Fabrico de microlentes para aplicação em MicroLEDs

Universidade do Minho Escola de Engenharia João Rui Martins Freitas Fabrico de Microlentes para Aplicação em MicroLEDs novembro de 2019 UMinho | 2019 João Rui Martins Freitas Fabrico de Microlentes para Aplicação em MicroLEDs João Rui Martins Freitas Fabrico de Microlentes para Aplicação em MicroLEDs Dissertação de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores Trabalho efetuado sob a orientação da Doutora Sara Pimenta Universidade do Minho Escola de Engenharia novembro de 2019 Direitos de Autor e Condições de Utilização do Trabalho por Terceiros Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial-SemDerivações CC BY-NC-ND https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ ii Agradecimentos Gostaria de começar por agradecer à minha orientadora, Doutora Sara Pimenta, por todo o apoio, orientação, disponibilidade e simpatia ao longo do trabalho desenvolvido durante todo o ano. Não me posso esquecer de agradecer pelo candeeiro novo que não me deixou às escuras durante aquelas últimas fotolitografias e por ter encontrado todas as palavras desaparecidas que a minha cabeça no ar perdeu durante a escrita do documento. Eu juro que nunca mais me esqueço dos artigos definidos quando estiver a escrever qualquer coisa. Em segundo lugar, um agradecimento muito especial ao Doutor João Ribeiro, pelo empurrão e motivação inicial, e por dar as melhores indicações ao longo desta prova de orientação cheia de bifurcações, cruzamentos e caminhos sem saída. Fico-lhe eternamente grato e espero que essas pizzas em Itália sejam assim tão boas como se diz. A todos os colegas de laboratório, um muito obrigado por todo o apoio dado durante as etapas de fabrico e caraterização, excelente ambiente de trabalho e momentos de descontração ao longo deste ano. Sem esquecer o pessoal do SEMAT pelas análises SEM e dos 3B’s pelas análises AFM. A todos os amigos, antigos e novos, agradeço-vos por todos os momentos que vivemos em conjunto ao longo destes anos, muito obrigado. Que o ajuntamento anual na barragem da Queimadela dure para todo o sempre. Por fim, mas em primeiro lugar no meu coração, aos meus avós, pais, irmão, cunhada e afilhado, a minha profunda e eterna gratidão por nunca deixarem de acreditar, motivar e me apoiar ao longo desta jornada da minha vida, por muito complicada que ela tenha sido, vocês em especial foram a minha pedra basilar e viga mestra. A investigação foi suportada pelo projeto OpticalBrain PTDC/CTM-REF/28406/2017, código de operação POCI-01-0145-FEDER-028406. Em setembro de 2019 iniciei uma bolsa de investigação com a referência UMINHO/BI/260/2019, no projeto UID/EEA/04436/2019. “Our mistakes make us who we are.” – Sheryl Chee/Victoria Kruger/Isabela iii Declaração de Integridade Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. iv Resumo Fabrico de Microlentes para Aplicação em MicroLEDs As matrizes de microelétrodos enfrentam os desafios da neurociência no sentido de melhorar o conhecimento sobre o cérebro, permitindo assim catalisar novos tratamentos para os distúrbios neuropsiquiátricos, como a depressão, a Doença de Parkinson, a Doença de Alzheimer, etc. Em 2005, surgiu uma nova interação com o cérebro intitulada de optogenética. As sondas neuronais usadas nesta nova interação são designadas de optrodes . Estas sondas são otimizadas para fazer incidir luz sobre uma população de células geneticamente modificadas, de modo a revelarem efeitos biológicos específicos quando expostas à luz. Os neurónios-alvo são alterados para produzir proteínas sensíveis à luz conhecidas como opsinas. Estas opsinas requerem uma irradiação mínima de 1 mW/mm2para serem ativadas. Devido ao requisito de irradiação mínima, é necessário um aumento da corrente fornecida aos microLEDs incorporados nas optrodes , o que irá causar dois efeitos indesejáveis: o aumento do consumo energético e o sobreaquecimento do tecido do sistema nervoso central (SNC). A incorporação de microlentes em conjunto com microLEDs irá causar o efeito de colimação da luz, o que por sua vez irá aumentar a irradiação dos neurónios-alvo, sem aumentar o consumo energético dos microLEDs e minimizando o sobreaquecimento do tecido do SNC. O principal foco desta dissertação relaciona-se com a simulação, desenvolvimento e caraterização de microlentes em PDMS para serem usadas em conjunto com microLEDs. As técnicas de microfabricação utilizadas para o fabrico das microlentes foram: a fotolitografia e o refluxo térmico de polímeros fotossensíveis para a criação do molde mestre; e a moldagem de réplicas de PDMS para a criação do molde negativo e das microlentes finais em PDMS. Foram simulados, fabricados e caraterizados dois conjuntos distintos de microlentes em PDMS, com alturas e diâmetros diferentes, sendo que os melhores resultados foram obtidos com o segundo conjunto de microlentes. As estruturas fabricadas, incluindo as microlentes em PDMS, foram caraterizadas utilizando os métodos de perfilometria de contacto, perfilometria ótica 3D, microscopia de força atómica (AFM) e microscopia eletrónica de varrimento (SEM). A caraterização do segundo conjunto de microlentes em PDMS permitiu determinar experimentalmente uma altura aproximada de 55 µm, um diâmetro aproximado de 81 µm e uma rugosidade média (Ra) superficial de aproximadamente 30 nm. Através de cálculos baseados na Ótica Gaussiana foram obtidas as seguintes caraterísticas para o segundo conjunto de microlentes fabricadas em PDMS: uma distância focal (f) de 95,94 µm, uma abertura numérica ( NA ) de 0,42 e um número focal (f/#) de 1,189. Palavras-chave: colimação, microLEDs, microlentes, optogenética v Abstract Microlenses Fabrication for MicroLEDs Application Microelectrodes arrays face the neuroscience challenges, trying to improve the knowledge about the brain and allowing the development of new treatments for neuropsychiatric disorders, such as depression, Parkinson’s disease, Alzheimer’s disease, etc. In 2005, a new method of interaction with the brain emerged, the optogenetics. The neural probes used in these new method of interaction are named optrodes. These probes are optimized to deliver light to a population of genetically modified neurons, triggering a specific biological response when exposed to light. The targeted neurons are genetically modified to express light-sensitive proteins known as opsins. These opsins require at least 1 mW/mm2of light intensity for activation. Due to the minimum light intensity requirement, the microLEDs incorporated on the optrodes require an increase in the current delivered to them, which will cause two undesired effects: an increase in power consumption and the overheating of the central nervous system (CNS) tissue. The integration of microlenses with microLEDs will collimate the emitted light, increasing the irradiance on the targeted neurons, without increasing the microLEDs power consumption and minimizing the overheating of the CNS tissue. The main goal of this dissertation is related with the simulation, development, and characterization of PDMS microlenses to be used with microLEDs. The microfabrication techniques used to fabricate the microlenses were: photolitography and thermal reflow of photoresists to develop the master mold; and PDMS replica molding to develop the PDMS negative mold and final microlenses. Two distinct sets of PDMS microlenses were simulated, fabricated and characterized, with different heights and diameters, in which the best results were obtained with the second set of microlenses. The fabricated structures, including the PDMS microlenses, were characterized using several methods: contact profilometry, 3D optical profilometry, atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM). The characterization of the second set of microlenses allowed to obtain, experimentally, a height of approximately of 55 µm, a diameter of approximately 81 µm, and an average surface roughness (Ra) of approximately 30 nm. Performing calculations based on Gaussian Optics, it was obtained the following characteristics for the second set of fabricated PDMS microlenses: a focal length (f) of 95.94 µm, a numerical aperture ( NA ) of 0.42, and a f-number (f/#) of 1.189. Keywords: collimation, microLEDs, microlenses, optogenetics vi Conteúdo 1 Introdução 1 1.1 Cérebro Humano: Fisiologia e Principais Distúrbios . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 SondasNeuronais .................................. 5 1.3 MotivaçãoeObjetivos................................. 9 1.4 Organização da Dissertação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Microlentes 12 2.1 Refração à Escala Microscópica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 EstadodaArte .................................... 13 2.3 FundamentosTeóricos ................................ 19 2.3.1 Refração em Superfícies Esféricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.2 LentesEsféricas ............................... 22 2.3.3 Equações de Lentes Finas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.4 Aberrações Monocromáticas e Aberração Cromática . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.4.1 Aberração Esférica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.4.2 Aberração Coma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3.4.3 Estigmatismo........................... 28 2.3.4.4 Curvatura de Campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.4.5 Distorção............................. 30 2.3.4.6 Aberração Cromática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3 Simulações FEM de Microlentes 32 3.1 Pré-requisitos das Simulações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.2 MicrolentesSimétricas ................................ 34 3.2.1 Microlentes Simétricas em PDMS com Altura de 10 µm e Diâmetro de 75 µm . 35 vii Lista de Figuras 1.1 Configuração dos lobos presentes no córtex cerebral humano . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Diagramas de diferentes tipos de neurónios e estrutura básica . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 Matriz de microfios de 64 canais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.4 Sondas de Michigan de haste singular e haste múltipla . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.5 Diferentes configurações da matriz de Utah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.6 Diferentes categorias de optrodes usadas em optogenética . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1 Corte transversal de um sistema ótico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.2 Primeiras microlentes fabricadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.3 Conjunto de microlentes fabricadas através de litografia em escala de cinzento . . . . . 14 2.4 Conjunto microlente e LED para utilização em microssistemas de biopsia ótica . . . . . 14 2.5 Esquemático do processo de fabrico de um conjunto de microlentes assimétricas . . . 16 2.6 Microlente assimétrica em PDMS com uma inclinação de 32° . . . . . . . . . . . . . 16 2.7 Exemplos de estruturas fabricadas em PDMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.8 Esquemático do processo de criação de microlentes em resina curável por luz UV, através de moldes negativos em PDMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.9 Conjunto de microlentes fabricadas por Sun et al ................... 18 2.10 Esquemático de Descartes para deduzir a Lei da Refração . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.11 Esquemático da refração de uma onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.12 Representação de tipos de lentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.13 Relação entre distância focal e raio de curvatura de uma lente . . . . . . . . . . . . . 24 2.14 Aberração esférica resultante de uma superfície esférica . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.15 Aberração esférica causada por uma lente plano-convexa . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.16 Representação da aberração coma negativa e positiva . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.17 Representação da aberração coma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 xiv Lista de Figuras 2.18 Representação esquemática de estigmatismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.19 Representação esquemática da aberração curvatura de campo . . . . . . . . . . . . . 29 2.20 Efeito de curvatura de campo numa superfície plana a distâncias diferentes . . . . . . 29 2.21 Representação das superfícies de imagem tangencial, sagital e Petzval . . . . . . . . . 30 2.22 Efeito de distorção positiva e negativa numa matriz quadrangular . . . . . . . . . . . 