y f r e q u e n c y s h i f t d a t a c a n b e e a s i l y c o l l e c t e d [ 1 ] s o l e s s o f a n i m a g e o f t h e s e n s i n g f i l m i n t e r a c t i o n s i s p e r c e i v e d

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2 1 C h a p t e r 3 H e x a g o n a l S u r f a c e A c o u s t i c W a v e D e v i c e s f o r E n h a n c e d S e n s i n g a n d M a t e r i a l s C h a r a c t e r i z a t i o n T h e d e s i g n f a b r i c a t i o n a n d t e s t i n g o f a h e x a g o n a l s u r f a c e a c o u s t i c w a v e ( S A W ) a r r a y d e v i c e f a b r i c a t e d i n Y c u t Z p r o p a g a t i n g l i t h i u m n i o b a t e i s p r e s e n t e d f o r n o n d e s t r u c t i v e e v a l u a t i o n o f t h i n o r g a n i c f i l m s P r o p a g a t i o n a l o n g t h e Y a x i s g e n e r a t e s a R a y l e i g h m o d e w a v e w h e r e o f f a x i s p r o p a g a t i o n e x c i t e s a m i x t u r e o f o t h e r S A W s T h i s a p p r o a c h p e r m i t s r a p i d a n d s i m u l t a n e o u s e x t r a c t i o n o f m u l t i p l e f i l m p a r a m e t e r s ( f i l m m a t e r i a l d e n s i t y o r t h i c k n e s s L a m a n d s h e a r m o d u l i s h e e t c o n d u c t i v i t y ) o f a t h i n f i l m m a t e r i a l t o a c h i e v e a m o r e c o m p l e t e c h a r a c t e r i z a t i o n t h a n w h e n a s i n g l e S A W d e v i c e i s u t i l i z e d I n s e n s o r a p p l i c a t i o n s t h i s c a p a b i l i t y t r a n s l a t e s t o b e t t e r d i s c r i m i n a t i o n o f t h e a n a l y t e a n d p o s s i b l y m o r e a c c u r a t e q u a n t i f i c a t i o n T h e d e v i c e s a r e b a s e d o n a d o u b l e s p l i t f i n g e r d e l a y l i n e d e s i g n w i t h a l i n e w i d t h o f 4 m a n d a d e l a y p a t h o f 1 9 7 T h e i n d i v i d u a l d e l a y p a t h s o f e a c h h e x a g o n a l d e v i c e i n t e r s e c t i n t h e c e n t e r o f t h e d i e p r o d u c i n g a s i n g l e r e g i o n f o r s e n s o r a n a l y s i s A d d i t i o n a l l y t h e c e n t r a l r e g i o n w h e r e t h e a c o u s t i c w a v e s i n t e r s e c t i s s h o r t e d t o r e d u c e t h e n u m b e r o f m o d e s o f w a v e s t r a v e r s i n g t h e s u r f a c e V a p o r s e n s i n g t e s t s w e r e c o n d u c t e d b y e x p o s i n g a p o l y ( i s o b u t y l e n e ) c o a t e d d e v i c e t o v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s o f b e n z e n e c h l o r o f o r m a n d n h e x a n e i n t h e r a n g e o f 0 8 t o 1 6 6 v o l u m e p e r c e n t M e a s u r e d a t t e n u a t i o n a n d p h a s e a n g l e s h i f t s a t a f i x e d n e a r

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2 2 c e n t e r f r e q u e n c y r e v e a l e d s i g n i f i c a n t s i g n a t u r e t y p e d i f f e r e n c e s f o r t h e t h r e e d e l a y p a t h s a t e a c h e x p o s u r e c o n c e n t r a t i o n T h e s e r e s p o n s e s c a n b e e x p l o i t e d i n c o n s t r u c t i n g b e t t e r s e n s o r s a n d s e n s o r a r r a y s u t i l i z i n g t h e s e h e x a g o n a l S A W d e v i c e s 3 1 I n t r o d u c t i o n F o r m a n y y e a r s S A W d e v i c e s h a v e b e e n u s e d b o t h i n d i v i d u a l l y a n d i n a r r a y s a s s e n s o r s a n d f o r m a t e r i a l s c h a r a c t e r i z a t i o n i n a v a r i e t y o f a p p l i c a t i o n s r a n g i n g f r o m g a s e s / v a p o r s t o b i o l o g i c a l s y s t e m s [ 1 3 6 3 7 ] W i t h i n t h i s b r o a d r a n g e o f u s e s f o r S A W d e v i c e s i s t h e n e e d f o r n o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g o f t h i n f i l m s C u r r e n t t e c h n o l o g y i s b a s e d o n u s i n g d u a l d e l a y l i n e c o n f i g u r a t i o n w i t h o n e d e l a y l i n e u s e d a s a r e f e r e n c e t o c o m p e n s a t e f o r e n v i r o n m e n t a l c h a n g e s [ 1 3 8 4 0 ] F o r b a s i c s e n s o r a p p l i c a t i o n s t h i s t e c h n i q u e i s s u f f i c i e n t ; h o w e v e r i t i s p o s s i b l e t o d e s i g n s i m p l e d e v i c e s t h a t c a n a c h i e v e b e t t e r s e n s o r c h a r a c t e r i s t i c s a s w e l l a s m a t e r i a l s c h a r a c t e r i z a t i o n p o s s i b i l i t i e s u t i l i z i n g s i m p l e d e v i c e r e s p o n s e m o d e l s d e r i v e d f r o m p e r t u r b a t i o n t h e o r i e s [ 1 4 1 ] T h e h e x a g o n a l S A W d e v i c e p r e s e n t e d i n t h i s w o r k i s o n e s u c h e x a m p l e t h a t a f f o r d s t h e p o s s i b i l i t y o f e x t r a c t i o n o f m u l t i p l e f i l m p a r a m e t e r s f r o m r e s p o n s e s o f t h e m u l t i p l e d e l a y l i n e s t h a t p r o b e a c o m m o n r e g i o n I t i s h o p e d t h a t t h i s a n d s i m i l a r d e v i c e s c a n s e r v e a s i n s i t u c h a r a c t e r i z a t i o n t o o l s i n t h i n f i l m p h y s i c a l a n d c h e m i c a l d e p o s i t i o n e q u i p m e n t a n d p e r f o r m b e t t e r t h a n t h e u b i q u i t o u s q u a r t z c r y s t a l m i c r o b a l a n c e w h i c h y i e l d s f i l m t h i c k n e s s i n f o r m a t i o n o n l y I t i s c o n c e i v a b l e t h a t u n d e r s p e c i f i c a l l y o p t i m i z e d

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2 3 c o n d i t i o n s d e v i c e s o r a r r a y s o f d e v i c e s p r e s e n t e d h e r e c a n b e r e l i e d o n t o m o n i t o r d e p o s i t i o n p r o c e s s e s i n s u c h e q u i p m e n t I n s e n s o r a p p l i c a t i o n s m u l t i p l e p a r a m e t e r s e x t r a c t e d f r o m t h e f i l m c a n t h o u g h t o f a s m u l t i p l e c a l i b r a t i o n c u r v e s a n d a l l o w f o r a m o r e u n i q u e c h a r a c t e r i z a t i o n o f t h e t y p e a n d c o n c e n t r a t i o n o f t h e a n a l y t e b e i n g s e n s e d C o m b i n e d w i t h t h e a r r a y c o n c e p t s i g n i f i c a n t l y m o r e i n f o r m a t i o n c a n b e o b t a i n e d t o b e t t e r c h a r a c t e r i z e t h e a n a l y t e A l s o m a n y a c o u s t i c w a v e d e v i c e s a r e s p e c i f i c t o t h e p h a s e i n w h i c h t h e y o p e r a t e ; f o r e x a m p l e t h e s u c c e s s f u l R a y l e i g h w a v e d e v i c e f o r v a p o r s e n s i n g i s u s e l e s s i n t h e l i q u i d p h a s e d u e t o e x c e s s i v e a t t e n u a t i o n [ 4 4 2 ] T h e m u l t i p l e d i r e c t i o n s i n w h i c h t h e w a v e s a r e l a u n c h e d i n t h e h e x a g o n a l d e v i c e o f t h i s d e v i c e w o r k a r e d i f f e r e n t i n c h a r a c t e r a n d m a y a l l o w f o r a c o m m o n d e v i c e t o b e f u n c t i o n a l i n b o t h g a s a n d l i q u i d p h a s e s I n r e c e n t w o r k i t w a s s h o w n t h a t R a y l e i g h w a v e d e v i c e s c a n b e u t i l i z e d i n a c o u s t i c c l e a n i n g o f n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s i n b i o s e n s o r a p p l i c a t i o n s [ 3 ] W i t h t h e p o s s i b i l i t y o f l a u n c h i n g s h e a r h o r i z o n t a l S A W w a v e s i n o n e d i r e c t i o n a n d R a y l e i g h w a v e s i n a n o t h e r t h e h e x a g o n a l d e v i c e m a y w e l l s e r v e a s a b e t t e r b i o s e n s o r e l e m e n t f o r l i q u i d p h a s e a p p l i c a t i o n s S u c h i n v e s t i g a t i o n s a r e u n d e r w a y i n l a b o r a t o r y w i t h d e s i g n s i m p l e m e n t e d i n m o r e s u i t a b l e p i e z o e l e c t r i c m a t e r i a l s t h a n t h e l i t h i u m n i o b a t e u t i l i z e d i n t h i s w o r k T h e r e s u l t s o f v a p o r s o r p t i o n b y p o l y ( i s o b u t y l e n e ) ( P I B ) o f t h i s w o r k c a n b e i n t e r p r e t e d b y k n o w n s e n s o r r e s p o n s e m o d e l s f o r S A W d e v i c e p e r t u r b a t i o n b y v i s c o e l a s t i c f i l m s [ 4 1 ] T h e r e s p o n s e o f a t y p i c a l S A W s e n s o r t o a n e x t e r n a l p e r t u r b a t i o n f r o m a v i s c o e l a s t i c f i l m c a n b e e x p r e s s e d b y : = = D D = D 3 1 ) t a n h ( i i i i i o o o h j M c v v j k kb w b a g ( 1 )

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2 4 G h A f v R o r = ( 2 ) w h i c h i s i n d e p e n d e n t o f t y p e o f w a v e F o r m a n y d e t e r m i n a t i o n s i t i s c o n v e n i e n t t o a s s u m e t h a t t h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s c o n t a i n e d i n t h e a n d M t e r m s r e m a i n c o n s t a n t [ 3 7 4 1 ] F o r a t h o r o u g h d e r i v a t i o n a n d d i s c u s s i o n o f t h e u s e o f t h e s e e q u a t i o n s s e e t h e w o r k o f M a r t i n e t a l [ 1 4 1 ] S i m p l i f i c a t i o n s t o t h i s e q u a t i o n c a n b e m a d e b y a s s u m i n g t h e f i l m t o b e a c o u s t i c a l l y t h i n a n d n o t d i s p l a y i n g v i s c o e l a s t i c p r o p e r t i e s R o u g h l y w h e n R < < 1 i n e q u a t i o n t h e p r e v i o u s e q u a t i o n s t h e p o l y m e r f i l m i s c o n s i d e r e d t o b e h a v e a s a n a c o u s t i c a l l y t h i n f i l m ; w h e r e a s w h e n R 1 t h e f i l m b e h a v e s a s a n a c o u s t i c a l l y t h i c k f i l m [ 1 4 1 ] U s i n g t h e r e l a t i o n s a b o v e f o r a t y p i c a l 1 0 0 M H z S A W s e n s o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f a n a c o u s t i c a l l y t h i n o r t h i c k c a n b e m a d e u s i n g F i g u r e 7

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2 5 1 07 1 08 1 09 1 01 0 1 01 1 1 01 2 1 05 1 00 1 05 | G | ( d y n e / c m2) R A c o u s t i c a l l y T h i n A c o u s t i c a l l y T h i c k G l a s s y R u b b e r y1 0 ( 0 0 1 u m ) f r h o h = 1 05 ( 1 0 0 u m ) 1 02 ( 0 1 u m ) 1 04 ( 1 0 u m ) 1 03 ( 1 u m ) F i g u r e 7 C a l c u l a t e d v a l u e s o f a t y p i c a l 1 0 0 M H z S A W s e n s o r w i t h a p o l y m e r f i l m t o d e t e r m i n e i f i t i s a c o u s t i c a l l y t h i n o r t h i c k O n e c h a l l e n g e a s s o c i a t e d w i t h n e w a p p l i c a t i o n s i s t h e i n t e r p r e t a t i o n o f t h e d e v i c e r e s p o n s e O f t e n S A W d e v i c e s a r e u s e d i n a r r a y s a n d w h e n e a c h d e v i c e p r o d u c e s a c o m p l e x r e s p o n s e t h e u s e o f d a t a a n a l y s i s t e c h n i q u e s i s n e c e s s a r y I n t h i s w o r k a c h e m o m e t r i c t e c h n i q u e w a s a p p l i e d t o t h e r e s p o n s e s o f t h e h e x a g o n a l S A W s e n s o r W i t h i n c h e m o m e t r i c s t h e r e a r e m a n y d i f f e r e n t t e c h n i q u e s t h a t c a n b e u s e d t o a n a l y z e a n d b u i l d m o d e l s f r o m m u l t i v a r i a t e d a t a [ 4 3 4 4 ] P r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s ( P C A ) i s p e r h a p s o n e o f t h e m o s t c o m m o n a n d r o b u s t m e t h o d s f o r b u i l d i n g l i n e a r m u l t i v a r i a t e m o d e l s f r o m c o m p l e x d a t a s e t s C o m m o n l y P C A i s u s e d f o r c h r o m a t o g r a p h y a n d o t h e r a n a l y t i c a l t e c h n i q u e s t h a t i n v o l v e s p e c t r a l t y p e d a t a [ 4 3 ]

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2 6 T e c h n i q u e s s u c h a s P C A a r e n e e d e d w h e n s e n s o r r e s p o n s e s a r e n o t a c c u r a t e l y p r e d i c t a b l e d u e t o c o m p l e x i t y i n m o d e l i n g a n d t h e u n k n o w n n a t u r e o f t h e p h y s i c a l p h e n o m e n a T h e a d v a n t a g e o f P C A o v e r o t h e r t e c h n i q u e s i s i t s a b i l i t y t o m a p t h e s e n s o r r e s p o n s e t o a u n i q u e s e t o f b a s i s v e c t o r s t h a t s p a n t h e s i g n i f i c a n t s p a c e o f t h e d a t a m a t r i x A w i t h o u t p r i o r k n o w l e d g e [ 4 4 ] E m p i r i c a l l y t h e d a t a c a n b e d e s c r i b e d b y : e+ = T k k V T A ( 3 ) w h e r e T k i s a n n x k m a t r i x o f p r i n c i p l e c o m p o n e n t s c o r e s V k i s a n m x k m a t r i x o f e i g e n v e c t o r s a n d i s t h e u n e x p l a i n e d v a r i a n c e B a s e d o n t h i s m o d e l i t i s e x p e c t e d t h a t e a c h i n d e p e n d e n t v a r i a t i o n i n t h e d a t a w i l l p r o d u c e a p r i n c i p l e c o m p o n e n t i n t h e f o r m o f a n o n z e r o e i g e n v e c t o r T h e i m p o r t a n c e o f t h e p r i n c i p l e c o m p o n e n t s w i l l b e o r d e r e d s u c h t h a t t h e f i r s t c o m p o n e n t w i l l b e t h e f i r s t c o l u m n i n V k w h i c h w i l l b e t h e p r i n c i p a l c o m p o n e n t e x p l a i n i n g t h e m a x i m u m v a r i a t i o n I t i s c o m m o n t o b e g i n w i t h > 5 0 v a r i a n t s a n d r e d u c e t h e d a t a t o o n l y t w o p r i n c i p l e c o m p o n e n t s a c c o u n t i n g f o r > 9 9 % o f t h e v a r i a n c e i n t h e d a t a S i n c e P C A c a n r e d u c e d a t a s i g n i f i c a n t l y i t i s c r u c i a l t h a t t h e d a t a f i r s t b e o f h i g h q u a l i t y a n d p r e p r o c e s s i n g b e d o n e t o n o r m a l i z e / s c a l e t h e d a t a T h e r e a r e m a n y t r a n s f o r m a t i o n s t h a t c a n b e u s e d o n d a t a t o n o r m a l i z e t h e m T w o o f t h e e a s i e s t a n d m o s t f u n d a m e n t a l a r e m e a n c e n t e r i n g a n d v a r i a n c e s c a l i n g [ 4 5 ]

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2 7 3 2 M a t e r i a l s a n d M e t h o d s 3 2 1 H e x a g o n a l D e v i c e D e s i g n S e v e r a l I D T d e s i g n s h a v e b e e n t e s t e d o n t h e r o u t e t o d e v i c e s h a v i n g l i n e a r p h a s e l o w n o i s e a n d l o w i n s e r t i o n l o s s A l l o f t h e d e v i c e s d e s i g n e d a n d t e s t e d h a v e b e e n l a i d o u t u s i n g a s t a n d a r d i z e d b o n d i n g p a d d e s i g n t o i n c r e a s e t h e e a s e o f p r o b i n g w h i l e o n w a f e r T h e o v e r a l l d i e s i z e i s a 2 0 m i l l i m e t e r s q u a r e R o t a t e d a b o u t t h e c e n t e r o f t h e d i e a r e t h r e e i d e n t i c a l b i d i r e c t i o n a l S A W d e l a y p a t h s c o n s i s t i n g o f a n a p e r t u r e o f 4 7 a d e l a y p a t h o f 1 9 7 a m i n i m u m f e a t u r e s i z e o f 4 m w i t h t h e d e l a y p a t h s h o r t e d S e e F i g u r e 8 f o r a n i l l u s t r a t i o n o f t h e h e x a g o n a l S A W l a y o u t T h e f i r s t p a t t e r n s t e s t e d c o n s i s t e d o f a s t a n d a r d d o u b l e s p l i t f i n g e r d e s i g n w i t h 6 0 f i n g e r p a i r s d e s i g n e d t o h a v e a n a r r o w p a s s b a n d S u b s e q u e n t a n d c u r r e n t d e s i g n s h a v e c o n s i d e r a b l y f e w e r f i n g e r s T h e f i r s t t e c h n i q u e t o i m p r o v e t h e S A W f i l t e r s e n s o r c h a r a c t e r i s t i c s w a s t o r e m o v e f i n g e r s I n t h e s e c o n d t e c h n i q u e s t h e 6 0 p a i r s w e r e r e d u c e d b y p r u n i n g t o c r e a t e a l a d d e r s t r u c t u r e T h e f i n a l d e s i g n u s e d e m p l o y s a w e i g h t i n g t e c h n i q u e o f u s i n g o n e f i n g e r f o l l o w e d b y a s p l i t f i n g e r t o m a k e u p t h e p a i r [ 1 8 1 9 ] T h e s e t h r e e m a j o r d e s i g n s a r e s h o w n i n F i g u r e 3 A s t a n d a r d m e t a l l i z a t i o n p r o c e d u r e o f 1 0 0 n m c h r o m i u m f o l l o w e d b y 7 0 0 n m g o l d w a s u s e d f o r a l l o f t h e d e v i c e s

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28 3.2.2 Electronic Characterization Methods The hexagonal SAW devices were tested using an Agilent 8753ES S-parameter Network Analyzer connected to Mini-Circuits ZASWA-2-50DR switches. The switches were configured to allow measurement of all three delay paths without the movement of the probing fixture or cables. The fixture consists of a custom fabricated acetal housing holding spring pins (Ostby Barton Pylon) in a mating pattern to the bonding pads of the devices. Due to the nature of the SAW devices, the hexagonal pattern resulted in the ground and signal pins to alternating, providing better than average signal properties when compared to other in house designed SAWs and fixtures. Figure 8 Hexagonal SAW device schematic. Measurement of the wave velocity was achieved using the VNAs built in transform function. This function is a Fast Fourier transform (FFT) that takes the standard S 21 parameter and converts it to the time domain which shows the fundamental and higher harmonics of the SAW device. While in this measurement domain, the

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2 9 m a x i m u m v a l u e o n t h e p l o t i s s e l e c t e d ; t h i s c o r r e s p o n d s t o t h e f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y o f t h e S A W d e v i c e F u r t h e r a n a l y s i s s u c h a s a p p l y i n g g a t i n g t o s e e t h e e f f e c t s o f b u l k a c o u s t i c w a v e s t r i p l e t r a n s i e n t e f f e c t s a n d i n t e r n a l I D T r e f l e c t i o n s o f t h e d i f f e r e n t S A W d e v i c e s w a s d o n e w h i l e u s i n g t h e t r a n s f o r m f u n c t i o n T h e d e c i s i o n t o m o n i t o r t h e p h a s e a n d m a g n i t u d e w a s m a d e i n l i g h t o f t h e n e c e s s i t y f o r t h i s p r o j e c t t o h a v e s t a b l e m e a s u r e m e n t s T y p i c a l l y t h i s t y p e o f m e a s u r e m e n t i s d o n e w i t h l a r g e a n a l y t i c a l t o o l s a n d h a s b e e n s h o w n b y s e v e r a l r e s e a r c h e r s t o b e a s g o o d o r b e t t e r t h a n m e a s u r e m e n t s u t i l i z i n g a f e e d b a c k l o o p [ 2 1 4 6 4 7 ] R u g e m e r e t a l 1 9 9 9 ) T h e m o r e t r a d i t i o n a l a p p r o a c h o f u s i n g a f e e d b a c k l o o p o s c i l l a t o r c i r c u i t w i t h t h e S A W d e l a y l i n e b e i n g t h e l i m i t i n g f a c t o r t o t h e f r e q u e n c y h a s b e e n u s e d e x t e n s i v e l y a n d i s w e l l k n o w n ; h o w e v e r t h i s m e t h o d i s s o m e w h a t l i m i t e d b y i n t e r f e r e n c e f r o m a n u m b e r o f s o u r c e s i n c l u d i n g t h e R F a m p l i f i e r A n o t h e r d r a w b a c k t o t h e o s c i l l a t o r c o n f i g u r a t i o n i s o n l y f r e q u e n c y s h i f t d a t a c a n b e e a s i l y c o l l e c t e d [ 1 ] s o l e s s o f a n i m a g e o f t h e s e n s i n g f i l m i n t e r a c t i o n s i s p e r c e i v e d A d d i t i o n a l l y t h e o s c i l l a t o r c i r c u i t m u s t m a i n t a i n o s c i l l a t i o n c o n d i t i o n s ; w h e r e a s p h a s e m e a s u r e m e n t s c a n b e m a d e s u c c e s s f u l l y u n d e r n o n o s c i l l a t o r y c o n d i t i o n s 3 2 3 P o l y m e r S o l v e n t E x p e r i m e n t s T h e p o l y m e r p o l y ( i s o b u t y l e n e ) ( P I B ) w a s u s e d f o r p r e l i m i n a r y t e s t i n g o f t h e f u n c t i o n a l i t y o f t h e h e x a g o n a l S A W d e v i c e s T a p e w a s u s e d t o m a s k o f f t h e I D T s t o p r e v e n t e x c e s s a t t e n u a t i o n A 0 5 w e i g h t p e r c e n t P I B c h l o r o f o r m s o l u t i o n w a s u s e d w i t h

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3 0 a B a d g e r a i r b r u s h t o a p p l y t h i n f i l m s f r o m 2 0 0 6 0 0 n m o n t o t h e S A W d e l a y p a t h F o l l o w i n g t h e c o a t i n g t h e p o l y m e r w a s a n n e a l e d f o r 2 0 m i n u t e s T h e h e x a g o n a l S A W w a s c o n n e c t e d t o a h o m e b u i l t o r g a n i c v a p o r d i l u t i o n s y s t e m c a p a b l e o f d e l i v e r i n g f o u r d i f f e r e n t o r g a n i c v a p o r s w i t h c o m p u t e r c o n t r o l l e d a c c u r a c y T h i s d i l u t i o n s e t u p i s d e s c r i b e d i n d e t a i l b y U p a d h y a y u l a e t a l [ 4 8 ] I n t h i s w o r k t h e s o l v e n t s b e n z e n e c h l o r o f o r m a n d h e x a n e w e r e u s e d T h e p r o g r a m m e d e x p o s u r e p a t t e r n c o n s i s t e d o f a 1 2 0 0 s e c o n d p u r g e f o l l o w e d b y 6 0 0 s e c o n d e x p o s u r e s a n d 6 0 0 s e c o n d p u r g e s i n i n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o n s o f s o l v e n t T h e v o l u m e p e r c e n t a g e s o f t h e s o l v e n t v a p o r i n n i t r o g e n a r e g i v e n i n T a b l e 2 T a b l e 2 C o n c e n t r a t i o n ( v o l u m e p e r c e n t ) o f s o l v e n t s i n n i t r o g e n c a r r i e r s t r e a m S t a g e B e n z e n e C h l o r o f o r m H e x a n e 1 0 8 1 9 1 4 2 1 6 3 8 2 8 3 2 4 5 6 4 2 4 3 2 7 4 5 5 5 4 0 9 0 6 8 6 4 8 1 0 7 8 0 7 5 5 1 2 2 9 2 8 6 3 1 3 7 1 0 4 9 7 0 1 5 2 1 1 5 1 0 7 7 1 6 6 1 2 7 3 3 R e s u l t s T h e t h r e e d e l a y p a t h s o f t h e h e x a g o n a l S A W d e v i c e s w e r e f i r s t c h a r a c t e r i z e d i n t h e V N A a n d f o l l o w e d b y t h e v a p o r s o r p t i o n e x p e r i m e n t s

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3 1 3 3 1 C h a r a c t e r i z a t i o n o f D e v i c e s F o r S A W d e v i c e c h a r a c t e r i z a t i o n t h e p r i m a r y a n a l y s i s i s t h e t r a n s m i s s i o n s p a r a m e t e r ( S 2 1 ) F r o m t h i s m e a s u r e m e n t t h e a m o u n t o f p o w e r t r a n s m i t t e d t h r o u g h t h e d e l a y l i n e b a n d p a s s f i l t e r S A W i s p l o t t e d a g a i n s t a f r e q u e n c y s w e e p F u r t h e r b e n e f i t f r o m a n a l y s i s w a s f o u n d b y a p p l y i n g g a t i n g t o t h e r e s p o n s e t o s e e t h e e f f e c t s f r o m t r i p l e t r a n s i t a n d b u l k e f f e c t s G a t i n g w a s a p p l i e d t o r e m o v e f a s t e r a n d s l o w e r e f f e c t s f r o m a r o u n d t h e f u n d a m e n t a l h a r m o n i c w h i l e m o n i t o r i n g t h e t i m e d o m a i n T a b l e 3 T h e o r e t i c a l R a y l e i g h w a v e a n d m e a s u r e d v e l o c i t i e s o f t h e t h r e e s h o r t e d d e l a y p a t h s o f t h e h e x a g o n a l S A W d e v i c e o n l i t h i u m n i o b a t e O r i e n t a t i o n E u l e r A n g l e ( , ) T h e o r e t i c a l ( m / s ) M e a s u r e d ( m / s ) ( 0 9 0 9 1 ) 3 5 4 2 0 6 3 5 9 3 3 0 ( 0 9 0 1 5 1 ) 3 6 4 6 8 1 3 7 2 1 8 5 ( 0 9 0 3 1 ) 3 6 2 2 5 9 3 6 2 0 7 3 T h e r e s u l t i n g t y p i c a l S 2 1 r e s p o n s e s a f t e r a p p l y i n g g a t i n g t o r e m o v e t h e s e u n w a n t e d e f f e c t s a r e s h o w n i n F i g u r e 9 C a l c u l a t i o n s f o r v e l o c i t y w e r e m a d e w h i l e p e r f o r m i n g t h e a n a l y s i s f o r g a t i n g w h i l e i n t h e t i m e d o m a i n A s s h o w n i n T a b l e 3 t h e m e a s u r e d v a l u e s f o r t h e d i f f e r e n t d e l a y p a t h s c o r r e s p o n d w e l l t o t h e t h e o r e t i c a l v e l o c i t i e s c a l c u l a t e d b y t h e C a m p b e l l a n d J o n e s m e t h o d f o r t h e l i t h i u m n i o b a t e s u b s t r a t e

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3 2 F i g u r e 9 S 2 1 m e a s u r e m e n t o f t h e t h r e e d e l a y p a t h s w i t h g a t i n g a p p l i e d h a v i n g g a t i n g s t a r t a n d s t o p v a l u e s o f 1 2 1 8 s a n d 3 8 7 8 s S A W f i l t e r d e s i g n h a s b e e n a t e c h n o l o g y d o m i n a t e d b y h e c o m m u n i c a t i o n s i n d u s t r y F o r m a n y y e a r s t h e i n d u s t r y h a s d e v e l o p e d a d v a n c e d d e s i g n s t h r o u g h a n i t e r a t i v e p r o c e s s t o e l i m i n a t e t h e e f f e c t s t h a t a r e u s e d t o m a k e g o o d s e n s o r s F o r t h i s r e a s o n i t i s i m p o r t a n t t o c o n t i n u e t h e d e v e l o p m e n t o f S A W d e v i c e s f o r s e n s o r a p p l i c a t i o n s A s s h o w n i n F i g u r e 1 0 a r e f o u r g e n e r a t i o n o f S A W p a t t e r n s t h a t h a v e b e e n t e s t e d i n t h e h e x a s a w c o n f i g u r a t i o n T h e f i r s t d e s i g n t e s t e d w a s a s t a n d a r d d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e c o n s i s t i n g o f 6 0 f i n g e r p a i r s d e l a y p a t h o f 1 9 7 a n d a w a v e l e n g t h o f 3 2 m S u c h a d e s i g n p r o v i d e d a n a r r o w p a s s b a n d r e s p o n s e t h a t i s d e s i r a b l e f o r a s e n s o r ; h o w e v e r d u e t o t h e l a r g e n u m b e r o f f i n g e r s t h e d e v i c e d i s p l a y e d a s i g n i f i c a n t a m o u n t o f i n t e r n a l r e f l e c t i o n s S u b s e q u e n t a n d c u r r e n t d e s i g n s h a v e r e d u c e d t h e n u m b e r

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33 of finger pairs by half, but have maintain the same delay path length, and wavelength to allow for easier comparisons. 98 102 106 110 114 118 -80 -66 52 -38 -24 -10 Frequency (MHz) Attenuaton (dB) 98 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 -200 -150 -100 50 0 50 100 150 200 Phase (degrees) S-Parameter Mag-Phase DSF (a) (b) (c) (d) Figure 10 Comparison of in house SAW device designs responses as shown with phase and magnitude measurements. (a) S 21 parameters of 60 finger pair double split finger IDT structure. (b) S 21 measurements of 30 finger pair double split finger IDT structure. (c) S 21 measurements of pruned 30 finger pair double split finger IDT structure. (d) S 21 measurements of pruned 30 finger pair combined single/double split finger IDT structure.

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3 4 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) F i g u r e 1 1 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n i n t h e t i m e d o m a i n ( a ) S 2 1 p a r a m e t e r s o f 6 0 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e ( b ) S 2 1 m e a s u r e m e n t o f 3 0 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e ( c ) S 2 1 m e a s u r e m e n t o f p r u n e d 3 0 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e ( d ) S 2 1 m e a s u r e m e n t o f p r u n e d 3 0 f i n g e r p a i r c o m b i n e d s i n g l e / d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e O f t h e t h r e e o t h e r d e s i g n s a s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 1 1 t w o o f t h e m a r e d i r e c t c o m p a r i s o n s t o t h e o r i g i n a l 6 0 f i n g e r p a i r d e s i g n F i r s t t h e p r u n e d I D T d e s i g n i s a n

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3 5 i n t e r e s t i n g m o d i f i c a t i o n t h a t h a s t h e s a m e l e n g t h I D T ; h o w e v e r e v e r y o t h e r f i n g e r p a i r s e t h a s b e e n r e m o v e d A s e x p e c t e d t h e r e s p o n s e f r o m t h i s d e s i g n s h o w s m u c h l e s s i n t e r n a l r e f l e c t i o n y e t i t m a i n t a i n s t h e d e s i r a b l e n a r r o w p a s s b a n d T h e s e c o n d d i r e c t m o d i f i c a t i o n w a s t o r e m o v e h a l f o f t h e f i n g e r p a i r s T h i s d e s i g n a l s o m e t e x p e c t a t i o n s w i t h l e s s i n t e r n a l r e f l e c t i o n s a n d a w i d e r p a s s b a n d U n f o r t u n a t e l y t h i s d e s i g n s h o w s a t r i p l e t r a n s i e n t e f f e c t t h a t c a n h i n d e r a s e n s o r s s i g n a l t o n o i s e r a t i o T h e f i n a l d e s i g n a s s h o w n i n t h e f i g u r e i s a n a d v a n c e d d e s i g n t h a t u t i l i z e s n o n u n i f o r m I D T w i d t h s t o r e d u c e u n w a n t e d e f f e c t s a n d b e t t e r g u i d e t h e S A W A l l o f t h e s e n e w e r d e s i g n s h a v e a d d i t i o n a l f e a t u r e s t h a t i n c l u d e a p e r t u r i z a t i o n a n d g r a t i n g s t o f u r t h e r g u i d e t h e S A W f o r b r e v i t y t h e s e f e a t u r e s p r o v i d e s m a l l i m p r o v e m e n t s t o w a v e p r o p a g a t i o n s f r o m t h e i n p u t t o o u t p u t p o r t

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3 6 ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 1 2 C o m p a r i s o n o f o n e o f t h e f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n a s b o t h t h e L o g r i t h m i c M a g n i t u d e a n d P h a s e o f t h e t h r e e d e l a y p a t h s t h a t m a k e u p o n e S A W ( a ) S 2 1 p a r a m e t e r s o f 6 0 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e o n a x i s p r o p a g a t i o n ( b ) S 2 1 p a r a m e t e r s o f 6 0 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e o f f a x i s 1 p r o p a g a t i o n ( c ) S 2 1 p a r a m e t e r s o f 6 0 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e o f f a x i s 2 p r o p a g a t i o n

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3 7 ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 1 3 C o m p a r i s o n o f o n e o f t h e f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n a s t i m e d o m a i n m e a s u r e m e n t s o f t h e t h r e e d e l a y p a t h s t h a t m a k e u p o n e S A W d e v i c e ( a ) S 2 1 p a r a m e t e r s o f 6 0 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e o n a x i s p r o p a g a t i o n ( b ) S 2 1 p a r a m e t e r s o f 6 0 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e o f f a x i s 1 p r o p a g a t i o n ( c ) S 2 1 p a r a m e t e r s o f 6 0 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e o f f a x i s 2 p r o p a g a t i o n

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3 8 3 3 2 P o l y m e r S o l v e n t R e s u l t s T h e h e x a g o n a l S A W d e v i c e r e s p o n s e t o v a r y i n g c o n c e n t r a t i o n s o f b e n z e n e f r o m e x p o s u r e s t o t h e p o l y m e r f i l m i s s h o w n i n F i g u r e 1 4 T h e 5 0 0 n m P I B f i l m o n t h e h e x a g o n a l S A W r e s p o n d e d t o b e n z e n e a t v a r y i n g c o n c e n t r a t i o n s w i t h d i f f e r i n g a t t e n u a t i o n a n d p h a s e c h a n g e s f o r t h e t h r e e d e l a y p a t h s T h e v a r y i n g a t t e n u a t i o n o f t h e d e v i c e i s a n i n d i c a t i o n t h a t t h e p o l y m e r f i l m w a s b e h a v i n g a s a n a c o u s t i c a l l y t h i c k f i l m U p o n c a l c u l a t i o n o f R i t i s f o u n d t h a t t h e f i l m d o e s f i t t h e g u i d e l i n e f o r a t h i c k f i l m

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3 9 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 0 5 1 0 1 5 A t t e n u a t i o n R e s p o n s e t o B e n z e n e o n 5 0 0 n m P I B D i f f A t t e n u a t i o n ( d B ) 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 D i f f P h a s e A n g l e ( d e g r e e s ) T i m e ( S e c o n d s ) P h a s e A n g l e R e s p o n s e t o B e n z e n e o n 5 0 0 n m P I B O n A x i s O f f A x i s 1 O f f A x i s 2 O n A x i s O f f A x i s 1 O f f A x i s 2 F i g u r e 1 4 D i f f e r e n c e m e a s u r e m e n t s f r o m 5 0 0 n m P I B o n t h e h e x a g o n a l S A W a b s o r b i n g b e n z e n e i n n i t r o g e n a t 2 5 C o f v o l u m e p e r c e n t a g e s 0 9 8 0 A t t e n u a t i o n ( t o p ) a n d p h a s e a n g l e ( b o t t o m ) S i m i l a r r e s u l t s a r e s h o w n i n F i g u r e 1 5 f o r t h e s o l v e n t c h l o r o f o r m N o t i c e i n t h i s p l o t t h e r e s p o n s e o f t h e o n a x i s p h a s e s t a r t s t o i n c r e a s e b u t a s t h e c o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e s t h e p h a s e r e s p o n s e b e g i n s t o s h i f t i n t h e o p p o s i t e d i r e c t i o n T h i s p h e n o m e n o n i s m o r e a p p a r e n t i n F i g u r e 1 6 f o r t h e s o l v e n t h e x a n e T h e c a u s e o f t h e c h a n g e i s t h a t t h e p o l y m e r f i l m i s a c o u s t i c a l l y t h i c k a n d a t t h e h i g h e r s o l v e n t c o n c e n t r a t i o n s t h e f i l m m o d u l i a c t u a l l y c a n c h a n g e s i g n i f i c a n t l y [ 1 ]

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4 0 T h e s e v a p o r s o r p t i o n d a t a i n d i c a t e t h a t d i f f e r e n t w a v e t y p e s a r e l i k e l y p r o p a g a t i n g i n t h e d i f f e r e n t d e l a y p a t h d i r e c t i o n s o f t h e h e x a g o n a l d e v i c e I n t h i s c a s e o f Y Z l i t h i u m n i o b a t e s u b s t r a t e t h e o n a x i s w a v e i s p r e d o m i n a t e l y a R a y l e i g h w a v e b u t o n r o t a t i o n a b o u t t h e c e n t e r o r i g i n d i f f e r e n t m o d e s o f p r o p a g a t i o n a r e f o u n d B e c a u s e e a c h d e l a y p a t h h a s i t s o w n u n i q u e f r e q u e n c y a n d w a v e t y p e m u l t i p l e s e t s o f e q u a t i o n s c a n b e s o l v e d t o e x t r a c t s i g n i f i c a n t l y m o r e i n f o r m a t i o n o n t h e c o a t e d f i l m t h a n i f o n e d e v i c e w e r e t o b e u s e d p r o v i d i n g a f u l l e r p i c t u r e o f t h e f i l m p r o p e r t i e s 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 A t t e n u a t i o n R e s p o n s e t o C h l o r o f o r m o n 5 0 0 n m P I B D i f f A t t e n u a t i o n ( d B ) 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 D i f f P h a s e A n g l e ( d e g r e e s ) T i m e ( S e c o n d s ) P h a s e A n g l e R e s p o n s e t o C h l o r o f o r m o n 5 0 0 n m P I B O n A x i s O f f A x i s 1 O f f A x i s 2 O n A x i s O f f A x i s 1 O f f A x i s 2 F i g u r e 1 5 D i f f e r e n c e m e a s u r e m e n t s f r o m 5 0 0 n m P I B o n t h e h e x a g o n a l S A W a b s o r b i n g c h l o r o f o r m i n n i t r o g e n a t 2 5 C o f v o l u m e p e r c e n t a g e s 2 0 1 7 2

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4 1 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 A t t e n u a t i o n R e s p o n s e t o H e x a n e o n 5 0 0 n m P I B D i f f A t t e n u a t i o n ( d B ) 0 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 1 4 0 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 2 0 4 0 D i f f P h a s e A n g l e ( d e g r e e s ) T i m e ( S e c o n d s ) P h a s e A n g l e R e s p o n s e t o H e x a n e o n 5 0 0 n m P I B O n A x i s O f f A x i s 1 O f f A x i s 2 O n A x i s O f f A x i s 1 O f f A x i s 2 F i g u r e 1 6 D i f f e r e n c e m e a s u r e m e n t s f r o m 5 0 0 n m P I B o n t h e h e x a g o n a l S A W a b s o r b i n g h e x a n e i n n i t r o g e n a t 2 5 C o f v o l u m e p e r c e n t a g e s 1 5 1 3 1 P r o c e s s e d d a t a f r o m F i g u r e 1 4 F i g u r e 1 5 a n d F i g u r e 1 6 o f t h e e x t r a c t e d a n d n o r m a l i z e d m a x i m u m s e n s o r r e s p o n s e v a l u e f o r t h e t h r e e c h e m i c a l s a c r o s s t h e r a n g e o f c o n c e n t r a t i o n s i s g i v e n i n F i g u r e 1 7

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4 2 F i g u r e 1 7 N o r m a l i z e d s e n s o r r e s p o n s e s t o h e x a n e c h l o r o f o r m a n d b e n z e n e T h e p r e p r o c e s s e d ( n o r m a l i z e d ) d a t a a r e s h o w n i n F i g u r e 1 8 w h e r e t h e t h r e e d e l a y p a t h r e s u l t s f o r t h r e e d i f f e r e n t s o l v e n t v a p o r s a r e p l o t t e d a s t h e n o r m a l i z e d c h a n g e i n v e l o c i t y v e r s u s t h e n o r m a l i z e d c h a n g e i n a t t e n u a t i o n F r o m t h e s e p l o t s t w o o b s e r v a t i o n s c a n b e m a d e u p o n i n s p e c t i o n F i r s t t h e t h r e e d e l a y p a t h s o f t h e h e x a g o n a l S A W p r o v i d e u n i q u e r e s p o n s e s m o s t l i k e l y f r o m t h e v a r i a t i o n o f w a v e a m p l i t u d e s a n d m o d e s b e i n g g e n e r a t e d S e c o n d a c o m p l e x r e s p o n s e o f t h e p o l y m e r f i l m i s e v i d e n t b y t h e l o o p s m o s t e a s i l y o b s e r v e d i n F i g u r e 1 8 ( a ) f o r t h e s o l v e n t c h l o r o f o r m T h i s b e h a v i o r c a n b e

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4 3 e x p l a i n e d b y c h a n g e s i n t h e v i s c o e l a s t i c p r o p e r t i e s o f t h e p o l y m e r f i l m w h e n e x p o s e d t o d i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s o f s o l v e n t v a p o r T h e n o r m a l i z e d d a t a s h o w n i n F i g u r e 1 8 w e r e p r o c e s s e d w i t h t h e b u i l t i n f u n c t i o n P R I N C O M P i n M a t l a b v e r s i o n 7 0 [ 4 5 4 8 4 9 ] T h i s f u n c t i o n c e n t e r e d t h e d a t a a n d p e r f o r m e d a P C A ; a r e p r e s e n t a t i v e a n a l y s i s i s g i v e n i n T a b l e I I n t h i s t a b l e 9 8 0 7 % o f t h e d a t a v a r i a n c e f r o m t h e h e x a g o n a l S A W c a n b e r e p r e s e n t e d b y t h e f i r s t p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n d t h e s e c o n d p r i n c i p a l c o m p o n e n t i s u n i q u e l y s i g n i f i c a n t f o r t h e c o n c e n t r a t i o n o f v a p o r I n e f f e c t t h e P C A h a s r e d u c e d s i x i n d e p e n d e n t m e a s u r e s a n d o n e c o n t r o l p a r a m e t e r t o t w o c o m p o n e n t s I t s h o u l d b e n o t e d t h a t a l t h o u g h t h e 9 8 0 7 % v a r i a n c e i n t h e d a t a a r e f o u n d i n t h e f i r s t p r i n c i p a l c o m p o n e n t t h e r e a r e s i g n i f i c a n t c o n t r i b u t i o n s t o e a c h o f t h e o t h e r c o m p o n e n t s b y i n d i v i d u a l v a r i a b l e s T h i s i s s h o w n b y c o e f f i c i e n t b e i n g u n d e r l i n e d i n T a b l e 4 a n d i n d i c a t e s t h a t t h e v a r i a b l e s a r e f u l l y i n d e p e n d e n t

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44 0 05 1 15 2 25 3 x 105 0 1 2 3 4 5 6 x 104 (Da)/ko (Dvo)/vo Comparison Solvent Response of PIB (Normalized) On Axis Hexane On Axis Chloroform On Axis Benzene 0 05 1 15 2 25 3 x 105 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 x 104 (Da)/ko (Dvo)/vo Comparison Solvent Response of PIB (Normalized) Off Axis 1 Hexane Off Axis 1 Chloroform Off Axis 1 Benzene (a) (b) 0 05 1 15 2 25 3 x 105 0 05 1 15 2 25 3 35 4 45 5 x 104 (Da)/ko (Dvo)/vo Comparison Solvent Response of PIB (Normalized) Off Axis 2 Hexane Off Axis 2 Chloroform Off Axis 2 Benzene (c) Figure 18 Pre-processed data of the hexagonal SAW response to 20 concentrations of hexane, chloroform, and benzene vapors. Data are shown as the normalized change in velocity versus the normalized change in attenuation. Each of the three plots is for a different delay path, (a) on axis, (b) off axis 1, and (c) off axis 2 for the three vapors

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4 5 T a b l e 4 P r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s r e s u l t s B a s e d o n t h i s a n a l y s i s t h e p r i n c i p a l c o m p o n e n t s c a n b e p l o t t e d a g a i n s t o n e a n o t h e r t o s h o w r e l a t i o n s h i p s i n t h e l o w e r d i m e n s i o n a l s p a c e T h e f i r s t p r i n c i p a l c o m p o n e n t c o m b i n e d f i l m p r o p e r t i e s i s p l o t t e d a g a i n s t t h e s e c o n d c o n c e n t r a t i o n o f v a p o r i n F i g u r e 1 9 F r o m t h i s r e p r e s e n t a t i o n o f t h e d a t a d i f f e r e n c e s i n t h e s e n s o r r e s p o n s e s b e t w e e n c h e m i c a l s b e c o m e e a s i e r t o s e e P C E i g e n v a l u e P e r c e n t V a r i a n c e E x p l a i n e d C o n c P h a s e 1 M a g 1 P h a s e 2 M a g 2 P h a s e 3 M a g 3 1 0 6 3 9 8 0 7 0 3 5 0 3 7 0 3 9 0 3 9 0 3 8 0 3 9 0 3 9 2 0 0 1 1 3 7 0 9 3 0 1 1 0 1 4 0 2 3 0 0 6 0 1 7 0 1 4 3 0 0 0 0 3 6 0 1 0 0 6 9 0 0 6 0 5 5 0 3 4 0 3 0 0 0 1 4 0 0 0 0 1 7 0 0 2 0 2 5 0 8 4 0 1 1 0 1 4 0 3 8 0 2 3 5 0 0 0 0 0 3 0 0 4 0 4 0 0 0 7 0 6 6 0 2 0 0 5 3 0 2 8 6 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 2 6 0 1 3 0 0 6 0 1 2 0 5 5 0 7 7 7 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 2 9 0 3 1 0 2 1 0 8 2 0 0 5 0 3 3

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4 6 F i g u r e 1 9 P C A c o m p o n e n t 1 p r e d o m i n a t e l y m a t e r i a l p r o p e r t i e s v e r s u s t h e P C A c o m p o n e n t 2 p r e d o m i n a t e l y c o n c e n t r a t i o n d a t a 3 4 C o n c l u s i o n s T h e u s e o f m u l t i p l e S A W m o d e s c a n p r o v i d e m o r e i n f o r m a t i o n a b o u t a s e n s i n g f i l m a s c o m p a r e d t o u s i n g m u l t i p l e S A W s e n s o r s w i t h a s i n g l e w a v e m o d e A d d i t i o n a l b e n e f i t s o f i n t e r r o g a t i n g o n e u n i f o r m f i l m c a n b e r e a l i z e d b y p r o v i d i n g m u l t i p l e m e a s u r e m e n t s f o r v e r i f i c a t i o n o f r e s p o n s e s T h e u s e o f a h e x a g o n a l p a t t e r n S A W o n L i N b O 3 m a k e s e f f i c i e n t u s e o f t h e s u b s t r a t e w h i l e h a v i n g t h e p o t e n t i a l t o y i e l d a c l e a r e r p i c t u r e o f t h e i n t e r a c t i o n s o f t h e s e n s i n g f i l m s w i t h a n a n a l y t e P C S w a s s h o w n f o r t h e m e a s u r e m e n t o f t h e r e l a t i v e m e a s u r e m e n t o f m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f P I B a s i t a b s o r b s t h r e e s o l v e n t s E f f e c t i v e l y t h e P C A h a s r e d u c e d a s i x 1 5 1 0 5 0 0 5 1 1 5 2 1 5 1 0 5 0 0 5 1 1 5 P C 1 v s P C 2 P C 1 P C 2 H e x a n e C h l o r o f o r m B e n z e n e

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4 7 d i m e n s i o n s e t o f v a l u e s t o a t h r e e d i m e n s i o n s e t t h a t i s s h o w n i n F i g u r e 1 9 F r o m t h i s a n a l y s i s t h e t h r e e s o l v e n t s s h o w u n i q u e p r i n c i p a l c o m p o n e n t s i n d i c a t i n g t h a t t h e d a t a o b t a i n e d f r o m t h e h e x a g o n a l S A W a r e i n d e p e n d e n t f o r t h e i n d i v i d u a l t h r e e d e l a y p a t h s a n d p r o v i d e m o r e i n f o r m a t i o n o n t h e p o l y m e r f i l m t h a n a s i n g l e d e l a y l i n e A d d i t i o n a l l y i n d e p e n d e n c e o f t h e d a t a i s b e l i e v e d t o a l l o w o n e t o s o l v e f o r m u l t i p l e f i l m p a r a m e t e r s s i m u l t a n e o u s l y t h r o u g h t h e u s e o f p e r t u r b a t i o n m o d e l s t h a t a c c o u n t f o r t h e v i s c o e l a s t i c e f f e c t s s e e n i n t h e f i l m

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4 8 C h a p t e r 4 R e m o v a l o f N o n s p e c i f i c a l l y B o u n d P r o t e i n s o n M i c r o a r r a y s U s i n g S u r f a c e A c o u s t i c W a v e s N o n s p e c i f i c b i n d i n g o f p r o t e i n s i s a n o n g o i n g p r o b l e m t h a t d r a m a t i c a l l y r e d u c e s t h e s e n s i t i v i t y a n d s e l e c t i v i t y o f b i o s e n s o r s U l t r a s o n i c w a v e s a r e g e n e r a t e d b y s u r f a c e a c o u s t i c w a v e ( S A W ) d e v i c e s r e m o v e n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s f r o m t h e s e n s i n g a n d n o n s e n s i n g r e g i o n s o f t h e m i c r o a r r a y s T h e a p p r o a c h f o r c o n t r o l l a b l y a n d n o n d e s t r u c t i v e l y c l e a n i n g t h e m i c r o a r r a y i n t e r f a c e w a s d e m o n s t r a t e d I n t h i s w o r k S A W s w e r e g e n e r a t e d u s i n g 1 2 8 Y X l i t h i u m n i o b a t e c h o s e n f o r i t s h i g h c o u p l i n g c o e f f i c i e n t a n d e f f i c i e n t p o w e r t r a n s f e r t o m e c h a n i c a l m o t i o n T h e s e w a v e s p r o p a g a t i n g a l o n g t h e s u r f a c e w e r e c o u p l e d i n t o s p e c i f i c a l l y b o u n d a n d n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s o n a p a t t e r n e d s u r f a c e o f 4 0 m f e a t u r e s i z e F l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y w a s u s e d t o q u a n t i f y c l e a n i n g e f f i c a c y o f t h e m i c r o a r r a y s T h e r e s u l t s h a v e s h o w n t h a t e x c e s s p r o t e i n l a y e r s a n d a g g r e g a t e s a r e r e m o v e d l e a v i n g h i g h l y u n i f o r m f i l m s a s e v i d e n c e d b y f l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y p r o f i l e s S e l e c t e d a n t i g e n r e c e p t o r i n t e r a c t i o n s r e m a i n e d b o u n d d u r i n g t h e a c o u s t i c c l e a n i n g p r o c e s s w h e n s u b j e c t e d t o 1 1 2 5 m W o f p o w e r a n d r e t a i n e d t h e i r e f f i c a c y f o r s u b s e q u e n t a n t i g e n c a p t u r e R e s u l t s d e m o n s t r a t e n e a r c o m p l e t e f l u o r e s c e n c e s i g n a l r e c o v e r y f o r b o t h t h e s e n s i n g a n d n o n s e n s i n g r e g i o n s o f t h e m i c r o a r r a y s O f s i g n i f i c a n c e i s t h a t t h i s a p p r o a c h c a n b e i n t e g r a t e d i n t o e x i s t i n g a r r a y t e c h n o l o g i e s w h e r e

