universidade do minho escola de engenharia departamento de...

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Departamento de Electrónica Industrial

Filtro Óptico Ajustável de Fabry-Perot com Cavidade

Baseada em Polímero Piezoeléctrico

Dissertação submetida à Universidade do Minho para a obtenção do grau de Mestre em

Engenharia Electrónica Industrial e Computadores

Flávio José de Matos Rocha

Novembro 2009

Bom mesmo é ir à luta com determinação, abraçar a vida

com paixão, perder com classe e vencer com ousadia,

porque o mundo pertence a quem se atreve e a vida é

“muito” para ser insignificante.

Charlie Chaplin

v

Agradecimentos

No desenrolar deste projecto várias pessoas contribuíram com as suas sugestões

e conhecimento. Sem essa contribuição não seria possível o seu término pelo que não

posso deixar de expressar o meu sincero agradecimento.

À Doutora Graça Maria Henriques Minas, minha orientadora, agradeço a

orientação dada, os conselhos, a simpatia, confiança e apoio no decorrer deste projecto.

Tenho ainda a agradecer-lhe as sugestões feitas durante a escrita da dissertação e

revisão final.

Ao Doutor Senentxu Lanceros Mendez do Departamento de Física da

Universidade do Minho, pelos esclarecimentos, ajuda e sugestões sempre oportunas e

muito úteis.

À Doutora Filomena Oliveira Soares, Professora Associada do Departamento de

Electrónica Industrial da Universidade do Minho pela sua enorme simpatia,

preocupação e ajuda ao longo do curso e deste projecto.

À Vanessa Fernandes Cardoso, colega do Departamento de Engenharia

Biomédica, pelas suas sugestões no decorrer deste projecto e pela sua muito importante

participação e apoio na construção do filtro.

Ao Armando Ferreira, colega do Departamento de Física, pela sua ajuda na

construção do filtro e sugestões.

Ao Marco Silva, colega do Departamento de Física, pelas suas sugestões e

também pela sua ajuda na construção do filtro.

vi

Aos meus colegas e amigos que ao longo do curso sempre estiveram ao meu

lado nos piores e melhores momentos, contribuindo de forma muito particular para o

meu desenvolvimento ao longo do curso e como pessoa.

Aos técnicos do Departamento de Engenharia em Electrónica Industrial e

Computadores a enorme simpatia, disponibilidade e ajuda demonstradas ao longo do

curso.

À minha namorada, Patrícia Laura da Silva Ferreira, que sempre me ajudou,

incentivou e apoiou nos momentos mais difíceis.

Por fim mas não necessariamente em último lugar quero agradecer aos meus

pais, irmã e amigos mais chegados, o apoio incondicional, confiança e amizade que

sempre demonstraram.

vii

Resumo

O sector da saúde está constantemente sob pressão para fornecer um melhor

serviço a um custo mais reduzido. É exemplo disso a área das análises clínicas. Os

médicos prescrevem análises a fluidos biológicos que são realizadas em laboratórios de

análises clínicas. Todo este processo é moroso em termos de tempo, não permitindo ao

médico um diagnóstico fidedigno na hora da consulta. O desenvolvimento de um

laboratório de análises clínicas num chip, abre aos médicos a possibilidade de fazer

análises aos fluidos biológicos (tais como: sangue, urina, saliva, fluido cerebrospinal) na

hora da consulta. Mais ainda, especialmente as pessoas com doenças crónicas que têm

necessidade de monitorizar continuamente os seus parâmetros biológicos vêm a sua

qualidade de vida facilitada e consequentemente melhorada. As deslocações a esses

laboratórios podem tornar-se difíceis e morosas, tendo em conta o quotidiano das

mesmas.

Para um microlaboratório de análises clínicas permitir “in-loco” a análise

simultânea da concentração de um conjunto alargado de parâmetros bioquímicos

presentes nos fluidos biológicos com resultados obtidos em tempo real, é necessário que

seja portátil. Normalmente, estas análises são efectuadas utilizando a técnica de

espectrofotometria por absorção óptica, pelo que, é necessária uma fonte de luz

específica que, por vezes, é dispendiosa e de grandes dimensões, o que não facilita a

portabilidade. Assim, a portabilidade de um dispositivo desse tipo pode ser garantida

através do uso de filtros ópticos. Estes permitem que as medições sejam realizadas com

uma fonte de luz convencional, como por exemplo uma luz branca de filamento

incandescente, evitando assim as tradicionais e dispendiosas fontes de luz dependentes

do comprimento de onda (por exemplo, fonte monocromática).

Este trabalho consiste no desenvolvimento dos filtros ópticos passa-banda que

seleccionam o comprimento de onda da biomolécula a analisar. Este filtro será baseado

num filtro óptico de Fabry-Perot com cavidade ajustável. O material utilizado para a

cavidade será o polímero piezoeléctrico (-PVDF).

ix

Abstract

The health sector is constantly under pressure in order to provide a better service

at a lower price. Clinical analyses are a good example. Doctors prescribe analyses to

biological fluids that are performed in clinical laboratories. All this process is slow,

making impossible a reliable diagnosis at the consultation time. The development of a

clinical laboratory on a chip gives the doctors the possibility of performing analysis to

biological fluids (such as blood, urine, saliva, cerebrospinal fluid) at query time.

Moreover, patients with chronic diseases who need to monitor continuously the

biological parameters will see their quality of life easier and, therefore, improved.

Having in count their everyday life, visits to these laboratories can become difficult and

protracted.

A microlaboratory of clinical analysis must be portable for providing the

concentration measurement of a wide range of biochemical parameters present on

biological fluids, in-loco, obtaining results in real time. Typically, these tests are made

using spectrophotometry, by optical absorption, as the measurement technique. For that,

it is required the use of a specific light source that is expensive and big, which doesn’t

make the portability of the device easier. Thus, the portability can be ensured through

the use of optical filters. They allow that the measurements will be done using a

conventional light source, such as a white light bulb filament, avoiding the traditional

and expensive wavelength dependent light sources (e.g., monochromatic source).

This work consists on the development of a bandpass optical filter which selects

the light wavelength of the biomolecule that is being in analysis. This filter will be

based on a Fabry-Perot optical filter with adjustable cavity. The material used for the

cavity is the piezoelectric polymer (-PVDF).

xi

Índice

Resumo ....................................................................................................... vii

Abstract ....................................................................................................... ix

Lista de Figuras ......................................................................................... xv

Lista de Tabelas ........................................................................................ xxi

Lista de Símbolos .................................................................................... xxiii

Lista de Acrónimos e Termos ................................................................. xxv

1 Introdução ................................................................................................ 1

1.1 Motivação e enquadramento ....................................................................... 1

1.2 Objectivos do projecto ................................................................................. 3

1.3 Trabalho proposto ........................................................................................ 4

1.4 Organização da dissertação ......................................................................... 5

Bibliografia .................................................................................................................. 6

2 Conceitos Teóricos .................................................................................. 7

2.1 Ondas Electromagnéticas ............................................................................ 7

2.2 Espectro da radiação electromagnética...................................................... 8

2.3 Estado da Arte ............................................................................................ 12

2.3.1 Estrutura de um filtro óptico de FP ........................................................ 13

2.3.2 Microespectrómetro baseado num filtro óptico ajustável de FP, para a

faixa espectral visível ............................................................................................. 13

2.3.3 Matriz de filtros ópticos de FP integrada num microlaboratório de

análises clínicas ...................................................................................................... 14

Bibliografia ................................................................................................................ 17

3 Filtros ópticos baseados em filmes finos ............................................. 19

3.1 Propriedades ópticas de filmes finos......................................................... 19

3.2 Fundamentos da propagação de ondas electromagnéticas ..................... 20

Filtro óptico ajustável de Fabry-Perot com cavidade baseada em polímero piezoeléctrico

xii

3.2.1 Amplitude das ondas electromagnéticas................................................. 20

3.2.2 Polarização.............................................................................................. 24

3.3 Propriedades das estruturas com filmes finos ......................................... 25

3.3.1 Propriedades ópticas de uma estrutura de filmes finos .......................... 25

3.3.2 Caminho óptico ...................................................................................... 26

3.3.3 Equações de interface entre dois filmes ................................................. 27

3.3.4 Coeficientes de reflexão e transmissão ................................................... 29

3.3.5 Coeficiente de absorção .......................................................................... 30

3.4 Filtro óptico de Fabry-Perot...................................................................... 31

3.5 Características ópticas de um filtro óptico de Fabry-Perot ................... 33

3.5.1 Selectividade de um filtro passa banda................................................... 33

3.5.2 Free Spectral Range (FSR) .................................................................... 34

3.5.3 Finesse .................................................................................................... 34

3.5.4 Resolução Espectral ................................................................................ 35

3.5.5 Requisito de selecção do espectro de transmissão do filtro óptico......... 35

Bibliografia ................................................................................................................ 36

4 Estudo e Projecto dos Filtros ............................................................... 39

4.1 Escolha dos materiais para o fabrico do filtro óptico ............................. 39

4.1.1 Escolha dos materiais para os espelhos .................................................. 40

4.1.2 Escolha do material para a cavidade piezoeléctrica ............................... 42

4.2 Simulações ópticas ...................................................................................... 45

4.2.1 Resultados para uma espessura de espelhos com 10nm e cavidade

ressonante de 300nm. ............................................................................................. 45


ressonante de 350nm. ............................................................................................. 48


ressonante de 400nm. ............................................................................................. 50


ressonante de 300nm. ............................................................................................. 53


ressonante de 350nm. ............................................................................................. 55


ressonante de 400nm. ............................................................................................. 58

4.3 Conclusão .................................................................................................... 60

Índice

xiii

Bibliografia ................................................................................................................ 62

5 Fabrico dos Filtros ................................................................................ 63

5.1 Métodos de deposição de filmes finos ....................................................... 63

5.2 Descrição do processo de fabrico do filtro óptico .................................... 65

5.3 Escolha dos métodos de deposição para os espelhos e cavidade

ressonante .................................................................................................................. 66

5.3.1 PVD por aquecimento resistivo .............................................................. 66

5.3.2 Spin-Coating ........................................................................................... 67

5.4 Descrição da deposição do espelho de alumínio ...................................... 68

5.5 Descrição da deposição da cavidade piezoeléctrica de β-PVDF ............. 71

5.5.1 Preparação do polímero para efectuar a deposição ................................ 74

5.6 Descrição da deposição do espelho de prata ............................................ 75

5.7 Conclusões ................................................................................................... 76

Bibliografia ................................................................................................................ 77

6 Resultados .............................................................................................. 79

6.1 Problemas encontrados e discussão dos resultados obtidos ................... 79

6.1.1 Espelhos e cavidade ressonante .............................................................. 80

6.1.2 Resultados cavidade ressonante ............................................................. 82

Bibliografia ................................................................................................................ 88

7 Conclusões e Trabalho Futuro ............................................................. 89

7.1 Conclusões ................................................................................................... 89

7.2 Trabalho futuro .......................................................................................... 90

xv

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Representação do Lab-on-a-Chip já desenvolvido e das partes constituinte

da estrutura; a) matriz de filtros ópticos; b) sistema de microfluidos; c) matriz de

fotodíodos [1]. .................................................................................................................. 2

Figura 2.1 - Representação do Campo Eléctrico ( ) e do Campo Magnético ( ) [1]. .... 9

Figura 2.2 - Espectro electromagnético com a devida identificação da porção da luz e

comprimento de onda visível a olho humano [5]. .......................................................... 10

Figura 2.3 - Espectro da absorção para algumas biomoléculas com diferentes

concentrações no sangue ou na urina [8]. ....................................................................... 12

Figura 2.4 - Filtro óptico de Fabry-Perot. ....................................................................... 13

Figura 2.5 - Secção transversal do filtro óptico do Fabry-Perot construído. .................. 14

Figura 2.6 – Transmitância vs. Comprimento de onda para a matriz 16 filtros ópticos. O

filtro FP possui 20nm Al/ / 40nm Ag. A cavidade é alterada de 637 a 742nm

com incrementos de 7nm. ............................................................................................... 15

Figura 2.7 - Esquemático da estrutura do biosistema para um canal óptico. ................. 15

Figura 2.8 – Os canais fluídicos. O canal A é necessário para se conseguir obter a

referência e para calibrar a fonte de luz. O canal B permite a mistura da solução de

análise, mais precisamente o reagente e a amostra. O canal C é necessário também para

calibrar a concentração da substancia bioquímica. ......................................................... 16

Figura 3.1 – Representação da propagação de uma onda electromagnética através de um

filme fino [1]. .................................................................................................................. 20

Filtro Óptico Ajustável de Fabry-Perot com Cavidade Baseada em Polímero Piezoeléctrico

xvi

Figura 3.2 - Lado esquerdo - Regra dos 3 dedos da mão esquerda, Lado direito - Regra

dos 3 dedos da mão direita. ............................................................................................ 23

Figura 3.3 - Representação dos parâmetros de uma estrutura multicamada de filmes

finos. De modo a simplificar a direcção de propagação de cada onda está simplesmente

indicada como para a esquerda e como para a direita e nem os ângulos e a espessura

estão representados. ................................................................................................... 25

Figura 3.4 – Distancia entre as frentes de onda (x), usada no cálculo do caminho óptico.

