Silicon Carbide as Base Material for MEMS Sensors of Aerospace Use: An Overview

This paper discusses the use of silicon carbide (SiC), in bulk and thin-film form, in MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) sensors for extreme environment applications, especially in aerospace. The physical and chemical properties of SiC that make it a suitable material for electronic devices and sensors are described. Concepts, developments and applications of MEMS technology are presented. An overview of the current stage of development of SiC-based MEMS sensors and an analysis of research conducted in this area in Brazil and abroad, both in universities and industries are also presented. The recent progress made, difficulties encountered and the impact of these investigations are discussed as well as the outlook for the near future.Este artigo discute o emprego do carbeto de silício (SiC), na forma de substrato e filme fino, em sensores MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) para aplicações em ambientes sujeitos a condições extremas, especialmente no setor aeroespacial. As propriedades físicas e químicas do SiC que o tornam um material adequado para dispositivos eletrônicos e sensores são descritas. Os conceitos, evolução e aplicações da tecnologia MEMS são apresentados. Uma visão geral sobre o estágio atual de desenvolvimento de sensores MEMS baseados em SiC e uma análise das pesquisas realizadas nesta área no exterior e no Brasil, tanto nas universidades quanto nas indústrias, são também apresentadas. Os recentes avanços alcançados, as dificuldades encontradas e o impacto dessas pesquisas são discutidos, bem como as perspectivas para um futuro próximo.FATEC CEETEPS Departamento de Ensino GeralUNIVAP Instituto de Pesquisa e DesenvolvimentoUNIFESP Instituto de Ciência e TecnologiaUNIFESP, Instituto de Ciência e TecnologiaSciEL

Projeto, microfabricação e caracterização de defletor de luz de silicio acionado por indução

Orientadores : Ioshiaki Doi, Luiz Otavio Saraiva FerreiraDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoMestrad

Fabricação de estruturas híbridas para aplicação em transistores de spin

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2011Dispositivos spintrônicos apresentam potencial aumento da velocidade de processamento de dados, redução do consumo de energia elétrica e aumento da densidade de integração em comparação com dispositivos convencionais, devido à adição do grau de liberdade relativo ao momento magnético do elétron (spin). Estes dispositivos são atualmente utilizados como sensores magnéticos em cabeças leitoras de discos rígidos e em memórias magnéticas de acesso randômico (MRAM). A crescente demanda por aumento do desempenho e portabilidade dos equipamentos eletrônicos, que requer o desenvolvimento de dispositivos com alta sensibilidade e dimensões reduzidas, torna a spintrônica uma linha de pesquisa amplamente investigada. A possível utilização de dispositivos spintrônicos em dispositivos laterais com canal de spin em um semicondutor controlado por voltagem de gate, nos chamados transistores de spin por efeito de campo (SPINFET), torna os dispositivos spintrônicos prováveis candidatos à superação das limitações da eletrônica convencional. Nesta tese de doutorado são realizados fabricação e estudo de estruturas híbridas para aplicação em transistores de spin com técnicas compatíveis para obtenção de dispositivos com alto desempenho, produção em larga escala e compatibilidade com a aplicação na indústria. O desempenho como sensor magnético de transistores de base metálica crescidos por eletrodeposição foi investigado e a compatibilidade de sua microfabricação com as técnicas utilizadas na indústria microeletrônica testada em um estágio de doutorado na Fondazione Bruno Kessler na Itália. Em um segundo estágio de doutorado realizado na Universidade de Plymouth na Inglaterra, foi desenvolvida a microfabricação de junção túnel magnética com tunelamento coerente, necessário para obtenção de altos valores de magnetorresistência e aumento da sensibilidade dos sensores. A injeção e detecção de spin em silício são investigadas em dispositivos laterais obtidos por nanofabricação. Os dados obtidos mostram uma alta polarização de spin no silício e a medida direta do comprimento de difusão de spin sugere o comprimento de coerência necessário na fabricação destes dispositivos.Spintronic devices have potential to increase data processing speed, decrease power consumption and increase integration density compared to conventional devices, due to the degree of freedom addition associated with the electron's magnetic moment (spin). These devices are currently used as magnetic sensors in hard disk read heads and magnetic random access memories (MRAM). The growing demand for increased performance and portability of electronic equipment, which requires the development of devices with high sensitivity and small size, makes spintronics a widely investigated area of research. The possible application of spintronic devices in a side-channel device with spin in the semiconductor channel controlled by a gate voltage, in a so-called spin transistors field effect (SPINFET), turns spintronic devices as likely candidates to overcome the limitations of conventional electronics. In this thesis are performed fabrication and study of hybrid structures for application in spin transistors, compatible with techniques to obtain devices with high performance, large-scale production and application in the industry. The performance as a magnetic sensor of metal base transistors grown by electrodeposition was investigated and their compatibility with microfabrication techniques was tested in a stage at the Fondazione Bruno Kessler in Italy. In a second stage at the University of Plymouth in England, a magnetic tunnel junction with coherent tunneling, necessary for obtaining high values of magnetoresistance and increased sensitivity of the sensors was developed. The injection and spin detection in silicon are investigated in lateral devices obtained by nanofabrication. The data show a high spin polarization in silicon and direct measurement of the spin diffusion length suggests the coherence length required in the manufacture of these device