31 2.23 Representação de aberração cromática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1 Dimensões de dois modelos de microlentes simétricas desenhadas em SOLIDWORKS . 35 3.2 Malha aplicada ao modelo de microlente com altura de 10 µm e diâmetro de 75 µm . . 35 3.3 Resultado da simulação de traçado dos raios de luz de uma microlente em PDMS com altura de 10 µm e diâmetro de 75 µm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.4 Resultado da simulação para a determinação da distância focal de uma microlente em PDMS com altura de 10 µm e diâmetro de 75 µm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.5 Resultado da simulação de irradiância num detetor posicionado à distância focal de uma microlente em PDMS com altura de 10 µm e diâmetro de 75 µm . . . . . . . . . . . . 37 3.6 Malhas aplicadas ao modelo de microlente com altura de 40 µm e diâmetro de 75 µm, detetoreparedetraseira ............................... 38 3.7 Resultado da simulação de traçado dos raios de luz de uma microlente em PDMS com altura de 40 µm e diâmetro de 75 µm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.8 Resultado da simulação de irradiância num detetor atingido por um feixe de luz colimada por uma microlente em PDMS com altura de 40 µm e diâmetro de 75 µm . . . . . . . 40 3.9 Resultado da simulação para a determinação da distância focal de uma microlente em PDMS com altura de 40 µm e diâmetro de 75 µm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.10 Resultado da simulação de irradiância num detetor posicionado à distância focal de uma microlente em PDMS com altura de 40 µm e diâmetro de 75 µm . . . . . . . . . . . . 41 3.11 Aspeto e dimensões do modelo de microlente assimétrica desenhada em SOLIDWORKS 41 3.12 Malha aplicada ao modelo de microlente assimétrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.13 Resultado da simulação de traçado dos raios de luz de uma microlente assimétrica em PDMS ........................................ 43 3.14 Resultado da simulação para a determinação da distância focal de uma microlente assimétricaemPDMS.................................. 43 3.15 Resultado da simulação de irradiância num detetor posicionado à distância focal de uma microlente assimétrica em PDMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 xv Lista de Figuras 4.1 Esquemático da sequência de processo de polímeros fotossensíveis positivos, negativos einversãodeimagem................................. 46 4.2 Banho ultrassónico usado na remoção de impurezas orgânicas do substrato . . . . . . 47 4.3 Equipamento de spin coating Polos Spin150i da SPS usado no revestimento do substrato porpolímerofotossensível............................... 47 4.4 Placa de aquecimento Präitherm PZ23-2 da Harry Gestigkeit GmbH usada na cura do polímerofotossensível ................................ 48 4.5 Comportamento dos polímeros fotossensíveis finos e espessos quando expostos a luz UV 49 4.6 Equipamento Karl Suss MJB3 usado na exposição do polímero fotossensível . . . . . . 49 4.7 Placa de aquecimento e agitação magnética Agimixt da JP Selecta usada na revelação dopolímerofotossensível............................... 50 4.8 Máscara utilizada no processo fotolitográfico com padrões circulares com 75 µm de diâmetro impressa em fotolito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.9 Estruturas cilíndricas obtidas no fim do processo fotolitográfico com os polímeros AZ® 4562 e AZ®5214E .................................. 53 4.10 Esquemático do processo fotolitográfico para a criação do molde mestre com recurso a AZ®4562 e AZ®5214E ............................... 54 4.11 Efeito de diferentes tempos de exposição em diferentes amostras de AZ®40 XT durante oseuprocessodeotimização............................. 55 4.12 Exemplos da incompatibilidade dos polímeros AZ®40 XT e AZ®5214E após a revelação 56 4.13 Estruturas cilíndricas obtidas no fim do processo fotolitográfico com os polímeros AZ® 40 XT e AZ®MIR 701 ................................. 58 4.14 Esquemático do processo fotolitográfico para a criação do molde mestre com recurso a AZ®40 XT e AZ®MIR 701 .............................. 59 4.15 Perfil térmico usado na placa de aquecimento para o refluxo térmico do AZ®4562 . . . . 60 4.16 Refluxo térmico do molde mestre fabricado em AZ®4562 e AZ®5214E ........ 60 4.17 Perfil térmico usado na placa de aquecimento para o refluxo térmico do AZ®40 XT . . . 61 4.18 Refluxo térmico do molde mestre fabricado em AZ®40 XT e AZ®MIR 701 ....... 61 4.19 Suportes fabricados em alumínio para efetuar refluxo térmico de amostras com diferentesinclinações .................................... 62 4.20 Refluxo térmico do molde mestre fabricado em AZ®40 XT e AZ®MIR 701 com inclinação 62 4.21 Processo de criação de moldes negativos em PDMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 xvi Lista de Figuras 4.22 Bomba de vácuo Varian DS 120 da Agilent Technologies e câmara de vácuo usadas na remoção de bolhas de ar presas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.23 Esquemático do processo de fabrico do molde negativo em PDMS com recurso a um moldemestre..................................... 65 4.24 Esquemático do processo de fabrico de microlentes em PDMS com recurso a um molde negativoemPDMS.................................. 66 4.25 Artefactos causados durante uma análise topográfica por perfilometria de contacto . . . 67 4.26 Esquemático da interferometria de luz branca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.27 Esquemático de um equipamento AFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.28 Curva van der Waals com regiões e modos de funcionamento de um equipamento AFM 69 4.29 Esquemático de um equipamento SEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 5.1 Perfilometria de contacto das diferentes estruturas fabricadas (molde mestre, molde negativo e microlente em PDMS) a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®4562 e AZ® 5214E ........................................ 72 5.2 Perfilometria ótica 3D do molde mestre, pré e pós refluxo térmico, fabricados a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®4562 e AZ®5214E ................. 73 5.3 Análise AFM das diferentes estruturas fabricadas a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®4562 e AZ®5214E ............................... 74 5.4 Imagens SEM do molde mestre, pré e pós refluxo térmico, fabricados a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®4562 e AZ®5214E ..................... 75 5.5 Perfilometria de contacto das diferentes estruturas fabricadas a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 ....................... 78 5.6 Perfilometria ótica 3D do molde mestre pré refluxo térmico, fabricado a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 .................... 79 5.7 Análise AFM do molde mestre pós refluxo térmico e da microlente em PDMS, fabricados a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 ............ 79 5.8 Imagens SEM do molde mestre pós refluxo térmico e microlentes em PDMS, fabricados a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 ............ 81 5.9 Padrões de interferência criados através da incidência de um laser nas microlentes em PDMS, fabricadas a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 . . . 82 5.10 Imagens SEM do molde mestre pós refluxo térmico com inclinação aplicada de 90°, fabricadas a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 ....... 83 xvii Lista de Tabelas 2.1 Convenção sinalética para superfícies refratoras esféricas e lentes finas com incidência de luz da esquerda para a direita . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2 Definição e corte transversal de lentes com variações dos seus raios . . . . . . . . . . 23 4.1 Parâmetros de configuração do equipamento de spin coating para obter um filme de 1,14 µm de espessura de AZ®5214E . ........................ 51 4.2 Parâmetros de configuração do equipamento de spin coating para obter um filme de 10 µm de espessura de AZ®4562 . .......................... 52 4.3 Parâmetros de configuração do equipamento de spin coating para obter um filme de 0,8 µm de espessura de AZ®MIR 701 . ........................ 57 4.4 Parâmetros de configuração do equipamento de spin coating para obter um filme de 40 µm de espessura de AZ®40 XT ........................... 57 xviii Capítulo 1 Introdução O presente capítulo apresenta a fisiologia e os principais distúrbios que afetam o cérebro humano atualmente. Para além disso, é apresentada a evolução ao longo dos anos das sondas neuronais, desde os microelétrodos single wire até às optrodes , usados na compreensão do funcionamento do cérebro. Para terminar, apresentam-se a motivação e objetivos da presente dissertação e ainda a organização deste documento. 1.1 Cérebro Humano: Fisiologia e Principais Distúrbios As funções do cérebro estão intimamente relacionadas com o nosso comportamento e personalidade, sendo estas as qualidades que mais nos identificam como humanos. Os nossos membros e alguns órgãos podem ser danificados, removidos ou transplantados sem afetar as nossas qualidades humanas, mas um ínfimo dano cerebral pode modificar radicalmente a nossa consciência, perceção, comportamento ou personalidade [1]. O cérebro humano partilha a configuração básica e disposição funcional com outros mamíferos. Contudo, o cérebro humano comparativamente com o cérebro dos roedores é enorme e complexo. O cérebro humano divide-se em dois hemisférios, esquerdo e direito, cada um com funções especializadas. Em pessoas destras, a linguagem e o cálculo são quase exclusivamente ligadas a regiões do hemisfério esquerdo, enquanto que a perceção espacial está fortemente relacionada com o hemisfério direito. No caso das pessoas esquerdinas, a localização destas funções nos hemisférios encontra-se invertida. Quando os dois hemisférios analisam estímulos semelhantes, os resultados obtidos são normalmente diferentes. A análise do hemisfério esquerdo tende a focar-se nas componentes individuais do estímulo, enquanto que 1 Capítulo 1. Introdução a análise do hemisfério direito tende a focar-se no aspeto geral do estímulo [1]. Cada um dos hemisférios é constituído por quatro lobos: frontal, parietal, temporal e occipital. A fissura lateral e sulco central servem como limite entre os lobos frontal, temporal e parietal. O limite entre o lobos occipital, parietal e temporal é uma linha arbitrária. O lobo frontal, como em todos os outros primatas, contém as áreas de controlo motor. Contudo, a maior parte do lobo frontal humano contém funções associadas a comportamentos complexos, relacionados com o comportamento social e personalidade individual, sendo também a localização de uma das áreas associadas à linguagem, designada por área de Broca. O lobo parietal contém o córtex somatossensorial, responsável pelo processamento sensorial tátil e proprioceptiva, que contribui para uma perceção consciente da posição do corpo. Partes do lobo temporal, em conjunto com partes do lobo parietal, definem a segunda área associada à linguagem, designada por área de Wernicke. O lobo temporal é também composto pelas áreas responsáveis pelo reconhecimento facial, hipocampo, sendo este responsável pela memória, córtex auditivo e córtex olfativo. O lobo occipital é ocupado maioritariamente pelo córtex visual primário, responsável pela receção e processamento visual, e pelo córtex visual secundário, responsável pela associação visual [1]. A configuração dos lobos presentes no córtex cerebral humano pode ser vista na figura 1.1. lobo frontal sulco central lobo parietal fissura lateral lobo temporal lobo occipital lobo occipital lobo parietal lobo frontal lobo temporal Figura 1.1: Configuração dos lobos presentes no córtex cerebral humano. O diagrama da esquerda mostra uma vista lateral da configuração dos lobos presentes no córtex cerebral humano. O diagrama da direita mostra uma vista sagital da configuração dos lobos presentes no córtex cerebral humano (adaptado de [1]). O cérebro é composto por dois tipos de células, neurónios e células da glia. Um neurónio típico possui dendrites, que recebem informação de outros neurónios ou de recetores sensoriais, e um único axónio, que transporta sinais para outros neurónios ou músculos. Os axónios podem variar de tamanho desde muito curtos a muito longos, podendo atingir metade do comprimento do corpo de um animal. Quando o sinal elétrico alcança o fim do axónio, um transmissor químico é libertado, influenciando um segundo neurónio. Existem neurónios com diferentes formas e tamanhos. Alguns possuem corpos celulares grandes a rondar os 50 µm, outros possuem corpos celulares pequenos a rondar os 10 µm [1]. 