........................................................................................................................................ 26

Figura 3.5 – Estrutura Filtro-Óptico Fabry-Perot. .......................................................... 32

Figura 3.6 – Esquema do cálculo do parâmetro FWHM, de um filtro passa-banda ...... 33

Figura 3.7 - Parâmetros característicos de filtros ópticos FP. ........................................ 34

Figura 3.8 – Requisito para a selecção de um espectro de transmissão. ........................ 35

Figura 4.1 - Representação da reflectância de filmes finos como; Alumínio (Al), Cobre

(Cu), Ouro (Au), Ródio (Rh) e Prata (Ag) em função do comprimento de onda. .......... 41

Figura 4.2 - Absorvância da prata, do cobre, do outro e do alumínio, em função do

comprimento de onda. .................................................................................................... 42

Figura 4.3 - Representação das cristalites de um polímero: a) antes de ser estirado e b)

após o estiramento. ......................................................................................................... 44

Figura 4.4 – Representação do material com configuração a) cis e b) trans. ................. 44

Figura 4.5 – Transmitância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al,

300nm β-PVDF e 10nm de Ag. ...................................................................................... 46

Figura 4.6 - Reflectância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al, 300nm

β-PVDF e 10nm de Ag. .................................................................................................. 47

Figura 4.7 - Absorvância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al, 300nm

β-PVDF e 10nm de Ag. .................................................................................................. 47

Lista de figuras

xvii

Figura 4.8 - Transmitância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al,

350nm β-PVDF e 10nm de Ag. ...................................................................................... 49

Figura 4.9 - Reflectância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al, 350nm

β-PVDF e 10nm de Ag. .................................................................................................. 49

Figura 4.10 - Absorvância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al,

350nm β-PVDF e 10nm de Ag. ...................................................................................... 50


400nm β-PVDF e 10nm de Ag. ...................................................................................... 51

Figura 4.12 - Reflectância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al,

400nm β-PVDF e 10nm de Ag. ...................................................................................... 52


400nm β-PVDF e 10nm de Ag. ...................................................................................... 52


300nm β-PVDF e 20nm de Ag. ...................................................................................... 54


300nm β-PVDF e 20nm de Ag. ...................................................................................... 54


300nm β-PVDF e 20nm de Ag. ...................................................................................... 55


350nm β-PVDF e 20nm de Ag. ...................................................................................... 56


350nm β-PVDF e 20nm de Ag. ...................................................................................... 57


350nm β-PVDF e 20nm de Ag. ...................................................................................... 57


400nm β-PVDF e 20nm de Ag. ...................................................................................... 59


xviii


400nm β-PVDF e 20nm de Ag. ...................................................................................... 59


400nm β-PVDF e 20nm de Ag. ...................................................................................... 60

Figura 4.23 – Filtro óptico de Fabry-Perot com os materiais e espessuras constituintes já

escolhidos. ...................................................................................................................... 61

Figura 5.1 - Fotografia de análise SEM ao filme de β-PVDF, com vista superior onde se

tem percepção da porosidade apresentada pelo filme. ................................................... 65

Figura 5.2 – Descrição das etapas de crescimento de filmes finos utilizando a técnica

Spin-Coating [5]. ............................................................................................................ 67

Figura 5.3 – Representação esquemática de uma câmara de evaporação térmica [3]. ... 69

Figura 5.4 – Resistência, denominada de “cadinho”, onde se coloca o material a

evaporar [4]..................................................................................................................... 69

Figura 5.5 – Evaporador utilizado na deposição do espelho de alumínio. ..................... 70

Figura 5.6 – Câmara de deposição do evaporador.......................................................... 70

Figura 5.7 – Deposição do espelho de Alumínio numa lamela de vidro. ....................... 71

Figura 5.8 - Equipamento de Spin-Coating. ................................................................... 73

Figura 5.9 – Painel de configuração da velocidade do Spin-Coater. .............................. 73

Figura 5.10 – Deposição do polímero β-PVDF por cima do espelho de alumínio......... 75

Figura 5.11 – Mascara utilizada para a limitar as dimensões do espelho de prata, tendo

os buracos 0,5 cm de diâmetro. ...................................................................................... 75

Figura 5.12 – Deposição de prata sobre o polímero β-PVDF, já com os contactos para

posterior actuação. Estando presentes dois filtros ópticos. ............................................ 76

Lista de figuras

xix

Figura 6.1 – Espelho de alumínio de 20nm. ................................................................... 80

Figura 6.2 – Filtro construído já com os contactos para posterior actuação. Nesta lamela

de vidro estão presentes dois filtros ópticos. .................................................................. 80

Figura 6.3 – Resposta do filtro construído a 0V, com ouro como último espelho. ........ 81

Figura 6.4 – Resposta do filtro construído a 100mV. ..................................................... 81

Figura 6.5 - Resposta do filtro construído a 5V. ............................................................ 82

Figura 6.6 – Espessura obtida para uma dada velocidade de rotação do Spin-Coater. .. 83

Figura 6.7 – Perfilómetro utilizado na medição da espessura da cavidade ressonante. . 84

Figura 6.8 - Amostra a ser “varrida” pela agulha do perfilómetro. ................................ 84

Figura 6.9 – Representação do corte efectuado para se obter o grau necessário à

medição [2]. .................................................................................................................... 85

Figura 6.10 – Linha traçada pelo perfilómetro de um risco vertical efectuado no filme

fino [2]. ........................................................................................................................... 86

Figura 6.11 - Espessura da cavidade ressonante, obtida a partir do perfilómetro. ......... 86

xxi

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - Representação das cores do espectro visível [6]. ....................................... 10

Tabela 2.2 - Algumas biomoléculas e comprimento de onda para o qual a sua

absorvância é máxima. ................................................................................................... 11

Tabela 6.1 – Velocidades de rotação do Spin-Coater e respectivas espessuras alcançadas,

incluindo o erro obtido. .................................................................................................. 83

xxiii

Lista de Símbolos

A seguinte tabela apresenta os símbolos mais importantes usados várias vezes ao

longo do texto.

Vector do campo magnético.

Vector do campo eléctrico.

Vector da intensidade corrente eléctrica.

Vector da força electromotriz.

B Densidade de fluxo magnético.

D Deslocamento eléctrico.

n Índice de refracção do meio de espaçamento entre os espelhos.

d Distância entre os espelhos.

Comprimento de onda da luz incidente.

q Ordem de interferência.

f Frequência da luz incidente, com unidade de medida Hz.

R Reflectância da onda electromagnética.

T Transmitância da onda electromagnética.

A Absorvância da onda electromagnética.

θ Ângulo da luz incidente.


xxiv

Onda electromagnética incidente.

k Vector de propagação da onda electromagnética.

w Frequência angular óptica.

r Vector de posição.

c Constante relativa à velocidade de propagação de uma onda

electromagnética.

Constante relativa à velocidade de propagação de uma onda

electromagnética no vazio.

Permitividade eléctrica no vazio.

Permitividade eléctrica do meio.

Permeabilidade magnética no vazio.

Permeabilidade magnética do meio.

Espessura do filme fino.

l Coeficiente de extinção do meio.

j Operador complexo.

rpm Rotações por minuto.

nm Nanometro, equivale a metros.

Å Angstron, sendo que 1 Å corresponde a 0,1 nanometros.

xxv

Lista de Acrónimos e Termos

A seguinte tabela apresenta uma lista de acrónimos e termos mais importantes

usados várias vezes ao longo do texto.

Chip Também conhecido como Circuito Integrado ou IC. Trata-se de uma

pastilha (chip) de silício que contém circuitos miniaturizados.

Lab-On-A-Chip Microlaboratório de análises clínicas.

MEMS Microelectromechanical System (Sistema Micro-Electro-Mecânico)

CMOS Sigla para complementary metal-oxide-semiconductor

(semicondutor metal-óxido complementar).

β -PVDF Polifluoreto de vinilideno na sua fase beta.

FP Fabry-Perot

FFP Filtro Fabry-Perot

DC Tensão continua

AC Tensão alternada

PVD Pysichal Vapor Deposition, Deposição física a partir de vapor

CVD Chemical Vapor Deposition, Deposição química a partir de vapor

FSR Free-Spectral-Range, Intervalo de frequência entre pontos

consecutivos

FWHM Full-With-Half-Maximum, Largura de pico máximo a metade da sua


xxvi

intensidade

Finesse Parâmetro que mede o desempenho do filtro óptico

AFM Atomic Force Microscopy, Microscopia de Força Atómica

SEM Scanning electron microscope, Microscopia electrónica de

varrimento

DMA Solvente dimetilacetamina

DMF Solvente dimetilfornamida

1

1 Introdução

Este capítulo descreve a motivação que levou a aceitar este projecto, os objectivos do

trabalho, assim como as metodologias empregues de modo a finalizar o mesmo. No final, é

descrita a organização da dissertação.

1.1 Motivação e enquadramento

Esta dissertação de mestrado insere-se num projecto de investigação que está a ser

desenvolvido pelo departamento de electrónica industrial.

Os médicos prescrevem análises a fluidos biológicos que são realizadas em laboratórios

de análises clínicas. Todo este processo é moroso, não permitindo ao médico um diagnóstico

fidedigno na hora da consulta. Para analisar fluidos biológicos existem, em ambiente

laboratorial, equipamentos sofisticados. Contudo, esses equipamentos utilizam grandes

quantidades de reagentes e são economicamente dispendiosos. Fora do ambiente laboratorial

existem, comercialmente disponíveis, as chamadas “fitas reagentes”. Porém, são poucas as

biomoléculas que permitem analisar sendo que a leitura através de visualização de cor, torna a

medição pouco precisa e em certos casos apenas qualitativa. O desenvolvimento de um

laboratório de análises clínicas num chip oferece aos médicos a possibilidade de fazer análises

aos fluidos biológicos (tais como: sangue, urina, saliva, fluido cerebrospinal) aquando da

consulta.


2

O micro laboratório existente é composto por 3 partes distintas:

i. A primeira parte contém micro canais nos quais são colocadas amostras,

reagentes e micro reservatórios nos quais o líquido (mistura do reagente com a

amostra) permanece para análise.

ii. A segunda parte fabricada em silício, segundo um processo de microelectrónica

CMOS, contém detectores ópticos e a electrónica de leitura.

iii. A terceira parte contém filtros ópticos passa-banda que seleccionam o

comprimento de onda da biomolécula a analisar. O uso de filtros ópticos no

micro-laboratório permite que as medições sejam realizadas com uma fonte de

luz convencional, evitando assim as tradicionais e dispendiosas fontes de luz

dependentes do comprimento de onda (por exemplo, fonte de luz

monocromática.

Figura 1.1 - Representação do Lab-on-a-Chip já desenvolvido e das partes constituinte da estrutura; a)

matriz de filtros ópticos; b) sistema de microfluidos; c) matriz de fotodíodos [1].

Introdução

3

1.2 Objectivos do projecto

O objectivo deste trabalho consiste na implementação da terceira parte do micro-

laboratório: o filtro óptico passa-banda. Este filtro será baseado num filtro óptico de Fabry-

Perot com cavidade ajustável (ver Figura 2.4). O material utilizado para a cavidade é um

polímero piezoeléctrico (-PVDF).

Um interferômetro Fabry-Perot pode ser usado num sistema óptico de detecção, para

passar uma parte específica do espectro. Este dispositivo funciona como um filtro passa-banda

que transmite a banda espectral específica para a biomolécula em análise. O nivelamento e a

reflectância dos dois espelhos são, assim, muito importantes para atingir um óptimo

desempenho. A reflectância é, também, um parâmetro determinado pelo material utilizado

para os espelhos, sendo, no entanto, a uniformidade e paralelismo dos espelhos questões

típicas de microfabricação. A análise on-chip de várias substâncias bioquímicas com o mesmo

dispositivo só é possível se o filtro óptico de Fabry-Perot puder ser ajustado para várias

bandas espectrais. Isto significa que o dispositivo deve conseguir seleccionar diferentes zonas

espectrais e de preferência possuir uma cavidade com tamanho ajustável. Portanto, um filtro

óptico ajustável de Fabry-Perot deve ser implementado no chip. Na espectrofotometria por

absorção óptica on-chip, as exigências são muito mais pertinentes. É um requisito que o filtro

óptico opere numa larga banda espectral, de preferência durante todo o intervalo do espectro

visível (390-700nm).

Mais ainda, o nivelamento dos espelhos torna-se mais crítico devido à diminuição do

comprimento de onda. Um filtro óptico convencional é, normalmente, constituído por uma

cavidade de ar e um espelho móvel utilizando por exemplo uma actuação electrostática.

Algumas delas incluem sensores de deslocamento simultâneo, resultando num espaçamento

de espelho ajustável. Esta abordagem tem três desvantagens:

(1) utiliza métodos de micromaquinagem complexos, o que é difícil de implementar

num processo padrão;

(2) são necessárias grandes tensões para a actuação;

(3) a operação é difícil, principalmente para atingir o paralelismo entre os espelhos

durante o ajuste do filtro.


4

Uma alternativa bastante utilizada para resolver esse problema é a construção de uma

matriz com espelhos fixos, mas com cavidades de tamanho diferentes. Este dispositivo é

relativamente simples de operar mas exige uma grande área, proporcional ao número de

diferentes tamanhos de cavidades e a gama espectral analisada é menor. A fabricação de tais

dispositivos tem sido referida [3, 4, 2].

A proposta apresentada neste trabalho para o filtro óptico de Fabry-Perot, baseia-se no

dispositivo ajustável, mas, utilizando como cavidade ressonante o polímero PVDF

(Polifluoreto de vinilideno) na sua fase β, em vez de uma cavidade de ar. Esse material

apresenta variações de espessura homogéneas, que se reflecte na capacidade de manter os

espelhos paralelos. Além disso, o processo de fabrico é mais simples, quando comparado com

o convencional filtro óptico de Fabry-Perot.

1.3 Trabalho proposto

Este trabalho tem como principal finalidade o estudo e fabrico de um filtro óptico de

Fabry-Perot ajustável com cavidade baseada no polímero piezoeléctrico.

O trabalho proposto consiste nas seguintes fases:

i. Estudar do princípio de funcionamento do filtro óptico de Fabry-Perot.

ii. Simular a estrutura em termos de características ópticas.

iii. Tendo em conta os comprimentos de onda adequados à biomolécula em análise,

determinar o melhor material e a melhor espessura a ser utilizada para os

espelhos assim como a melhor espessura para a cavidade, recorrendo para isso a

um software já desenvolvido no Departamento de Electrónica Industrial.

iv. Desenvolver técnicas de fabrico que melhor se adaptem ao fabrico de estruturas

com cavidades em PVDF1 de cerca de 300nm.

v. Fabricar a estrutura.

1 Polifluoreto de vinilideno.

Introdução

5

vi. Testar o filtro óptico implementado aplicando várias tensões com várias

frequências aos espelhos.

1.4 Organização da dissertação

A organização desta tese é composta em 6 capítulos.