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4 9 s e n s i n g a n d n o n s e n s i n g r e g i o n s a r e e x t e n s i v e l y f o u l e d T h i s t e c h n o l o g y w i l l b e p i v o t a l i n t h e d e v e l o p m e n t a n d a d v a n c e m e n t o f m i c r o s e n s o r s a n d t h e i r b i o l o g i c a l a p p l i c a t i o n s 4 1 B a c k g r o u n d C u r r e n t m i c r o s e n s o r s f o r p r o t e i n q u a n t i f i c a t i o n s r e l y o n o p t i c a l a c o u s t i c e l e c t r o c h e m i c a l o r t h e r m a l p r i n c i p l e s a n d t e c h n i q u e s [ 3 2 3 4 4 6 5 0 5 2 ] R e s p o n s e d i s c r i m i n a t i o n f r o m u n w a n t e d s i g n a l n o i s e i s a d e f i c i e n c y c o m m o n t o a l l o f t h e s e t e c h n i q u e s F a l s e p o s i t i v e / n e g a t i v e i d e n t i f i c a t i o n s a n d d e c r e a s e d s e n s i t i v i t y a r e a s s o c i a t e d w i t h t h i s l a c k o f d i s c r i m i n a t i o n l i m i t i n g t h e u s e f u l n e s s o f a u t o m a t i o n [ 5 ] T h i s i s a r e s u l t o f n o n s p e c i f i c b i n d i n g o f p r o t e i n s o v e r t h e e n t i r e s u r f a c e o f t h e m i c r o a r r a y [ 5 3 2 ] U n l i k e c h e m i c a l s e n s o r s t h a t a r e l o n g l a s t i n g a n d r e u s a b l e b e c a u s e o f k n o w n r e v e r s i b l e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n t h e a n a l y t e a n d s e n s i n g f i l m p r o t e o m i c i n t e r a c t i o n s a r e n o t a s c o n t r o l l a b l e E v e n t h o u g h b i o l o g i c a l s e n s o r s h a v e k n o w n s p e c i f i c i n t e r a c t i o n s t h a t a r e r e l i e d o n i n e v e r y b i o s e n s o r t o m a k e d e t e r m i n a t i o n s t h e y a l s o h a v e n o n s p e c i f i c i n t e r a c t i o n s w i t h n e a r l y e v e r y s u r f a c e T h e s e n o n s p e c i f i c i n t e r a c t i o n s t e r m e d n o n s p e c i f i c b i n d i n g o c c u r f r o m a c o m b i n a t i o n o f i n t e r m o l e c u l a r f o r c e s s u c h a s i o n i c h y d r o p h o b i c a n d v a n d e r W a a l s f o r c e s a n d r e s u l t i n l a r g e u n d e s i r a b l e e f f e c t s [ 1 5 3 ] B e y o n d n o n s p e c i f i c b i n d i n g b i o l o g i c a l s e n s o r s a r e p r o n e t o m a n y c h a l l e n g e s i n c l u d i n g t o x i c i t y a n d d i f f i c u l t i e s w i t h b i n d i n g o f d e s i r e d p r o t e i n s t o a p p r o p r i a t e l o c a t i o n s T h i s h a s b e e n r e c o g n i z e d f o r s o m e t i m e a s o n e o f t h e m o s t d i f f i c u l t i s s u e s

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5 0 f o u n d i n p r o t e i n p a t t e r n i n g [ 5 4 5 5 ] A s s a m p l e v o l u m e s d e c r e a s e n o n s p e c i f i c b i n d i n g b e c o m e s a m o r e s i g n i f i c a n t p r o b l e m a s t y p i c a l l y r a r e a n d e x p e n s i v e s a m p l e s a r e t e s t e d a n d s t a t i s t i c a l l y v a l i d d a t a a r e n e e d e d T o a d d r e s s t h i s p r o b l e m c h e m i c a l t e c h n i q u e s a n d p r o c e s s e s h a v e b e e n d e v e l o p e d t o r e d u c e n o n s p e c i f i c b i n d i n g [ 1 5 6 ] A n o t h e r c o m m o n m e t h o d i s t o u s e m i c r o p a t t e r n i n g f o l l o w e d b y a p p l y i n g a b l o c k i n g a g e n t t o t h e n o n p a t t e r n e d r e g i o n s T h i s l a t t e r m e t h o d w i l l n o t o n l y t e r m i n a t e t h e a c t i v e s u r f a c e g r o u p s b u t a l s o b l o c k o t h e r p r o t e i n s f r o m b i n d i n g w h e r e t h e y a r e d e s i r e d [ 5 6 6 0 ] S A W d e v i c e s h a v e b e e n u s e d f o r m a n y y e a r s i n c h e m i c a l s e n s i n g [ 1 ] W i t h i n t h e p a s t f e w y e a r s t h e s e s e n s o r s a n d m o r e g e n e r a l l y a c o u s t i c w a v e s e n s o r s h a v e b e e n t e s t e d f o r a p p l i c a t i o n i n b i o l o g i c a l s e n s o r a p p l i c a t i o n s f o r t h e s a m e r e a s o n s t h e y w e r e c h o s e n f o r g e n e r a l c h e m i c a l a p p l i c a t i o n s s u c h a s : h i g h s e n s i t i v i t y e a s e o f i n t e g r a t i o n i n t o e l e c t r o n i c c i r c u i t s a n d a l l a r o u n d r o b u s t n e s s [ 3 4 6 1 ] F o r i n s t a n c e S A W s e n s o r s h a v e b e e n u s e d f o r r a p i d d e t e c t i o n o f a n t i g e n s i n f o o d s a n d f l u i d s [ 1 1 8 5 5 ] o p e r a t i n g p r i m a r y a s m a s s s e n s o r s S A W s e n s o r s c a n a l s o b e p e r t u r b e d b y t e m p e r a t u r e p r e s s u r e a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s e n s i n g f i l m [ 1 ] a l l o w i n g f o r t h e p o s s i b i l i t y o f a d d i t i o n a l s e n s i n g m e c h a n i s m s S u r f a c e a c o u s t i c w a v e d e v i c e s h a v e a l s o b e e n i n v e s t i g a t e d f o r t h e i r a b i l i t y t o l a u n c h l o n g i t u d i n a l w a v e s i n t o f l u i d s T h i s p h e n o m e n a k n o w n a s a c o u s t i c s t r e a m i n g [ 2 6 ] c a n g e n e r a t e v e r y l a r g e n o n l i n e a r g r a d i e n t s i n f l u i d s [ 2 9 ] T o d a t e t h e p h e n o m e n a o f a c o u s t i c s t r e a m i n g h a s b e e n l i m i t e d t o f e w a p p l i c a t i o n s f o r e x a m p l e i n h i g h e f f i c i e n c y m i c r o f l u i d i c m i x i n g [ 4 ] a n d i n r e m o v a l o f n a n o p a r t i c l e s f r o m a s u r f a c e [ 2 8 ] A d d i t i o n a l l y C o o p e r e t a l h a s s h o w n r u p t u r e e v e n t s c a n n i n g u s i n g a q u a r t z c r y s t a l

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5 1 a c o u s t i c w a v e r e s o n a t o r t o b r e a k b o n d s b e t w e e n m a t e r i a l s o n s u r f a c e s I n t h e i r w o r k t h i s t e c h n i q u e h a s b e e n a p p l i e d t o t h e d e t e c t i o n o f h e r p e s s i m p l e x v i r u s [ 6 2 6 3 ] I n t h i s s t u d y S A W d e v i c e s w e r e e v a l u a t e d f o r t h e i r a b i l i t y t o r e m o v e p r o t e i n s w i t h o u t d i s r u p t i n g s u b s e q u e n t b i o l o g i c a l a c t i v i t y f o r i m m u n o a s s a y a p p l i c a t i o n s T h r e e p r i m a r y e x p e r i m e n t s f o c u s e d o n t e s t i n g t h e h y p o t h e s e s t h a t : ( 1 ) a c o u s t i c w a v e s d o n o t i n h i b i t t h e a c t i v i t y o f t h e c o v a l e n t l y a t t a c h e d a n t i b o d y r e c e p t o r l a y e r a f t e r a c o u s t i c t r e a t m e n t ( 2 ) n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s c a n b e r e m o v e d u s i n g s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s a n d ( 3 ) s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s c a n a l s o b e r e m o v e d f r o m t h e i r r e c e p t o r s u s i n g a c o u s t i c w a v e s C o l l e c t i v e l y t h e s e e x p e r i m e n t s w e r e p e r f o r m e d t o d e t e r m i n e w h e t h e r s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s c a n b e u s e d t o e n h a n c e s i g n a l r e s p o n s e b y r e m o v i n g w e a k l y b o u n d p r o t e i n s f r o m b o t h t h e s e n s i n g a n d n o n s e n s i n g r e g i o n s f o r p r o t e i n m i c r o a r r a y a p p l i c a t i o n s 4 2 M a t e r i a l s a n d M e t h o d s 4 2 1 S A W D e v i c e a n d R F D e s i g n A R a y l e i g h S A W d e v i c e w a s f a b r i c a t e d i n 1 2 8 L i N b O 3 w i t h a n e l e c t r o d e p a t t e r n h a v i n g 4 0 d o u b l e s p l i t f i n g e r p a i r s p e r i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r ( I D T ) T h e a p e r t u r e w a s 3 8 a n d t h e c e n t e r t o c e n t e r I D T s e p a r a t i o n o f t h e d e v i c e w a s 1 2 0 w a v e l e n g t h s T h e s u b s t r a t e w a s c h o s e n f o r e f f i c i e n t R a y l e i g h w a v e g e n e r a t i o n t o p r o d u c e t h e a c o u s t i c s t r e a m i n g p h e n o m e n o n A c o u s t i c w a v e s e n s i n g u s i n g R a y l e i g h w a v e S A W d e v i c e s i s

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5 2 n o t s u i t a b l e f o r l i q u i d e n v i r o n m e n t s f o r w h i c h s h e a r h o r i z o n t a l S A W s h a v e b e e n s h o w n t o b e e f f e c t i v e 4 2 2 S i l a n i z a t i o n o f L i t h i u m N i o b a t e A 1 v o l % ( 3 g l y c i d o x y p r o p y l ) d i m e t h y l e t h o x y s i l a n e ( S i g m a A l d r i c h ) ( 3 G P D M S ) i n t o l u e n e f o r 1 h w a s u s e d t o f o r m t h e o r g a n o s i l a n e f i l m o n t h e l i t h i u m n i o b a t e s u r f a c e a s s h o w n i n F i g u r e 2 0 P r i o r t o t h i s t r e a t m e n t t h e S A W d e v i c e s w e r e w a s h e d w i t h a t y p i c a l a c e t o n e m e t h a n o l d e i o n i z e d w a t e r c l e a n i n g p r o c e s s t o r e m o v e a n y p h o t o r e s i s t a s w e l l a s o t h e r s u r f a c e c o n t a m i n a n t s T h i s g e n e r a l c l e a n i n g w a s f o l l o w e d b y 2 m i n u t e s o f a i r p l a s m a c l e a n i n g i n a H a r r i c k p l a s m a c l e a n i n g s y s t e m s e t o n t h e l o w e s t s e t t i n g o f 6 8 W a t t s S u b s t r a t e s w e r e r i n s e d i n t o l u e n e f o r 1 m i n u t e d r i e d w i t h n i t r o g e n a n d b a k e d a t 1 2 5 C f o r 1 h o u r t o c o m p l e t e t h e h y d r o l y s i s r e a c t i o n

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5 3 ( a ) ( b ) ( c ) ( d ) F i g u r e 2 0 C o v a l e n t a t t a c h m e n t o f I g G a n d B S A t o L i N b O 3 s u b s t r a t e s v i a 3 G P D M S ( a ) l i t h i u m n i o b a t e w i t h o r g a n o s i l a n e ; ( b ) l i t h i u m n i o b a t e w i t h o r g a n o s i l a n e a n d c o v a l e n t l y b o u n d I g G a n t i b o d y ; ( c ) l i t h i u m n i o b a t e w i t h o r g a n o s i l a n e a n d c o v a l e n t l y b o u n d I g G a n t i b o d y w i t h s p e c i f i c a l l y b o u n d I g G a n t i g e n ; a n d ( d ) l i t h i u m n i o b a t e w i t h o r g a n o s i l a n e a n d c o v a l e n t l y b o u n d I g G a n t i b o d y w i t h n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d B S A 4 2 3 P a t t e r n i n g o f S A W D e v i c e s T o f o r m a r e p r e s e n t a t i v e m i c r o p a t t e r n a r r a y o f 4 0 m s q u a r e s o n t h e d e l a y p a t h o f t h e S A W d e v i c e s a p h o t o l i t h o g r a p h i c p r o c e s s w a s u t i l i z e d [ 5 3 ] B y p a t t e r n i n g t h e I g G p r o t e i n s b o t h s e n s i n g a n d n o n s e n s i n g r e g i o n s w e r e d e f i n e d T h e s e n s i n g r e g i o n s a r e s h o w n i n F i g u r e 2 0 b a n d w i t h t h e s p e c i f i c a n t i g e n c a p t u r e i n F i g u r e 2 0 c T h e n o n s e n s i n g r e g i o n i s p a s s i v a t e d u s i n g B S A a s s h o w n i n F i g u r e 2 0 d T o a c h i e v e t h i s d e v i c e s

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5 4 w e r e s p i n c o a t e d w i t h A Z 5 2 1 4 p h o t o r e s i s t f o r 3 0 s e c o n d s a t 3 0 0 0 r p m T h i s p r o v i d e d a u n i f o r m c o a t i n g o f 1 6 m t h a t w a s s u b s e q u e n t l y s o f t b a k e d f o r 2 0 m i n u t e s a t 9 5 C P a t t e r n i n g o f t h e p h o t o r e s i s t w a s a c c o m p l i s h e d o n t h e b e n c h t o p w i t h a l o n g w a v e l e n g t h U V l a m p a n d a d a r k f i e l d e m u l s i o n m a s k D e v i c e s w e r e a l i g n e d u s i n g a c u s t o m f a b r i c a t e d m a s k a l i g n e r f o l l o w e d b y e x p o s u r e t o U V l i g h t f o r a n o p t i m i z e d t i m e o f 3 0 s e c o n d s D e v i c e s w e r e r e m o v e d f r o m t h e a l i g n e r a n d t h e p h o t o r e s i s t w a s d e v e l o p e d f o r 1 m i n u t e i n a 1 : 5 : : 4 0 0 K d e v e l o p e r : w a t e r s o l u t i o n I m m e d i a t e l y f o l l o w i n g t h e d e v e l o p m e n t t h e d e v i c e s w e r e r i n s e d f o r 2 m i n u t e s i n d e i o n i z e d w a t e r t o t e r m i n a t e t h e d e v e l o p m e n t r e a c t i o n T h i s p r o c e s s w a s u s e d f o r b o t h n o n t r e a t e d a n d o r g a n o s i l a n e t r e a t e d d e v i c e s 4 2 4 D e p o s i t i o n o f P r o t e i n F i l m s T o a s s e s s t h e i m p a c t o f n o n s p e c i f i c b i n d i n g i n t h e s e n s i n g a n d n o n s e n s i n g r e g i o n s p r o t e i n s w e r e f l u o r e s c e n t l y l a b e l e d w i t h M o l e c u l a r P r o b e s A l e x a F l u o r k i t s ( I n v i t r o g e n C a r l s b a d A ) G o a t a n t i m o u s e I g G ( P i e r c e C h e m i c a l C o R o c k f o r d I L ) w a s l a b e l e d w i t h A l e x a 4 8 8 ( M o l e c u l a r P r o b e s E u g e n e O R ) a n d c o v a l e n t l y a t t a c h e d t o t h e 3 G P D M S f i l m M o u s e a n t i r a b b i t ( P i e r c e C h e m i c a l C o R o c k f o r d I L ) w a s l a b e l e d w i t h A l e x a 5 9 4 ( M o l e c u l a r P r o b e s E u g e n e O R ) a c t i n g a s t h e s p e c i f i c c a p t u r e a n t i g e n T o d e t e r m i n e t h e d e g r e e o f n o n s p e c i f i c i n t e r a c t i o n s o f p r o t e i n s o n t h e I g G f i l m s B S A w a s l a b e l e d w i t h A l e x a 4 8 8 w h e r e a s g o a t a n t i m o u s e w a s n o t l a b e l e d i n t h i s c a s e

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5 5 F o l l o w i n g p r e p a r a t i o n o f t h e 3 G P D M S f i l m ( F i g u r e 2 0 a ) 6 l o f g o a t a n t i m o u s e I g G ( P i e r c e R o c k f o r d I L ) 0 1 m g / m l i n 1 X P B S p H 7 2 w a s a p p l i e d t o t h e d e v i c e s f o r 2 0 m i n u t e s T h e d e v i c e s w e r e r i n s e d u s i n g 1 X P B S T h e n o n s e n s i n g r e g i o n s w e r e b l o c k e d u s i n g 1 m g / m l o f u n l a b e l e d B S A i n 1 X P B S p H 7 2 a p p l i e d f o r 2 0 m i n u t e s T o d e m o n s t r a t e a n t i g e n c a p t u r e o n t h e s e n s i n g r e g i o n s o f t h e a r r a y a n d p o t e n t i a l b a c k g r o u n d f o u l i n g m o u s e a n t i r a b b i t I g G ( P i e r c e R o c k f o r d I L ) 0 1 m g / m l i n 1 X P B S w a s a p p l i e d o v e r t h e e n t i r e a r r a y f o r 2 0 m i n u t e s S u b s e q u e n t l y t h e d e v i c e s w e r e s e a l e d i n a h u m i d i t y c h a m b e r t o m i n i m i z e e v a p o r a t i o n F o l l o w i n g t h e i n c u b a t i o n p e r i o d t h e d e v i c e s w e r e r i n s e d w i t h 1 X P B S t o r e m o v e w e a k l y b o u n d p r o t e i n s a n d s t o r e d i n 1 X P B S F o r t h e f i r s t p r o t e i n l a y e r w h i c h w a s d i r e c t l y p a t t e r n e d w i t h t h e p h o t o r e s i s t a c e t o n e w a s u s e d t o r i n s e a w a y t h e p h o t o r e s i s t T h e a c e t o n e r i n s e w a s f o l l o w e d b y a 1 X P B S r i n s e a n d i m m e r s i o n i n 1 X P B S b u f f e r w h i l e w a i t i n g f o r t h e n e x t p r o c e s s i n g s t e p 4 2 5 E l l i p s o m e t r y a n d T h i c k n e s s M e a s u r e m e n t s F i l m q u a l i t y w a s a s s e s s e d b y m e a s u r i n g t h e f i l m t h i c k n e s s o f e a c h l a y e r u s i n g e l l i p s o m e t r y T o q u a n t i f y t h e f i l m s s i l i c o n w a f e r s w e r e u s e d a s s u b s t r a t e s i n t h e c o v a l e n t a t t a c h m e n t p r o c e d u r e T h e s e m e a s u r e m e n t s e s t a b l i s h e d t h e b a s e l i n e p r o p e r t i e s o f t h e f i l m s p r i o r t o a c o u s t i c e x c i t a t i o n P o l i s h e d s i l i c o n ( S i ) w a f e r s ( 1 0 0 p h o s p h o r o u s d o p e d ) w e r e p u r c h a s e d f r o m M E M C E l e c t r o n i c M a t e r i a l s I n c ( S p a r t a n b u r g S C ) T h e w a f e r s w e r e c l e a n e d b y r i n s i n g w i t h d e i o n i z e d w a t e r t h e n r i n s e d w i t h a c e t o n e m e t h a n o l i s o p r o p a n o l a n d d e i o n i z e d

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5 6 w a t e r R e s i d u a l o r g a n i c s w e r e r e m o v e d u s i n g a n U V / O z o n e C l e a n e r ( U V O C S M o n t g o m e r y v i l l e P A ) f o r 1 0 m i n u t e s A n a u t o m a t e d M i c r o p h o t o n i c s e l l i p s o m e t e r w a s u s e d ( M o d e l E L X 0 1 R M i c r o p h o t o n i c s C o r p A l l e n t o w n P A ) w i t h a n i n c i d e n t a n g l e o f 7 0 a n d a w a v e l e n g t h o f 6 3 2 8 U s i n g t h e v e n d o r ’ s s o f t w a r e m o d e l s w e r e d e v e l o p e d t o m e a s u r e t h e i n d i v i d u a l f i l m t h i c k n e s s f o r e a c h l a y e r T h e s u r f a c e c o n c e n t r a t i o n a n d h e n c e s u r f a c e c o v e r a g e o f t h e o r g a n o s i l a n e a n d p r o t e i n f i l m s c a n b e c a l c u l a t e d f r o m t h e f i l m ’ s r e f r a c t i v e i n d e x t h i c k n e s s [ 6 4 ] b y : 2 2 0 2 1 ( ) 0 0 1 2 w M n g c m d d A n m rG = = + ( 4 ) w h e r e 0 i s t h e b u l k d e n s i t y ( g / c m 3 ) d i s t h e t h i c k n e s s o f t h e f i l m ( ) M w i s t h e m o l e c u l a r w e i g h t o f t h e s u b s t a n c e n i s t h e i n d e x o f r e f r a c t i o n A i s t h e m o l a r r e f r a c t i v i t y o f t h e m a t e r i a l F o r t h e o r g a n o s i l a n e t h e i n d e x w a s t a k e n a s n = 1 4 4 F o r p r o t e i n M w / A = 4 1 2 g / c m 3 b a s e d o n t h e f i n d i n g s o f V o g e l e t a l [ 6 5 ] a n d t h e i n d e x o f r e f r a c t i o n w a s e s t i m a t e d f r o m a t o m o r a t o m g r o u p s [ 6 6 ] a n d f o u n d t o b e 1 5 4 2 B y k n o w i n g t h e c r y s t a l l o g r a p h i c d i m e n s i o n s o f I g G t h e s u r f a c e c o v e r a g e c a n b e c o m p u t e d f r o m t h e c r o s s s e c t i o n a l a r e a g i v e n a s 4 5 n m 2 [ 6 7 ] T h e e s t i m a t e d c r o s s s e c t i o n a l a r e a f o r t h e o r g a n o s i l a n e w a s 2 5 2 [ 6 8 ]

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5 7 4 2 6 A c o u s t i c P r o t e i n R e m o v a l P r e p a r e d p r o t e i n p a t t e r n s o n l i t h i u m n i o b a t e w e r e p l a c e d i n a l e x a n m i c r o f l u i d i c c e l l t o p e r m i t o p t i c a l i n t e r r o g a t i o n d u r i n g a c o u s t i c e x c i t a t i o n T h e p r o t e i n m i c r o a r r a y s w e r e p a t t e r n e d i n t h e c e n t r a l r e g i o n b e t w e e n t h e o p p o s i n g I D T s o n t h e l i t h i u m n i o b a t e T h e S A W d e v i c e s w e r e d r i v e n u s i n g a H e w l e t t P a c k a r d 8 6 5 6 B f r e q u e n c y g e n e r a t o r a n d a n E N I 4 2 0 A R F a m p l i f i e r P o w e r d e l i v e r e d t o t h e S A W d e v i c e s w a s c a l c u l a t e d t o m a k e d i r e c t c o m p a r i s o n s w i t h p r e v i o u s w o r k d o n e w i t h q u a r t z c r y s t a l r e s o n a t o r s ( Q C R ) f o r r e m o v a l o f n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s [ 5 ] a n d S A W s t r e a m i n g t o m i x s a m p l e s [ 4 ] T h e S p a r a m e t e r s o f t h e S A W s w e r e m e a s u r e d t o d e t e r m i n e b o t h t h e r e t u r n a n d i n s e r t i o n l o s s u s i n g a n A g i l e n t E 8 3 5 8 A v e c t o r n e t w o r k a n a l y z e r E x p e r i m e n t a l d a t a w i t h r e s p e c t t o t h e r e m o v a l o f p r o t e i n s w e r e c o l l e c t e d i n t h e f o r m o f f l u o r e s c e n t i m a g e s 4 2 7 F l u o r e s c e n t I m a g i n g a n d P r o c e s s i n g S u c c e s s f u l f o r m a t i o n o f t h e p a t t e r n s w a s v e r i f i e d u s i n g a n O l y m p u s I X 7 0 m i c r o s c o p e c o n f i g u r e d w i t h a R o p e r S c i e n t i f i c C o o l S n a p E S C C D c a m e r a I m a g e s o f t h e f l u o r e s c e n t l y l a b e l e d d e v i c e s w e r e t a k e n o u t s i d e o f t h e m i c r o f l u i d i c f i x t u r e t o i n c r e a s e t h e i r c l a r i t y I m a g e s w e r e o b t a i n e d b y a p p l i c a t i o n o f a l a r g e d r o p ( ~ 5 0 L ) o f 1 X P B S t o a c l e a n e d g l a s s s l i d e a n d i n v e r s i o n o f t h e c o a t e d d e v i c e o n t o t h e s l i d e T h e d r o p o f 1 X P B S p r o t e c t e d t h e f i l m s o n t h e s u r f a c e o f t h e S A W d e v i c e

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5 8 I m a g e s w e r e p r o c e s s e d u s i n g t h e M e t a M o r p h s o f t w a r e ( M o l e c u l a r D e v i c e s C o r p S u n n y v a l e C A ) T o r e d u c e d i f f e r e n c e s f r o m p o t e n t i a l d y e p h o t o b l e a c h i n g f l u o r e s c e n t i m a g e s w e r e t a k e n b e f o r e a n d a f t e r a c o u s t i c e x c i t a t i o n u s i n g t h e s a m e e x p o s u r e t i m e s B a c k g r o u n d f l u o r e s c e n c e w a s o b t a i n e d f r o m r e g i o n s a d j a c e n t t o t h e f l u o r e s c e n t l y a t t a c h e d p r o t e i n T o f a c i l i t a t e i m a g e c l a r i t y b i t t h r e s h o l d i n g w a s u s e d r e m o v e l o w a n d h i g h l e v e l i n t e n s i t i e s i n t h e i m a g e s A f t e r t h r e s h o l d i n g e q u a l a r e a r e g i o n s w e r e d e f i n e d t o c o r r e s p o n d t o t h e s e n s i n g a n d n o n s e n s i n g r e g i o n s S e q u e n t i a l r e d a n d g r e e n i m a g e s w e r e p l a c e d i n s t a c k s a n d a l i g n e d T h e r e g i o n n u m b e r p i x e l a r e a t h r e s h o l d p i x e l a r e a p e r c e n t t h r e s h o l d a r e a a n d a v e r a g e p i x e l i n t e n s i t y w e r e r e c o r d e d f o r a n a l y s i s 4 3 R e s u l t s F i r s t t h e d e p o s i t i o n s o f o r g a n o s i l a n e f i l m a n d p r o t e i n a t t a c h m e n t t o i t w e r e c o n s i d e r e d S e c o n d l y t w o m a j o r i s s u e s w e r e i n v e s t i g a t e d f o r t h e A l e x a 4 8 8 l a b e l e d g o a t a n t i m o u s e I g G f i l m s c h e m a t i c a l l y s h o w n i n F i g u r e 2 0 b f i r s t t h e p o t e n t i a l a b i l i t y o f a c o u s t i c e x c i t a t i o n t o r e m o v e c o v a l e n t l y a t t a c h e d p r o t e i n s a n d s e c o n d p o s s i b l e a c o u s t i c d a m a g e t o t h e p r o t e i n s t h a t w o u l d p r e v e n t a n t i b o d y a n t i g e n b i n d i n g ( F i g u r e 2 0 c ) T h i r d l y f o r t h e A l e x a 5 9 4 l a b e l e d m o u s e a n t i r a b b i t I g G w h e t h e r a c o u s t i c e x c i t a t i o n c o u l d r e m o v e n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s ( e g f o u l i n g b y B S A ) w i t h o u t r e m o v i n g t h e b o u n d m o u s e a n t i r a b b i t a n t i g e n w e r e d e t e r m i n e d F o u r t h l y w h e t h e r a c o u s t i c e x c i t a t i o n c a n r e m o v e s p e c i f i c a l l y b o u n d A l e x a 5 9 4 l a b e l e d m o u s e a n t i r a b b i t I g G w e r e

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5 9 d e t e r m i n e d C o l l e c t i v e l y t h e e x p e r i m e n t s c o n d u c t e d i n t h i s w o r k a n d t h e r e s u l t s a l l o w e d : e v a l u a t i o n o f t h e e f f e c t i v e n e s s o f a c o u s t i c w a v e s i n r e m o v i n g n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s o f p o t e n t i a l l y d a m a g i n g t h e d e s i r e d b o n d i n g a n d a t t a c h m e n t o f p r o t e i n s a n d t h e p o s s i b i l i t y o f r e m o v i n g s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s W h i l e t h e o b j e c t i v e o f t h i s w o r k i s t o f a b r i c a t e a d e v i c e t h a t c a n r e m o v e n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s i t i s i m p o r t a n t t o k n o w w h a t l e v e l s o f a c o u s t i c e n e r g y c a n a f f e c t s p e c i f i c b i n d i n g ; h e n c e t h i s l a s t t o p i c w a s a l s o i n v e s t i g a t e d 4 3 1 O r g a n o s i l a n e a n d P r o t e i n F i l m s E l l i p s o m e t r y w a s u s e d t o v e r i f y t h a t a n a d e q u a t e a m o u n t o f o r g a n o s i l a n e w a s b o u n d t o t h e l i t h i u m n i o b a t e s u b s t r a t e ( T a b l e 1 ) T h e o r g a n o s i l a n e f i l m r e s u l t e d i n a s p a c i n g o f 9 4 b e t w e e n a d j a c e n t m o l e c u l e s G i v e n t h a t t h e c r o s s s e c t i o n a l a r e a o f t h e a n t i m o u s e I g G i s a r o u n d 4 5 n m 2 p r e s e n c e o f a s u f f i c i e n t a m o u n t o f o r g a n o s i l a n e t o p e r m i t h i g h s u r f a c e c o v e r a g e o f a n t i b o d y i n t h e p a t t e r n e d r e g i o n s a n d B S A i n t h e n o n p a t t e r n e d r e g i o n s i s s u g g e s t e d P r i o r t o m e a s u r i n g t h e 3 G P D M S a n d p r o t e i n f i l m t h i c k n e s s e s u s i n g e l l i p s o m e t r y t h e c o m p l e x r e f r a c t i v e i n d i c e s o f t h e b u l k s i l i c o n a n d s i l i c o n d i o x i d e w e r e d e t e r m i n e d T h i s w a s d o n e b y m e a s u r i n g t h e e l l i p s o m e t r i c a n g l e s r a n d i n a i r a n d w a t e r u s i n g t h e E L X 0 1 R U s i n g t w o s e t s o f r a n d t h e b u l k s i l i c o n i n d e x ( n S i ) t h e r e f r a c t i v e i n d e x o f S i O 2 ( n o x ) a n d t h e S i O 2 t h i c k n e s s ( d 0 ) w e r e d e t e r m i n e d u s i n g a t h r e e l a y e r m o d e l T h e

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6 0 v a l u e s c a l c u l a t e d f o r n S i a n d n o x w e r e 3 8 8 5 – 0 0 1 9 i a n d 1 4 5 9 a t = 6 3 2 8 T h e o x i d e t h i c k n e s s d 0 r a n g e d f r o m 1 2 t o 2 2 T h e s u b s e q u e n t 3 G P D M S a n d p r o t e i n f i l m s w e r e m e a s u r e d u s i n g f o u r f i v e a n d s i x l a y e r m o d e l s w i t h t h e v e n d o r ’ s s o f t w a r e A f t e r a 1 h a p p l i c a t i o n o f 3 G P D M S e l l i p s o m e t r y i n d i c a t e d a n a v e r a g e t h i c k n e s s w a s 4 3 0 5 ( n = 4 ) T h i s c o r r e s p o n d e d t o a s u r f a c e c o v e r a g e o f 6 1 4 % o r n e a r l y a m o n o l a y e r o f o r g a n o s i l a n e T h e r e s u l t s a r e s h o w n i n T a b l e 5 T a b l e 5 E l l i p s o m e t r y d e t e r m i n e d o r g a n o s i l a n e a n d p r o t e i n f i l m a v e r a g e t h i c k n e s s a n d s u r f a c e c o v e r a g e F i l m A v e r a g e T h i c k n e s s ( ) S u r f a c e C o v e r a g e ( % ) 3 G P D M S 4 3 0 5 6 1 4 A n t i m o u s e I g G 3 3 5 4 0 7 0 1 M o u s e I g G 3 7 3 5 3 7 2 3 4 3 2 P r o t e i n A c t i v i t y a f t e r A c o u s t i c E x c i t a t i o n P r o t e i n a c t i v i t y w a s d e t e r m i n e d b y m e a s u r i n g t h e f l u o r e s c e n t i n t e n s i t y o f t h e A l e x a 5 9 4 l a b e l e d m o u s e a n t i r a b b i t I g G a n t i g e n s o n t w o s a m p l e s S a m p l e o n e c o n s i s t e d c o v a l e n t l y b o u n d A l e x a 4 8 8 g o a t a n t i m o u s e I g G p a t t e r n s h o w n s c h e m a t i c a l l y i n F i g u r e 2 0 b ; w h e r e a s s a m p l e t w o c o n s i s t e d o f t h e s a m e p a t t e r n w h i c h w a s a c o u s t i c a l l y d r i v e n u s i n g 5 0 0 m W f o r 1 5 m i n u t e s T h i s p o w e r w a s e s t i m a t e d t o b e s e v e r a l t i m e s i n e x c e s s o f t h a t r e q u i r e d t o r e m o v e n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s A l e x a 5 9 4 l a b e l e d m o u s e a n t i

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6 1 r a b b i t I g G a n t i g e n s w e r e s p e c i f i c a l l y b o u n d t o b o t h s a m p l e s F l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y m e a s u r e m e n t s w e r e t h e n c o n d u c t e d o n b o t h s a m p l e s A s s h o w n i n F i g u r e 2 1 b t h e r e i s n o t a s i g n i f i c a n t d e c r e a s e i n f l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y f o r t h e A l e x a 5 9 4 m o u s e a n t i r a b b i t I g G b o u n d t o a c o u s t i c a l l y t r e a t e d g o a t a n t i m o u s e I g G i n c o m p a r i s o n t o F i g u r e 2 1 a T h u s t h e c o v a l e n t l y b o u n d a n t i g e n s d o n o t l o s e a c t i v i t y u p o n a c o u s t i c e x c i t a t i o n F i g u r e 2 1 A l e x a 5 9 4 l a b e l e d m o u s e a n t i r a b b i t I g G b i n d i n g t o g o a t a n t i m o u s e I g G w i t h o u t a n d w i t h a c o u s t i c e x c i t a t i o n T w o s a m p l e s ( a ) w i t h o u t a c o u s t i c e x c i t a t i o n a n d ( b ) W i t h a c o u s t i c e x c i t a t i o n f o r 1 5 m i n u t e s a t 5 0 0 m W 4 3 3 R e m o v a l o f N o n s p e c i f i c a l l y B o u n d P r o t e i n s W h i l e R e t a i n i n g t h e S p e c i f i c a l l y B o u n d N o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n r e m o v a l w h i l e r e t a i n i n g s p e c i f i c a l l y b o u n d o n e s w a s s h o w n u s i n g c o v a l e n t l y b o u n d n o n f l u o r e s c e n t l y l a b e l e d g o a t a n t i m o u s e I g G t o t h e m i c r o a r r a y s u r f a c e T h i s c h a n g e i n s u r f a c e p r e p a r a t i o n a l l o w e d f o r t h e u s e o f o n l y t w o f l u o r o p h o r e s i n a l l e x p e r i m e n t s r e p o r t e d i n t h i s w o r k T h e a n t i g e n m o u s e a n t i r a b b i t

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6 2 I g G w a s l a b e l e d w i t h A l e x a 5 9 4 a n d B S A n o t u s e d a s t h e b l o c k i n g a g e n t w a s l a b e l e d w i t h A l e x a 4 8 8 C o n s i s t e n t d e p o s i t i o n p r o c e d u r e s w e r e f o l l o w e d i n t h e a l l e x p e r i m e n t s T h e l a b e l e d B S A w a s a p p l i e d o v e r t h e a n t i b o d y a n t i g e n c o m p l e x T h e r e s u l t o f t h e n o n s p e c i f i c b i n d i n g a c r o s s t h e e n t i r e s u r f a c e o f t h e s e n s o r w a s a d i f f i c u l t t o d i s t i n g u i s h m i c r o a r r a y p a t t e r n A s t h e a c o u s t i c w a v e s i n t e r a c t e d w i t h t h e p r o t e i n f i l m t h e f l u o r e s c e n t i n t e n s i t y o f n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d B S A d e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y w h i l e t h e f l u o r e s c e n t i n t e n s i t y o f t h e s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s o n l y d e c r e a s e d s l i g h t l y ( F i g 3 ) T h i s s l i g h t d e c r e a s e i n t h e A l e x a 5 9 4 i n t e n s i t y i s b e l i e v e d t o b e a r e s u l t o f t h e r e d u c t i o n i n m u l t i l a y e r s o f a n t i g e n a n t i g e n n o n s p e c i f i c b i n d i n g F i g u r e 2 2 N o n l a b e l e d g o a t a n t i m o u s e I g G w a s c o v a l e n t l y p a t t e r n e d a n d b o u n d t o t h e 3 G P D M S s u r f a c e f o l l o w e d b y a c o u s t i c e x c i t a t i o n a n d a p p l i c a t i o n o f B S A t o t e r m i n a t e n o n p a t t e r n e d r e g i o n s A l e x a 5 9 4 l a b e l e d m o u s e a n t i r a b b i t I g G ( R e d ) w a s s p e c i f i c a l l y b o u n d

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6 3 F i g u r e 2 3 a n d F i g u r e 2 4 i n d i c a t e n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s c a n b e r e m o v e d b y a c o u s t i c w a v e s c o n s i s t e n t w i t h t h e o b s e r v e d g e n e r a l t r e n d o f a d e c r e a s e i n f l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y w i t h i n c r e a s e d a p p l i e d R F p o w e r d o s e T h e c o v a l e n t l y b o u n d a n t i b o d i e s l a b e l e d w i t h t h e g r e e n f l u o r o p h o r e d e c r e a s e d o n l y s l i g h t l y w h e r e a s t h e i n t e n s i t y o f t h e a n t i g e n l a b e l e d w i t h t h e r e d f l u o r o p h o r e d e c r e a s e d f r o m ~ 6 5 % t o ~ 1 5 % a l e v e l n e a r l y e q u i v a l e n t t o t h a t o f t h e g r e e n l a b e l e d a n t i b o d y a s s h o w n i n F i g u r e 2 3 T h i s q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s w a s d o n e f r o m t h e i m a g e s e q u e n c e r e p r e s e n t e d b y F i g u r e 2 4 I n F i g u r e 2 4 d p a r t i a l r e c o v e r y o f t h e A l e x a 5 9 4 l a b e l e d m o u s e a n t i r a b b i t I g G f r o m t h e c o m p l e t e l y o b s c u r e d p a t t e r n i n F i g u r e 2 4 a i s s h o w n i n d i c a t i n g t h a t b l o c k i n g a g e n t s s u c h a s B S A a r e e x t r e m e l y d i f f i c u l t t o r e m o v e u n l e s s a c o u s t i c m e t h o d s a r e u s e d T h e u s e o f a m o d e r a t e l e v e l ( 1 m g / m l ) o f B S A t o b l o c k t h e u n r e a c t e d 3 G P D M S g r o u p s s u g g e s t s t h a t p r o t o c o l s u s i n g h i g h e r l e v e l s a r e n o t s u i t a b l e f o r s u b s e q u e n t r e a c t i o n a n d h e n c e m a y s u f f e r f r o m p o o r d e t e c t i o n e f f i c a c y i n b i o s e n s o r a p p l i c a t i o n s

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6 4 F i g u r e 2 3 O v e r a l l i n t e n s i t i e s o f f l u o r e s c e n t l y l a b e l e d p r o t e i n s v e r s u s R F p o w e r d o s e T h e G r e e n a n d R e d l a b e l e d d a t a s e t s r e p r e s e n t a n t i b o d i e s c o v a l e n t l y b o u n d t o s u r f a c e a n d t h e a n a l y t e a n t i g e n s r e s p e c t i v e l y T h e O v e r a l l i s a c o m b i n e d i n t e n s i t y a c r o s s t h e e n t i r e s u r f a c e o f t h e m i c r o a r r a y b e i n g i m a g e d

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6 5 F i g u r e 2 4 G r a y s c a l e i m a g e s ( p s e u d o c o l o r e d ) o f 4 0 m m i c r o a r r a y p a t t e r n b e f o r e a n d a f t e r a c o u s t i c c l e a n i n g ( a ) A n t i b o d y c o v a l e n t l y b o u n d t o t h e s i l a n i z e d s u r f a c e p r i o r t o t h e a c o u s t i c c l e a n i n g ( b ) T h e r e s u l t o f a c o u s t i c c l e a n i n g o n t h e p a t t e r n f r o m i m a g e a ( c ) M i c r o a r r a y p a t t e r n o f a n t i g e n s p e c i f i c a l l y a n d n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d t o t h e b l o c k i n g a g e n t a n d a n t i b o d y ( d ) T h e r e s u l t o f a c o u s t i c c l e a n i n g s h o w i n g p a r t i a l r e c o v e r y o f t h e p a t t e r n 4 3 4 R e m o v a l o f N o n s p e c i f i c a n d S p e c i f i c P r o t e i n s P r e v i o u s e x p e r i m e n t s i n t h i s s t u d y h a v e s h o w n t h a t i t i s p o s s i b l e t o r e m o v e n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s e a s i l y W i t h i n c r e a s e d e x p o s u r e t o t h e a c o u s t i c w a v e s i t

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6 6 i s p o s s i b l e t o r e m o v e s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s a l s o F i g u r e 2 5 s h o w s t w o m a j o r s t e p s i n t h e r e d p a t t e r n e d l i n e T h e f i r s t s t e p i s b e l i e v e d t o i n d i c a t e t h e r e m o v a l o f n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s a n d t h e s e c o n d s t e p t h e r e m o v a l o f s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s T h e s e r e s u l t s a r e v a l u a b l e f o r b i o l o g i c a l s e n s o r s b e c a u s e i t i s p o s s i b l e t o m a k e a r e n e w a b l e d e v i c e w i t h n o m o r e t h a n a f e w m i n u t e s o f e x p o s u r e t o i n c r e a s e d R F p o w e r d o s e s F i g u r e 2 5 M o u s e a n t i r a b b i t I g G ( r e d ) a n d g o a t a n t i m o u s e I g G ( g r e e n ) p a t t e r n a n d n o n p a t t e r n e d i n t e n s i t i e s v e r s u s t h e R F p o w e r d o s e d e l i v e r e d t o t h e m i c r o a r r a y

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6 7 4 3 5 T h e C o n t r o l E x p e r i m e n t s C o n t r o l e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d t o r e p r e s e n t c u r r e n t p r a c t i c e s i n m i c r o a r r a y a n a l y s i s F o r t h e c o n t r o l s s u b s t r a t e s w e r e t r e a t e d i d e n t i c a l l y a s t h e o n e s t e s t e d w i t h a c o u s t i c c l e a n i n g T h e f i r s t c o n t r o l e x p e r i m e n t w a s d o n e a f t e r t h e a p p l i c a t i o n o f t h e f l u o r e s c e n t l y l a b e l e d a n t i g e n b y v i g o r o u s l y w a s h i n g t h e s a m p l e i n P B S b u f f e r s o l u t i o n T h e r e s u l t s o f t h e w a s h i n g a r e s h o w n i n F i g u r e 2 6 ; t h e r e a r e a f e w n o n s p e c i f i c a t t a c h m e n t s o f t h e a n t i g e n t o t h e B S A b l o c k i n g a g e n t i n t h e n o n p a t t e r n e d r e g i o n s t h a t a p p e a r t o h a v e b e e n r e m o v e d A d d i t i o n a l l y a f t e r t h e v i g o r o u s w a s h i n g ( F i g u r e 2 6 ) t h e r e w a s a n i n c r e a s e s l i g h t l y b e y o n d t h e s t a n d a r d d e v i a t i o n i n t h e n o n p a t t e r n e d r e g i o n s ’ f l u o r e s c e n c e i n t e n s i t y S u b s e q u e n t c o n t r o l e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d f o r e a c h o f t h e p r o c e s s i n g s t e p s a n d s h o w e d s i m i l a r r e s u l t s F i g u r e 2 6 A l e x a 5 9 4 l a b e l e d m o u s e a n t i r a b b i t I g G b o u n d t o g o a t a n t i m o u s e I g G w i t h ( b ) a n d w i t h o u t ( a ) v i g o r o u s w a s h i n g i n P B S s o l u t i o n

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6 8 4 4 D i s c u s s i o n O n e m a j o r c o n c e r n r e g a r d i n g t h e a c o u s t i c c l e a n i n g a p p r o a c h w a s t o d e t e r m i n e w h e t h e r t h e a n t i b o d y r e c e p t o r f i l m s w e r e d a m a g e d b y t h e a c o u s t i c w a v e s r e s u l t i n g i n a r e d u c t i o n o f a n t i g e n b i n d i n g e f f i c a c y H o w e v e r q u a l i t a t i v e l y t h i s d i d n o t o c c u r a s s h o w n i n F i g u r e 2 1 D i r e c t m e a s u r e m e n t o f t h e a m o u n t o f m o u s e a n t i r a b b i t I g G o n t h e l i t h i u m n i o b a t e s u b s t r a t e s u s i n g e l l i p s o m e t r y w a s n o t d o n e N o n e t h e l e s s t h e e n d r e s u l t w a s t h e f o r e g r o u n d r e g i o n s s h o w e d s i g n i f i c a n t f l u o r e s c e n c e f r o m t h e m o u s e a n t i r a b b i t I g G D u r i n g p r e p a r a t i o n B S A w a s u s e d t o m i n i m i z e c o v a l e n t a t t a c h m e n t o f a n t i m o u s e a n d m o u s e I g G i n t h e n o n p a t t e r n e d r e g i o n s T h i s p e r m i t t e d e v a l u a t i o n o f t h e a b i l i t y o f s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s t o r e m o v e e x c e s s m o u s e I g G f r o m t h e n o n p a t t e r n e d r e g i o n s b l o c k e d w i t h B S A ( F i g u r e 2 3 a n d F i g u r e 2 4 ) T h e r e m o v a l o f c o v a l e n t l y a t t a c h e d a n t i m o u s e I g G i n t h e s t u d y ( F i g u r e 2 1 ) w a s n o t o b s e r v e d F u r t h e r e x p e r i m e n t s s u p p o r t e d t h e n o t i o n t h a t t h e a c o u s t i c w a v e s a t t h e l e v e l s r e q u i r e d f o r t h e c l e a n i n g d o n o t h a r m t h e p r o t e i n s T o d e m o n s t r a t e t h i s t h e S A W d e v i c e w a s t u r n e d o n t o s t r e s s t h e s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s a f t e r e a c h s t e p o f t h e p r o c e s s t o r e m o v e n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s A f t e r e a c h s t e p o f b i n d i n g t h e p r o t e i n s a n d t h e n r u n n i n g t h e d e v i c e i n t h e a c o u s t i c c l e a n i n g m o d e m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e t o d e t e r m i n e w h e t h e r t h e p r o t e i n s w e r e s t i l l o n t h e d e v i c e S i n c e t h e c l e a n i n g s d i d n o t h a r m t h e p r o t e i n s s p e c i f i c b i n d i n g w a s s t i l l p o s s i b l e a s s h o w n i n F i g u r e 2 1 ; h o w e v e r t h e n o n p a t t e r n e d i n t e n s i t y d e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y

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6 9 T h e f l u o r e s c e n c e m e a s u r e m e n t s i n t h i s w o r k d e m o n s t r a t e t h a t i t i s p o s s i b l e t o r e m o v e n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s f r o m s u r f a c e s t o d e s i r a b l e l e v e l s f o r m i c r o a r r a y a p p l i c a t i o n s H o w e v e r t h e y a r e n o t c a p a b l e o f e x p o s i n g t h e d e t a i l e d m e c h a n i s m s b y w h i c h t h e s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s r e m o v e t h e p r o t e i n s T h i s i s e v i d e n c e d i n i n a b i l i t y t o a c c o u n t f o r t h e s u d d e n d r o p s i n i n t e n s i t y a t s p e c i f i c p o w e r d o s e s s e e n i n F i g u r e 2 2 F i g u r e 2 3 a n d F i g u r e 2 5 A d d i t i o n a l c o m p u t e r s i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a l s t u d i e s a r e d e s i r a b l e t o e x p o s e t h e s e m e c h a n i s m s a n d s u c h w o r k i s u n d e r w a y F l u o r e s c e n c e a s s a y s a r e w i d e l y u s e d i n o p t i c a l d e t e c t i o n s c h e m e s f o r e x a m p l e i n m i c r o d o t a r r a y s S u c h a r r a y s r e p r e s e n t a l a r g e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f t h e d e v i c e d e s c r i b e d i n t h i s p a p e r I n s u c h c a s e s t h i s d e v i c e f a b r i c a t e d i n 1 2 8 Y X L i N b O 3 w i l l b e i m m e n s e l y u s e f u l f o r r e m o v a l o f n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s t o s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e d e t e r m i n a t i o n s W h i l e t h e r e l a t i v e i n t e n s i t i e s m e a s u r e d i n t h i s w o r k a r e n o t q u a n t i t a t i v e m e a s u r e s o f a m o u n t s o f p r o t e i n s r e m o v e d t h e y q u a n t i f y t h e r e l a t i v e a m o u n t s o f p r o t e i n r e m o v a l w h i c h i s t h e l e v e l o f q u a n t i f i c a t i o n p o s s i b l e w i t h t h i s d e v i c e a n d i s a d e q u a t e f o r t h e i n t e n d e d p u r p o s e U n l i k e t h e R a y l e i g h w a v e s g e n e r a t e d i n t h e l i t h i u m n i o b a t e d e v i c e o f t h i s w o r k s h e a r h o r i z o n t a l S A W s w h i c h c a n b e g e n e r a t e d i n s u b s t r a t e s s u c h a s L i t h i u m T a n t a l a t e ( L i T a O 3 ) a n d l a n g a s i t e c a n b e u t i l i z e d i n l i q u i d p h a s e s e n s i n g [ 4 6 ] I t i s p o s s i b l e t o g e n e r a t e b o t h s h e a r h o r i z o n t a l S A W s a n d w a v e s w i t h s i g n i f i c a n t s h e a r v e r t i c a l c o m p o n e n t s i n d i f f e r e n t d i r e c t i o n s i n s u c h s u b s t r a t e s w h i c h o p e n s t h e p o s s i b i l i t y o f s i m u l t a n e o u s r e m o v a l o f n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s a n d s e n s i n g i n t h e s a m e d e v i c e E n c o u r a g i n g p r e l i m i n a r y r e s u l t s h a v e b e e n f o u n d u s i n g s u c h d e v i c e s o n L i T a O 3 [ 7 ] I t s h o u l d b e n o t e d t h a t s u c h a d e v i c e w o u l d a l l o w q u a n t i f i c a t i o n o f t h e p r o t e i n r e m o v a l