2 Capítulo 1. Introdução O segundo tipo de células presentes no sistema nervoso são as células da glia. Originalmente, pensava-se que as células da glia possuíam funções nutritivas e protetores, mas o conhecimento do seu papel expandiu consideravelmente nos últimos anos. As células da glia são agora vistas como parceiras funcionais dos neurónios, com papeis chave na regulação da atividade neuronal e na comunicação entre neurónios. Vários subtipos de células da glia protegem o cérebro de mudanças químicas, outras proporcionam vigilância imunitária ou alteram as propriedades dos sinais neuronais [1]. As células mantêm o seu ambiente químico interno através do controlo do movimento de iões e moléculas que atravessam as suas membranas. Os neurónios bombeiam grandes quantidades de iões através das suas membranas, produzindo assim uma diferença de potencial entre o interior e o exterior das células, sendo chamado de potencial de membrana. A estimulação de um neurónio pode ativar um grande salto momentâneo no potencial de membrana, chamado de potencial de ação. Um potencial de ação num ponto superficial da célula desencadeia potenciais de ação à sua volta numa reação em cadeia, propagando-se quase instantaneamente através da célula e pelo seu axónio [1]. Os neurónios recebem estímulos nos seus filamentos sensíveis, denominados de dendrites. A membrana que envolve cada dendrite possui pequenos canais que controlam o fluxo de iões positivos e negativos através da membrana. Alguns destes canais de iões são sensíveis a estímulos químicos ou físicos e podem causar diferenças de potencial na membrana. Se um número mínimo de diferenças de potencial na membrana acontecer ao mesmo tempo, é desencadeado um potencial de ação. Quando um potencial de ação é desencadeado, este sinal é transmitido ao longo do axónio. O fim do axónio é dividido em vários ramos terminais, denominados de terminais axónicos. Um potencial de ação causa a libertação de compostos químicos de sinalização pelos terminais axónicos, chamados de neurotransmissores. Estes neurotransmissores estabelecem uma ligação do tipo key-and-lock com os recetores na célula alvo. Os recetores são estruturas proteicas concebidas para a receção de transmissores específicos. A combinação dos neurotransmissores com os recetores pode levar à abertura de canais iónicos ou desencadear outras mudanças. Os recetores de neurotransmissores estão maioritariamente localizados nas dendrites. O conjunto dos terminais axónicos de uma célula com os recetores de outra célula cria uma região de área reduzida designada por sinapse [1]. Os diferentes tipos de neurónios podem ser vistos na figura 1.2a e a sua estrutura básica pode ser vista na figura 1.2b. 3 Capítulo 1. Introdução núcleo corpo celular axónio terminais axónicos neurónio unipolar núcleo axónio terminais axónicos dendrite neurónio pseudounipolar terminais axónicos axónio núcleo dendrite neurónio bipolar dendrites núcleo terminais axónicos axónio neurónio multipolar corpos de Nissl (a) dendrites corpo celular núcleo axónio terminais axónicos (b) Figura 1.2: Diagramas de diferentes tipos de neurónios e estrutura básica: (a) Os neurónios unipolares possuem um axónio mas não possuem dendrites. Os neurónios pseudounipolares possuem um axónio e uma única dendrite, fundidos no corpo celular. Os neurónios bipolares possuem um axónio e uma única dendrite, enquanto que os neurónios multipolares possuem várias dendrites; (b) O corpo de um neurónio possui várias ramificações de dendrites. O axónio divide-se em vários ramos finos denominados de terminais axónicos, que estabelecem contacto sináptico com outros neurónios ou células musculares (adaptado de [1]). Quando os neurónios no cérebro ou na coluna espinal são danificados por uma lesão ou doença, o resultado é normalmente muito grave. Primeiro, porque os neurónios e os seus axónios formam o sistema de comando e controlo do corpo, e qualquer dano pode colocar em causa este sistema crucial. Se algumas células musculares forem danificadas, pode haver perda de funções, mas o efeito é contido à região do dano. Contudo, danos numa área muito pequena de um dos hemisférios cerebrais pode paralisar por completo o lado oposto do corpo. Segundo, porque se os neurónios forem destruídos, estes não podem ser substituídos. Noutras partes do corpo, como o fígado ou os rins, as células danificadas 4 Capítulo 1. Introdução podem ser substituídas por células novas, sendo a sua função mantida [1]. A depressão, a esquizofrenia e os distúrbios de pânico são exemplos de distúrbios mentais, enquanto que a demência, a epilepsia e a esclerose múltipla são distúrbios neurológicos. Ambos os grupos são frequentemente referidos como distúrbios neuropsiquiátricos [2]. Em 2011, Wittchen et al . [2] concluíram que mais de um terço da população da União Europeia (UE) sofre de distúrbios mentais, correspondendo a um número estimado de 164,7 milhões de pessoas. O verdadeiro número de distúrbios neuropsiquiátricos, onde se englobam distúrbios mentais e distúrbios neurológicos, é consideravelmente maior. Segundo a Organização Mundial da Saúde (OMS), a 9 de abril de 2018 foi estimado, a nível global, que 300 milhões de pessoas são afetadas por depressão, 60 milhões afetadas por distúrbio bipolar, 23 milhões afetadas por esquizofrenia e outras psicoses e, por fim, 50 milhões afetadas por demência [3]. 1.2 Sondas Neuronais O primeiro caso documentado do uso de correntes elétricas na tentativa de tratamento de doenças neurológicas, foi realizado em 1757 por Benjamin Franklin em pacientes com paralisia nos membros inferiores [4]. Em 1939, Hodgkin et al. [5] demonstraram pela primeira vez o registo de potenciais de ação no interior de uma fibra nervosa. O registo dos potenciais de ação foi efetuado num axónio gigante (500 µm) de uma lula, com recurso a um microelétrodo. Em 1952, Hodgkin et al. [6] voltaram a dar outro grande contributo com a descrição analítica do mecanismo de excitação dos nervos e a respetiva geração de potenciais de ação. Ao longo dos anos, as sondas neuronais tornaram-se uma ferramenta chave no registo de potenciais de ação dos neurónios, na estimulação de regiões cerebrais específicas e na compreensão do funcionamento do cérebro [7]. Desde 1950, microelétrodos single wire de metal passaram a ser usados consistentemente na gravação de atividade elétrica em ambientes extracelulares. Estes microelétrodos consistem num fio metálico isolado, com exceção da ponta, sendo este o local de registo dos sinais elétricos [7]. Em 1958, Strumwasser [8] registou a descarga de neurónios individuais em esquilos terrestres da Califórnia, por um período de uma semana ou superior, com a implantação de microfios de aço inoxidável isolados, com 80 µm de diâmetro e com isolamento exposto num corte transversal das pontas. Na figura 1.3, pode-se observar uma matriz de microfios de 64 canais. 5 Capítulo 2 Microlentes O presente capítulo apresenta o conceito de microlentes e o estado da arte dos vários métodos de fabrico de microlentes e as suas aplicações. São também descritos os fundamentos teóricos associados às microlentes. 2.1 Refração à Escala Microscópica Uma lente é um dispositivo refrator que reconfigura a propagação de uma energia, tal como a luz UV, luz IV, luz visível, entre outras. A configuração da lente é definida pela remodelação da onda desejada, sendo representado na figura 2.1 um possível sistema ótico. Quando existe uma fonte pontual, S, é muitas vezes desejável direcionar a luz, evitando assim o enfraquecimento e dispersão do feixe de luz, sendo este conceito aplicável a faróis, lanternas, projetores, entre outros. Outra aplicação é quando se deseja focar uma luz com incidência de raios paralelos num ponto específico, a uma distância específica, designados por ponto focal, P, e distância focal, f. [34]. f Figura 2.1: Corte transversal de raios com divergência de Se convergência parcial em P(adaptado de [34]). As microlentes são lentes com diâmetros inferiores a 1 mm, normalmente com dimensões na escala 12 Capítulo 2. Microlentes dos micrómetros [35]. Pode-se ver na figura 2.2 as primeiras microlentes fabricadas em 1988 por Popovic et al . [36], com o objetivo de desenvolver um processo de fabrico capaz de produzir microlentes de alta qualidade, usando materiais comuns no fabrico de circuitos integrados. Com esta nova conquista, foi possível desenvolver um grande número de novas aplicações onde são usadas estas estruturas óticas, reduzindo assim a complexidade elétrica e mecânica dos sistemas existentes. Figura 2.2: Imagem de microscópio de varrimento eletrónico (SEM) do primeiro conjunto de microlentes fabricado por Popovic et al . [36]. 2.2 Estado da Arte As microlentes podem ser fabricadas individualmente ou em conjunto, para um diverso tipo de aplicações que podem ir desde dispositivos de iluminação, conexões óticas, imagiologia, sensorização e, mais recentemente, optogenética [24, 35, 37]. Existem diferentes métodos de fabrico de microlentes: elétricos, mecânicos, químicos e óticos. O método elétrico consiste na aplicação de um campo elétrico a cristais líquidos, alterando assim a sua orientação molecular, o que leva à criação de microlentes com gradiente de índice de refração [38]. Os métodos mecânicos são constituídos pelos métodos de hot embossing [39], dispensador de microgotículas [40] e microlentes líquidas [41]. Os métodos químicos são constituídos pelos métodos de troca iónica [42], wet etching [43] e autoassemblagem de conjuntos de microlentes [44]. Os métodos óticos são constituídos pelos métodos de refluxo térmico de um polímero fotossensível [45], litografia em escala de cinzento [46], técnicas fototérmicas aplicadas a vidro fotossensível [47], técnica de escrita direta [48] e fabricação por laser femtossegundo [49, 50]. 13 Capítulo 2. Microlentes Em 2006, Totsu et al . [46] fabricaram um conjunto de microlentes, apresentado na figura 2.3, através do método de litografia em escala de cinzento. O objetivo era fabricar diversas microestruturas 3D, usando um método de baixo custo e rápido, requisitos muito importantes no desenvolvimento de MEMS. Figura 2.3: Imagem SEM de um conjunto de microlentes fabricadas através de litografia em escala de cinzento por Totsu et al [46]. Em 2017, Ribeiro et al . [51] fabricaram uma microlente em cima de um díodo emissor de luz (LED) para aplicação num microssistema de biopsia ótica, apresentado na figura 2.4. O método de fabrico usado no desenvolvimento da microlente foi o hanging droplet , recorrendo a uma micro pipeta. A microlente permitiu um aumento de 30 % na irradiação, sem aumentar o consumo energético do LED. Figura 2.4: Conjunto microlente e LED para utilização em microssistemas de biopsia ótica (retirado de [51]). Na fabricação de microlentes assimétricas, pode-se salientar três diferentes técnicas por refluxo térmico: (i) inclinação de substratos com diferentes níveis de hidrofilicidade [52], (ii) inclinação de um substrato revestido por dois polímeros fotossensíveis com diferentes temperaturas de transição vítrea ( Tg ) 14 Capítulo 2. Microlentes [53] e (iii) exposição no mask aligner com o substrato inclinado [54]. O método referido em (ii) foi desenvolvido por Hung et al . [53]. Comparativamente aos outros métodos enumerados, apresenta algumas vantagens, tais como: (i) necessita apenas de uma única exposição no mask aligner , devido aos dois polímeros fotossensíveis serem do tipo positivo e (ii) o formato da base do polímero fotossensível com Tg inferior mantém uma forma circular e não desliza durante o processo de refluxo térmico inclinado. O método descrito por Hung et al . foi também usado por Lian et al . [45] na fabricação de microlentes semielipsoidais. O método descrito por Hung et al . [53] encontra-se esquematizado na figura 2.5. O primeiro passo consiste no revestimento do substrato por dois polímeros fotossensíveis com Tg diferentes, sendo o polímero na posição inferior o de Tg superior (figura 2.5a). No passo seguinte é usada uma máscara com padrões circulares na exposição no mask aligner (figura 2.5b). De seguida, é realizada a revelação, formando-se cilindros dos polímeros fotossensíveis (figura 2.5c). Como passo final, o substrato é inclinado para a formação do formato das microlentes assimétricas, através do efeito da gravidade e do refluxo térmico (figura 2.5d e figura 2.5e). Uma vez que o polímero fotossensível inferior tem uma Tg superior, este não irá sofrer o efeito de refluxo térmico, sendo que apenas o polímero fotossensível superior é afetado. O refluxo térmico é um processo de amolecimento térmico das estruturas reveladas em polímero fotossensível, acima da sua Tg . Através de refluxo térmico, estruturas cilíndricas ou esféricas arredondadas de polímero fotossensível são criadas, podendo ser usadas como microlentes. 