Fabrication, 3d finite element analysis and characterization of an optical passive microsensor

In this work we present the 3D Finite Element Analysis (FEA) of an optical passive microsensor for measuring pressure in biofluids and the simulation of the required characterization setup. Previously, we reported the design and analysis of a prototype where simulations were performed by using the Finite Element Method (FEM) in order to analyze the mechanical behavior of the grating;the results were exported to an optical software for diffraction analysis. The microsensor is based on a deformable diffraction grating made of an elastomeric polymer (PDMS); as the PDMS membrane containing the diffraction grating is subjected to a pressure, its optical properties are varied and an indirect measurement of the pressure is attainable. Now, we report the fabrication and characterization of the optical passive microsensor. The simulation of the setup required for characterization brings many advantages as it enables a rapid understanding of the optical properties of the microsensor without implementing it. Therefore, a correct model of both the optical and the mechanical model accelerates the development-time of the prototype so as to carry out possible re-designs in the future.Fil: Braggio, Luciano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; Argentina. Universidad Nacional de Entre Rios; Argentin

Simulación computacional de la interacción con el campo electromagético del tejido adyacente un implante ocular

Se propone una microválvula activa implantable para el tratamiento de glaucoma, fabricada por tecnología MEMS, compuesta por un diafragma y por un circuito para controlarlo y alimentarlo externamente por radio frecuencia. Este circuito consta a su vez de una bobina sintonizada en 13.56 MHz y de un microchip que utiliza la energía de la señal inducida en la bobina para autoalimentarse, y para alimentar el diafragma. Este chip incluye un potenciostato que permite controlar la apertura del actuador. En este trabajo se simuló la interacción del campo electromagnético de RF con el tejido que circunda al implante. Este último fue modelado como la integración de una microbobina y un microchip montados en un sustrato flexible (kaptón), recubiertos de un polímero biocompatible (PDMS). Se analizó el SAR (Specific absorption rate), la densidad de corriente, y el aumento de temperatura inducidos en el tejido cercano al implante.Fil: Schaumburg, Federico. Universidad Nacional de Entre Rios. Facultad de Ingeniería. Departamento de Bioingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Centro de Investigaciones En Metodos Computacionales. Universidad Nacional del Litoral. Centro de Investigaciones En Metodos Computacionales; Argentina. Universidad Nacional de Entre Rios. Facultad de Ingeniería. Departamento de Bioingeniería; Argentin

Análisis y Evaluación del Comportamiento de Sensores Piezoeléctricos

Propósito: Las microbalanzas como sensores acústicos son extremadamente sensibles a cambios de masa y permiten medir películas muy delgadas típicas de los procesos de microfabricación (MEMS y semiconductores). Algunas de las aplicaciones más importantes involucran la medición de deposición del polímero parylene, utilizado en dispositivos médicos y el sensado de la deposición de antígenos y proteínas en canales microfluídicos. Metodología: Se desarrolló un macromodelo (modelo dinámico de orden reducido de dispositivos) basado en el modelo de Mason de líneas de transmisión acústica. Este modelo permite modelar múltiples capas piezoeléctricas (cuarzo, PVDF y AlN) y no piezoeléctricas (Al, Si3N4, parylene, líquido) encontradas en estos dispositivos. Se utilizó un modelo numérico (FEM) con deposición de parylene para validar el macromodelo y optimizar los parámetros para una microbalanza con disco de PVDF y para una con disco de cuarzo (QCM), con frecuencias de resonancia de 45.8MHz y 5MHz respectivamente. Se implementó también un modelo FEM para validar el macromodelo de una microbalanza con membrana de AlN con frecuencia de resonancia de 1.5GHz. En el modelo FEM se usó un sólido 3D elástico lineal piezoeléctrico para el cuarzo (trigonal 32), para el PVDF (ortorrómbico mm2) y para el AlN. El parylene fue modelado como un material elástico lineal isotrópico. Resultados: Parael macromodelo de la QCM, el corrimiento en frecuencia para espesores de deposición de parylene entre 1μm-20μm presentó un error promedio de 2.57% con una desviación estándar de 1.4% respecto a la solución analítica; para el modelo numérico, el corrimiento en frecuencia presentó un error promedio de 3.66% con una desviación estándar de 4.39% respecto al analítico. Para la microbalanza de PVDF en el macromodelo, el corrimiento en frecuencia para espesores de deposición de parylene entre 80nm-400nm presentó un error promedio de 4.18% con una desviación estándar de 4.55% respecto al modelo FEM. Para la microbalanza de AlN en el macromodelo, la frecuencia de resonancia presentó un error de 63.5% respecto al modelo FEM. Su aplicación en un medio líquido (agua) mostró la respuesta en frecuencia y la atenuación del factor de calidad (Q) en concordancia la literatura. Conclusiones: El macromodelo para los detectores gravimétricos concibe una herramienta confiable para modelar esta detección en el sistema completo fluídico-transporte-acústico.Fil: Zalazar, Martin. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico Para la Industria Química (i); ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); Argentin