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7 0 p r o c e s s v i a m e a s u r e d a t t e n u a t i o n o r p h a s e s h i f t s o f t h e s h e a r h o r i z o n t a l S A W m o d e D u e t o d a m p i n g o f t h e R a y l e i g h w a v e s s u c h q u a n t i f i c a t i o n w a s n o t p o s s i b l e i n t h e d e v i c e u t i l i z e d i n t h i s w o r k T h r o u g h o u t t h i s w o r k t w o m a j o r c h a l l e n g e s w e r e f a c e d F i r s t l e a k s i n t h e m i c r o f l u i d i c t e s t f i x t u r e c a u s e d p r o t e i n d e p o s i t i o n t o o c c u r o n t h e e l e c t r o d e s r e d u c i n g t h e e f f i c a c y o f t h e S A W d e v i c e s M e a s u r e m e n t s c o n f i r m e d t h a t t h e a d d i t i o n o f p r o t e i n f i l m s a c r o s s t h e e l e c t r o d e s i n c r e a s e d t h e r e t u r n l o s s o f t h e S A W d e v i c e f r o m a p p r o x i m a t e l y 1 4 0 d B m t o 1 4 d B m T h e s e c o n d c h a l l e n g e w a s e s t a b l i s h i n g a v i s i b l e p a t t e r n f r o m t h e f l u o r e s c e n t e m i s s i o n s o f t h e l a b e l e d p r o t e i n s M a k i n g a d i s t i n g u i s h i n g m e a s u r e m e n t b y i n s p e c t i o n w a s n o t p o s s i b l e f o r a l l e x p e r i m e n t s ; h e n c e i m a g e p r o c e s s i n g w a s u s e d t o s y s t e m a t i c a l l y e n h a n c e t h e i m a g e s f o r v i s u a l e v a l u a t i o n T h i s w a s d o n e t h r o u g h t h e u s e o f M e t a M o r p h s o f t w a r e 4 5 C o n c l u s i o n s I n c o n c l u s i o n t h e s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s w e r e d e m o n s t r a t e d t o b e a p o w e r f u l t o o l f o r t h e r e m o v a l o f n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s o n m i c r o a r r a y s T h i s r e m o v a l m e t h o d h a s t h e b e n e f i t o f r e d u c i n g b a c k g r o u n d n o i s e a t t r i b u t e d t o n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s w h i l e r e d u c i n g e x c e s s i v e l y b o u n d p r o t e i n s f o r m i n g m u l t i l a y e r s i n t h e f o r e g r o u n d P r i n c i p a l t o t h i s m e t h o d i s t h e a p p l i c a t i o n o f s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s t h a t a c t u a t e t h e i n t e r f a c e t h e r e b y p e r m i t t i n g s e l e c t i v e r e m o v a l o f n o n s p e c i f i c a l l y a n d s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s

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7 1 T w o p r i m a r y e x p e r i m e n t s w e r e f o c u s e d o n t e s t i n g t h e h y p o t h e s e s t h a t : ( 1 ) a c o u s t i c w a v e s d o n o t i n h i b i t t h e a c t i v i t y o f a b o u n d p r o t e i n a n d ( 2 ) n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s c a n b e r e m o v e d w i t h s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s T o g e t h e r t h e s e e x p e r i m e n t s s h o w t h a t s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s c a n b e u s e d t o e n h a n c e s e n s o r r e s p o n s e b y r e m o v i n g l o o s e l y b o u n d p r o t e i n s f r o m t h e s u r f a c e E x p e r i m e n t a l e v i d e n c e s h o w s t h a t t h e a c o u s t i c w a v e s d o n o t d a m a g e t h e p r o t e i n s b o u n d t o t h e s u r f a c e T h i s c a n b e c o m e a v a l u a b l e t o o l f o r i n c r e a s i n g t h e s e n s i t i v i t y a n d r e u s a b i l i t y o f b i o l o g i c a l s e n s o r s A s s h o w n t h r o u g h t h e s e e x p e r i m e n t s o p t i c a l m e a s u r e m e n t s a r e g r e a t l y i m p r o v e d a n d t h e s a m e i m p r o v e m e n t s a r e e x p e c t e d b y a p p l y i n g S A W c l e a n i n g t e c h n o l o g y t o o t h e r c o m m o n b i o l o g i c a l s e n s o r s A d d i t i o n a l l y t h e p o t e n t i a l w a s d e m o n s t r a t e d t o r e m o v e s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s a t h i g h e r i n p u t p o w e r s f o r l o n g e r e x p o s u r e t i m e s A s a c o n s e q u e n c e o f t h i s p o t e n t i a l i t i s b e l i e v e d p l a u s i b l e t o t u n e t h e a c o u s t i c w a v e s t o s e l e c t i v e l y r e m o v e b o u n d p r o t e i n s a s a t o o l f o r i n t e r f a c i a l i n t e r a c t i o n m e a s u r e m e n t s

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7 2 C h a p t e r 5 I n t e r d i g i t a l T r a n s d u c e r D e s i g n f o r B i o s e n s o r s T h e w o r k p r e s e n t e d h e r e i n i s a n e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l c o m p a r i s o n o f s u r f a c e a c o u s t i c w a v e ( S A W ) i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r ( I D T ) d e s i g n s u s e d t o g e n e r a t e L o v e w a v e s f o r b i o s e n s o r a p p l i c a t i o n s T h r e e I D T d e s i g n s w e r e i n v e s t i g a t e d f o r s e n s o r p r o p e r t i e s t h r o u g h i m p r o v e m e n t s t o e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e S A W d e v i c e s b y r e d u c i n g s e c o n d a n d t h i r d o r d e r e f f e c t s P a r a m e t e r s s t u d i e d i n t h i s w o r k i n c l u d e t h e a t t e n u a t i o n a n d v e l o c i t y c h a n g e s d u e t o t h e a d d i t i o n o f v a r y i n g t h i c k n e s s o f a p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e E x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t s w e r e m a d e u s i n g a n S p a r a m e t e r n e t w o r k a n a l y z e r w i t h t i m e d o m a i n c a p a b i l i t i e s T h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s w e r e c o n d u c t e d u s i n g c o u p l e d f i e l d f i n i t e e l e m e n t m o d e l s R e s u l t s f r o m b o t h e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l w o r k a r e u s e d f o r t h e o p t i m i z a t i o n o f w a v e g u i d e t h i c k n e s s t o p r o d u c e a b i o s e n s o r w i t h g r e a t e r s e n s i t i v i t y a n d l o w s i g n a l t o n o i s e r a t i o t h a n c o m m o n l y u s e d d e s i g n s T h e d a t a s h o w t h e u n i d i r e c t i o n a l I D T d e s i g n b o t h e x p e r i m e n t a l l y a n d t h e o r e t i c a l l y c o u p l e d m o r e e f f i c i e n t l y w i t h t h e p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e t o p r o d u c e t h e g r e a t e s t i n c r e a s e o f t r a n s m i t t e d e n e r g y c o m p a r e d w i t h t h e s t a n d a r d b i d i r e c t i o n a l I D T d e s i g n s t e s t e d a n d s i m u l a t e d

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7 3 5 1 I n t r o d u c t i o n S A W d e v i c e s a r e c o m m o n l y u s e d i n c o m m u n i c a t i o n e l e c t r o n i c s i n t h e c o m m e r c i a l w o r l d a n d u s e d a s a m a s s s e n s i t i v e e l e m e n t m o s t l y i n t h e r e s e a r c h l a b o r a t o r i e s T h e f u n d a m e n t a l o p e r a t i o n o f t h i s d e v i c e i s t h e a p p l i c a t i o n o f a l t e r n a t i n g v o l t a g e a c r o s s p a i r s o f I D T s o n a p i e z o e l e c t r i c s u b s t r a t e T h e a p p l i e d v o l t a g e d e f o r m s t h e s u b s t r a t e t o l a u n c h a m e c h a n i c a l w a v e T h e p e r i o d a n d o t h e r m e a s u r e s o f t h e w a v e a r e d e t e r m i n e d b y t h e d i m e n s i o n s a n d l a y o u t o f t h e I D T s [ 1 2 ] R e c e n t w o r k h a s s h o w n w i d e a p p l i c a t i o n o f S A W d e v i c e s t o s e n s o r a p p l i c a t i o n s p a r t i c u l a r l y f o r b i o l o g i c a l s y s t e m s [ 4 6 6 9 7 0 ] I t h a s b e e n s h o w n t h a t a L o v e w a v e S A W s e n s o r c a n b e 2 0 t i m e s m o r e s e n s i t i v e t o p e r t u r b a t i o n s t h a n a t y p i c a l s h e a r h o r i z o n t a l ( S H ) S A W s e n s o r [ 4 6 7 1 7 2 ] I n h e r e n t t o t h i s g r e a t S A W b i o s e n s o r s e n s i t i v i t y e n h a n c e m e n t i s t h e g e n e r a t i o n o f L o v e w a v e s t h r o u g h a p p l i c a t i o n o f a n a p p r o p r i a t e m a t e r i a l a n d t h i c k n e s s w a v e g u i d e T h e o r y d i c t a t e s t h a t f o r t h e g e n e r a t i o n o f L o v e w a v e s f o r t h e m o s t s e n s i t i v e s e n s o r 1 ) t h e l o w e s t m o d e w a v e i s r e q u i r e d a n d 2 ) a l a r g e r a t i o o f s u b s t r a t e t o g u i d i n g l a y e r s h e a r w a v e v e l o c i t y d e n s i t y o r b o t h i s r e q u i r e d [ 7 3 ] M a t e r i a l s t e s t e d f o r L o v e w a v e g e n e r a t i o n f r o m S H S A W d e v i c e s i n c l u d e p o l y m e r s ( p o l y s t y r e n e a n d p o l y m e t h y l m e t h a c r y l a t e ) a n d o x i d e s s u c h a s s i l i c o n d i o x i d e I n i t i a l l y t h e s e m a t e r i a l s h a v e b e e n t e s t e d f o r e a s e o f a v a i l a b i l i t y t h e i r w e l l c h a r a c t e r i z e d p r o p e r t i e s a n d p r o c e s s i n g e a s e B e c a u s e t h e w a v e g u i d e m a t e r i a l f o r t h i s p r o j e c t i s i n t e n d e d f o r b i o s e n s i n g a p p l i c a t i o n s a d d i t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s s u c h a s l o w w a t e r p e r m e a b i l i t y n o n t o x i c n a t u r e a n d r o b u s t s t r u c t u r e t o w i t h s t a n d m u l t i p l e t e s t s a r e

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7 4 r e q u i r e d [ 7 4 7 5 ] F o r t h e s e r e a s o n s p o l y s t y r e n e w a s c h o s e n i n t h i s w o r k f o r c r e a t i n g a L o v e w a v e S A W b i o s e n s o r I n p a s t l i t e r a t u r e t h e o n l y s i g n i f i c a n t S A W I D T d e s i g n c o m p a r i s o n s h a v e b e e n f o r t e l e c o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o n s [ 7 6 8 6 ] w i t h t h e m o s t c u r r e n t a n d a d v a n c e d d e s i g n s b e i n g p r o p r i e t a r y i n f o r m a t i o n h e l d c l o s e l y b y a f e w c o m p a n i e s F u n d a m e n t a l d e s i g n s t h a t c o u l d p o t e n t i a l l y c h a n g e s e n s o r c h a r a c t e r i s t i c s s i g n i f i c a n t l y i n c l u d e d o u b l e s p l i t f i n g e r d e s i g n ( D S F ) [ 8 5 ] p r u n e d d o u b l e s p l i t f i n g e r d e s i g n ( P R D S F ) [ 1 8 ] a n d u n i d i r e c t i o n a l d e s i g n ( U D S F ) [ 8 1 ] T h e s e t h r e e d e s i g n s a r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 3 a n d a r e d e s c r i b e d i n d e t a i l i n t h e d e s i g n a n d f a b r i c a t i o n s e c t i o n o f t h i s c h a p t e r T h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d ( F E M ) i s a p o w e r f u l t o o l f o r p r o b l e m s t h a t r e q u i r e m u l t i p l e p h y s i c a l s c i e n c e s t o c r e a t e a f u l l c o m p u t a t i o n a l s o l u t i o n W i t h i n t h i s w o r k c u r r e n t p r a c t i c a l l i m i t a t i o n s e x i s t i n c r e a t i n g a f u l l S A W d e v i c e f i n i t e e l e m e n t m o d e l t h a t h a s a l l t h e f e a t u r e s o f o n e c r e a t e d e x p e r i m e n t a l l y [ 8 7 8 9 ] A l t h o u g h s u c h l i m i t a t i o n s m i g h t n o t a l l o w f o r a n e x a c t q u a n t i t a t i v e c o m p a r i s o n o f t h e s i m u l a t e d m o d e l s w i t h e x p e r i m e n t s e n o u g h i n f o r m a t i o n i s g e n e r a t e d t o c r e a t e u s e f u l d a t a t h a t c a n g u i d e e x p e r i m e n t a l s t u d i e s a s w e l l a s p r o v i d e a m o r e c o m p r e h e n s i v e a n d t h o r o u g h u n d e r s t a n d i n g o f t h e u n d e r l y i n g p h y s i c s [ 9 0 9 1 ] P r e v i o u s w o r k w i t h F E M o f S A W d e v i c e s i n d i c a t e t h a t s m a l l m o d e l s o f a b o u t o n e f o u r t h t h e s i z e o f a n e x p e r i m e n t a l d e v i c e p r o v i d e a d e q u a t e i n f o r m a t i o n t o r e a c h m e a n i n g f u l c o n c l u s i o n s [ 8 7 9 2 ] I n t h e p r e s e n t w o r k t h e c o m p a r i s o n o f v o l t a g e s a n d v e l o c i t i e s a s f u n c t i o n s o f w a v e g u i d e t h i c k n e s s o f d i f f e r e n t S A W I D T d e s i g n s a r e s h o w n f o r t h e g e n e r a t i o n o f L o v e w a v e s i n b i o s e n s o r a p p l i c a t i o n s B a s e d o n t h e e x p e r i m e n t a l a n d s i m u l a t e d r e s u l t s

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7 5 r e c o m m e n d a t i o n s f o r u s i n g a d v a n c e d I D T d e s i g n s a r e p r e s e n t e d t o i m p r o v e S A W b i o s e n s o r r e s p o n s e s 5 2 M a t e r i a l s a n d M e t h o d s S A W d e v i c e s a r e r e a d i l y a v a i l a b l e f o r c o m m u n i c a t i o n a p p l i c a t i o n s p a c k a g e d a n d c h a r a c t e r i z e d F o r s e n s o r a p p l i c a t i o n s i t i s n e c e s s a r y t o f a b r i c a t e S A W d e v i c e s o r o p e n p a c k a g i n g T h e f o r m e r w a s c h o s e n t o p e r m i t t o t a l c o n t r o l o f d e s i g n T h e m a t e r i a l s a n d m e t h o d s u s e d i n t h i s s t u d y a r e r e a d i l y a v a i l a b l e f r o m s u p p l i e r s 5 2 1 S H S A W D e s i g n a n d F a b r i c a t i o n S H S A W d e v i c e s w e r e f a b r i c a t e d o n s i n g l e s i d e p o l i s h e d 3 6 Y X L i T a O 3 3 ” w a f e r s o b t a i n e d f r o m S a w y e r R e s e a r c h W a f e r s w e r e i n i t i a l l y c l e a n e d w i t h a s o l v e n t r i n s e c o n s i s t i n g o f a c e t o n e m e t h a n o l i s o p r o p a n o l a n d d e i o n i z e d w a t e r a n d s u b s e q u e n t l y d r i e d w i t h n i t r o g e n W a f e r s w e r e t h e n p r o c e s s e d w i t h a s t a n d a r d p h o t o l i t h o g r a p h i c p r o c e s s t o p a t t e r n t h e S A W d e l a y l i n e s A t h r e e l a y e r m e t a l l i z a t i o n w a s d o n e w i t h e b e a m e v a p o r a t i o n w i t h o u t b r e a k i n g t h e v a c u u m T h e d e p o s i t e d t h r e e l a y e r m e t a l f i l m c o n s i s t e d o f a 1 0 n m t i t a n i u m a d h e s i o n l a y e r 7 0 n m g o l d a n d a 1 0 n m t i t a n i u m a d h e s i o n l a y e r F o l l o w i n g l i f t o f f p r o c e s s i n g a n d q u a l i t y i n s p e c t i o n w a f e r s

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7 6 w e r e c o a t e d w i t h a p r o t e c t i v e l a y e r o f p h o t o r e s i s t a n d d i c e d b y A m e r i c a n D i c i n g I n c ( S y r a c u s e N e w Y o r k ) i n t o i n d i v i d u a l d e v i c e s D e l a y l i n e S H S A W d e v i c e s w i t h a d o u b l e s p l i t i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r w e r e d e s i g n e d f o r t h i s p r o j e c t t o a c c o u n t f o r t h e p r o p e r t i e s o f t h e s u b s t r a t e [ 9 3 ] a n d r e d u c e s u r f a c e w a v e r e f l e c t i o n s a n d b u l k w a v e s c a t t e r i n g [ 8 4 ] E a c h t r a n s d u c e r c o n s i s t e d o f 3 0 f i n g e r p a i r s w i t h a n a p e r t u r e o f 4 7 T h e d e l a y l i n e w a s s h o r t e d w i t h a c e n t e r t o c e n t e r l e n g t h o f 1 9 7 T h e s e d i m e n s i o n s w e r e u t i l i z e d i n a l l t h r e e d e s i g n s t o l i m i t d e s i g n v a r i a t i o n s a n d p e r m i t t e s t i n g u s i n g s t a n d a r d i z e d p r o b e p a t t e r n T h e s e c o n d d e s i g n t e s t e d w a s t h e p r u n e d d o u b l e s p l i t f i n g e r T h i s d e s i g n c o n s i s t e d o f a s t a n d a r d D S F 6 0 f i n g e r p a i r d e s i g n t h a t h a d h a l f o f t h e f i n g e r p a i r s r e m o v e d t o c r e a t e a l a d d e r l i k e s t r u c t u r e A s i n d i c a t e d i n l i t e r a t u r e t h i s d e s i g n w o u l d m a i n t a i n t h e l o w e r i n s e r t i o n l o s s o f a s t a n d a r d 3 0 f i n g e r p a i r D S F t r a n s d u c e r b u t h a v e a n a r r o w e r p a s s b a n d A d d i t i o n a l l y t h i s d e s i g n r e d u c e s t h e i n t e r n a l r e f l e c t i o n s t h a t w o u l d o c c u r f o r a 6 0 f i n g e r D S F d e s i g n [ 1 8 ] T h e f i n a l d e s i g n e m p l o y e d a w e i g h t i n g t e c h n i q u e o f u s i n g o n e / 4 f i n g e r f o l l o w e d b y a d o u b l e s p l i t f i n g e r w i t h e a c h p a r t / 8 w i d e t o m a k e u p o n e f i n g e r p a i r [ 1 8 1 9 ] S u c h a d e s i g n g e n e r a t e s w a v e s t h a t a r e d i r e c t i o n a l [ 8 1 ] t h u s m o r e e n e r g y s e n t a c r o s s t h e d e l a y p a t h T h i s d e s i g n i s r e f e r r e d t o a s a s i n g l e p h a s e u n i d i r e c t i o n a l t r a n s d u c e r ( S P U D T ) a n d i t h a s t h e a d v a n t a g e s o f l o w i n t e r f e r i n g r e f l e c t i o n s a n d l o w i n s e r t i o n l o s s [ 8 3 ]

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7 7 5 2 2 W a v e g u i d e A p p l i c a t i o n I n d i v i d u a l d e v i c e s w e r e w a s h e d w i t h s o l v e n t s t o r e m o v e t h e p r o t e c t i v e p h o t o r e s i s t c o a t i n g D e v i c e s w e r e t h e n p l a c e d i n a n a i r p l a s m a c l e a n e r ( H a r r i c k P l a s m a s t e r i l i z e r / c l e a n e r ) f o r 3 0 m i n u t e s T h e p l a s m a c l e a n e r e n s u r e d a l l o r g a n i c c o n t a m i n a n t s w e r e r e m o v e d t o p r o v i d e t h e b e s t p o s s i b l e s u r f a c e f o r w a v e g u i d e a t t a c h m e n t 2 8 0 0 0 0 m o l e c u l a r w e i g h t p o l y s t y r e n e ( A l d r i c h ) w a s d i s s o l v e d i n e t h y l b e n z e n e ( A l d r i c h ) t o v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s g i v i n g s p i n c o a t e d t h i c k n e s s e s o f 4 5 – 1 2 0 0 n m T h e m a t e r i a l p r o p e r t i e s f o r t h e p o l y s t y r e n e u s e d a r e g i v e n i n T a b l e 6 F o l l o w i n g t h e s p i n c o a t i n g d e v i c e s w e r e c u r e d f o r 1 h o u r a t 1 4 0 C W i t n e s s p l a t e s w e r e c o a t e d a n d c u r e d i n p a r a l l e l w i t h t h e d e v i c e s f o r a d d i t i o n a l p r o f i l o m e t r y m e a s u r e m e n t s T a b l e 6 P o l y s t y r e n e m a t e r i a l p r o p e r t i e s T y p i c a l M o l e c u l a r W e i g h t 2 8 0 x 1 0 5 G l a s s T e m p e r a t u r e 1 0 0 0 C M o d u l u s o f E l a s t i c i t y 3 4 0 x 1 0 9 P a P o i s s o n R a t i o 0 3 3 D e n s i t y 1 1 1 x 1 0 3 k g / m 3 5 2 3 W a v e g u i d e M e a s u r e m e n t s W a v e g u i d e s w e r e m e a s u r e d f o r t h r e e c h a r a c t e r i s t i c s : 1 ) t h i c k n e s s u s i n g a T e n c o r p r o f i l o m e t e r 2 ) i n s e r t i o n l o s s u s i n g a n A g i l e n t 8 7 5 3 E S s p a r a m e t e r n e t w o r k a n a l y z e r a n d 3 ) a c o u s t i c v e l o c i t y u s i n g a t i m e d o m a i n f u n c t i o n b u i l t i n t o t h e A g i l e n t 8 7 5 3 E S

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7 8 n e t w o r k a n a l y z e r T h e c o m b i n a t i o n s o f t h e s e m e a s u r e m e n t s f o r m a c o m p l e t e p i c t u r e t o c h o o s e a n o p t i m a l w a v e g u i d e t h i c k n e s s A l l R F m e a s u r e m e n t s w e r e a u t o m a t e d w i t h L a b V i e w 7 0 a n d r e c o r d e d o n a s t a n d a r d P C t h r o u g h G P I B T h e a u t o m a t i o n c o n s i s t e d o f c o n t r o l l i n g t h e n e t w o r k a n a l y z e r t o s c a n t h e s p a r a m e t e r s f o r s i g n a l t r a n s m i s s i o n a c r o s s 1 6 0 1 p o i n t s f o l l o w e d b y t h e p h a s e T h e s y s t e m n e x t s w i t c h e d t o t h e t i m e d o m a i n u s i n g t h e b u i l t i n f u n c t i o n a n d p r e f o r m e d a 1 6 0 1 p o i n t s c a n o f t h e t i m e d o m a i n o f t r a n s m i t t e d e n e r g y t o c a l c u l a t e t h e v e l o c i t y o f t h e a c o u s t i c w a v e s A d d i t i o n a l a n a l y s i s n o n a u t o m a t e d o f s e l e c t e d d e v i c e s w a s d o n e s u c h a s a p p l y i n g g a t i n g t o m e a s u r e t h e e f f e c t o f b u l k a c o u s t i c w a v e s t r i p l e t r a n s i t s i g n a l s a n d i n t e r n a l I D T r e f l e c t i o n s o f t h e d i f f e r e n t S A W d e v i c e s w h i l e t h e i n s t r u m e n t o p e r a t e d i n t h e t i m e d o m a i n 5 2 4 F i n i t e E l e m e n t M o d e l C o n f i g u r a t i o n 3 D f i n i t e e l e m e n t m o d e l s w e r e u s e d t o e v a l u a t e I D T d e s i g n s a n d g u i d i n g l a y e r s T h e t r a n s i e n t r e s p o n s e o f t h e S A W d e v i c e t o a n i m p u l s e i n p u t a p p l i e d a t t h e t r a n s m i t t i n g I D T f i n g e r s w a s u t i l i z e d t o s t u d y t h e w a v e g e n e r a t i o n a n d p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a s w e l l a s d e d u c e i t s f r e q u e n c y r e s p o n s e T h e d e v e l o p e d m o d e l s c o n s i s t e d o f a 3 6 Y X L i T a O 3 s u b s t r a t e 4 0 l o n g 5 w i d e a n d 5 d e e p w i t h I D T ’ s 2 l o n g a n d / 4 w i d e f o r t h e s p l i t f i n g e r d e s i g n a s s h o w n i n F i g u r e 2 7 T h e p e r i o d i c i t y o f a l l I D T d e s i g n s w a s 4 0 m w h i l e t h e t r a n s d u c e r s w e r e c o n s i d e r e d t o b e m a s s l e s s e l e m e n t s i n t h i s w o r k T h e p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e t h i c k n e s s w a s v a r i e d f r o m 0 0 m t o 3 0 m w h i l e u s i n g t h e s a m e

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7 9 m a t e r i a l p r o p e r t i e s a s u s e d i n t h e e x p e r i m e n t a l p o r t i o n T e t r a h e d r a l e l e m e n t s w e r e u s e d t h r o u g h o u t t h e m o d e l w i t h 4 d e g r e e s o f f r e e d o m t o a c c o u n t f o r d i s p l a c e m e n t s i n t h e x y a n d z d i r e c t i o n s a s w e l l a s v o l t a g e E l e m e n t s w e r e f o r m e d t o e n s u r e t h e h i g h e s t d e n s i t y o n t h e t o p c e n t e r s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e w h e r e t h e m o s t d e f o r m a t i o n o c c u r s T h e s i m u l a t i o n s w e r e i n i t i a t e d w i t h a n e l e c t r i c i m p u l s e o f 1 0 V a p p l i e d a t t h e t r a n s m i t t i n g I D T f i n g e r s o v e r t i m e s t e p s o f 0 9 5 n s T h e s i m u l a t i o n w a s c a r r i e d o u t f o r 1 9 0 n s a n d i n t e r p o l a t i o n b e t w e e n t h e 0 9 5 n s t i m e s t e p s w a s u s e d o n a l l d a t a T h e s i m u l a t i o n t i m e a n d d i m e n s i o n s o f t h e m o d e l w e r e c h o s e n t o p r e v e n t r e f l e c t e d s i g n a l s f r o m t h e e d g e s a n d b o t t o m o f t h e s u b s t r a t e ( a ) ( b ) F i g u r e 2 7 ( a ) P r e s o l u t i o n 3 d m e s h e d s p l i t f i n g e r I D T d e s i g n w i t h h i g h e s t m e s h d e n s i t y a t t h e t o p a n d c e n t e r o f d e l a y p a t h ( r i g h t s i d e o f i m a g e ) ( b ) D i s p l a c e m e n t v e c t o r s a t m i d d l e o f d e l a y p a t h a t t i m e s t e p 7 5 s h o w i n g p r e d o m i n a t e l y s u r f a c e p a r a l l e l w a v e m o t i o n

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8 0 5 3 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n A d v a n c e d S A W f i l t e r d e s i g n i s a t e c h n o l o g y b e l o n g i n g t o t h e c o m m u n i c a t i o n i n d u s t r y F o r m a n y y e a r s t h e i n d u s t r y h a s d e v e l o p e d a d v a n c e d d e s i g n s t h r o u g h a n i t e r a t i v e p r o c e s s t o e l i m i n a t e t h e e f f e c t s t h a t a r e s o m e t i m e s n e e d e d t o m a k e g o o d s e n s o r s A s s h o w n i n F i g u r e 2 8 t h r e e S A W I D T d e s i g n s h a v e b e e n f a b r i c a t e d a n d t e s t e d i n t h i s w o r k F i r s t a n a l y z e d w e r e t h e f r e q u e n c y r e s p o n s e s o f t h e d e v i c e s f o l l o w e d b y a t i m e d o m a i n a n a l y s i s

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8 1 ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 2 8 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n m a g n i t u d e m e a s u r e m e n t s ( a ) S 2 1 m e a s u r e m e n t s o f 3 0 f i n g e r p a i r D S F I D T s t r u c t u r e ( b ) S 2 1 m e a s u r e m e n t s o f 3 0 f i n g e r p a i r P R D S F I D T s t r u c t u r e ( c ) S 2 1 m e a s u r e m e n t s o f 3 0 f i n g e r p a i r U D S F I D T s t r u c t u r e

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8 2 T h e f i r s t d e s i g n t e s t e d w a s a s t a n d a r d D S F I D T s t r u c t u r e c o n s i s t i n g o f 3 0 f i n g e r p a i r s d e l a y p a t h o f 1 9 7 a n d a w a v e l e n g t h o f 3 2 m T h i s d e s i g n w a s t e s t e d a s a c o n t r o l a n d b a s i s f o r c o m p a r i s o n w i t h t w o m o r e a d v a n c e d d e s i g n s A s s h o w n i n F i g u r e 2 8 ( a ) t h e D S F d e s i g n o n 3 6 Y X L i T a O 3 s h o w s a c l a s s i c a l b a n d p a s s f i l t e r r e s p o n s e w i t h a 4 M H z p a s s b a n d a n d > 1 5 d B a t t e n u a t i o n f o r o u t o f b a n d f r e q u e n c i e s T h e c o n s i d e r a b l e s e c o n d o r d e r e f f e c t s m o s t l i k e l y t r i p l e t r a n s i t e f f e c t s ( T T E ) a r e s e e n a s a c o u p l e o f d B s i z e d r i p p l e a c r o s s t h e p a s s b a n d w h i c h c a n l e a d t o e r r o n e o u s s e n s o r r e s p o n s e s T h e f i n a l g e n e r a l c h a r a c t e r i s t i c o f i m p o r t a n c e i e t h e l i n e a r i t y o f t h e p h a s e w i t h i n t h e p a s s b a n d i s n o t s e e n i n t h e d a t a p r e s e n t e d i n F i g u r e 2 9 ( a )

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8 3 ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 2 9 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n w i t h m e a s u r e m e n t s o f 3 M H z w i t h i n t h e p a s s b a n d ( a ) 3 0 f i n g e r p a i r D S F I D T s t r u c t u r e ( b ) 3 0 f i n g e r p a i r P R D S F I D T s t r u c t u r e ( c ) 3 0 f i n g e r p a i r U D S F I D T s t r u c t u r e T h e s e c o n d d e v i c e d e s i g n s h o w n i n F i g u r e 2 8 ( b ) P R D S F i s a n i n t e r e s t i n g m o d i f i c a t i o n t h a t h a s t h e s a m e l e n g t h I D T s o f a 6 0 f i n g e r p a i r D S F d e s i g n ; h o w e v e r e v e r y o t h e r f i n g e r p a i r s e t h a s b e e n r e m o v e d r e s u l t i n g i n o n l y 3 0 f i n g e r p a i r s A s

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8 4 e x p e c t e d t h e r e s p o n s e f r o m t h i s d e s i g n s h o w s a p a s s b a n d o f o n l y 2 M H z ( h a l f t h e p a s s b a n d o f t h e D S F d e s i g n ) T h e a t t e n u a t i o n o f t h e o u t o f b a n d f r e q u e n c i e s i s a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o t h e s t a n d a r d D S F d e s i g n T h e s e c o n d o r d e r e f f e c t s i n t h i s d e s i g n w e r e r e d u c e d f r o m t h e D S F d e s i g n A d d i t i o n a l l y a s s h o w n i n F i g u r e 2 9 ( b ) t h e p h a s e t h r o u g h t h e p a s s b a n d i s m o r e l i n e a r T h e f i n a l d e s i g n a s s h o w n i n F i g u r e 2 8 ( c ) i s t h e m o s t a d v a n c e d d e s i g n t e s t e d i n t h i s s t u d y t h a t u t i l i z e s n o n u n i f o r m I D T w i d t h s t o r e d u c e u n w a n t e d s e c o n d o r d e r e f f e c t s a n d t r a n s m i t m o r e e n e r g y d i r e c t i o n a l l y t o t h e o u t p u t I D T T h e U D S F d e s i g n i s a 3 0 f i n g e r p a i r d e s i g n ; h e n c e t h e e x p e c t e d d e v i c e r e s p o n s e w a s a n i m p r o v e d v e r s i o n o f t h e D S F d e s i g n A s s h o w n i n t h e F i g u r e 2 8 ( c ) t h e U D S F d e v i c e f r e q u e n c y r e s p o n s e s h o w s t h e s a m e g e n e r a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e D S F d e s i g n ; h o w e v e r t h e s e c o n d o r d e r e f f e c t s r e d u c e a s s h o w n b y t h e d e c r e a s e d m a g n i t u d e o f t h e p a s s b a n d r i p p l e T h e p h a s e l i n e a r i t y a s s h o w n i n F i g u r e 2 9 ( c ) i s i m p r o v e d f r o m t h e D S F d a t a ; h o w e v e r i t i s n o t a s g o o d a s t h e P R D S F d e s i g n p h a s e l i n e a r i t y T h e f r e q u e n c y r e s p o n s e s o f t h e t h r e e t e s t e d d e s i g n s a s s h o w n i n F i g u r e 2 8 c a n b e q u a l i t a t i v e l y c o m p a r e d w i t h t h e c a l c u l a t e d r e s p o n s e s o f t h e F E M s i m u l a t i o n s o f t h e s a m e d e s i g n s T h e s e d a t a a r e s h o w n i n F i g u r e 3 0 T h e s i m u l a t i o n s o n l y u s e d 3 f i n g e r p a i r s a n d a m u c h s h o r t e r d e l a y p a t h ( 6 ) i n c o m p a r i s o n t o t h e e x p e r i m e n t a l d e v i c e s ( 3 0 f i n g e r p a i r s a n d 1 9 7 ) t h e d a t a s h o w s i m i l a r a n d e x p e c t e d r e s u l t s T h e s e r e s u l t s s u c h a s p a s s b a n d w i d t h c a n b e s c a l e d a n d c o r r e l a t e d w i t h t h e m o r e c o m m o n e x p e r i m e n t a l t y p e d e v i c e s T h e s i m u l a t i o n s a r e s i m p l i f i e d t h r o u g h m a s s l e s s e l e c t r o d e s a n d r e d u c e d d i m e n s i o n s T h i s r e s u l t s i n t h e s e c o n d o r d e r e f f e c t s n o t a p p e a r i n g p r e d o m i n a t e l y i n t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s A d d i t i o n a l l y t h e P R D S F d e s i g n r e s p o n s e d o e s n o t c o r r e l a t e a s w e l l

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8 5 a s t h e o t h e r s t o t h e e x p e r i m e n t a l d a t a d u e t o m a i n t a i n i n g t h e s a m e e l e m e n t c o n f i g u r a t i o n o f t h e m o d e l e d s u b s t r a t e t h r o u g h o u t a l l o f t h e s i m u l a t i o n s

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8 6 ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 3 0 C o m p a r i s o n o f s i m u l a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n w i t h m a g n i t u d e m e a s u r e m e n t s o f t h e p o w e r s p e c t r u m a s s i m u l a t e d w i t h A n s y s ( a ) P o w e r s p e c t r u m o f 3 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e ( b ) P o w e r s p e c t r u m o f p r u n e d 3 f i n g e r p a i r d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e a s s i m u l a t e d w i t h A n s y s ( c ) P o w e r s p e c t r u m o f 3 f i n g e r p a i r c o m b i n e d s i n g l e / d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T s t r u c t u r e a s s i m u l a t e d w i t h A n s y s

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8 7 F u r t h e r a n a l y s i s o f t h e d e v i c e s c h a r a c t e r i s t i c s w e r e d o n e u s i n g a b u i l t i n t r a n s f o r m f u n c t i o n o f t h e n e t w o r k a n a l y z e r T h e s e d a t a a r e p l o t t e d i n F i g u r e 3 1 f o r t h e t h r e e d e s i g n s t e s t e d i n t h i s s t u d y T h e p r i m a r y f e a t u r e s e x a m i n e d i n t h e s e d a t a a r e t h e s e c o n d o r d e r e f f e c t s c o n s i s t i n g p r i m a r i l y o f r e f l e c t i o n s T h e T T E o f a l l o f t h e d e v i c e r e s p o n s e s a p p e a r s a t ~ 4 8 s C l e a r l y a s s h o w n i n t h e d a t a t h e D S F d e v i c e r e s p o n s e h a s a s i g n i f i c a n t T T E p e a k w i t h ~ 2 1 d B s e p a r a t i n g i t f r o m t h e p r i m a r y S A W s i g n a l p e a k T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e T T E p e a k o f t h e P R D S F d e v i c e r e s p o n s e i s i n c r e a s e d t o ~ 3 5 d B b u t t h e p r i m a r y S A W p e a k o f t h i s d e v i c e i s o n l y a t ~ 3 2 d B T h i s i s a c o n s i d e r a b l e i n s e r t i o n l o s s f o r a s e n s o r T h e U D S F d e v i c e r e s p o n s e s h o w s t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e p r i m a r y p e a k a n d t h e T T E p e a k t o b e ~ 2 7 d B

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8 8 ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 3 1 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s a s s h o w n i n t h e t i m e d o m a i n ( a ) S 2 1 m e a s u r e m e n t o f 3 0 f i n g e r p a i r D S F I D T s t r u c t u r e ( b ) S 2 1 m e a s u r e m e n t o f 3 0 f i n g e r p a i r P R D S F I D T s t r u c t u r e ( c ) S 2 1 m e a s u r e m e n t o f 3 0 f i n g e r p a i r U D S F I D T s t r u c t u r e

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8 9 T h e d a t a i n F i g u r e 3 2 s h o w t h r e e i n d e p e n d e n t r e s p o n s e s f o l l o w i n g t h e s a m e g e n e r a l t r e n d w i t h t h e a d d i t i o n o f p o l y s t y r e n e T h e r e i s a n i n i t i a l i n c r e a s e i n a t t e n u a t i o n f o l l o w e d b y a d e c r e a s e i n a t t e n u a t i o n t o 2 3 d B l e s s t h a n t h e b a r e S H S A W d e v i c e T h i s i n d i c a t e s t h a t l e a k y w a v e e n e r g y i s b e i n g t r a p p e d i n t h e w a v e g u i d e i n s t e a d o f b e i n g l o s t t o t h e e n v i r o n m e n t F o l l o w i n g t h e m a x i m a t h e a t t e n u a t i o n a g a i n i n c r e a s e s f r o m m a s s l o a d i n g T h e U D S F d e s i g n s h o w s t h e g r e a t e s t i m p r o v e m e n t w h i c h c o r r e l a t e s w i t h t h e f a c t t h e d e s i g n i s n o t b i d i r e c t i o n a l a s a r e t h e D S F a n d P R D S F d e s i g n s T h i s m e a n s t h e r e i s m o r e e n e r g y f o r t h e w a v e g u i d e t o t r a p T h e s i m p l e r D S F d e s i g n h a s t h e n e x t g r e a t e s t i m p r o v e m e n t a n d l a s t l y t h e P R D S F d e s i g n s h o w s v e r y l i t t l e i m p r o v e m e n t O t h e r f e a t u r e s o f t h e d a t a a s s h o w n i n t h e f i g u r e s i n c l u d e t h e r a n g e o f o p t i m a l w a v e g u i d e t h i c k n e s s i s b r o a d e s t a n d b e s t d e f i n e d f o r t h e c a s e o f t h e U D S F d e s i g n

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9 0 ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 3 2 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s t o t h e a d d i t i o n o f a p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e E x p e r i m e n t a l d a t a o f t h e t r a n s m i t t e d p o w e r c h a n g e a s a f u n c t i o n o f p o l y s t y r e n e t h i c k n e s s f o r t h r e e I D T d e s i g n s ( a ) i s t h e D S F d e s i g n d a t a ( b ) i s t h e P R D S F d e s i g n d a t a ( c ) i s t h e U D S F d e s i g n d a t a

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9 1 C o m p a r a b l e s i m u l a t i o n d a t a a s s h o w n i n F i g u r e 3 3 h a v e t h e s a m e t r e n d s a s t h e e x p e r i m e n t a l w o r k s h o w n i n F i g u r e 3 2 ; h o w e v e r t h e v a l u e o f t h e o p t i m a l w a v e g u i d e t h i c k n e s s i s s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t T h e o p t i m a l t h i c k n e s s f o r t h e D S F R d e s i g n f o u n d t h r o u g h e x p e r i m e n t i s ~ 0 5 0 m T h e v a l u e a s f o u n d f r o m s i m u l a t i o n d a t a i s ~ 1 5 0 m a s i n d i c a t e d b y t h e s i g n i f i c a n t i n c r e a s e i n t r a n s m i t t e d e n e r g y f o l l o w e d b y a s a t u r a t i o n t y p e r e s p o n s e f r o m t h e a d d i t i o n o f m o r e m a s s o n t h e s u r f a c e i n t h e f o r m o f a t h i c k e r p o l y s t y r e n e l a y e r T h e d i f f e r e n c e i n t h e v a l u e o f o p t i m a l t h i c k n e s s o f a w a v e g u i d e i s a r e s u l t o f t h e d i f f e r e n c e i n f r e q u e n c y o f t h e e x p e r i m e n t a l a n d s i m u l a t e d d e v i c e s a s w e l l a s t h e l i m i t a t i o n s o f t h e m o d e l s u c h a s s i z e

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9 2 ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 3 3 C o m p a r i s o n o f s i m u l a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s t o t h e a d d i t i o n o f a p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e F E M s i m u l a t i o n d a t a o f t h e c h a n g e i n a t t e n u a t i o n c h a n g e a s a f u n c t i o n o f p o l y s t y r e n e t h i c k n e s s f o r t h r e e I D T d e s i g n s ( a ) i s t h e D S F d e s i g n d a t a ( b ) i s t h e P R D S F d e s i g n d a t a ( c ) i s t h e U D S F d e s i g n d a t a T h e s e c o n d m e a s u r e u s e d t o e v a l u a t e t h e d e s i g n s w a s t h e d e v i c e v e l o c i t y a s a f u n c t i o n o f t h e p o l y s t y r e n e t h i c k n e s s T h e s e d a t a F i g u r e 3 4 s h o w t r e n d s e x p e c t e d a s a

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9 3 r e s u l t o f t h e r e s p o n s e s i n F i g u r e 3 2 T h e o r d e r o f t h e I D T d e s i g n e f f i c i e n c i e s a s d e t e r m i n e d b y t h e i n c r e a s e o f t r a n s m i t t e d e n e r g y m a i n t a i n e d t h r o u g h t h e v e l o c i t y m e a s u r e m e n t d a t a T h e U D S F d e s i g n d e v e l o p e d t h e m o s t s i g n i f i c a n t d i p i n d e v i c e v e l o c i t y d u e t o t h e p o l y s t y r e n e g u i d i n g l a y e r T h e D S F d e s i g n r e s p o n s e s h o w s a d e c r e a s e i n v e l o c i t y ; h o w e v e r s i n c e i t i s n o t a d i p i t i s d i f f i c u l t t o i d e n t i f y a n o p t i m a l t h i c k n e s s T h e P R D S F d e s i g n r e s p o n s e s h o w e d a s l i g h t i n c r e a s e f o l l o w e d b y a d e c r e a s e T h e r e a s o n f o r t h e v e l o c i t y i n c r e a s e i s n o t k n o w n b u t t h e p o o r v e l o c i t y v e r s u s t h i c k n e s s r e s p o n s e c o r r e s p o n d s w i t h t h e p o o r a t t e n u a t i o n v e r s u s t h i c k n e s s m e a s u r e m e n t s o f t h i s p a r t i c u l a r d e s i g n S i m u l a t i o n d a t a f o r t h e c h a n g e i n v e l o c i t y f o r t h e d i f f e r e n t t h i c k n e s s e s o f p o l y s t y r e n e a r e s h o w n i n F i g u r e 3 5 T h e s e d a t a u n l i k e t h e e x p e r i m e n t a l d o n o t s h o w a s i g n i f i c a n t c h a n g e i n t h e v e l o c i t y a c r o s s t h e r a n g e o f t h i c k n e s s e s s t u d i e d T h e D S F a n d P R D S F d e s i g n s r e s p o n s e s s h o w a p p r o x i m a t e l y t h e s a m e d e c r e a s e i n v e l o c i t y ( ~ 1 2 0 m / s ) a t 3 m T h e U D S F d e s i g n d a t a s h o w a s l i g h t l y g r e a t e r d e c r e a s e o f ~ 1 5 0 m / s w h i c h c o r r e l a t e s t o t h e g r e a t e r p o w e r t r a n s m i s s i o n s h o w n i n F i g u r e 3 3

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9 4 ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 3 4 C o m p a r i s o n o f f a b r i c a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s t o t h e a d d i t i o n o f a p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e C h a n g e o f S A W v e l o c i t y e x p e r i m e n t a l l y o b t a i n e d a s a f u n c t i o n o f p o l y s t y r e n e t h i c k n e s s f o r t h r e e I D T d e s i g n s ( a ) i s t h e D S F d e s i g n d a t a ( b ) i s t h e P R D S F d e s i g n d a t a ( c ) i s t h e U D S F d e s i g n d a t a

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9 5 ( a ) ( b ) ( c ) F i g u r e 3 5 C o m p a r i s o n o f s i m u l a t e d S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s t o t h e a d d i t i o n o f a p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e C h a n g e o f S A W v e l o c i t y c a l c u l a t e d f r o m F E M s i m u l a t i o n d a t a s h o w n a s a f u n c t i o n o f p o l y s t y r e n e t h i c k n e s s f o r t h e t h r e e d e s i g n s ( a ) i s t h e D S F d e s i g n d a t a ( b ) i s t h e P R D S F d e s i g n d a t a ( c ) i s t h e U D S F d e s i g n d a t a

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9 6 F r o m t h e s i m u l a t i o n d a t a i n F i g u r e 3 3 a n d F i g u r e 3 5 t h e r e s u l t i n g s e n s i t i v i t i e s o f t h e d i f f e r e n t I D T s e n s o r d e s i g n s h a v e b e e n c a l c u l a t e d T h e s e n s i t i v i t y i s b a s e d o n t h e a p p l i c a t i o n o f a 1 0 0 p g i d e a l m a s s a p p l i e d o v e r a 9 6 x 1 0 9 m 2 a r e a A s s h o w n i n F i g u r e 3 6 a t h e s e n s i t i v i t y o f t h e s t a n d a r d D S F d e s i g n i s s i g n i f i c a n t l y b e t t e r t h a n t h e D S F w a v e g u i d e d e v i c e a s w e l l a s t h e p r u n e d a n d U D S F d e s i g n w i t h o u t w a v e g u i d e O n l y t h e o p t i m i z e d w a v e g u i d e U D S F d e s i g n h a s a g r e a t e r c o m b i n e d s e n s i t i v i t y a s d e f i n e d b y t h e s q u a r e r o o t o f t h e s u m m a t i o n o f t h e s q u a r e s o f t h e c h a n g e i n v e l o c i t y a n d c h a n g e i n v o l t a g e A s s h o w n i n F i g u r e 3 6 b t h e D S F s e n s o r w i t h o u t a w a v e g u i d e a g a i n h a s a v e r y l a r g e r e s p o n s e t o t h e 1 0 0 p g i d e a l m a s s i n d i c a t i n g t h a t t h e a c o u s t i c w a v e i s s e v e r e l y a t t e n u a t e d b y s e v e r a l d e c i b e l s F u r t h e r i n s p e c t i o n o f t h e d a t a s h o w n i n F i g u r e 3 6 s h o w s t h e U D S F R d e s i g n t o n o t b e e a s i l y a t t e n u a t e d a n d s t i l l p r o v i d e a l a r g e r e s p o n s e t o s m a l l m a s s e s I t i s e x p e c t e d t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s w o u l d f o l l o w t h e s a m e t r e n d i f t h e s a m e p r e c i s i o n w e r e p o s s i b l e

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9 7 ( a ) ( b ) F i g u r e 3 6 C o m p a r i s o n o f i n h o u s e S A W d e v i c e d e s i g n s r e s p o n s e s t o t h e a d d i t i o n o f a 1 0 0 p g i d e a l m a s s a c r o s s 9 6 x 1 0 9 m 2 a r e a ( a ) C o m b i n e d s e n s i t i v i t y a s c a l c u l a t e d f r o m F E M s i m u l a t i o n d a t a f o r t h e t h r e e d e s i g n s b o t h w i t h o u t ( l e f t b a r s ) a n d w i t h ( r i g h t b a r s ) a n o p t i m i z e d w a v e g u i d e ( b ) A t t e n u a t i o n s e n s i t i v i t y a s c a l c u l a t e d f r o m F E M s i m u l a t i o n d a t a f o r t h e t h r e e d e s i g n s b o t h w i t h o u t ( l e f t b a r s ) a n d w i t h ( r i g h t b a r s ) a n o p t i m i z e d w a v e g u i d e 5 4 C o n c l u s i o n M e a s u r e m e n t s f r o m t h e a p p l i c a t i o n o f t h e p o l y s t y r e n e f i l m t o t h e S H S A W d e v i c e s s h o w t h a t i n s e r t i o n l o s s a n d a c o u s t i c v e l o c i t y w e r e b o t h r e d u c e d a t t h e o p t i m a l t h i c k n e s s e s T h e s e t w o m e a s u r e m e n t s v e r i f i e d t h e a p p l i c a t i o n o f t h e p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e w a s t r a p p i n g e n e r g y t h u s c r e a t i n g L o v e w a v e s

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9 8 T h e w a v e g u i d e s w e r e s t u d i e d b a s e d o n t h e t h r e e m e a s u r e m e n t s o f t h i c k n e s s i n s e r t i o n l o s s a n d a c o u s t i c v e l o c i t y T h e w a v e g u i d e t h i c k n e s s w a s u s e d a s t h e r e f e r e n c e t o c o m p a r e t h e i n s e r t i o n l o s s o f t h e d e v i c e s a s w e l l a s t h e a c o u s t i c v e l o c i t y T h e m a x i m u m d e c r e a s e w a s f o u n d i n a t t e n u a t i o n f o r t h e U D S F d e s i g n t o b e a t ~ 0 5 0 m T h i s c o r r e s p o n d s t o t h e t h i c k n e s s o f t h e a c o u s t i c w a v e g u i d e t h a t i s t r a p p i n g t h e m a x i m u m e n e r g y f r o m t h e L i T a O 3 s u b s t r a t e f o r m i n g t h e L o v e w a v e s T h i s m a x i m u m s h o w s t h a t t h r o u g h t h e a p p r o p r i a t e c o a t i n g i t i s p o s s i b l e t o r e d u c e t h e i n s e r t i o n l o s s o f t h i s S H S A W s e n s o r s y s t e m b y ~ 3 d B l e a d i n g t o l o w e r p o w e r c o n s u m p t i o n o f t h e s y s t e m T h r o u g h t h e u s e o f t i m e d o m a i n m e a s u r e m e n t s t h e v e l o c i t y o f t h e S A W i s c a l c u l a t e d A t t h e o p t i m u m w a v e g u i d e t h i c k n e s s ( ~ 0 5 m ) a m i n i m u m i s f o u n d T h e a c o u s t i c v e l o c i t y m i n i m u m v e r i f i e s t h a t t h e a c o u s t i c w a v e i s b e i n g s l o w e d d o w n a s a c o n d i t i o n o f f o r m i n g L o v e w a v e s T h e s a m e I D T d e s i g n s w e r e s i m u l a t e d u s i n g F E M t o f i n d t h e o p t i m a l t h i c k n e s s f o r a g u i d i n g l a y e r o f p o l y s t y r e n e a n d c a l c u l a t e d a n e f f e c t i v e s e n s i t i v i t y o f t h e d i f f e r e n t d e s i g n s T h e F E M s o l u t i o n s w e r e f o u n d t o q u a l i t a t i v e l y a g r e e w i t h e x p e r i m e n t a l d a t a A s i g n i f i c a n t f a c t o r f o r t h e d i f f e r e n c e s i n d a t a i s t h e s l i g h t l y d i f f e r e n t f r e q u e n c i e s o f t h e e x p e r i m e n t a l a n d s i m u l a t e d d e v i c e s T h e s i m p l i f i c a t i o n f r o m e x p e r i m e n t a l t o s i m u l a t i o n n a m e l y t h e r e d u c t i o n o f I D T s a n d t h e u s e o f m a s s l e s s t r a n s d u c e r s t h a t d o e s n o t a l l o w t h e s i m u l a t i o n t o a c c o u n t f o r d i s p e r s i o n a s s o c i a t e d w i t h t h e a d d e d b u l k m a t e r i a l i s a l i k e l y s o u r c e o f t h e a d d i t i o n a l d i f f e r e n c e s F u t u r e w o r k i s i n p r o g r e s s t o s h o w t h e e f f e c t o f t r a n s d u c e r m a s s o n t h e o p t i m i z a t i o n o f w a v e g u i d e s a n d I D T d e s i g n F i n a l l y f r o m F E s i m u l a t i o n d a t a t h e e f f e c t i v e s e n s i t i v i t y w a s c a l c u l a t e d f o r t h e d i f f e r e n t I D T d e s i g n s t e s t e d b o t h w i t h a b a r e d e l a y p a t h a n d a n o p t i m i z e d w a v e g u i d e