15 Capítulo 2. Microlentes (a) (b) (c) (d) (e) Figura 2.5: Diagrama esquemático do processo de fabrico de um conjunto de microlentes assimétricas (adaptado de [53]): (a) Revestimento do substrato por dois polímeros fotossensíveis, com Tg diferentes; (b) Processo litográfico para padronização do conjunto de microlentes através de uma máscara; (c) Cilindros de polímeros fotossensíveis após revelação; (d) Microlentes simétricas após refluxo térmico; (e) Microlentes assimétricas após refluxo térmico e inclinação do substrato. Após a criação do molde mestre em polímero fotossensível, segundo o processo desenvolvido por Hung et al . [53], foi criado um molde negativo metálico usando uma técnica de moldagem por eletrodeposição. O molde negativo foi depois usado na criação de uma microlente assimétrica em polydimethylsiloxane (PDMS) com 32° de inclinação, 18 µm de altura e 80 µm de diâmetro, podendo ser observada na figura 2.6. Figura 2.6: Microlente assimétrica em PDMS com uma inclinação de 32° fabricada por Hung et al . [53]. O PDMS é um polímero elastómero muito utilizado na fabricação de MEMS, micro dispositivos fluídicos, biossensores e biochips [55]. A figura 2.7 apresenta estruturas fabricadas em PDMS. A figura 2.7a apresenta canais microfluídicos e a figura 2.7b um micro cantiléver usado como sensor de fluxo. O 16 Capítulo 2. Microlentes PDMS é uma boa escolha para diversas aplicações pelas seguintes razões: (i) boas caraterísticas óticas, (ii) material biocompatível, (iii) boa estabilidade química, (iv) boas propriedades de cura térmica, (v) baixa energia de superfície, (vi) boa flexibilidade mecânica e (vii) fácil replicação através de moldes [51, 56, 57]. Como caraterísticas óticas, salienta-se o seu índice de refração, n, entre os comprimentos de onda da luz de 350 nm e os 700 nm de 1,4 e a elevada transmitância ótica acima dos 280 nm [51, 56, 58]. (a) (b) Figura 2.7: Exemplos de estruturas fabricadas em PDMS: (a) Canais microfluídicos (retirado de [56]); (b) Micro cantiléver usado como sensor de fluxo (retirado de [59]). O PDMS é um material indicado para efetuar a fácil replicação de estruturas através de moldes negativos, devido à sua flexibilidade mecânica e baixa energia de superfície [51, 56, 57, 60]. Em 2016, Sun et al . [57] usaram o PDMS como material do molde negativo no fabrico de um conjunto de microlentes em resina curável por luz UV. Na figura 2.8 encontra-se esquematizado o processo de criação de microlentes em resina curável por luz UV, através de moldes negativos em PDMS. Começa-se pela criação do molde negativo ao verter o PDMS no molde mestre em polímero fotossensível, fabricado anteriormente (figura 2.8a). Segue-se uma cura do molde negativo e sua respetiva desmoldagem, sendo o molde negativo criado (figura 2.8b). Subsequentemente, é vertido no molde negativo resina, sendo esta curada através de uma lâmpada de luz UV (figura 2.8c). Como passo final, efetua-se a desmoldagem do molde negativo da resina, criando as réplicas de microlentes desejadas (figura 2.8d). 17 Capítulo 2. Microlentes (a) (b) (c) (d) Figura 2.8: Esquemático do processo de criação de microlentes em resina curável por luz UV, através de moldes negativos em PDMS (adaptado de [57]): (a) Criação do molde negativo em PDMS através do molde mestre; (b) Cura e desmoldagem do molde negativo em PDMS; (c) Cura da resina vertida no molde negativo em PDMS através de luz UV; (d) Microlentes em resina criadas depois da desmoldagem do molde negativo em PDMS. Como resultado final do processo desenvolvido por Sun et al . [57], pode-se observar na figura 2.9 o conjunto de microlentes fabricadas. Figura 2.9: Conjunto de microlentes fabricadas por Sun et al . [57]. 18 Capítulo 2. Microlentes 2.3 Fundamentos Teóricos 2.3.1 Refração em Superfícies Esféricas A primeira consideração a ter em design ótico é a Lei da Refração, também conhecida por Snell’s Law , proposta por Willebrord Snel van Royen em 1621 e mais tarde deduzida por René Descartes, representada pela seguinte equação: nisin θi=ntsin θt(2.1) em que nirepresenta o índice de refração do meio de imersão, ntrepresenta o índice de refração do meio de transmissão, θirepresenta o ângulo da luz incidente com uma linha imaginária perpendicular à interface dos dois meios e θtrepresenta o ângulo da luz com uma linha imaginária perpendicular à interface dos dois meios no meio de transmissão. Esta lei representa o desvio do percurso que a luz sofre, devido ao fenómeno de refração, quando esta encontra um meio com um índice de refração n diferente do meio que estava a percorrer anteriormente (figura 2.10) [34]. Ar Água qi qt ni nt xi xt Figura 2.10: Esquemático de Descartes para deduzir a Lei da Refração (adaptado de [34]). Quando um raio de luz encontra um meio ótico com um índice de refração maior, ni< nt, este sofre um desvio em direção à perpendicular. Quando o raio de luz encontra um meio ótico com um índice de refração menor, ni> nt, este afasta-se em relação à perpendicular [34]. A figura 2.11 representa uma onda com origem em Sa incidir numa superfície esférica de raio R, 19 Capítulo 2. Microlentes centrada em C. O ponto Vé designado por vértice da superfície, o comprimento so=SV é designado por distância do objeto e o comprimento si=V P é designado por distância da imagem. O raio SA vai sofrer uma refração ao interagir com a superfície esférica, sendo redirecionado na direção do eixo ótico, com convergência em P, devido ao índice de refração n2ser superior ao índice de refração n1. Segundo o Princípio de Fermat, um raio de luz com origem num ponto Se destino num ponto P, deve percorrer uma distância de caminho ótico ( OPL ) que é estacionária com respeito às variações dessa mesma distância, isto é, a sua derivada em relação à variável de posição será zero [34]. Logo, o OPL do raio SA será representado pela seguinte equação: OP L =n1lo+n2li(2.2) Usando a lei do cosseno nos triângulos SAC eACP , em conjunto com cos ϕ=−cos(180°−ϕ), obtém-se lo= [R2+ (so+R)2−2R(so+R)cos ϕ]1/2 e li= [R2+ (si−R)2+ 2R(si−R)cos ϕ]1/2 OOP L pode ser reescrito como OP L =n1[R2+ (so+R)2−2R(so+R)cos ϕ]1/2 +n2[R2+ (si−R)2+ 2R(si−R)cos ϕ]1/2 C V SP si A so n2 n1 R h qi qr qt j lo li Figura 2.11: Esquemático da refração de uma onda, com origem em Se convergência em P, numa superfície esférica (adaptado de [34]). 20 Capítulo 2. Microlentes Todas as variáveis na figura 2.11 são positivas, o que serve como base para a convenção sinalética a usar, descrita na tabela 2.1. À medida em que o ponto Ase desloca, mantendo um raio fixo (R= constante), ϕé a variável de posição, levando a que d(OP L)/dϕ = 0, e aplicando o Princípio de Fermat obtém-se, n1R(so+R)sin ϕ 2lo −n2R(si−R)sin ϕ 2li = 0 (2.3) simplificando n1 lo +n2 li =1 Rn2si li −n1so lo(2.4) Apesar de a equação 2.4 estar correta, ela é demasiado complicada. Se Afor movido para uma nova localização através da mudança de ϕ, o novo raio de luz não irá intercetar o eixo ótico em P. Sabendo que cos ϕ= 1 −ϕ2 2! +ϕ4 4! −ϕ6 6! +. . . (2.5) e sin ϕ=ϕ−ϕ3 3! +ϕ5 5! −ϕ7 7! +. . . (2.6) Assumindo valores pequenos de ϕ(Aperto de V), cos ϕ≈1. Consequentemente, as expressões para loeliresultam em lo≈so,li≈si, dando origem à seguinte aproximação: n1 so +n2 si =n2−n1 R(2.7) A equação 2.7 poderia ter sido derivada também a partir da Snell’s Law em vez do Princípio de Fermat, neste caso, valores pequenos de ϕlevaria a sin ϕ≈ϕe chegaria-se outra vez à equação 2.7. Esta aproximação estipula o domínio do que é chamado de teoria de primeira-ordem. Os raios de luz que chegam com ângulos rasos em relação ao eixo ótico, sendo ϕehapropriadamente pequenos, são denominados de raios paraxiais. A pequena área onde se encontram os raios paraxiais é denominada de região paraxial. Em 1841, Gauss, foi o primeiro a demonstrar a formação de imagens segundo a aproximação aqui descrita, sendo esta conhecida por diferentes nomes: primeira-ordem, paraxial, ou Ótica Gaussiana [34]. 21 Capítulo 2. Microlentes 2.3.4.3 Estigmatismo Quando um objeto se encontra a uma distância considerável do eixo ótico, o cone de raios de luz incidente irá atingir a lente de uma forma assimétrica, criando assim estigmatismo. Na figura 2.18 está representado um esquema para uma fácil compreensão desta aberração. No plano tangencial pode ser encontrado o raio principal, raios tangenciais e o eixo ótico da lente. O plano sagital, perpendicular ao plano tangencial, contém o raio principal e os raios sagitais. Ao contrário do plano tangencial, o plano sagital muda de inclinação à medida que o raio principal é inclinado. Devido a esta distribuição dos raios, a distância focal nos dois planos é diferente, sendo os meridionais os raios com uma distância focal menor, devido à sua inclinação [34]. Devido à existência de duas distâncias focais, o cone de raios de luz incidente irá obter uma forma alterada após ser refratado. A forma do corte transversal do cone imediatamente após a passagem pela lente é circular, mas à medida que avança pelo plano sagital toma uma forma elíptica até ao foco tangencial, FT, onde degenera numa “linha”. Todos os raios do objeto atravessam esta “linha”, denominada de imagem primária. Após a imagem primária, os raios abrem até tomarem, novamente, uma forma circular em ΣLC. Afastando-se ainda mais da lente, o cone dos raios de luz volta a degenerar numa “linha”, designada de imagem secundária, no foco sagital, FS[34]. Raio principal FT FS SLC S Imagem primária Imagem secundária Plano sagital Plano tangencial Si Figura 2.18: Representação esquemática de estigmatismo (adaptado de [34]). 2.3.4.4 Curvatura de Campo Um objeto planar normal ao eixo ótico forma, aproximadamente, uma imagem plana exclusivamente na região paraxial. A superfície curva formada pela imagem não estigmática é a manifestação da aberração curvatura de campo. Na figura 2.19, o segmento do objeto esférico σoforma o segmento esférico σi, ambos centrados em O. Se se achatar o plano σono plano σ0 o, cada ponto da imagem move-se na direção da lente ao longo do raio principal, formando uma superfície paraboloide denominada de superfí28 Capítulo 2. Microlentes cie Petzval, ΣP. Numa lente convexa, ΣPcurva para o interior na direção do plano do objeto. Para uma lente côncava, ΣPcurva para fora na direção oposta do plano do objeto. A distância ∆x, a uma altura yi, é dada por, ∆x=yi2 2 m X j=1 1 njfj (2.13) onde njefjsão os índices de refração e distâncias focais de mlentes finas que formam o sistema ótico [34]. Fi O si SP Dx s'O sOyi Plano de imagem paraxial Figura 2.19: Representação esquemática da aberração curvatura de campo (adaptado de [34]). Na figura 2.20a, pode-se observar a imagem formada numa superfície plana perto do plano de imagem paraxial, focada apenas no centro. Na figura 2.20b, a superfície foi movida para mais perto da lente, o que leva a focar os seus limites [34]. (a) (b) Figura 2.20: Efeito de curvatura de campo numa superfície plana: (a) Superfície plana perto do plano de imagem paraxial; (b) Superfície plana mais perto da lente (adaptado de [34]). 29 Capítulo 2. Microlentes A curvatura de campo e estigmatismo são aberrações intimamente relacionadas. Quando o estigmatismo está presente, irão-se formar duas superfícies paraboloides, a tangencial, ΣT, e sagital, ΣS, representadas na figura 2.21. ΣTeΣSsão as parábolas de todas as imagens primárias e secundárias, respetivamente, à medida que o objeto se desloca no próprio plano. Não havendo estigmatismo, ΣTe ΣSjuntam-se em ΣP[34]. Fi O Plano de foco paraxial SP SS ST S Figura 2.21: Representação das superfícies de imagem tangencial, sagital e Petzval (adaptado de [34]). 2.3.4.5 Distorção A distorção surge porque diferentes áreas da lente possuem diferentes distâncias focais e diferentes magnificações. Na ausência de qualquer uma das outras aberrações, a distorção é manifestada pela deformação da imagem num todo, mesmo assim, com cada ponto focado corretamente. Se se visualizar uma matriz quadrangular num sistema ótico onde está presente deformação positiva, o resultado pode ser observado na figura 2.22b. Neste caso, cada ponto da imagem é deslocado radialmente para fora desde o centro. No caso de um sistema ótico com distorção negativa, cada ponto da imagem é deslocado radialmente na direção do centro, como pode ser visto na figura 2.22c [34]. 30 Capítulo 2. Microlentes (a) (b) (c) Figura 2.22: Efeito de distorção numa matriz quadrangular: (a) Matriz quadrangular sem distorção; (b) Matriz quadrangular sob efeito efeito de distorção positiva; (c) Matriz quadrangular sob efeito efeito de distorção negativa (adaptado de [34]). 