No primeiro capítulo são abordadas as motivações que levaram a aceitar este projecto,

os objectivos de trabalho assim como as metodologias empregues de modo a finalizar o

mesmo.

No segundo capítulo é realizado um estudo sobre o estado da arte dos filtros ópticos

ajustáveis de Fabry-Perot.

No terceiro capítulo é feita uma introdução à teoria óptica dos filtros de Fabry-Perot,

abordando as propriedades ópticas e estruturais de filmes finos. São ainda abordados, os

fundamentos da propagação de ondas electromagnéticas e a sua utilização para o cálculo e

comportamento do filtro óptico baseado na estrutura de Fabry-Perot.

No quarto capítulo descrevem-se os materiais e suas características utilizados para os

espelhos e para a cavidade do filtro óptico. Numa segunda parte são realizadas as simulações

necessárias para a determinação das melhores espessuras dos espelhos e da cavidade do filtro

óptico, tendo em conta a transmitância, reflectância e a absorvância.

No quinto capítulo faz-se um estudo das tecnologias existentes para a deposição de

filmes finos, assim como a escolha do melhor método para o seu fabrico.

No sexto capítulo são apresentados os resultados do processo de fabrico do filtro

óptico e as dificuldades desse fabrico, assim como as soluções para as ultrapassar.

Apresentam-se ainda os testes efectuados em termos de transmitância

Por último, no sétimo capítulo são tecidas algumas conclusões, obtidas no decorrer do

projecto realizado, e algumas sugestões para trabalhos futuros.


6

Bibliografia

[1] – G. Minas, Microssistema Laboratorial para Análise de fluidos Biológicos, tese de

doutoramento, Guimarães, Portugal, 2004.

[2] – Minas G, Martins J S, Ribeiro J C, Wolffenbuttel R F and Correia J H 2004 Biological

microsystem for measuring uric acid in biological fluids Sensors and Actuators A 110

33-38.

[3] – G. Minas, R. F. Wolffenbuttel and J. H. Correia, “An array of highly selective Fabry-

Perot optical-channels for biological fluids analysis by optical absorption using white

light source for illumination,” J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 8, 272-278 (2006).

[4] – G. Minas, G. de Graaf, R. F. Wolffenbuttel and J. H. Correia, IEEE Sensors J., 6-4,

1003-1009 (2006).

7

2 Conceitos Teóricos

Neste capítulo é feita uma breve revisão dos conceitos teóricos relacionados com as

ondas electromagnéticas e com o espectro da radiação electromagnética. É ainda apresentado

um estudo sobre o estado da arte dos filtros ópticos de Fabry-Perot.

2.1 Ondas Electromagnéticas

As ondas electromagnéticas são ondas formadas a partir da combinação dos campos

magnéticos e eléctricos, que se propagam no espaço transportando energia. O conceito de

onda electromagnética foi postulado pelo famoso físico escocês James C. Maxwell. É dele o

trabalho mais notável no campo do electromagnetismo. Utilizando as leis experimentais de

Coulomb, Faraday, Ampere e também as suas próprias concepções, Maxwell construiu um

conjunto de equações que resumem os conhecimentos sobre o electromagnetismo. Hoje essas

equações são conhecidas como as equações de Maxwell e sabe-se que foram elas que

possibilitaram a compreensão das ondas electromagnéticas. Essas equações são tão

importantes para o estudo da electricidade assim como as leis de Newton o são para a

mecânica.

Maxwell provou, através das suas equações, que o distúrbio electromagnético, o qual é

provocado pela sobreposição do campo eléctrico e campo magnético, apresenta todas as

características ondulatórias e que assim sendo, a radiação electromagnética também deveria


8

sofrer os fenómenos da reflexão, refracção, difracção e interferência, assim como acontece

numa onda. Foi por esse motivo que o distúrbio provocado pelo campo eléctrico e magnético

acabou por ser denominado de ondas electromagnéticas.

Os campos eléctricos e magnéticos, que dão origem às ondas electromagnéticas,

propagam-se perpendicularmente um ao outro. É importante saber que, ao contrário das ondas

mecânicas, a onda electromagnética não necessita de um meio material para se propagar, pois

o campo eléctrico e o campo magnético podem ser estabelecidos na ausência de matéria, ou

seja, no vácuo. Sendo assim, a radiação electromagnética pode propagar-se no espaço vazio.

A velocidade à qual as ondas electromagnéticas se propagam foi um importante

resultado obtido por Maxwell. Utilizando as suas equações e cálculos adicionais ele mostrou

que, no vácuo, como também no ar, a velocidade de propagação da radiação electromagnética

é igual a: c = 3,0 x 108 m/s. Essa descoberta foi muito importante uma vez que esse valor

coincide com a velocidade da luz, facto esse que levou Maxwell a suspeitar que a luz era uma

onda electromagnética. No entanto, já no século XIX, os físicos sabiam que a luz se tratava de

um fenómeno ondulatório, mas não sabiam qual a sua natureza. Hoje é sabido que a suspeita

de Maxwell é verdadeira: a luz é uma onda electromagnética. A descoberta da natureza da luz

foi um facto muito importante, pois possibilitou a unificação da óptica e do

electromagnetismo. Como os fenómenos luminosos têm origem no electromagnetismo, por

consequência, a óptica pode ser considerada um ramo do electromagnetismo e as suas leis

podem ser deduzidas a partir das equações de Maxwell [3].

2.2 Espectro da radiação electromagnética

Em 1867, quando Maxwell publicou a teoria detalhada do campo electromagnético, o

espectro de frequências conhecido estendia-se apenas do infravermelho passando pelo visível

até ao ultravioleta. Na Figura 2.1, está representado o comprimento de onda, assim como o

campo eléctrico e magnético [4].

Conceitos teóricos

9

Figura 2.1 - Representação do Campo Eléctrico ( ) e do Campo Magnético ( ) [1].

Este é dado por:

(2.1)

Como se pode verificar, quanto menor for o comprimento de onda, λ, maior será a

frequência, f, e quanto maior for o comprimento de onda, menor será a frequência [2].

O espectro electromagnético vai desde as radiofrequências até aos raios gama como mostra a

Figura 2.2.


10

Figura 2.2 - Espectro electromagnético com a devida identificação da porção da luz e comprimento de

onda visível a olho humano [5].

Na Tabela 2.1 é descrito com mais pormenor o comprimento e frequência de onda

correspondente a cada cor do espectro visível.

Tabela 2.1 - Representação das cores do espectro visível [6].

Cor Comprimento de onda Frequência da onda

Vermelho 780 – 622nm 384 – 482 THz

Laranja 622 – 597nm 482 – 503 THz

Amarelo 597 – 577nm 503 – 520 THz

Verde 577 – 492nm 520 – 610 THz

Azul 492 – 455nm 610 – 659 THz

Violeta 455 – 390nm 659 – 769 THz

Torna-se extremamente útil conhecer estes espectros pois no âmbito deste projecto a

medição da concentração da(s) biomolécula(s) a analisar baseia-se na detecção colorimétrica

por absorção óptica. Neste processo, um feixe de luz branca é direccionado para a câmara de

detecção (ver Figura 2.4), na qual se encontra a mistura a analisar. Esse feixe de luz branca é

filtrado pelo filtro óptico de Fabry-Perot de modo a seleccionar uma banda estreita de

comprimentos de onda de acordo com a biomolécula a analisar. A intensidade da luz

Conceitos teóricos

11

transmitida é proporcional à concentração da biomolécula em análise sendo medida por um

fotodetector colocado por baixo da câmara de detecção.

Na Tabela 2.2 encontra-se uma vasta gama de biomoléculas que podem ser analisadas

através do método anteriormente descrito [7].

Tabela 2.2 - Algumas biomoléculas e comprimento de onda para o qual a sua absorvância é máxima.

Biomoléculas Pico máximo do espectro de absorção (nm)

Cetosteroídes 478

Aldolase 484

Ácido Úrico 497

Colesterol 500

Glicose 504

Ácido Glutâmico 508

Ureia 514

Magnésio 518

Creatina 523

Ácido Bílico 528

Ureia no sangue 535

Salicilatos 540

Hemoglobina 543

β Glucuronidase 548

Bilirrubina 558

Leucina 567

Em diagnósticos clínicos, a detecção colorimétrica por absorção óptica é um dos

métodos de espectrofotometria mais utilizados para qualificar a concentração de uma

determinada biomolécula nos fluidos biológicos [9]. Nesta técnica espectrofotométrica, uma

amostra do fluido é misturado com um reagente específico, apropriado para a biomolécula a

medir, e dessa mistura resulta uma cor específica. A intensidade dessa cor é directamente

proporcional à concentração da substância bioquímica em análise, e o espectro de absorção da

mistura apresenta o seu máximo a um determinado comprimento de onda [10]. Como


12

exemplo, pode determinar-se a concentração de proteínas numa amostra de sangue que tem o

pico máximo de absorção aos 595nm (ver Figura 2.3).

Para se efectuar a leitura óptica destas biomoléculas é necessária uma fonte de luz

dependente do comprimento de onda, sendo fornecida através de um monocromador ou laser,

ou seja, através de dispositivos dispendiosos. O uso de um filtro óptico permite medições

utilizando uma fonte de luz branca convencional, evitando assim a utilização de sistemas

ópticos complexos e caros, possibilitando que a análise seja efectuada em qualquer local com

resultados instantâneos. Com o uso de filtros ópticos sintonizáveis, como é o caso do filtro

óptico ajustável de FP que foi objecto deste estudo, é possível definir várias bandas espectrais

estreitas, o que permite analisar várias substâncias bioquímicas com o mesmo dispositivo.

Figura 2.3 - Espectro da absorção para algumas biomoléculas com diferentes concentrações no sangue ou

na urina [8].

2.3 Estado da Arte

Nesta secção descrevem-se algumas aplicações dos filtros ópticos de FP com cavidade

ajustável para a gama de comprimentos de onda na zona espectral visível.

Conceitos teóricos

13

2.3.1 Estrutura de um filtro óptico de FP

O filtro de Fabry-Perot consiste numa estrutura composta por duas superfícies,

denominadas de “espelhos”, posicionados paralelamente um ao outro, geralmente separados

por ar. A expressão que relaciona a distância entre os espelhos e o comprimento de onda que é

transmitida, é dada por,

(2.1)

onde n é o índice de refracção do meio de espaçamento entre os espelhos, d é a distância entre

os espelhos (ou a espessura desse meio de espaçamento), é o comprimento de onda da luz

incidente e q é a ordem de interferência.

Figura 2.4 - Filtro óptico de Fabry-Perot.

2.3.2 Microespectrómetro baseado num filtro óptico ajustável de FP, para

a faixa espectral visível

Foi desenvolvido por J. H. Correia, M. Bartek e R.F. Wolffenbuttel [11], um filtro

óptico sintonizável de FP para a gama espectral a luz visível. O filtro óptico é formado por

dois espelhos de prata, paralelos um ao outro, com 40nm de espessura cada um, e uma

cavidade ressonante no meio de ambos. Esta cavidade possui 300nm de espessura e é

composta por nitreto de silício possuindo uma área de 2x2 . Esta possui uma largura

inicial de 1.2 µm sendo posteriormente actuada para assim se conseguir “varrer” os vários

Apenas uma banda estreitaà volta do comprimento de ondade ressonância é transmitido

Feixe luzde espectrolargo Espelho

Espelho

dReflecções múltiplascausam ressonânciapara =2q nd


14

comprimentos de onda do espectro visível. Um dos espelhos é fixo, o outro está sob a

estrutura móvel de silício, que é eletrostaticamente alterada utilizando vários eléctrodos

distribuídos para controlar o espaçamento entre os espelhos e seu paralelismo. A fabricação

do filtro óptico é baseada em técnicas de micromaquinagem volúmica como ilustrado na

Figura 2.5 [11].

Figura 2.5 - Secção transversal do filtro óptico do Fabry-Perot construído.

2.3.3 Matriz de filtros ópticos de FP integrada num microlaboratório de

análises clínicas

Um laboratório de análises clínicas num chip que utiliza uma matriz de filtros ópticos

baseada numa estrutura de Fabry-Perot com espelhos metálicos foi desenvolvido em [12]. A

aplicação do biossistema apresentado na Figura 2.7, efectua a medição da concentração, por

absorção óptica, de 16 substâncias bioquímicas diferentes em fluidos humanos. O método de

medição é baseado na detecção colorimétrica por absorção óptica na gama visível do espectro

electromagnético. A matriz de filtros ópticos (ver Figura 2.6) permite seleccionar 16 bandas

espectrais muito estreitas (FWHM2 de 10nm), o que permite a análise das 16 substâncias

bioquímicas. Este filtro permite a utilização de apenas uma fonte de luz branca convencional,

facilitando a sua portabilidade. O seu funcionamento foi efectuado com sucesso, na detecção

de concentrações de ácido úrico na urina.

2 Full-With-Half-Maximum, Largura de pico máximo a metade da sua intensidade.

Conceitos teóricos

15

Figura 2.6 – Transmitância vs. Comprimento de onda para a matriz 16 filtros ópticos. O filtro FP possui

20nm Al/ / 40nm Ag. A cavidade é alterada de 637 a 742nm com incrementos de 7nm.

Figura 2.7 - Esquemático da estrutura do biosistema para um canal óptico.

O laboratório de análises clínicas num chip é composto por uma superfície de vidro

que contém os canais fluídicos (ver Figura 2.8) e os filtros ópticos. Por baixo, encontram-se

os fotodetectores e a electrónica de leitura fabricada num processo de fabrico de

microelectrónica CMOS. Um filtro passa-banda, comercialmente disponível é utilizado por

cima do dispositivo, evitando-se assim a zona espectral não visível [12].


16

Figura 2.8 – Os canais fluídicos. O canal A é necessário para se conseguir obter a referência e para

calibrar a fonte de luz. O canal B permite a mistura da solução de análise, mais precisamente o reagente e

a amostra. O canal C é necessário também para calibrar a concentração da substancia bioquímica.