WTprocess : uma ferramenta para ensino de microfabricação

Orientador : Jacobus Willibrordus SwartDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de ComputaçãoMestrad

Desenvolvimento de um biossensor de ADN integrado num chip de microfluídica

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia BiomédicaOs biossensores têm vindo a captar elevado interesse devido à necessidade dos laboratórios de diagnóstico em disporem de métodos de análise rápidos, precisos e pouco dispendiosos. Nesse contexto, esta dissertação aborda o desenvolvimento de um biossensor de microfluídica para detecção colorimétrica de ADN, constituído por um chip de microfluídica inserido numa plataforma optoelectrónica. O método de detecção é baseado no comportamento colorimétrico de uma solução de nanopartículas de ouro funcionalizadas com sequências simples de ADN, com a adição de sal. Quando há complementaridade, as nanopartículas não agregam, mantendo-se a solução com a mesma coloração vermelha (teste positivo), caso contrário, há agregação e a solução torna-se azul (teste negativo). O dispositivo de microfluídica foi fabricado em PDMS por replica molding, recorrendo a moldes de SU-8 produzidos por fotolitografia. O processo de microfabricação foi optimizado de forma a obter moldes com elevado rácio entre área e espessura das estruturas e a manter a perfeita reprodutibilidade das réplicas (introdução de um molde intermédio de epóxi). Este dispositivo foi inserido numa plataforma optoelectrónica constituída por uma fonte de luz (LED) e um fotodetector (fotodíodo), integrados através de fibras ópticas, onde foram testadas várias geometrias e configurações de chips. Os resultados mostram que este biossensor detecta mudanças colorimétricas para caminhos ópticos de 10 mm (451 nL) até 0,5 mm (315 nL), sendo que a discriminação das duas soluções aumenta com o percurso óptico. Os melhores resultados foram obtidos para um percurso óptico de 4 mm, para o qual se obtém uma clara distinção de soluções com necessidade de apenas 365 nL para encher o microcanal. A simplicidade dos métodos e materiais utilizados, incluindo a possibilidade de reduzir bastante o volume de reagentes, traduzem-se numa contribuição relevante deste dispositivo no âmbito dos métodos de detecção de ADN

