Realizarea
unui vascozimetru rotational pentru masurarea vascozitatii fluidelor biologice
Vascozimetrul rotational
conceput de noi, este format dintr-o microrotita dintata cu diametrul exterior
de 250μm plasata in interiorul unui microcanal. In urma curgerii fluidului prin
microcanal, rotita se va misca, viteza de rotatie fiind proportionala cu
vascozitatea fluidului. Miscarea este detectata folosind patru magnetorezistente
gigant (GMR) plasate in jurul rotitei pe axele x si y ale acesteia. Cele patru
GMR-uri sunt asezate intr-o punte Wheatstone dubla, astfel incat sensitivitatea
sa fie maxima.
Microrotita dintata
Este fabricata din permalloy, are diametrul extern de
350μm,
diametrul intern de 25μm
si grosimea de 3μm,
in total
avand
24 de dinti. Pentru fabricarea acestei rotite s-a folosit tehnica straturilor de
sacrificiu in mai multi pasi:
 |
i)
Pe o placheta de siliciu de 4” cu orientarea cristalografica (100) si cu
rezistivitatea intre 1 si 10 Ω/cm, se depune un strat de 2µm de SiO2
urmat de un strat de permalloy de 3 µm intr-un cuptor orizontal.
ii)
Stratul de polisiliciu este corodat folosind un proces de corodare adanca cu
ioni reactivi (DRIE) printr-o masca de fotorezist (astfel incat corpul si
dintii rotitei dintate sunt definiti). Procesul de corodare se opreste pe
stratul de SiO2.
iii)
Folosind o a doua masca de fotorezist, se corodeaza lagarul din centrul
rotii folosind acelasi proces de corodare adanca.
iv)
Stratul de SiO2 este corodat in BOE prin masca de
fotorezist-permalloy. In timpul corodarii izotrope se face si corodarea pe
sub stratul de permalloy. Astfel se genereaza spatiul ce va fi ulterior
umplut cu SiO2 si permalloy (necesar pentru fabricarea flansei).
v) Dupa
indepartarea fotorezistului se depune un strat de oxid la temperatura joasa
(LTO) gros de 1μm. Grosimea acestui strat stabileste toleranta montajului.
vi)
Printr-o masca de fotorezist (depusa prin pulverizare pentru o acoperire mai
buna) stratul de oxid din largar este indepartat. Pasul acesta este necesar
pentru a obtine un contact mecanic intre flansa si substratul de siliciu.
vii) Se
depune un strat de polisiliciu (de 3μm) intr-un cuptor orizontal. Depunerea
conforma asigura umplerea spatiilor de sub rotita, generate in urma
corodarii izotrope din pasii anteriori.
viii)
Printr-o masca de fotorezist se corodeaza uscat polisiliciul, astfel
obtinandu-se forma flansei.
ix)
In ultimul pas, straturile de sacrificiu de SiO2 sunt indepartate
intr-o solutie de HF 49% si se elibereaza structura. Pentru a evita
incovoierea stratului de permalloy, tensiunile interne din acest strat pot
fi modificate prin annealing. Masurarea tensiunilor interne s-a facut
folosind sistemul KLA-Tencor. Pentru a evita lipirea permalloy-ului de
substratul de siliciu, surafata a fost clatita in metanol urmata de un
proces de uscare cu CO2 intr-un sistem Critical Point Dryer
(Baltec). |
 |
 |
Corpul rotitei dintate a fost fabricat
din permalloy pentru proprietatile magnetice ale acestuia, fiind necesare
pentru detectia miscarii de rotatie, iar flansa a fost fabricata din
polisiliciu pentru a minimaliza fortele de frecare in urma rotatiei.
Pentru testarea tehnologiei de fabricatie s-a fabricat un
angrenaj de rotite dintate plasate pe un microcanal astfel incat sa se
creeze presiunea necesara pentru a roti angrenajul.
De
asemenea, se studiaza posibilitatea folosirii unui angrenaj de rotite
dintate pentru pomparea fluidelor prin sisteme de microcanale. |
 |
 |
Sistemul de detectie a miscarii de
rotatie – Puntea Wheatstone dubla
 |
Sistemul foloseste magnetorezistenta permalloy-ului pentru a transmite
informatia despre viteza de rotatie de la rotita dintata la un numarator.
Avantajul acestui sistem este ca senzorul nu intra in contact direct cu
rotita dintata, astfel frecarea fiind mult redusa. Astfel, sistemul propus
este un ansamblu de senzori magnetorezistivi care transforma informatia
despre viteza de rotatie in semnal electric. Cele doua punti
Wheatstone sunt aranjate dupa directiile X si Y ale sistemului pentru o
sensibilitate crescuta. Sistemul este format din doua punti Wheatstone
aranjate perpendicular una pe cealalta, fiecare cu cate doua
magnetorezistente active si doua magnetorezistente de referinta.