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9 9 t h i c k n e s s R e s u l t s f r o m t h e d a t a s u g g e s t t h e e f f o r t s a p p l i e d t o a d v a n c e d I D T d e s i g n s s u c h a s t h e U D S F o n e p r e s e n t e d i n t h i s p a p e r c a n l e a d t o s e n s o r s w i t h s i g n i f i c a n t l y g r e a t e r s e n s i t i v i t y a s w e l l a s g r e a t l y r e d u c e d p o w e r r e q u i r e m e n t s

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1 0 0 C h a p t e r 6 S u r f a c e A c o u s t i c W a v e B i o s e n s o r f o r I n t e r l e u k i n 6 T h e d e v e l o p m e n t o f a b i o s e n s o r f o r I n t e r l e u k i n 6 a t l e v e l s r e q u i r e d f o r p h y s i o l o g i c a l r e l e v a n c e I n t e r l e u k i n 6 i s a p r o i n f l a m m a t o r y c y t o k i n e i n v o l v e d i n t h e b o d y s p a t h o p h y s i o l o g i c r e s p o n s e t o i n j u r y d u e t o v a r i o u s c a u s e s e g t r a u m a b u r n s s e p s i s a n d d i s e a s e T h e s e n s o r c o n f i g u r a t i o n w a s o p t i m i z e d t o p r o v i d e a s u b s t a n t i a l l y i m p r o v e d r e s p o n s e i n c o m p a r i s o n w i t h t r a d i t i o n a l S A W s e n s o r s T h e S A W b i o s e n s o r w a s f a b r i c a t e d i n 3 6 Y X L i T a O 3 t o g e n e r a t e s h e a r h o r i z o n t a l ( S H ) w a v e s u s i n g t h e h i g h e l e c t r o m e c h a n i c a l c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y o f t h i s s u b s t r a t e m a t e r i a l T h e b i o s e n s o r s w e r e c o a t e d w i t h a n o p t i m a l t h i c k n e s s p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e e n a b l i n g L o v e w a v e g e n e r a t i o n a n d i n c r e a s e d s e n s i t i v i t y T h e b i o s e n s o r w a s f a b r i c a t e d u s i n g a n a n t i h u m a n I n t e r l e u k i n 6 b i o s e n s o r f i l m p h y s i c a l l y a d s o r b e d t o t h e p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e o f t h e s e n s o r D a t a w e r e c o l l e c t e d u s i n g a h o m e b u i l t s e n s o r c i r c u i t c o n n e c t e d t o a m u l t i m e t e r a n d p e r s o n a l c o m p u t e r f o r d a t a a c q u i s i t i o n a n d w e r e v e r i f i e d u s i n g f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y T h e d a t a r e s u l t i n t h e c o n c l u s i o n t h a t t h e L o v e w a v e S A W b i o s e n s o r d e v e l o p e d c a n b e e f f i c i e n t l y u s e d f o r t h e s e n s i n g o f h u m a n I n t e r l e u k i n 6

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1 0 1 6 1 I n t r o d u c t i o n T h e r e a r e m a n y t y p e s o f b i o s e n s o r s t h a t h a v e b e e n u s e d f o r s e n s i n g o f b i o m a r k e r s [ 9 1 0 1 3 5 1 6 9 9 4 9 9 ] S u r f a c e a c o u s t i c w a v e ( S A W ) d e v i c e s a r e o n e t y p e t h a t h a s a p r o v e n r e c o r d t o f o r c h e m i c a l s e n s i n g a s w e l l [ 1 2 1 0 0 1 0 4 ] T h e s e d e v i c e s u t i l i z e a n a c o u s t i c w a v e w i t h m o s t o f i t s e n e r g y c o n f i n e d n e a r t o t h e s u r f a c e a s a s e n s i n g e l e m e n t A s t h e w a v e p r o p a g a t e s a c r o s s t h e s u r f a c e o f t h e s e n s o r s m a l l p e r t u r b a t i o n s t o t h e w a v e c a n b e m e a s u r e d a s a c h a n g e o f t h e a c o u s t i c w a v e ’ s m a g n i t u d e a n d v e l o c i t y A l t h o u g h t h e S A W d e v i c e s a r e s e n s i t i v e t o m a n y t y p e s o f p e r t u r b a t i o n s t h e o n e t h a t i s o f t e n s o u g h t a n d i s p r e d o m i n a t e i s m a s s c h a n g e o n t h e s u r f a c e T h u s t h e d e t e c t i o n l i m i t o f a t y p i c a l S A W s e n s o r i s a f e w p i c o g r a m s W h i l e w o r k i n g w i t h s o l u t i o n s d e t e c t i o n l i m i t i s o n t h e o r d e r o f p i c o g r a m s p e r m i l l i l i t e r o f s o l u t i o n B i o s e n s i n g a p p l i c a t i o n s s u c h a s t h e o n e d e s c r i b e d h e r e r e q u i r e t h e c o n s i d e r a t i o n o f e n e r g y l o s s t o v i s c o u s e n v i r o n m e n t s t h e s e n s o r i s r e q u i r e d t o o p e r a t e i n S A W s e n s o r s t h a t c a n b e u s e d i n c h e m i c a l v a p o r s e n s i n g a r e n o t v i a b l e o p t i o n s f o r b i o s e n s i n g ; t h e r e f o r e a d i f f e r e n t t y p e o f S A W i s n e e d e d A s a s o l u t i o n s h e a r h o r i z o n t a l S A W d e v i c e s h a v e b e e n f o u n d t o w o r k w e l l T h e S H S A W d o e s n o t c o n t a i n a v e r t i c a l c o m p o n e n t o f m o t i o n a n d t h u s d o e s n o t l o s e m u c h e n e r g y i n t o v i s c o u s f l u i d s t h a t a r e o n t h e s e n s o r s s u r f a c e S H S A W s e n s o r s h a v e b e e n u s e d s u c c e s s f u l l y i n t h e d e t e c t i o n o f b i o m a r k e r s [ 1 2 3 3 4 6 9 9 5 1 0 5 1 0 9 ] O f p a r t i c u l a r i n t e r e s t t o t h e w o r k d e s c r i b e d h e r e i n i s t h e S H S A W s e n s o r t h a t u s e s a t h i n f i l m g u i d i n g l a y e r t o f o r m L o v e w a v e s T h e g u i d i n g l a y e r s c o m m o n l y u s e d a r e a p o l y m e r o x i d e o r a c o m b i n a t i o n o f t h e t w o m a t e r i a l s t o a c h i e v e a d e s i r e d p r o p e r t y [ 7 1

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1 0 2 7 2 1 0 7 1 1 0 ] W i t h t h e a d d i t i o n o f t h e g u i d i n g l a y e r t h a t m e e t s t h e c o n d i t i o n s t h a t f o r t h e g e n e r a t i o n o f L o v e w a v e s f o r t h e m o s t s e n s i t i v e s e n s o r 1 ) t h e l o w e s t m o d e w a v e i s r e q u i r e d 2 ) t h e g r e a t e r t h e r a t i o o f s u b s t r a t e t o g u i d i n g l a y e r s h e a r w a v e v e l o c i t y d e n s i t y o r b o t h i s r e q u i r e d [ 7 3 ] T h e S H S A W d e v i c e c a n b e c o m e 2 0 t i m e s m o r e s e n s i t i v e t o s u r f a c e p e r t u r b a t i o n s t h r o u g h t h e c o n f i n e m e n t o f t h e w a v e e n e r g y i n t h e g u i d i n g l a y e r [ 2 2 ] T o r e a l i z e a L o v e w a v e s e n s o r f i r s t t h e S A W m u s t b e o f t h e s h e a r h o r i z o n t a l n a t u r e T h i s t y p e o f w a v e i s f o u n d i n m a n y c o m m o n c r y s t a l l i n e c u t s i n c l u d i n g q u a r t z ; h o w e v e r m o r e r e c e n t l y f o u n d p i e z o e l e c t r i c c r y s t a l s a n d c u t s p r o v i d e h i g h e r v e l o c i t i e s i m p r o v e s e n s o r c h a r a c t e r i s t i c s 3 6 Y X L i T a O 3 i s o n e s u c h m a t e r i a l t h a t p r o d u c e s a s u i t a b l e w a v e o v e r 4 0 0 0 m / s w h e r e a s t y p i c a l q u a r t z v e l o c i t i e s a r e a r o u n d 3 0 0 0 m / s [ 7 1 1 1 1 1 1 2 ] N o t o n l y d o e s t h i s e x t r a v e l o c i t y g i v e a h i g h e r f r e q u e n c y S A W d e v i c e b u t a l s o a g r e a t e r d i f f e r e n t i a l b e t w e e n t h e v e l o c i t y o f t h e g u i d i n g l a y e r a n d s u b s t r a t e I n t e r l e u k i n 6 h a s b e e n k n o w n f o r m a n y y e a r s t o b e a n a g e n t i n t h e i n f l a m m a t o r y p r o c e s s b u t u n t i l r e c e n t s t u d i e s t h e i m p o r t a n c e a n d t i m i n g o f t h e u p r e g u l a t i o n h a s n o t b e e n k n o w n S t u d i e s b o t h o n a n i m a l m o d e l s a n d h u m a n p a t i e n t s s h o w e l e v a t e d l e v e l s o f I L 6 i n d i c a t e t r a u m a t i c i n j u r i e s m u l t i p l e o r g a n f a i l u r e s a n d u l t i m a t e l y c a n b e u s e d a s a n e a r l y i n d i c a t o r ( 3 6 h o u r s f r o m t i m e o f i n j u r y ) o f m o r t a l i t y [ 1 1 3 1 1 7 ] F o r t h e s e r e a s o n s I L 6 w a s c o n s i d e r e d t o b e a g o o d f i r s t b i o m a r k e r t o e s t a b l i s h a b i o s e n s o r f o r c a r d i a c t r a u m a H e a l t h y a d u l t s h a v e I L 6 l e v e l s t y p i c a l l y < 1 0 p g / m l a n d d i s e a s e d i n d i v i d u a l s h a v e I L 6 l e v e l s u p t o n g / m l l e v e l s [ 1 1 7 ] W h e n a n o t h e r w i s e h e a l t h y i n d i v i d u a l i s i n j u r e d I L 6 l e v e l s c a n r e a c h 2 5 0 p g / m l T h e i n c r e a s e i n I L 6 c o n c e n t r a t i o n w a s s e e n w i t h i n 3 h o u r s o f t r a u m a a n d t h e l e v e l p e a k e d 6 h o u r s a f t e r t h e t r a u m a o c c u r r e d T h e f a s t

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1 0 3 r e s p o n s e o f t h e I L 6 c a n b e a t t r i b u t e d t o b e i n g p a r t o f a l a r g e r c y t o k i n e p r o i n f l a m m a t o r y r e s p o n s e [ 1 1 8 ] A l t h o u g h a n i m a l m o d e l s a r e u s e d t o r e p r e s e n t h u m a n r e s p o n s e s t h e r e a r e s o m e d i s t i n c t d i f f e r e n c e s t h a t a r e i m p o r t a n t t o c o n s i d e r i n d e v e l o p i n g a b i o s e n s o r O f p r i m a r y c o n c e r n a r e t h e n o r m a l a n d e l e v a t e d l e v e l s o f I L 6 f o u n d f r o m t r a u m a s I n m i c e i n j u r i e s r e s u l t i n I L 6 l e v e l s u p t o 1 0 0 0 0 p g / m l O f s i g n i f i c a n c e f o r s e n s i n g m i c e w i t h I L 6 l e v e l s > 3 0 0 0 p g / m l t y p i c a l l y h a d a h i g h e r 3 d a y m o r t a l i t y r a t e t h a n t h o s e w i t h < 2 0 0 0 p g / m l I L 6 [ 1 1 4 1 1 6 ] T h r o u g h o u t t h e s t u d i e s I L 6 w a s f o u n d t o h a v e a n o r m a l r e l a t i v e m o l e c u l a r m a s s r a n g i n g f r o m 2 1 k D t o 3 0 k D d e p e n d i n g o n t h e s o u r c e a n d m e t h o d u s e d t o p r o d u c e [ 1 1 7 ] a n d t h e a s s a y s u s e d i n t h e s t u d i e s h a d a s e n s i t i v i t y > 1 p g / m l [ 1 1 7 ] 6 2 M a t e r i a l s a n d M e t h o d s L o v e w a v e b i o s e n s o r s r e q u i r e d i f f e r e n t p a r t s t o b e a s s e m b l e d T h e p i e z o e l e c t r i c s u b s t r a t e p r o v i d e s t h e b a s i s o f a l l o f t h e S A W w o r k I n t h i s w o r k L i T a O 3 w a s u s e d f o r i t s u n i q u e p r o p e r t i e s o f a h i g h c o u p l i n g c o e f f i c i e n t a n d a n e a r l y p u r e s h e a r h o r i z o n t a l w a v e w h e n r o t a t e d 3 6 d e g r e e s O n t h e s u b s t r a t e t h e S A W i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r s a r e p a t t e r n e d a n d d e p o s i t e d u s i n g p h o t o l i t h o g r a p h y a n d t h e w a v e g u i d e a t a n o p t i m a l t h i c k n e s s i s a p p l i e d T h e f i n a l s t e p t o c r e a t e a b i o s e n s o r i s t h e f u n c t i o n a l i z a t i o n o f t h e s u r f a c e w i t h a b i o m a r k e r s e n s i t i v e m a t e r i a l I n t h e c a s e o f t h i s p a p e r t h e w a v e g u i d e s u r f a c e i s f u n c t i o n a l i z e d w i t h a n a n t i b o d y

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1 0 4 6 2 1 S A W D e v i c e D e s i g n a n d F a b r i c a t i o n S H S A W d e v i c e s w e r e f a b r i c a t e d o n s i n g l e s i d e p o l i s h e d 3 6 Y X L i T a O 3 3 ” w a f e r s o b t a i n e d f r o m S a w y e r R e s e a r c h W a f e r s w e r e i n i t i a l l y c l e a n e d w i t h a s o l v e n t r i n s e c o n s i s t i n g o f a c e t o n e m e t h a n o l i s o p r o p a n o l a n d d e i o n i z e d w a t e r a n d s u b s e q u e n t l y d r i e d w i t h n i t r o g e n W a f e r s w e r e t h e n p r o c e s s e d w i t h a s t a n d a r d p h o t o l i t h o g r a p h i c p r o c e s s t o p a t t e r n t h e S A W d e l a y l i n e s A t h r e e l a y e r m e t a l l i z a t i o n w a s d o n e w i t h e b e a m e v a p o r a t i o n w i t h o u t b r e a k i n g t h e v a c u u m T h e d e p o s i t e d t h r e e l a y e r m e t a l f i l m c o n s i s t e d o f a 1 0 n m t i t a n i u m a d h e s i o n l a y e r 7 0 n m g o l d a n d a 1 0 n m t i t a n i u m a d h e s i o n l a y e r F o l l o w i n g l i f t o f f p r o c e s s i n g a n d q u a l i t y i n s p e c t i o n w a f e r s w e r e c o a t e d w i t h a p r o t e c t i v e l a y e r o f p h o t o r e s i s t a n d d i c e d b y A m e r i c a n D i c i n g i n t o i n d i v i d u a l d e v i c e s D e l a y l i n e S H S A W d e v i c e s e m p l o y e d a w e i g h t i n g t e c h n i q u e o f u s i n g o n e / 4 f i n g e r f o l l o w e d b y a d o u b l e s p l i t f i n g e r w i t h e a c h p a r t / 8 w i d e t o m a k e u p o n e f i n g e r p a i r [ 1 9 1 1 9 ] S u c h a d e s i g n g e n e r a t e s w a v e s t h a t a r e d i r e c t i o n a l [ 8 1 ] t h u s m o r e e n e r g y s e n t a c r o s s t h e d e l a y p a t h T h i s d e s i g n i s r e f e r r e d t o a s a s i n g l e p h a s e u n i d i r e c t i o n a l t r a n s d u c e r ( S P U D T ) a n d i t h a s t h e a d v a n t a g e s o f l o w i n t e r f e r i n g r e f l e c t i o n s a n d l o w i n s e r t i o n l o s s [ 8 3 ] E a c h t r a n s d u c e r c o n s i s t e d o f 3 0 f i n g e r p a i r s a n d h a d a n a p e r t u r e o f 4 7 T h e d e l a y l i n e w a s s h o r t e d w i t h a c e n t e r t o c e n t e r l e n g t h o f 1 9 7

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1 0 5 6 2 2 W a v e g u i d e A p p l i c a t i o n a n d M e a s u r e m e n t I n d i v i d u a l d e v i c e s w e r e w a s h e d w i t h s o l v e n t s t o r e m o v e t h e p r o t e c t i v e p h o t o r e s i s t c o a t i n g D e v i c e s w e r e t h e n p l a c e d i n a n a i r p l a s m a c l e a n e r ( H a r r i c k P l a s m a s t e r i l i z e r / c l e a n e r ) f o r 3 0 m i n u t e s T h e p l a s m a c l e a n e r e n s u r e d a l l o r g a n i c c o n t a m i n a n t s w e r e r e m o v e d t o p r o v i d e t h e b e s t p o s s i b l e s u r f a c e f o r w a v e g u i d e a t t a c h m e n t 2 8 0 0 0 0 m o l e c u l a r w e i g h t p o l y s t y r e n e ( A l d r i c h ) w a s d i s s o l v e d i n e t h y l b e n z e n e ( A l d r i c h ) t o v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s g i v i n g s p i n c o a t e d t h i c k n e s s e s o f 4 5 – 1 2 0 0 n m F o l l o w i n g t h e s p i n c o a t i n g d e v i c e s w e r e c u r e d f o r 1 h o u r a t 1 4 0 C W i t n e s s p l a t e s w e r e c o a t e d a n d c u r e d i n p a r a l l e l w i t h t h e d e v i c e s f o r a d d i t i o n a l p r o f i l o m e t r y m e a s u r e m e n t s W a v e g u i d e s w e r e m e a s u r e d f o r t h r e e c h a r a c t e r i s t i c s : 1 ) t h i c k n e s s u s i n g a T e n c o r p r o f i l o m e t e r 2 ) i n s e r t i o n l o s s u s i n g a n A g i l e n t 8 7 5 3 E S s p a r a m e t e r n e t w o r k a n a l y z e r a n d 3 ) a c o u s t i c v e l o c i t y u s i n g a t i m e d o m a i n t r a n s f o r m o f t h e A g i l e n t 8 7 5 3 E S n e t w o r k a n a l y z e r T h e c o m b i n a t i o n s o f t h e s e m e a s u r e m e n t s f o r m a c o m p l e t e p i c t u r e t o c h o o s e a n o p t i m a l w a v e g u i d e t h i c k n e s s A l l R F m e a s u r e m e n t s w e r e a u t o m a t e d w i t h L a b V i e w 7 0 a n d r e c o r d e d o n a s t a n d a r d P C t h r o u g h G P I B T h e a u t o m a t i o n c o n s i s t e d o f c o n t r o l l i n g t h e n e t w o r k a n a l y z e r t o s c a n t h e s p a r a m e t e r s f o r s i g n a l t r a n s m i s s i o n a c r o s s 1 6 0 1 p o i n t s f o l l o w e d b y t h e p h a s e T h e s y s t e m n e x t s w i t c h e d t o t h e t i m e d o m a i n a n d p r e f o r m e d a 1 6 0 1 p o i n t s c a n o f t h e t i m e d o m a i n t o c a l c u l a t e t h e v e l o c i t y o f t h e a c o u s t i c w a v e s A d d i t i o n a l a n a l y s i s n o n a u t o m a t e d o f s e l e c t e d d e v i c e s w a s d o n e s u c h a s a p p l y i n g g a t i n g t o m e a s u r e t h e e f f e c t o f b u l k a c o u s t i c w a v e s t r i p l e t r a n s i e n t s i g n a l s a n d i n t e r n a l I D T

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1 0 6 r e f l e c t i o n s o f t h e d i f f e r e n t S A W d e v i c e d e s i g n s w h i l e t h e i n s t r u m e n t w a s i n t h e t i m e d o m a i n 6 2 3 A n t i b o d y A t t a c h m e n t t o W a v e g u i d e L o v e w a v e d e v i c e s w e r e d r i e d w i t h n i t r o g e n t h e n c o a t e d w i t h a n t i h u m a n I L 6 i n P B S p H 7 4 a n d a l l o w e d t o a d s o r b t h e p r o t e i n f o r 2 0 m i n u t e s A f t e r t h e a d s o r p t i o n t h e d e v i c e s w e r e r i n s e d t h o r o u g h l y i n P B S t o r e m o v e n o n b o u n d p r o t e i n s T h e t i m e b e t w e e n a n d a t t a c h m e n t a n d u s e o f t h e s e n s o r w a s m i n i m i z e d A d d i t i o n a l l y b e t w e e n t h e a t t a c h m e n t a n d u s e s e n s o r s w e r e k e p t i n a h i g h h u m i d i t y c h a m b e r t o p r e v e n t d e g r a d a t i o n a n d l o s s o f a c t i v i t y o f t h e a n t i b o d i e s 6 2 4 E x p e r i m e n t a l S e t u p I n d i v i d u a l b i o s e n s o r s o n c e p r e p a r e d w i t h t h e a n t i b o d y c o a t i n g s w e r e m o u n t e d i n a m i c r o f l u i d i c t e s t f i x t u r e T h e t e s t f i x t u r e s e r v e d a s a u n i o n o f s e n s o r a n a l y t e s o l u t i o n s a n d e l e c t r i c a l c o n n e c t i o n s t o m e a s u r e t h e p e r t u r b a t i o n s t o t h e a c o u s t i c w a v e A l l s a m p l e s w e r e a l l o w e d t o e q u i l i b r a t e t o t e m p e r a t u r e p r i o r t o p e r f o r m i n g t h e e x p e r i m e n t s a t a c o n s t a n t t e m p e r a t u r e L o v e w a v e d e v i c e s w e r e m o u n t e d i n a m i c r o f l u i d i c t e s t f i x t u r e t h a t h a d a l e x a n v i e w i n g w i n d o w s p r i n g l o a d e d c o n t a c t s R F c o n n e c t o r s a n d a n a l u m i n u m h e a t s i n k

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1 0 7 T h e l e x a n v i e w i n g w i n d o w w a s u s e d t o v e r i f y n o a i r b u b b l e s i n t e r f e r e d w i t h t h e s e n s i n g w h i l e t h e a l u m i n u m h e a t s i n k a d d e d t o t h e t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y o f t h e d e v i c e T h e s p r i n g l o a d e d c o n t a c t s c o n n e c t e d t h e L o v e w a v e d e v i c e w i t h t h e R F c o n n e c t o r s t h r o u g h a p r i n t e d c i r c u i t b o a r d T h e m i c r o f l u i d i c f i x t u r e w a s s u p p l i e d f l u i d a t a c o n s t a n t r a t e o f 1 5 0 l / m i n v i a a s y r i n g e p u m p ( H a r v a r d A p p a r a t u s P H D 2 0 0 0 ) a n d a 6 w a y m u l t i p o r t v a l v e ( S c i v e x ) u s e d t o s w i t c h t o a n d f r o m a 0 1 5 0 m l i n j e c t i o n c o l u m n A d d i t i o n a l l y a l l f l u i d s w e r e d e g a s s e d p r i o r t o e n t e r i n g t h e m i c r o f l u i d i c c h a m b e r t h r o u g h t h e u s e o f a f r i t ( U p c h u r c h S c i e n t i f i c ) T h e s e n s i n g c h a m b e r h a s a v o l u m e o f 6 8 l 6 2 5 D a t a A c q u i s i t i o n D a t a f r o m t h e s e n s o r w a s a c q u i r e d u s i n g a p h a s e c o m p a r a t o r c i r c u i t c o n n e c t e d t o a m u l t i m e t e r ( K e i t h l e y 2 0 1 0 ) c o n t r o l l e d t h r o u g h a L a b V i e w i n t e r f a c e T h e i n p u t s i g n a l w a s g e n e r a t e d f r o m a s i g n a l g e n e r a t o r ( R h o d e & S w a r z S M A 1 0 0 A ) a n d s p l i t i n t o a r e f e r e n c e l i n e c o n n e c t e d d i r e c t l y t o t h e p h a s e c o m p a r a t o r c i r c u i t a n d t h e s e n s o r l i n e t h a t w a s c o n n e c t t h r o u g h t h e L o v e w a v e d e l a y p a t h t o t h e p h a s e c o m p a r a t o r T h e f r e q u e n c y w a s c h o s e n t o p r o v i d e a l i n e a r p h a s e r e s p o n s e c l o s e t o t h e d e s i g n f r e q u e n c y o f 1 3 0 M H z

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1 0 8 6 3 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n F o l l o w i n g t h e m e t h o d s d e s c r i b e d a b o v e t h e S A W s e n s o r s w e r e p r e p a r e d w i t h a p o l y s t y r e n e g u i d i n g l a y e r t o p r o d u c e L o v e w a v e s f o r e n h a n c e d s e n s i t i v i t y C h a p t e r 5 d e s c r i b e s t h e o p t i m i z a t i o n o f t h e s e l a y e r s f o r u s e i n s e n s o r s s p e c i f i c a l l y a n I L 6 b i o s e n s o r d e s c r i b e d i n t h i s c h a p t e r F o r t h e p u r p o s e s o f t h e I L 6 b i o s e n s o r t h e p o l y s t y r e n e w a v e g u i d e w a s a p p l i e d t o t h e S A W s e n s o r s l i g h t l y t h i n n e r t h a n o p t i m a l t o e n s u r e n o t o v e r s h o o t i n g a n d d e c r e a s i n g t h e s e n s i t i v i t y w h e n a n t i b o d i e s a n d a n t i g e n s a r e a t t a c h e d t o t h e s e n s o r s u r f a c e V e r i f i c a t i o n o f t h e t h i c k n e s s o f e a c h l a y e r w a s d o n e o n a s i l i c o n ( S i ) w a f e r w i t h a n a t i v e o x i d e f i l m o f 1 6 4 8 3 a s g i v e n i n T a b l e 7 a s a n d r v a l u e s f r o m e l l i p s o m e t e r m e a s u r e m e n t s T a b l e 7 E l l i p s o m e t r y d a t a f o r I L 6 b i o s e n s o r l a y e r s L a y e r r S i O 2 1 7 4 4 1 1 0 4 3 P S ( 2 5 0 0 r p m ) 9 9 2 0 2 0 1 4 B i o t i n y l a t e d A n t i H u m a n I L 6 1 1 0 0 8 1 8 6 4 A l e x a 4 8 8 l a b e l e d H u m a n I L 6 8 1 2 0 2 9 5 0 6 3 1 S e n s o r E v a l u a t i o n T o e v a l u a t e s e n s o r m a s s s e n s i t i v i t y B S A w a s f l o w e d a c r o s s t h e s e n s o r a t v a r i o u s l e v e l s t h a t w o u l d n o t s a t u r a t e t h e s u r f a c e F r o m t h e s e e x p e r i m e n t s t h e s e n s o r a n d e l e c t r o n i c s w e r e f o u n d t o h a v e a n o i s e l e v e l o f 0 0 0 3 4 p h a s e w i t h a m a s s s e n s i t i v i t y o f

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1 0 9 0 9 7 t o 0 0 0 8 3 d e g c m 2 / g T h e v a r i a t i o n o f t h e m a s s s e n s i t i v i t y i s a r e s u l t o f a l a r g e r a n g e o f c o n c e n t r a t i o n s t e s t e d ( 6 n g / m l t o 6 0 g / m l ) T h e h i g h e s t c o n c e n t r a t i o n s e x c e e d e d t h e l i n e a r r e g i m e o f t h e s e n s o r a s s h o w n i n F i g u r e 3 7 I n l i g h t o f t h e n o n l i n e a r b e h a v i o r o f t h e s e n s o r a l l r e s p o n s e s w e r e r e p e a t a b l e a n d c o m p l e t e w i t h i n 2 0 s e c o n d s o f i n j e c t i o n E v e n t h i s s l o w r e s p o n s e c a n b e a t t r i b u t e d t o t r a n s p o r t a n d d i f f u s i o n l i m i t a t i o n o f t h e m i c r o f l u i d i c t e s t s y s t e m F i g u r e 3 7 S e n s i t i v i t y d e t e r m i n a t i o n u s i n g B S A a t v a r i o u s c o n c e n t r a t i o n s f r o m 6 n g / m l t o 6 0 0 0 0 n g / m l 1 00 1 01 1 02 1 03 1 04 1 05 0 0 5 0 1 0 1 5 0 2 0 2 5 0 3 0 3 5 0 4 0 4 5 0 5 0 5 5 D P h a s e C o n c e n t r a t i o n ( n g / m l )

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1 1 0 6 3 2 I n t e r l e u k i n 6 S e n s i n g T h e p o l y s t y r e n e c o a t e d 3 6 Y X L i T a O 3 S H S A W s e n s o r s w e r e p r e p a r e d a c c o r d i n g t o s e c t i o n 6 2 3 F o l l o w i n g t h e s u r f a c e a t t a c h m e n t t h e s e n s o r s w e r e i n s e r t e d i n t o t h e m i c r o f u l i d i c t e s t f i x t u r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 5 T h e s e n s o r w a s g i v e n 4 m i n u t e s t o e q u i l i b r a t e t o c o n d i t i o n s o f t h e m i c r o f l u i d i c t e s t f i x t u r e P B S p H 7 4 w a s u s e d a s t h e c a r r i e r o f a n t i g e n s T o c o n t r o l t h e i n j e c t i o n s o f h u m a n I L 6 a n i n j e c t i o n l o o p o f 0 1 5 0 m l w a s u s e d T h e e x p e r i m e n t a l d a t a s h o w n i n F i g u r e 3 8 i s t h e r e s u l t o f a s e r i e s o f c o n s e c u t i v e i n j e c t i o n s h u m a n I L 6 i n t o t h e m i c r o f l u i d i c s y s t e m T h e d a t a s h o w n o n t h e r i g h t s i d e o f t h e g r a p h i s t h e t o t a l a n t i g e n a d s o r b e d t o t h e s u r f a c e o f t h e s e n s o r A p p r o x i m a t i o n s o f t h e p o s s i b l e n u m b e r o f a n t i g e n s a b l e t o b o n d t o t h e a n t i b o d y s u r f a c e b a s e d o n t h e c o n c e n t r a t i o n s o f t h e u s e d a n t i b o d i e s t o p r e p a r e t h e s u r f a c e t h e o r e t i c a l l y 2 3 n g t o t a l m a s s w a s p o s s i b l e

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111 Figure 38 Sensor signal response to a series of human IL-6 injections onto one sensor element. The total mass accumulated on the surface is given as the right axis. 6.4 Conclusions In this study the development of a polystyrene Love-wave surface acoustic wave sensor is shown for sensing of interleukin-6 at physiologically relevant concentrations. The sensitivity of the sensor and associate measurement electronics used in this work were tested using various concentration of BSA. These results gave the necessary parameters to continue the work for IL-6 sensor development. The finally portion of this study verified the polystyrene Love-wave SAW sensor was sensitive enough for the necessary level of IL-6 to be physiologically important to animal model studies such as mice and can potentially be used in clinical studies.

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1 1 2 F u r t h e r s t u d i e s a r e n e c e s s a r y t o i m p r o v e t h e m a x i m u m a t t a c h m e n t o f a n t i b o d y a n d a n t i g e n t o t h e s e n s o r T h i s w o r k c a n b e f u r t h e r e x p a n d e d t o s e n s i n g I L 6 i n s e r u m

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1 1 3 C h a p t e r 7 S i m u l t a n e o u s S u r f a c e M a n i p u l a t i o n a n d S e n s i n g i n a B i o s e n s o r U s i n g a H e x a g o n a l S A W D e v i c e P r e s e n t e d i s t h e d e v e l o p m e n t o f a h e x a g o n a l s u r f a c e a c o u s t i c w a v e ( S A W ) d e v i c e t o s i m u l t a n e o u s l y m a n i p u l a t e b i o l o g i c a l f i l m s a n d s e n s e i n b i o s e n s o r s T h e o b j e c t i v e i s t o i m p r o v e s e n s i t i v i t y a n d s e l e c t i v i t y A h e x a g o n a l d e v i c e f a b r i c a t e d i n 3 6 Y X L i T a O 3 a l l o w s f o r p r o p a g a t i o n o f b o t h R a y l e i g h a n d s h e a r h o r i z o n t a l w a v e m o d e s s i m u l t a n e o u s l y T h e h i g h e l e c t r o a c o u s t i c c o u p l i n g i n t h i s p i e z o e l e c t r i c m a t e r i a l a l l o w s f o r e f f i c i e n t t r a n s f e r o f e n e r g y f r o m e l e c t r i c a l t o m e c h a n i c a l f o r m T h e R a y l e i g h a c o u s t i c w a v e s s t r e s s t h e b o n d s b e t w e e n t h e s e n s i n g f i l m a n d a n a l y t e f o r c i n g o n l y t h e a n a l y t e w i t h t h e h i g h e s t a f f i n i t y f o r t h e s e n s i n g f i l m t o s t a y b o u n d w h i l e t h e s h e a r h o r i z o n t a l ( S H ) w a v e s a r e u s e d f o r s e n s i n g A d d i t i o n a l l y t h e a c o u s t i c w a v e s w o r k t o e f f i c i e n t l y m i x t h e l i q u i d s a m p l e s f l o w i n g t h r o u g h t h e m i c r o c h a n n e l s o f t h e s e n s o r s y s t e m r e d u c i n g t h e e f f e c t s o f d i f f u s i o n l i m i t e d p r o c e s s e s R e s u l t s f r o m u s i n g a s e n s i n g f i l m o f a n t i m o u s e I g G c o v a l e n t l y b o u n d t o t h e s e n s o r s u r f a c e a n d m o u s e I g G a s t h e a n a l y t e i n b u f f e r s o l u t i o n h a v e s h o w n i m p r o v e d s e n s o r r e s p o n s e d e t e r m i n e d u s i n g f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p y M a n i p u l a t i o n o f l i q u i d s a m p l e s w a s a c h i e v e d b y s t r o n g l y e x c i t i n g t h e p i e z o e l e c t r i c s u b s t r a t e w i t h p o w e r l e v e l s o f ~ 1 2 m W w h i c h i s s i g n i f i c a n t l y g r e a t e r t h a n t h e 1 m W u s e d f o r s e n s i n g T h e l a r g e r

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1 1 4 e l e c t r i c a l p o w e r c r e a t e s a n a c o u s t i c w a v e v i a p i e z o e l e c t r i c c o u p l i n g t h a t c a n p h y s i c a l l y f o r c e l o o s e l y b o u n d s p e c i e s f r o m b i n d i n g s i t e s r e d u c i n g n o i s e t h a t c a n l e a d t o i n a c c u r a t e m e a s u r e m e n t s 7 1 I n t r o d u c t i o n S u r f a c e a c o u s t i c w a v e ( S A W ) s e n s o r s h a v e n o w b e e n u s e d i n m a n y a p p l i c a t i o n s i n b o t h g a s e o u s [ 1 4 0 1 2 0 ] a n d l i q u i d e n v i r o n m e n t s [ 9 5 1 0 1 1 2 1 ] T h e u s e o f a S A W a s a b i o s e n s o r i m p l i e s t h e d e v i c e m u s t n o t i n h e r e n t l y b e a t t e n u a t e d b y t h e e n v i r o n m e n t i t i s s u p p o s e d t o o p e r a t e i n F o r g e n e r a l p u r p o s e s t h i s i m p l i c a t i o n r e s t r i c t s t h e S A W b i o s e n s o r s t o S H a n d a s p e c i a l i z e d S H S A W d e v i c e t h a t c r e a t e s a L o v e m o d e w a v e f r o m a t h i n f i l m d e p o s i t e d o n i t s s u r f a c e [ 7 1 1 1 1 ] S A W s e n s o r s h a v e b e e n s h o w n t o w o r k w e l l a s h i g h s e n s i t i v i t y b i o s e n s o r s ; h o w e v e r l i k e a l l o t h e r b i o s e n s o r s n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d ( N S B ) p r o t e i n i n t e r a c t i o n s c a n c a u s e a l e s s t h a n i d e a l s e n s o r r e s p o n s e a n d d e t e r m i n a t i o n [ 5 2 7 ] S o m e p o s s i b l e r e s p o n s e s s e e n a s a r e s u l t o f N S B p r o t e i n s i n c l u d e : e x a g g e r a t e d r e s p o n s e d u e t o m u l t i l a y e r s f a l s e r e s p o n s e s d u e t o m i s c e l l a n e o u s p r o t e i n s c o v e r i n g t h e s u r f a c e a n d n o r e s p o n s e d u e t o p o o r a l i g n m e n t o f t h e f u n c t i o n a l g r o u p s M i n o r i m p r o v e m e n t s t o b i o s e n s o r r e s p o n s e s c a n b e a c h i e v e d f r o m t h o r o u g h l y r i n s i n g u s e o f u l t r a s o n i c b a t h s t o r e m o v e N S B p r o t e i n s a n d p r e t r e a t m e n t o f t h e a n a l y t e c o n t a i n i n g f l u i d s E a c h o n e o f t h e s e p r o c e s s e s a d d s t o t h e c o m p l e x i t y a n d f u n c t i o n a l i t y o f a b i o s e n s o r t o b e o p e r a t e d w i t h o u t s p e c i a l i z e d t r a i n i n g i n e v e r y d a y e n v i r o n m e n t s

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1 1 5 D e v e l o p m e n t s i n a c o u s t i c w a v e a p p l i c a t i o n s h a v e s h o w n t h e f u n c t i o n a l i t y o f n o n s p e c i f i c p r o t e i n r e m o v a l w i t h r e l a t i v e l y l o w p o w e r c o n s u m p t i o n t h u s s i g n i f i c a n t l y d e c r e a s i n g t h e u n c e r t a i n t y o f t h e s e n s o r s r e s p o n s e 7 2 M a t e r i a l s a n d M e t h o d s 7 2 1 S e n s o r D e v i c e D e s i g n T h e h e x a g o n a l S A W i s a c o m p o s i t e o f t h r e e t r a d i t i o n a l d e l a y l i n e S A W d e v i c e s r o t a t e d a b o u t t h e c e n t e r o f t h e d i e w h i c h i s a p p r o x i m a t e l y 2 0 x 2 0 m m T h e i n d i v i d u a l d e l a y l i n e d e v i c e s a r e i d e n t i c a l b i d i r e c t i o n a l i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r s ( I D T s ) w i t h a n a p e r t u r e o f 4 7 d e l a y l e n g t h o f 1 9 7 a n d f e a t u r e s i z e o f 4 m T o e l i m i n a t e u n w a n t e d w a v e s a n d e l i m i n a t e t h e e l e c t r i c a l e f f e c t t h e d e l a y p a t h i s s h o r t e d A s t a n d a r d m e t a l l i z a t i o n p r o c e d u r e o f 1 0 0 n m t i t a n i u m a d h e s i o n l a y e r f o l l o w e d b y 7 0 0 n m g o l d l a y e r w a s u s e d F i g u r e 8 i s a n i l l u s t r a t i o n o f t h e h e x a g o n a l S A W l a y o u t T h e I D T d e s i g n s t e s t e d i n c l u d e d d e s i g n c o n s i d e r a t i o n s t o i m p r o v e t h e p h a s e l i n e a r i t y a n d d e c r e a s e t h e p h a s e n o i s e [ 1 8 1 9 ] 7 2 2 M i c r o f l u i d i c S e n s o r F i x t u r e a n d T e s t b e d T h e s e n s i t i v i t y r e q u i r e d f o r d e t e c t i o n o f m a n y b i o l o g i c a l m a r k e r s i s o n t h e o r d e r o f a f e w n a n o g r a m s w h i c h i s o b t a i n a b l e b y m a n y s e n s o r s ; h o w e v e r w i t h a d v a n c e s t o

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1 1 6 S A W s e n s o r s t h e y a r e s o m e o f t h e m o s t s e n s i t i v e d e v i c e s [ 3 0 3 2 ] T h e c h a l l e n g e a s s o c i a t e d w i t h t h i s s c a l e o f m a s s s e n s i t i v i t y b e c o m e s l a r g e l y a f i x t u r e a n d t e s t p a r a m e t e r i s s u e a s a n y v a r i a t i o n i n f l u i d f l o w o r p r e s s u r e w i l l c a u s e a s i g n i f i c a n t s e n s o r r e s p o n s e [ 3 3 ] T o a d d r e s s t h i s i s s u e i t w a s d e c i d e d t o u s e a p r e c i s i o n s y r i n g e p u m p m a n u f a c t u r e d b y H a r v a r d A p p a r a t u s w h i c h u n l i k e p e r i s t a l t i c p u m p s p r o v i d e s a s m o o t h c o n t i n u o u s f l o w w i t h n o p u l s e s T h e e q u i p m e n t s h o w n i n t h e i l l u s t r a t i o n ( F i g u r e 5 ) i s h i g h l y a d a p t a b l e f o r a l l o f r e q u i r e d f l u i d r e q u i r e m e n t s f r o m n a n o l i t e r s t o m i l l i l i t e r s [ 3 4 ] A d d i t i o n a l l y m a k i n g t h e c o n f i g u r a b i l i t y a n d o p e r a t i o n o f t h e t e s t b e d s i m p l e i s a L a b V i e w v i r t u a l i n s t r u m e n t i n t e r f a c e t h a t c o n t r o l s a n d r e c o r d s a l l e l e c t r o n i c o p e r a t i o n s i n c l u d i n g f l o w r a t e f l o w d i r e c t i o n a n d v a l v e s a m p l e s e l e c t i o n D u e t o t h e d e s i g n o f t h e h e x a s a w a t y p i c a l f l u i d i c f i x t u r e i s n o t f e a s i b l e s o a n i n h o u s e d e s i g n h a s b e e n d e s i g n e d a n d f a b r i c a t e d T h e t e s t f i x t u r e i s c o n s t r u c t e d o f p o l y c a r b o n a t e w h i c h h a s l o w m o i s t u r e a b s o r p t i o n h i g h s t r e n g t h n o c e n t e r l i n e p o r o s i t y e a s i l y m a c h i n e a b l e a n d c a n b e p o l i s h e d t o b e o p t i c a l l y c l e a r T h e m i c r o f l u i d i c f i x t u r e t o m a k e e l e c t r i c a l c o n n e c t i o n s h a s a p r i n t e d c i r c u i t b o a r d w i t h S M A c o n n e c t o r s a t t a c h e d 7 2 3 E x p e r i m e n t a l P r o c e d u r e s A l t h o u g h t h e s e n s o r s w e r e d e s i g n e d f o r b i o s e n s o r a p p l i c a t i o n s a d d i t i o n a l p r e p a r a t i o n o f t h e s e n s o r s ’ s u r f a c e s w e r e n e c e s s a r y P r i m a r y t o t h e p r e p a r a t i o n s w a s t o i n s u l a t e t h e I D T s f r o m t h e e n v i r o n m e n t m e e t i n g t h r e e c o n d i t i o n s 1 ) t h e i n s u l a t i n g m a t e r i a l m u s t n o t a t t e n u a t e t h e S H S A W 2 ) t h e m a t e r i a l m u s t n o t b e h i g h l y p e r m e a b l e

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1 1 7 b y w a t e r a n d 3 ) t h e m a t e r i a l m u s t p e r m i t a t t a c h m e n t o f a n t i b o d i e s P o l y s t y r e n e ( S i g m a A l d r i c h ) w a s c h o s e n a s a s o l u t i o n C o a t i n g t h e s e n s o r w a s a c h i e v e d b y d i s s o l v i n g p o l y s t y r e n e i n 2 B u t o x y e t h y l a c e t a t e ( S i g m a A l d r i c h ) t o 4 w e i g h t p e r c e n t t h e n s p i n c o a t i n g t o a u n i f o r m t h i c k n e s s a n d a n n e a l e d a t 1 2 0 C f o r 1 h o u r F o l l o w i n g t h e a n n e a l i n g t h e s e n s o r s w h e r e m o u n t e d i n t h e m i c r o f l u i d i c f i x t u r e F r o m a c a l c u l a t e d a r e a o f t h e s e n s o r e x p o s e d a n d c r o s s s e c t i o n a l a r e a s o f t h e a n t i b o d i e s u s e d a c o n c e n t r a t i o n o f p r o t e i n s w a s s p e c i f i e d t o e n s u r e f o r 1 0 0 % c o v e r a g e o f t h e s e n s o r s u r f a c e w i t h o u t e x c e s s i v e m u l t i l a y e r s o f n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s T h e c a l c u l a t e d p r o t e i n c o n c e n t r a t i o n w a s a p p l i e d t o t h e s u r f a c e o f t h e s e n s o r t h r o u g h t h e m i c r o f l u i d i c f i x t u r e f o r 1 h o u r t o a l l o w a d e q u a t e s u r f a c e a d s o r p t i o n t o t h e p o l y s t y r e n e H a v i n g t h e s e n s o r f u n c t i o n a l i z e d w i t h a n a n t i b o d y v a r y i n g c o n c e n t r a t i o n s o f a n t i g e n w e r e f l o w e d a c r o s s t h e s e n s o r a t a c o n s t a n t 0 1 5 m l / m i n T h e a n t i g e n c o n c e n t r a t i o n s w e r e c a l c u l a t e d t o e n s u r e l e s s t h a n 2 5 % s u r f a c e c o v e r a g e T o f u r t h e r i n s u r e a g o o d r e s p o n s e o f t h e s e n s o r t h e p H w a s m a i n t a i n e d a t 7 4 t h r o u g h t h e u s e o f p h o s p h a t e b u f f e r s o l u t i o n ( P B S ) 7 3 S u r f a c e M a n i p u l a t i o n T h e s e c o n d t a s k o f t h i s p r o j e c t w a s t h e u s e o f h i g h a m p l i t u d e w a v e s t o r e m o v e l o o s e l y b o u n d m a t e r i a l s f r o m t h e s e n s o r s s u r f a c e t h u s i m p r o v i n g t h e s e n s o r s a b i l i t i e s T h e f i r s t t e s t s t o s h o w t h e s u r f a c e w a s b e i n g m a n i p u l a t e d w e r e c o n d u c t e d u s i n g a L e i c a D M I 4 0 0 0 f l u o r e s c e n t m i c r o s c o p e W i t h t h e p r e p a r e d s e n s o r s f l u o r e s c e n t l y l a b e l e d

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1 1 8 p r o t e i n s w e r e e x c e s s i v e l y a d s o r b e d o n t o t h e s u r f a c e o f t h e d e v i c e f o r 1 h o u r S e n s o r s w h e r e t h e n f l u s h e d w i t h 3 m l o f P B S F o l l o w i n g t h e f l u s h i n g t h e d e v i c e s w e r e s u b j e c t e d t o h i g h a m p l i t u d e w a v e s u s i n g 5 w a t t p o w e r a m p l i f i e r ( M i n i C i r c u i t s ) C a l c u l a t i o n s w e r e d o n e t o f i n d t h e a c t u a l p o w e r d e l i v e r e d t o t h e I D T w a s o n t h e o r d e r o f m i l l i w a t t s d u e t o i n s e r t i o n l o s s o f t h e d e v i c e a n d a t t e n u a t i o n o f t h e f i l m s o n t h e s u r f a c e 7 4 S i m u l t a n e o u s S u r f a c e M a n i p u l a t i o n a n d S e n s i n g T h e f i n a l t a s k o f t h e s e e x p e r i m e n t s w a s t h e c o m b i n a t i o n o f t h e h i g h a m p l i t u d e w a v e s m a n i p u l a t i n g t h e s u r f a c e a n d t h e u s e o f l o w a m p l i t u d e w a v e s f o r s e n s i n g t h e c h a n g e s o f t h e s e n s i n g f i l m s i m u l t a n e o u s l y T h e s e n s o r s w e r e f i r s t p r e p a r e d w i t h a n a n t i b o d y f i l m a s d e s c r i b e d a b o v e a n d u s e d t o s e n s e a k n o w n c o n c e n t r a t i o n o f a n t i g e n i n s o l u t i o n A f t e r t h e s e n s i n g t e s t t h e s e n s o r s w e r e c o a t e d w i t h k n o w n c o n c e n t r a t i o n s o f a n o n s p e c i f i c b i n d i n g p r o t e i n B o v i n e S e r u m A l b u m i n ( B S A ) F o l l o w i n g t h e B S A a p p l i c a t i o n t h e s e n s o r s w e r e f l u s h e d w i t h 3 m l o f P B S t h e n s u b j e c t t o h i g h a m p l i t u d e w a v e s w h i l e m o n i t o r i n g t h e c h a n g e s w i t h a d i f f e r e n t d e l a y p a t h 7 5 R e s u l t s a n d D i s c u s s i o n T h e s e n s o r u s e d i n t h i s p r o j e c t i s t h e o r e t i c a l l y c a p a b l e o f d e t e c t i n g n a n o g r a m s o f m a s s c h a n g e o n t h e s u r f a c e t h e f i r s t r o u n d o f e x p e r i m e n t s s h o w e d t h a t t h i s w a s t h e c a s e w i t h t h e d e t e c t i o n o f l o w l e v e l s o f m o u s e I g G o n t o a f u n c t i o n a l i z e d s u r f a c e A

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1 1 9 r e p r e s e n t a t i v e d a t a s e t o f t h e s e n s i n g c a p a b i l i t y i s s h o w n i n F i g u r e 3 9 T h e f i r s t d r o p o n t h e c u r v e i s t h e r e s u l t o f f l u s h i n g a w a y t h e e x c e s s a n t i b o d y f r o m t h e 1 h o u r a d s o r p t i o n p r o c e s s F o l l o w i n g t h e f i r s t l a r g e d r o p t h e a n t i g e n i s i n j e c t e d a n d f l u s h e d a w a y F o r t h i s t h e r e a r e a c t u a l l y t w o m e a s u r e m e n t s t h a t a r e s i g n i f i c a n t F i r s t t h e p h a s e c h a n g e w h i l e i n j e c t i n g t h e k n o w n c o n c e n t r a t i o n a n d s e c o n d t h e p h a s e c h a n g e s e e n r e m a i n i n g o n t h e s u r f a c e o f t h e d e v i c e e v e n a f t e r a n e x t e n s i v e f l u s h i n g w i t h P B S F i g u r e 3 9 N o r m a l i z e d p h a s e r e s p o n s e f o r t h e c o a t i n g o f a s e n s o r w i t h a n i b o d i e s ( 1 3 8 n g / m l a n t i m o u s e I g G i n P B S ) f o l l o w e d b y t h e d e t e c t i o n o f o f t h e a n t i g e n ( 3 2 4 n g m o u s e I g G ) a n d t h e c o a t i n g o f t h e s e n s o r w i t h n o n s p e c i f i c a l l y b i n d i n g B S A ( 5 0 0 n g ) T h e f i n a l r e s p o n s e s i n F i g u r e 3 9 a r e f r o m t h e a d d i t i o n o f B S A t o c o m p l e t e l y c o a t t h e s u r f a c e i n p r e p a r a t i o n f o r t e s t i n g t h e r e m o v a l N S B p r o t e i n s U p o n f i r s t i n s p e c t i o n 0 0 0 0 8 0 0 0 0 6 0 0 0 0 4 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 4 0 0 0 0 6 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 T i m e ( s ) P h a s e A n g l e N o r m a l i z e d A n t i m o u s e I g G c o a t e d d e v i c e F l u s h w i t h P B S t o r e m o v e e x c e s s a n t i m o u s e I g G I n j e c t 3 2 4 n g m o u s e I g G F l u s h w i t h P B S t o r e m o v e e x c e s s m o u s e I g G I n j e c t 5 0 0 n g B S A F l u s h w i t h P B S t o r e m o v e e x c e s s B S A