Desenvolvimento de sensores de gás a partir da integração de nanotubos de carbono em microdispositivos eletrônicos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais, Florianópolis, 2010Nanotubos de carbono apresentam notáveis propriedades eletrônicas, podem ser um semicondutor ou condutor. Na última década os nanotubos de carbono vêem ganhando grande destaque na área de sensores devido as suas características. Um sensor, a partir de nanotubos de carbono, é capaz de detectar a presença de poucos átomos ou moléculas e ainda realizar essas medidas com baixo consumo energético. A escolha do etanol como vapor a ser caracterizado surge como uma possível solução para problemas de dois mundos. No Brasil, a produção e consumo de etanol cresce ano após ano e novas tecnologias aplicadas no controle do processo ajudam a diminuir custos e aprimorar a qualidade do produto final. Na Itália, mais precisamente na região Trentina e Alto Adige têm as vinícolas e destilarias mais importantes da Itália e entre as melhores do mundo. Os métodos que atualmente são utilizados no controle destes processos de destilação são métodos antigos e obsoletos. Esta tese de doutorado apresenta a fabricação de nanotubos de carbono de parede simples obtidos através da técnica de ablação a laser e caracterizados por técnicas como espectroscopia RAMAN, espectroscopia foto-eletrônica de raios - X (XPS) e microscopia eletrônica de transmissão. Assim como um aprofundamento teórico com a finalidade de melhor compreender propriedade físicas e químicas deste material. O maior foco desta tese esta na demonstração da capacidade e potencial dos nanotubos de carbono em serem manipulados e aplicados na eletrônica como sensores Para isso foram projetados, desenvolvidos e fabricados, junto a Fundação Bruno ressler de Trento-Itália, diversos microdispositivos eletrônicos em substratos de silício. Na FBK os microchips foram microfabricados através de uma avançada tecnologia conhecida como MEMS. Estes dispositivos foram utilizados como plataforma de deposição e ativação dos nanotubos de carbono. Portanto para o desenvolvimento da tese, nanotubos de carbono de parede simples foram sintetizados por ablação a laser e caracterizados por diversas técnicas. Através da dieletroforese os nanotubos de carbono foram manipulados e depositados sobre os microdispositivos eletrônicos. Testes destes dispositivos com vapores de álcool apresentaram respostas e comportamentos típico de um sensor. Os sensores de melhor desempenho foram, de forma avançada, caracterizados a partir de soluções com diferente grau alcoólico. Ao final verificamos que os nanotubos de carbono são materiais de grande potencial como sensor de vapores de etanol. Evidenciando que estes dispositivos eletrônicos possuem grande aplicabilidade em ambientes industriais trabalhando com alta sensibilidade e boa reprodutibilidade realizando medidas em continuidade e com confiabilidade.Carbon nanotubes exhibit extraordinary and unique electronic and mechanical properties. These remarkable electrical, surface and thermal properties offer a potential in the development of gas sensors devices based on carbon nanotubes. The choice of ethanol came as a solution problem of two worlds. In Brazil, the ethanol production and consumption grows year after year. New technologies applied on the process control may reduce costs and improve the quality of the final product. At the Trentino and Alto Adige regions, we find the main distilleries and wine houses of Italy. These are among the best ones of the world. The current methods used to control the distillation process are very old and obsolete. This thesis presents the use of single and multi wall carbon nanotubes as alcohol sensor. The single wall carbon nanotubes were synthesized by laser ablation and characterized by RAMAN spectroscopy, X-rays Photoelectron Spectroscopy (XPS), Transmission electron microscopy (TEM). The physical and chemical properties of the carbon nanotubes are also investigated in this work. For this purpose, several electronic micro-devices using silicon as a substrate were designed and produced. The use of advanced MEMS technologies allowed us to develop and fabricate the microchips on which the carbon nanotubes were deposited and activated. Dielectrophoresis was used to handling and fixing the carbon nanotubes at the right places in the sensor microchip. The sensor behavior for detecting and measuring ethanol vapors was investigated deeply. The behavior and performance of the sensors were characterized as a function of the alcohol concentration, proving their potential as an alcohol gas sensor for industrial applications

Estudo experimental de escoamentos fisiológicos em microcanais fabricados por xurografia