Magnetorezistentele active sunt localizate in apropierea rotii dintate,
plasate intre concentratori de flux pentru a mari gradientul de camp
magnetic. Magnetorezistentele de referinta, sunt plasate sub concentratorii
de flux pentru a le ecrana de campuri magnetice externe. Toti
magnetorezistorii au fost fabricati din straturi subtiri (in total 12
straturi subtiri, alternand straturi magnetice de 1.5nm grosime – permalloy–
cu straturi nemagnetice de 1nm grosime – Cu/Au5%/Ag5%) depuse intr-un sistem
de sputtering la 200W si 30mTorr. Directia senzitiva este perpendiculara pe
straturile depuse. Senzorul scoate un semnal electric maxim atunci cand
campul magnetic de interes este paralel cu axa concentratorilor de flux. |
 |
Daca
un dinte al rotitei dintate se afla exact in dreptul senzorului, liniile de
camp traverseaza senzorul perpendicular pe acesta. Aceasta nu este directia
sensitiva a senzorului, deci semnalul la iesireva fi nul. Totusi, daca
dintele se apropie de sus, liniile de camp vor fi deviate rezultand un
semnal pe directia senzitiva, deci la iesire se va regasi un semnal pozitiv.
Analog, daca dintele se apropie de jos semnalul va fi negativ. Graficul
reprezinta simularile micromagnetice ale comportarii GMR din puntea
Wheatstone. Considerand ca in starea initiala, in dreptul senzorilor 1 si 3
se afla cate un dinte al rotitei, obtinem raspunsul GMR in functie de
unghiul de rotatie. Rotind micrortita dintata in sensul acelor de ceas,
obtinem raspunsul GMR pentru senzorii 1 si 3 in graficul (a), iar pentru
senzorii 2 si 4 in graficul (b). In graficul (c) obtinem raspunsul combinat
al puntii Wheatstone duble. Practic, in timp ce senzorii 1 si 3 sunt expusi
unor campuri magnetice, senzorii 2 si 4 nu simt campul magnetic generat de
dintii rotitei dintate. Astfel se produce un dezechilibru in puntea
Wheatstone si se genereaza semnalul la iesire. |
 |
Obtinerea GMR-urilor
Pentru
substrat au fost folosite plachete de siliciu de 3”. Pe ele a fost crescut un
film gros de 2000Å de Si3N4 amorf, folosind metoda CVD. Filmul de Si3N4
actioneaza ca izolator electri si, totodata, un strat de inhibare a difuziei
siliciului in straturile ce vor fi depuse ulterior. Am preferat folosirea Si3N4
in locul SiO2, deoarece oxigenul poate sa reactioneze cu materialele magnetice
modificandu-le proprieteatile. Rugozitatea RMS a filmului de Si3N4 a fost de
2.0Å. Gazul de lucru a fost 99.99% argon si s-a lucrat la
temperatura camerei (300K). Presiunea din
reactor si puterea au fost modificate independent pentru a mentine grosimea
filmului constanta. Pentru a face legatura cu morfologia suprafetei, s-au facut
poze ale suprafetei si s-a studiat rugozitatea folosind NanoScope Atomic Force
Microscope (AFM) (Digital Instruments D3100 Tapping Model). Studiul s-a axat pe
influenta puterii RF si a presiunii din reactor asupra campului magnetic de
saturatie al multistraturilor GMR depuse. Figurile prezinta rezultatele
experimentale obtinute pentru viteza de depunere la variatia presiunii si a
puterii de RF.
Presiunea din reactor este unul din cei mai importanti parametri. Intr-o serie
de experimente, puterea de RF a fost mentinuta constanta la 200W, in timp ce
presiunea a fost variata de la 10mTorr la 80mTorr. Viteza de depunere,
compozitia straturilor GMR si rugozitatea suprafetei au fost monitorizate pentru
diferite presiuni.
In cadrul altei serii de experimente, s-au studiat efectele variatiei puterii RF
(de la 50W la 350W), in timp ce presiunea a fost mentinuta constanta la 20mTorr.
Viteza de depunere creste cu puterea aplicata. De asemenea s-au studiat viteza
de depunere, compozitia straturilor GMR si rugozitatea suprafetei.
In urma experimentelor efectuate, am
constatat ca se obtine campului magnetic de saturatie optim al multistraturilor
GMR depuse pentru puterea de RF de 200W si presiunea din reactor de 30mTorr.
Structurile GMR astfel obtinute au proprietati foarte bune pentru aplicatia
noastra.
In urma studierii stratului de Cu cu
ajutorul unui AFM, s-au constatat defectiuni aparute in stratul de Cu in urma
depunerii. Prin aceste defectiuni, campurile magnetice dintre doua straturi
magnetice consective se puteau cupla diminuand astfel proprietatile
magnetorezistentei. Pentru a elimina aceste defectiuni de volum si suprafata,
s-a adougat Au si Ag. Atomii de Au si Ag au o mobilitate mai mare decat cei de
cupru, astfel Au acopera defectiunile din volum, iar argintul pe cele de
suprafata, obtinandu-se un strat cu calitati mult superioare fata de stratul de
Cu pur.
Studiul curgerii fluidelor ne-Newtoniene prin canale microfluidice
Pentru simularea curgerii sangelui prin microcanale, s-a folosit
ANSYS. Fiecare simulare incearca sa anticipeze comportarea sangelui in timpul
curgerii prin diferite tipuri de microcanale. Pentru aceste simulari, s-au
calculat si folosit urmatorii parametri:
-
Densitatea sangelui: ρ=1035 kg/m3
-
Vascozitatea plastica: μ0=5.9*10-4 kg/m*s
-
randament: τ0=1.8*10-4 kg/m
-
vascozitate newtoniana: μR=3*10-2 kg/m*s