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1 2 0 o n e w i l l n o t e t h e m a g n i t u d e s o f t h e t w o s t e p s a r e s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t f r o m t h e r e s p o n s e o f t h e s p e c i f i c a n t i g e n T h i s i s t h e r e s u l t o f l e a v i n g t h e l i n e a r r e s p o n s e r e g i m e o f t h e S A W s e n s o r b y a p p l y i n g t o o m u c h m a t e r i a l o n t o t h e s u r f a c e F o r m a n y b i o s e n s o r s t h i s w o u l d r e s u l t i n d i s c a r d i n g t h e s e n s o r a n d s t a r t i n g o v e r t o m a k e a n y d e t e r m i n a t i o n ; h o w e v e r t h i s p r o v i d e s t h i s p r o j e c t w i t h a p e r f e c t b e g i n n i n g t o t e s t t h e c l e a n i n g f u n c t i o n a l i t y o f t h e h e x a g o n a l S A W s u c h a r e s u l t i s s h o w n i n F i g u r e 4 0 H a v i n g c o a t e d a s e n s o r ’ s s u r f a c e b e y o n d i t s f u n c t i o n i n g p o i n t i s o f t e n e n c o u n t e r e d b u t m o r e c o m m o n i s n o t h a v i n g a p u r e s a m p l e w i t h o n l y o n e p r o t e i n S u c h a s a m p l e r e q u i r e s e x t e n s i v e f i l t e r i n g a n d / o r p r o c e s s i n g t o b e a b l e t o m a k e a d e t e r m i n a t i o n o n t h e c o n c e n t r a t i o n o f t h e d e s i r e d p r o t e i n T h e r e s u l t s i n F i g u r e 4 0 a d d r e s s t h i s i s s u e b u t m o r e s p e c i f i c t o t h i s p r o j e c t s h o w t h a t i t i s s i m u l t a n e o u s o p e r a t i o n o f c r o s s i n g d e l a y p a t h s t o s e n s e a n d m a n i p u l a t e t h e s e n s i n g f i l m i s f e a s i b l e T h e d a t a s h o w t h e a d d i t i o n o f a h i g h c o n c e n t r a t i o n o f B S A t o t h e s u r f a c e o f t h e S A W s e n s o r f o l l o w e d b y t h e r e m o v a l o f s o m e o f t h e B S A r e m a i n i n g o n t h e s u r f a c e a f t e r a n d e x t e n s i v e f l u s h i n g w i t h P B S T h e r e m o v a l i s a c h i e v e d t h r o u g h t h e a p p l i c a t i o n o f t h e p o w e r a m p l i f i e d s i g n a l f o r 5 0 s e c o n d s o n a d i f f e r e n t S A W d e l a y p a t h f r o m t h e o n e d o i n g t h e s e n s i n g D u e t o t h e l i m i t a t i o n s o f t h e c u r r e n t d e s i g n o f t h e h e x a g o n a l S A W m o r e o f t h e s e n s i n g d e l a y l i n e i s e x p o s e d t o t h e s a m p l e s o l u t i o n s t h a n w h a t t h e s e c o n d a n d t h i r d d e l a y p a t h s w o u l d b e a b l e t o m a n i p u l a t e

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1 2 1 F i g u r e 4 0 N o r m a l i z e d p h a s e a n g l e r e s p o n s e o f s e n s o r t o t h e r e m o v a l o f e x c e s s B S A w i t h j u s t a f l u s h o f P B S f o l l o w e d b y t h e r e m o v a l o f N S B B S A u s i n g h i g h a m p l i t u d e w a v e s o f a d i f f e r e n t d e l a y p a t h 7 6 C o n c l u s i o n T h e d e v e l o p m e n t o f a h e x a g o n a l S A W d e v i c e w a s s h o w n t o s i m u l t a n e o u s l y m a n i p u l a t e b i o l o g i c a l f i l m s a n d s e n s e t h e c h a n g e s u s i n g a d i f f e r e n t a c o u s t i c w a v e a c r o s s t h e s a m e s e n s i n g f i l m T h e r e s u l t s h a v e s h o w n b o t h t h a t l o w l e v e l s e n s i n g o f p r o t e i n s i n s o l u t i o n i s p o s s i b l e w i t h t h i s n e w S A W s e n s o r A d d i t i o n a l l y t h e s e n s o r h a s t h e f u n c t i o n a l i t y t o r e d u c e e r r o r i n r e s p o n s e s b y r e m o v i n g N S B p r o t e i n s a n d o t h e r l o o s e l y b o u n d m a t e r i a l t h a t a r e c o m m o n i n c o m p l e x s a m p l e s W i t h f u r t h e r d e s i g n i m p r o v e m e n t s a n d s t u d i e s t h i s d e v i c e i s b e l i e v e d t o h a v e w i d e a p p l i c a t i o n t o b i o s e n s i n g e s p e c i a l l y

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1 2 2 w h e r e n o n p u r i f i e d s a m p l e s c o n t a i n i n g m a n y d i f f e r e n t p r o t e i n s n e e d t o b e a n a l y z e d w i t h o u t t h e u s e o f t e c h n i c i a n s a n d l a b o r a t o r y e q u i p m e n t

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1 2 3 C h a p t e r 8 E f f e c t s o f M i c r o c a v i t i e s o n S h e a r h o r i z o n t a l S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S e n s o r s : T h e o r e t i c a l S t u d y M i c r o c a v i t i e s i n d e l a y p a t h s o f 3 6 Y X L i T a O 3 s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r s w e r e s t u d i e d u s i n g f i n i t e e l e m e n t m e t h o d s S i m u l a t i o n r e s u l t s o f / 2 / 4 a n d / 8 m i c r o c a v i t i e s e m p t y a n d p o l y s t y r e n e f i l l e d w e r e c o m p a r e d t o s t a n d a r d d e l a y l i n e s h e a r h o r i z o n t a l S A W o p t i m i z e d L o v e w a v e a n d e t c h e d g r a t i n g s e n s o r s T h e m i c r o c a v i t i e s r e d u c e d t h e i n s e r t i o n l o s s b y 1 9 2 5 d B f r o m 3 3 2 8 d B w i t h a v e l o c i t y s e n s i t i v i t y 4 8 3 t i m e s g r e a t e r t h a n t h e s t a n d a r d S A W s e n s o r s i m u l a t e d 8 1 I n t r o d u c t i o n C h a l l e n g e s f o r d e v e l o p i n g s e n s o r s i n c l u d e f a c t o r s s u c h a s s e n s i t i v i t y p o w e r c o n s u m p t i o n a n d r e p r o d u c i b i l i t y F o r s u r f a c e a c o u s t i c w a v e ( S A W ) s e n s o r s s e n s i t i v i t y i s o n e o f t h e m o s t c r i t i c a l p a r a m e t e r s a n d i s o f t e n i m p r o v e d b y d e c r e a s i n g t h e o p e r a t i o n a l w a v e l e n g t h [ 1 ] S e n s i t i v i t y c a n b e i m p r o v e d s e c o n d l y t h r o u g h t h e a d d i t i o n o f a g u i d i n g l a y e r t o c r e a t e L o v e w a v e d e v i c e s [ 2 2 1 2 2 ] A n a n a l y t i c a l s o l u t i o n b y M c h a l e e t a l s h o w e d a t h e o r e t i c a l i m p r o v e m e n t l i m i t t o s e n s i t i v i t y o f 2 0 t i m e s [ 2 2 ] O u r f i n i t e e l e m e n t

PAGE 140

1 2 4 ( F E ) s i m u l a t i o n s s h o w a n i m p r o v e m e n t o f 5 3 6 t i m e s t h e v e l o c i t y s e n s i t i v i t y o f t h e L o v e w a v e s e n s o r o v e r a s t a n d a r d S A W s e n s o r P o w e r l o s s f o r s e n s o r s i s a g r o w i n g i s s u e w i t h t h e i n c r e a s i n g d e m a n d f o r p e r s o n a l a n d r e m o t e s e n s i n g a p p l i c a t i o n s f o r t h e s e r e a s o n s p o w e r u s a g e o f a s e n s o r i s v e r y i m p o r t a n t I d e a l S A W d e l a y l i n e s e n s o r s h a v e a n i n s e r t i o n l o s s o f 7 d B a n d i t i s n o t u n c o m m o n t o w o r k w i t h i n s e r t i o n l o s s e s o f 2 0 d B s i m u l a t e d d e v i c e s h a d i n s e r t i o n l o s s e s f r o m 1 4 0 3 t o 3 3 2 8 C o m m o n m e t h o d s t o d e c r e a s e t h e i n s e r t i o n l o s s i n S A W d e v i c e s n o t p a r t i c u l a r l y s e n s o r s i n c l u d e r e f l e c t i v e g r a t i n g s [ 1 8 ] g r o o v e s a n d c o r r u g a t e d g r a t i n g s [ 1 9 1 2 3 1 2 4 ] a n d w a v e g u i d e s [ 7 2 ] T h e r e o c c u r r i n g m e t h o d s i n t h e s e f o u r p r i m a r y s c h e m e s t o i m p r o v e t h e S A W d e v i c e p o w e r l o s s i s t h e c o n v e r s i o n b u l k w a v e s i n t o s u r f a c e w a v e s a n d e n t r a p m e n t o f e n e r g y n e a r t h e s u r f a c e t h a t w o u l d o t h e r w i s e b e l o s t t o b u l k w a v e s [ 1 8 2 5 ] 8 2 M e t h o d s T h e m i c r o c a v i t y d e v i c e s d e s c r i b e d h e r e i n a r e a c o m b i n a t i o n k n o w n m e t h o d s t o i m p r o v e S A W d e v i c e c h a r a c t e r i s t i c s F i r s t e t c h e d s u b s t r a t e s w i t h s q u a r e p a t t e r n s o f / 2 / 4 a n d / 8 d i m e n s i o n s a t v a r y i n g d e p t h s t o i n c r e a s e t h e d i s p e r s i o n a n d b u l k t o s u r f a c e w a v e c o n v e r s i o n w e r e s t u d i e d a n d c o m p a r e d t o e t c h e d g r a t i n g s T h e p o l y s t y r e n e w a s a d d e d t o t h e m i c r o c a v i t y s i m u l a t i o n s t o a c t a s a n i n h o m o g e n e o u s w a v e g u i d e f o r f u r t h e r e n t r a p m e n t o f w a v e e n e r g y n e a r t h e d e v i c e s u r f a c e L a s t t h e d e v i c e d e s i g n t h a t g a v e t h e b e s t c h a r a c t e r i s t i c s w a s a p p l i e d t o s e n s i n g a p p l i c a t i o n s t h r o u g h t h e a d d i t i o n o f a n i d e a l

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1 2 5 m a s s t o m e a s u r e s e n s i t i v i t y T h e s a m e m a s s w a s a d d e d t o a s t a n d a r d S A W s e n s o r a n o p t i m i z e d L o v e w a v e s e n s o r a n d t h e b e s t e t c h e d g r a t i n g s e n s o r f o r c o m p a r i s o n u s i n g a c o m b i n e d s e n s i t i v i t y t e r m t h a t a c c o u n t s f o r b o t h v o l t a g e a n d v e l o c i t y p e r t u r b a t i o n s T h e b a s e s e n s o r m o d e l i s 3 D F E m o d e l c r e a t e d i n A N S Y S T h e F E S A W m o d e l i s u s e d t o s i m u l a t e e f f e c t o f m i c r o c a v i t i e s o n s e n s o r s e n s i t i v i t y T h e t r a n s i e n t r e s p o n s e o f t h e S A W s e n s o r t o a n i m p u l s e i n p u t a p p l i e d a t t h e t r a n s m i t t i n g i n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e r ( I D T ) f i n g e r s w e r e u t i l i z e d t o s t u d y t h e w a v e g e n e r a t i o n a n d p r o p a g a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s a s w e l l a s d e d u c e i t s f r e q u e n c y r e s p o n s e T h e d e v e l o p e d m o d e l s c o n s i s t e d o f a 3 6 Y X L i T a O 3 s u b s t r a t e 4 0 l o n g 5 w i d e a n d 5 d e e p w i t h I D T ’ s 2 l o n g a n d / 4 w i d e w i t h a p e r i o d i c i t y o f 4 0 m F o r t h i s w o r k t h e t r a n s d u c e r s w e r e c o n s i d e r e d t o b e m a s s l e s s e l e m e n t s T e t r a h e d r a l e l e m e n t s w e r e u s e d t h r o u g h o u t t h e m o d e l w i t h 4 d e g r e e s o f f r e e d o m t o a c c o u n t f o r v o l t a g e a n d p a r t i c l e d i s p l a c e m e n t s i n t h e x y a n d z d i r e c t i o n s T h e f o r m a t i o n o f t h e e l e m e n t s w a s d o n e t o e n s u r e a h i g h e s t d e n s i t y o n t h e t o p c e n t e r s u r f a c e o f t h e s u b s t r a t e w h e r e t h e m o s t d e f o r m a t i o n o c c u r s T h e s i m u l a t i o n s w e r e i n i t i a t e d w i t h a n e l e c t r i c i m p u l s e o f 1 0 V a p p l i e d a t t h e t r a n s m i t t i n g I D T f i n g e r s w i t h t i m e s t e p s o f 0 9 5 n s T h e s i m u l a t i o n w a s c a r r i e d o u t f o r 1 9 0 n s a n d p a r a b o l i c f i t t i n g / i n t e r p o l a t i o n b e t w e e n t h e 0 9 5 n s t i m e s t e p s w e r e u s e d o n a l l d a t a T h e s i m u l a t i o n t i m e a n d d i m e n s i o n s o f t h e m o d e l w e r e c h o s e n t o p r e v e n t r e f l e c t e d s i g n a l s f r o m t h e e n d s a n d b o t t o m o f t h e s u b s t r a t e T h e m o d e l s w e r e s o c o n f i g u r e d t h a t t h e m i c r o c a v i t i e s ( 2 0 i d e n t i c a l p e r s i m u l a t i o n ) w e r e l o c a t e d i n t h e c e n t e r o f t h e d e l a y p a t h f o r m i n g 4 r o w s o f 5 m i c r o c a v i t i e s e a c h a s s h o w n i n t h e c r o s s s e c t i o n o f t h e m e s h e d m o d e l i n F i g u r e 4 1 F o r c o m p a r i s o n g r o o v e s ( e t c h e d g r a t i n g s ) o f l e n g t h / 4 a n d / 2 w i t h w i d t h e q u i v a l e n t t o t h e

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1 2 6 a p e r t u r e o f t h e I D T ’ s a n d d e p t h s t h e s a m e a s t h e c a v i t i e s h a v e b e e n s i m u l a t e d F o r c o m p l e t e d e t a i l s o f t h e m o d e l s u s e d i n c l u d i n g e x a m p l e A n s y s s c r i p t f i l e s s e e A p p e n d i x B A d d i t i o n a l l y t h e m i c r o c a v i t i e s a n d g r o o v e s w e r e f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e ( P S ) t o s e r v e a s a w a v e g u i d e a n d f u r t h e r e n h a n c e t h e s e n s o r c h a r a c t e r i s t i c s F r o m t h e t h e o r y o f w a v e g u i d e s t h e a d d i t i o n o f p o l y s t y r e n e a m a t e r i a l w i t h a l o w e r d e n s i t y a n d l o w e r a c o u s t i c v e l o c i t y t h a n t h e s u b s t r a t e w a s e x p e c t e d t o t r a p m o r e e n e r g y a t t h e s u r f a c e t h a n i f t h e d e v i c e w e r e b a r e [ 2 2 ] F i g u r e 4 1 C r o s s s e c t i o n o f m e s h e d / 2 x / 2 x / 2 m i c r o c a v i t y S A W d e v i c e 8 3 R e s u l t s F o r t h e \ 4 d e s i g n d a t a a s s h o w n i n F i g u r e 4 2 t h e \ 4 d e p t h f i l l e d w i t h P S d e s i g n h a v e 1 4 2 6 d B g r e a t e r e n e r g y t r a n s m i s s i o n a c r o s s t h e d e l a y p a t h a s c o m p a r e d t o a p l a i n

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1 2 7 p a t h T h i s d e s i g n e v e n h a s a n i m p r o v e m e n t o v e r t h e L o v e w a v e ( L W ) d e s i g n d a t a b y 6 6 6 d B N o t a b l y t h e \ 8 d e p t h n o t f i l l e d w i t h P S i s b e t w e e n t h e \ 4 d e p t h f i l l e d w i t h P S a n d t h e L W d e s i g n d a t a F r o m t h e \ 2 d e s i g n d a t a a s s h o w n i n F i g u r e 4 3 t h e \ 8 d e p t h f i l l e d w i t h P S d e s i g n h a s a n i n c r e a s e o f 5 3 5 d B o v e r t h e \ 4 d e s i g n d a t a F i g u r e 4 2 C o m p a r i s o n o f t r a n s m i t t e d e n e r g y o f t h e / 4 d e s i g n s / 4 a n d / 8 d e e p t h a t a r e b o t h e m p t y a n d f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e t o a n o p t i m i z e d L o v e w a v e a n d a s t a n d a r d S A W d e l a y p a t h

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1 2 8 F i g u r e 4 3 C o m p a r i s o n o f t r a n s m i t t e d e n e r g y o f t h e / 2 d e s i g n s / 2 / 4 a n d / 8 d e e p t h a t a r e e m p t y a n d f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e t o a n o p t i m i z e d L o v e w a v e a n d a s t a n d a r d S A W d e l a y p a t h T h e / 2 w i d t h b y / 2 l e n g t h b y / 8 d e p t h m i c r o c a v i t y f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e s h o w e d t h e g r e a t e s t e n e r g y t r a n s m i s s i o n a c r o s s t h e d e l a y p a t h a n d w a s c h o s e n f o r c o m p a r i s o n t o a s t a n d a r d s p l i t f i n g e r s e n s o r L o v e w a v e s e n s o r a n d / 2 w i d t h b y / 8 d e p t h g r o o v e g r a t i n g f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e s e n s o r S i m u l a t i o n m o d e l s w e r e c r e a t e d t o a p p l y a 1 0 0 p g m a s s a c r o s s 9 6 0 0 m 2 c e n t e r i n t h e d e l a y p a t h o f t h e S A W s e n s o r T h e s a m e t r a n s i e n t a n a l y s i s u s e d f o r i n i t i a l w o r k w a s p e r f o r m e d o n t h e s e n o w i d e a l m a s s p e r t u r b e d s e n s o r s T h e r e s u l t i n g d a t a a r e s u m m a r i z e d i n F i g u r e 4 4 a s t h e s q u a r e r o o t o f t h e s u m m a t i o n o f t h e s q u a r e s o f v e l o c i t y a n d v o l t a g e c h a n g e s a s a r e s u l t o f t h e 1 0 0 p g m a s s p e r t u r b a t i o n T h e d a t a s h o w t h e / 2 w i d t h b y / 2 l e n g t h b y / 8 d e p t h m i c r o c a v i t y

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1 2 9 a r r a y f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e t o b e 1 3 8 t i m e s m o r e s e n s i t i v e t h a n a s t a n d a r d s p l i t f i n g e r S A W s e n s o r a n d 1 7 9 t i m e s m o r e s e n s i t i v e t h a n a n o p t i m i z e d L o v e w a v e S A W s e n s o r t h r o u g h f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n s a p p l y i n g 1 0 0 p g i d e a l m a s s t o t h e s u r f a c e o f e a c h s e n s o r r e s u l t i n g i n b o t h v e l o c i t y a n d v o l t a g e p e r t u r b a t i o n s A l t h o u g h t h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l s s i m u l a t e d i n t h i s w o r k a r e l i m i t e d i n c o m p a r i s o n t o e x p e r i m e n t a l d i m e n s i o n s p r e v i o u s l y s h o w n t h e r e s u l t s s h o w c l e a r t r e n d s t h a t a r e f o u n d i n e x p e r i m e n t a l s t u d i e s [ 6 1 1 0 ] F i g u r e 4 4 C o m p a r i s o n o f c o m b i n e d v e l o c i t y a n d v o l t a g e m a s s s e n s i t i v i t i e s o f a p l a i n s i n g l e s p l i t f i n g e r S A W s e n s o r a n o p t i m i z e d 2 2 0 0 n m p o l y s t y r e n e L o v e w a v e s e n s o r a / 2 l e n g t h b y / 8 d e p t h g r o o v e g r a t i n g f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e a n d a / 2 l e n g t h b y / 2 w i d t h b y / 8 d e p t h m i c r o c a v i t y a r r a y f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e

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1 3 0 8 4 C o n c l u s i o n I n s u m m a r y t h e o r e t i c a l s t u d i e s u s i n g f i n i t e e l e m e n t m e t h o d s t o s t u d y t h e e f f e c t s o f m i c r o c a v i t i e s a n d g r o o v e s o n S A W p r o p a g a t i o n w e r e c o m p l e t e d f o r s e n s o r a p p l i c a t i o n s A d d i t i o n a l l y t h e f i l l i n g o f t h e m i c r o c a v i t i e s a n d g r o o v e s w i t h a l e s s d e n s e a n d l o w e r a c o u s t i c v e l o c i t y m a t e r i a l ( p o l y s t y r e n e ) w a s s t u d i e d T h e d a t a p r e s e n t e d c o m p a r e s m i c r o c a v i t y s t r u c t u r e d S A W s e n s o r s t o t r a d i t i o n a l d e s i g n s s u c h a s a p l a i n d e l a y p a t h a n d a n o p t i m i z e d w a v e g u i d e c o a t i n g T h e m i c r o c a v i t y s t r u c t u r e d a t a s h o w s i g n i f i c a n t l y g r e a t e r e n e r g y t r a n s m i s s i o n t h a n t h e o t h e r s t r u c t u r e s p r e s e n t e d i n t h i s s t u d y

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1 3 1 C h a p t e r 9 C o n c l u s i o n s a n d P o i n t s f o r F u t u r e E n d e a v o r s T h e w o r k p r e s e n t e d i n t h e p r e v i o u s c h a p t e r s c o v e r e d t o p i c s i n c l u d i n g a c o u s t i c w a v e t h e o r y m a t e r i a l c h a r a c t e r i z a t i o n c h e m i c a l a n d b i o l o g i c a l s e n s i n g a n d r e m o v a l o f n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d p r o t e i n s A s s u c h t h e s e c o m p o n e n t s a n d a p p l i c a t i o n s a r e t h e r e s u l t o f r e s e a r c h t o d e v e l o p o n e s e n s o r s y s t e m t h a t c a n u l t i m a t e l y b e u s e d f o r t h e s e n s i n g o f b i o l o g i c a l m o i e t i e s w i t h t h e c a p a b i l i t y t o b e r e u s e d e i t h e r t h r o u g h a s e n s o r s e l f r e g e n e r a t i o n o r t h e r e p l a c e m e n t o f s e n s o r e l e m e n t P r o g r e s s t o w a r d s t h i s g o a l w a s m a d e t h r o u g h c o n t r i b u t i o n s t o t h e s c i e n t i f i c c o m m u n i t y a s s u m m a r i z e d i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n F i n a l l y w i t h a l l w o r k f a c e t s o f i n t e r e s t f o r f u t u r e r e s e a r c h a r e d e v e l o p e d S o m e o f t h e k e y p o i n t s a r e e x p l a i n e d i n t h e f i n a l s e c t i o n 9 1 S u m m a r y o f C o n t r i b u t i o n s A c r o s s t h e w o r k t h a t i s p r e s e n t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n c o n s i d e r a b l e e f f o r t h a s b e e n m a d e t o e s t a b l i s h a f o u n d a t i o n b o t h i n a v a i l a b l e k n o w l e d g e a n d p h y s i c a l r e s o u r c e s f o r c u r r e n t a n d f u t u r e r e s e a r c h e r s t o b u i l d f r o m K e y e x a m p l e s o f t h i s w o r k a r e t h e

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1 3 2 d e v e l o p m e n t o f d e s i g n s s c r i p t s p r o g r a m s a n d t e s t f i x t u r e s n e c e s s a r y t o c o n d u c t s e n s o r r e s e a r c h f r o m e x p e r i m e n t a t i o n t o d a t a a n a l y s i s A d i r e c t c o n t r i b u t i o n r e s u l t i n g i n a p a t e n t w a s t h e d e v e l o p m e n t o f t h e h e x a g o n a l S A W d e v i c e T h i s d e v i c e w a s c o n c e i v e d a s a n e w t o o l f o r m a t e r i a l c h a r a c t e r i z a t i o n a n d s e n s i n g a p p l i c a t i o n T h e d e v i c e c o n s i s t s o f t h r e e i n d e p e n d e n t S A W d e l a y p a t h s t h a t i n t e r s e c t I t w a s s h o w n t h a t t h e d e l a y p a t h s c a n o p e r a t e s i m u l t a n e o u s f o r i m p r o v e d c h e m i c a l d e t e r m i n a t i o n s a n d m a t e r i a l c h a r a c t e r i z a t i o n a s v e r i f i e d t h r o u g h t h e u s e o f p r i n c i p a l c o m p o n e n t a n a l y s i s o n p o l y m e r / o r g a n i c v a p o r s o r p t i o n e x p e r i m e n t s T h e s a m e d e s i g n w a s l a t e r u s e d f o r s i m u l t a n e o u s s e n s i n g o f b i o l o g i c a l m o i e t i e s w h i l e r e m o v i n g n o n s p e c i f i c a l l y b o u n d m a t e r i a l s P r i o r t o t e s t i n g t h e h e x a g o n a l S A W d e v i c e f o r s i m u l t a n e o u s l i q u i d p h a s e s e n s i n g a n d c l e a n i n g e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d t o s h o w t h e f e a s i b i l i t y o f u s i n g a c o u s t i c s t r e a m i n g t o r e m o v e p r o t e i n s f r o m s u r f a c e s A d d i t i o n a l l y i n c o l l a b o r a t i o n w i t h S u b r a m a n i a n K R S S a n k a r a n a r a y a n a n f i n i t e e l e m e n t m o d e l s c r e a t e d a n d r u n t o e x p l o r e t h e p h y s i c s o f a c o u s t i c s t r e a m i n g I n a n e f f o r t t o h a v e t h e b e s t s e n s i t i v i t y b o t h e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l s t u d i e s w e r e c o n d u c t e d t o f i n d t h e b e s t I D T d e s i g n w i t h o p t i m a l w a v e g u i d e t h i c k n e s s t o g e n e r a t e L o v e w a v e s I D T d e s i g n s f o r s e n s o r a p p l i c a t i o n s p r e v i o u s l y w e r e o n l y v e r y b a s i c d u e t o t h e r a n g e o f k n o w l e d g e n e c e s s a r y t o d e v e l o p s e n s o r s F r o m a t h o r o u g h s e a r c h o f s e n s o r l i t e r a t u r e t h i s t y p e o f w o r k h a d n o t p r e v i o u s l y b e e n a t t e m p t e d e i t h e r t h r o u g h e x p e r i m e n t a l o r s i m u l a t i o n m e t h o d s A n e w d e s i g n a p p r o a c h t o i n c r e a s e s e n s o r s e n s i t i v i t y a n d d e c r e a s e s e n s o r p o w e r c o n s u m p t i o n w a s c r e a t e d a n d s t u d i e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n w o r k t h r o u g h t h e u s e o f f i n i t e

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1 3 3 e l e m e n t m o d e l s i m u l a t i o n s T h e d e s i g n s s i m u l a t e d b a s e d o n a m i c r o a r r a y e t c h e d i n t o t h e d e l a y p a t h o f a S A W s e n s o r t o o k t h e b e s t o f a l l p r e v i o u s l y u s e d c o n c e p t s f o r e f f i c i e n t s u r f a c e a c o u s t i c w a v e t r a n s m i s s i o n a n d s h o w e d t h e b e s t s e n s o r i n t e r m s o f e n e r g y l o s s a n d m a s s s e n s i t i v i t y P a r t o f t h i s s t u d y c o m p a r e d t h e u s e o f L o v e w a v e s a n d e t c h e d g r a t i n g s t o t h e e t c h e d m i c r o a r r a y d e s i g n p r o p o s e d A d d i t i o n a l l y i t w a s s h o w n t h a t t h e u s e o f t y p i c a l L o v e w a v e g u i d e m a t e r i a l t o f i l l t h e e t c h e d p a t t e r n s f u r t h e r i m p r o v e d t h e d e s i r e d s e n s o r p r o p e r t i e s 9 2 P o i n t s f o r F u t u r e E n d e a v o r s T h i s w o r k h a s e n c o m p a s s e d m a n y d i f f e r e n t d i s c i p l i n e s t o s e t u p e x p e r i m e n t a l a n d t h e o r e t i c a l t e s t a p p a r a t u s e s t h a t c a n b e a d a p t e d t o s u p p o r t m a n y n e w e x c i t i n g e n d e a v o r s T h r o u g h o u t t h i s w o r k t h e d e s i g n s a n d e q u i p m e n t u s e d w a s s p e c i f i e d f o r g e n e r a l u s e i n s t e a d o f s p e c i f i c o n e t i m e t a s k s f o r t h i s r e a s o n t h e r e a r e m a n y w o r t h w h i l e p r o j e c t s t h a t c a n b e s p u n f r o m t h i s g r o u n d l a y i n g w o r k 9 2 1 S A W I D T D e s i g n s I n C h a p t e r 5 t h r e e I D T d e s i g n s w e r e c o m p a r e d b o t h e x p e r i m e n t a l l y a n d t h r o u g h F E s i m u l a t i o n s T h i s c h a p t e r s e r v e s a s a b a s i s f o r t h i s p a r t o f t h e f u t u r e w o r k I n e s s e n c e m o r e I D T d e s i g n s n e e d t o b e s t u d i e d f o r s e n s o r r e s p o n s e t o i d e a l a n d n o n i d e a l m a s s

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1 3 4 l o a d i n g O n e o f t h e f i r s t d e s i g n s t o b e s t u d i e d s h o u l d b e t h e f o c u s e d I D T O t h e r i n t e r e s t i n g d e s i g n s w o r t h s t u d y i n g a r e a c o u s t i c h o r n s a n d v a r i a t i o n s t o u n i d i r e c t i o n a l d e s i g n s s i m i l a r t o t h e o n e d i s c u s s e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n F o r s o m e o f t h e d e s i g n s a n a l y t i c a l m o d e l s c a n b e d e v e l o p e d f o r f u r t h e r c o m p a r i s o n 9 2 2 M i c r o c a v i t y D e l a y P a t h E x p e r i m e n t s M e t h o d s t o i m p r o v e s e n s i t i v i t y a n d r e d u c e p o w e r c o n s u m p t i o n o f s e n s o r s a r e w o n d e r f u l t o p i c s t h a t f o r m a v e r y l a r g e p r o j e c t A s s h o w n i n C h a p t e r 8 m o d i f i c a t i o n s t o t h e d e l a y p a t h o f a s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r c a n p r o d u c e l a r g e c h a n g e s t o s e n s o r c h a r a c t e r i s t i c s F u r t h e r w o r k n e e d s t o b e d o n e o n t h i s t o p i c t o e x p e r i m e n t a l l y v e r i f y t h e f i n d i n g s o f t h e F E s i m u l a t i o n s T h e w o r k i n v o l v e s c r e a t i n g a m a s k f o r t h e m i c r o c a v i t i e s t h e n e t c h i n g t h e p a t t e r n i n t o c h a r a c t e r i z e d S A W d e v i c e s S e n s i t i v i t y c a n b e a c c u r a t e l y d e t e r m i n e d t h r o u g h t h e a d d i t i o n o f t h i n m e t a l f i l m e x p e r i m e n t a l l y 9 2 3 S i m u l a t i o n s o f N o n s q u a r e M i c r o c a v i t i e s I n t h e p r e s e n t w o r k o n l y s q u a r e m i c r o c a v i t i e s h a v e b e e n s t u d i e d b u t t h e r e a r e m a n y d e s i g n s t h a t c a n b e s i m u l a t e d a n d e x p e r i m e n t a l l y v e r i f i e d D e s i g n s i n c l u d i n g c i r c l e s a n d p o l y g o n s a s t h e b a s e o f t h e m i c r o c a v i t y c a n b e s t u d i e d w i t h v e r t i c a l s i d e w a l l s a n d a n g l e d s i d e s t o f o r m c o n e a n d p y r a m i d s M o r e e l a b o r a t e d e s i g n s t o r e d u c e

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1 3 5 r e f l e c t i o n s a n d m a x i m i z e w a v e p r o p a g a t i o n c a n a l s o b e i n v e s t i g a t e d D e s i g n s f o r s u c h c a v i t i e s c a n b e a d a p t e d f r o m o p t i c a n d R F w a v e g u i d e t h e o r y 9 2 4 C o m b i n e d S A W – B u l k A c o u s t i c W a v e D e v i c e N e w d e v i c e s a r e a l w a y s i n t e r e s t i n g e n d e a v o r s t o p u r s u e O n e s u c h d e v i c e p r o v e n i n c o n c e p t b y D o n M a l o c h a a n d s t u d e n t s i s t o c o m b i n e a S A W a n d b u l k a c o u s t i c w a v e ( B A W ) d e v i c e i n o n e [ 1 2 5 ] T h e i d e a b e h i n d t h i s i s s i m i l a r t o t h e h e x a g o n a l S A W h a v e m o r e s i g n a l s t h u s m o r e i n f o r m a t i o n f o r t h e s e n s o r T h e p l a n t o d e v e l o p t h i s d e v i c e i s t o t a k e t h e h e x a g o n a l S A W a n d p a t t e r n g o l d e l e c t r o d e s o n t h e b a c k s i d e o f t h e c r y s t a l D u e t o t h e t h i c k n e s s t h e B A W t h a t c a n b e g e n e r a t e d w i l l b e a b o u t 3 M H Z ( 0 5 m m = 2 0 m i l s ) T h i s w i l l a l l o w t h e m e a s u r e m e n t v e r i f i c a t i o n o f t h e S A W p a r a m e t e r s u s i n g t h e B A W T h e B A W c a n b e u s e d f o r t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o n o r m e a s u r e m e n t s U n f o r t u n a t e l y t h e e l e c t r o d e s i z e i s n o t i d e a l a n d t h e b a c k s i d e o f c u r r e n t w a f e r s i s n o t p o l i s h e d 9 2 5 C o m b i n e d S A W – S u r f a c e P l a s m o n R e s o n a n c e D e v i c e B i o s e n s o r s u l t i m a t e l y n e e d t o b e s e n s i t i v e t o e x t r e m e l y s m a l l c o n c e n t r a t i o n s o f a n a l y t e s F o r s u r f a c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r s t h e s e n s i t i v i t y i s d e p e n d e n t o n t h e f r e q u e n c y w h i c h i s a f u n c t i o n o f t h e s u b s t r a t e p r o p e r t i e s S o m e t i m e s o n e m e t h o d i s n o t t h e b e s t f o r

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1 3 6 a t a s k s o t h e u s e o f a n o t h e r s e n s o r t e c h n o l o g y i s r e q u i r e d T h e a b i l i t y t o i n t e g r a t e i s t h e r e f o r S A W a n d S u r f a c e P l a s m o n R e s o n a n c e ( S P R ) I n t h e c o m b i n e d s y s t e m t h e S A W c a n b e u s e d f o r s e n s i n g o r a c o u s t i c s t r e a m i n g t o m o v e m a t e r i a l f r o m t h e s e n s o r s u r f a c e S u r f a c e p l a s m o n r e s o n a n c e s a r e e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s g e n e r a t e d o n t h e s u r f a c e o f m e t a l s t h r o u g h a n i n c i d e n t l i g h t s o u r c e O n c e t h e r e s o n a n c e i s e s t a b l i s h e d t h e r e f r a c t i v e i n d e x c a n b e m e a s u r e d v i a t h e a n g l e o f t h e r e f l e c t e d l i g h t w i t h a p h o t o d e t e c t o r T o u t i l i z e S P R i n a s e n s o r c o n f i g u r a t i o n F i g u r e 4 5 a t h i n f i l m o f g o l d i s d e p o s i t e d o n t h e t o p s i d e o f a s u b s t r a t e t h r o u g h w h i c h t h e l i g h t i s t r a n s m i t t e d t o m e a s u r e c h a n g e s o c c u r r i n g i n t h e s a m p l e o n t h e g o l d s u r f a c e F i g u r e 4 5 S P R s e n s o r s c h e m a t i c

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1 3 7 S P R i s a s e n s i t i v e m e a s u r e m e n t f o r t h i n f i l m s o n t h e n a n o m e t e r s c a l e t h a t h a s b e e n u s e d r e c e n t l y t o m e a s u r e s i n g l e b i o m a r k e r l e v e l s a s w e l l a s t o d e t e r m i n e b i n d i n g e n e r g i e s o f t h e a n t i b o d y / a n t i g e n i n t e r a c t i o n i n v o l v e d i n s u c h m e a s u r e m e n t s S e n s i t i v i t y o f S P R i s e n h a n c e d b y s e l e c t i v i t y o f t h e s e n s o r f i l m a n d b y t h e q u a l i t y o f t h e p h o t o d e t e c t o r u t i l i z e d T h e p r o p o s e d p r o j e c t w i l l i n t e g r a t e S A W a n d S P R p r i n c i p l e s o n o n e s e n s i n g e l e m e n t t o e n h a n c e a n a l y t e i d e n t i f i c a t i o n a n d q u a n t i f i c a t i o n f r o m t h e o r t h o g o n a l i n f o r m a t i o n a f f o r d e d b y t h e t w o s e n s i n g a n d a c o u s t i c s t r e a m i n g p r i n c i p l e s T h e S A W s e n s o r c o m p o n e n t w i l l b e b a s e d o n t h e h e x a g o n a l S A W d e v i c e T h i s c o m p o n e n t o f t h e p r o p o s e d d e v i c e i s c a p a b l e o f s i m u l t a n e o u s l y t r a n s d u c i n g t h e b i o c h e m i c a l c o n c e n t r a t i o n a t t h e t e n s o f p i c o g r a m t o n a n o g r a m / m l l e v e l s i n t o a r e a d a b l e s i g n a l a n d o f k e e p i n g o t h e r p r o t e i n s a n d b i o m a r k e r s f r o m i n t e r f e r i n g w i t h t h e t r a n s d u c t i o n m e c h a n i s m T h u s t h e p r o p o s e d s e n s i n g e l e m e n t w i l l i n t e g r a t e t w o s e n s o r p r i n c i p l e s a n d s e l e c t i v e p r o t e i n r e m o v a l o n a s i n g l e a r e a e l e m e n t C o m b i n e d i t w i l l a l l o w f o r d i f f e r e n t i a l s e n s i n g o f m u l t i p l e b i o m a r k e r s w h e n a p p l i e d i n a b i o s e n s o r f o r m a t T h e i n t e g r a t e d d e v i c e s c h e m a t i c i s s h o w n i n F i g u r e 4 6 T h e f i r s t m i l e s t o n e f o r t h e p r o j e c t i s t h e a c q u i s i t i o n o f t h e o r e t i c a l d e v i c e f u n d a m e n t a l s a n d d e v i c e f a b r i c a t i o n d e t a i l s T h i s s e n s o r s y s t e m e l e m e n t w i l l b e d e s i g n e d t o f u n c t i o n o n t h e a v a i l a b l e m i c r o s c o p e p l a t f o r m t o f a c i l i t a t e t h e S P R m e a s u r e m e n t s S A W s e n s o r m e a s u r e m e n t s a n d h i g h e n e r g y R a y l e i g h w a v e g e n e r a t i o n w i l l u t i l i z e R F e l e c t r o n i c s a n d a n a l y z e r s A c q u i s i t i o n o f t h e s e s k i l l s a n d u t i l i z a t i o n o f t h e s e t e c h n i q u e s w i l l b e a s e c o n d m i l e s t o n e f o r t h e p r o j e c t T h e t h i r d a n d i m p o r t a n t m i l e s t o n e w i l l b e r e a c h e d w h e n a s u c c e s s f u l

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1 3 8 s e n s o r s y s t e m e l e m e n t i s f a b r i c a t e d a n d t e s t e d T h e f o u r t h m i l e s t o n e i s t h e d e m o n s t r a t i o n o f d i f f e r e n t i a l d e t e c t i o n o f m u l t i p l e b i o m a r k e r s i n c l u d i n g d a t a a n a l y s i s F i g u r e 4 6 I n t e g r a t e d S A W S P R s e n s o r s c h e m a t i c 9 2 6 N e w M a t e r i a l s : L a n g a s i t e a n d N a n o C r y s t a l l i n e D i a m o n d N e w m a t e r i a l s p r o v i d e a r a n g e o f r e p e t i t i v e t y p e w o r k t h a t n e e d s t o b e d o n e t o c h a r a c t e r i z e t h e m a t e r i a l F o r t u n a t e l y n e w m a t e r i a l s a l s o o p e n n e w a r e a s o f s t u d y F o r e x a m p l e L a n g a s i t e i s a m a t e r i a l t h a t m a i n t a i n s i t s p i e z o e l e c t r i c i t y t o a v e r y h i g h t e m p e r a t u r e e n a b l i n g s e n s i n g a t t h e s e t e m p e r a t u r e s h a s p r e v i o u s l y b e e n i n c o n c e i v a b l e W i t h L a n g a s i t e s e n s o r s n e e d t o b e m a d e a n d c o m p a r e d t o e x i s t i n g q u a r t z L i N b O 3 a n d L i T a O 3 d e v i c e s S o m e o f t h i s w o r k c a n b e d o n e w i t h F E s i m u l a t i o n s a l r e a d y c o n f i g u r e d b y s i m p l y c h a n g i n g t h e i n p u t m a t e r i a l m a t r i c e s r o t a t e d a p p r o p r i a t e l y

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1 3 9 D i a m o n d h a s m a n y f a n t a s t i c c h e m i c a l a n d m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s t h a t a r e b e i n g l e v e r a g e d i n n u m e r o u s p r o j e c t s F o r t h e p r o p o s e d b i o s e n s o r d i a m o n d h a s a d u a l r o l e f o r b o t h e n h a n c e d t r a n s d u c t i o n a s w e l l a s a b i o f u n c t i o n a l i z a t i o n S i n c e d i a m o n d i s j u s t c a r b o n a t o m s i t i s b y i t s e l f b i o c o m p a t i b l e [ 1 2 6 1 2 7 ] P o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d i n p a r t d u e t o i t s b i o c o m p a t i b i l i t y h a s b e e n u s e d f o r b i o s e n s o r s T y p i c a l m i c r o n s i z e d g r a i n s t r u c t u r e d d i a m o n d e x h i b i t s p o o r s l u g g i s h s e n s o r r e s p o n s e s w h i l e n a n o c r y s t a l l i n e d i a m o n d f i l m s e x h i b i t i m p r o v e d s e n s o r r e s p o n s e s t h a t a r e i n d i c a t i v e o f e n h a n c e d s e l e c t i v i t y [ 1 2 8 ] S l i g h t m o d i f i c a t i o n s t o t h e d i a m o n d g r o w t h c o n d i t i o n s a n d p o s t g r o w t h t r e a t m e n t s s u c h a s d o p p i n g c a n f i n e t u n e t h e p r o p e r t i e s o f t h e d i a m o n d [ 1 2 9 ] N a n o c r y s t a l l i n e d i a m o n d h a s b e e n s h o w n t o f o r m c o v a l e n t b o n d s w i t h p r o t e i n s t h a t s t i l l s h o w f u l l f u n c t i o n a l i t y a n d a c t i v i t y o n c e b o u n d [ 1 2 6 1 2 7 1 3 0 ] N a n o c r y s t a l l i n e d i a m o n d c a n b e p l a s m a t r e a t e d t o i n c r e a s e t h e s u r f a c e o x y g e n a n d h y d r o x i d e t e r m i n a t i o n s T h e a d v a n t a g e o f t h i s t r e a t m e n t i s t o b e a b l e t o c h o o s e b e t w e e n h y d r o p h i l i c a n d h y d r o p h o b i c s u r f a c e s d e p e n d i n g o n w h i c h w i l l p r o v i d e t h e b e s t s u r f a c e c o v e r a g e u s i n g a s e t p r o t e i n G e n e r a l r e s u l t s c o n f i r m e d u s i n g E L I S A s h o w t h a t t h e i m m u n o g l o b u l i n s h a v e a h i g h e r b i n d i n g e f f i c a c y w i t h a h y d r o p h i l i c n a n c r y s t a l l i n e d i a m o n d [ 1 2 7 1 3 0 ] O n c e t h e s u r f a c e h a s b e e n m o d i f i e d t o b e h y d r o p h i l i c i t i s p o s s i b l e t o u s e c o m m o n s i l a n e t r e a t m e n t s f o r c r e a t i n g c o v a l e n t b o n d s b e t w e e n t h e d i a m o n d a n d a c h o s e n p r o t e i n [ 2 7 1 3 1 ] F r o m t h e d e v i c e s f a b r i c a t e d a n d c h a r a c t e r i z e d i t i s p o s s i b l e t h e n t o u s e t h e d e v i c e s f o r a n e x c i t i n g u s e n a m e l y i n s i t u m a t e r i a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f h i g h g r o w t h / d e p o s i t i o n t e m p e r a t u r e m a t e r i a l s s u c h a s n a n o c r y s t a l l i n e d i a m o n d T h e a d v a n t a g e o f

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1 4 0 t h i s w o r k w i l l b e t h e d e v e l o p m e n t o f a s y s t e m t h a t c a n m e a s u r e m a t e r i a l p r o p e r t i e s o f t h i n g s t h a t u s u a l l y r e q u i r e p o s t o p e r a t i o n m e t r o l o g y 9 2 7 S A W S e n s o r C i r c u i t O p t i m i z a t i o n T o b e a b l e t o p r o d u c e a d e v i c e t h a t i s f e a s i b l y u s e d i n t h e f i e l d f o r t e s t i n g t h e e l e c t r o n i c s o f t h e s e n s o r d e s c r i b e d n e e d t o b e o p t i m i z e d a n d c o n d e n s e d i n t o a t i g h t p a c k a g e T h e m o s t c h a l l e n g i n g a s p e c t o f t h e o p t i m i z a t i o n w i l l b e t h e p o w e r a m p l i f i e r i n t e g r a t i o n a n d c o n d e n s i n g T h i s R F c o m p o n e n t i s r e q u i r e d t o b e h i g h p o w e r t o b e a b l e t o r e m o v e m a t e r i a l s f r o m t h e s u r f a c e o f t h e s e n s i n g e l e m e n t T y p i c a l l y t h i s c o m p o n e n t i s n o t p a c k a g e d t i g h t l y w i t h o t h e r e l e c t r o n i c s ; h o w e v e r w i t h k n o w n S A W p r o p e r t i e s t h e p o w e r a m p l i f i e r i s o n l y r e q u i r e d t o b e o p e r a t e d f o r a s h o r t p e r i o d o f t i m e w h i c h m a k e s t h i s a d o a b l e t a s k 9 2 8 F l u i d S o l i d I n t e r a c t i o n S i m u l a t i o n s W i t h t h e a v a i l a b l e c o m p u t i n g r e s o u r c e s a n d d e v e l o p e d F E m o d e l s t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s e t o t h e d i f f e r e n t I D T d e s i g n s i s a n a t u r a l p r o g r e s s i o n o f w o r k A l t h o u g h o n l y i n t u i t i v e r e s u l t s a r e e x p e c t e d t h e w o r k i s w o r t h y t o f u r t h e r u n d e r s t a n d t h e m e t h o d s t o t u n e a c o u s t i c s t r e a m i n g f o r t h e d e s i r e d a p p l i c a t i o n s o f b i o s e n s o r s

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1 4 1 S l i g h t l y m o r e c o m p l i c a t e d t o c r e a t e a m o d e l f o r a r e t h e m i c r o c a v i t y d e s i g n s T h e s e s t r u c t u r e s h a v e t h e p o t e n t i a l t o c r e a t e t r e m e n d o u s f o r c e s w i t h a c o u s t i c s t r e a m i n g a t t h e b o u n d a r i e s o f t h e m i c r o c a v i t i e s d u e t o t h e r e f l e c t i o n s T h e d e v i c e s n e e d t o b e s i m u l a t e d b o t h w i t h o u t a n d w i l l t h e w a v e g u i d e m a t e r i a l i n t h e m i c r o c a v i t y

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1 4 2 R e f e r e n c e s C i t e d [ 1 ] B a l l a n t i n e D S R M W h i t e S J M a r t i n A J R i c c o E T Z e l l e r s G C F r y e a n d H W o h l t j e n A c o u s t i c W a v e S e n s o r s : T h e o r y D e s i g n a n d P h y s i c o c h e m i c a l A p p l i c a t i o n s A p p l i c a t i o n s o f M o d e r n A c o u s t i c s 1 9 9 7 S a n D i e g o : A c a d e m i c P r e s s x i i 4 3 6 [ 2 ] T h o m p s o n M a n d D C S t o n e S u r f a c e L a u n c h e d A c o u s t i c W a v e S e n s o r s : C h e m i c a l S e n s i n g a n d T h i n F i l m C h a r a c t e r i z a t i o n C h e m i c a l A n a l y s i s e d J D W i n e f o r d n e r V o l 1 4 4 1 9 9 7 N e w Y o r k : J o h n W i l e y & S o n s I n c [ 3 ] C u l a r S D W B r a n c h V R B h e t h a n a b o t l a G D M e y e r a n d H G C r a i g h e a d R e m o v a l o f N o n s p e c i f i c a l l y B o u n d P r o t e i n s o n M i c r o s e n s o r s u s i n g S u r f a c e A c o u s t i c W a v e s A c c e p t e d I E E E S e n s o r s J o u r n a l 2 0 0 7 [ 4 ] B r a n c h D W G D M e y e r C J B o u r d o n a n d H G C r a i g h e a d A c t i v e M i x i n g i n M i c r o c h a n n e l s u s i n g S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S t r e a m i n g o n 1 2 8 o Y X L i N b O 3 S u b m i t t e d J M E M S 2 0 0 5 [ 5 ] M e y e r G D J M M o r a n M i r a b a l D W B r a n c h a n d H G C r a i g h e a d N o n s p e c i f i c B i n d i n g R e m o v a l f r o m P r o t e i n M i c r o a s s a y s U s i n g T h i c k n e s s S h e a r M o d e R e s o n a t o r s I E E E S e n s o r s J o u r n a l 2 0 0 6 6 ( 2 ) : p 2 5 4 2 6 1 [ 6 ] S a n k a r a n a r a y a n a n S S C u l a r V R B h e t h a n a b o t l a a n d B J o s e p h F l o w I n d u c e d b y A c o u s t i c S t r e a m i n g o n S u r f a c e A c o u s t i c W a v e D e v i c e s a n d I t s A p p l i c a t i o n i n B i o f o u l i n g R e m o v a l : N u m e r i c a l a n d E x p e r i m e n t a l S t u d y P h y s i c a l R e v i e w E A c c e p t e d 2 0 0 7 [ 7 ] C u l a r S V R B h e t h a n a b o t l a a n d D W B r a n c h S i m u l t a n e o u s S u r f a c e M a n i p u l a t i o n a n d S e n s i n g i n a B i o s e n s o r U s i n g a H e x a g o n a l S A W D e v i c e i n A I C h E A n n u a l M e e t i n g 2 0 0 6 S a n F r a n c i s c o C a U S A