Conceitos teóricos

17

Bibliografia

[1] - http://astroweb.iag.usp.br/~dalpino/AGA215/NOTAS/radiacao_eletromagnetica.pdf

[2] - http://www.quiprocura.net/infraferro/radeletro.htm

[3] - http://www.mundoeducacao.com.br/fisica/o-que-sao-ondas-eletromagneticas.htm

[4] - http://www.defi.isep.ipp.pt/~emn/OPTICA/teorica/sebenta/rad2a_v2.pdf

[5] - http://www.astro.iag.usp.br/~jane/aga215/aula05/cap5a.htm

[6] - http://nautilus.fis.uc.pt/wwwfi/hipertextos/espectro/hiper_espectro_vis.html

[7] - http://www.dei.uminho.pt/~gminas/Patentes/BRPI0513018A.pdf

[8] - C. Pinheiro, J. G. Rocha, L. M. Gonçalves, S. Lanceros-Mendez and G. Minas, A tunable

Fabry-Perot optical filter for application in biochemical analysis of human’s fluids, in

ISIE IEEE, Montréal, Québec, Canada, pp. 2778-2783, July 9-12, 2006.

[9] – J. C. Todd, A. H. Sandford and I. Davidson, Clinical diagnosis and management, 17th

e.,

W. B. Saunders Company, 1984

[10] - Biochemical and organic reagents, Sigma, 2005.

[11] - Marian Bartek, Jose H. Correia and Reinoud F. Wolffenbuttel Delft University of

Technology, Faculty for Information Technology and Systems, Laboratory for

Electronic Instrumentation/DIMES, Electronic Instrumentation/DIMES, Silver-based

reflective coatings for micromachined optical filters.

[12] - G. Minas, J.C. Ribeiro, J.S. Martins, R.F. Wolffenbuttel e J.H. Correia, An array of

Fabry-Perot optical-channels for biological fluids analysis.

19

3

Filtros ópticos baseados em filmes finos

Este capítulo faz uma introdução fundamental sobre a teoria electromagnética e a sua

utilização para o cálculo e comportamento do filtro óptico baseado na estrutura de Fabry-

Perot.

O filtro óptico ajustável de Fabry-Perot tem como principal função a selecção de um

comprimento de onda específico de acordo com o máximo de absorvância das biomoléculas a

analisar nos fluidos biológicos. Isto é efectuado através da incidência de uma luz branca

convencional, tornando este dispositivo mais económico, uma vez que não utiliza uma fonte

de luz monocromática.

3.1 Propriedades ópticas de filmes finos

Os filmes finos desempenham uma função essencial nos circuitos electrónicos. No

caso destes últimos, os filmes finos são utilizados no acesso externo aos circuitos, para

isolamento das camadas condutoras e também para protecção das superfícies do ambiente

externo. Os filmes finos podem ser condutores, semicondutores ou isolantes.

Na Figura 3.1 é ilustrada uma estrutura composta por um filme fino depositado num

substrato. A onda electromagnética incidente, , sofre múltiplas reflexões e refracções entre

os interfaces que separam os meios ( , , . A amplitude total reflectida é dada pela soma

de todas as ondas reflectidas no meio incidente.


20

Figura 3.1 – Representação da propagação de uma onda electromagnética através de um filme fino [1].

3.2 Fundamentos da propagação de ondas electromagnéticas

A luz é uma onda electromagnética, e o estudo da sua propagação tem

necessariamente de começar pelas equações de Maxwell. De modo a não se tornar um estudo

muito aprofundado inicia-se a análise dos resultados das equações de Maxwell válidas para

meios lineares. Para um estudo mais aprofundado e rigoroso sobre as equações de Maxwell

aconselha-se a consulta de [2].

3.2.1 Amplitude das ondas electromagnéticas

Uma onda electromagnética pode ser representada pelas equações seguintes:

(3.1)


21

Onde e são respectivamente o campo eléctrico e o campo magnético, w é a

frequência angular óptica, k é o vector propagação da onda onde, , o vector posição

e n é o índice de refracção do meio de propagação. Caso o meio de propagação seja

absorvente, o índice refractário, n, tem que ser substituído por , onde l é o coeficiente

de extinção do meio e j é o operador complexo. A frequência, f, e o comprimento de onda, ,

são dados pelas seguintes equações:

(3.2)

(3.3)

e , em que c é uma constante que corresponde à velocidade de propagação de

uma onda electromagnética. Esta última equação está relacionada com as propriedades do

meio de propagação através da seguinte relação [4]:

(3.4)

onde é a permitividade eléctrica do meio e a permeabilidade magnética.

Esta expressão pode também ser conseguida a partir da relação:

(3.5)

Onde e são a permitividade eléctrica e permeabilidade magnética do vazio e e são

a permitividade eléctrica e permeabilidade magnética do meio, respectivamente. O

deslocamento eléctrico, D, e a densidade de fluxo magnético, B, são definidos por [14]:

(3.6)

(3.7)

Sendo assim, pode escrever-se:

(3.8)

Onde corresponde à velocidade de propagação da onda electromagnética no vazio, ou seja,

.


22

Nos materiais dieléctricos que possuam e a equação 3.8 pode ser escrita

da seguinte forma:

(3.9)

Note-se que , e sabendo que a razão é por definição o índice de refracção, n, do

meio, tem-se que:

(3.10)

é a medida da facilidade com que o meio pode ser polarizado electricamente através da

acção de um campo eléctrico externo. Esta polarização depende da mobilidade dos electrões

dentro da molécula perante a resistência das forças moleculares. Então dependerá da

frequência do campo eléctrico aplicado, uma vez que este dependerá da rapidez de resposta

dessas forças. Então a equação 3.10 só será verdadeira se caso e se referirem à mesma

frequência de onda.

Para uma dada onda, a relação entre campo magnético e campo eléctrico é dada pela

seguinte equação:

(3.11)

Onde é a constante dieléctrica absoluta e a permeabilidade magnética absoluta,

respectivamente do meio em questão [3]. A constante dieléctrica, , e a permeabilidade

magnética, , podem ser descritas pelas equações 3.12 e 3.13.

, (3.12)

, (3.13)

Onde é a constante dieléctrica relativa e a permeabilidade magnética relativa do

meio, é a constante dieléctrica no vazio e a permeabilidade magnética no vazio e c é a

velocidade da luz em vacúo. Pelas equações 3.14 e 3.15 pode-se obter a constante dieléctrica

do meio , assim como a permeabilidade magnética no vazio, .

, (3.14)

, (3.15)


23

Em meios anisotropicos a equação (3.11) torna-se mais complexa, uma vez que e

são vectores invés de escalares quantitativos [4, 5].

As direções dos vectores e estão relacionadas entre si, formando um ângulo de

entre si e com a direcção de propagação. A direcção da propagação é dada pela regra da mão

direita.

Existem duas regras, uma usando a mão direita [6], outra a mão esquerda, cada uma

com a sua devida aplicação.

Através destas regras obtêm-se o sentido do campo magnético em torno de um

condutor, bastando para isso dispor o polegar da mão direita ao longo desse condutor no

sentido da corrente , o dedo indicador no sentido do campo magnético e assim o dedo

médio indica o sentido da força . Estas grandezas são vectoriais, apresentando, além da

sua intensidade, um sentido. Cada uma das 3 grandezas faz um ângulo de 90º com qualquer

das outras. Na Figura 3.2 é mostrado a colocação dos dedos para saber a orientação das

grandezas vectoriais.

Figura 3.2 - Lado esquerdo - Regra dos 3 dedos da mão esquerda, Lado direito - Regra dos 3 dedos da

mão direita.


24

3.2.2 Polarização

A luz que viaja numa dada direcção pode conter duas polarizações independentes. A

luz incidente numa superfície pode conter o vector campo eléctrico ou o vector campo

magnético e ambos podem ser decompostos em duas componentes, a polarização p que é

paralela ao plano de incidência e a polarização s que é perpendicular ao plano de incidência.

Geralmente o vector campo eléctrico forma um ângulo com o plano de incidência,

então este pode ser decomposto nas duas componentes s e p:

, para polarização p (3.16)

, para polarização s (3.17)

De forma similar, para o vector campo magnético tem-se:

(3.18)

(3.19)

O índice de refracção n é dado pela relação . Do mesmo modo, pode definir-se um índice de

refracção generalizado para cada uma das polarizações, portanto:

(3.20)

(3.21)

É de notar que todos os estados de polarização podem ser decompostos nos

componentes p e s, possivelmente com um desfasamento entre eles. Isto torna útil esta análise

para todos os estados de polarização. De um modo geral, qualquer interface óptico possui

propriedades diferentes para as duas polarizações, excepto quando a luz incidente é normal à

superfície. Neste caso as polarizações p e s são equivalentes.


25

3.3 Propriedades das estruturas com filmes finos

3.3.1 Propriedades ópticas de uma estrutura de filmes finos

Na Figura 3.3 apresenta-se uma estrutura multicamada com q interfaces, e q-1

camadas de filmes finos.

No filme da estrutura, representada na Figura 3.3, observa-se uma onda que se propaga

da direita para a esquerda, , e uma outra que se propaga da esquerda para a direita . As

ondas acima mencionadas fazem com a normal da superfície um ângulo . Cada filme possui

um índice de refracção e uma espessura , estando todos numerados mediante índices. O

filme com índice 0 representa o meio de saída e o filme q representa o meio de incidência.

Considerou-se que tanto o meio de saída como o meio de incidência é constituído por ar.

Seguindo a Figura 3.3 pode concluir-se que a luz incidente é , sendo a onda a onda

reflectida e a onda transmitida. é igual a zero, uma vez que se está a considerar que só

existe uma fonte de luz, estando esta do lado esquerdo, e não existe nenhum feixe de luz

vindo do substrato [7, 8].

Figura 3.3 - Representação dos parâmetros de uma estrutura multicamada de filmes finos. De modo a

simplificar a direcção de propagação de cada onda está simplesmente indicada como para a esquerda

e como para a direita e nem os ângulos e a espessura estão representados.


26

3.3.2 Caminho óptico

A espessura da fase do filme fino j, em caso da luz ter incidência normal, é dada a

partir de:

, (3.22)

Onde é a espessura do filme fino e é o comprimento de onda da luz incidente. A

espessura da fase representa a variação na fase que a luz sofre quando atravessa o filme [8].

Em casos gerais, onde a luz incide com ângulo , a expressão para a espessura de fase

é:

, (3.23)

Onde o ângulo é determinado pela lei de Snell [9]:

(3.24)

A variável será na polarização p e na polarização s. É de notar que caso o

filme i absorva a luz, como é uma quantidade complexa, faz com que também se torne

num número complexo.

Figura 3.4 – Distancia entre as frentes de onda (x), usada no cálculo do caminho óptico.

Frentes de

onda


27

3.3.3 Equações de interface entre dois filmes

É assumido que a fase das ondas é zero no interface entre os filmes j e j-1 (Figura 3.3).

Por outras palavras, a fase é zero do lado direito do filme j. No interface entre o filme j+1 e j,

mais propriamente, no lado esquerdo do interface estão presentes os seguintes campos e

. No lado direito do mesmo interface têm-se presentes os seguintes campos e

, onde e representam os desvios sofridos pela onda electromagnética

ao longo do filme j [10].

Usando as condições fronteira já descritas previamente pode dizer-se:

, (3.25)

no interface (j+1)/j, com uma equação similar para H.

É conveniente, agora, definir:

(3.26)

e

, (3.27)

onde e são os campos totais eléctrico e magnético, respectivamente, do interface

compreendido entre os filmes j e j-1. Sabendo que , pode concluir-se:

(3.28)

(3.29)

Assim sendo, a equação 3.25 fica:

(3.30)


28

De igual modo para a equação 3.27 tem-se:

(3.31)

Similarmente pode dizer-se que o valor do campo magnético no interface j+1, j é obtido da

seguinte forma:

, (3.32)

ou,

, (3.33)

Onde a matriz M é dada por:

, (3.34)

A matriz 2x2, denominada matriz , contém todos os detalhes do filme j e relaciona os

valores do campo eléctrico ( ) e os do campo magnético ( ) de um lado dos filmes j com os

valores do outro lado do filme. Também pode ser escrita da seguinte forma:

, (3.35)

Os valores do campo eléctrico e campo magnético no meio de saída podem ser relacionados

com os incidentes na entrada do filme através da seguinte equação:

, (3.36)

Neste caso, é considerado que , reduzindo assim a uma matriz identidade.

Pegando na equação 3.34 e como obtemos a seguinte matriz:


29

3.3.4 Coeficientes de reflexão e transmissão

Torna-se, agora, necessário calcular o valor do campo magnético e campo eléctrico

incidentes, e das ondas electromagnéticas reflectidas e transmitidas. A partir das equações

3.28 e 3.29 escritas em forma de matriz [7, 8] vem:

, (3.37)

e

, (3.38)

Com Combinando as equações 3.36, 3.37 e 3.38:

(3.39)

onde, representam as matrizes dos filmes finos que compõe a estrutura óptica.

A partir da equação 3.39 consegue obter-se os coeficientes de reflexão e transmissão,

sendo eles dados pelas seguintes equações:

(3.40)

(3.41)


30

Os coeficientes de reflexão e transmissão, mais comummente denominados como

reflectância e transmitância são dados pelas seguintes equações:

(3.42)

(3.43)

Torna-se bastante útil definir a admitância , que é igual à relação entre e .

Assim sendo, torna-se um índice de refracção efectivo para toda a estrutura do filme fino.

Geralmente é um número complexo e é dado pela seguinte relação [15]:

(3.44)

onde,

(3.45)

Substituindo esta equação nas equações 3.39, 3.42 e 3.43 obtêm-se as seguintes

equações, necessárias para o estudo das propriedades de estruturas de filmes finos:

(3.46)

(3.47)

3.3.5 Coeficiente de absorção

Quando num material uma luz incidente transforma-se numa outra forma de energia,

normalmente calor, verifica-se o fenómeno da absorção. O coeficiente de absorção,

normalmente chamado de absorvância está relacionado com a transmitância, T, e reflectância,

R, através da seguinte expressão:


31

(3.48)

Apesar de, normalmente, o meio incidente não ser absorvente, este pode, por alguma

razão, apresentar características de absorção. No entanto, como esse facto não tem grande

influência na generalidade do problema pode ser ignorado.