Interacción Fluido Estructura en una Microválvula para el Control de la Presión Intraocular

Propósito: Evaluar el diseño de una microválvula utilizando métodos numéricos que permitan analizar geometrías complejas y la interacción entre el diafragma y el fluido. Metodología: La microválvula está constituida por dos microcanales, una cámara principal y un diafragma que varía el área de paso permitiendo controlar el flujo de humor acuoso. El microdispositivo analizado es de 450x470x500 micrómetros. El humor acuoso se modeló mediante la ecuación de Stokes y la deformación del diafragma se describió a través de un modelo elástico lineal e isotrópico. El acople fluido-estructura se realizó mediante el método arbitrario Lagrange-Euler (ALE). Resultados: La resistencia hidráulica calculada por el modelo varía en el rango de 13.97 a 1.07 mmHg/ul/min con deformaciones en el plano del diafragma entre 0-1%. El desplazamiento máximo del diafragma en la dirección vertical es de 2.67 um y 9.32 um cuando la deformación en el plano es de 0.3% y 1% respectivamente. Conclusión: Para la geometría estudiada, el rango de resistencia hidráulica objetivo se logra en un pequeño rango de desplazamientos del diafragma. El diseño propuesto permite controlar la presión intraocular de pacientes con glaucoma variando la resistencia hidráulica con pequeñas deformaciones del diafragma.Fil: Sassetti, Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Optimización de un Microinductor Planar para Control Telemétrico de una Microválvula Para Glaucoma

La microválvula para el tratamiento del glaucoma es un implante activo que permite regular la presión intraocular en forma telemétrica. En este caso el uso de una batería no es posible debido a su tamaño y limitaciones de vida útil. Una alternativa es la transmisión de energía a través de un acoplamiento inductivo desde un dispositivo externo hacia una bobina receptora en el implante. Esta última tiene dos funciones principales; en primer lugar recibe y almacena la energía electromagnética necesaria para alimentar el dispositivo proporcionando la tensión y corrientes necesarias y por otra parte recibe la información que permite el accionamiento y control de la microválvula. La bobina receptora para esta aplicación debe ser de un tamaño muy pequeño y una alta eficiencia en la transferencia de energía. En este trabajo se utilizan modelos circuitales junto con modelos en 3 dimensiones (3D) numéricos en elementos finitos (EF) para el análisis de distintas configuraciones y geometrías de microinductores planares, con el objetivo de minimizar su tamaño y mejorar su eficiencia. La microbobina se diseña para ser fabricada con tecnología MEMS (micro-electromechanical systems), por medio de técnicas de depósito de película fina y electroplateado de cobre sobre un sustrato flexible de poliimida. El modelo circuital utiliza el método de Greenhouse para la determinación de los parámetros eléctricos y efectos parásitos de la bobina. Se utilizan modelos magnetostáticos y electrostáticos de las ecuaciones de Maxwell para el modelado y simulación de distintas configuraciones de microinductores. Se comparan los resultados obtenidos de los parámetros eléctricos a partir del modelo de Greenhouse con el numérico entre bobinas simples y dobles faz, obteniendo en el segundo caso una mejora de los parámetros eléctricos y una disminución de sus efectos parásitos, aumentando así la eficiencia del dispositivo.Fil: Pérez, María Cecilia. Universidad Nacional de Entre Rios; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química (i); Argentin