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1 4 3 [ 8 ] D i a m o n d D e d P r i n c i p l e s o f C h e m i c a l a n d B i o l o g i c a l S e n s o r s C h e m i c a l A n a l y s i s e d J D W i n e f o r d n e r V o l 1 5 0 1 9 9 8 J o h n W i l e y & S o n s I n c : N e w Y o r k [ 9 ] E g g i n s B R C h e m i c a l S e n s o r s a n d B i o s e n s o r s A n a l y t i c a l T e c h n i q u e s i n t h e S c i e n c e s e d D J A n d o 2 0 0 2 N e w Y o r k : J o h n W i l e y & S o n s I n c [ 1 0 ] C u l a r S S S a n k a r a n a r a y a n a n a n d V R B h e t h a n a b o t l a I m p r o v e d L o v e w a v e B i o s e n s o r s T h r o u g h A d v a n c e d I n t e r d i g i t a t e d T r a n s d u c e r D e s i g n i n A I C h E A n n u a l M e e t i n g 2 0 0 7 S a l t L a k e C i t y U t a h [ 1 1 ] C u l a r S V R B h e t h a n a b o t l a a n d D W B r a n c h V a p o r D i s c r i m i n a t i o n U s i n g a H e x a g o n a l S u r f a c e A c o u s t i c W a v e D e v i c e i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 2 0 0 6 V a n c o u v e r C A : I E E E [ 1 2 ] N e u m a n M R a n d C C L i u B i o m e d i c a l S e n s o r s i n I n t e r v e n t i o n a l S y s t e m s : P r e s e n t P r o b l e m s a n d F u t u r e S t r a t e g i e s P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E 1 9 8 8 7 6 ( 9 ) : p 1 2 1 8 1 2 2 5 [ 1 3 ] B l u m L J a n d P R C o u l e t e d s B i o s e n s o r P r i n c i p l e s a n d A p p l i c a t i o n s B i o p r o c e s s T e c h n o l o g y S e r i e s e d W C M c G r e g o r 1 9 9 1 M a r c e l D e k k e r I n c : N e w Y o r k [ 1 4 ] S a d a n a A E n g i n e e r i n g B i o s e n s o r s : K i n e t i c s a n d D e s i g n A p p l i c a t i o n s 2 0 0 2 N e w Y o r k : A c a d e m i c P r e s s [ 1 5 ] R i c h a r d s o n A V R B h e t h a n a b o t l a a n d S C u l a r D e t e r m i n a t i o n o f t h e V i s c o e l a s t i c S h e a r M o d u l u s o f P o l y ( I s o b u t y l e n e ) / s o l v e n t S y s t e m s U s i n g T h i c k n e s s S h e a r M o d e Q u a r t z R e s o n a t o r s i n A I C h E A n n u a l M e e t i n g 2 0 0 7 S a l t L a k e C i t y U t a h [ 1 6 ] W o n g H C S W C a m p b e l l a n d V R B h e t h a n a b o t l a S o r p t i o n o f B e z e n e T e t r a h y d r o f u r a n a n d 2 b u t a n o n e b y P o l y ( v i n y l a c e t a t e ) a t 3 2 3 1 5 K U s i n g a Q u a r t z C r y s t a l B a l a n c e F l u i d P h a s e E q u i l i b r i a 2 0 0 0 1 7 9 : p 1 8 1 1 9 1 [ 1 7 ] M i c h a e l F a n d J H n a f f S u r f a c e A c o u s t i c W a v e s f o r S i g n a l P r o c e s s i n g T h e A r t e c h H o u s e a c o u s t i c l i b r a r y 1 9 8 9 B o s t o n : A r t e c h H o u s e

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1 4 4 [ 1 8 ] M o r g a n D P S u r f a c e W a v e D e v i c e s f o r S i g n a l P r o c e s s i n g S t u d i e s i n E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g V o l 1 9 1 9 9 1 N e w Y o r k : E l s e v i e r [ 1 9 ] C a m p b e l l C S u r f a c e A c o u s t i c W a v e D e v i c e s a n d T h e i r S i g n a l P r o c e s s i n g A p p l i c a t i o n s 1 9 8 9 B o s t o n : A c a d e m i c P r e s s x i v 4 7 0 [ 2 0 ] G i z e l i E B e n d e r F R a s m u s s o n A S a h a K J o s s e F a n d C e r n o s e k R W S e n s i t i v i t y o f t h e A c o u s t i c W a v e g u i d e B i o s e n s o r t o P r o t e i n B i n d i n g a s a F u n c t i o n o f t h e W a v e g u i d e P r o p e r t i e s B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 3 1 8 : p 1 3 9 9 1 4 0 6 [ 2 1 ] J o s s e F F B e n d e r a n d R C e r n o s e k G u i d e d S h e a r H o r i z o n t a l S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S e n s o r s f o r C h e m i c a l a n d B i o c h e m i c a l D e t e c t i o n i n L i q u i d s A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 2 0 0 1 7 3 : p 5 9 3 7 5 9 4 4 [ 2 2 ] M c H a l e G M I N e w t o n a n d F M a r t i n T h e o r e t i c a l M a s s S e n s i t i v i t y o f L o v e W a v e a n d L a y e r G u i d e d A c o u s t i c P l a t e M o d e S e n s o r s J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s 2 0 0 2 9 1 ( 1 2 ) : p 9 7 0 1 9 7 1 0 [ 2 3 ] K o v a c s G G W L u b k i n g M J V e l l e k o o p a n d A V e n e m a L o v e W a v e s f o r ( B i o ) c h e m i c a l S e n s i n g i n L i q u i d s i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 9 2 : I E E E [ 2 4 ] R o h d e H J a n d H J F r o h l i c h I n v e s t i g a t i o n o f R a y l e i g h w a v e P r o p a g a t i o n i n X Y q u a r t z w i t h S i O F i l m O v e r l a y s A c t a P h y s i c a S l o v a c a 1 9 8 2 3 2 ( 1 ) : p 8 5 9 0 [ 2 5 ] A u l d B A A c o u s t i c F i e l d s a n d W a v e s i n S o l i d s 1 9 7 3 N e w Y o r k : J o h n W i l e y & S o n s I n c 2 v [ 2 6 ] N y b o r g W L A c o u s t i c S t r e a m i n g d u e t o A t t e n u a t e d P l a n e s W a v e s T h e J o u r n a l o f T h e A c o u s t i c a l S o c i e t y o f A m e r i c a 1 9 5 3 2 5 ( 1 ) : p 6 8 7 5 [ 2 7 ] C u l a r S D W B r a n c h V R B h e t h a n a b o t l a G D M e y e r a n d H G C r a i g h e a d R e m o v a l o f N o n s p e c i f i c B i n d i n g o n M i c r o s e n s o r s U s i n g S u r f a c e A c o u s t i c W a v e s i n A I C h E A n n u a l M e e t i n g 2 0 0 5 C i n c i n n a t i O H U S A [ 2 8 ] B a k h t a r i K R G u l d i k e n P M a k a r a m A A B u s n a i n a a n d J G P a r k R e m o v a l o f N a n o S c a l e P S L P a r t i c l e U s i n g A c o u s t i c S t r e a m i n g i n A n n u a l M e e t i n g o f t h e A d h e s i o n S o c i e t y 2 0 0 5

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1 4 5 [ 2 9 ] M i y a m t o K S N a g a t o m o Y M a t s u i a n d S S h i o k a w a N o n l i n e a r V i b r a t i o n o f L i q u i d D r o p l e t b y S u r f a c e A c o u s t i c W a v e E x c i t a t i o n J p n J A p p l P h y s 2 0 0 2 4 1 : p 3 4 6 5 3 4 6 8 [ 3 0 ] R a p p M T W e s s a a n d H J A c h e M o d i f i c a t i o n o f C o m m e r c i a l l y A v a i l a b l e L o w L o s s S A W D e v i c e s T o w a r d s a n I m m u n o s e n s o r f o r i n s i t u M e a s u r e m e n t s i n W a t e r i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 9 5 : I E E E [ 3 1 ] B e n d e r F K L a n g e N B a r i e J K o n d o h a n d M R a p p O n l i n e m o n i t o r i n g o f P o l y m e r D e p o s i t i o n f o r T a i l o r i n g t h e W a v e g u i d e C h a r a c t e r i s t i c s o f L o v e w a v e B i o s e n s o r s L a n g m u i r 2 0 0 4 2 0 : p 2 3 1 5 2 3 1 9 [ 3 2 ] W e s s a T M R a p p a n d H S i g r i s t I m m u n o s e n s i n g o f P h o t o i m m o b i l i z e d P r o t e i n s o n S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S e n s o r s C o l l o i d s a n d S u r f a c e s 1 9 9 9 1 5 : p 1 3 9 1 4 6 [ 3 3 ] B a r i e N H S i g r i s t a n d M R a p p D e v e l o p m e n t o f I m m u n o s e n o r s B a s e d o n C o m m e r c i a l l y A v a i l a b l e S u r f a c e A c o u s t i c W a v e ( S A W ) D e v i c e s A n a l u s i s 1 9 9 9 2 7 ( 7 ) : p 6 2 2 6 2 9 [ 3 4 ] L a n g e K F B e n d e r A V o i g t H G a o a n d M R a p p A S u r f a c e A c o u s t i c W a v e B i o s e n s o r C o n c e p t w i t h L o w F l o w C e l l V o l u m e s f o r L a b e l F r e e D e t e c t i o n A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 2 0 0 3 7 5 : p 5 5 6 1 5 5 6 6 [ 3 5 ] L F 2 7 G H z R F / I F G a i n P h a s e D e t e c t o r A D 8 3 0 2 2 0 0 2 A n a l o g D e v i c e s I n c [ 3 6 ] S t u b b s D D S H L e e a n d W D H u n t M o l e c u l a r R e c o g n i t i o n o f f o r E l e c t r o n i c N o s e s U s i n g S u r f a c e A c o u s t i c W a v e I m m u n o a s s a y S e n s o r s I E E E S e n s o r s J o u r n a l 2 0 0 2 2 ( 4 ) : p 2 9 4 3 0 0 [ 3 7 ] G r a t e J W A S n o w D S B a l l a n t i n e H W o h l t j e n M H A b r a h a m R A M c G i l l a n d P S a s s o n D e t e r m i n a t i o n o f P a r t i t i o n C o e f f i c i e n t s f r o m S u r f a c e A c o u s t i c W a v e V a p o r S e n s o r R e s p o n s e s a n d C o r r e l a t i o n w i t h G a s L i q u i d C h r o m a t o g r a p h i c P a r t i t i o n C o e f f i c i e n t s A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 1 9 8 8 6 0 : p 8 6 9 8 7 5 [ 3 8 ] G r a t e J W S J P a t r a s h S N K a g a n o v e M H A b r a h a m B M W i s e a n d N B G a l l a g h e r I n v e r s e L e a s t s q u a r e s M o d e l i n g o f V a p o r D e s c r i p t o r s U s i n g P o l y m e r C o a t e d S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S e n s o r A r r a y R e s p o n s e s A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 2 0 0 1 7 3 : p 5 2 4 7 5 2 5 9

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1 4 6 [ 3 9 ] G r a t e J W B M W i s e a n d N B G a l l a g h e r C l a s s i c a l L e a s t S q u a r e s T r a n s f o r m a t i o n s o f S e n s o r A r r a y P a t t e r n V e c t o r s i n t o V a p o r D e s c r i p t o r s S i m u l a t i o n o f A r r a y s o f P o l y m e r c o a t e d S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S e n s o r s w i t h M a s s p l u s v o l u m e T r a n s d u c t i o n M e c h a n i s m s A n a l y t i c a C h i m i c a A c t a 2 0 0 3 4 9 0 : p 1 6 9 1 8 4 [ 4 0 ] G r a t e J W A c o u s t i c W a v e M i c r o s e n s o r A r r a y s f o r V a p o r S e n s i n g C h e m i c a l R e v i e w s 2 0 0 0 1 0 0 : p 2 6 2 7 2 6 4 8 [ 4 1 ] M a r t i n S J G C F r y e a n d S D S e n t u r i a D y n a m i c s a n d R e s p o n s e o f P o l y m e r C o a t e d S u r f a c e A c o u s t i c W a v e D e v i c e s : E f f e c t o f V i s c o e l a s t i c P r o p e r t i e s a n d F i l m R e s o n a n c e A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 1 9 9 4 6 6 : p 2 2 0 1 2 2 1 9 [ 4 2 ] G r a t e J W M K l u s t y R A M c G i l l M H A b r a h a m G W h i t i n g a n d J A n d o n i a n H a f t v a n T h e P r e d o m i n a n t R o l e o f S w e l l i n g I n d u c e d M o d u l u s C h a n g e s o f t h e S o r b e n t P h a s e i n D e t e r m i n i n g t h e R e s p o n s e o f P o l y m e r C o a t e d S u r f a c e A c o u s t i c W a v e V a p o r S e n s o r s A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 1 9 9 2 6 4 : p 6 1 0 6 2 4 [ 4 3 ] G e m p e r l i n e P e d P r a c t i c a l G u i d e t o C h e m o m e t r i c s 2 n d e d 2 0 0 6 T a y l o r & F r a n c i s G r o u p L L C : B o c a R a t o n [ 4 4 ] V e r n i n G a n d M C h a n o n e d s C o m p u t e r A i d s t o C h e m i s t r y C h e m i c a l S c i e n c e 1 9 8 6 E l l i s H o r w o o d L i m i t e d : C h i c h e s t e r [ 4 5 ] J a c k s o n J E A U s e r s G u i d e t o P r i n c i p a l C o m p o n e n t s W i l e y S e r i e s i n P r o b a b i l i t y a n d S t a t i s t i c s 1 9 9 1 N e w Y o r k : J o h n W i l e y a n d S o n s I n c [ 4 6 ] B r a n c h D W a n d S M B r o z i k L o w l e v e l D e t e c t i o n o f a B a c i l l u s A n t h r a c i s S i m u l a n t U s i n g L o v e w a v e B i o s e n s o r s o n 3 6 d e g Y X L i T a O 3 B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 4 1 9 : p 8 4 9 8 5 9 [ 4 7 ] M l l e r C T N i r m a i e r A R g e m e r a n d M V S c h i c k f u s S e n s i t i v e N O 2 D e t e c t i o n w i t h S u r f a c e A c o u s t i c W a v e D e v i c e s U s i n g a C y c l i c M e a s u r i n g T e c h n i q u e S e n s o r s a n d A c t u a t o r s B C h e m i c a l 2 0 0 0 6 8 : p 6 9 7 3 [ 4 8 ] U p a d h y a y u l a A K R D W i l l i a m s a n d V R B h e t h a n a b o l t a H i g h F r e q u e n c y T h i c k n e s s S h e a r M o d e D e v i c e s f o r O r g a n i c V a p o r S e n s i n g S e n s o r s a n d A c t u a t o r s B C h e m i c a l 2 0 0 5 ( s u b m i t t e d )

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1 4 7 [ 4 9 ] M a t l a b T h e M a t h w o r k s I n c [ 5 0 ] N a r a n g U P R G a u g e r A W K u s t e r b e c k a n d F S L i g l e r M u l t i a n a l y t e D e t e c t i o n U s i n g a C a p i l l a r y B a s e d F l o w I m m u n o s e n s o r A n a l y t i c a l B i o c h e m i s t r y 1 9 9 8 2 5 5 : p 1 3 1 9 [ 5 1 ] Q i a o c u i S P T u z h i Z Y u n u a n d C F Y a n g A n E l e c t r o c h e m i c a l B i o s e n s o r w i t h C h o l e s t e r o l O x i d a s e / S o l G e l F i l m o n a N a n o p l a t i n u m / C a r b o n N a n o t u b e E l e c t r o d e E l e c t r o a n a l y s i s 2 0 0 5 1 7 ( 1 0 ) : p 8 5 7 8 6 1 [ 5 2 ] R a m a n a t h a n K a n d B D a n i e l s s o n R e v i e w : P r i n c i p l e s a n d A p p l i c a t i o n s o f T h e r m a l B i o s e n s o r s B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 1 1 6 : p 4 1 7 4 2 3 [ 5 3 ] B l a w a s A S a n d W M R e i c h e r t P r o t e i n P a t t e r n i n g B i o m a t e r i a l s 1 9 9 8 1 9 : p 5 9 5 6 0 9 [ 5 4 ] M i t c h e l l P A P e r s p e c t i v e o n P r o t e i n M i c r o a r r a y s N a t u r e B i o t e c h n o l o g y 2 0 0 2 2 0 : p 2 2 5 2 2 9 [ 5 5 ] R o e d e r e r J E a n d G J B a s t i a a n s M i c r o g r a v i m e t r i c I m m u n o a s s a y w i t h P i e z o e l e c t r i c C r y s t a l s A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 1 9 8 3 5 5 : p 2 3 3 3 2 3 3 6 [ 5 6 ] L e e S H C S L e e D S S h i n B G K i m Y S L e e a n d Y K K i m M i c r o p r o t e i n P a t t e r n i n g U s i n g L i f t o f f P r o c e s s w i t h F l u o r o c a r b o n T h i n F i l m S e n s o r s a n d A c t u a t o r s B C h e m i c a l 2 0 0 4 9 9 : p 6 2 3 6 3 2 [ 5 7 ] M a c B e a t h G a n d S L S c h r e i b e r P r i n t i n g P r o t e i n s a s M i c r o a r r a y s f o r H i g h T h r o u g h p u t F u n c t i o n D e t e r m i n a t i o n S c i e n c e 2 0 0 0 2 8 9 : p 1 7 6 0 1 7 6 3 [ 5 8 ] K e n n a J G G N M a j o r a n d R S W i l l i a m s M e t h o d s f o r R e d u c i n g N o n s p e c i f i c A n t i b o d y B i n d i n g i n E n z y m e L i n k e d I m m u n o s o r b e n t A s s a y s J o u r n a l o f I m m u n o l o g i c a l M e t h o d s 1 9 8 5 8 5 : p 4 0 9 4 1 9 [ 5 9 ] R o b e r t F V o g t J D L P h i l l i p s L O H e n d e r s o n W W h i t f i e l d a n d F W S p i e r t o Q u a n t i t a t i v e D i f f e r e n c e s A m o n g V a r i o u s P r o t e i n s a s B l o c k i n g A g e n t s f o r E L I S A M i c r o t i t e r P l a t e s J o u r n a l o f I m m u n o l o g i c a l M e t h o d s 1 9 8 7 1 0 1 : p 4 3 5 0

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1 4 8 [ 6 0 ] S c h o n h e y d e r H a n d P A n d e r s o n E f f e c t s o f B o v i n e S e r u m A l b u m i n o n A n t i b o d y D e t e r m i n a t i o n b y E n z y m e L i n k e d I m m u n o s o r b e n t A s s a y J o u r n a l o f I m m u n o l o g i c a l M e t h o d s 1 9 8 4 7 2 : p 2 5 1 2 5 9 [ 6 1 ] D a h i n t R R R S e i g e l P H a r d e r M G r u n z e a n d F J o s s e D e t e c t i o n o f N o n s p e c i f i c P r o t e i n A d s o r p t i o n a t A r t i f i c i a l S u r f a c e s b y t h e U s e o f A c o u s t i c P l a t e M o d e S e n s o r s S e n s o r s a n d A c t u a t o r s B C h e m i c a l 1 9 9 6 3 5 3 6 : p 4 9 7 5 0 5 [ 6 2 ] C o o p e r M A F N D u l t s e v T M i n s o n V P O s t a n i n C A b e l l a n d D K l e n e r m a n D i r e c t a n d S e n s i t i v e D e t e c t i o n o f H u m a n V i r u s b y R u p t u r e E v e n t S c a n n i n g N a t u r e B i o t e c h n o l o g y 2 0 0 1 1 9 : p 8 3 3 8 3 7 [ 6 3 ] C o o p e r M A B i o s e n s i n g U s i n g R u p t u r e E v e n t S c a n n i n g ( R E V S ) T M M e a s u r e m e n t S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y 2 0 0 3 1 4 : p 1 8 8 8 1 8 9 3 [ 6 4 ] C u y p e r s P A J W C o r s e l M P J a n s s e n J M M K o p W T H e r m e n s a n d H C H e m k e r T h e A d s o r p t i o n o f P r o t h r o m b i n t o P h o s p h a t i d y l s e r i n e M u l t i l a y e r s Q u a n t i t a t e d b y E l l i p s o m e t r y T h e J o u r n a l o f B i o l o g i c a l C h e m i s t r y 1 9 8 3 2 5 8 ( 4 ) : p 2 4 2 6 2 4 3 1 [ 6 5 ] V o g e l A I W T C r e s s w e l l a n d J L e i c e s t e r B o n d R e f r a c t i o n s f o r T i n S i l i c o n L e a d G e r m a n i u m a n d M e r c u r y C o m p o u n d s J o u r n a l o f P h y s i c a l C h e m i s t r y 1 9 5 3 5 8 : p 1 7 4 1 7 7 [ 6 6 ] A r w i n H O p t i c a l P r o p e r t i e s o f T h i n L a y e r s o f B o v i n e S e r u m A l b u m i n G l o b u l i n a n d H e m o g l o b i n A p p l i e d S p e c t r o s c o p y 1 9 8 6 4 0 ( 3 ) : p 3 1 3 3 1 8 [ 6 7 ] C a r r a s c o B J G a r c i a d e l a T o r r e K G D a v i s S J o n e s D A t h w a l C W a l t e r s D R B u r t o n a n d S E H a r d i n g C r y s t a l l o h y d r o d y n a m i c s f o r S o l v i n g t h e H y d r a t i o n P r o b l e m f o r M u l t i d o m a i n P r o t e i n s : O p e n P h y s i o l o g i c a l C o n f o r m a t i o n s f o r H u m a n I g G B i o p h y s i c a l C h e m i s t r y 2 0 0 1 9 3 : p 1 8 1 1 9 6 [ 6 8 ] S t e v e n s M J T h o u g h t s o n t h e S t r u c t u r e o f A l k y l s i l a n e M o n o l a y e r s L a n g m u i r 1 9 9 9 1 5 : p 2 7 7 2 2 7 7 8 [ 6 9 ] T a m a r i n O S C o m e a u C D e j o u s D M o y n e t D R e b i e r e J B e z i a n a n d J P i s t r e R e a l T i m e D e v i c e f o r B i o s e n s i n g : D e s i g n o f a B a c t e r i o p h a g e M o d e l U s i n g L o v e A c o u s t i c W a v e s B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 3 1 8 : p 7 5 5 7 6 3

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1 4 9 [ 7 0 ] B e n d e r F K L a n g e A V o i g t a n d M R a p p I m p r o v e m e n t o f S u r f a c e A c o u s t i c W a v e G a s a n d B i o s e n s o r R e s p o n s e C h a r a c t e r i s t i c s U s i n g a C a p a c i t i v e C o u p l i n g T e c h n i q u e A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 2 0 0 4 7 6 ( 1 3 ) : p 3 8 3 7 3 8 4 0 [ 7 1 ] B a r i e N T W e s s a M B r u n s a n d M R a p p L o v e W a v e s i n S i O 2 L a y e r s o n S T W r e s o n a t o r s B a s e d o n L i T a O 3 T a l a n t a 2 0 0 4 6 2 : p 7 1 7 9 [ 7 2 ] G i z e l i E C R L o w e M L i l e y a n d H V o g e l D e t e c t i o n o f S u p p o r t e d L i p i d L a y e r s w i t h t h e A c o u s t i c L o v e W a v e g u i d e D e v i c e : A p p l i c a t i o n t o B i o s e n s o r s S e n s o r s a n d A c t u a t o r s B 1 9 9 6 3 4 : p 2 9 5 3 0 0 [ 7 3 ] W a n g Z J D N C h e e k e a n d C K J e n S e n s i t i v i t y A n a l y s i s f o r L o v e M o d e A c o u s t i c G r a v i m e t r i c S e n s o r s A p p l i e d P h y s i c s L e t t e r s 1 9 9 4 6 4 ( 2 2 ) : p 2 9 4 0 2 9 4 2 [ 7 4 ] B r a n d r u p J a n d E H I m m e r g u t e d s P o l y m e r H a n d b o o k 3 r d e d 1 9 8 9 J o h n W i l e y & S o n s I n c : N e w Y o r k [ 7 5 ] v a n K o o t e n T G H T S p i j k e r a n d H J B u s s c h e r P l a s m a t r e a t e d P o l y s t y r e n e S u r f a c e s : M o d e l S u r f a c e s f o r S t u d y i n g C e l l b i o m a t e r i a l I n t e r a c t i o n s B i o m a t e r i a l s 2 0 0 4 2 5 ( 1 0 ) : p 1 7 3 5 1 7 4 7 [ 7 6 ] H u n s i n g e r B J N G l o u d e m a n s a n d J R o w e L o w R e s o l u t i o n W e i g h t e d T a p T r a n s d u c e r s w i t h R e f l e c t i o n a n d D i f f r a c t i o n S u p p r e s s i o n i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 7 5 : I E E E [ 7 7 ] D e V r i e s A J T S r e e n i v a s a n S S u b r a m a n i a n a n d T J W o j c i k D e t a i l e d D e s c r i p t i o n o f a C o m m e r c i a l S u r f a c e w a v e T V I F F i l t e r s i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 7 4 : I E E E [ 7 8 ] M a d e r W R C R u p p e l a n d E E h r m a n n F a l k e n a u U n i v e r s a l M e t h o d f o r C o m p e n s a t i o n o f S A W D i f f r a c t i o n a n d O t h e r S e c o n d O r d e r E f f e c t s i n I E E E U l t r a s o n i c s S y p m o s i u m 1 9 8 2 : I E E E [ 7 9 ] S i t t i g E K a n d G A C o q u i n F i l t e r s a n d D i s p e r s i v e D e l a y L i n e s U s i n g R e p e t i t i v e l y M i s m a t c h e d U l t r a s o n i c T r a n s m i s s i o n L i n e s I E E E T r a n s a c t i o n s o n S o n i c s a n d U l t r a s o n i c s 1 9 6 8 s u 1 5 ( 2 ) : p 1 1 1 1 1 9

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1 5 0 [ 8 0 ] H o d J M J D e s b o i s P D u f i l i M S o l a l a n d P V e n t u r a S P U D T B a s e d F i l t e r s : D e s i g n P r i n c i p l e s a n d O p t i m i z a t i o n i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 9 5 : I E E E [ 8 1 ] J o n e s W S C S H a r t m a n n a n d T D S t u r d i v a n t S e c o n d O r d e r E f f e c t s i n S u r f a c e W a v e D e v i c e s I E E E T r a n s a c t i o n s o n S o n i c s a n d U l t r a s o n i c s 1 9 7 2 s u 1 9 ( 3 ) : p 3 6 8 3 8 4 [ 8 2 ] H a r t m a n n C S P V W r i g h t R J K a n s y a n d E M G a r b e r A n A n a l y s i s o f S A W I n t e r d i g i t a l T r a n s d u c e r s w i t h I n t e r n a l R e f l e c t i o n s a n d t h e A p p l i c a t i o n t o t h e D e s i g n o f S i n g l e p h a s e U n i d i r e c t i o n a l T r a n s d u c e r s i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 8 2 : I E E E [ 8 3 ] H a r t m a n n C S a n d B P A b b o t t O v e r v i e w o f D e s i g n C h a l l e n g e s f o r S i n g l e P h a s e U n i d i r e c t i o n a l S A W F i l t e r s i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 8 9 : I E E E [ 8 4 ] B r i s t o l T W W R J o n e s P B S n o w a n d W R S m i t h A p p l i c a t i o n o f D o u b l e E l e c t r o d e s i n A c o u s t i c S u r f a c e W a v e D e v i c e D e s i g n i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 7 2 : I E E E [ 8 5 ] D a r b y B J P M G r a n t a n d J H C o l l i n s H i g h P e r f o r m a n c e C o m m u n i c a t i o n M o d e m s I n c o r p o r a t i n g S u r f a c e A c o u s t i c W a v e i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 7 3 : I E E E [ 8 6 ] H a n m a K a n d B J H u n s i n g e r A T r i p l e T r a n s i t S u p p r e s s i o n T e c h n i q u e i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 7 4 : I E E E [ 8 7 ] I p p o l i t o S J K K a l a n t a r Z a d e h D A P o w e l l a n d W W l o d a r s k i A 3 d i m e n s i o n a l F i n i t e E l e m e n t A p p r o a c h f o r S i m u l a t i n g A c o u s t i c W a v e P r o p a g a t i o n i n L a y e r e d S A W D e v i c e s i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 2 0 0 3 : I E E E [ 8 8 ] I p p o l i t o S J K K a l a n t a r z a d e h D A P o w e l l a n d W W l o d a r s k i A F i n i t e E l e m e n t A p p r o a c h f o r 3 d i m e n s i o n a l S i m u l a t i o n o f L a y e r e d A c o u s t i c W a v e T r a n s d u c e r s i n O p t o e l e c t r o n i c a n d M i c r o e l e c t r o n i c M a t e r i a l s a n d D e v i c e s 2 0 0 2 : I E E E [ 8 9 ] A t a s h b a r M Z K K a l a n t a r z a d e h S J I p p o l i t t o a n d W W l o d a r s k i 3 D F i n i t e E l e m e n t S i m u l a t i o n M o d e l o f S A W P a l l a d i u m T h i n F i l m H y d r o g e n S e n s o r i n

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1 5 1 I E E E I n t e r n a t i o n a l U l t r a s o n i c s F e r r o e l e c t r o n i c s a n d F r e q u e n c y C o n t r o l J o i n t 5 0 t h A n n i v e r s a r y C o n f e r e n c e 2 0 0 4 : I E E E [ 9 0 ] L e r c h R S i m u l a t i o n o f P i e z o e l e c t r i c D e v i c e s b y T w o a n d T h r e e d i m e n s i o n a l F i n i t e E l e m e n t s I E E E T r a n s a c t i o n s o n U l t r a s o n i c s F e r r o e l e c t r i c s a n d F r e q u e n c y C o n t r o l 1 9 9 0 3 7 ( 3 ) : p 2 3 3 2 4 7 [ 9 1 ] X u G F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s o f S e c o n d O r d e r E f f e c t s o n t h e F r e q u e n c y R e s p o n s e o f a S A W D e v i c e i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 2 0 0 0 : I E E E [ 9 2 ] S a n k a r a n a r a y a n a n K R S S V R B h e t h a n a b o t l a a n d B J o s e p h 3 D F i n i t e E l e m e n t M o d e l o f S u r f a c e A c o u s t i c W a v e ( S A W ) S e n s o r R e s p o n s e i n A c o u s t i c W a v e B a s e d S e n s o r s a n d S e n s o r S y s t e m s 2 0 0 6 : E l e c t r o c h e m i c a l S o c i e t y [ 9 3 ] R s l e r U D C o h r s A D i e t z F G W R u i l e P R u s s e r a n d R W e i g e l D e t e r m i n a t i o n o f L e a k y S A W P r o p a g a t i o n R e f l e c t i o n a n d C o u p l i n g o n L i T a O 3 i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 9 5 : I E E E [ 9 4 ] L a r i c c h i a R o b b i o L a n d R P R i v o l t e l l a C o m p a r i s o n B e t w e e n t h e S u r f a c e P l a s m o n R e s o n a n c e ( S P R ) a n d t h e Q u a r t z C r y s t a l M i c r o b a l a n c e ( Q C M ) M e t h o d i n a S t r u c t u r a l A n a l y s i s o f H u m a n E n d o t h e l i n 1 B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 4 1 9 : p 1 7 5 3 1 7 5 8 [ 9 5 ] M a r t i n F M I N e w t o n G M c H a l e K A M e l z a k a n d E G i z e l i P u l s e M o d e S h e a r H o r i z o n t a l S u r f a c e A c o u s t i c W a v e ( S H S A W ) S y s t e m f o r L i q u i d B a s e d S e n s i n g A p p l i c a t i o n s B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 4 1 9 : p 6 2 7 6 3 2 [ 9 6 ] Z h a n g B Q M a o X Z h a n g T J i a n g M C h e n F Y u a n d W F u A N o v e l P i e z o e l e c t r i c Q u a r t z M i c r o a r r a y I m m u n o s e n s o r B a s e d o n S e l f a s s e m b e l d M o n o l a y e r f o r D e t e r m i n a t i o n o f H u m a n C h o r i o n i c G o n a d o t r o p i n B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 4 1 9 : p 7 1 1 7 2 0 [ 9 7 ] D i N a t a l e C A M a c a g n a n o E M a r t i n e l l i R P a o l e s s e e G D ’ A r c a n g e l o C R o s c i o n i A F i n a z z i A g r o a n d A D ’ A m i c o L u n g C a n c e r I d e n t i f i c a t i o n b y t h e A n a l y s i s o f B r e a t h b y M e a n s o f a n A r r a y o f N o n s e l e c t i v e G a s S n s o r s B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 3 1 8 : p 1 2 0 9 1 2 1 8 [ 9 8 ] L i m D V D e t e c t i o n o f M i c r o o r g a n i s m s a n d T o x i n s w i t h E v a n e s c e n t W a v e F i b e r O p t i c B i o s e n s o r s P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E 2 0 0 3 9 1 : p 9 0 2 9 0 7

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1 5 2 [ 9 9 ] D e M a r c o D R a n d D V L i m D e t e c t i o n o f E s c h e r i c h i a C o l i O 1 5 7 : H 7 i n 1 0 a n d 2 5 g r a m G r o u n d B e e f S a m p l e s U s i n g a n E v a n e s c e n t W a v e B i o s e n s o r w i t h S i l i c a a n d P o l y s t y r e n e W a v e g u i d e s J o u r n a l o f F o o d P r o t e c t i o n 2 0 0 2 6 5 : p 5 9 6 6 0 2 [ 1 0 0 ] C u i Y Q W e i H P a r k a n d C M L i e b e r N a n o w i r e N a n o s e n s o r s f o r H i g h l y S e n s i t i v e a n d S e l e c t i v e D e t e c t i o n o f B i o l o g i c a l a n d C h e m i c a l S p e c i e s S c i e n c e 2 0 0 1 2 9 3 ( 5 5 3 3 ) : p 1 2 8 9 1 2 9 2 [ 1 0 1 ] J o s s e F J F B e n d e r a n d R W C e r n o s e k G u i d e d S h e a r H o r i z o n t a l S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S e n s o r s f o r C h e m i c a l a n d B i o c h e m i c a l D e t e c t i o n i n L i q u i d s A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 2 0 0 1 7 3 : p 5 9 3 7 5 9 4 4 [ 1 0 2 ] G r a t e J W S N K a g a n o v e a n d V R B h e t h a n a b o t l a C o m p a r i s o n o f P o l y m e r / G a s P a r t i t i o n C o e f f i c i e n t s C a l c u l a t e d f r o m R e s p o n s e s o f T h i c k n e s s S h e a r M o d e a n d S u r f a c e A c o u s t i c W a v e V a p o r S e n s o r s A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 1 9 9 8 7 0 : p 1 9 9 2 0 3 [ 1 0 3 ] W o h l t j e n H a n d R D e s s y S u r f a c e A c o u s t i c W a v e P r o b e f o r C h e m i c a l A n a l y s i s I I n t r o d u c t i o n a n d I n s t r u m e n t a t i o n D e s c r i p t i o n A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 1 9 7 9 5 1 ( 9 ) : p 1 4 5 8 1 4 6 4 [ 1 0 4 ] W o h l t j e n H a n d R D e s s y S u r f a c e A c o u s t i c W a v e P r o b e s f o r C h e m i c a l A n a l y s i s I I G a s C h r o m a t o g r a p h y A n a l y t i c a l C h e m i s t r y 1 9 7 9 5 1 ( 9 ) : p 1 4 6 5 1 4 7 0 [ 1 0 5 ] C u l a r S V R B h e t h a n a b o t l a D W B r a n c h a n d J A S t r o m H e x a g o n a l S A W I n t e r l e u k i n 6 B i o s e n s o r i n A I C h E A n n u a l M e e t i n g 2 0 0 7 S a l t L a k e C i t y U t a h [ 1 0 6 ] R o m a A S C u l a r a n d V R B h e t h a n a b o t l a S H S A W B i o s e n s o r s i n U S F R E U S y m p o s i u m 2 0 0 6 T a m p a F L U S A [ 1 0 7 ] B r a n c h D W a n d S M B r o z i k L o w l e v e l D e t e c t i o n o f a B a c i l l u s A n t h r a c i s S i m u l a n t U s i n g L o v e w a v e B i o s e n s o r s o n 3 6 o Y X L i T a O 3 B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 4 1 9 : p 8 4 9 8 5 9 [ 1 0 8 ] G i z e l i E F B e n d e r A R a s m u s s o n K S a h a F J J o s s e a n d R W C e r n o s e k S e n s i t i v i t y o f t h e A c o u s t i c W a v e g u i d e B i o s e n o r t o P r o t e i n B i n d i n g a s a F u n c t i o n o f t h e W a v e g u i d e P r o p e r t i e s B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 3 1 8 : p 1 3 9 9 1 4 0 6

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1 5 3 [ 1 0 9 ] S c h i c k f u s M v W W e l s c h M W e i b a n d S H u n k l i n g e r B i o s e n s i n g w i t h S u r f a c e A c o u s t i c W a v e D e v i c e s I n s t i t u t f u r A n g e w a n d t e P h y s i k p 1 5 [ 1 1 0 ] C u l a r S S K R S S a n k a r a n a r a y a n a n V R B h e t h a n a b o t l a a n d D W B r a n c h I n t e r d i g i t a t e d T r a n s d u c e r D e s i g n f o r B i o s e n s o r A p p l i c a t i o n s R e q u i r i n g L o v e w a v e S u r f a c e A c o u s t i c W a v e s I E E E T r a n s a c t i o n s o n U l t r a s o n i c s F e r r o e l e c t r i c s a n d F r e q u e n c y C o n t r o l I n p r e p a r a t i o n 2 0 0 7 [ 1 1 1 ] B r a n c h D W a n d S M B o r z i k L o w l e v e l D e t e c t i o n o f a B a c i l l u s a n t h r a c i s S i m u l a n t U s i n g L o v e w a v e B i o s e n s o r s o n 3 6 d e g Y X L i T a O 3 B i o s e n s o r s & B i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 4 1 9 : p 8 4 9 8 5 9 [ 1 1 2 ] K o v a c s G M A n h o r n H E E n g a n G V i s i n t i n i a n d C C W R u p p e l I m p r o v e d M a t e r i a l C o n s t a n t s f o r L i N b O 3 a n d L i T a O 3 i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 9 0 : I E E E [ 1 1 3 ] C l a r i d g e J A A M S c h u l m a n a n d J S Y o u n g I m p r o v e d R e s u s c i t a t i o n M i n i m i z e s R e s p i r a t o r y D y s f u n c t i o n a n d B l u n t s I n t e r l e u k i n 6 a n d N u c l e a r F a c t o r -kB A c t i v a t i o n a f t e r T r a u m a t i c H e m o r r h a g e C r i t i c a l C a r e M e d i c i n e 2 0 0 2 3 0 ( 8 ) : p 1 8 1 5 1 8 1 9 [ 1 1 4 ] R e m i c k D G G R B o l g o s S C o p e l a n d a n d J S i d d i q u i R o l e o f I n t e r l e u k i n 6 i n M o r t a l i t y f r o m a n d P h y s i o l o g i c R e s p o n s e t o S e p s i s I n f e c t i o n a n d I m m u n i t y 2 0 0 5 7 3 ( 5 ) : p 2 7 5 1 2 7 5 7 [ 1 1 5 ] B r u n d a g e S I N A S a u t k e J B H o l c o m b D A S p a i n J C L a m M A M a s t r a n g e l o J M M a c a i t i s a n d D J T w e a r d y I n t e r l e u k i n 6 I n f u s i o n B l u n t s P r o i n f l a m m a t o r y C y t o k i n e P r o d u c t i o n W i t h o u t C a u s i n g S y s t e m a t i c T o x i c i t y i n a S w i n e M o d e l o f U n c o n t r o l l e d H e m o r r h a g i c S h o c k T h e J o u r n a l o f T r a u m a 2 0 0 4 5 7 : p 9 7 0 9 7 9 [ 1 1 6 ] R e m i c k D G G R B o l g o s J S i d d i q u i J S h i n a n d J A N e m z e k S i x a t S i x : I n t e r l e u k i n 6 M e a s u r e d 6 H A f t e r t h e I n i t i a t i o n o f S e p s i s P r e d i c t s M o r t a l i t y O v e r 3 D a y s S h o c k 2 0 0 2 1 7 ( 6 ) : p 4 6 3 4 6 7 [ 1 1 7 ] S i m p s o n R J A H a m m a c h e r D K S m i t h J M M a t t h e w s a n d L D W a r d R e v i e w : I n t e r l e u k i n 6 : S t r u c t u r e f u n c t i o n R e l a t i o n s h i p s P r o t e i n S c i e n c e 1 9 9 7 6 : p 9 2 9 9 5 5

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1 5 4 [ 1 1 8 ] H e n s l e r T S S a u e r l a n d B B o u i l l o n M R a u m D R i x e n H J H e l l i n g J A n d e r m a h r a n d E A M N e u g e b a u e r A s s o c i a t i o n B e t w e e n I n j u r y P a t t e r n o f P a t i e n t s w i t h M u l t i p l e I n j u r i e s a n d C i r c u l a t i n g L e v e l s o f S o l u b l e T u m o r N e c r o s i s F a c t o r R e c e p t o r s I n t e r l e u k i n 6 a n d I n t e r l e u k i n 1 0 a n d P o l y m o r p h o n u c l e a r N e u t r o p h i l E l a s t a s e T h e J o u r n a l o f T r a u m a 2 0 0 2 5 2 : p 9 6 2 9 7 0 [ 1 1 9 ] M o r g a n D P S u r f a c e W a v e D e v i c e s f o r S i g n a l P r o c e s s i n g S t u d i e s i n E l e c t r i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g 1 9 1 9 9 1 N e w Y o r k : E l s e v i e r [ 1 2 0 ] C h a u d h a r i A D S r i n i v a s a g u p t a S C u l a r V R B h e t h a n a b o t l a a n d B J o s e p h S u r f a c e A c o u s t i c W a v e S e n s o r s U s i n g N a n o c r y s t a l l i n e P a l l a d i u m f o r H y d r o g e n G a s D e t e c t i o n i n A I C h E A n n u a l M e e t i n g 2 0 0 4 A u s t i n T e x a s [ 1 2 1 ] C u n h a M P d D C M a l o c h a D W P u c c i o J T h i e l e a n d T B P o l l a r d L G X P u r e S h e a r H o r i z o n t a l S A W f o r L i q u i d S e n s o r A p p l i c a t i o n s I E E E S e n s o r s J o u r n a l 2 0 0 3 3 ( 5 ) : p 5 5 4 – 5 6 1 [ 1 2 2 ] K o v a c s G M J V e l l e k o o p R H a u e i s G W L u b k i n g a n d A V e n e m a A L o v e W a v e S e n s o r f o r ( B i o ) c h e m i c a l S e n s i n g i n L i q u i d s S e n s o r s a n d A c t u a t o r s A M e c h a n i c a l 1 9 9 4 4 3 ( 1 3 ) : p 3 8 4 3 [ 1 2 3 ] H u m p h r y e s R F a n d E A A s h A c o u s t i c B u l k S u r f a c e W a v e T r a n s d u c e r E l e c t r o n i c L e t t e r s 1 9 6 9 5 ( 9 ) : p 1 7 5 1 7 6 [ 1 2 4 ] C h e n D p J M e l n g a i l i s a n d H A H a u s F i l t e r s B a s e d o n C o n v e r s i o n o f S u r f a c e A c o u s t i c W a v e s t o B u l k P l a t e M o d e s i n G r a t i n g s i n 1 9 8 2 I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 1 9 8 2 : I E E E [ 1 2 5 ] L o b o N a n d D C M a l o c h a N o v e l D u a l M o d e S A W B A W D e v i c e i n I E E E U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m 2 0 0 6 V a n c o u v e r B C C a n a d a : I E E E [ 1 2 6 ] H a r t l A E S c h m i c h J A G a r r i d o J H e r n a n d o S C R C a t h a r i n o S W a l t e r P F e u l n e r A K r o m k a D S t e i n m u l l e r a n d M S t u t z m a n n P r o t e i n m o d i f i e d N a n o c r y s t a l l i n e D i a m o n d T h i n F i l m s f o r B i o s e n s o r A p p l i c a t i o n s N a t u r e M a t e r i a l s 2 0 0 4 3 : p 7 3 5 7 4 2 [ 1 2 7 ] H a r t l A S N o w y J H e r n a n d o J A G a r r i d o a n d M S t u t z m a n n B i o i n t e r f a c i n g o f D i a m o n d F i l m s f o r S e n s o r A p p l i c a t i o n s I E E E 2 0 0 5 : p 4 9 6 4 9 9

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1 5 5 [ 1 2 8 ] S i e w P S K P L o h W C P o h a n d H Z h a n g B i o s e n s i n g P r o p e r t i e s o f N a n o c r y s t a l l i n e D i a m o n d E l e c t r o d e s D i a m o n d & R e l a t e d M a t e r i a l s 2 0 0 5 1 4 : p 4 2 6 4 3 1 [ 1 2 9 ] B i r r e l l J J E G e r b i O A u c i e l l o J M G i b s o n D M G r u e n a n d J A C a r l i s l e B o n d i n g S t r u c t u r e i n N i t r o g e n D o p e d U l t r a n a n o c r y s t a l l i n e D i a m o n d J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s 2 0 0 3 9 3 ( 9 ) : p 5 6 0 6 5 6 1 2 [ 1 3 0 ] H u a n g T S Y T z e n g Y K L i u Y C C h e n K R W a l k e r R G u n t u p a l l i a n d C L i u I m m o b i l i z a t i o n o f A n t i b o d i e s a n d B a c t e r i a l B i n d i n g o n N a n o d i a m o n d a n d C a r b o n N a n o t u b e s f o r B i o s e n s o r A p p l i c a t i o n s D i a m o n d & R e l a t e d M a t e r i a l s 2 0 0 4 1 3 : p 1 0 9 8 1 1 0 2 [ 1 3 1 ] M a t r a b T M M C h e h i m i J P B o u d o u F B e n e d i c J W a n g N N N a g u i b a n d J A C a r l i s l e S u r f a c e F u n c t i o n a l i z a t i o n o f U l t r a n a n o c r y s t a l l i n e D i a m o n d U s i n g A t o m T r a n s f e r R a d i c a l P o l y m e r i z a t i o n ( A T R P ) I n i t i a t e d b y E l e c t r o g r a f t e d A r y l d i a z o n i u m D i a m o n d & R e l a t e d M a t e r i a l s 2 0 0 6 1 5 : p 6 3 9 6 4 4 [ 1 3 2 ] K o n d o h J S S h i o k a w a M R a p p a n d S S t i e r S i m u l a t i o n o f V i s c o e l a s t i c e f f e c t s o f P o l y m e r C o a t i n g s o n S u r f a c e A c o u s t i c W a v e G a s S e n s o r u n d e r C o n s i d e r a t i o n o f F i l m T h i c k n e s s J a p a n e s e J o u r n a l o f A p p l i e d P h y s i c s 1 9 9 8 3 7 : p 2 8 4 2 2 8 4 8 [ 1 3 3 ] L i Z G u i d e d S h e a r H o r i z o n t a l S u r f a c e A c o u s t i c W a v e ( S H S A W ) C h e m i c a l S e n s o r s f o r D e t e c t i o n o f O r g a n i c C o n t a m i n a n t s i n A q u e o u s E n v i r o n m e n t s 2 0 0 5 M a r q u e t t e U n i v e r s i t y : M i l w a u k e e

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1 5 6 A p p e n d i c e s

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1 5 7 A p p e n d i x A A c o u s t i c W a v e T h e o r y T h r o u g h o u t t h e l i t e r a t u r e [ 1 2 5 1 3 2 1 3 3 ] t h e r e a r e a n u m b e r o f v a r i a t i o n s i n n o m e n c l a t u r e a n d c o o r d i n a t e d e f i n i t i o n s f o r t h i s r e a s o n a l l d e r i v a t i o n s h a v e b e e n s t a n d a r d i z e d t o c o n f o r m t o a s i n g l e n o t a t i o n F i g u r e 4 9 i l l u s t r a t e s t h e m o t i o n o f t h e R a y l e i g h ( F i g u r e 4 7 a ) a n d s h e a r h o r i z o n t a l w a v e s t y p i c a l l y f o u n d i n S A W s e n s o r s A p u r e s h e a r w a v e e i t h e r h o r i z o n t a l ( F i g u r e 4 7 b ) o r a s h e a r v e r t i c a l w a v e ( n o t i l l u s t r a t e d ) h a v e o n l y h a v e a p a r t i c l e m o t i o n i n o n e d i r e c t i o n f o r e x a m p l e t h e S H w a v e ’ s p a r t i c l e m o t i o n i s p a r a l l e l t o t h e x a x i s R a y l e i g h w a v e s a r e d i s t i n g u i s h e d f r o m a s h e a r w a v e i n t h a t t h e p a r t i c l e m o t i o n i s e l l i p t i c a l h a v i n g b o t h a s h e a r v e r t i c a l a n d a l o n g i t u d i n a l m o d e F o l l o w i n g t h e c o o r d i n a t e s y s t e m i n F i g u r e 4 9 t h e m o t i o n i s b o t h i n t h e z a n d y d i r e c t i o n s f o r t h e R a y l e i g h S A W ( a ) ( b ) F i g u r e 4 7 I l l u s t r a t i o n o f R a y l e i g h ( l e f t ) a n d s h e a r h o r i z o n t a l ( r i g h t ) w a v e s

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 5 8 B y f o l l o w i n g t h e g e n e r a l p e r t u r b a t i o n t h e o r y g i v e n i n l i t e r a t u r e [ 2 5 ] t h e s u r f a c e i m p e d a n c e o f a S A W c a n b e f o u n d f r o m : ( )h j M B A B A M Zf i f i f i f i f i ib w b w bt a n h = + = ( A 1 ) w h e r e t h e v a r i a b l e s i n t h e e q u a t i o n s a r e s o l e l y p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l s V a r i o u s f i l m s a n d l i q u i d c a n b e c o a t e d o n t o t h e S A W t o m a k e s m a l l c h a n g e s i n t h e p r o p a g a t i n g w a v e ’ s p r o p e r t i e s S u c h c h a n g e s c a n b e r e c o r d e d a n d a n a l y z e d t h r o u g h t h e s u r f a c e i m p e d a n c e w h e n c o n s i d e r e d a s a c o m p l e x p r o p a g a t i o n r e p r e s e n t e d b y : = = D D = D 3 1 0 0 0i i iZ c v v j k ka g ( A 2 ) F i g u r e 4 8 F o u r l a y e r m o d e l d i a g r a m o f S A W d e v i c e n e e d e d f o r b i o l o g i c a l s e n s i n g a p p l i c a t i o n s i n l i q u i d s a m p l e s w h i l e u t i l i z i n g a g u i d i n g l a y e r f o r e n h a n c e d s e n s i t i v i t y

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 5 9 T h i s m o d e l c a n b e m o r e b e n e f i c i a l t h a n j u s t a n a l y z i n g t h e b e h a v i o r o f a S A W d e v i c e B u i l t i n t o t h e m o d e l i s a r e m a t e r i a l p r o p e r t i e s s u c h a s t h e L a m b u l k a n d s h e a r m o d u l i t h a t c a n b e e x t r a c t t h r o u g h f u r t h e r m a t h e m a t i c a l d e r i v a t i o n s b a s e d o n t h e d i s p l a c e m e n t s a s s o c i a t e d w i t h t h e d i f f e r e n t w a v e m o d e s A g e n e r a l i z e d t a b l e i s g i v e n b e l o w f o r a n a c o u s t i c a l l y t h i n f i l m o n a R a y l e i g h w a v e d e v i c e a s a n e x a m p l e T h e d e f i n i t i o n s o f t h e d i s p l a c e m e n t m o t i o n s a r e i l l u s t r a t e d i n T a b l e 8 a s w e l l T h i s s h o w s t h e c h a n g e s i n t h e w a v e p r o p a g a t i o n a r e a r e s u l t o f t h e c h a n g e s o f t h e w a v e s i n a l l d i r e c t i o n s f o r t h e c a s e o f a R a y l e i g h w a v e t h i s i s l i m i t e d t o y a n d z d i r e c t i o n m o t i o n p l a n e F o r s h e a r h o r i z o n t a l w a v e t h e m o t i o n i s f u r t h e r l i m i t e d t o t h e x d i r e c t i o n [ 1 1 3 2 1 3 3 ]