Considerando que o meio incidente q da Figura 3.3 é transparente, apresenta apenas

parte real. Recorrendo às equações 3.44 e 3.46 a reflectância de uma estrutura multicamada de

filmes finos pode ser reescrita da seguinte forma:

(3.49)

Caso exista absorção a equação que traduz a transmitância é [3]:

(3.50)

3.4 Filtro óptico de Fabry-Perot

O filtro de Fabry-Perot consiste numa estrutura composta por duas superfícies,

denominadas de “espelhos”, que possuem um elevado índice de refracção, posicionados

paralelamente um ao outro, geralmente separados por ar, quando não são separados por ar

mas por uma cavidade ressonante esta possui um baixo índice de refracção, n. A expressão

que relaciona a distância entre os espelhos e o comprimento de onda que é transmitida, é dada

por,

(3.51)

onde n é o índice de refracção do meio de espaçamento entre os espelhos, d é a distância entre

os espelhos (ou a espessura desse meio de espaçamento), é o comprimento de onda da luz

incidente e q é a ordem de interferência.


32

A luz, com um comprimento de onda, λ, incide no filtro óptico de Fabry-Perot com um

certo ângulo θ em relação ao eixo dos xx, através do espelho no lado esquerdo. Caso a

distância que os separa seja múltipla do comprimento de onda da luz incidente, ocorrem

interferências construtivas que fazem com que a onda seja reforçada e esta passe através do

segundo espelho. Mas caso a distância seja metade do comprimento de onda da luz incidente,

ocorrem interferências destrutivas e nenhuma luz com esse comprimento de onda passará

através do segundo espelho.

Sendo o meio de incidência e o meio de saída do filtro óptico de FP o ar, cujo índice

de refracção é 1, obtemos: .

Substituindo na equação 3.39, e representando as matrizes dos filmes finos por

, obtêm-se:

(3.52)

Onde, e representam respectivamente as matrizes de alta e baixa refracção.

Pela análise das equações 3.34 e 3.52 exclui-se que a transmitância do filtro óptico é

dependente da espessura do filme constituinte da cavidade. A frequência de ressonância é

alcançada quando a variação da espessura de fase na cavidade de ressonância é nula, ou seja,

fazendo:

(3.53)

Figura 3.5 – Estrutura Filtro-Óptico Fabry-Perot.

λ

Ondas de saída

Onda de entrada

Espelhos


33

3.5 Características ópticas de um filtro óptico de Fabry-Perot

Este filtro óptico em estudo é caracterizado recorrendo a parâmetros fundamentais

para a quantificação da sua qualidade. Dentro destes destacam-se os seguintes:

3.5.1 Selectividade de um filtro passa banda

Um parâmetro muito importante para caracterizar a selectividade de um filtro passa

banda é o parâmetro FWHM (Full-With-Half-Maximum), ou seja a largura do pico máxima a

metade da sua intensidade.

(3.54)

Onde e correspondem ao comprimento de onda a metade da sua intensidade máxima, à

direita e à esquerda do centro do pico, respectivamente. Este parâmetro traduz a qualidade do

filtro óptico em termos da sua capacidade para seleccionar uma banda estreita do espectro

electromagnético [7]. Este parâmetro está representado na Figura 3.6.

Figura 3.6 – Esquema do cálculo do parâmetro FWHM, de um filtro passa-banda


34

3.5.2 Free Spectral Range (FSR)

O intervalo de frequência entre pontos consecutivos é chamado de FSR. Este

parâmetro é conhecido como sendo o intervalo de frequência sobre o qual se podem efectuar

medidas sem sobreposição de diferentes ordens de interferência, como se pode ver pela Figura

3.7.

Para o interferómetro de Fabry-Perot, com um espaçamento entre espelhos de , o

FSR é definido como:

(3.55)

Como se pode ver pela equação 3.55, o parâmetro FSR é inversamente proporcional a duas

vezes a distância entre os espelhos.

3.5.3 Finesse

Este parâmetro mede o desempenho do filtro, sendo o seu valor uma relação entre a

distância que separa os pontos de interferência e o parâmetro FWHM (ver Figura 3.7). A sua

equação característica é a seguinte:

(3.56)

Figura 3.7 - Parâmetros característicos de filtros ópticos FP.


35

3.5.4 Resolução Espectral

A equação 3.57 caracteriza a resolução espectral.

(3.57)

Onde, é a ordem de interferência e F a finesse. Pela equação 3.56 pode concluir-se que um

valor baixo de finesse não significa uma baixa resolução, mas sim que o filtro deve ser usado

numa ordem de interferência baixa. A resolução espectral é afectada maioritariamente pela

distância entre os espelhos e pela reflectância dos mesmos, sendo aumentada aquando do

aumento de um deles.

3.5.5 Requisito de selecção do espectro de transmissão do filtro óptico

O espectro de transmissão do filtro óptico de Fabry-Perot deve possuir uma

selectividade tal que a sua FWHM seja inferior a 10nm. O valor do pico do espectro de

transmissão deve ser o mais elevado possível. Este valor deve ter no mínimo o dobro do valor

de qualquer pico indesejável, pois podem aparecer valores de ruído dentro da gama visível do

espectro. Na Figura 3.8 é apresentado com maior detalhe o critério de selecção do pico de

transmissão válido [7].

Figura 3.8 – Requisito para a selecção de um espectro de transmissão.


36

Bibliografia

[1] – J. H. G. Correia, Optical Microsystems In Silicon Based On A Fabry-Perot Resonance

Cavity, Aplication for spectral analysis of visible light, PhD Thesis, Delft, The

Netherlands, 1999

[2] - M. Born and E. Wolf, Principles of optics; electromagnetic theory of propagation,

interference and direction of light, Pergamon, Oxford, 9th

edition, 1999.

[3] – H. A. Macleod, Thin-Film Optical Filters, Institute of Physics Publishing, Bristol and

Philadelphia, 3rd edition, 2001.

[4] – P. Yeh, Optical Waves in Layered Media, Wiley, 1988.

[5] - I. J. Hodgkinson and Q. H. Wu, Birefringent Thin Films and Polarizing Elements,

World Scientific, Singapore, 1997.

[6] - http://br.geocities.com/jcc5000/juvresposta18regrasdos3dedos.htm

[7] – G. Minas, Microssistema Laboratorial para Análise de fluidos Biológicos, tese de


[8] – J. G. Rocha, Microdetectores de Silício baseados em Cintiladores para Radiografia

Digital, tese de Doutoramento, Guimarães, Portugal, 2003.

[9] – E. Hecht, Óptica, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, Portugal, 1991.

[10] – P.Yeh, Optical Waves in Layered Media, Wiley, 1988.

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[12] – M. Born, E. Wolf, Principles of optics, 6th

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37

[14] - DANKIN, J.; CULSHAW, B. - Optical-fiber sensores: principles and components.

Artech House, Boston, 1988

[15] - Flory, F. R. - Thin films for optical systems. Marcel Dekker, 1995

39

4 Estudo e Projecto dos Filtros

Neste capítulo é descrito o projecto do filtro óptico de FP implementado. Para tal, é

efectuado um estudo relativo à escolha dos materiais para os seus espelhos, assim como para a

sua cavidade ressonante. Descreve-se ainda as simulações ópticas que permitiram o

dimensionamento dos filmes do filtro de FP. Essas foram realizadas recorrendo a um software

desenvolvido na Universidade do Minho, pela equipa envolvida no projecto do Lab-On-A-

Chip. Por fim são apresentadas as devidas conclusões.

4.1 Escolha dos materiais para o fabrico do filtro óptico

O filtro óptico deve apresentar uma banda de transmissão bastante estreita, uma vez

que cada biomolécula apresenta a máxima absorção num comprimento de onda bem definido,

e a medida de cada uma não deve ser afectada pelas biomoléculas com comprimentos de

onda, λ, próximos (ver Tabela 2.3) [1].

Estes podem ser espelhos dieléctricos ou metálicos.

i. Os espelhos metálicos caracterizam-se por apresentarem maiores perdas por

absorção. A principal vantagem destes é o facto de ser apenas necessária a

deposição de uma camada de material, o que simplifica bastante a construção

do filtro óptico. É de salientar, também, o facto de este tipo de espelhos


40

permitirem um desempenho razoavelmente bom para uma larga gama

espectral.

ii. Os espelhos dieléctricos apresentam a vantagem de se conseguir obter um filtro

com um melhor desempenho, pois permitem poucas perdas por absorção e uma

elevada reflectância. A grande desvantagem destes é a necessidade de serem

depositadas várias camadas de material, com espessuras bem definidas e

materiais diferentes. Mais ainda, para serem eficazes para uma ampla gama

espectral são necessárias, normalmente, deposições de mais de 15 camadas.

Esta desvantagem tem bastante importância pois complica a sua construção.

Em relação à cavidade ressonante esta deve apresentar um baixo índice de refracção, e

deve permitir um ajuste, na sua estrutura física, de modo a conseguir-se alterar a distância

entre os espelhos para assim se conseguir alterar a resposta óptica na saída do filtro. Para isso,

foi escolhido o polímero PVDF na sua fase β. Este apresenta as vantagens típicas de um

plástico, ao nível do processamento, resistência mecânica, leveza, maleabilidade e baixo custo

de produção, sendo também bastante resistente a agentes químicos e ao envelhecimento. Uma

das características mais importantes é a sua transparência, o que o torna adequado para o uso

em dispositivos ópticos. As propriedades apresentadas, aliadas à flexibilidade, baixa

densidade, baixa impedância acústica e facilidade de produção de filmes finos, conferem ao

PVDF algumas vantagens em relação aos transdutores piezoeléctricos cerâmicos que, embora

mais convencionais, são quebradiços, rígidos e densos.

4.1.1 Escolha dos materiais para os espelhos

O desempenho dos materiais mais utilizados como espelhos metálicos encontra-se

apresentado na Figura 4.1.

O alumínio é de fácil evaporação e apresenta uma boa reflectância na região

espectral ultravioleta, visível e infravermelha. Possui ainda a vantagem de aderir fortemente a

grande parte dos materiais, incluindo plásticos. Em resultado, o alumínio torna-se no material

mais utilizado para a produção de espelhos metálicos reflectivos. Além disso, é um material

compatível com o processo de fabrico em microelectrónica [1, 2].

Estudo e projecto dos filtros

41

A prata é, também, bastante utilizada pois possui uma elevada reflectância e a extrema

facilidade que esta pode ser evaporada torna-a na escolha mais usual para utilizações com

pequenos períodos de tempo. A prata é, também, frequentemente utilizada quando é

necessário o revestimento temporário de um componente, assim como interferómetros, para

testes de uniformidade [1, 2].

O ouro é provavelmente o melhor material a ser depositado para análise espectral de

infravermelhos. A sua reflectância desce abruptamente na região espectral visível e é bastante

útil apenas para dimensões superiores a 700nm. No vidro o ouro tende a ficar mole, sendo

facilmente danificado, mas adere fortemente a um filme fino de crómio ou nícromio, sendo

normalmente utilizado entre o substrato de ouro e vidro [1, 2].

A reflectância do ródio é muito menor do que a dos metais atrás mencionados, sendo

estes utilizados somente onde seja preciso filmes com alta resistência à corrosão. Ambos os

materiais aderem fortemente ao vidro [1, 2].

Figura 4.1 - Representação da reflectância de filmes finos como; Alumínio (Al), Cobre (Cu), Ouro (Au),

Ródio (Rh) e Prata (Ag) em função do comprimento de onda.

Segundo a análise efectuada, o melhor material para se construir os espelhos seria o

alumínio pois o método de deposição é relativamente simples. Mas comparativamente à prata

e ao ouro o alumínio apresenta a desvantagem de possuir mais perdas por absorção nas


42

regiões espectrais da luz visível e infravermelha, relativamente aos demais como ilustra a

Figura 4.2.

Figura 4.2 - Absorvância da prata, do cobre, do outro e do alumínio, em função do comprimento de onda.

Pela análise da Figura 4.2 é possível que a melhor escolha seja a prata pois, apesar de

ser menos resistente que o ouro, apresenta um melhor desempenho na zona espectral visível, e

apresenta ainda a vantagem de ser um filtro óptico natural para zonas espectrais ultravioleta,

ver Figura 4.2 [3].

4.1.2 Escolha do material para a cavidade piezoeléctrica

A escolha do material PVDF na sua fase β para a cavidade, deve-se ao facto de se

conseguir ajustar as suas dimensões físicas através da aplicação de uma tensão AC alterando

assim a reposta do filtro óptico em função do comprimento de onda. Caso se aplique uma

tensão DC o material sofre um ajuste na sua orientação dipolar e, consequentemente, na sua

resposta dieléctrica, alterando assim a transmitância do filtro óptico. No âmbito desta

dissertação, onde o objectivo é seleccionar vários comprimentos de onda o tipo de actuação


43

que interessa é a aplicação de uma tensão AC, o que provoca a alteração da resposta do filtro

em função do comprimento de onda.

O PVDF é um polímero semicristalino podendo cristalizar-se em, pelo menos, quatro

estruturas cristalinas diferentes, dependendo das condições de preparação do filme. Essas

estruturas são usualmente denominadas como fases α (Alfa), β (Beta), γ (Gama) e δ (Delta).

Dependendo dos métodos de fabrico, ocorrem transições estruturais entre as várias fases

através da aplicação de procedimentos térmicos, mecânicos, de pressão e polarização. Existe

uma forte dependência das propriedades piroeléctricas e piezoeléctricas em relação à

orientação da estrutura cristalina e do estado de polarização. Quanto à estrutura molecular, o

PVDF é um polímero linear que apresenta dipolos eléctricos permanentes, aproximadamente

perpendiculares à direcção das suas cadeias. Esses dipolos são formados pela diferença de

electronegatividade entre os átomos de flúor e carbono. Acredita-se que os cristalinos sejam

os grandes responsáveis pela estabilização dos dipolos eléctricos no processo de cristalização,

já que o PVDF apresenta diferentes estruturas cristalinas e conformações. Para um estudo

mais aprofundado aconselha-se a consulta de [4].