2.3.4.6 Aberração Cromática A aberração cromática surge quando é usada luz policromática. Como a equação 2.9 está em função do índice de refração, que por sua vez varia com o comprimento de onda, a distância focal vai variar com os diferentes comprimentos de onda. Em geral, o índice de refração diminui com o comprimento de onda ao longo do espetro da luz visível, o que faz com que a distância focal aumente com o comprimento de onda. Na figura 2.23a pode-se verificar que numa luz branca colimada, as cores que a compõem, focam em diferentes pontos ao longo do eixo ótico. A distância axial entre dois pontos focais que abrangem uma gama de frequências é designada por aberração cromática axial (ACA). A imagem de um objeto descentrado irá ser formada a diferentes distâncias focais e a diferentes distâncias verticais do eixo ótico. Essa distância vertical designa-se por aberração cromática lateral (LCA), que pode ser vista na figura 2.23b [34]. Azul Vermelho Vermelho Azul ACA Luz branca colimada Luz branca colimada FAFV (a) Vermelho Azul LCA Luz branca pontual FA FV (b) Figura 2.23: Representação de aberração cromática: (a) Aberração cromática axial; (b) Aberração cromática lateral (adaptado de [34]). 31 Capítulo 3 Simulações FEM de Microlentes O presente capítulo apresenta as simulações FEM de dois modelos de microlentes simétricas e um modelo de microlente assimétrica. 3.1 Pré-requisitos das Simulações Antes e durante a otimização do primeiro processo de fabrico das microlentes, foram realizadas diferentes simulações através do método de elementos finitos (FEM) no software COMSOL Multiphysics . Estas simulações, que irão ser apresentadas de seguida, serviram para determinar a altura necessária de uma microlente em PDMS, com uma base de 75 µm de diâmetro, capaz de colimar a luz azul emitida por um microLED, ELC-470-34 da Roithner LaserTechnik , com as dimensões 310 µm x 85 µm x 280 µm [62]. Optou-se pelo microLED ELC-470-34 pois este emite luz monocromática azul, necessária para a realização da fotoestimulação da opsina ChR2, possui um ângulo de emissão relativamente pequeno, o que facilita a colimação da luz, e possui reduzidas dimensões, requisito essencial para ser integrado numa sonda neuronal. A escolha do diâmetro da base da microlente na simulação deveu-se à correspondência do menor diâmetro de padrões circulares possível para se obter uma impressão em fotolito com boa qualidade, usado no processo de fotolitografia. Com este valor de diâmetro selecionado, a utilização de uma matriz de microlentes com dimensões reduzidas no topo do microLED, em vez de uma única microlente com uma altura e um diâmetro muito mais elevado, é capaz de colimar a luz emitida pelo microLED. As simulações serviram também para a determinação da trajetória da luz, potência da luz, irradiância da luz e distância focal das microlentes. Antes da simulação ser efetuada, foi necessário determinar o equivalente do microLED selecionado a 32 Capítulo 3. Simulações FEM de Microlentes usar na simulação. As caraterísticas necessárias do microLED para a sua simulação são o comprimento de onda de luz (λ) emitida, ângulo de emissão, número de raios de luz e potência ótica, também designado por fluxo radiante. Como o documento técnico do microLED só fornece a intensidade luminosa (Iv) em candelas (cd) [62], teve de se proceder à conversão de Ivpara fluxo luminoso (φv) em lúmen (lm) através da seguinte equação: φv=IvΩ(3.1) onde Ωrepresenta o ângulo sólido em esterradianos (sr) e é obtido através da seguinte equação: Ω = 2π(1 −cos θ)(3.2) onde θrepresenta metade do ângulo de emissão do microLED [63]. Ao introduzir o valor de θ, 17°, na equação 3.2 e de seguida Iv, 280 mcd [62], na equação 3.1, obtém-se um φvde 76,873 mlm. Com o φvdeterminado, foi necessário proceder à determinação do fluxo radiante (φe) em watt (W) do microLED através da seguinte equação: φe=φv 683V(λ)(3.3) onde V(λ)representa a curva espectral da eficiência luminosa fotópica, que indica a resposta espectral do olho humano a vários comprimentos de onda, e a constante 683 corresponde a 683 lm/W de eficácia luminosa fotópica máxima, para uma luz monocromática com um λde 555 nm [63]. Consultando então os valores de V(λ), um λde 470 nm corresponde a 0,090980 [64]. Ao introduzir os valores obtidos do φveV(λ)na equação 3.3, obtém-se um φede 1,2371 mW. Para a simulação da distribuição de luz do microLED, com um ângulo de emissão de 34°, foi escolhida uma distribuição cónica de 10.000 raios de luz, capaz de atingir toda a base da microlente. Os parâmetros necessários para uma distribuição cónica são o ângulo do cone e a sua origem. O parâmetro do ângulo do cone, 34°, foi convertido para radianos, 17π/90, para poder ser introduzido corretamente na simulação. Para a determinação da origem recorreu-se à equação trigonométrica da tangente: tan α=CO CA (3.4) onde αrepresenta o ângulo do cone, CO o raio da microlente e CA a distância a que se encontra a 33 Capítulo 3. Simulações FEM de Microlentes origem. Introduzindo os valores de CO, 37,5 µm, e de α, 34°, na equação 3.4, obtém-se um CA de 55,596 µm. 3.2 Microlentes Simétricas Para a simulação das microlentes simétricas, foram desenhadas no software SOLIDWORKS dois modelos de microlentes. Ambos os modelos possuem uma base com um diâmetro de 75 µm (figura 3.1a) e 1,14 µm de espessura (figura 3.1b e figura 3.1c). O primeiro modelo contém uma altura de 10 µm (figura 3.1d), enquanto que o segundo modelo contém altura de 40 µm (figura 3.1e). As dimensões apresentadas na figura 3.1b e na figura 3.1d representam as espessuras esperadas dos polímeros fotossensíveis selecionados segundo os seus datasheets [65, 66], para as configurações do primeiro processo fotolitográfico desenvolvido. As dimensões apresentadas na figura 3.1c e na figura 3.1e representam as espessuras esperadas dos polímeros fotossensíveis selecionados segundo os seus datasheets [65, 67], para as configurações do segundo processo fotolitográfico, antes de ser selecionado um novo polímero fotossensível como base. (a) (b) (c) (d) 34 Capítulo 3. Simulações FEM de Microlentes (e) Figura 3.1: Dimensões de dois modelos de microlentes simétricas desenhadas em SOLIDWORKS : (a) Base com 75 µm de diâmetro; (b) Base com 1,14 µm de espessura do primeiro modelo; (c) Base com 1,14 µm de espessura do segundo modelo; (d) Microlente com altura de 10 µm; (e) Microlente com altura de 40 µm. 3.2.1 Microlentes Simétricas em PDMS com Altura de 10 µm e Diâmetro de 75 µm Após o desenho do primeiro modelo de microlente, o seu design foi importado para o COMSOL Multiphysics e realizado um estudo do traçado dos raios de luz, numa interface de ótica geométrica. Foi adicionada uma malha extremamente fina ao modelo, com parâmetros de tamanho máximo de elementos de 5 µm, tamanho mínimo de elementos de 0,02 µm, taxa máxima de crescimento de elementos de 2 e fator de curvatura de 0,1 (figura 3.2). Como material para a microlente, foi escolhido o PDMS, com um n=1,4399 para um λde 470 nm, e um n=1 para todos os domínios exteriores, representados por ar. Figura 3.2: Malha aplicada ao modelo de microlente com altura de 10 µm e diâmetro de 75 µm. 35 Capítulo 3. Simulações FEM de Microlentes A fonte de luz azul não polarizada foi configurada para um distribuição cónica com densidade uniforme, 10.000 raios de luz, α=17π/9, φe=1,2371 mW e origem em −55,596 µm. Como resultado da simulação obteve-se um traçado dos raios de luz representado na figura 3.3a e figura 3.3b. Através da análise dos resultados obtidos, pode-se concluir que uma microlente em PDMS com altura de 10 µm e diâmetro de 75 µm, apesar de provocar um desvio na trajetória da luz, esta não é capaz de cumprir o requisito de colimar a luz. (a) (b) Figura 3.3: Resultado da simulação de traçado dos raios de luz de uma microlente em PDMS com altura de 10 µm e diâmetro de 75 µm: (a) Traçado dos raios de luz com uma expressão de cor de distância percorrida; (b) Traçado dos raios de luz com uma expressão de cor de potência ótica. Foi realizada também uma simulação para a determinação da distância focal da microlente em PDMS com altura de 10 µm e diâmetro de 75 µm. Como fonte de luz, foi selecionada a base da microlente como superfície iluminadora, pois esta cria uma fonte de luz colimada. Sendo criada uma luz colimada, esta é refratada pela microlente e focada a uma certa distância, sendo criado o círculo de menor confusão na distância focal da microlente. Após a simulação, foi obtida uma distância focal de 143 µm, representada na figura 3.4a e figura 3.4b. 36 Capítulo 3. Simulações FEM de Microlentes (a) (b) Figura 3.4: Resultado da simulação para a determinação da distância focal de uma microlente em PDMS com altura de 10 µm e diâmetro de 75 µm: (a) Traçado dos raios de luz com uma expressão de cor de distância percorrida; (b) Traçado dos raios de luz com uma expressão de cor de potência ótica até à distância focal obtida de 143 µm. Após a distância focal ter sido obtida, foi colocado um detetor circular a esta distância para a obtenção dos valores de irradiância (Ee) na sua superfície. Foi aplicado ao detetor uma malha extremamente fina, com tamanho máximo de elementos de 1,35 µm (figura 3.5a). Os resultados obtidos no detetor mostram um círculo de menor confusão com diâmetro aproximado de 8 µm, uma irradiância máxima no seu centro de 1,11 ×108W/m2e mínima nos seus limites exteriores de aproximadamente 0,2×108W/m2(figura 3.5b). (a) (b) Figura 3.5: Resultado da simulação de irradiância num detetor posicionado à distância focal de uma microlente em PDMS com altura de 10 µm e diâmetro de 75 µm: (a) Malha e posição do detetor mais a microlente; (b) Distribuição de valores de irradiância obtidos no detetor. 37 Capítulo 3. Simulações FEM de Microlentes valores de irradiância na sua superfície (figura 3.15a). Devido à inclinação da microlente, os resultados obtidos no detetor mostram a formação de uma imagem comática, descrita na secção 2.3.4.2, com uma irradiância máxima de 6,26 ×106W/m2(3.15b). (a) (b) Figura 3.15: Resultado da simulação de irradiância num detetor posicionado à distância focal de uma microlente assimétrica: (a) Malha e posição do detetor mais a microlente; (b) Distribuição de valores de irradiância obtidos no detetor. 44 Capítulo 4 Metodologia Este capítulo apresenta as diferentes metodologias utilizados no fabrico das microlentes, desde a conceção de moldes mestres em polímero fotossensível até a obtenção de microlentes em PDMS. São também descritos os diferentes métodos usados na caraterização física e ótica das estruturas fabricadas, incluindo as microlentes. 4.1 Fabrico das Microlentes No processo de desenho e fabrico das microlentes, recorreu-se a três diferentes técnicas de microfabricação. A fotolitografia e o refluxo térmico para a criação do molde mestre em polímero fotossensível e a moldagem de réplicas para a obtenção do molde negativo e o desejado resultado final, as microlentes. 4.1.1 Fotolitografia A fotolitografia é um processo de padronização no qual um polímero fotossensível é exposto seletivamente à luz, por utilização de uma máscara, deixando uma imagem latente no polímero que pode ser dissolvida seletivamente, proporcionando o acesso ao substrato de base [68]. Existem três tipos de polímeros fotossensíveis, positivo, negativo e inversão de imagem. No polímero fotossensível positivo, as partes expostas à luz tornam-se solúveis durante a sua revelação. Contrariamente, o polímero fotossensível negativo quando exposto à luz, torna-se insolúvel na revelação. O polímero fotossensível de inversão de imagem pode comporta-se como positivo ou negativo. Ao ser aplicada uma cura pós-exposição (PEB) este comporta-se como negativo durante a revelação. Se a PEB não for aplicada, comporta-se como positivo. Com estes diferentes tipos de comportamentos de polímeros fotossensíveis, um padrão numa máscara 45 Capítulo 4. Metodologia cria diferentes tipos de resultados durante a revelação, representados na figura 4.1. A fotolitografia pode ser efetuada por diferentes tipos de técnicas dependentes na fonte de luz usada. As fontes de luz mais convencionais são as seguintes: (i) radiação UV para litografia ótica, (ii) raios-X para litografia galvânica (LIGA) e (iii) feixe de eletrões ou feixe de iões para litografia por feixe de partículas [69]. Exposição Cura Pós-Exposição Exposição (sem máscara) Revelação Máscara Polímero fotossensível positivo Substrato Luz UV Máscara Polímero fotossensível negativo Substrato Luz UV Máscara Polímero fotossensível de inversão Substrato Luz UV Zona de ligação cruzada Invertido Modo Positivo Modo Negativo Figura 4.1: Esquemático da sequência de processo de polímeros fotossensíveis positivos (esquerda), negativos (centro) e inversão de imagem (direita) nos dois modos de funcionamento (adaptado de [70]). O processo de fotolitografia usado na criação do molde mestre em polímero fotossensível dividiu-se nas seguintes etapas: (i) limpeza do substrato, (ii) revestimento do substrato com polímero fotossensível, (iii) cura do polímero fotossensível, (iv) exposição do polímero fotossensível por luz UV, (v) PEB do polímero fotossensível e (vi) revelação. A limpeza do substrato de vidro foi efetuada através de um processo de duas etapas. A primeira etapa consistiu na imersão do substrato num banho de acetona com agitação ultrassónica (figura 4.2) para a remoção de impurezas orgânicas, seguida de uma limpeza com isopropanol (IPA), com o objetivo de remover os resíduos de acetona que podem deixar marcas no substrato [70]. 