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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.3.2007.tde-26072007-162928
Documento
Autor
Nome completo
Acácio Luiz Siarkowski
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2007
Orientador
Banca examinadora
Morimoto, Nilton Itiro (Presidente)
Borges, Ben-Hur Viana
Costa, José Camargo da
Mesquita Filho, Antonio Carneiro de
Ribas, Renato Perez
Título em português
Implementação de sensores ópticos integrados para aplicações em análises químicas e ambientais.
Palavras-chave em português
Análise química
Filmes finos
Interferômetro Mach-Zehnder
Sensor óptico
Resumo em português
Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de sensores químicos ópticos baseados no Interferômetro Mach-Zehnder (MZI) para aplicações em análises químicas e ambientais. Tais dispositivos foram implementados a partir da fabricação de guias de ondas sobre um substrato de silício monocristalino. Os guias de onda foram obtidos através da deposição de filmes finos de nitreto de silício (Si3N4) e óxido de silício (SiO2) obtidos por técnicas de deposição química a vapor (CVD) e pela oxidação térmica do substrato de silício. A definição destes guias de ondas para a implementação de sensores é feita por processos convencionais de litografia e corrosão. Os sensores químicos deste trabalho baseiam-se na interação do campo evanescente do modo que propaga-se no guia de onda exposto a algum composto químico na fase líquida ou gasosa. Tais sensores foram projetados, simulados e implementados para as seguintes aplicações: Medida da concentração de glicose em soluções; Medida de umidade por efeito de espalhamento; Detecção de vapores de compostos orgânicos voláteis (VOC's). As etapas de processo para a fabricação dos sensores químicos ópticos foram definidas a partir das simulações em óptica integrada e, após os processos de fabricação, os filmes obtidos foram caracterizados. Os filmes de Si3N4 SiO2 utilizados na fabricação do sensor óptico possuem uniformidade em espessura e homogeneidade quanto aos valores de índice de refração, baixa rugosidade superficial e baixos níveis de incorporação de água e ligações OH. No entanto, os valores de rugosidade e desuniformidade aumentaram significativamente após as etapas de corrosão úmida para a definição das estruturas dos sensores ópticos. Os guias de ondas implementados apresentaram um guiamento monomodo (TE0) e os valores de atenuação experimentais ficaram entre 2 e 20 dB/cm e dependem dos valores de rugosidade superficial e lateral dos guias de ondas e da desuniformidade dos filmes empregados. Com as medidas de concentração de glicose, verificou-se o funcionamento e a sensibilidade dos sensores químicos ópticos implementados, levantando-se curvas de variação da intensidade de saída do MZI em função do índice de refração de soluções de glicose padronizadas (dn/dc). Realizou-se medidas de umidade através da implementação de um sensor óptico simplificado que tem como princípio o efeito de espalhamento óptico. Como o espalhamento óptico depende da rugosidade e do contraste de índices de refração na interface exposta ao ambiente, foi possível detectar a quantidade de água presente no dispositivo. Posteriormente, analisou-se a aplicação de HMDS (Hexametildissilazana) como filme de adsorção de compostos orgânicos voláteis (VOC's). Os VOC's foram aplicados sobre os sensores químicos ópticos em forma de vapor e os resultados obtidos para n-Hexano e 2-Propanol mostraram uma boa reprodutibilidade e alta sensibilidade.
Título em inglês
Implementation of integrated optical sensors for chemical analysis and environment aplications.
Palavras-chave em inglês
Chemical analyse
Mach-Zehnder interferometer
Optical sensor
Thin films
Resumo em inglês
The aim of this work is the development of optical chemical sensors based on Mach-Zehnder Interferometer (MZI) for chemical and environmental analysis applications. Such devices were implemented with waveguides fabricated on a silicon substrate. The waveguides were obtained using silicon nitride (Si3N4) and silicon oxide (SiO2) films obtained by CVD (Chemical Vapor Deposition) and thermal oxidation of the silicon substrate. The waveguides and the optical sensors were fabricated using conventional lithograph and etching processes. The developed chemical sensors are based on the evanescent field interaction in a waveguide exposed to a liquid or gaseous phase of a chemical compound. Such optical sensor were designed, simulated and implemented for the following applications: Glucose concentration; Humidity measurement by scattering effect; Volatile organic compounds (VOC's) vapors detection. The process steps for the optical chemical sensor fabrication were defined during the integrated optical simulations and the films were characterized after the fabrication process steps. The Si3N4 and SiO2 films used in the optical sensor fabrication are uniform and homogenous (thickness and refractive index), with low surface roughness and low levels of water incorporation and OH bonds. However, the roughness values increased significantly after the etching process for the optical sensor structures definition. The implemented waveguides were singlemoded (TE0), with experimental attenuation values between 2 and 20 dB/cm, depending on the surface and sidewall roughness of the waveguide and of the films uniformity. The operation principle and the sensitivity of the optical chemical sensor were verified by glucose concentration measurements, by measuring the MZI output variation intensity as a function of the refractive index of the glucose standard solutions (dn/dc). As the light scattering depends of the roughness and the of refractive index difference between the exposed interface and the atmosphere, it's possible to measure the humidity or the amount of water in the interaction window. Afterwards, the detection of volatile organic compounds (VOC's) was done using a HMDS (Hexamethyldissilazane) layer to adsorb the VOC's. The VOC's vapor was applied on the optical chemical sensors and the results obtained for n-Hexane and 2-Propanol showed a good reproducibility and high sensitivity.
 
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ResumoAbstract.doc (82.50 Kbytes)
Data de Publicação
2007-08-23
 
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