FASE β

A fase β é a fase mais interessante do ponto de vista tecnológico, pois devido às suas

propriedades piroeléctricas e piezoeléctricas existe uma panóplia de aplicações desde sensores

a transdutores. Esta fase é normalmente obtida pelo estiramento mecânico da fase α, e pelo

processo de cristalização a partir da solução [4].

i. Cristalização do PVDF a partir da solução

Os factores determinantes para a obtenção de uma determinada fase, no processo de

cristalização de uma solução de PVDF são o tempo e a temperatura de cristalização. Caso esta

ocorra a temperaturas inferiores a 70ºC, a amostra será composta maioritariamente por β-

PVDF. À medida que a temperatura aumenta, a fracção volumétrica da fase β diminui e a

quantidade de fase α presente no filme polimérico aumenta. A percentagem de cristalinidade

total detém-se entre 45 e 60%.

O tipo de solvente utilizado, dimetilacetamida (DMA) ou dimetilfornamida (DMF),

não influência o tipo de estrutura cristalina a obter durante o processo de cristalização sobre

um substrato amorfo. As amostras de fase β, obtidas por solução, possuem elevada


44

percentagem de porosidade, sendo o tamanho dos poros directamente relacionado com a

temperatura de cristalização [5].

ii. Transformação da fase α em fase β, por deformação mecânica

Uma das transições mais importantes de fase deste polímero é provocada pela deformação

uniaxial ou biaxial de filmes de PVDF. Para temperaturas abaixo dos 160ºC, a cristalização

do PVDF, a partir do fundido, resulta na sua maioria em fase α com uma estrutura esferulítica

anelada. O seu tamanho está directamente relacionado com a temperatura de cristalização.

Durante a deformação da amostras, ao mesmo tempo que se produz uma destruição da

conformação TCTC (estrutura conformacional do tipo trans-cis-trans-cis), da fase α,

transformando-se numa conformação do tipo TT (trans-trans) da fase β (ver Figura 4.3),

ocorre também na reorientação das cristalites devido à tensão mecânica. Se os grupos

substituintes do polímero estiverem do mesmo lado são designados cis, se estiverem em lados

opostos são designados trans. Na figura 4.4 encontra-se representado as configurações cis e

trans.

Figura 4.3 - Representação das cristalites de um polímero: a) antes de ser estirado e b) após o estiramento.

Figura 4.4 – Representação do material com configuração a) cis e b) trans.


45

As principais variáveis envolvidas no processo de deformação mecânica dos filmes

PVDF são a temperatura e a razão de estiramento (R), que é expressa pela relação,

(4.1)

onde é o comprimento do filme depois de ser estirado e é o comprimento inicial do filme,

sendo estas as principais variáveis envolvidas no processo de deformação mecânica [5].

4.2 Simulações ópticas

De modo a simular as características ópticas do filtro óptico, mais precisamente, a

espessura dos espelhos e da cavidade ressonante foi utilizado um software desenvolvido pelo

grupo responsável pelo projecto, no qual esta dissertação se insere. O software em questão é

denominado de “ocalc” e foi desenvolvido na linguagem de programação C++. Através do

recurso a este software é possível simular as características ópticas das camadas dos materiais

constituintes do filtro óptico, nomeadamente a transmitância, reflectância e absorvância em

função do comprimento de onda incidente.

De seguida, apresentam-se os gráficos que tiveram um papel bastante importante tanto

na selecção das espessuras dos espelhos do filtro óptico como na espessura da cavidade

ressonante.


ressonante de 300nm.

Simulação realizada no software “ocalc” usando como primeiro espelho alumínio com

10nm de espessura, e como segundo espelho prata com 10nm de espessura. Como cavidade

ressonante utiliza-se β-PVDF com uma espessura de 300nm.


46

# Performance of a Al-PVDF-Ag stack.

# The wavelength ranges from 390nm to 760nm, step 1nm and

# The light is produced (and comes from) air and the exit medium is the air.

wavelength calculate 390e-9 760e-9 1e-9

angle 0

input air

layer Al thickness 10e-9

layer pvdf thickness 300e-9

layer ag thickness 10e-9

exit air

Figura 4.5 – Transmitância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al, 300nm β-PVDF e 10nm

de Ag.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

Tran

smit

ânci

a (%

)

Comprimento de onda (nm)


47

Figura 4.6 - Reflectância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al, 300nm β-PVDF e 10nm

de Ag.

Figura 4.7 - Absorvância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al, 300nm β-PVDF e 10nm

de Ag.

55

60

65

70

75

80

85

Re

fle

ctân

cia

(%)


9

11

13

15

17

19

21

23

25

Ab

sorv

ânci

a(%

)



48

Após uma análise dos gráficos pode concluir-se que a transmitância ronda os 26%,

enquanto o parâmetro FWHM é cerca de 90nm o que torna muito difícil a selecção dos

comprimentos de onda de interesse. De modo a melhorar o FWHM é preciso aumentar a

espessura dos espelhos.










angle 0

input air




exit air


49

Figura 4.8 - Transmitância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al, 350nm β-PVDF e 10nm

de Ag.


de Ag.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24Tr

ansm

itân

cia

(%)


40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

Re

fle

ctân

cia

(%)



50


de Ag.

Após uma análise dos gráficos pode concluir-se que a transmitância ronda os 23%, em

relação à simulação anterior; este diminuiu de intensidade e o pico de trasmitância sofre um

desvio de 0.7nm, enquanto o parâmetro FWHM é cerca de 80nm, o que significa que

melhorou mas não o suficiente, pois ainda é muito difícil a selecção do comprimento de onda

de interesse. Ou seja, à custa da melhoria do FWHM houve uma diminuição da transmitância.






6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

Ab

sorv

ânci

a (%

)



51





angle 0

input air




exit air

Figura 4.11 - Transmitância em função do comprimento de onda, para 10nm de Al, 400nm β-PVDF e

10nm de Ag.

0

5

10

15

20

25

30

Tran

smit

ânci

a (%

)



52


de Ag.


de Ag.

Nos resultados desta simulação conclui-se que a transmitância continua a diminuir,

com o aumento da espessura da cavidade ressonante, situada agora nos 20%. A FWHM tem

agora o valor de 78nm, verificando-se novamente uma melhoria, apesar de insuficiente, uma

50

55

60

65

70

75

80

85

Re

fle

ctân

cia

(%)


5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

27

29

Ab

sorv

ânci

a (%

)



53

vez que ainda muito difícil a selecção do comprimento de onda necessário. Estes três últimos

resultados permitem concluir que, tal como esperado, alterando a espessura da cavidade o

pico de transmitância sofre um desvio no comprimento de onda.




20nm de espessura, e como segundo espelho prata também com 20nm de espessura. Como

cavidade ressonante utiliza-se β-PVDF com uma espessura de 300nm.





angle 0

input air




exit air


54


20nm de Ag.


de Ag.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9Tr

ansm

itân

cia

(%)


7879808182838485868788899091

Re

fle

ctân

cia

(%)



55


de Ag.

Nos resultados desta simulação conclui-se que a transmitância diminui drasticamente

para um valor a rondar os 8,5%, isto deve-se ao facto da espessura dos espelhos ser o dobro

relativamente à simulação anterior. O parâmetro FWHM possui o melhor valor de todos os

testes efectuados até esta altura pois, ronda os 33nm, menos de metade do que nas simulações

anteriores. Com este valor é possível conseguir-se uma selecção razoável do comprimento de

onda de interesse.






6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Ab

sorv

ânci

a (%

)



56





angle 0

input air




exit air


20nm de Ag.

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

55.5

66.5

77.5

88.5

Tran

smit

ânci

a (%

)



57


de Ag.


de Ag.

Nos resultados desta simulação conclui-se que a transmitância manteve-se similar à

anterior, para um valor a rondar os 8%. Em relação ao parâmetro FWHM melhorou

78

80

82

84

86

88

90

92

Re

fle

ctân

cia

(%)


6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Ab

sorv

ânci

a (%

)



58

relativamente ao anterior sendo agora de 30nm, um pouco menor que na simulação anterior,

fazendo com que este valor já seja aceitável para se conseguir uma melhor selecção do

comprimento de onda incidente.










angle 0

input air




exit air


59


20nm de Ag.


de Ag.

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

55.5

66.5

77.5

88.5

Tran

smit

ânci

a (%

)


79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

Re

fle

ctân

cia

(%)



60


de Ag.

Nos resultados desta última simulação verifica-se novamente uma diminuição do valor

da transmitância relativamente à anterior atingindo o menor valor de todas as simulações já

efectuadas, rondando agora os 7,2%. O valor de FWHM é mais satisfatório, sendo agora de

29nm, sendo o melhor valor conseguido até agora nas simulações efectuadas, e

consequentemente, o melhor valor para se conseguir efectuar a melhor selecção do

comprimento de onda incidente.

4.3 Conclusão

Para a construção de um filtro óptico de FP é necessário considerar a escolha dos

materiais constituintes, quer dos espelhos, quer da cavidade ressonante, assim como a melhor

espessura dos mesmos.

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

Ab

sorv

ânci

a (%

)



61

Figura 4.23 – Filtro óptico de Fabry-Perot com os materiais e espessuras constituintes já escolhidos.

O material escolhido para o primeiro espelho foi o alumínio com uma espessura de 20nm, e

para o segundo espelho a prata, com uma espessura também de 20nm. O material constituinte

da cavidade ressonante foi o PVDF na sua fase β com uma espessura de 400nm. Através da

análise das simulações ópticas efectuadas em 4.2 concluiu-se que esta estrutura fornece uma

resposta razoável em termos de transmitância e da FWHM correspondente à gama espectral

da luz visível, que é a região onde este filtro será aplicado. Note-se que, com espelhos

metálicos não se consegue uma elevada transmitância e uma baixa FWHM, pelo que foi

necessário arranjar um compromisso entre ambos.


62

Bibliografia

[1] – H A Macleod, Thin Film Optical Filters, Third Edition

[2] - Hass G 1955 Filmed surfaces for reflecting optics J. Opt. Soc. Am. 45 945–52

[3] - G. Minas, Microssistema Laboratorial para Análise de fluidos Biológicos, tese de


[4] – http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/88/88131/tde-18072002-164217/publico/

disrosacristinacapitao.pdf

[5] – Tese de Mestrado em Engenharia de Materiais, Jivago Serrado Gomes Aguiar Nunes,

Estudo da relação entre a resposta piezoeléctrica macro-e microscópica do

poli(fluoreto de vinilideno), Abril 2008

63

5 Fabrico dos Filtros

No capítulo anterior fez-se um estudo sobre os melhores materiais e o cálculo das

respectivas espessuras para o fabrico do filtro óptico ajustável de Fabry-Perot.

Neste capítulo faz-se um levantamento das tecnologias existentes de deposição de filmes

finos, assim como da escolha do melhor método para o fabrico desse filtro óptico. O processo

de fabrico é explicado pormenorizadamente. No final deste capítulo apresenta-se uma amostra

do filtro construído.

5.1 Métodos de deposição de filmes finos

Visto que o filtro de Fabry-Perot em análise envolve a deposição de filmes finos, na

ordem dos nanometros, o processo de fabrico do filtro óptico passa obrigatoriamente pelo uso

de técnicas de deposição de filmes finos.

A escolha de um método de deposição deve ser alvo de um estudo cuidadoso, pois a

aplicação de determinado método leva a comportamentos diferentes do filtro óptico de FP,

uma vez que a sua microcomposição e microestrutura podem ser alteradas.

Os métodos de deposição de filmes finos podem ser divididos em dois grupos

divergentes [1, 2]:

a) Crescimento de filmes finos pela reacção da superfície do substrato com as

substâncias presentes no ambiente de processo.


64

Um exemplo do método descrito em a) que pode ser apresentado é a oxidação e a

nitretação térmica do silício pela reacção deste com filmes metálicos depositados.

b) Crescimento de filmes finos por deposição sem reacção com o substrato.

O método descrito em b) pode ser dividido em três subgrupos:

1. Deposição química a partir de vapor (CVD - Chemical Vapor Deposition):

neste método os filmes são formados através de reacções químicas de espécies

na superfície do substrato. O ambiente onde é efectuado este tipo de deposição

não necessita de ser mantido em baixa pressão.

2. Deposição física a partir de vapor (PVD – Physical Vapor Deposition): neste

método os filmes são depositados no substrato sob a forma de vapor retirado

fisicamente de uma fonte de material que, posteriormente, condensa formando

o filme fino. O ambiente onde é efectuado este tipo de deposição é mantido em

baixa pressão e numa câmara fechada. É necessário recorrer a bombas para

criar vácuo de modo a permitir que o material vaporizado alcance o substrato

com o menor número de colisões possíveis com moléculas de gases presentes

no espaço. Existem duas formas de gerar substâncias vaporizadas a partir de

uma fonte de material sólido, para formar o vapor de modo a retirar o material

inicial:

Através da temperatura, usando o método da evaporação a vácuo.

Através de impacto de iões, este método denomina-se Sputtering.

3. Deposição através de materiais em estado líquido: neste método, o material

fonte, em forma líquida, é gotejado e centrifugado sobre o substrato.

O processo utilizado na deposição utilizando esta técnica denomina-se Spin-

Coating.

Fabrico dos filtros

65

5.2 Descrição do processo de fabrico do filtro óptico

Como descrito em capítulos anteriores o FFP é constituído por uma estrutura composta

por duas superfícies denominadas de “espelhos” alinhados paralelamente um ao outro,

separados por uma camada de β-PVDF.

A construção física da estrutura passou por três passos distintos:

a) Deposição do primeiro espelho de alumínio, com 20nm de espessura.

b) Deposição do filme fino do polímero β-PVDF, com 400nm de espessura.

c) Deposição do segundo espelho de prata, com 20nm de espessura.