Este projecto de mestrado em Tecnologia Biomédica é de natureza experimental e possui como principais pontos de interesse a fabricação de microcanais em polidimetilsiloxano (PDMS) a baixo custo e a visualização do escoamento no interior dos microcanais produzidos. Constituem como principais objectivos deste projecto a fabricação de microcanais em PDMS com recurso a tecnologias aplicadas à indústria gráfica e efectuar a sua validação. Propôs-se desenvolver/melhorar uma metodologia de microfabricação de baixo custo, conhecida por xurografia, efectuar a visualização e quantificação de vários fenómenos associados ao escoamento sanguíneo em microcanais. A técnica desenvolvida neste projecto possui como referencia a litografia suave, que por sua vez é a técnica mais utilizada na área da microfabricação. No entanto esta técnica é muito dispendiosa e requer uma sala limpa. Devido à inexistência de uma sala limpa no Instituto Politécnico de Bragança, neste trabalho foi utilizada uma plotter de corte e diversos materiais utilizados na indústria gráfica (vinil, papel adesivo, entre outros) para a produção de um molde e microcanais em PDMS. As geometrias utilizadas para o estudo possuíam larguras com dimensões a variar entre os 150μm e os 1000μm. Estas possuíam ramificações com zonas de bifurcações e consequentes zonas de confluências. Apos a fabricação dos microcanais procedeu-se ao estudo do escoamento de fluidos fisiológicos nesses microcanais. Os fluidos fisiológicos utilizados foram sangue ovino com percentagens de hematócrito entre 1% e 15% em dextrano 40. Foram também testados caudais variáveis entre 5 e 15μL/min. Procedeu-se à visualização do escoamento dos fluidos utilizando um sistema de microscópica e captaram-se várias imagens dos microcanais, nomeadamente antes da bifurcação e depois da confluência. As imagens foram tratadas num software informático, quantificando a espessura da camada livre de células formada junto das paredes e a jusante da confluência. Os resultados obtidos demonstram que a técnica designada por xurografia pode ser utilizada para estudar vários fenómenos fisiológicos existentes na microcirculação. This project of the master's degree in Biomedical Technology is an experimental work and includes as the principal interests the fabrication of microchannels of polydimethylsiloxane (PDMS) at low cost and the ability to study blood flow phenomena within the microchannels produced. The main objective of this project is to fabricate microchannels in PDMS using the technologies applied to the printing industry and validation of their performance. It has been proposed to develop/improve a low cost method of microfabrication, to acquire know how about xurography and to visualize and quantify several physiological phenomena associated with blood flow in microchannels. The technique used as a reference in this project was soft lithography, which is the most used technique in the field of microfabrication. However this technique is very expensive and requires a clean room. Due to the lack of a clean room at the Polytechnic Institute of Bragança, a cutting plotter and various materials used in the printing industry (technique known as xurography) were used to produce the molds and the correspondent microchannels in PDMS. The geometries used in this study had widths with dimensions ranging from 150μm up to 1000μm. These channels had ramifications with bifurcations and confluences regions. After the fabrication of the microchannel the physiological fluid flow in these microchannels were studied. The physiologic fluids used were sheep blood with dextran 40 of which hematocrit percentages were between 1% and 15%. The flow rates varying between 5 and 15μL/min were also tested. The fluid flows were visualized using a microscopic system and captured images of the various microchannels, including especially before the bifurcation and after the confluence. The images were processed with a computer software to quantify the thickness of the cell free layer formed adjacent to the microchannel walls and downstream of the confluence. The results demonstrate that the technique known as xurography can be applied to investigate blood flow phenomena happening in microcirculation

Desenvolvimento de microssistemas de análise por injeção em fluxo à base de uretana-acrilato para determinações por quimiluminescência