46 Capítulo 4. Metodologia Figura 4.2: Banho ultrassónico usado na remoção de impurezas orgânicas do substrato. O revestimento do substrato de vidro por polímero fotossensível foi realizado através de um equipamento de spin coating Polos Spin150i da SPS (figura 4.3). Através da programação dos parâmetros de velocidade, aceleração e tempo, é possível fazer o revestimento do substrato com polímero fotossensível com diferentes espessuras. Figura 4.3: Equipamento de spin coating Polos Spin150i da SPS usado no revestimento do substrato por polímero fotossensível. Após o revestimento do substrato, o filme de polímero fotossensível contém uma concentração resi47 Capítulo 4. Metodologia dual de solvente típica de 10 %–35 %, dependendo da espessura do filme e do solvente. Os objetivos da cura são: tornar o polímero fotossensível sensível à luz UV, reduzir a concentração do solvente residual para evitar a contaminação e a aderência da máscara ao polímero fotossensível, prevenir a criação de bolhas de azoto durante a exposição do polímero fotossensível, promover a aderência do polímero fotossensível ao substrato, minimizar a erosão das zonas não expostas durante a revelação, e por fim, permitir múltiplos revestimentos sem a dissolução de outros polímeros fotossensíveis que possam estar presentes no substrato [70]. A cura do polímero fotossensível foi realizada numa placa de aquecimento Präitherm PZ23-2 da Harry Gestigkeit GmbH (figura 4.4). Figura 4.4: Placa de aquecimento Präitherm PZ23-2 da Harry Gestigkeit GmbH usada na cura do polímero fotossensível. Durante a exposição de polímeros fotossensíveis positivos baseados em diazonaftoquinona (DNQ) e polímeros fotossensíveis de inversão de imagem ocorre uma fotorreação onde o fotoiniciador, o sulfonato de DNQ, é convertido em ácido carboxílico indeno com a libertação de azoto e absorção de água. Na exposição de polímeros fotossensíveis positivos não baseados em DNQ, é apenas criado ácido sulfônico, fazendo com que o processo seja mais simples e rápido, mesmo com filmes de polímeros fotossensíveis espessos. Ao completar a fotorreação, as zonas expostas tornam-se solúveis durante a revelação, sendo assim transferidos os padrões das máscaras para o polímero fotossensível. A espessura do filme de polímero fotossensível, a profundidade de penetração da luz e o tempo de exposição, determinam o perfil de profundidade da dose de luz recebida. No caso dos filmes finos de polímeros fotossensíveis, filmes com uma espessura menor que a profundidade de penetração da luz usada, ocorre uma exposição praticamente homogénea. Um aumento na dose de luz até à conversão completa do fotoiniciador, resulta numa maior, mas maioritariamente homogénea, taxa de revelação até o substrato. No caso dos filmes espessos de polímeros fotossensíveis, filmes com uma espessura muito maior que a profundidade de penetração 48 Capítulo 4. Metodologia da luz usada, estes filmes absorvem apenas nos micrómetros superiores durante o início da exposição, causando a descoloração do polímero fotossensível e a orientação da luz até profundidades superiores na direção do substrato, ao longo da exposição. Neste caso, a espessura de polímero fotossensível capaz de ser revelada, aumenta de um modo aproximadamente linear com a dose de exposição [70]. Os dois comportamentos descritos podem ser vistos na figura 4.5. A exposição do polímero fotossensível foi efetuada com o equipamento Karl Suss MJB3 com uma lâmpada de vapor de mercúrio de 350 W, num comprimento de onda de luz UV de 365 nm (figura 4.6). Luz UV Polímero fotossensível não exposto Substrato Polímero fotossensível exposto Luz UV Polímero fotossensível não exposto Substrato Polímero fotossensível exposto Polímero fotossensível exposto Polímero fotossensível não exposto Luz UV Luz UV Luz UV Luz UV Luz UV Luz UV Figura 4.5: Comportamento dos polímeros fotossensíveis finos (linha superior) e espessos (linha inferior) quando expostos a luz UV (adaptado de [70]). Figura 4.6: Equipamento Karl Suss MJB3 usado na exposição do polímero fotossensível. Existem polímeros fotossensíveis positivos que completam a fotorreação durante a exposição à luz UV. No entanto, existem outros polímeros fotossensíveis positivos, quimicamente amplificados, que necessitam de uma cura extra, denominada por PEB, para completar a fotorreação iniciada durante a exposição. Os polímeros fotossensíveis de inversão de imagem necessitam de uma PEB, usualmente referido por passo de inversão de imagem, para inverter as zonas expostas, tornando-as assim insolúveis durante a 49 Capítulo 4. Metodologia revelação. No caso dos polímeros fotossensíveis negativos, uma PEB é necessária para criar a zona de ligação cruzada, iniciada durante a exposição, tornando-a assim insolúvel durante a revelação [70]. Após a fotorreação estar completa, é criada uma imagem latente no polímero fotossensível, com o padrão da máscara usada. As áreas expostas diferem quimicamente das áreas não expostas. O propósito da revelação é dissolver as áreas expostas, no caso dos polímeros fotossensíveis positivos, ou não expostas, no caso dos polímeros fotossensíveis negativos, mergulhadas numa solução aquosa alcalina, resultando nas estruturas desejadas [70]. A etapa de revelação foi realizada numa placa de aquecimento e agitação magnética Agimixt da JP Selecta (figura 4.7). Figura 4.7: Placa de aquecimento e agitação magnética Agimixt da JP Selecta usada na revelação do polímero fotossensível. 4.1.1.1 Fotolitografia com os Polímeros Fotossensíveis AZ®4562 e AZ®5214E No fabrico do primeiro molde mestre foram utilizados dois polímeros fotossensíveis já disponíveis no laboratório. Na deposição do primeiro filme, foi usado o polímero fotossensível de inversão de imagem AZ®5214E da MicroChemicals , no modo de funcionamento positivo [65]. A escolha do AZ®5214E deveu-se às suas caraterísticas de estabilidade térmica até uma temperatura aproximada de 130 ◦C e a criação de filmes com espessuras que variam entre os 1 µm–2 µm. Para a deposição do segundo filme, foi usado o polímero fotossensível positivo AZ®4562 da MicroChemicals [66]. A seleção do AZ® 4562 deveu-se à sua capacidade de criar filmes com espessuras que variam entre os 5 µm–10 µm e ser possível efetuar refluxo térmico a partir dos 110 ◦C [70]. Após a otimização das várias etapas do 50 Capítulo 4. Metodologia processo fotolitográfico do conjunto AZ®4562 e AZ®5214E , foi obtida uma receita que produz quatro moldes mestres em simultâneo, com o objetivo de comprovar a sua reprodutibilidade. A primeira etapa do processo fotolitográfico consistiu na limpeza dos substratos de vidro usados na deposição dos polímeros fotossensíveis. Os substratos foram imersos num banho de acetona com agitação ultrassónica durante 20 minutos a uma temperatura de 40 ◦C. Após o banho com agitação ultrassónico, a acetona foi removida dos substratos com a sequência: água destilada/IPA/água destilada. A secagem dos substratos foi realizada com azoto, seguida de 20 minutos a 110 ◦C na placa de aquecimento. Após a limpeza dos substratos de vidro, procedeu-se à deposição do filme de AZ®5214E , para se obter uma espessura de 1,14 µm de polímero fotossensível. A espessura desejada foi conseguida através da introdução dos parâmetros de configuração da tabela 4.1 no equipamento de spin coating e na medição de 3 mL de polímero fotossensível num gobelé, sendo de seguida vertido calmamente e continuamente em cada substrato de vidro, de forma a não criar bolhas de ar. Tabela 4.1: Parâmetros de configuração do equipamento de spin coating para obter um filme de 1,14 µm de espessura de AZ®5214E . Parâmetros Primeiro Passo Segundo Passo Velocidade (rpm) 3000 6000 Aceleração (rpm/s) 3820 3820 Tempo (s) 8 22 Com a deposição efetuada, foi necessário tornar o filme de AZ®5214E sensível à luz UV e promover a sua aderência ao substrato de vidro, através da realização de uma cura. As amostras foram colocadas na placa de aquecimento durante 10 minutos a 110 ◦C. Devido ao filme de AZ®5214E ser agora sensível à luz UV, todo o processo de agora em diante, foi realizado só com uma lâmpada com filtro de luz UV, para não haver exposição indesejada do filme. Após esta primeira cura, passou-se à deposição do polímero fotossensível AZ®4562 , para se obter uma espessura de 10 µm. A espessura desejada foi conseguida através da introdução dos parâmetros de configuração da tabela 4.2 no equipamento de spin coating e na medição de 3 mL de polímero fotossensível num gobelé, sendo de seguida vertido calmamente e continuamente em cada amostra, já revestida com um filme de AZ®5214E . 51 Capítulo 4. Metodologia Tabela 4.2: Parâmetros de configuração do equipamento de spin coating para obter um filme de 10 µm de espessura de AZ®4562 . Parâmetros Primeiro Passo Segundo Passo Velocidade (rpm) 500 1000 Aceleração (rpm/s) 2865 2865 Tempo (s) 3 27 Devido à espessura e viscosidade do filme de AZ®4562 , procedeu-se a uma evaporação de solventes durante 45 minutos numa caixa metálica com uma tampa furada, dentro de uma câmara limpa. Posteriormente, as amostras foram colocadas na placa de aquecimento durante 10 minutos a 110 ◦C, para tornar o filme de AZ®4562 sensível à luz UV. Como o AZ®4562 é um polímero fotossensível positivo baseado em DNQ e o AZ®5214E é um polímero fotossensível de inversão de imagem, estes necessitam de uma certa quantidade de água para completar a fotorreação durante a exposição, que lhes foi retirada durante as etapas de cura. Assim, as amostras foram colocadas dentro de uma caixa metálica tapada durante 30 minutos a reidratar. Foram criadas várias máscaras em fotolito contendo matrizes de padrões circulares com diferentes diâmetros. Optou-se por usar uma máscara constituída por matrizes de padrões circulares, com 75 µm de diâmetro e diferentes espaçamentos entre os seus elementos. A utilização desta máscara teve em conta o menor diâmetro de padrões circulares possível para se obter uma impressão em fotolito com boa qualidade. A máscara final pode ser observada na figura 4.8. Como um dos polímeros fotossensíveis é positivo e o outro é um polímero fotossensível de inversão de imagem a funcionar no modo positivo, os padrões circulares foram preenchidos a preto para isolar o polímero fotossensível da luz UV, deixando assim uma imagem latente dos mesmos, após uma exposição de 114 segundos à luz UV. 52 Capítulo 4. Metodologia 200 mm 150 mm75 mm50 mm 100 mm 250 mm 300 mm ø 75 mm Figura 4.8: Máscara utilizada no processo fotolitográfico com padrões circulares com 75 µm de diâmetro impressa em fotolito. Os valores no topo da máscara indicam o espaçamento entre os padrões circulares dentro da sua respetiva matriz. A etapa final foi a revelação dos polímeros fotossensíveis. Para efetuar a revelação das áreas expostas à luz UV e obter os cilindros em polímero fotossensível (figura 4.9), foi usado o revelador AZ®400K da MicroChemicals . Foi preparada uma solução composta por 50 mL de AZ®400K diluídos em 200 mL de água destilada. As amostras foram mergulhadas nesta solução e colocadas num agitador magnético para garantir uma revelação uniforme. A temperatura a que se encontra a solução é um fator crítico na taxa de revelação, sendo mantida uma temperatura constante (±1◦C), numa gama de 20 ◦C–25 ◦C. A revelação foi realizada durante 6 minutos, em ciclos de 30 segundos. Ao fim de cada ciclo, as amostras foram enxaguadas com água desionizada para remover restos de polímero fotossensível revelados. Depois da revelação total das áreas expostas, as amostras foram limpas com água desionizada, secas com azoto e guardadas individualmente em caixas de Petri, devidamente identificadas com o número da amostra e processo fotolitográfico. Substrato de Vidro ® AZ 5214E ® AZ 4562 ® AZ 5214E ® AZ 4562 10 mm 1,14 mm Figura 4.9: Estruturas cilíndricas obtidas no fim do processo fotolitográfico com os polímeros AZ®4562 e AZ® 5214E . Conclui-se assim a primeira etapa da criação do molde mestre para o fabrico das microlentes. Na figura 4.10 está representado o esquemático do processo fotolitográfico, recorrendo a um corte transversal 53 Capítulo 4. Metodologia 0 5 10 15 20 25 30 35 40 60 80 100 120 140 10 min a 130 ◦C Tempo (min) Temperatura (◦C) Figura 4.15: Perfil térmico usado na placa de aquecimento para o refluxo térmico do AZ®4562 . A aplicação do perfil térmico da figura 4.15 ao molde mestre fabricado em AZ®4562 e AZ®5214E da figura 4.16a, levou à obtenção de um novo molde mestre representado na figura 4.16b. Substrato de Vidro ® AZ 4562 ® AZ 5214E ® AZ 4562 ® AZ 5214E Molde Mestre (a) Molde Mestre Substrato de Vidro ® AZ 4562 ® AZ 5214E ® AZ 5214E ® AZ 4562 (b) Figura 4.16: Refluxo térmico do molde mestre fabricado em AZ®4562 e AZ®5214E : (a) Molde mestre pré refluxo térmico; (b) Molde mestre pós refluxo térmico. 