Development of a Complete Optical Microsystem for Particle Flow Detection

• Autores: Ivan Bernat Ubiaga
• Directores de la Tesis: Mauricio Moreno Sereno (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2013
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Óscar Esteban Martínez (presid.), Albert Romano Rodríguez (secret.), Luis Fonseca Chacharo (voc.), Santiago Miguel Olaizola Izquierdo (voc.), Mario Montes Usategui (voc.)
• Materias:
  • Física
    • Óptica
      • Óptica geométrica
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología electrónica
      • Dispositivos láser
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en:  TDX  Dipòsit Digital de la UB 
• Resumen

  • Esta tesis doctoral resume el trabajo realizado en el Departamento de Electrónica de la Facultad de Física, en la Universidad de Barcelona. El objetivo de la misma se centra en el diseño y fabricación de un microsistema óptico basado en la integración híbrida de componentes comerciales y procesos de micromecanizado en silicio, destinado a la detección óptica de micropartículas en chips de microfluídica. Todo ello teniendo como principales metas la miniaturización y la integración de todos los componentes para obtener un sistema robusto, portátil, orientado a aplicaciones “Point of care”. El sistema de detección óptica de partículas incluye dos elementos comerciales. Por una parte, las fuentes de luz escogidas, láseres VCSEL en formato “die” de la empresa ULM Photonics, y por otra, una matriz de microlentes fabricada por SUSS microOptics. La matriz de microlentes se adapta al pitch que existe entre láseres es de 250 micras, cosa que la hace totalmente compatible en términos de alineación óptica. Para determinar las posiciones óptimas de estos componentes, se realiza el estudio de dos escenarios mediante el uso de un simulador de trazado de rayos (ZEMAX Radiance ®): el primero, basado en la obtención de haces de luz colimados; el segundo, basado en la obtención de haces de luz focalizados. Los componentes comerciales se ensamblan en una estructura robusta, formada por dos piezas de silicio (base y separador óptico), y con alienación pasiva de las microlentes. Las piezas de silicio se fabrican en obleas siguiendo procesos de Sala Blanca. Mediante técnicas de soft lithography se diseñan y fabrican diversos chips para el bloque de microfluídica: canales con focalización pasiva del flujo y canales con sistemas de focalización activa. Dichos chips contienen los canales de microfluídica por donde circularán las partículas que se pretende detectar, en suspensión líquida. El sistema de detección óptica de partículas requiere de un sensor óptico encargado de detectar las variaciones en los niveles de intensidad luminosa causadas por la circulación de partículas. En esta tesis se plantea un sensor de imagen basado en tecnología CMOS, con un diseño full-custom. El sensor contiene una estructura en doble array lineal con 256 pixels. Para validar la funcionalidad del sistema fabricado, se realizó una batería de pruebas. Se prepararon diversas suspensiones acuosas en agua desionizada e isopropanol con partículas de diferentes tamaños (diámetros), materiales y fabricantes en un rango de 10 a 90micras de diámetro. Los resultados fueron satisfactorios en todos los casos.