Implementação de sensores ópticos integrados para aplicações em análises químicas e ambientais.

• Ano de defesa: 2007
• Autor(a) principal: Siarkowski, Acácio Luiz
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Análise química; Chemical analyse; Filmes finos; Interferômetro Mach-Zehnder; Mach-Zehnder interferometer; Optical sensor; Sensor óptico; Thin films
• Link de acesso: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3140/tde-26072007-162928/

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de sensores químicos ópticos baseados no Interferômetro Mach-Zehnder (MZI) para aplicações em análises químicas e ambientais. Tais dispositivos foram implementados a partir da fabricação de guias de ondas sobre um substrato de silício monocristalino. Os guias de onda foram obtidos através da deposição de filmes finos de nitreto de silício (Si3N4) e óxido de silício (SiO2) obtidos por técnicas de deposição química a vapor (CVD) e pela oxidação térmica do substrato de silício. A definição destes guias de ondas para a implementação de sensores é feita por processos convencionais de litografia e corrosão. Os sensores químicos deste trabalho baseiam-se na interação do campo evanescente do modo que propaga-se no guia de onda exposto a algum composto químico na fase líquida ou gasosa. Tais sensores foram projetados, simulados e implementados para as seguintes aplicações: Medida da concentração de glicose em soluções; Medida de umidade por efeito de espalhamento; Detecção de vapores de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). As etapas de processo para a fabricação dos sensores químicos ópticos foram definidas a partir das simulações em óptica integrada e, após os processos de fabricação, os filmes obtidos foram caracterizados. Os filmes de Si3N4 SiO2 utilizados na fabricação do sensor óptico possuem uniformidade em espessura e homogeneidade quanto aos valores de índice de refração, baixa rugosidade superficial e baixos níveis de incorporação de água e ligações OH. No entanto, os valores de rugosidade e desuniformidade aumentaram significativamente após as etapas de corrosão úmida para a definição das estruturas dos sensores ópticos. Os guias de ondas implementados apresentaram um guiamento monomodo (TE0) e os valores de atenuação experimentais ficaram entre 2 e 20 dB/cm e dependem dos valores de rugosidade superficial e lateral dos guias de ondas e da desuniformidade dos filmes empregados. Com as medidas de concentração de glicose, verificou-se o funcionamento e a sensibilidade dos sensores químicos ópticos implementados, levantando-se curvas de variação da intensidade de saída do MZI em função do índice de refração de soluções de glicose padronizadas (dn/dc). Realizou-se medidas de umidade através da implementação de um sensor óptico simplificado que tem como princípio o efeito de espalhamento óptico. Como o espalhamento óptico depende da rugosidade e do contraste de índices de refração na interface exposta ao ambiente, foi possível detectar a quantidade de água presente no dispositivo. Posteriormente, analisou-se a aplicação de HMDS (Hexametildissilazana) como filme de adsorção de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). Os VOC\'s foram aplicados sobre os sensores químicos ópticos em forma de vapor e os resultados obtidos para n-Hexano e 2-Propanol mostraram uma boa reprodutibilidade e alta sensibilidade.