4.1.2.2 Refluxo Térmico do Molde Mestre Fabricado com os Polímeros Fotossensíveis AZ® 40 XT e AZ®MIR 701 Após o processo de otimização do refluxo térmico do molde mestre obtido na secção 4.1.1.2, as amostras foram submetidas a um perfil térmico ilustrado na figura 4.17. Devido à extrema sensibilidade à temperatura do AZ®40 XT , verificada durante a sua otimização, foi utilizado um perfil térmico em rampa com um declive inferior e tempo na temperatura desejada muito inferior ao da secção 4.1.2.1. Neste processo de refluxo térmico, a temperatura com os melhores resultados foi os 120 ◦C, apesar da Tg do AZ®40 XT ser os 110 ◦C [70]. 60 Capítulo 4. Metodologia 0 10 20 30 40 50 40 60 80 100 120 1 min a 120 ◦C Tempo (min) Temperatura (◦C) Figura 4.17: Perfil térmico usado na placa de aquecimento para o refluxo térmico do AZ®40 XT . A aplicação do perfil térmico da figura 4.17 ao molde mestre fabricado em AZ®40 XT e AZ®MIR 701 da figura 4.18a, levou à obtenção de um novo molde mestre representado na figura 4.18b. Substrato de Vidro ® AZ 40XT ® AZ MIR 701 ® AZ 40XT ® AZ MIR 701 Molde Mestre (a) Molde Mestre Substrato de Vidro ® AZ 40XT ® AZ MIR 701 ® AZ 40XT ® AZ MIR 701 (b) Figura 4.18: Refluxo térmico do molde mestre fabricado em AZ®40 XT e AZ®MIR 701 : (a) Molde mestre pré refluxo térmico; (b) Molde mestre pós refluxo térmico. 4.1.2.3 Refluxo Térmico com Inclinação do Molde Mestre Fabricado com os Polímeros Fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 Foi efetuado um refluxo térmico inclinado do molde mestre fabricado na secção 4.1.1.2, baseado no método proposto por Hung et al . [53], para a conceção de um molde mestre capaz de produzir microlentes assimétricas. Para tal, foram projetados e fabricados suportes em alumínio com diferentes ângulos de inclinação, onde possam ser colocadas amostras de vidro usadas como substrato. Todos os suportes apresentados na figura 4.19 possuem uma altura máxima de 5,5 cm, comprimento de 16 cm, largura de 3,3 cm e inclinações de 45°, 55°, 65°, 75°, 85° e 90°. Estas medidas devem-se ao requisito de os suportes serem colocados numa placa de aquecimento e cobertos por uma caixa metálica circular com uma altura de 6 cm e diâmetro de 19 cm, para manter uma atmosfera com uma temperatura constante e estável. O comprimento deve-se também às dimensões das amostras de vidro, 7,6 cm x 1 mm x 2,6 cm, usadas no laboratório. 61 Capítulo 4. Metodologia (a) (b) (c) (d) Figura 4.19: Suportes fabricados em alumínio para efetuar refluxo térmico de amostras com diferentes inclinações. A aplicação do perfil térmico da figura 4.17 ao molde mestre fabricado em AZ®40 XT e AZ®MIR 701 da figura 4.20a, levou à obtenção de um novo molde mestre representado na figura 4.20b. Substrato de Vidro ® AZ 40XT ® AZ MIR 701 ® AZ 40XT ® AZ MIR 701 Molde Mestre (a) Substrato de Vidro ® AZ MIR 701 ® AZ MIR 701 ® AZ 40XT ® AZ 40XT Molde Mestre (b) Figura 4.20: Refluxo térmico do molde mestre fabricado em AZ®40 XT e AZ®MIR 701 com inclinação: (a) Molde mestre pré refluxo térmico com inclinação; (b) Molde mestre pós refluxo térmico com inclinação. 62 Capítulo 4. Metodologia 4.1.3 Moldagem de Réplicas Após a criação do molde mestre através dos processos de fotolitografia e de refluxo térmico, foi então necessário recorrer ao processo de moldagem de réplicas em PDMS para a criação do molde negativo e das microlentes. Para a obtenção do PDMS, foi usado o conjunto SYLGARD®184 Silicone Elastomer da DOW , composto por uma base e um agente de cura, a ser misturados numa razão 10 (base) para 1 (agente de cura), consoante o peso desejado. Após a base e o agente de cura serem misturados manualmente, uma quantidade grande de bolhas de ar é criada, sendo necessário a sua remoção através de uma câmara de vácuo. De seguida é necessário proceder a uma cura do PDMS, para no fim se proceder ao desmolde do molde negativo. Todo este processo encontra-se sintetizado na figura 4.21. A bomba de vácuo usada em conjunto com uma câmara de vácuo na remoção das bolhas de ar presas na mistura de PDMS foi a Varian DS 120 da Agilent Technologies (figura 4.22). Substrato Molde Mestre (d) (e)(f) (a) (b) (c) Molde Negativo em PDMS Substrato Substrato PDMS PDMS PDMS Figura 4.21: Processo de criação de moldes negativos em PDMS: (a) Misturar base e agente de cura numa razão 10:1; (b) Remoção de bolhas de ar presas no PDMS; (c) Verter o PDMS sobre o molde mestre; (d) Curar o PDMS; (e) Desmolde do molde negativo em PDMS; (f) Molde negativo em PDMS obtido. 63 Capítulo 4. Metodologia Figura 4.22: Bomba de vácuo Varian DS 120 da Agilent Technologies e câmara de vácuo usadas na remoção de bolhas de ar presas na mistura de SYLGARD®184 Silicone Elastomer . 4.1.3.1 Processo de Criação do Molde Negativo em PDMS O processo de fabrico do molde negativo em PDMS, através de um molde mestre em polímero fotossensível, consistiu na utilização do conjunto SYLGARD®184 Silicone Elastomer , misturando 4 mL de base e 0,4 mL de agente de cura. Após os dois compostos serem misturados manualmente num gobelé, a mistura foi colocada em uma câmara de vácuo, até todas as bolhas de ar presas no elastómero serem removidas. De seguida, o PDMS criado foi vertido calmamente e continuamente, para evitar a criação de bolhas de ar, sobre o molde mestre. Para evitar que não seja perdido PDMS e este seja depositado uniformemente, o molde mestre foi delimitado por uma barreira de fita-cola de alumínio. Posteriormente, procedeu-se à cura do PDMS numa placa de aquecimento durante 1 hora a 80 ◦C. Com a cura finalizada, seguiu-se o desmolde e obtenção do molde negativo em PDMS. Na figura 4.23 está representado o esquemático do processo descrito anteriormente. 64 Capítulo 4. Metodologia PDMS (a) Substrato de Vidro Molde Mestre (b) Substrato de Vidro PDMS (c) Substrato de Vidro PDMS (d) Molde Negativo em PDMS (e) Figura 4.23: Esquemático do processo de fabrico do molde negativo em PDMS com recurso a um molde mestre: (a) Mistura manual de 4 mL de base e 0,4 mL de agente de cura e remoção de bolhas de ar presas no PDMS numa câmara de vácuo; (b) Verter o PDMS sobre o molde mestre; (c) Cura do PDMS numa placa de aquecimento durante 1 hora a 80 ◦C; (d) Desmolde do molde negativo em PDMS; (e) Molde negativo em PDMS obtido. 4.1.3.2 Processo de Criação das Microlentes em PDMS A criação de microlentes em PDMS, através de um molde negativo em PDMS, consistiu na utilização do conjunto SYLGARD®184 Silicone Elastomer , misturando 2 mL de base e 0,2 mL de agente de cura. Após os dois compostos serem misturados manualmente num gobelé, a mistura foi colocada em uma câmara de vácuo, até todas as bolhas de ar presas no elastómero serem removidas. De seguida, o PDMS criado foi vertido calmamente e continuamente, para evitar a criação de bolhas de ar, sobre o molde negativo em PDMS. Para evitar que não seja perdido PDMS e este seja depositado uniformemente, o molde negativo foi delimitado por uma barreira de fita-cola de alumínio. Posteriormente, procedeu-se à cura do PDMS numa placa de aquecimento durante 40 minutos a 80 ◦C. Com a cura finalizada, seguiu-se o desmolde e obtenção das microlentes em PDMS. Na figura 4.24 está representado o esquemático do processo descrito anteriormente. 65 Capítulo 4. Metodologia PDMS (a) Substrato de Vidro PDMS (b) Substrato de Vidro PDMS PDMS PDMS (c) Substrato de Vidro PDMS PDMS PDMS (d) Microlentes em PDMS (e) Figura 4.24: Esquemático do processo de fabrico de microlentes em PDMS com recurso a um molde negativo em PDMS: (a) Mistura manual de 2 mL de base e 0,2 mL de agente de cura e remoção de bolhas de ar presas no PDMS numa câmara de vácuo; (b) Verter o PDMS sobre o molde mestre; (c) Cura do PDMS numa placa de aquecimento durante 40 minutos a 80 ◦C; (d) Desmolde das microlentes em PDMS do molde negativo em PDMS; (e) Microlentes em PDMS obtidas. 4.2 Métodos de Caraterização das Estruturas Fabricadas A caraterização das estruturas fabricadas (moldes mestre, moldes negativos e microlentes) são requisitos essenciais para otimizar e caraterizar o processo de fabrico [73]. Foram utilizadas diferentes técnicas, tais como, perfilometria de contacto, perfilometria ótica 3D, microscopia de força atómica (AFM) e microscopia eletrónica de varrimento (SEM). Todos estes métodos, irão ser descritos de seguida, possibilitam a determinação de diversas caraterísticas das microlentes fabricadas, como o perfil, a rugosidade, etc. 66 Capítulo 4. Metodologia 4.2.1 Perfilometria de Contacto A perfilometria de contacto consiste numa análise topográfica em duas dimensões, através da deslocação de um estilete sobre a superfície de uma amostra. Tipicamente, o diâmetro da ponta do estilete é na ordem de alguns micrómetros, limitando assim a resolução lateral do equipamento. Contudo, a precisão da resolução vertical pode ser inferior a 1 nm. Durante a análise topográfica, podem ocorrer artefactos devido à geometria do estilete, superfície e intervalo de amostragem, ilustrados na figura 4.25 [73, 74, 75]. O perfilómetro de contacto usado foi o Dektak 150 da Veeco , com um estilete de 45° e 12,5 µm de diâmetro da ponta. Estilete Estilete Estilete Estilete Estilete Análise topográfica Superfície da amostra Figura 4.25: Artefactos causados durante uma análise topográfica por perfilometria de contacto. O perfil criado apresenta rampas e depressões, devido às limitações da geometria do estilete. 4.2.2 Perfilometria Ótica 3D A perfilometria ótica 3D usada foi a interferometria de luz branca. Um esquemático da interferometria de luz branca encontra-se representado na figura 4.26. Este método de perfilometria ótica sem contacto possui uma resolução vertical aproximada de 0,1 nm e uma resolução lateral aproximada de 0,5 µm. Uma luz branca é separada em dois feixes de luz, um feixe de referência e um feixe de medição. Enquanto o feixe de referência é guiado para um espelho de referência, o feixe de medição é refletido na direção da superfície da amostra. De seguida, o feixe de referência é refletido pelo espelho de referência para uma câmara, formando uma padrão de interferências. O feixe de medição é refletido pela superfície da amostra e captado pela câmara, formando assim uma imagem. Como o interferómetro de luz branca é projetado para ambas as trajetórias dos feixes serem iguais, a rugosidade da amostra da superfície leva a que estas trajetórias sejam diferentes, resultando num padrão de interferências [75]. O perfilómetro ótico 3D usado foi o Profilm3D da FILMETRICS . 67 Capítulo 4. Metodologia Superfície da amostra Fonte de luz branca Lente colimadora Separador de feixes Espelho de referência Câmara Sistema de aquisição de imagem Figura 4.26: Esquemático da interferometria de luz branca (adaptado de [76]). 4.2.3 Microscopia de Força Atómica (AFM) A microscopia de força atómica (AFM) é uma descendente da perfilometria de contacto e da microscopia de varrimento com efeito de túnel (STM). Um estilete com uma ponta de 10 nm é colocado na ponta livre de um cantiléver. Podem ser usadas pontas com diversas formas, tais como, cónica, quadrangular e trapezoidal. O formato do cantiléver determina as suas propriedades físicas, especialmente a constante de força, na gama dos 0,1 N/m–50 N/m, e a frequência de ressonância, na gama dos 1 kHz–1 MHz. O cantiléver é afixado a um scâner piezoelétrico, controlando a posição (x, y, z) da ponta. A deflexão do cantiléver, à medida que é deslocado sobre uma superfície, é medida por um sistema a laser e um detetor de quadrantes, que determina a direção da reflexão do laser (figura 4.27) [75]. 