Experimental and numerical response of a passive glaucoma drainage device

Glaucoma is the optic nerve damage often associated with an increased intraocular pressure that leads to progressive and irreversible loss of vision. The Ahmed valve is a passive device constructed from two opposed deformable silicone elastomers sheets, commonly used for the regulation of intraocular pressure in patients with glaucoma. In this work the dynamic response of the Ahmed valve to different flow conditions and gravity test of FDA is analyzed. This is carried out by means of the numerical simulation using the Finite Element Method, considering a partitioned Fluid-Structure coupling between the fluid and the structure of the valve. The fluid is described by the incompressible Navier-Stokes equations, written in an arbitrary time dependent coordinate system and the structure is described by a constitutive linear elastic solid assuming large displacements and rotations. In order to decrease the computational cost of the simulation, a reduced order model of the system is also presented. This model is developed using data from a previous characterization process using the partitioned fluid-structure solver. With the aim to validate the numerical simulation, the results are compared with experimental ones.Fil: Sassetti, Fernando. Universidad Nacional de Entre Rios. Facultad de Ingenieria. Departamento de Bioingenieria; ArgentinaFil: Garelli, Luciano. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico. Centro de Investigación de Métodos Computacionales; Argentin

Modelo numerico eficiente para flujo electrocinetico en sistemas microfluidicos con geometrias complejas

Microfluidic devices like those used in chemical and biomedical applications basically consist of different networks of microchannels that interconnect chambers and reservoirs. The transport of fluids throughout the network is driven by pressure gradients, electric fields, or a combination of the two, which yields to the so-called electrokinetic flow. Analytical and numerical models have been used to aid in the design and simulation before fabrication with MEMS technology. Efficient numerical models are required since typical microchannel dimensions are in the range of several micrometers in width and depth and some centimeters in length. The numerical solution is carried out by using PETSC-FEM, for which we have developed a python interface for pre- and postprocessing using third-parties programs (Tetgen, Mayavi). A parallelizable preconditioner for Domain Decomposition Methods (DDM) by means of Finite Element discretization of Navier-Stokes equations is used to improve the convergence of problems with different scales like in microfluidic problems.Fil: Kler, Pablo Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentina. Universidad Nacional de Entre Ríos; ArgentinaFil: Dalcin, Lisandro Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Modelo numérico eficiente para flujo electrocinético en sistemas microfluídicos con geometrias complejas

Microfluidic devices like those used in chemical and biomedical applications basically consist of different networks of microchannels that interconnect chambers and reservoirs. The transport of fluids throughout the network is driven by pressure gradients, electric fields, or a combination of the two, which yields to the so-called electrokinetic flow. Analytical and numerical models have been used to aid in the design and simulation before fabrication with MEMS technology. Efficient numerical models are required since typical microchannel dimensions are in the range of several micrometers in width and depth and some centimeters in length. The numerical solution is carried out by using PETSC-FEM, for which we have developed a python interface for pre- and postprocessing using third-parties programs (Tetgen, Mayavi). A parallelizable preconditioner for Domain Decomposition Methods (DDM) by means of Finite Element discretization of Navier-Stokes equations is used to improve the convergence of problems with different scales like in microfluidic problems.Fil: Kler, Pablo Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Dalcin, Lisandro Daniel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentin

Análisis de tensiones deformaciones en un actuador para dispositivo biomems utilizando FEM