Devido à impossibilidade de se conseguir 350nm como espessura da cavidade

ressonante (restrições de fabrico), optou-se por escolher 400nm que apesar de a transmitância

diminuir e existir um desvio em relação ao comprimento de onda, este ainda melhora o

FWHM. O valor de 400nm é o valor mínimo conseguido para o polímero β-PVDF de modo a

este ficar o menos poroso possível, impossibilitando assim um curto-circuito entre os espelhos.

Consegue-se dimensões inferiores a 400nm mas esta solução fica muito porosa e faz com que

existam curto-circuitos entre os espelhos, como ilustrado na Figura 5.1.

Figura 5.1 - Fotografia de análise SEM ao filme de β-PVDF, com vista superior onde se tem percepção da

porosidade apresentada pelo filme.


66

No passo a) a deposição do primeiro filme fino de alumínio foi sobre uma lamela de

vidro que oferece o suporte físico da estrutura, e depois de efectuada esta deposição foi

colocado um curto pedaço de fita de alumínio de duas camadas para se conseguir uma ligação

física com este filme.

No passo b) a deposição do polímero β-PVDF foi sobre o conjunto lamela - filme fino

de alumínio.

No terceiro e último passo, c), a deposição do filme fino de prata é efectuada sobre o

conjunto lamela – filme fino alumínio – filme β-PVDF.

5.3 Escolha dos métodos de deposição para os espelhos e

cavidade ressonante

5.3.1 PVD por aquecimento resistivo

Para a deposição dos espelhos, o método escolhido foi a deposição física de vapor

(PVD). Este possui várias técnicas associadas, e a escolhida foi a técnica de evaporação a

vácuo, mais precisamente evaporação térmica por aquecimento resistivo. Este método

apresenta as seguintes vantagens e desvantagens [1]:

i. Vantagens

Equipamento relativamente barato e simples.

Técnica barata relativamente a outros processos PVD.

Permite boas taças de deposição, na ordem das dezenas de manómetros.

ii. Desvantagens

Metais refractários não podem ser evaporados devido ao seu alto ponto de

fusão.

Evaporação do material do filamento pode contaminar o filme.

Não se consegue controlar com precisão a espessura do filme.

Fabrico dos filtros

67

Incapacidade de controlar a composição de ligas.

Apesar destas desvantagens o método cumpre os requisitos necessários para a

realização das deposições pretendidas.

A deposição física de vapor por aquecimento térmico foi efectuada por intermédio de

um equipamento de PVD existente no laboratório de Microtecnologias do Departamento de

Electrónica Industrial da Universidade do Minho.

5.3.2 Spin-Coating

Para a deposição da cavidade ressoante foi utilizado o método de Spin-Coating. Este

processo é largamente utilizado em deposições de líquidos viscosos pois trata-se de um

processo de fácil execução. Actualmente, é um método de deposição de filmes para criar

camadas estruturais. Spinners, com velocidades até 10000 rpm podem ser encontrados em

qualquer laboratório que se dedica à microfabricação. Os principais parâmetros para calcular a

espessura do filme fino são a viscosidade do material a utilizar, a taxa de evaporação do

solvente e a velocidade de rotação. Espessuras obtidas a partir desta técnica variam entre 0.1

μm e 500 μm.

Quando os materiais são desta natureza, líquidos e viscosos, é procedimento habitual

que se recorra à técnica de Spin-Coating pois tem a vantagem de ser um método barato,

rápido, não decorre a altas temperaturas, e permite a deposição de filme finos uniformes

O processo de Spin-Coating é dividido em 4 etapas, ilustradas na figura 5.2.

Figura 5.2 – Descrição das etapas de crescimento de filmes finos utilizando a técnica Spin-Coating [5].


68

5.4 Descrição da deposição do espelho de alumínio

No processo de deposição PVD por aquecimento resistivo (Figura 5.3), o alumínio

assim que preparado é colocado num “cadinho” (Figura 5.4). Depois de colocado o material, a

câmara onde vai ocorrer o processo de evaporação é selada e, em seguida, são ligadas as

turbinas para provocar o vácuo na câmara de evaporação para que o material vaporizado

alcance o substrato com o menor número possível de colisões com as moléculas de gases

presentes no espaço. Assim que a câmara apresentar uma pressão , pressão

suficiente para se obter um número bastante pequeno de partículas na câmara pode começar-

se a deposição. Encontrando-se pronta, esta liga-se à corrente eléctrica que faz com que o

cadinho seja percorrido por uma corrente que varia entre 100 A e 200 A. A energia eléctrica

aplicada ao cadinho deve aumentar gradualmente e não abruptamente, pois caso isso aconteça

o material é evaporado rapidamente não se conseguindo obter as espessuras pretendidas, isto é

20nm, atingindo-se quase instantaneamente uma espessura de 100nm. Assim que começa a

evaporação, um visor permite visualizar a espessura de alumínio que se está a formar, devido

aos sensores colocados dentro da câmara que medem o nível de concentração de moléculas, e

assim parar o processo quando se atingir a espessura desejada. Finalmente resta abrir a câmara

e retirar as amostras obtidas.

Foi necessário levar em consideração vários parâmetros para efectuar-se a deposição

de 20nm de alumínio. Depois de alguns testes falhados, uma vez que estes ultrapassavam os

100nm de espessura, obteve-se os seguintes parâmetros de configuração:

Pressão inicial:

Corrente: 60 A

Taxa de deposição: 2 Å/s, o que equivale a 0.2nm por segundo.

Foi essencial reduzir a corrente que atravessa o cadinho pois caso contrário,

alimentado a 100 A, obter-se-iam espessuras na ordem das centenas de nanometros. Como se

alimentou a 60 A, a evaporação do alumínio ficou mais lenta, conseguindo-se uma melhor

precisão na espessura do filme.

Fabrico dos filtros

69

Figura 5.3 – Representação esquemática de uma câmara de evaporação térmica [3].

A Figura 5.4 ilustra um “cadinho” onde é colocado o material a ser evaporado. Existe

uma grande variedade de “cadinhos” sendo este tipo o mais utilizado.

Figura 5.4 – Resistência, denominada de “cadinho”, onde se coloca o material a evaporar [4].


70

A deposição foi levada a cabo através de um equipamento de Evaporação existente no

laboratório de Microtecnologias do Departamento de Engenharia Electrónica Industrial da

Universidade do Minho (Figura 5.5).

Figura 5.5 – Evaporador utilizado na deposição do espelho de alumínio.

Na Figura 5.6 está ilustrada câmara onde foram feitas as deposições de alumínio.

Figura 5.6 – Câmara de deposição do evaporador.

Fabrico dos filtros

71

Na Figura 5.7 encontra-se a deposição efectuada do espelho de alumínio por cima da

lamela de vidro.

Figura 5.7 – Deposição do espelho de Alumínio numa lamela de vidro.

5.5 Descrição da deposição da cavidade piezoeléctrica de β-

PVDF

Na primeira etapa, a solução é depositada sobre o substrato, junto ao seu centro. A

porção de substrato coberta depende da viscosidade e liquidez do líquido depositado. Esta

etapa termina quando o volume de líquido desejado a depositar é atingido.

Na segunda etapa, chamada de spin-up, o substrato começa a rodar provocando a

fluidez do líquido por toda a sua superfície. A velocidade de rotação utilizada foi de 500 rpm

a uma aceleração de 500 rpm/s, durante 5 segundos. Esta etapa é muito importante pois serve

para remover as bolhas de ar que possam estar incorporadas na solução e permitir a obtenção

de um filme mais uniforme ao longo da lamela. Esta termina quando a velocidade

previamente estipulada para este passo for atingida.


72

Na terceira etapa, denominada de spin-off, verifica-se um aumento da velocidade de

rotação até ao seu valor máximo, previamente estabelecido. Assim, devido à rotação o

excesso de líquido é atirado para as bordas de forma radial. A espessura do polímero fica

bastante reduzida uma vez que 85% a 95% é expelido. Nesta etapa é definida a espessura final

do filme, sendo que este, por sua vez depende da velocidade de rotação do Spin-Coater. As

velocidades testadas foram 3000, 4000, 5000, 6000, 7000 e 8000 rpm a uma aceleração de

750 rpm/s durante 40 segundos. No final desta etapa é já alcançada a espessura final do filme

fino. Esta etapa termina quando tiver atingido o tempo de rotação pré-estabelecido.

Na quarta e última etapa ocorre a evaporação do solvente. Isto leva a que o filme

depositado solidifique com uma espessura uniforme contendo apenas uma pequena

quantidade de solvente residual. Apesar de apresentada como uma etapa individual, esta

ocorre em simultâneo com as restantes [6, 7, 8].

No centro do substrato é colocada uma gota de 1 a 10 ml, dependendo do tamanho do

substrato e da espessura pretendida para o filme. Uma velocidade de rotação de 5000 rpm

espalha o líquido para fora da amostra. Metade do solvente pode evaporar durante os

primeiros segundos, por isso, uma rápida aceleração é muito importante, uma vez que a

viscosidade muda com o conteúdo do solvente e uma espessura não uniforme resulta de

diferentes viscosidades. A velocidade da operação pode ser ajustada em , e um erro de

resulta numa diferença e espessura de 10%. Turbulência, quer seja do processo do

do spin em si ou da câmara limpa ou até mesmo a humidade, afectam a taxa de evaporação e

consequentemente a espessura do filme fino.

Defeitos causados pela porosidade do material provocam buracos que são dependentes

da espessura do filme: filmes mais finos são mais defeituosos. Estes podem ser provocados

por partículas presentes no substrato e também por partículas no fluido depositado, apesar de

estes serem previamente filtrados. Bolhas de ar formadas durante a deposição podem

provocar, tanto buracos como grandes bolhas em escala milimétrica.

Os filmes preenchem as cavidades, uma vez que são líquidos, durante todo o processo.

Isto é uma vantagem para o preenchimento e alisamento de buracos [5].

O processo de deposição do polímero PVDF na sua fase β é depositado sobre o

conjunto lamela de vidro – alumínio. Como o material escolhido foi o PVDF, de modo a

conseguir-se obter a fase β torna-se necessário recorrer ao método de solução com

DMA/DMF, secção 4.1.2. A deposição foi levada a cabo através de um equipamento de Spin-

Coating (Figura 5.8) existente no laboratório de Microtecnologias do Departamento de

Engenharia Electrónica Industrial da Universidade do Minho.

Fabrico dos filtros

73

Figura 5.8 - Equipamento de Spin-Coating.

De modo a configurar a velocidade de rotação, a aceleração até chegar à velocidade

pretendida e a duração do tempo de rotação, recorre-se a um interface gráfico já desenvolvido.

Figura 5.9 – Painel de configuração da velocidade do Spin-Coater.


74

5.5.1 Preparação do polímero para efectuar a deposição

De modo a conseguir-se obter um filme fino do polímero PVDF na sua fase β é

necessário recorrer a uma solução DMF/DMA, descrito na secção 4.2.1.

As concentrações de DMF/DMA que foram utilizadas para a preparação da solução, a

velocidade de rotação e temperaturas utilizadas foram as seguintes:

, quantidade de PVDF e solução do dissolvente utilizado.

Estas soluções foram colocadas num goblé de 50 ml, tapado com parafilm para não

deixar evaporar o solvente (DFM) durante a dissolução do PVDF, e em seguida o goblé foi

colocado num agitador magnético. Foram seguidas as seguintes etapas para a obtenção do

polímero PVDF na sua fase β:

1. Durante 10 minutos foi colocado o agitador a 700 rpm e a 30ºC de temperatura. (o

aquecimento permite uma melhor dissolução do pó de PVDF).

2. Durante 10 minutos colocar o agitador a 700 rpm sem aquecimento.

3. Durante 2 horas colocar o agitador a 100 rpm sem aquecimento.

Antes de o goblé ser aberto, pois este encontra-se ainda selado com parafilm, a solução foi

deixada durante 30 minutos à temperatura ambiente. Torna-se necessário que a solução obtida

se encontre à temperatura ambiente pois caso contrário a viscosidade da solução obtida é

menor.

Na Figura 5.10 encontra-se a deposição efectuada com β-PVDF por cima do espelho

de alumínio.

Fabrico dos filtros

75

Figura 5.10 – Deposição do polímero β-PVDF por cima do espelho de alumínio.

5.6 Descrição da deposição do espelho de prata

O processo de deposição do último espelho, prata, é igual ao descrito em 5.4 pelo que

sofre apenas uma pequena alteração que é a colocação de uma máscara (Figura 5.11). Esta

máscara tem como objectivo diminuir a superfície em contacto com o polímero β-PVDF de

modo a diminuir a hipótese de existir um curto-circuito entre os espelhos.

Figura 5.11 – Mascara utilizada para a limitar as dimensões do espelho de prata, tendo os buracos 0,5 cm

de diâmetro.


76

Depois de depositados todos os filmes finos, foi efectuada uma soldadura recorrendo a

cola de prata, de um fio fino de cobre no último espelho de modo a se conseguir actuar

electricamente a estrutura.

Figura 5.12 – Deposição de prata sobre o polímero β-PVDF, já com os contactos para posterior actuação.

Estando presentes dois filtros ópticos.

5.7 Conclusões

Existem várias técnicas para a deposição de filmes finos, estando associadas a um tipo

de espessura e material pretendidos. Neste caso particular, como se pretende que os espelhos

possuam espessuras muito pequenas, a técnica utilizada foi PVD por aquecimento resistivo.

No caso do polímero β-PVDF, como se trata de um material líquido utiliza-se uma técnica

diferente, mais propriamente o processo Spin-Coating.

Fabrico dos filtros

77

Bibliografia

[1] - P. J. Tatsch, Deposição de Filmes Finos.

[2] - Consultado em 12 de Outubro de 2008, http://www.agencia1.net/home/wp-content/

themes/agencia/pdf/Sobre_o_processo.pdf

[3] - Jivago Serrado Gomes Aguiar Nunes, Estudo da relação entre a resposta piezoeléctrica

macro-e microscópica do poli (fluoreto de vinilideno), Abril 2008

[4] – Consultado em 7 de Janeiro de 2009, http://dei-s1.dei.uminho.pt/pessoas/lgoncalves/

MNT/02_CVD_PVD_Thin_Films.pdf

[5] - http://materials.web.psi.ch/Research/Thin_Films/Methods/Spin.htm?forprint

[5] - Nanotechnology - Introduction To Microfabrication - Franssila, Wiley 2004

[6] – Xuanyong Liu, Paul K. Chu eChuanxian Ding, Surface modification of titanium,

titanium alloys, and related materials for biomedical applications.