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Appendix A (Continued) 160 Table 8 Moduli associated with strain modes generated by SAW (acoustically thin film (R<<1) => E(2) 0) Strain mode Displacement gradient Modulus definition In terms of and In terms of G and K Transverse shear z u x () 13 13 1 2 S T E = G Bending z u y () 23 23 2 2 S T E = ( ) 2 14 6 L+ + hlm lmpm 0 ( ) () 2 43 32 L+ + h KG KGGp 0 Longitudinal compression z u z () 33 33 3 S T E = ( ) ml m l m 2 4 + + ( ) G K GKG 4 3 34 + + Within the confines of this project, the perturbation model is developed from the basic SAW device through a four layer device as shown in Figure 48. From the substrate up for the biomarker detector the layers are a piezoelectric substrate, an insulating guiding layer, an analyte specific layer, and finally the carrier fluid of the analyte. The model for such a system becomes cumbersome; however, the surface u u u u

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 6 1 i m p e d a n c e o f t h e d i f f e r i n g f i l m s r e m a i n s a f u n c t i o n o f j u s t t h e p h y s i c a l p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a l s O n e a s s u m p t i o n t h a t h a s b e e n m a d e t o s i m p l i f y t h e s o l u t i o n w a s c o n s i d e r i n g t h e l i q u i d l a y e r a s a s o l i d t o a v o i d t h e u s e o f t h e N a v i e r S t o k e s e q u a t i o n T h e t h o u g h t b e h i n d t h i s s i m p l i f i c a t i o n i s t h e l i q u i d f l o w r a t e a n d v o l u m e o f l i q u i d a r e v e r y s m a l l a s w e l l a s b e i n g c o n s t a n t T h e c o m p l e x p r o p a g a t i o n c a n t h u s b e r e p r e s e n t e d a s : ( ) = = + + + = D + = D D = D3 1 1 1 2 2 1 1 2 2 0 3 1 0 0 0 2 2 2 2 i l l l l f i f i f i f i i i l i f iB A B A M j B A B A M c k Z Z c v v j k kiw b w b g a g ( A 3 ) w h e r e t h e v a l u e s o f t h e A ’ s a n d B ’ s a r e : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) 4 3 2 1 4 3 2 1 3 0 2 4 3 2 1 4 3 2 1 3 0 0 4 3 2 1 4 3 2 1 2 3 3 1 0 0 1 3 1 2 4 3 2 1 2 4 3 2 1 1 2 3 3 1 0 0 1 3 1 1 4 3 2 1 4 3 2 1 2 3 3 1 0 0 1 3 1 0 12 2 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 12 2 2 2 2 R R R R M R R R R M e R u M B R R R R M R R R R M e R u M u e e e R R R R M R R R R M R R R R u M u R R R A R R R R M R R R R M R R R R u M u R R R B R R R R M R R R R M R R R R u M u R R R u A f i f i f i f i j f i f i f i f i f i f i f i j f i f i f i i h j h j h j f i f i f i f i f i f i f i i f i f i f i f i f i i f i f i f i f i f i f i f i f i f if i f i f i f i f i+ + + + + = + + + + + + + + + + + = + + + + + = + + + + + = -b b b b b b b b b b b b b b bb b b b b

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 6 2 ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + + = + + + + + = + + = + + + + + + + + + + + + + + = -1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12 2 1 1 2 2 0 2 1 0 1 2 2 1 1 2 2 2 0 2 1 2 2 1 1 2 2 0 2 1 0 2 2 2 1 1 2 2 0 2 1 1 2 2 1 2 2 4 2 2 1 1 2 2 3 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 2 2 1 2 1 4 1 0 1 2 2 1 4 1 0 1 2 1 0 1 2 4 2 2 1 4 1 2 1 3 1 1 2 3 2 1 2 2 2 2 2 4 4 2 1 h j h j h j h j l i h j f i l h j h j h j h j h j l i h j h j h j h j h j h j l i h j f i l h j h j h j h j l i h j l f i f i f i f i f i f i h j i h j i h j f i lf i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f ie T e T e T e T B T u e T T u A e e T e T e T e T B T u e T T e e T e T e T e T B T u e T T u A e T e T e T e T B T u e T T B M T T j T j T R M T T j T M T j T R M T T j T M T j T R T M T j T j T R e T T R T u R j T e T T R T u R j T e T u R T R T R T R T R T R T R T R T R Bb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b a n d ( ) ( ) ( ) ( )2 1 2 1 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 1 2 1 2 1 14 3 2 1 h h j h j h h j h j h h j h j h h j h jf i f i f i f i f i f i f i f i e e R e e R e e R e e R-= = = =b b b b b b b b 2 2 1 12 1 f i f i f i f iM T M Tb b= = T h e f i r s t p o r t i o n o f t h e d e r i v a t i o n i s g e n e r a l f o r a l l w a v e s F o l l o w i n g t h e g e n e r a l i z e d d e r i v a t i o n c o n d i t i o n s w i l l b e a p p l i e d t o c o n s t r a i n t h e w a v e s t o R a y l e i g h

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 6 3 a n d p u r e s h e a r h o r i z o n t a l w a v e s i n d e p e n d e n t l y T o b e g i n t h i s d e r i v a t i o n t h e e q u a t i o n o f m o t i o n i s k n o w n t o b e : t v T = r ( A 4 ) f r o m w h i c h t h e f o l l o w i n g e x p a n s i o n s a r e k n o w n : z z z y z x z y z y y y x y x z x y x x xv t z T y T x T v t z T y T x T v t z T y T x Tr r r = + + = + + = + + ( A 5 ) A p p e n d i x A 1 1 I s o t r o p i c F i l m F o r a n i s o t r o p i c f i l m m o d i f i c a t i o n s t o t h e s e e q u a t i o n s c a n b e d o n e w h e r e : wj t = ( A 6 ) I n p l a n e d i s p l a c e m e n t g r a d i e n t s c a n b e c o n s i d e r e d a s f o l l o w s :

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Appendix A (Continued) 164 [] b b b b b b b t n f r = b b b t n f r = z u S T y u S T x u S T z u S T y u S T x u S T z u S T y u S T x u S T TTT TTT TTT T z zz zz z zy zy z zz zz y yz yz y yy yy y yx yx x xz xz x xy xy x xx xx zzzyzx yzyyyx xzxyxx ij 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 (A.7) Cross film displacement gradients can then be defined: [] b b b b b b t n f r = b b b t n f r = z u K y u G x u G z u G y u K x u G z u G y u G x u K TTT TTT TTT T z z z y y y x x x zzzyzx yzyyyx xzxyxx ij (A.8) where G and K are the shear and bulk modulus of the material that are complex numbers whose real portions represent the storage moduli and the imaginary portions represent the loss moduli as shown below: GjGG KjKK + = + = (A.9) Additionally, stress and strain are related through the following equations utilizing the material moduli: Considering the relationships between the stress ( T ) and strain ( S):

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 6 5 ( ) i j i jS S S S Tm l2 3 3 2 2 1 1 + + + = ( f o r i = j ) ( A 1 0 ) 2 i j i j S T =m ( f o r i j ) ( A 1 1 ) w h e r e a n d a r e t h e L a m c o n s t a n t s S i m i l a r r e l a t i o n s c a n b e g i v e n u s i n g t h e b u l k ( K ) a n d s h e a r ( G ) m o d u l i u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s : G G K = =m l3 2 ( A 1 2 ) S u b s t i t u t i n g t h e d i s p l a c e m e n t g r a d i e n t s i n t o t h e c o n t i n u i t y e q u a t i o n a s e t o f t h r e e d i m e n s i o n a l w a v e e q u a t i o n s a r e f o u n d z z z z z z y y z y z x x z x z y z z y z y y y y y y x x y x y x z z x z x y y x y x x x x x x v t z u S T y u S T x u S T v t z u S T y u S T x u S T v t z u S T y u S T x u S Tr r r = + + = + + = + + 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 ( A 1 3 ) I n t o t h i s s e t o f w a v e e q u a t i o n s t h e h a r m o n i c s o l u t i o n ( ) ( ) k z t j e d u u =wˆ i s s u b s t i t u t e d w h e r e d i s t h e d i s t a n c e a c r o s s t h e f i l m ( ) d u ˆ i s t h e c r o s s f i l m d i s p l a c e m e n t i s t h e a n g u l a r f r e q u e n c y ( = 2 f ) a n d k i s t h e S A W w a v e n u m b e r ( k = 2 / = / v o )

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 6 6 u k S T u y u S T x u S T u k S T u y u S T x u S T u k S T u y u S T x u S T z z z z y y z y z x x z x z z y z y y y y y y x x y x y z x z x y y x y x x x x x x 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 = + = + = + r w r w r w ( A 1 4 ) A p p e n d i x A 1 2 W a v e P r o p a g a t i o n L i m i t e d t o Z d i r e c t i o n A t t h i s p o i n t t h e d e r i v a t i o n w i l l b e c o n s t r a i n e d t o a w a v e p r o p a g a t i n g i n t h e z d i r e c t i o n i m p l y i n g m o t i o n i n t h e z d i r e c t i o n i s l o n g i t u d i n a l a n d i n t h e x a n d y d i r e c t i o n s i s l a t e r a l o r s h e a r T h e s e e q u a t i o n s c a n b e f u r t h e r s i m p l i f i e d b y a s s u m i n g t h e d i s p l a c e m e n t s i n a p a r t i c u l a r d i r e c t i o n a r e z e r o I n t h e c a s e o f a R a y l e i g h w a v e t h e d i s p l a c e m e n t i n t h e x d i r e c t i o n i s z e r o t h u s 0 = x u x u k S T u y u S T u k S T u y u S T u k S T u y u S T z z z z y y z y z z y z y y y y y y z x z x y y x y x 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 0 2 1 0 2 1 2 1 0 = + = + = +r w r w r w ( A 1 5 )

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 6 7 I n t h e c a s e o f a s h e a r h o r i z o n t a l w a v e d i s p l a c e m e n t s o n l y o c c u r i n t h e x d i r e c t i o n t h u s 0 = = z u y u z y ( A 1 6 ) 0 0 2 1 0 0 2 1 0 0 2 2 2 2 2 2 2 2 2 = + = + = + u x u S T u x u S T u x u S T x x z x z x x y x y x x x x x r w r w r w ( A 1 7 ) F o r a R a y l e i g h S A W c o a t e d w i t h a f i l m : R e a r r a n g i n g t h e e q u a t i o n s y i e l d s t h e d i s p l a c e m e n t p r o f i l e : ( ) ( ) ( ) y j B y j A y u f i f f i f i + =b bc o s s i n ( A 1 8 ) w h e r e t h e s u p e r s c r i p t f i n d i c a t e s v a r i a b l e s a s s o c i a t e d w i t h t h e f i l m T h e g e n e r a l s o l u t i o n f o r t h e d i s p l a c e m e n t p r o f i l e i s : ( ) ( ) ( ) y j B y j A y u f i f f i f i + =b bc o s s i n ( A 1 9 ) i n o t h e r t e r m s

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 6 8 ( ) y j f y j f if i f ie B e A y ub b + = ( A 2 0 ) I n o r d e r t o s o l v e f o r t h e c o n s t a n t s A a n d B t w o b o u n d a r y c o n d i t i o n s n e e d e d T h e f i r s t c o n d i t i o n i n f e r s t h e d i s p l a c e m e n t s f r o m t h e c r y s t a l i n t o t h e f i l m a r e u n i f o r m += 0 0 i u T h e r e f o r e f f i B A u + = 0 T h e s e c o n d b o u n d a r y c o n d i t i o n i s t h a t t h e f i l m / a i r i n t e r f a c e i s s t r e s s f r e e ( ) 0 = h T i y T h e r e f o r e h j f h j ff i f ie B e Ab b-+ = 0 0 S i m u l t a n e o u s l y s o l v i n g t h e s e b o u n d a r y c o n d i t i o n s h j h j h j i f h j h j h j i ff i f i f i f i f i f i e e e u B e e e u Ab b b b b b+ = + = 0 0 ( A 2 1 ) B y s u b s t i t u t i n g A a n d B i n t o t h e o r i g i n a l e q u a t i o n a n d a p p l y i n g t h e d e f i n i t i o n o f a h y p e r b o l i c c o s i n e : ( ) ( ) ( ) ( ) h y f o r h j h y j u y u f i f i i o i £ £ = 0 c o s h c o s hb b ( A 2 2 ) N o w c o n s i d e r i n g t h e m e c h a n i c a l s u r f a c e i m p e d a n c e g i v e n f o r e a c h d i s p l a c e m e n t i s d e s c r i b e d b y : 0 ==y i i y f iv T Z ( A 2 3 )

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 6 9 T h e c r o s s f i l m g r a d i e n t s g i v e t h e i n t e r f a c i a l s h e a r s t r e s s : ( ) ( )f i f i f f y z z y z y y y y y y x x y x y i yM B A j y u S T y u S T y u S T Tb= n r = =02 1 2 1 0 ( A 2 4 ) w h e r e f iM r e p r e s e n t s t h e s t r e s s g r a d i e n t s o f t h e f i l m T h i s l e a d s t o t h e i n t e r f a c i a l p a r t i c l e v e l o c i t y : ( ) ( ) ( ) f f i i i iB A u j u j u v + = = =w w0 ) 0 ( 0 ( A 2 5 ) S u b s t i t u t i n g b a c k ( )h j M B A B A M Zf i f i f i f f f f f i f i ib w b w bt a n h = + = ( A 2 6 ) F i n a l l y t h e p e r t u r b a t i o n i n S A W p r o p a g a t i o n a r i s i n g f r o m c h a n g e s i n f i l m c h a n g e s c a n b e d e t e r m i n e d : = = D D = D3 1 0 0 0 i i iZ c v v j k ka g ( A 2 7 ) w h e r e c i i s a t h e S A W f i l m c o u p l i n g p a r a m e t e r

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 7 0 A p p e n d i x A 1 3 L i q u i d l o a d i n g o f t h e f i l m o n t h e R a y l e i g h d e v i c e C o n s i d e r a t i o n o f t h e f i l m i s t h a t i t i s i s o t r o p i c n o n p i e z o e l e c t r i c F o r l i q u i d l a y e r s t h i s a s s u m p t i o n i s c a r r i e d t h r o u g h a s o p p o s e d t o u s i n g t h e N a v i e r S t o k e s r e l a t i o n a s d u r i n g t h e e x p e r i m e n t s t h e l i q u i d f l o w r a t e i s v e r y s m a l l W i t h t h i s i n m i n d t h e l i q u i d l a y e r i n e s s e n c e i s b e i n g c o n s i d e r e d a s a s o l i d s e m i i n f i n i t e l a y e r T h e r e f o r e t h e w a v e e q u a t i o n i s f o l l o w s t h e s a m e m e t h o d a n d c l o s e t o t h e s a m e e q u a t i o n s a s t h e a b o v e d e r i v a t i o n T o b e g i n d e r i v a t i o n o f t h e e f f e c t s o f a l i q u i d l a y e r o n t h e S A W t h e w a v e e q u a t i o n i s : ( ) l l l l l i h y l l ij e C y ul iw r h d d bb2 1 ) ( = + = =( A 2 8 ) w h e r e l i s t h e d e c a y l e n g t h i n t o t h e l i q u i d l i s t h e v i s c o s i t y o f t h e l i q u i d a n d n l i s t h e d e n s i t y o f t h e l i q u i d N o t e t h a t t h e l i n d i c a t e s t h e l i q u i d l a y e r T h e s t r e s s o f t h e l i q u i d l a y e r i s r e p r e s e n t e d t h e s a m e a s t h e f i l m s o l v e d p r e v i o u s l y w i t h t h e e x c e p t i o n o f t h e n o t a t i o n t o i n d i c a t e t h e l a y e r i s i n d e e d l i q u i d F r o m t h i s p o i n t t h e m a t h e m a t i c s a r e t h e s a m e a n d w i l l n o t b e r e p e a t e d u p t o t h e f i r s t d i f f e r e n c e i n v o l v i n g b o u n d a r y c o n d i t i o n s T h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s i n w h i c h t h e r e a r e t h r e e ( 1 ) c o n t i n u i t y o f p a r t i c l e d i s p l a c e m e n t a t t h e s u b s t r a t e / f i l m i n t e r f a c e ( 2 )

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 7 1 c o n t i n u i t y o f s t r e s s a s t h e s u b s t r a t e / f i l m i n t e r f a c e a n d ( 3 ) t h e f i l m / l i q u i d i n t e r f a c e a t y = h c a n b e s o l v e d s t r a i g h t f o r w a r d T h e s e c a n b e r e p r e s e n t e d a s : ( ) ( ) ( ) ( ) ( )h T h T h u h u u u l i y f i y l i f i i f i = = =00 ( A 2 9 ) T h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s l e a d t o t h r e e e q u a t i o n s w i t h t h r e e u n k n o w n s : ( ) ( )l l i l i h j l h j l f f i h j l h j l l l l i C M e B e A j M e B e A C B A u l i l ib bb b b b= + = + = 0 ( A 3 0 ) S o l v i n g f o r t h e t h r e e u n k n o w n s i n t e r m s o f t h e l a y e r p r o p e r t i e s : ( ) ( ) h j l i l i h j l i l i h j f i f i h j f i f i f i f i i l h j l i l i h j l i l i h j f i f i h j f i f i l i l i f i f i h j i l h j l i l i h j l i l i h j f i f i h j f i f i l i l i f i f i h j i l l i l i f i f i l i l i f i f i f i l i l i f i f i f i e M e M e j M e j M M u C e M e M e j M e j M M j M e u B e M e M e j M e j M M j M e u Ab b b b b b b b b b b b b bb b b b b b b b b b b b b b b b b+ + = + + + = + + = 0 0 0 2 ( A 3 1 )

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 7 2 B y a p p l y i n g A l a n d B l t o t h e s u r f a c e m e c h a n i c a l i m p e d a n c e e q u a t i o n f r o m t h e d e r i v a t i o n i n v o l v i n g j u s t t h e f i l m : ( ) ( ) + + + = + = h j l i l i h j l i l i h j f i f i h j f i f i l i l i f i f i h j l i l i f i f i h j f i f i l l l l f i f i f l i l i f i f i f i f i i e M e M e j M e j M M j M e M j M e M B A B A M Zb b b b b bb b b b b b b b w b w b ( A 3 2 ) F i n a l l y b y c o m b i n i n g t h e m e c h a n i c a l i m p e d a n c e p e r t u r b a t i o n s f r o m t h e f i l m a n d t h e l i q u i d i n t o t h e c o m p l e x p r o p a g a t i n g f a c t o r ( ) ( ) ( ) ( ) = = + + + = D + = D D = D 3 1 0 3 1 0 0 0 t a n h i h j l i l i h j l i l i h j f i f i h j f i f i l i l i f i f i h j l i l i f i f i h j f i f i f i f i f i i i l i f i l i l i f i f i f i f i i e M e M e j M e j M M j M e M j M e M h j M c k Z Z c v v j k kb b b b b bb b b b b b b b w b b w b g a g ( A 3 3 ) A p p e n d i x A 1 4 L i q u i d l o a d i n g o f t h e f i l m o n t h e S h e a r h o r i z o n t a l d e v i c e T h e p r e v i o u s d e r i v a t i o n c a n b e a p p l i e d t o s h e a r h o r i z o n t a l S A W ’ s t h r o u g h a n a l o g y S i n c e t h e R a y l e i g h w a v e i s a c o m p o s i t e w a v e m o t i o n c o n s i s t i n g o f b o t h a s h e a r a n d l o n g i t u d i n a l c o m p o n e n t s a l l t h a t n e e d s t o b e d o n e i s r o t a t e t h e r e f e r e n c e

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 7 3 c o o r d i n a t e s y s t e m a n d n e g a t e t h e l o n g i t u d i n a l c o m p o n e n t o f m o t i o n T h i s r e s u l t s i n t h e f o l l o w i n g c o m p l e x p r o p a g a t i n g f a c t o r : ( ) ( ) ( ) + + + = D h j l x l x h j l x l x h j f x f x h j f x f x l x l x f x f x h j l x l x f x f x h j f x f x f x f x f x x l x l x i f x f x f x f x e M e M e j M e j M M j M e M j M e M h j M c kb b b b b bb b b b b b b b w b b w b gt a n h 0 ( A 3 4 ) A p p e n d i x A 1 5 L i q u i d L o a d i n g o n t h e S h e a r h o r i z o n t a l D e v i c e O n e v a r i a t i o n t h a t i s o f s o m e i n t e r e s t i s t h e f i l m o n t h e s h e a r h o r i z o n t a l S A W i s r e m o v e d s o t h a t i t i s o n l y e x p o s e d t o a l i q u i d W i t h i n t h e t e r m s o f t h e e q u a t i o n s t h i s m e a n s h = 0 : = Dw b gl x l x xM c k0 ( A 3 5 ) A p p e n d i x A 1 6 A i r L o a d i n g o f t h e F i l m o n t h e S h e a r h o r i z o n t a l D e v i c e A s e c o n d v a r i a t i o n o f t h e s o l u t i o n f o r a s h e a r h o r i z o n t a l S A W i s w h e n t h e d e v i c e i s c o a t e d w i t h a f i l m t h e l e f t i n a v a c u u m o r e v e n a i r T h i s s c e n a r i o i m p l i e s t h e r e a r e n o s t r e s s g r a d i e n t s e x i t i n g t h e f i l m m a k i n g M l = 0 ; u n d e r t h e s e c o n d i t i o n s t h e r e s u l t i n g c o m p l e x p r o p a g a t i o n e q u a t i o n i s a n a l o g o u s t o t h e o n e f o r a R a y l e i g h

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Appendix A (Continued) 174 with a rotation of the coordinate system with limiting the displacements to only one shearing motion. () = D hj M c k f x f x f x xb w b gtanh 0 (A.36) Appendix A.1.7 Four layers for Biomarker Detection With the above derivations, it is possible to do some preliminary work with the shear-horizontal SAW sensor. For example polymer sorption experiments with first layer as the polymer and the analyte in low concentration in the fluid layer. Within the scope of this work, an additional layer is needed. From the substrate up for the biomarker detector the layers are a piezoelectric substrate, an insulating guiding layer, an analyte specific layer, and finally the carrier fluid of the analyte. These layers are schematically drawn in Figure 49 and the model will be derived below.

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 7 5 F i g u r e 4 9 L a y e r m o d e l d i a g r a m o f S A W d e v i c e n e e d e d f o r b i o l o g i c a l s e n s i n g a p p l i c a t i o n s i n l i q u i d s a m p l e s w h i l e u t i l i z i n g a g u i d i n g l a y e r f o r e n h a n c e d s e n s i t i v i t y T h e g e n e r a l s o l u t i o n f o r t h e d i s p l a c e m e n t p r o f i l e s i n t h e f o u r l a y e r m o d e l i s g i v e n b y : ( ) ( )( ) ( )1 2 1 2 2 1 1 12 2 1 1 h y j h y j f i y j y j f if i f i f i f ie B e A y u e B e A y u + = + =b b b b ( A 3 7 ) T h e f o u r b o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r t h e s o l u t i o n o f t h e d i s p l a c e m e n t e q u a t i o n s a r e : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )0 0 0 2 2 1 1 1 1 1 0 2 2 1 2 1 1 = = = = = = = h T h y a t h T h T h u h u h y a t u u y a t f i y f i y f i y f i f i i f i ( A 3 8 )

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 7 6 F r o m t h e f o u r b o u n d a r y c o n d i t i o n s f o u r e q u a t i o n s a r e d e v e l o p e d : ( )( )( ) ( )0 1 2 2 1 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 1 1 1 2 2 1 1 1 1 0 = = + + = + + = h h j h h j f i f i h j h j i f i h j h j f if i f i f i f i f i f ie B e A B A M j e B e A j M B A e B e A B A ub b b b b bb b ( A 3 9 ) S o l v i n g f o r t h e c o n s t a n t s ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) 4 3 2 1 4 3 2 1 3 0 2 4 3 2 1 4 3 2 1 3 0 0 4 3 2 1 4 3 2 1 2 3 3 1 0 0 1 3 1 2 4 3 2 1 2 4 3 2 1 1 2 3 3 1 0 0 1 3 1 1 4 3 2 1 4 3 2 1 2 3 3 1 0 0 1 3 1 0 1 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 R R R R M R R R R M e R u M B R R R R M R R R R M e R u M u e e e R R R R M R R R R M R R R R u M u R R R A R R R R M R R R R M R R R R u M u R R R B R R R R M R R R R M R R R R u M u R R R u A f i f i f i f i j f i f i f i f i f i f i f i j f i f i f i i h j h j h j f i f i f i f i f i f i f i i f i f i f i f i f i i f i f i f i f i f i f i f i f i f if i f i f i f i f i+ + + + + = + + + + + + + + + + + = + + + + + = + + + + + = -b b b b b b b b b b b b b b bb b b b b ( A 4 0 )

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Appendix A (Continued) 177 where () () () ()21 2 1 1 21 2 1 1 21 2 1 1 21 2 1 1 4 3 2 1 hhjhj hhjhj hhjhj hhjhj f i f i f i f i f i f i f i f i eeR eeR eeR eeR ---= = = =bb bb bb bb (A.41) Following the surface impedance procedure given for the three layer model, the surface impedance for the four layer geometry is found to be: ( ) () () () ( )( ) ( )( )( ) +-++++ -+ +-++++ = + = 4321 4321 30 0 4321 4321 23310 0131 0 11 22 22 11 1 111 1 1 1 1 1 1 1 22 11 111 1 1 22 22 4 2 RRRRMRRRRM eRuM ue ee RRRRMRRRRM RRRRuM uRRR uj Mj Z BAj BAMj Z f i f i f i f i j f i f i f i f i hj hjhj f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f ib b b b b b v b v bb b b b (A.42)

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 7 8 A p p e n d i x A 1 8 L i q u i d L o a d i n g o f t h e T w o F i l m M o d e l T h e o n l y c h a n g e s f r o m t h e p r e v i o u s d e r i v a t i o n t o t h e c u r r e n t n e e d e d a r e c h a n g e s t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s f o r t h e s u r f a c e l i q u i d b o u n d a r y F o r t h i s c a s e t h e d i s p l a c e m e n t a n d t h e s t r e s s e s a r e c o n s i d e r e d t o b e c o n t i n u o u s : ( ) ( ) ( ) ( )2 3 2 2 2 3 2 2h T h T h u h ui y i y i i= = ( A 4 3 ) A p p l y i n g a l l f i v e o f t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s g i v e r i s e t o t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n s : ( )( )( ) ( ) ( ) ( )( )l l i h h j l h h j l f i f i l h h j l h h j l l l f i f i h j l h j l f i f i l l h j l h j l l l f l i C M e B e A M j C e B e A B A M j e B e A j M B A e B e A B A u f i f i f i f i f i f i i i = = + = + = + + = 1 2 2 1 2 2 2 2 1 2 2 1 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 1 1 1 1 0b b b b b b b bb b b ( A 4 4 )

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 7 9 S o l v i n g f o r t h e c o n s t a n t s ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + + = + + + + + = + + = + + + + + + + + + + + + + + = + + + + + + + + = -1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12 2 1 1 2 2 0 2 1 0 1 2 2 1 1 2 2 2 0 2 1 2 2 1 1 2 2 0 2 1 0 2 2 2 1 1 2 2 0 2 1 1 2 2 1 2 2 4 2 2 1 1 2 2 3 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 2 2 1 2 1 4 1 0 1 2 2 1 4 1 0 1 2 1 0 1 2 4 2 2 1 4 1 2 1 3 1 1 2 3 2 1 2 2 2 1 2 2 4 2 2 1 1 2 2 3 2 2 1 1 2 2 2 2 2 1 2 2 1 4 1 0 1 2 2 2 2 2 4 4 2 1 4 h j h j h j h j l i h j f i l h j h j h j h j h j l i h j h j h j h j h j h j l i h j f i l h j h j h j h j l i h j l f i f i f i f i f i f i h j i h j i h j f i l f i f i f i f i f i f i f i lf i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f i f ie T e T e T e T B T u e T T u A e e T e T e T e T B T u e T T e e T e T e T e T B T u e T T u A e T e T e T e T B T u e T T B M T T j T j T R M T T j T M T j T R M T T j T M T j T R T M T j T j T R e T T R T u R j T e T T R T u R j T e T u R T R T R T R T R T R T R T R T R B M T T j T j T R M T T j T M T j T R M T T j T M T j T R T M T j T j T R R T u R j T Cb b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b b ( A 4 5 ) w h e r e 2 2 1 12 1 f i f i f i f i M T M Tb b= = ( A 4 6 )

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A p p e n d i x A ( C o n t i n u e d ) 1 8 0 F o l l o w i n g t h e s u r f a c e i m p e d a n c e p r o c e d u r e g i v e n f o r t h e t h r e e l a y e r m o d e l t h e s u r f a c e i m p e d a n c e f o r t h e f o u r l a y e r g e o m e t r y i s f o u n d t o b e t h e s a m e a s b e f o r e w i t h t h e c o n s t a n t s s o l v e d f o r w i t h t h e v a r i a t i o n g i v e n f o r t h e l i q u i d l o a d i n g : ( ) ( ) l l l l f i f i l B A j B A M j Z 1 1 2 22 2+ =v b ( A 4 7 ) S u b s t i t u t i n g b a c k t h e c o m p l e x p r o p a g a t i o n b e c o m e s : ( ) = = + + + = D + = D D = D 3 1 1 1 2 2 1 1 2 2 0 3 1 0 0 02 2 2 2i l l l l f i f i f i f i i i l i f i B A B A M B A B A M c k Z Z c v v j k kiw b w b g a g ( A 4 8 ) A p p e n d i x A 1 9 L i q u i d L o a d i n g o f t h e F i l m o n t h e S h e a r h o r i z o n t a l D e v i c e A p p l y i n g t h e a b o v e c o m p l e x p r o p a g a t i n g f a c t o r t o t h e s h e a r h o r i z o n t a l S A W : = + + + = D 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2 0 i l l l l f i f i f i f i i B A B A M B A B A M c kw b w b g ( A 4 9 )

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1 8 1 A p p e n d i x B A n s y s S i m u l a t i o n s I n p u t s M a n y s c r i p t f i l e s h a v e b e e n u s e d f o r t h e s t u d i e s p r e s e n t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n T h i s a p p e n d i x i s m e r e l y a c o m p i l a t i o n o f s a m p l e s c r i p t s f o r t h e d i f f e r e n t a s p e c t s i n v o l v e d w i t h s i m u l a t i o n a n a c o u s t i c w a v e d e v i c e T h e c o m m a n d s g i v e n h e r e w e r e d e v e l o p e d w i t h A n s y s v e r s i o n s 8 t h r o u g h 1 1 N o t e t h e r e a r e s m a l l d e v i a t i o n s f o r t h e d i f f e r e n t v e r s i o n s f o r t h e c o m m a n d s a n d d e v i a t i o n s a l s o a r i s e f r o m u s i n g t h e s o f t w a r e o n d i f f e r e n t o p e r a t i o n s y s t e m s i e S o l a r i s a n d W i n d o w s M u c h o f t h i s w o r k h a s b e e n a d a p t e d f r o m t h e w o r k o f S u b r a m a n i a n K R S S a n k a r a n a r a y a n a n A p p e n d i x B 1 P i e z o e l e c t r i c M a t e r i a l D a t a T h e m a t e r i a l d a t a u s e d i n t h e s e s i m u l a t i o n s c a n b e f o u n d i n m a n y s o u r c e s t h e n r o t a t e d a c c o r d i n g l y f o r t h e a p p r o p r i a t e c u t a n g l e s T h r o u g h o u t t h e d a t a S I u n i t s h a v e b e e n u s e d b u t i n s o m e i n s t a n c e s p a r t i c u l a r A n s y s u n i t s h a v e b e e n u t i l i z e d T h e m a t e r i a l d a t a m a t r i c e s g i v e n i n t h e f o l l o w i n g s e c t i o n s h a v e b e e n c o n v e r t e d t o a n I E E E f o r m a t t h a t A n s y s u s e s

PAGE 198

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 8 2 F i r s t t h e f u l l 6 x 3 p i e z o e l e c t r i c m a t r i x r e l a t i v e t e r m s x y z x y y z x z t o x y z v i a 1 8 c o n s t a n t s a s s h o w n : e 1 1 e 1 2 e 1 3 e 2 1 e 2 2 e 2 3 e 3 1 e 3 2 e 3 3 e 4 1 e 4 2 e 4 3 e 5 1 e 5 2 e 5 3 e 6 1 e 6 2 e 6 3 T h e f u l l 6 x 6 e l a s t i c c o e f f i c i e n t m a t r i x [ D ] r e l a t e s t e r m s o r d e r e d x y z x y y z x z v i a 2 1 c o n s t a n t s a s s h o w n b e l o w : C 1 C 6 T e r m s D 1 1 D 2 1 D 3 1 D 4 1 D 5 1 D 6 1 C 7 C 1 2 T e r m s D 2 2 D 3 2 D 4 2 D 5 2 D 6 2 D 3 3 C 1 3 C 1 8 T e r m s D 4 3 D 5 3 D 6 3 D 4 4 D 5 4 D 6 4 C 1 9 C 2 1 T e r m s D 5 5 D 6 5 D 6 6 A p p e n d i x B 1 1 3 6 Y X L i T a O 3 / C O M A N S Y S R E L E A S E 1 0 0 / N O P / C O M I n t e r n a l U N I T S s e t a t f i l e c r e a t i o n t i m e = S I ( M K S ) T B D E L A L L M A T L

PAGE 199

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 8 3 M P D E L A L L M A T L M P T E M P R 5 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M P D A T A R 5 0 1 A L P X M A T L 1 2 3 0 0 0 0 0 0 0 M P T E M P R 5 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M P D A T A R 5 0 1 D E N S M A T L 1 7 4 5 0 0 0 0 0 0 M P T E M P R 5 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M P D A T A R 5 0 1 P E R X M A T L 1 3 6 4 1 0 0 0 0 0 0 E 1 0 M P T E M P R 5 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M P D A T A R 5 0 1 P E R Y M A T L 1 3 7 9 6 0 0 0 0 0 0 E 1 0 M P T E M P R 5 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M P D A T A R 5 0 1 P E R Z M A T L 1 3 6 3 3 0 0 0 0 0 0 E 1 0 M P T E M P R 5 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M P D A T A R 5 0 1 S O N C M A T L 1 4 1 6 0 1 0 0 0 0 T B P I E Z M A T L , 0 T B D A T 1 1 4 1 4 7 0 4 2 7 1 1 4 4 8 7 T B D A T 4 0 6 4 4 9 2 0 3 2 9 0 3 2 3 2 T B D A T 7 0 3 0 3 9 0 2 2 1 4 0 8 9 2 0 T B D A T 1 0 2 0 7 3 2 0 0 0 7 3 0 4 3 4 0 T B D A T 1 3 0 4 3 4 0 0 0 0 3 6 2 7 2 1 6 T B D A T 1 6 1 7 6 8 3 0 4 3 4 0 0 3 3 3 7 T B A N E L M A T L 1 , 0 T B T E M 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 T B D A T 1 2 3 1 5 2 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 7 4 4 7 2 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 4 9 2 4 0 0 0 0 0 E + 1 1 T B D A T 4 0 0 4 4 4 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 0 5 9 1 0 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 0 5 1 8 0 0 0 0 0 E + 1 1 T B D A T 7 2 7 3 7 9 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 8 1 1 0 0 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 0 2 8 9 0 0 0 0 0 E + 1 1 T B D A T 1 0 0 0 1 4 5 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 0 4 4 4 0 0 0 0 0 0 E + 1 1 2 2 8 4 6 0 0 0 0 0 E + 1 1 T B D A T 1 3 0 0 2 5 3 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 0 6 8 7 0 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 0 3 1 3 0 0 0 0 0 E + 1 1 T B D A T 1 6 0 9 3 5 9 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 0 3 0 7 0 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 0 9 4 1 0 0 0 0 0 E + 1 1 T B D A T 1 9 0 9 8 1 9 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 0 1 3 6 0 0 0 0 0 0 E + 1 1 0 9 2 8 3 0 0 0 0 0 E + 1 1 / G O / N O P / G O

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 8 4 A p p e n d i x B 1 2 A T Q u a r t z / N O P / C O M I n t e r n a l U N I T S s e t a t f i l e c r e a t i o n t i m e = S I ( M K S ) T B D E L A L L M A T L M P D E L A L L M A T L M P T E M P R 5 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M P D A T A R 5 0 1 D E N S M A T L 1 2 6 7 5 0 0 0 0 0 M P T E M P R 5 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M P D A T A R 5 0 1 P E R X M A T L 1 4 4 3 M P T E M P R 5 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M P D A T A R 5 0 1 P E R Y M A T L 1 4 4 3 M P T E M P R 5 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 M P D A T A R 5 0 1 P E R Z M A T L 1 4 6 3 T B P I E Z M A T L , 0 T B D A T 1 0 1 7 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T B D A T 4 0 0 1 8 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T B D A T 7 0 1 5 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T B D A T 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 6 1 0 0 0 0 0 0 6 7 0 0 0 0 0 0 T B D A T 1 3 0 0 6 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T B D A T 1 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 7 0 0 0 0 0 0 0 9 5 0 0 0 0 0 0 T B A N E L M A T L 1 , 0 T B T E M 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 T B D A T 1 8 6 7 4 e 9 2 7 1 5 e 9 8 2 5 e 9 T B D A T 4 0 3 6 6 e 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T B D A T 7 1 0 2 8 3 e 9 7 4 2 e 9 0 T B D A T 1 0 9 9 2 e 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 9 7 7 e 9 T B D A T 1 3 0 5 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T B D A T 1 6 6 8 8 1 e 9 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 5 3 e 9 T B D A T 1 9 3 8 6 1 e 9 0 0 0 0 0 0 0 2 9 0 1 e 9 / G O / N O P / G O

PAGE 201

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 8 5 A p p e n d i x B 2 S A W C o n f i g u r a t i o n C o m m o n t o a l l s i m u l a t i o n s d e s c r i b e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n i s t h e g e n e r a l S A W c o n f i g u r a t i o n T h i s c o n s i s t s o f a s u b s t r a t e r e c t a n g u l a r s o l i d d i v i d e d i n t o m u l t i p l e p i e c e s a n d a p o l y m e r r e c t a n g u l a r s o l i d M i n o r v a r i a t i o n s o f t h e m e s h d e n s i t y w e r e n e c e s s a r y f o r s o m e o f t h e s i m u l a t i o n s T h e s e v a r i a t i o n s w e r e n e c e s s a r y w e r e c o n s i d e r i n g a d v a n c e d I D T a n d d e l a y p a t h d e s i g n s A p p e n d i x B 2 1 C o m m o n S A W C o n f i g u r a t i o n / C O M S e t g r a p h i c o p t i o n s / P N U M K P 0 / P N U M L I N E 1 / P N U M A R E A 1 / P N U M V O L U 0 / P N U M N O D E 0 / P N U M T A B N 0 / P N U M S V A L 0 / N U M B E R 0 / P N U M E L E M 0 / R E P L O T / P R E P 7 E T 1 S O L I D 9 8 K E Y O P T 1 1 3 K E Y O P T 1 3 0 K E Y O P T 1 5 0

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 8 6 M A T 1 M P R E A D M A T L A B L i T a O 3 ' S I M P L ' L I B M P L I S T 1 T B L I S T A L L 1 E T 2 S O L I D 9 8 K E Y O P T 2 1 3 K E Y O P T 2 3 0 K E Y O P T 2 5 0 * M P E X 2 3 4 0 0 e 6 P O L Y M E R M O D U L U S O F E L A S T I C I T Y M P N U X Y 2 3 3 P O L Y M E R P O I S S O N R A T I O M P D E N S 2 1 1 1 0 P O L Y M E R D E N S I T Y S E T S u b s t r a t e H e i g h t 2 0 0 e 6 S E T S u b s t r a t e L e n g t h 1 6 0 0 e 6 S E T S u b s t r a t e D e p t h 2 0 0 e 6 S E T P O L Y M E R H e i g h t 0 5 0 0 e 6 S E T P O L Y M E R L e n g t h 8 0 0 0 e 6 S E T P O L Y M E R D e p t h 1 5 0 e 6 S E T I D T W i d t h 1 0 e 6 S E T I D T L e n g t h 7 5 e 6 S E T I D T Z 0 e 6 S E T I D T O f f s e t 1 2 0 e 6 B L O C K S u b s t r a t e L e n g t h / 2 S u b s t r a t e L e n g t h / 2 S u b s t r a t e D e p t h / 2 S u b s t r a t e D e p t h / 2 S u b s t r a t e H e i g h t 0 e 6 B L O C K P O L Y M E R L e n g t h / 2 P O L Y M E R L e n g t h / 2 P O L Y M E R D e p t h / 2 P O L Y M E R D e p t h / 2 0 e 6 P O L Y M E R H e i g h t A L L S E L V G L U E A L L

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 8 7 / V I E W 1 0 6 0 1 6 7 1 2 0 5 1 7 0 0 7 5 7 9 8 3 6 7 2 4 0 1 0 2 5 1 8 9 7 8 2 3 0 2 1 / D I S T 1 0 3 8 8 8 3 2 6 5 2 6 5 6 E 0 3 / A N G 1 8 9 0 4 9 6 1 8 7 7 2 5 / R E P L O L D I V 1 8 , 2 0 L D I V 6 , 2 0 L D I V 2 0 , 2 0 L D I V 8 , 2 0 L D I V 1 7 , 2 0 L D I V 5 , 2 0 L D I V 7 , 2 0 L D I V 1 9 , 2 0 L D I V 1 , 2 0 L D I V 2 , 2 0 L D I V 3 , 2 0 L D I V 4 , 2 0 L D I V 1 3 , 2 0 L D I V 1 4 , 2 0 L D I V 1 5 , 2 0 L D I V 1 6 , 2 0 / C O M P O L Y M E R L A Y E R D I V I S I O N L S E L S L I N E , 2 0 L S E L A L I N E , 1 8 L S E L A L I N E , 1 5 L S E L A L I N E , 1 3 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 4 0 0 2 , , 0 L S E L N O N E

PAGE 204

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 8 8 L S E L S L I N E , 1 9 L S E L A L I N E , 1 4 L S E L A L I N E , 1 7 L S E L A L I N E , 1 6 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 4 0 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 9 L S E L A L I N E , 2 5 L S E L A L I N E , 3 9 L S E L A L I N E , 4 0 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 4 0 5 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 2 L S E L A L I N E , 3 8 L S E L A L I N E , 2 7 L S E L A L I N E , 3 7 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 4 0 5 , , 0 / C O M P I E Z O T O P S U R F A C E L S E L N O N E L S E L S L I N E , 5 L S E L A L I N E , 7 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 6 0 0 2 , , 0 L S E L N O N E

PAGE 205

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 8 9 L S E L S L I N E , 6 L S E L A L I N E , 8 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 4 5 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 8 L S E L A L I N E , 2 6 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 4 5 5 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 0 L S E L A L I N E , 3 1 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 6 0 5 , , 0 B O T L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 L S E L A L I N E , 1 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 2 0 0 4 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 L S E L A L I N E , 4 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 2 0 0 4 , , 0 L S E L N O N E

PAGE 206

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 9 0 L S E L S L I N E , 3 4 L S E L A L I N E , 3 6 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 2 0 2 5 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 3 L S E L A L I N E , 3 5 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 2 0 2 5 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 1 0 L S E L A L I N E , 1 1 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 2 0 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 9 L S E L A L I N E , 1 2 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 2 0 5 0 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 1 L S E L A L I N E , 2 4 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 4 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 2

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 9 1 L S E L A L I N E , 2 3 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 4 , , 0 A L L S E L C M Y V O L U V S E L , , 3 C M Y 1 V O L U C M S E L S Y C M S E L S Y 1 V A T T 1 , 1 0 C M S E L S Y C M D E L E Y C M D E L E Y 1 M Y V O L U V S E L , , 2 C M Y 1 V O L U C M S E L S Y C M S E L S Y 1 V A T T 2 , 2 0 C M S E L S Y C M D E L E Y C M D E L E Y 1 A L L S E L M S H K 0 V M E S H A L L

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 9 2 A p p e n d i x B 2 2 / 4 N o n f i l l e d R e s o n a n t C a v i t y D e s i g n A l t h o u g h s i m i l a r t o t h e g e n e r a l i z e d S A W m o d e l t h e r e s o n a n t c a v i t y w o r k d e s c r i b e d i n t h e b o d y o f t h i s d i s s e r t a t i o n h a s e n o u g h d i f f e r e n c e s t o w a r r a n t t h e a d d i t i o n o f t h i s s e c t i o n P r i m a r y t o t h e d i f f e r e n c e s i s t h e a d d i t i o n o f t h e r e s o n a n t c a v i t i e s / P N U M K P 0 / P N U M L I N E 1 / P N U M A R E A 1 / P N U M V O L U 0 / P N U M N O D E 0 / P N U M T A B N 0 / P N U M S V A L 0 / N U M B E R 0 / P N U M E L E M 0 / R E P L O T / P R E P 7 E T 1 S O L I D 9 8 K E Y O P T 1 1 3 K E Y O P T 1 3 0 K E Y O P T 1 5 0 M A T 1 M P R E A D M A T L A B L i T a O 3 ' S I M P L ' L I B M P L I S T 1 T B L I S T A L L 1 M P E X 2 3 4 0 0 e 6 P O L Y M E R M O D U L U S O F E L A S T I C I T Y M P N U X Y 2 3 3 P O L Y M E R P O I S S O N R A T I O M P D E N S 2 1 1 1 0 P O L Y M E R D E N S I T Y

PAGE 209

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 9 3 M P E X 3 8 2 7 3 7 e 9 I D T M O D U L U S O F E L A S T I C I T Y ( P a ) M P N U X Y 3 4 4 I D T P O I S S O N R A T I O M P D E N S 3 1 9 3 0 0 I D T D E N S I T Y ( k g / m 3 ) M P S O N C 3 2 0 3 0 I D T S o n i c V e l o c i t y ( m / s ) S E T C a v d e p t h 1 0 e 6 S E T S u b s t r a t e H e i g h t 2 0 0 e 6 S E T S u b s t r a t e L e n g t h 1 6 0 0 e 6 S E T S u b s t r a t e D e p t h 2 0 0 e 6 S E T P O L Y M E R H e i g h t 0 e 6 S E T P O L Y M E R L e n g t h 8 0 0 0 e 6 S E T P O L Y M E R D e p t h 1 5 0 e 6 S E T I D T W i d t h 1 0 e 6 S E T I D T L e n g t h 8 0 e 6 S E T I D T Z 0 e 6 S E T I D T H e i g h t 1 0 e 6 S E T I D T O f f s e t 1 2 0 e 6 B L O C K S u b s t r a t e L e n g t h / 2 S u b s t r a t e L e n g t h / 2 S u b s t r a t e D e p t h / 2 S u b s t r a t e D e p t h / 2 S u b s t r a t e H e i g h t 0 e 6 / C O M R e s o n a n t c a v i t i e s B L O C K 1 5 e 6 5 e 6 5 e 6 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 3 5 e 6 2 5 e 6 5 e 6 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 5 e 6 1 5 e 6 5 e 6 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 2 5 e 6 3 5 e 6 5 e 6 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 1 5 e 6 5 e 6 1 5 e 6 2 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 3 5 e 6 2 5 e 6 1 5 e 6 2 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 5 e 6 1 5 e 6 1 5 e 6 2 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 2 5 e 6 3 5 e 6 1 5 e 6 2 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 1 5 e 6 5 e 6 1 5 e 6 2 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 3 5 e 6 2 5 e 6 1 5 e 6 2 5 e 6 0 C a v d e p t h

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 9 4 B L O C K 5 e 6 1 5 e 6 1 5 e 6 2 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 2 5 e 6 3 5 e 6 1 5 e 6 2 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 1 5 e 6 5 e 6 3 5 e 6 4 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 3 5 e 6 2 5 e 6 3 5 e 6 4 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 5 e 6 1 5 e 6 3 5 e 6 4 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 2 5 e 6 3 5 e 6 3 5 e 6 4 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 1 5 e 6 5 e 6 3 5 e 6 4 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 3 5 e 6 2 5 e 6 3 5 e 6 4 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 5 e 6 1 5 e 6 3 5 e 6 4 5 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 2 5 e 6 3 5 e 6 3 5 e 6 4 5 e 6 0 C a v d e p t h / C O M R e s o n a n t c a v i t i e s v o l u m e d e l e t e f r o m t h e s u b s t r a t e V S B V 1 2 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 2 3 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 4 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 5 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 6 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 7 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 8 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 9 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 1 0 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 1 1 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 1 2 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 1 3 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 1 4 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 1 5 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 1 6 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 1 7 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 1 8 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 1 9 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 2 0 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 2 1 S E P O d e l e t e K E E P

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 9 5 A L L S E L V o v l a p A L L / V I E W 1 0 6 0 1 6 7 1 2 0 5 1 7 0 0 7 5 7 9 8 3 6 7 2 4 0 1 0 2 5 1 8 9 7 8 2 3 0 2 1 / D I S T 1 0 3 8 8 8 3 2 6 5 2 6 5 6 E 0 3 / A N G 1 8 9 0 4 9 6 1 8 7 7 2 5 / R E P L O L D I V 2 6 5 , 2 0 L D I V 2 6 6 , 2 0 L D I V 2 6 7 , 2 0 L D I V 2 6 8 , 2 0 L D I V 3 1 2 , 2 0 L D I V 3 0 5 , 2 0 L D I V 3 0 6 , 2 0 L D I V 3 0 7 , 2 0 L D I V 3 0 8 , 2 0 L D I V 3 0 9 , 2 0 L D I V 3 1 0 , 2 0 L D I V 3 1 1 , 2 0 / C O M B e g i n w i t h d i v i s i o n s i n X / C O M P I E Z O T O P S U R F A C E L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 1 0 L S E L A L I N E , 3 0 7 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 6 0 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 1 1

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 9 6 L S E L A L I N E , 3 1 2 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 2 0 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 1 7 L S E L A L I N E , 2 4 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 2 0 5 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 3 L S E L A L I N E , 2 0 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 6 0 5 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 1 8 L S E L A L I N E , 1 9 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 1 L S E L A L I N E , 2 2 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 2 , , 0 B O T L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 6 6 L S E L A L I N E , 2 6 8

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 9 7 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 0 4 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 6 7 L S E L A L I N E , 2 6 5 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 0 4 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 1 3 L S E L A L I N E , 1 5 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 2 5 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 0 5 L S E L A L I N E , 3 0 6 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 4 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 0 8 L S E L A L I N E , 3 0 9 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 1 4 L S E L A L I N E , 1 6 C M Y 1 L I N E

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 9 8 C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 5 0 , , 0 A L L S E L C M Y V O L U V S E L , , 2 C M Y 1 V O L U C M S E L S Y C M S E L S Y 1 V A T T 1 , 1 0 C M S E L S Y C M D E L E Y C M D E L E Y 1 * C M Y V O L U V S E L , , 3 2 1 1 0 C M Y 1 V O L U C M S E L S Y C M S E L S Y 1 V A T T 2 , 1 0 C M S E L S Y C M D E L E Y C M D E L E Y 1 * C M Y V O L U V S E L , , 1 C M Y 1 V O L U C M S E L S Y C M S E L S Y 1

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 1 9 9 V A T T 2 , 1 0 C M S E L S Y C M D E L E Y C M D E L E Y 1 A L L S E L M S H K 0 V M E S H A L L A p p e n d i x B 2 3 / 2 P S F i l l e d R e s o n a n t C a v i t y D e s i g n P a r t i c u l a r t o t h i s e x a m p l e i s t h e / 2 c a v i t y p l a c e m e n t a n d t h e c a v i t i e s h a v e b e e n f i l l e d w i t h p o l y s t y r e n e / P N U M K P 0 / P N U M L I N E 1 / P N U M A R E A 1 / P N U M V O L U 0 / P N U M N O D E 0 / P N U M T A B N 0 / P N U M S V A L 0 / N U M B E R 0 / P N U M E L E M 0 / R E P L O T / P R E P 7 E T 1 S O L I D 9 8 K E Y O P T 1 1 3