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, Programa de Pós-Graduação em Química, 2013.Este trabalho descreve o desenvolvimento e avaliação de microssistemas de análise por injeção em fluxo à base de Uretana-Acrilato com célula de detecção por quimiluminescência integrada. A fotolitografia profunda no ultravioleta foi empregada para gravar os canais (largura de 500 μm e profundidade de 440 μm, aproximadamente) em fotoresiste de Uretana-Acrilato (UA), sendo a célula de detecção, em formato de serpentina ou caracol, desenvolvida com diâmetro de 1,0 cm, tamanho adequado ao tamanho dos detectores utilizados. Para a realização de medidas de quimiluminescência, foram utilizados dois fotodiodos (Centronic OSD50-E) e alternativamente foi utilizada uma mini fotomultiplicadora (Hamamatsu -H7468-03). O dispositivo microfluídico proposto suportou vazões de até 3,0 mL/min sem vazamentos e foi avaliado na determinação de peróxido de hidrogênio em soluções padrões, na determinação de hipoclorito em amostras comerciais de água sanitária e na determinação de nitrito em patês comerciais. Os sinais analíticos obtidos para a determinação de peróxido de hidrogênio utilizando detecção com fotodiodos demonstraram uma relação linear (R2=0,99987) para faixa de concentração entre 50 e 200 μmol/L e apresentou frequência analítica 110 injeções/h, enquanto que a determinação utilizando a fotomultiplicadora apresentou uma resposta linear (R2= 0,99999) na faixa de concentrações de 5 a 25 μmol/L e frequência analítica de 150 injeções/h. Para determinação de hipoclorito em amostras comerciais de água sanitária a curva analítica construída a partir dos dados obtidos com o microssistema com detecção por fotodiodos apresentou uma boa resposta linear (R2= 0,99848) na faixa de concentrações de 2 a 20 mg/L e frequência analítica de 80 injeções/h. Para a determinação de nitrito em patês comerciais foi utilizado um microssistema com detecção por fotomultiplicadora, em que os dados obtidos apresentaram uma resposta linear (R2= 0,99965) na faixa de concentração de 10 a 80 μg/L e frequência analítica de 60 injeções/h. Os resultados obtidos nas determinações de hipoclorito e nitrito foram comparados com os respectivos métodos de referência e não apresentaram diferenças significativas ao nível de 95% de confiança. Estes resultados demonstraram a viabilidade de se desenvolver microssistemas de análise por injeção em fluxo com célula de detecção por quimiluminescência integrada. _______________________________________________________________________________________ ABSTRACTThis work describes the development and evaluation of micro flow injection analysis systems based on Urethane – Acrylate photoresist with integrated chemiluminescence detection cell. The deep ultraviolet photolithography was employed to engrave the channels (width of 500 μm and depth of 440 μm, approximately) on plates of Urethane acrylate photoresist - ( UA ), and the detection cell (with serpentine or snail shapes) was developed with 1.0 cm diameter, an appropriate size for adaptation of the used detectors. To perform chemiluminescence measurements, two photodiodes (Centronic OSD50 -E) or, alternatively, a mini photomultiplier (Hamamatsu-H7468-03) were employed. The proposed microfluidic devices can operate with flow rates up to 3.0 ml/min, without leaks, and was evaluated in determining hydrogen peroxide in standard solutions, hypochlorite ions in commercial bleach samples and for the determination of nitrite in commercial pates. The signals obtained for the analytical determination of hydrogen peroxide using photodiodes as transducers demonstrated a linear relationship (R2= 0.99987) in the concentration range between 50 and 200 μmol/L and the analytical throughput of 110 injections/h. The results for the same determination using the photomultiplier showed a linear response (R2=0.99999 ) in the concentration range from 5 to 25 μmol/L and the injection rate of about 150/h. For determination of hypochlorite in commercial bleach samples to the analytical curves obtained with the detection by photodiodes showed a good linear response (R2=0.99848) in the concentration range of 2 - 20 mg/L with analytical frequency of 80 injections/h. The results were compared with the reference method and showed relative deviations of less than 5%. For the determination of nitrite in pates, using a photomultiplier to detect quenching of chemiluminescence, where the data obtained showed a linear response (R2 =0.99965) in the concentration range of 10-80 μg/L and analytical frequency of 60 injections/h. The results were compared with the reference method and no signicant difference was observed in 95% confidence level. These results demonstrated the feasibility of developing microsystems in UA with integrated chemiluminescence detection cells

Microtecnologias na UM

Comunicação apresentada no Workshop do Grupo de Revestimentos Funcionais (GRF), Braga, Dezembro 2001.A microelectrónica, estando presente numa gama extensa de produtos que vão desde as comunicações aos transportes, passando pelos sectores doméstico, industrial e militar, desempenha cada vez mais um papel fulcral na economia e no desenvolvimento. Hoje em dia é possível integrar num só circuitos funcionalidades equivalentes às de sistemas mais volumosos, o que conduz à miniaturização dos equipamentos, mais elevados níveis de fiabilidade e desempenho, e ainda à redução de custos. Nos últimos anos deu-se em paralelo com o desenvolvimento da microelectrónica o aparecimento de microtecnologias (Ex.: micromaquinagem, microlitografia, microfabricação), direccionadas para a implementação de microdispositivos (microssensores, microactuadores) no silício. muitas vezes também integrados com electrónica no mesmo substrato de silício. Estas novas tecnologias, em especial a micromaquinagem, revelam elevado potencial para o desenvolvimento de microssistemas (designação para sensores e/ou actuadores integrados com electrónica no mesmo substrato de silício). A miniaturização, o fabrico em larga escala a baixos preços e a portabilidade destas soluções despertou o interesse da indústria de que são exemplo: as telecomunicações, a indústria automóvel e as aplicações biomédicas.Fundação para a Ciência e Tecnologia