[7] – Consultado em 10 de Janeiro de 2009, http://www.brewerscience.com/products/cee-

benchtop-products/cee-technical-information/spin-coater-theory/#ptc

[8] – C. Jeffrey Brinker e George W. Scherer, Sol-Gel Science: The physics and chemistry of

sol-gel processing, 1990.

79

6 Resultados

No capítulo anterior fez-se um levantamento das tecnologias de deposição de filmes

finos existentes para o fabrico do filtro assim como da escolha do melhor método para o

fabrico do mesmo.

Neste capítulo é efectuada uma discussão dos resultados obtidos, assim como as

dificuldades encontradas e métodos para as contornar.

6.1 Problemas encontrados e discussão dos resultados obtidos

Este filtro é teoricamente muito fácil de ser projectado, mas muito difícil de colocar

em prática devido às suas dimensões extremamente pequenas, na ordem dos nanometros

sendo a construção dos espelhos e da cavidade piezoeléctrica muito difícil de se conseguir

sem recorrer a técnicas sofisticadas. É preciso ter em conta a rugosidade dos espelhos, uma

vez que o primeiro pode entrar em curto-circuito com o segundo mesmo havendo um material

polimérico entre ambos (o PVDF), principalmente se a espessura desse material for muito fina

(menor que 350nm). No processo de fabrico dos filtros não se consegue obter uma superfície

completamente plana na deposição dos espelhos, obtendo-se uma rugosidade considerável que,

ao ser depositado o PVDF sobre essa superfície rugosa faz com que este fique visualmente

com buracos, fazendo com que o primeiro espelho entre em curto-circuito com o segundo.


80

6.1.1 Espelhos e cavidade ressonante

Foi efectuada com sucesso a deposição de alumínio no evaporador existente no

laboratório de Microtecnologias do Departamento de Electrónica Industrial, conseguindo-se

uma espessura de 20nm.

Figura 6.1 – Espelho de alumínio de 20nm.

Uma vez que a prata se trata de um material mole, a evaporação deste iria contaminar

toda a câmara e impossibilitar futuras deposições, ficando resíduos de material residentes na

mesma podendo contaminar as amostras seguintes a realizar, sendo necessário efectuar uma

limpeza muito minuciosa para serem realizadas futuras deposições. Devido a esse factor

torna-se impossível a deposição de prata no evaporador existente.

Após esta impossibilidade recorreu-se a um sistema de Sputtering existente no

Departamento de Física da Universidade do Minho. Contudo, o alvo disponível era de ouro e

a espessura mínima conseguida a partir deste processo é 5 vezes superior à pretendida. Em

seguida é apresentado o resultado final do filtro construído já com os fios de cobre, para

posterior actuação eléctrica.

Figura 6.2 – Filtro construído já com os contactos para posterior actuação. Nesta lamela de vidro estão

presentes dois filtros ópticos.

Resultados

81

Efectuou-se o teste da continuidade para ver se o filtro se encontrava em curto-circuito.

Isso não se verificou pelo que seguidamente realizaram-se os testes de transmitância da

estrutura implementada. Na Figura 6.3, 6.4 e 6.5 estão representadas as respostas do filtro

para vários comprimentos de onda. Pode concluir-se que com a espessura obtida para o último

espelho, perto dos 150nm, os valores da transmitância estão longe de ser aceitáveis. Foram

efectuados vários testes, sendo que o primeiro foi sem tensão aplicada, no segundo e terceiro

já foram aplicadas tensões.

Figura 6.3 – Resposta do filtro construído a 0V, com ouro como último espelho.

Figura 6.4 – Resposta do filtro construído a 100mV.

0.00E+00

1.00E-09

2.00E-09

3.00E-09

4.00E-09

5.00E-09

6.00E-09

Co

rre

nte

(A

)


1.00E-111.50E-112.00E-112.50E-113.00E-113.50E-114.00E-114.50E-115.00E-115.50E-116.00E-116.50E-117.00E-117.50E-118.00E-118.50E-119.00E-119.50E-111.00E-10

Co

rre

nte

(A

)



82

Figura 6.5 - Resposta do filtro construído a 5V.

Os picos de corrente visualizados nos gráficos devem ser ignorados uma vez que são

originados pelo ruído do sistema. Este ruído deve-se ao facto de se trabalhar com correntes

perto do valor das correntes de fuga, devendo ter-se em consideração a onda envolvente ao

longo dos vários comprimentos de onda analisados, que como se pode ver é muito parecida

com a da Figura 6.3.

Conclui-se que o filtro fabricado funciona, pois ao ser aplicada uma tensão a cavidade

ressonante faz com a transmitância diminua, mas infelizmente não preenche os requisitos

onde esta dissertação se enquadra.

6.1.2 Resultados cavidade ressonante

Antes de realizar a deposição do polímero PVDF nas lamelas de alumínio, foi

necessário obter uma curva de espessura em função da velocidade de rotação do Spin-Coater,

para assim determinar o processo adequado para a obtenção da espessura pretendida. Em cada

um dos casos, recorreu-se a uma seringa para colocar exactamente 30 gotas de solução por

cima do substrato antes da realização da deposição. Este passo permite um melhor controlo do

processo e assim uma maior reprodutibilidade em termos de espessura vs. velocidade de

rotação.

1.00E-111.50E-112.00E-112.50E-113.00E-113.50E-114.00E-114.50E-115.00E-115.50E-116.00E-116.50E-117.00E-117.50E-118.00E-118.50E-119.00E-119.50E-111.00E-10

Co

rre

nte

(A

)


Resultados

83

Após o processamento dos dados, obteve-se o gráfico da Figura 6.6 que permite

determinar para a espessura do filme pretendida a velocidade de rotação, tendo em

consideração que a viscosidade da solução afecta a espessura. A linha de tendência

corresponde a uma aproximação polinomial com uma correlação de 0.997.

Figura 6.6 – Espessura obtida para uma dada velocidade de rotação do Spin-Coater.

Tabela 6.1 – Velocidades de rotação do Spin-Coater e respectivas espessuras alcançadas, incluindo o erro

obtido.

Velocidade de rotação (rpm) 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Espessura (nm) 1224.67 662 554.33 525.33 506 481

Erro (%) 6.21 2.70 2.91 4.91 4.50 1.93

Tendo em conta os resultados obtidos, verifica-se que ao aumentar a velocidade de

rotação, a espessura do filme diminui até se obter um perfil quase constante, a partir dos 6000

rpm. Para a deposição do polímero PVDF por cima do alumínio para formar a segunda

camada do filtro escolheu-se uma velocidade de 7000 rpm. Esta selecção deve-se ao facto que

o filme obtido a uma velocidade de 8000 rpm apresentar uma porosidade muito superior ao

filme obtido a 7000 rpm, o que pode, por sua vez provocar o contacto entre a camada de

alumínio e a camada de prata.

0.00

200.00

400.00

600.00

800.00

1000.00

1200.00

1400.00

2500 3500 4500 5500 6500 7500 8500

Esp

ess

ura

(n

m)

Velocidade de rotação (rpm)


84

Após a obtenção dos filmes finos, foi efectuada uma medição da espessura dos

mesmos recorrendo a um perfilómetro Dektak IIA existente na Faculdade de Ciências da

Universidade do Porto (ver Figura 6.7 e 6.8).

Figura 6.7 – Perfilómetro utilizado na medição da espessura da cavidade ressonante.

Figura 6.8 - Amostra a ser “varrida” pela agulha do perfilómetro.

Resultados

85

Para a medição de filmes finos podem ser utilizados perfilómetros mecânicos e ópticos.

Os ópticos apresentam melhor resolução e melhor precisão na medição do mesmo. Os

mecânicos não apresentam a precisão dos ópticos, mas têm a vantagem de não serem tão

dispendiosos e por isso são encontrados mais facilmente. Pelo que, no seguimento deste

projecto recorreu-se ao perfilómetro disponível, ou seja o mecânico,

O perfilómetro mecânico é constituído por duas partes:

i. Cabeça mecânica

ii. Computador que permite a visualização de altitude do filme e o controlo da

agulha.

Em suma, o perfilómetro mecânico possui uma agulha normalmente constituída de

diamante ou silício nitrogenado (SiN), com um diâmetro na ordem dos 10 µm, que se coloca

em contacto com a amostra. Para se realizar uma medição, a cabeça baixa lentamente a ponta

até esta alcançar a superfície da amostra, e, em seguida o porta amostras desloca-se

lentamente para que a ponta percorra a superfície de interesse, previamente definida,

aplicando uma força constante.

Como este perfilómetro só mede variações de espessura foi necessário cortar parte da

amostra. Neste caso fez-se um risco no PVDF de modo a obter-se o degrau necessário para a

realização da medição. Na Figura 6.9 está ilustrado o percurso da agulha do perfilómetro

mecânico, assim como o corte que é necessário efectuar de modo à agulha do perfilómetro

obter o degrau necessário para a realização da medição.

Figura 6.9 – Representação do corte efectuado para se obter o grau necessário à medição [2].


86

Figura 6.10 – Linha traçada pelo perfilómetro de um risco vertical efectuado no filme fino [2].

O gráfico obtido é semelhante ao apresentado na Figura 6.10 e permite, além de

determinar a espessura, ter uma noção da rugosidade do filme naquela área analisada. Existe

um pico de espessura no começo da leitura, uma vez que quando é efectuado um corte vertical

o filme levanta, sendo que esse fragmento não deve ser incluído no resultado final da

espessura. Esta é a média dos “picos” obtidos.

Figura 6.11 - Espessura da cavidade ressonante, obtida a partir do perfilómetro.

É de salientar que a escala presente no perfilómetro encontra-se em Angstrons (Å).

Pela observação da Figura 6.11 o filme de PVDF depositado possui em média 550nm de

espessura. Esta foi a espessura mínima conseguida a partir do método de Spin-Coating.

Resultados

87

Tentou-se diluir ainda mais a solução de modo a obter-se uma espessura inferior, mas

verificou-se que a porosidade aumentava drasticamente, o que posteriormente provocaria o

curto-circuito entre os espelhos.


88

Bibliografia

[1] - http://www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0210613_06_cap_03.pdf

[2] - http://www2.dbd.puc-rio.br/pergamum/tesesabertas/0313430_07_cap_05.pdf

89

7 Conclusões e Trabalho Futuro

Neste capítulo são efectuadas as devidas conclusões da dissertação, assim como é

abordado o trabalho futuro que pode ser realizado para uma melhor construção e

implementação do filtro óptico ajustável de FP no Lab-On-A-Chip.

7.1 Conclusões

Esta dissertação tem como base a construção e implementação de um filtro óptico

passa banda para ser utilizado num Microlaboratório de análises clínicas para medição

espectrofotométrica por absorção óptica da concentração de biomoléculas nos fluidos

biológicos. Este filtro é baseado num filtro óptico de Fabry-Perot com cavidade ajustável. O

material utilizado para a cavidade é um polímero piezoeléctrico (-PVDF).

Os materiais escolhidos para a construção dos espelhos foram o alumínio e a prata,

sendo que o alumínio corresponde à construção do primeiro espelho da estrutura, ou seja, o

espelho próximo do detector, e a prata ao segundo. Optou-se por espelhos metálicos e não

dieléctricos devido à sua simplicidade de fabrico comparativamente aos dieléctricos, e ao

facto de estes apresentarem um desempenho razoável, face aos requisitos pretendidos, na

gama do espectro electromagnético visível. Estes, em relação aos dieléctricos apresentam a

desvantagem de possuir maiores perdas por absorção óptica.


90

O material escolhido para a cavidade ressonante foi o polímero piezoeléctrico

denominado de β-PVDF. A escolha deste material deve-se ao facto do ajuste das suas

dimensões físicas através da aplicação de uma tensão AC ser feito a nível molecular, o que se

traduz numa homogeneidade da espessura ao longo da área do filtro, obviando assim o

problema do paralelismo entre os espelhos, problema este encontrado vulgarmente nos filtros

ópticos de FP ajustáveis convencionais. Se se aplicar uma tensão DC aos espelhos, o material

sofre um ajuste na sua orientação dipolar e, consequentemente, na sua resposta dieléctrica

alterando assim a transmitância do filtro óptico.

Através da análise das simulações ópticas efectuadas em 4.2 concluiu-se que a melhor

espessura para os espelhos é de 20nm, e para a cavidade ressonante de 350nm pois permite a

selecção dos comprimentos de onda correspondente à gama espectral da luz visível, região

onde este filtro será aplicado. Devido às limitações do processo de fabrico foi utilizada uma

espessura para a cavidade ressonante de 400nm de modo a este ficar o menos poroso possível,

impossibilitando assim um curto-circuito entre os espelhos. Estas dimensões foram simuladas

e obteve-se uma transmitância de 7,2% e uma FWHM de 29nm.

As deposições dos espelhos efectuaram-se recorrendo à evaporação por aquecimento

resistivo, enquanto que a deposição do filme fino do polímero β-PVDF foi realizada pelo

processo de Spin-Coating. A deposição do último filme fino, filme de ouro, teve o auxílio de

uma máscara de modo a diminuir a superfície em contacto, para assim diminuir a hipótese de

existir um curto-circuito entre os espelhos.

7.2 Trabalho futuro

O trabalho realizado pode ser alvo de futuros melhoramentos, tais como:

Optimização do processo de deposição do polímero β-PVDF de modo a conseguir-se

espessuras na ordem dos 350nm, ou até mesmo 300nm.

Optimização do processo de deposição dos espelhos, para assim se conseguir uma

maior homogeneidade.

Utilização de outros materiais para a constituição dos espelhos de modo a conseguir-se

uma maior transmitância.

Conclusões a trabalho futuro

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Implementação do filtro óptico integrado no Lab-On-A-Chip.

universidade do minho escola de engenharia departamento de...

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