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 0 0 K E Y O P T 1 3 0 K E Y O P T 1 5 0 M A T 1 M P R E A D M A T L A B L i T a O 3 ' S I M P L ' L I B M P L I S T 1 T B L I S T A L L 1 * M P E X 2 3 4 0 0 e 6 P O L Y M E R M O D U L U S O F E L A S T I C I T Y M P N U X Y 2 3 3 P O L Y M E R P O I S S O N R A T I O M P D E N S 2 1 1 1 0 P O L Y M E R D E N S I T Y M P E X 3 8 2 7 3 7 e 9 I D T M O D U L U S O F E L A S T I C I T Y ( P a ) M P N U X Y 3 4 4 I D T P O I S S O N R A T I O M P D E N S 3 1 9 3 0 0 I D T D E N S I T Y ( k g / m 3 ) M P S O N C 3 2 0 3 0 I D T S o n i c V e l o c i t y ( m / s ) S E T C a v d e p t h 5 e 6 S E T S u b s t r a t e H e i g h t 2 0 0 e 6 S E T S u b s t r a t e L e n g t h 1 6 0 0 e 6 S E T S u b s t r a t e D e p t h 2 0 0 e 6 S E T P O L Y M E R H e i g h t 0 5 0 0 e 6 S E T P O L Y M E R L e n g t h 8 0 0 0 e 6 S E T P O L Y M E R D e p t h 1 5 0 e 6 S E T I D T W i d t h 1 0 e 6 S E T I D T L e n g t h 8 0 e 6 S E T I D T Z 0 e 6 S E T I D T H e i g h t 1 0 e 6 S E T I D T O f f s e t 1 2 0 e 6 B L O C K S u b s t r a t e L e n g t h / 2 S u b s t r a t e L e n g t h / 2 S u b s t r a t e D e p t h / 2 S u b s t r a t e D e p t h / 2 S u b s t r a t e H e i g h t 0 e 6

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 0 1 / C O M R e s o n a n t c a v i t i e s B L O C K 3 0 e 6 1 0 e 6 1 0 e 6 1 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 7 0 e 6 5 0 e 6 1 0 e 6 1 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 1 0 e 6 3 0 e 6 1 0 e 6 1 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 5 0 e 6 7 0 e 6 1 0 e 6 1 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 3 0 e 6 1 0 e 6 3 0 e 6 5 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 7 0 e 6 5 0 e 6 3 0 e 6 5 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 1 0 e 6 3 0 e 6 3 0 e 6 5 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 5 0 e 6 7 0 e 6 3 0 e 6 5 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 3 0 e 6 1 0 e 6 3 0 e 6 5 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 7 0 e 6 5 0 e 6 3 0 e 6 5 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 1 0 e 6 3 0 e 6 3 0 e 6 5 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 5 0 e 6 7 0 e 6 3 0 e 6 5 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 3 0 e 6 1 0 e 6 7 0 e 6 9 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 7 0 e 6 5 0 e 6 7 0 e 6 9 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 1 0 e 6 3 0 e 6 7 0 e 6 9 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 5 0 e 6 7 0 e 6 7 0 e 6 9 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 3 0 e 6 1 0 e 6 7 0 e 6 9 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 7 0 e 6 5 0 e 6 7 0 e 6 9 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 1 0 e 6 3 0 e 6 7 0 e 6 9 0 e 6 0 C a v d e p t h B L O C K 5 0 e 6 7 0 e 6 7 0 e 6 9 0 e 6 0 C a v d e p t h / C O M R e s o n a n t c a v i t i e s v o l u m e d e l e t e f r o m t h e s u b s t r a t e V S B V 1 2 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 2 3 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 4 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 5 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 6 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 7 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 8 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 9 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 1 0 S E P O d e l e t e K E E P

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 0 2 V S B V 2 1 1 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 1 2 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 1 3 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 1 4 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 1 5 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 1 6 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 1 7 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 1 8 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 1 9 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 1 2 0 S E P O d e l e t e K E E P V S B V 2 2 1 S E P O d e l e t e K E E P A L L S E L V o v l a p A L L / V I E W 1 0 6 0 1 6 7 1 2 0 5 1 7 0 0 7 5 7 9 8 3 6 7 2 4 0 1 0 2 5 1 8 9 7 8 2 3 0 2 1 / D I S T 1 0 3 8 8 8 3 2 6 5 2 6 5 6 E 0 3 / A N G 1 8 9 0 4 9 6 1 8 7 7 2 5 / R E P L O L D I V 2 6 5 , 2 0 L D I V 2 6 6 , 2 0 L D I V 2 6 7 , 2 0 L D I V 2 6 8 , 2 0 L D I V 3 1 2 , 2 0 L D I V 3 0 5 , 2 0 L D I V 3 0 6 , 2 0 L D I V 3 0 7 , 2 0 L D I V 3 0 8 , 2 0 L D I V 3 0 9 , 2 0 L D I V 3 1 0 , 2 0 L D I V 3 1 1 , 2 0

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 0 3 / C O M B e g i n w i t h d i v i s i o n s i n X / C O M P I E Z O T O P S U R F A C E L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 1 0 L S E L A L I N E , 3 0 7 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 6 0 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 1 1 L S E L A L I N E , 3 1 2 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 2 5 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 1 7 L S E L A L I N E , 2 4 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 2 5 5 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 3 L S E L A L I N E , 2 0 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 6 0 5 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 1 8 L S E L A L I N E , 1 9 C M Y 1 L I N E

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 0 4 C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 1 L S E L A L I N E , 2 2 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 2 , , 0 B O T L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 6 6 L S E L A L I N E , 2 6 8 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 0 4 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 2 6 7 L S E L A L I N E , 2 6 5 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 0 4 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 1 3 L S E L A L I N E , 1 5 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 2 5 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 0 5 L S E L A L I N E , 3 0 6 C M Y 1 L I N E

PAGE 221

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 0 5 C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 4 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 3 0 8 L S E L A L I N E , 3 0 9 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 0 2 , , 0 L S E L N O N E L S E L S L I N E , 1 4 L S E L A L I N E , 1 6 C M Y 1 L I N E C M S E L , Y 1 L E S I Z E Y 1 , 1 0 5 0 , , 0 A L L S E L C M Y V O L U V S E L , , 2 C M Y 1 V O L U C M S E L S Y C M S E L S Y 1 V A T T 1 , 1 0 C M S E L S Y C M D E L E Y C M D E L E Y 1 * C M Y V O L U V S E L , , 3 2 1 1 0 C M Y 1 V O L U C M S E L S Y

PAGE 222

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 0 6 C M S E L S Y 1 V A T T 2 , 1 0 C M S E L S Y C M D E L E Y C M D E L E Y 1 C M Y V O L U V S E L , , 1 C M Y 1 V O L U C M S E L S Y C M S E L S Y 1 V A T T 2 , 1 0 C M S E L S Y C M D E L E Y C M D E L E Y 1 A L L S E L M S H K 0 V M E S H A L L A p p e n d i x B 2 4 S i n g l e S p l i t F i n g e r E l e c t r o d e D e s i g n / C O M I N P U T I D T s N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 5 5 E 6 I D T O f f s e t 1 4 5 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 N O D E , N U M M I N

PAGE 223

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 0 7 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 3 5 E 6 I D T O f f s e t 1 2 5 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 1 5 E 6 I D T O f f s e t 1 0 5 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 3 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 9 5 E 6 I D T O f f s e t 8 5 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 4 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 7 5 E 6 I D T O f f s e t 6 5 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 5 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 5 5 E 6 I D T O f f s e t 4 5 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 6 N O D E , N U M M I N

PAGE 224

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 0 8 / C O M O u t p u t I D T s N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 4 5 e 6 + I D T O f f s e t 5 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 7 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 6 5 e 6 + I D T O f f s e t 7 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 8 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 8 5 e 6 + I D T O f f s e t 9 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 9 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 0 5 e 6 + I D T O f f s e t 1 1 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 0 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 2 5 e 6 + I D T O f f s e t 1 3 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 1 N O D E , N U M M I N

PAGE 225

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 0 9 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 4 5 e 6 + I D T O f f s e t 1 5 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 2 N O D E , N U M M I N A L L S E L C P L I S T A L L , A N Y A p p e n d i x B 2 5 D o u b l e S p l i t F i n g e r E l e c t r o d e D e s i g n / C O M I N P U T I D T s N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 5 5 E 6 I D T O f f s e t 1 5 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 4 5 E 6 I D T O f f s e t 1 4 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 3 5 E 6 I D T O f f s e t 1 3 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 3 N O D E , N U M M I N

PAGE 226

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 1 0 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 2 5 E 6 I D T O f f s e t 1 2 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 4 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 1 5 E 6 I D T O f f s e t 1 1 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 5 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 0 5 E 6 I D T O f f s e t 1 0 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 6 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 9 5 E 6 I D T O f f s e t 9 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 7 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 8 5 E 6 I D T O f f s e t 8 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 8 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z

PAGE 227

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 1 1 N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 7 5 E 6 I D T O f f s e t 7 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 9 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 6 5 E 6 I D T O f f s e t 6 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 0 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 5 5 E 6 I D T O f f s e t 5 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 1 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 4 5 E 6 I D T O f f s e t 4 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 2 N O D E , N U M M I N / C O M O u t p u t I D T s N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 4 0 e 6 + I D T O f f s e t 4 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 3 N O D E , N U M M I N

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 1 2 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 5 0 e 6 + I D T O f f s e t 5 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 4 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 6 0 e 6 + I D T O f f s e t 6 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 5 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 7 0 e 6 + I D T O f f s e t 7 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 6 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 8 0 e 6 + I D T O f f s e t 8 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 7 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 9 0 e 6 + I D T O f f s e t 9 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 8 N O D E , N U M M I N

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 1 3 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 0 0 e 6 + I D T O f f s e t 1 0 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 9 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 1 0 e 6 + I D T O f f s e t 1 1 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 0 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 2 0 e 6 + I D T O f f s e t 1 2 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 1 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 3 0 e 6 + I D T O f f s e t 1 3 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 2 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 4 0 e 6 + I D T O f f s e t 1 4 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 3 N O D E , N U M M I N

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 1 4 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 5 0 e 6 + I D T O f f s e t 1 5 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 4 N O D E , N U M M I N A L L S E L C P L I S T A L L , A N Y A p p e n d i x B 2 6 P r u n e d D o u b l e S p l i t F i n g e r E l e c t r o d e D e s i g n / C O M I N P U T I D T s N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 2 3 5 E 6 I D T O f f s e t 2 3 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 2 2 5 E 6 I D T O f f s e t 2 2 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 2 1 5 E 6 I D T O f f s e t 2 1 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 3 N O D E , N U M M I N

PAGE 231

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 1 5 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 2 0 5 E 6 I D T O f f s e t 2 0 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 4 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 5 5 E 6 I D T O f f s e t 1 5 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 5 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 4 5 E 6 I D T O f f s e t 1 4 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 6 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 3 5 E 6 I D T O f f s e t 1 3 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 7 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 2 5 E 6 I D T O f f s e t 1 2 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 8 N O D E , N U M M I N

PAGE 232

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 1 6 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 7 5 E 6 I D T O f f s e t 7 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 9 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 6 5 E 6 I D T O f f s e t 6 0 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 0 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 5 5 E 6 I D T O f f s e t 5 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 1 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 4 5 E 6 I D T O f f s e t 4 0 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 2 N O D E , N U M M I N / C O M O u t p u t I D T s N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 4 0 e 6 + I D T O f f s e t 4 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 3 N O D E , N U M M I N

PAGE 233

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 1 7 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 5 0 e 6 + I D T O f f s e t 5 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 4 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 6 0 e 6 + I D T O f f s e t 6 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 5 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 7 0 e 6 + I D T O f f s e t 7 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 6 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 2 0 e 6 + I D T O f f s e t 1 2 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 7 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 3 0 e 6 + I D T O f f s e t 1 3 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 8 N O D E , N U M M I N

PAGE 234

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 1 8 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 4 0 e 6 + I D T O f f s e t 1 4 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 9 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 5 0 e 6 + I D T O f f s e t 1 5 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 0 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 2 0 0 e 6 + I D T O f f s e t 2 0 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 1 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 2 1 0 e 6 + I D T O f f s e t 2 1 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 2 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 2 2 0 e 6 + I D T O f f s e t 2 2 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 3 N O D E , N U M M I N

PAGE 235

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 1 9 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 2 3 0 e 6 + I D T O f f s e t 2 3 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 4 N O D E , N U M M I N A L L S E L C P L I S T A L L , A N Y A p p e n d i x B 2 7 U n i d i r e c t i o n a l E l e c t r o d e D e s i g n / C O M I N P U T I D T s N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 5 5 E 6 I D T O f f s e t 1 4 5 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 3 8 3 3 3 E 6 I D T O f f s e t 1 3 3 3 3 3 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 2 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 2 8 3 3 3 E 6 I D T O f f s e t 1 2 3 3 3 3 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 3 N O D E , N U M M I N

PAGE 236

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 2 0 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 1 6 6 6 6 E 6 I D T O f f s e t 1 0 6 6 6 6 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 4 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 9 9 9 9 9 E 6 I D T O f f s e t 9 4 9 9 9 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 5 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 8 9 9 9 9 E 6 I D T O f f s e t 8 4 9 9 9 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 6 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 7 8 3 3 2 E 6 I D T O f f s e t 6 8 3 3 2 E 6 I D T O f f s e t C P 1 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 7 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 6 1 6 6 5 E 6 I D T O f f s e t 5 6 6 6 5 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 8 N O D E , N U M M I N

PAGE 237

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 2 1 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 5 1 6 6 5 E 6 I D T O f f s e t 4 6 6 6 5 E 6 I D T O f f s e t C P 2 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 9 N O D E , N U M M I N / C O M O u t p u t I D T s N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 4 6 6 6 5 e 6 + I D T O f f s e t 5 1 6 6 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 0 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 5 6 6 6 5 e 6 + I D T O f f s e t 6 1 6 6 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 1 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 6 8 3 3 2 e 6 + I D T O f f s e t 7 8 3 3 2 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 2 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 8 4 9 9 9 e 6 + I D T O f f s e t 8 9 9 9 9 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 3 N O D E , N U M M I N

PAGE 238

A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 2 2 N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 9 4 9 9 9 e 6 + I D T O f f s e t 9 9 9 9 9 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 4 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 0 6 6 6 6 e 6 + I D T O f f s e t 1 1 6 6 6 6 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 5 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 2 3 3 3 3 e 6 + I D T O f f s e t 1 2 8 3 3 3 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 6 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 3 3 3 3 3 e 6 + I D T O f f s e t 1 3 8 3 3 3 e 6 + I D T O f f s e t C P 3 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 7 N O D E , N U M M I N N S E L S L O C Z I D T Z I D T Z N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X 1 4 5 e 6 + I D T O f f s e t 1 5 5 e 6 + I D T O f f s e t C P 4 V O L T A L L N L I S T A L L , , N O D E N O D E N O D E G E T N 1 8 N O D E , N U M M I N A L L S E L C P L I S T A L L , A N Y

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 2 3 A p p e n d i x B 2 8 S u r f a c e L o a d A p p l i e d f o r S e n s i t i v i t y C a l c u l a t i o n T h e i m p o r t a n c e o f s e n s o r s e n s i t i v i t y c a n b e c a l c u l a t e d m a n y w a y s i n d i r e c t l y ; h o w e v e r w i t h t h e p o w e r a n d e a s e o f s i m u l a t i o n s a v a i l a b l e a t t h i s t i m e t h e a d d i t i o n o f a n i d e a l m a s s w a s a d d e d t o v a r i o u s A n s y s s i m u l a t i o n s f o r d i r e c t c a l c u l a t i o n s o f w a v e p e r t u r b a t i o n d u e t o a n e x a c t m a s s N S E L S L O C Z 0 0 N S E L R L O C Y I D T L e n g t h / 2 I D T L e n g t h / 2 N S E L R L O C X I D T O f f s e t / 2 I D T O f f s e t / 2 F A L L F Z 9 8 1 e 1 3 , T h i s 1 0 0 p g o v e r t h e a r e a o f 9 6 0 0 e 1 2 m ^ 2 A p p e n d i x B 2 9 I m p u l s e F u n c t i o n A p p l i e d t o I D T s T h i s s c r i p t a p p l i e s a v o l t a g e i m p u l s e t o t h e I D T s a n d m u s t b e c o n f i g u r e d a p p r o p r i a t e l y t o a p p l y t h e l o a d t o t h e p r o p e r I D T g r o u p s / P R E P 7 D E L F N C N A M E D E L F N C M T I D S E T F N C N A M E I M P 9 5 / I N P U T . \ A n s y s \ I m p 1 e 9 f u n c D I M % F N C N A M E % T A B L E 6 3 3 ! B e g i n o f e q u a t i o n : ( T I M E ) % F N C N A M E % ( 0 0 1 ) = 0 0 9 9 9 % F N C N A M E % ( 2 0 1 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 3 0 1 ) = 0 0

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 2 4 % F N C N A M E % ( 4 0 1 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 5 0 1 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 6 0 1 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 0 1 1 ) = 1 0 9 9 0 1 1 0 0 % F N C N A M E % ( 0 2 1 ) = 0 % F N C N A M E % ( 0 3 1 ) = 0 E n d o f e q u a t i o n : ( T I M E ) ! B e g i n o f e q u a t i o n : 1 0 0 % F N C N A M E % ( 0 0 2 ) = 1 0 e 9 9 9 9 % F N C N A M E % ( 2 0 2 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 3 0 2 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 4 0 2 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 5 0 2 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 6 0 2 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 0 1 2 ) = 1 0 9 9 0 1 0 0 0 0 0 % F N C N A M E % ( 0 2 2 ) = 0 % F N C N A M E % ( 0 3 2 ) = 0 E n d o f e q u a t i o n : 1 0 0 ! B e g i n o f e q u a t i o n : 0 % F N C N A M E % ( 0 0 3 ) = 1 9 9 9 % F N C N A M E % ( 2 0 3 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 3 0 3 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 4 0 3 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 5 0 3 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 6 0 3 ) = 0 0 % F N C N A M E % ( 0 1 3 ) = 1 0 9 9 0 0 0 0 0 % F N C N A M E % ( 0 2 3 ) = 0 % F N C N A M E % ( 0 3 3 ) = 0 E n d o f e q u a t i o n : 0 > / C O M A p p l y t h e l o a d s D N 1 V O L T 0 D N 2 V O L T 0

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 2 5 D N 3 V O L T % I M P 9 5 % D N 4 V O L T % I M P 9 5 % D N 1 3 V O L T 0 D N 1 4 V O L T 0 A p p e n d i x B 2 1 0 A n a l y s i s C o n f i g u r a t i o n a n d R u n T h e a n a l y s i s u s e d i n t h e s e s i m u l a t i o n i s a f u l l t r a n s i e n t o n e w i t h x y a n d z d i s p l a c e m e n t s a l o n g w i t h v o l t a g e a s v a r i a b l e s T h e b e l o w s c r i p t c o n f i g u r e s a n d r u n s t h i s s i m u l a t i o n w i t h a t i m e s t e p o f 0 9 5 n s f o r a t o t a l o f 1 9 0 n s / G R A P O W E R / G S T O N / P L O I N F O 3 / C O L P B A K O N 1 B L U E / R E P L O T R E S I Z E / F I L N A M E s a w 0 / S O L U A N T Y P E 4 T R N O P T F U L L L U M P M 0 N L G E O M 0 S S T I F 0 N R O P T A U T O , E Q S L V , 0 P R E C I S I O N 0 M S A V E 0 T O F F S T 3 0 0

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A p p e n d i x B ( C o n t i n u e d ) 2 2 6 O U T P R B A S I C N O N E / G S T 1 0 O U T R E S N S O L A L L E R E S X D E F A S O L C O N T R O L O N 1 * T I M E 1 9 0 0 e 9 A U T O T S 1 D E L T I M 0 9 5 E 9 , 1 K B C 1 T S R E S E R A S E T I M E 1 9 0 0 e 9 A U T O T S 1 N S U B S T 2 0 0 , 1 K B C 1 T S R E S E R A S E T I M I N T 1 S T R U C T T I M I N T 1 E L E C T T I N T P , 0 2 5 0 5 0 5 0 5 1 N E Q I T 2 5 / S T A T U S S O L U S O L V E S A V E F I N I S H

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2 2 7 A p p e n d i x C E x p e r i m e n t a l C o n t r o l a n d D a t a C o l l e c t i o n a n d A n a l y s i s T h e c o n s t r u c t i o n o f a s e n s o r t e s t b e d w a s a t i m e c o n s u m i n g e f f o r t n e c e s s a r y f o r t h e d e v e l o p m e n t o f t h i s d i s s e r t a t i o n I n t h i s a p p e n d i x t h e a u t o m a t i o n o f t h e e q u i p m e n t u s e d w i l l b e d e s c r i b e d w i t h t h e i n t e n t t o n o t t e a c h L a b V i e w a n d o r i n s t r u m e n t a u t o m a t i o n b u t r a t h e r t o i l l u s t r a t e k e y p r i n c i p l e s r e q u i r e d f o r a s u c c e s s f u l d e v e l o p m e n t A p p e n d i x C 1 L a b V i e w L a b V i e w i s a n o b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t t h a t a l l o w s f o r e a s y c r e a t i o n a n d m o d i f i c a t i o n o f i n s t r u m e n t c o n t r o l p r o g r a m s T h i s s o f t w a r e a n d t y p e o f p r o g r a m m i n g i s i d e a l l y s u i t e d f o r r e s e a r c h e n v i r o n m e n t s w i t h m u l t i p l e p e r s o n s u s i n g o n e s e t u p L a b V i e w a l l o w s o n e t o g o f r o m e d i t i n g a p r o g r a m t o r u n n i n g i t w i t h o u t t h e n e e d f o r d e b u g g i n g o r c o m p i l i n g T h i s g r e a t l y a c c e l e r a t e s t h e d e v e l o p m e n t t i m e a n d a l l o w s f o r p r o g r a m s t o b e q u i c k l y m o d i f i e d f o r n e w t e s t p a r a m e t e r s w i t h o u t h a v i n g t o l e a r n h u n d r e d s o f l i n e s o f c o d e E v e r y o p e r a t i o n i n L a b V i e w i s r e p r e s e n t e d b y a d i f f e r e n t b l o c k t h a t h a s i n p u t s a n d o r o u t p u t s a s s h o w n i n F i g u r e 5 0 O p e r a t i o n s i n c l u d e e v e r y t h i n g f r o m b a s i c m a t h e m a t i c s a n d l o g i c t o c o m p l e x o p e r a t i o n s s u c h a s i n s t r u m e n t c o m m u n i c a t i o n O f t e n t i m e s t h e m o r e c o m p l e x o p e r a t i o n s h a v e b e e n d e v e l o p e d a n d e m b e d d e d i n t o b l o c k s t h a t h a v e m u l t i p l e i n p u t s a n d o u t p u t s T h a t c a n e a s i l y b e c o n n e c t e d t o o t h e r o p e r a t i n g b l o c k s

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A p p e n d i x C ( C o n t i n u e d ) 2 2 8 F i g u r e 5 0 E x a m p l e L a b V i e w p r o g r a m i l l u s t r a t i n g c a s e s t r u c t u r e s a n d o p e r a t i o n b l o c k s T h e s t r u c t u r e o f t h e s e p r o g r a m s i s i n t u i t i v e i n t h a t c a s e s t r u c t u r e s ( f o r a n d w h i l e l o o p s a n d s e q u e n c e s ) a p p e a r a s b o x e s E v e r y o p e r a t i o n c o n t a i n e d w i t h i n t h e c a s e s t r u c t u r e w i l l r u n t h e n u m b e r o f t i m e s a s d e f i n e d b y t h e c a s e s t r u c t u r e a r g u m e n t T h e c a s e s t r u c t u r e s a s i n a n y p r o g r a m m i n g l a n g u a g e c a n b e p l a c e d i n s i d e o n e a n o t h e r a l l o w i n g f o r c o m p l e x p r o g r a m s t o b e w r i t t e n a s s h o w n i n F i g u r e 5 0 A p p e n d i x C 1 1 F i l e p r e p a r a t i o n f o r D a t a C o l l e c t i o n A s i m p o r t a n t a s d a t a c o l l e c t i o n i s i t i s d i f f i c u l t t o k e e p t r a c k o f n u m e r o u s f i l e s a n d c o n t i n u a l l y d e v e l o p n a m e s c h e m e s f o r e x p e r i m e n t d a t a T o m a k e l i f e s i m p l e i t i s p o s s i b l e w i t h L a b V i e w t o p r o g r a m a r o u t i n e t o s a v e d a t a b a s e d o n t h e t i m e a n d d a t e

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A p p e n d i x C ( C o n t i n u e d ) 2 2 9 A n e x a m p l e o f t h i s i s s h o w n i n F i g u r e 5 1 i n w h i c h t h e t i m e i s t a k e n f r o m t h e c o m p u t e r f o r m a t t e d a p p r o p r i a t e l y t h e n s e n t i n s i d e a c a s e s t r u c t u r e w h e r e c o l u m n l a b e l s a r e a d d e d a n d t h e f i l e i s s a v e d T h r o u g h t h i s s i m p l e p r o c e s s e v e r y t i m e t h e p r o g r a m i s r u n a n e w u n i q u e l y n a m e d f i l e i s g e n e r a t e d w i t h a p p r o p r i a t e l y l a b e l e d d a t a T h e d a t a c o l l e c t e d f r o m t h e i n s t r u m e n t s i s s a v e d t o t h e s a m e f i l e t h a t w a s u n i q u e l y g e n e r a t e d w i t h t h e s a m e s e t o f b l o c k s h o w n i n F i g u r e 5 1 o n t h e r i g h t s i d e ( i n s i d e t h e c a s e s t r u c t u r e ) F i g u r e 5 1 E x a m p l e o f a u t o m a t e d f i l e n a m i n g a n d l a b e l i n g o f d a t a l a b e l s A p p e n d i x C 1 2 I n s t r u m e n t C o n t r o l T h e d e v e l o p m e n t o f c o n t r o l s f o r e a c h i n s t r u m e n t f o l l o w s t h e s a m e p r o c e d u r e T h e i n s t r u m e n t f u n c t i o n s a n d c o n t r o l s f i r s t n e e d t o b e u n d e r s t o o d w h i c h a l l o w f o r e a s y p r o g r a m m i n g a n d s e c o n d t h e d e v i c e c o n t r o l c o d e n e e d s t o b e i n t e g r a t e d w i t h t h e d a t a p r o c e s s i n g a n d s a v i n g A t t h i s p o i n t k n o w l e d g e o f t h e i n s t r u m e n t s a n d t h e c o m m a n d s e t s s u p p l i e d b y t h e m a n u f a c t u r e r i s a s s u m e d t o b e t h e c a s e

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A p p e n d i x C ( C o n t i n u e d ) 2 3 0 A s s h o w n i n F i g u r e 5 0 a K e i t h l e y m e t e r i s t h e i n s t r u m e n t t h a t i s c o m m u n i c a t i n g w i t h t h e L a b V i e w p r o g r a m T h e o p e r a t i o n i s a s f o l l o w s : 1 T h e i n s t r u m e n t a d d r e s s a n d t h e d a t a q u e r y c o m m a n d a r e s e n t t o t h e s e n d c o m m a n d 2 T h e i n s t r u m e n t a d d r e s s n u m b e r o f b i t s o f d a t a t o c o l l e c t a n d a n o e r r o r s i g n a l a r e s e n t t o t h e r e c e i v e c o m m a n d 3 T h e d a t a r e t u r n e d f r o m t h e r e c e i v e c o m m a n d i s s e n t t o p r o c e s s i n g w h e r e t a g s a r e r e m o v e d T h i s g e n e r a l p r o c e s s i s d o n e f o r e a c h i n s t r u m e n t t h a t i s i n v o l v e d w i t h a p a r t i c u l a r e x p e r i m e n t A s m e n t i o n e d p r e v i o u s l y c o m m a n d b l o c k s c a n b e g r o u p e d i n s i d e c a s e s t r u c t u r e s a n d t h e s e w i l l t h e n r u n s i m u l t a n e o u s l y D a t a c o l l e c t e d f r o m t h e i n d i v i d u a l i n s t r u m e n t s c a n b e d i s p l a y e d t h r o u g h g r a p h s o r t e x t o u t p u t s a n d o r t h e d a t a c a n b e s t o r e d i n t h e f o r e m e n t i o n e d f o r m a t t e d t e x t f i l e A n i m p o r t a n t n o t e f o r d i s p l a y i n g a n d r e c o r d i n g d a t a i s t o e n s u r e t h e d a t a i s i n t h e p r o p e r f o r m a t t h r o u g h o u t a l l o f t h e o p e r a t i o n s A s i m p l e c h e c k f o r t h i s i s t o l o o k a t t h e s t y l e o f t h e c o n n e c t i n g l i n e s f o r u n i f o r m i t y A p p e n d i x C 2 M a t l a b A n a l y s i s o f D a t a T h e e x t r a c t e d v o l t a g e t i m e d a t a f r o m t h e A n s y s s i m u l a t i o n s w a s u s e d f o r m a n y d i f f e r e n t c a l c u l a t i o n s i n c l u d i n g s e n s i t i v i t y c a l c u l a t i o n s T h e d a t a f r o m A n y s i s

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A p p e n d i x C ( C o n t i n u e d ) 2 3 1 i n t h e f o r m o f a t a b d e l i m i t e d t e x t f i l e w i t h t i m e a n d v o l t a g e d a t a a s m e a s u r e d o n t h e o u t p u t I D T s T h i s d a t a w a s i m p o r t e d i n t o M a t l a b f o r a l l c a l c u l a t i o n s E x p e r i m e n t a l d a t a w a s m e a s u r e d u s i n g a n A g i l e n t 8 7 5 3 E S a n d s t o r e d d i r e c t l y t o s p a c e d e l i m i t e d t e x t f i l e s f o r p r o c e s s i n g T h e 8 7 5 3 E S h a d t h e t i m e d o m a i n o p t i o n i n s t a l l e d s o n o p o s t p r o c e s s i n g w a s n e c e s s a r y t o c o n v e r t t o t h e t i m e d o m a i n A p p e n d i x C 2 1 F i n d i n g M a x i m u m V o l t a g e F o l l o w i n g t h e d a t a i m p o r t i n t o M a t l a b t h e v o l t a g e w a s p l o t t e d a g a i n s t t i m e F i g u r e 5 2 F r o m t h i s g r a p h i t i s p o s s i b l e t o d e t e r m i n e t h e p e a k o f m a x i m u m v o l t a g e ; h o w e v e r d u e t o t h e r a t h e r l a r g e t i m e s t e p u s e d i n t h e s i m u l a t i o n t h e d a t a p o i n t s a r e t o o s p a r s e t o p i c k j u s t o n e A s a r e s u l t p a r a b o l i c f i t t i n g w a s u s e d a s s h o w n i n t h e b e l o w e x a m p l e : p a r a b o l i c f i t t i n g ( D S F B a r e ( 1 1 6 : 1 2 0 2 ) ) x = 1 : 0 0 1 : 5 ; y = a 0 + a 1 x + a 2 x ^ 2 ; [ m a x D S F B a r e I ] = m a x ( y ) I D S F B a r e = ( 1 1 6 + I 0 1 )

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A p p e n d i x C ( C o n t i n u e d ) 2 3 2 F i g u r e 5 2 E x a m p l e o f t i m e d o m a i n s i m u l a t i o n d a t a A p p e n d i x C 2 2 F i n d i n g W a v e V e l o c i t y V e l o c i t y o f t h e w a v e c a n b e f o u n d t h r o u g h a s i m p l e c a l c u l a t i o n t h a t i s d e p e n d e n t o n t h e I D T s t r u c t u r e f o r d i m e n s i o n s T h e f o l l o w i n g e x a m p l e c o d e i s f o r t h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e v e l o c i t y o f t h e d o u b l e s p l i t f i n g e r d e s i g n : v e l o D S F B a r e = v e l o c ( D S F B a r e I D S F B a r e ) ; w h i c h r u n s t h e f o l l o w i n g f u n c t i o n :

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A p p e n d i x C ( C o n t i n u e d ) 2 3 3 f u n c t i o n [ v e l o c ] = v e l o c ( d a t a I ) I R = r o u n d ( I ) i f I R = = I v e l o c = ( 1 0 0 e 6 + 1 2 0 e 6 + 1 2 0 e 6 + 1 0 0 e 6 ) / d a t a ( I 1 ) ; e l s e i f I R < = I v e l o c = ( 1 0 0 e 6 + 1 2 0 e 6 + 1 2 0 e 6 + 1 0 0 e 6 ) / d a t a ( I R 1 ) ; v e l o c p 1 = ( 1 0 0 e 6 + 1 2 0 e 6 + 1 2 0 e 6 + 1 0 0 e 6 ) / d a t a ( I R + 1 1 ) ; v e l o c = v e l o c + ( v e l o c p 1 v e l o c ) ( I I R ) ; e l s e v e l o c = ( 1 0 0 e 6 + 1 2 0 e 6 + 1 2 0 e 6 + 1 0 0 e 6 ) / d a t a ( I R 1 ) ; v e l o c m 1 = ( 1 0 0 e 6 + 1 2 0 e 6 + 1 2 0 e 6 + 1 0 0 e 6 ) / d a t a ( I R 1 1 ) ; v e l o c = v e l o c ( v e l o c v e l o c m 1 ) ( I R I ) ; e n d A p p e n d i x C 2 3 T i m e D o m a i n t o F r e q u e n c y D o m a i n C o n v e r s i o n T h e a n a l y s i s o f a l l d a t a c a n b e d o n e w i t h o n l y t i m e d o m a i n d a t a ; i t i s c o n v e n i e n t f o r d i s c u s s i o n s t o d i s p l a y t h e d a t a i n t h e f r e q u e n c y d o m a i n F i g u r e 5 3 T h e c o n v e r s i o n o f t h e d a t a w a s d o n e w i t h a F a s t F o u r i e r T r a n s f o r m ( F F T ) T h e f o l l o w i n g c o d e i s a n e x a m p l e o f w h a t w a s u s e d t o c a l l t h e F F T f o r t h e d o u b l e s p l i t f i n g e r d e s i g n : [ d B F r e q D S F B a r e f 2 D S F B a r e S u b s t e p s D S F B a r e f f t v o l t D S F i v o l t D S F ] = f r e q c o n v e r t e r ( D S F B a r e ) ; w h i c h c a l l s t h e f r e q u e n c y c o n v e r t e r f u n c t i o n g i v e n b e l o w :

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A p p e n d i x C ( C o n t i n u e d ) 2 3 4 f u n c t i o n [ D b p o w e r s p e c t r u m f 2 S u b s t e p s f f t V o l t a g e i v o l t ] = f r e q c o n v e r t e r ( d a t a ) S y s t e m V o l t a g e = d a t a ( : 2 ) ; T I M E = d a t a ( : 1 ) ; s r a t e = 1 / T I M E ( 1 ) ; S u b s t e p s = s i z e ( T I M E 1 ) ; f = s r a t e ( 0 : ( ( S u b s t e p s / 2 ) 1 ) ) / S u b s t e p s ; M S y s t e m V o l t a g e = f f t ( S y s t e m V o l t a g e S u b s t e p s 5 ) ; P M S y s t e m V o l t a g e = M S y s t e m V o l t a g e c o n j ( M S y s t e m V o l t a g e ) / S u b s t e p s ; f f t V o l t a g e = f f t ( S y s t e m V o l t a g e h a n n i n g ( S u b s t e p s ) 2 S u b s t e p s ) ; f 2 = [ 0 : 2 S u b s t e p s 1 ] s r a t e / ( 2 S u b s t e p s 1 ) ; P o w e r s p e c t r u m = f f t V o l t a g e c o n j ( f f t V o l t a g e ) / S u b s t e p s ; D b p o w e r s p e c t r u m = 2 0 l o g 1 0 ( a b s ( P o w e r s p e c t r u m ( 1 : S u b s t e p s ) ) ) ; f f t v o l t s h o r t = f f t V o l t a g e ( 1 : 1 7 5 ) ; i v o l t = i f f t ( f f t v o l t s h o r t ) ; i v o l t = i v o l t ( 1 : 1 7 5 ) / h a n n i n g ( 1 7 5 ) ;

PAGE 251

A p p e n d i x C ( C o n t i n u e d ) 2 3 5 F i g u r e 5 3 E x a m p l e o f t i m e d o m a i n d a t a c o n v e r t e d w i t h F F T A p p e n d i x C 2 4 F i n d i n g t h e M i n i m u m I n s e r t i o n L o s s H a v i n g c o n v e r t e d t h e t i m e d o m a i n d a t a i n t o t h e f r e q u e n c y d a t a t h e s a m e c a l c u l a t i o n s c a n b e r e d o n e i n t h i s n e w d o m a i n T h e f i r s t o f w h i c h i s t h e l o c a t i n g o f t h e m i n i m u m o f i n s e r t i o n l o s s L i k e t h e t i m e d o m a i n d a t a t h i s d a t a i s s p a r s e a n d s e l e c t i n g o n e o f t h e d i r e c t v a l u e s p r o d u c e s p o o r r e s u l t s T h e d a t a i s t h u s f i t t e d p a r a b o l i c a l l y a s s h o w n i n t h e e x a m p l e b e l o w : p a r a b o l i c f i t t i n g ( d B F r e q D S F B a r e ( 3 0 : 3 6 1 ) ) x = 1 : 0 0 1 : 7 ; y = a 0 + a 1 x + a 2 x ^ 2 ; [ m a x d B F r e q D S F B a r e I F D S F B a r e ] = m a x ( y )

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2 3 6 A p p e n d i x D S c h e m a t i c s A p p e n d i x D 1 D e v i c e D e s i g n s F i g u r e 5 4 D o u b l e s p l i t f i n g e r I D T d e s i g n f o r 3 2 m w i t h a m e t a l i z e d / s h o r t e d d e l a y p a t h

PAGE 253

A p p e n d i x D ( C o n t i n u e d ) 2 3 7 F i g u r e 5 5 P r u n e d d o u b l e s p l i t f i n g e r I D T d e s i g n f o r 3 2 m w i t h a m e t a l i z e d / s h o r t e d d e l a y p a t h

PAGE 254

A p p e n d i x D ( C o n t i n u e d ) 2 3 8 F i g u r e 5 6 U n i d i r e c t i o n a l I D T d e s i g n f o r 3 2 m w i t h a m e t a l i z e d / s h o r t e d d e l a y p a t h F i g u r e 5 7 G e n e r a l h e x a g o n a l S A W l a y o u t f o r 3 2 m w i t h a m e t a l i z e d / s h o r t e d 1 9 7 d e l a y p a t h

PAGE 255

A p p e n d i x D ( C o n t i n u e d ) 2 3 9 F i g u r e 5 8 G e n e r a l h e x a g o n a l S A W b o n d p a d c e n t e r l o c a t i o n s u s i n g s y m m e t r y

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A p p e n d i x D ( C o n t i n u e d ) 2 4 0 F i g u r e 5 9 3 ” h e x a g o n a l S A W w a f e r c u t p a t h s

PAGE 257

A p p e n d i x D ( C o n t i n u e d ) 2 4 1 A p p e n d i x D 2 F i x t u r e D e s i g n s F i g u r e 6 0 H e x a g o n a l S A W l a y o u t p i l l b o x t e s t f i x t u r e

PAGE 258

A p p e n d i x D ( C o n t i n u e d ) 2 4 2 F i g u r e 6 1 H e x a g o n a l S A W p r o b i n g l i d f o r m i c r o f l u i d i c a p p l i c a t i o n s

PAGE 259

Appendix D (Continued) 243 Figure 62 3 wafer probing fixture.

PAGE 260

A p p e n d i x D ( C o n t i n u e d ) 2 4 4 F i g u r e 6 3 M o d i f i e d p r o b i n g f i x t u r e a r m s a c c o u n t i n g f o r c i r c u i t b o a r d

PAGE 261

Appendix D (Continued) 245 Figure 64 Wafer probe fixture lid clamps.

PAGE 262

A p p e n d i x D ( C o n t i n u e d ) 2 4 6 F i g u r e 6 5 P r o b e l i d f o r e a s i e r m i c r o s c o p y

PAGE 263

2 4 7 A p p e n d i x E P h o t o l i t h o g r a p h y R e c i p e s A p p e n d i x E 1 4 m F e a t u r e s U s i n g N e g a t i v e P h o t o r e s i s t T h i s r e c i p e u t i l i z e s S h i p l e y N R 9 1 5 0 0 P Y p h o t o r e s i s t 1 T u r n o n o v e n a n d s e t t o 1 2 0 C a T u r n o n n i t r o g e n v a c u u m p u m p a n d l a m p o f m a s k a l i g n e r b T u r n o n t h e c o n t r o l l e r f o r m a s k a l i g n e r 2 S o l v e n t c l e a n w a f e r s a A c e t o n e m e t h a n o l i s o p r o p a n o l D I n i t r o g e n d r y 3 D e h y d r a t i o n b a k e a t 1 2 0 C f o r 2 0 m i n u t e s a A v o i d m e t a l c o n t a c t w i t h w a f e r s a f t e r h e a t e d 4 A l l o w w a f e r s t o c o o l 5 S p i n w a f e r s 4 0 0 0 r p m f o r 4 0 s e c o n d s T a b l e 9 C o n f i g u r a t i o n o f s p i n c o a t e r # 2 R e c i p e # 3 R P M 1 – 5 0 0 R P M 2 4 0 0 0 R P M 3 4 0 0 0 R P M 4 4 R a m p 1 – 1 0 R a m p 2 5 R a m p 3 – 1 R a m p 4 T i m e 1 – 1 0 T i m e 2 4 0 T i m e 3 0 T i m e 4 6 B a k e t h e w a f e r s a t 1 2 0 C f o r 2 0 m i n u t e s

PAGE 264

A p p e n d i x E ( C o n t i n u e d ) 2 4 8 a A v o i d m e t a l c o n t a c t w i t h w a f e r s a f t e r h e a t e d 7 S e t o v e n t o 1 0 0 C 8 I m m e r s e w a f e r s i n D I t o d i s c h a r g e e l e c t r i c b u i l d u p 3 0 s e c o n d s 9 D r y w a f e r s w i t h n i t r o g e n a W a f e r s m a y n o w b e h a n d l e d w i t h m e t a l 1 0 C l e a n m a s k w i t h s o l v e n t r i n s e i f r e s i s t d o e s n o t c o m e o f f u s e R D 6 f o r 1 5 m i n u t e s 1 1 A l i g n m a j o r w a f e r f l a t s o t h a t i t i s p a r a l l e l t o o n e s e t o f I D T ’ s 1 2 E x p o s e t o p a t t e r n w i t h m a s k a l i g n e r a K a r l S u s s M A 5 6 m a s k a l i g n e r p a r a m e t e r s : C o n s t a n t p o w e r s o u r c e 2 7 5 w a t t s = > 6 5 m W / c m 2 P r o g r a m # 6 H a r d C o n t a c t N e g a t i v e r e s i s t P r e a l i g n m e n t – s i n g l e F i r s t m a s k – n o A l i g n m e n t g a p – 5 0 m N u m b e r o f c o n t a c t s – 1 A l i g n m e n t c h e c k – n o E x p o s u r e t i m e – 5 3 s e c o n d s H a r d c o n t a c t d e l a y – 5 s e c o n d s W e d g e e r r o r c o m p e n s a t i o n – 3 p o i n t

PAGE 265

A p p e n d i x E ( C o n t i n u e d ) 2 4 9 1 3 B a k e t h e w a f e r s a t 1 0 0 C f o r 3 0 m i n u t e s a I f l a s t b a t c h o f w a f e r s t u r n o f f l a m p a n d m a s k a l i g n e r w h e n p l a c i n g w a f e r s i n t o t h e o v e n W h e n w a f e r s a r e p u l l e d o u t o f t h e o v e n t u r n o f f n i t r o g e n t o m a s k a l i g n e r 1 4 A l l o w w a f e r s t o c o o l 1 5 D e v e l o p p h o t o r e s i s t i n R D 6 f o r 2 0 s e c o n d s a R e m o v e f r o m s o l u t i o n a t t = 1 5 s e c o n d s b I m m e r s e w a f e r s i n D I f o r 1 m i n u t e c R i n s e w a f e r w i t h f l o w i n g D I d U s e f r e s h d e v e l o p e r f o r e a c h w a f e r 1 6 O x y g e n p l a s m a c l e a n w a f e r s f o r 5 m i n u t e s o n l o w p o w e r s e t t i n g i n H a r r i c k p l a s m a c l e a n e r / s t e r i l i z e r 1 7 D e p o s i t 1 0 0 T i 8 0 0 A u 1 0 0 T i 1 8 L i f t o f f i n a c e t o n e a U s e u l t r a s o n i c b a t h t o e n h a n c e l i f t o f f 1 9 S o l v e n t r i n s e 2 0 O x y g e n p l a s m a c l e a n w a f e r s f o r 5 m i n u t e s o n l o w p o w e r s e t t i n g i n H a r r i c k p l a s m a c l e a n e r / s t e r i l i z e r 2 1 T e s t f o r s h o r t s I f t h e y e x i s t r e p e a t l i f t o f f s o l v e n t r i n s e a n d o x y g e n p l a s m a c l e a n

PAGE 266

A p p e n d i x E ( C o n t i n u e d ) 2 5 0 A p p e n d i x E 2 4 m F e a t u r e s U s i n g P o s i t i v e P h o t o r e s i s t 1 C l e a n w i t h a c e t o n e m e t h a n o l i s o p r o p a n o l a n d w a t e r 2 D r y w a f e r b a k i n g i n o v e n ( 1 5 3 0 m i n u t e s ) o r o n h o t p l a t e ( 1 2 m i n u t e s ) 3 S e t s p i n n e r t o 3 0 s e c o n d s a t 3 5 0 0 4 0 0 0 r p m w i t h a r a m p o f 5 0 0 r p m / s e c 4 C o a t w i t h H M D S t o h e l p a d h e s i o n T h i s m a y n o t b e n e e d e d i f r e a l l y c l e a n a n d d r y 5 S p i n c o a t a t s e t t i m e 6 L e t s t a n d f o r a b o u t 1 m i n u t e 7 P u d d l e p h o t o r e s i s t i n t h e c e n t e r o f t h e w a f e r c o v e r i n g a b o u t t h e t o t a l s u r f a c e a r e a S h i p l e y 1 8 1 3 w i l l g i v e a p p r o x i m a t e l y 1 3 u m t h i c k n e s s B e s u r e n o t t o p i p e t t e t h e r e s i s t f r o m c l o s e t o t h e b o t t o m o r e d g e s 8 S p i n a t t h e s e t t i m e 9 I n s p e c t f o r a n y f l a w s d u e t o d u s t m o i s t u r e o l d p h o t o r e s i s t a I f f l a w s a r e d i s c o v e r e d r i n s e w i t h a c e t o n e D I w a t e r b D r y a n d b a k e 1 5 3 0 m i n u t e s 9 0 o C i n o v e n 1 0 S o f t b a k e 9 0 1 1 0 o C f o r 1 0 2 0 m i n u t e s i n o v e n o r 1 2 m i n u t e s o n h o t p l a t e I t i s c r u c i a l t o r e m o v e a l l o f t h e s o l v e n t 1 1 E x p o s e t o m a s k A p p r o x i m a t e l y 8 s e c o n d s f o r S h i p l e y 1 8 1 3 1 3 u m t h i c k 1 2 P l a c e i n c h l o r o b e n z e n e f o r 1 m i n u t e T h i s s h o u l d c r e a t e a 3 0 0 5 0 0 n m o v e r h a n g t o b e t a k e n a d v a n t a g e o f i n l i f t o f f p r o c e s s i n g 1 3 B l o w d r y w i t h n i t r o g e n D o n o t u s e w a t e r 1 4 D e v e l o p i n M F 3 1 9 w i t h a g i t a t i o n f o r 3 0 4 5 s e c o n d s

PAGE 267

A p p e n d i x E ( C o n t i n u e d ) 2 5 1 1 5 R i n s e w i t h D I w a t e r f o r 2 m i n u t e s 1 6 D r y w i t h n i t r o g e n 1 7 F o r l i f t o f f s k i p t h e h a r d b a k e 1 8 D e p o s i t m e t a l 1 0 0 o f t i t a n i u m f o l l o w e d b y 8 0 0 o f g o l d 1 9 L i f t o f f i n a c e t o n e f o r 5 m i n u t e s o r l o n g e r a n d u s e u l t r a s o n i c b a t h i f n e c e s s a r y 2 0 R i n s e w i t h a c e t o n e m e t h a n o l i s o p r o p a n o l a n d D I w a t e r 2 1 B l o w d r y w i t h n i t r o g e n

PAGE 268

A b o u t t h e A u t h o r S t e f a n C u l a r w a s b o r n i n P o i n t P l e a s a n t N J i n 1 9 8 2 I n t h e s u m m e r o f 1 9 8 9 h i s f a m i l y r e l o c a t e d t o S o u t h w e s t e r n F l o r i d a w h e r e h e s p e n t h i s y o u t h I n 2 0 0 0 h e r e c e i v e d d u a l d e g r e e s : h i g h s c h o o l d i p l o m a a s t h e s a l u t a t o r i a n f r o m N o r t h F o r t M y e r s H i g h S c h o o l a n d a n A s s o c i a t e s o f A r t s d e g r e e f r o m E d i s o n C o l l e g e H e c o n t i n u e d h i s s t u d i e s a t t h e U n i v e r s i t y o f S o u t h F l o r i d a w h e r e h e r e c e i v e d d u a l d e g r e e s a g a i n : B a c h e l o r a n d M a s t e r o f S c i e n c e d e g r e e s i n c h e m i c a l e n g i n e e r i n g i n 2 0 0 5 D u r i n g h i s P h D e d u c a t i o n h e w a s f o r t u n a t e t o t r a v e l t o m u l t i p l e i n t e r n a t i o n a l a n d d o m e s t i c c o n f e r e n c e s t o p r e s e n t h i s r e s e a r c h a n d l e a r n w h a t o t h e r s w e r e d o i n g H e a l s o w a s a n N S F – I G E R T – F e l l o w f o r t w o y e a r s a n d r e c e i v e d t w o c o n s e c u t i v e s u m m e r a p p o i n t s t o S a n d i a N a t i o n a l L a b o r a t o r i e s i n A l b u q u e r q u e N M I n a d d i t i o n t o h i s d o c t o r a l s t u d i e s S t e f a n c o f o u n d e d t w o c o m p a n i e s t o u t i l i z e h i s e n g i n e e r i n g k n o w l e d g e a n d d e v e l o p p r o d u c t s f r o m f u n d a m e n t a l u n i v e r s i t y r e s e a r c h


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1 100
Cular, Stefan.
0 245
Designs and applications of surface acoustic wave sensors for biological and chemical sensing and sample handling
h [electronic resource] /
by Stefan Cular.
260
[Tampa, Fla.] :
b University of South Florida,
2008.
3 520
ABSTRACT: Acoustic wave sensors have proven useful in many fields as primarily mass sensitive devices capable of responding to small environmental perturbations. The focus of this dissertation is the development of a new type of surface acoustic wave device with application to material property measurement, and biological and chemical sensing. This device is a combination of three independent acoustic wave devices with these waves propagated across the same area, while retaining independence of actuation and sensor function. The development of a complete sensor system, and its use and operation are presented for several example cases of chemical and biomarker sensing, and sample manipulation. These include experimental and theoretical studies for organic vapor sensing, biological moiety sensing, acoustic streaming to remove loosely bound material, and optimization of designs for these applications.
502
Dissertation (Ph.D.)--University of South Florida, 2008.
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Includes bibliographical references.
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Text (Electronic dissertation) in PDF format.
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Mode of access: World Wide Web.
500
Title from PDF of title page.
Document formatted into pages; contains 251 pages.
Includes vita.
590
Co-adviser: Venkat R. Bhethanabotla, Ph.D.
Co-adviser: Darren W. Branch, Ph.D.
653
SAW.
Micro-fluidics.
Acoustic streaming.
Nonspecific protein removal.
690
Dissertations, Academic
z USF
x Chemical Engineering
Doctoral.
773
t USF Electronic Theses and Dissertations.
4 856
u http://digital.lib.usf.edu/?e14.2335