Propósito: Para la lograr la integración en microdispositivos implantables se requiere disponer de actuadores con bajo nivel de consumo y con una vida útil prolongada. En la actualidad se pueden construir actuadores con bajas corrientes y tensiones eléctricas de actuación utilizando polímeros conductivos. La vida útil de los actuadores es afectada por fenómenos de delaminación en la interfase metal-polímero. Objetivo: Cuantificar y analizar las tensiones mecánicas que se presentan en el actuador cuando es estimulado eléctricamente. Metodología: En este trabajo se analizan las distribuciones de tensiones-deformaciones en un actuador de PPy (DBS) a partir de estimularlo eléctricamente y registrar las posiciones del actuador. Con la descripción de las posiciones de actuador y sus propiedades materiales, se calcularon las tensiones mecánicas presentes usando un modelo FEM 2D; se analizaron las deformaciones resultantes en la viga a partir de imponer los desplazamientos observados en forma experimental. La viga se modeló como un sólido elástico lineal e isotrópico. Se compararon los resultados obtenidos con los provenientes de modelos analíticos. Resultados: Se presentaron los registros con la descripción cinemática del actuador y su relación con el flujo de iones en el material polimérico. Las máximas excursiones del actuador se obtuvieron cuando el polímero se estimulo con 1V y -1,12 V. Cuando es energizado con 1V, el polímero expulsa iones de su matriz porosa obteniendo un radio de curvatura de 11,60 mm; cuando se lo estimula con -1,12 V ingresan iones obteniendo una curvatura de 66,17 mm. Se encontró que para una curvatura de 66,77 mm, la deformación del sustrato del actuador fue de -0,1% (compresión). Conclusiones: Con el modelo en elementos finitos se observan las regiones del actuador donde se concentran las tensiones identificando rangos de funcionamiento que eviten la delaminación el actuador. El modelo numérico presentado, permite simular y evaluar el comportamiento de actuadores con dimensiones no uniformes en el espesor de polímeros conductores.Fil: Sassetti, Fernando. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; Argentina. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería; ArgentinaFil: Zalazar, Martin. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; ArgentinaFil: Vottero, Nicolás Luis. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Centro de Investigaciones en Métodos Computacionales. Universidad Nacional del Litoral. Centro de Investigaciones en Métodos Computacionales; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Centro de Investigaciones en Métodos Computacionales. Universidad Nacional del Litoral. Centro de Investigaciones en Métodos Computacionales; Argentina. Universidad Nacional de Entre Ríos. Facultad de Ingeniería; Argentin

Simulation of 1d and 2d electrophoretic separations in microfluidics chips

Electrophoretic separations comprise a group of analytical techniques such as capillary zone electrophoresis (CZE), isoelectric focusing (IEF), isotachophoresis (ITP) and free flow electrophoresis (FFE). In all cases, separation is based on the dissimilar mobility of ionic species under the action of an external electric field. These techniques, which are widely used in chemical and biochemical analysis, have been miniaturized in the last years and now represent one of the most important applications of the lab-on-a-chip technology. In a previous work, a generalized numerical model of electrophoresis on microfluidic devices was presented. The model is based on the set of equations that governs electrical phenomena (Poisson equation), fluid dynamics (Navier-Stokes equations), mass transport (Nerst-Planck equation) and chemical reactions. Also the relationship between the buffer characteristics (ionic strength, pH) and surface potential of channel walls is taken into consideration. In this work, three application examples are presented: (a) an IEF assay with immobilized pH gradient (IPG) including the influence of electro-osmotic flow on its performance, (b) an IEF assay involving ampholyte-based pH gradient, and (c) a 2D electrophoresis, involving FFIEF plus CZE. The numerical simulation is carried out by using PETSc-FEM (Portable Extensible Toolkit for Scientific Computation - Finite Elements Method), in a Python environment developed at CIMEC using high performance parallel computing and solving techniques based on domain decomposition methods.Fil: Kler, Pablo Alejandro. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; ArgentinaFil: Guarnieri, Fabio Ariel. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentina. Universidad Nacional de Entre Rios; ArgentinaFil: Berli, Claudio Luis Alberto. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Santa Fe. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química. Universidad Nacional del Litoral. Instituto de Desarrollo Tecnológico para la Industria Química; Argentina. Universidad Nacional del Litoral. Facultad de Ingeniería y Ciencias Hídricas; Argentin