68 Capítulo 4. Metodologia Superfície da amostra Cantiléver Laser Detetor de quadrantes Figura 4.27: Esquemático de um equipamento AFM (adaptado de [75]). A ponta interage com a superfície da amostra via força van der Waals, possuindo uma ação de repulsão no campo próximo e ação de atração quando separadas. As duas regiões de operação de um equipamento AFM encontram-se indicadas na figura 4.28. Dois dos modos de operação de um AFM baseiam-se no efeito de forças repulsivas, sendo estes, o modo de contacto e o modo de toque intermitente. No modo de toque intermitente, a ponta toca suavemente na superfície, oscilando a uma frequência próxima da frequência de ressonância do cantiléver. O efeito de atração proporciona o modo de funcionamento sem contacto [74, 75]. O AFM usado foi o Dimension Icon da BRUKER , em modo de contacto e em modo de toque intermitente. Força Distância Região do modo de contacto e modo de toque intermitente Região do modo sem contacto Força de repulsão Força de atração Figura 4.28: Curva van der Waals com regiões e modos de funcionamento de um equipamento AFM (adaptado de [74, 75]). 69 Capítulo 5. Resultados Experimentais NA =D 2f(5.2) f/#=f D(5.3) As microlentes em PDMS fabricadas (n=1,4399) fabricadas, com um diâmetro (D) de aproximadamente 80 µm e uma altura (h) de aproximadamente 8 µm, possuem um f=236,42 µm, NA =0,17 e um f/2,955. Comparativamente aos resultados obtidos na secção 3.2.1, o resultado da distância focal experimental é superior ao valor de simulação, uma vez que a microlente fabricada apresenta uma altura inferior e um diâmetro superior aos valores usados na simulação. Além disso, as simulações retratam sempre as condições ideais e a equação 5.1 é obtida através da aproximação da Ótica Gaussiana. 5.2 Resultados Obtidos com os Polímeros Fotossensíveis AZ® 40 XT e AZ®MIR 701 Com a caraterização efetuada na secção 5.1, passou-se à caraterização das estruturas fabricadas a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 , através dos métodos de perfilometria de contacto, perfilometria ótica 3D, AFM e SEM. Na figura 5.5, pode-se observar os resultados obtidos com a perfilometria de contacto. Ao analisar a figura 5.5a, pode-se observar um artefacto de análise topográfica, descrito na secção 4.2.1. Este artefacto deve-se à razão altura/largura elevada do pilar, para as dimensões do estilete usado, o que faz com que parte dos resultados da perfilometria de contacto sejam inválidos. Para se obter o perfil correto do molde mestre pós refluxo térmico, este foi analisado nas direções Sul/Norte (S/N), Este/Oeste (E/O), Norte/Sul (N/S) e Oeste/Este (O/E), obtendo assim uma perfilometria válida em diferentes direções (figuras 5.5b, 5.5c, 5.5d e 5.5e), descartando assim os resultados representados a tracejado. Nos casos em que foi efetuada perfilometria de contacto ao molde negativo (figura 5.5f) e às microlentes em PDMS (figuras 5.5g, 5.5h, 5.5i e 5.5j), os artefactos de análise topográfica são ainda mais acentuados, devido à flexibilidade do PDMS e à força aplicada pelo estilete. No caso da figura 5.5f, o único dado a reter é a profundidade máxima do molde mestre pós refluxo térmico. Para análise da microlente em PDMS, foram realizadas perfilometrias nas mesmas direções que no molde mestre pós refluxo térmico, descartando os resultados a tracejado. Através da análise dos dados da figura 5.5, verifica-se que o perfil, o diâmetro de 76 Capítulo 5. Resultados Experimentais aproximadamente 100 µm e a altura de aproximadamente 50 µm são mantidos ao longo do processo. −80 −60 −40 −20 0 20 40 60 0 10 20 30 40 Base (µm) Altura (µm) Perfilometria (a) Perfil do molde mestre pré refluxo térmico. −80 −60 −40 −20 0 20 40 60 0 10 20 30 40 50 Base (µm) Altura (µm) Perfilometria válida (b) Perfil do molde mestre pós refluxo térmico, direção S/N. −80 −60 −40 −20 0 20 40 60 0 10 20 30 40 50 Base (µm) Altura (µm) Perfilometria válida (c) Perfil do molde mestre pós refluxo térmico, direção E/O. −80 −60 −40 −20 0 20 40 60 0 10 20 30 40 50 Base (µm) Altura (µm) Perfilometria válida (d) Perfil do molde mestre pós refluxo térmico, direção N/S. −80 −60 −40 −20 0 20 40 60 0 10 20 30 40 50 Base (µm) Altura (µm) Perfilometria válida (e) Perfil do molde mestre pós refluxo térmico, direção O/E. −40 −20 0 20 40 60 −50 −40 −30 −20 −10 0 Base (µm) Profundidade (µm) Perfilometria inválida (f) Perfil do molde negativo em PDMS. 77 Capítulo 5. Resultados Experimentais −80 −60 −40 −20 0 20 40 0 10 20 30 40 50 Base (µm) Altura (µm) Perfilometria válida (g) Perfil da microlente em PDMS, direção S/N. −80 −60 −40 −20 0 20 40 60 0 10 20 30 40 50 Base (µm) Altura (µm) Perfilometria válida (h) Perfil da microlente em PDMS, direção E/O. −80 −60 −40 −20 0 20 40 60 0 10 20 30 40 50 Base (µm) Altura (µm) Perfilometria válida (i) Perfil da microlente em PDMS, direção N/S. −80 −60 −40 −20 0 20 40 0 20 40 60 80 Base (µm) Altura (µm) Perfilometria válida (j) Perfil da microlente em PDMS, direção O/E. Figura 5.5: Perfilometria de contacto das diferentes estruturas fabricadas a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 . Com a perfilometria de contacto finalizada, passou-se para a perfilometria ótica 3D. Sabendo das limitações deste tipo de perfilometria, foi apenas possível realizar uma análise, num dos primeiros moldes mestres pré refluxo térmico fabricados, onde se pode retirar a altura do molde mestre pré refluxo térmico de 42,6 µm (figura 5.6). 78 Capítulo 5. Resultados Experimentais Figura 5.6: Perfilometria ótica 3D do molde mestre pré refluxo térmico, fabricado a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 . Devido às limitações da perfilometria ótica 3D, passou-se para uma caraterização com recurso a AFM da Rasuperficial. Não foi analisado o perfil completo das várias estruturas fabricadas devido ao limite de medição vertical do AFM de 15 µm. Para a obtenção dos valores da Rasuperficial foram analisadas áreas de 25 µm2no centro da superfície do molde mestre pós refluxo térmico (figura 5.7a) e da microlente em PDMS (figura 5.7b). Não foi possível obter um valor de Rasuperficial do molde negativo em PDMS devido ao estilete do AFM não conseguir alcançar o fundo do molde negativo. O valor da Rasuperficial do molde mestre pós refluxo obtido foi de 20,99 nm e da microlente em PDMS foi de 30,379 nm. 2 µm 40 nm −81 −70 −60 −50 −40 −30 −20 −10 0 10 20 30 (a) Vista 2D de uma área de 25 µm2do molde mestre pós refluxo térmico. 2 µm 606 nm 426 460 480 500 520 540 560 580 (b) Vista 2D de uma área de 25 µm2de uma microlente em PDMS. Figura 5.7: Análise AFM do molde mestre pós refluxo térmico e da microlente em PDMS, fabricados a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 . Para a finalização da caraterização, realizaram-se análises SEM ao molde mestre pós refluxo e às microlentes em PDMS, para uma visualização do aspeto geral. Através da comparação dos resultados 79 Capítulo 5. Resultados Experimentais obtidos nas figuras 5.8a, 5.8b, 5.8c e 5.8d, com os obtidos nas figuras 5.4c e 5.4d, verifica-se que as estruturas fabricadas no molde mestre possuem agora uma base muito melhor definida. Pode também ser observado, nas figuras 5.8e, 5.8f, 5.8g e 5.8h, o resultado final das microlentes em PDMS fabricadas, sendo detetadas algumas imperfeições nas suas bases e algumas microlentes que não resistiram ao processo final de desmoldagem PDMS/PDMS. Estes problemas devem-se à profundidade elevada do molde negativo, ao facto da superfície do molde negativo não ser tratada com uma camada anti-aderente e por fim, ao material das microlentes ser o mesmo material do molde negativo. Contudo, verifica-se que a superfície das microlentes em PDMS foi replicada do molde mestre pós refluxo térmico com sucesso, com um diâmetro de 80,66 µm e uma altura de 54,64 µm. (a) Matriz 4x4 do molde mestre pós refluxo térmico. (b) Molde mestre pós refluxo térmico individual. (c) Molde mestre pós refluxo térmico individual. (d) Molde mestre pós refluxo térmico individual. 80 Capítulo 5. Resultados Experimentais (e) Matriz 4x4 de microlentes em PDMS. (f) Microlente em PDMS. (g) Microlente em PDMS. (h) Microlente em PDMS. Figura 5.8: Imagens SEM do molde mestre pós refluxo térmico e microlentes em PDMS, fabricados a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 . Com a concretização da caraterização física das diferentes estruturas fabricadas, as microlentes em PDMS foram caraterizadas oticamente, efetuando-se mais uma vez um conjunto de cálculos baseados na Ótica Gaussiana, equações 5.1, 5.2 e 5.3. Considerando um n=1,4399 do PDMS, um diâmetro (D) de 80,66 µm e uma altura (h) de 54,64 µm, obtém-se uma f(distância focal) de 95,94 µm, uma NA (abertura numérica) de 0,42 e um f/# (número focal) de f/1,189. Comparativamente aos resultados obtidos na secção 3.2.2, o resultado da distância focal experimental é ligeiramente superior ao valor de simulação, uma vez que a microlente fabricada apresenta uma altura e um diâmetro superiores aos valores usados na simulação. Além disso, as simulações retratam sempre as condições ideais e a equação 5.1 é obtida através da aproximação da Ótica Gaussiana. Na figura 5.9, pode ser visto o resultado de uma experiência com as microlentes em PDMS. Através da incidência de um laser nas microlentes em PDMS, foram criados padrões de interferência a 2 m de distância, com a disposição das estruturas fabricadas, devido ao efeito de refração criado pelas mesmas. 81 Capítulo 5. Resultados Experimentais Figura 5.9: Padrões de interferência criados através da incidência de um laser nas microlentes em PDMS, fabricadas a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 . 5.3 Resultados Obtidos com os Polímeros Fotossensíveis AZ® 40 XT + AZ®MIR 701 e com Inclinação Após o fabrico das microlentes em PDMS simétricas, tentou-se fabricar microlentes assimétricas, aplicando o método desenvolvido por Hung et al . [53]. Com o fabrico do molde mestre pós refluxo térmico e com uma inclinação aplicada de 90°, partiu-se para uma análise SEM com intuito de verificar a deslocação do vértice das microlentes fabricadas a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ® MIR 701 . Através da análise da figura 5.10 e comparação com a figura 2.6, pode-se concluir que a criação de um molde mestre para o fabrico de microlentes assimétricas não foi realizado com sucesso, segundo a técnica proposta por Hung et al . [53]. Uma das possibilidades desta técnica não ter sido bem sucedida deve-se ao tempo necessário para a realização do refluxo térmico do polímero fotossensível AZ®4620 (usado por Hung et al. ), que é dez vezes superior ao tempo necessário para a realização do refluxo térmico do polímero fotossensível AZ®40 XT . Devido ao AZ®40 XT ser extremamente sensível à temperatura e efetuar o refluxo térmico inclinado acima da Tg em apenas 1 minuto, o efeito da força gravítica não foi o suficiente para ocorrer a deslocação do vértice da microlente. 82 Capítulo 5. Resultados Experimentais (a) Matriz 4x4 do molde mestre pós refluxo térmico com inclinação aplicada de 90°. (b) Molde mestre pós refluxo térmico individual com inclinação aplicada de 90°. Figura 5.10: Imagens SEM do molde mestre pós refluxo térmico com inclinação aplicada de 90°, fabricadas a partir dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 . 83 Capítulo 6 Conclusões e Trabalho Futuro Este capítulo apresenta as principais conclusões obtidas com a realização desta dissertação. Para terminar, são apresentadas as principais perspetivas de trabalho futuro. 6.1 Conclusões O foco do trabalho desenvolvido durante esta dissertação foi a simulação, o desenvolvimento e a caraterização de microlentes capazes de colimar a luz, usando as técnicas de microfabricação disponíveis no laboratório. Através da simulação de microlentes em PDMS com uma altura de 10 µm e um diâmetro de 75 µm, chegou-se à conclusão que uma microlente com estas caraterísticas, não conseguiria colimar a luz. Devido a este resultado, partiu-se para a simulação de uma microlente em PDMS com uma altura de 40 µm e um diâmetro de 75 µm. Com estas novas dimensões, uma matriz de microlentes em PDMS utilizada em conjunto com um microLED, não só garante o requisito mínimo optogenético de 1 mW/mm2, como é capaz de colimar a luz. Foi também simulada uma microlente assimétrica em PDMS, baseada na microlente desenvolvida por Hung et al . [53], verificando-se que a luz é parcialmente colimada e direcionada na direção oposta da deslocação do vértice da microlente. Paralelamente às simulações, foram fabricadas microlentes em PDMS através do seguinte processo: (i) criação de um molde mestre com recurso a fotolitografia e refluxo térmico dos polímeros fotossensíveis AZ®4562 e AZ®5214E , (ii) criação de um molde negativo em PDMS com base no molde mestre e (iii) criação final das microlentes em PDMS através do molde negativo em PDMS. Após o fabrico, a caraterização física das microlentes revelou uma altura aproximada de 8 µm, um diâmetro aproximado 84 Capítulo 6. Conclusões e Trabalho Futuro de 80 µm e uma rugosidade média superficial aproximada de 15 nm. A nível de caraterização ótica, recorrendo a cálculos baseados na Ótica Gaussiana, foram obtidas as seguintes caraterísticas: uma distância focal de 236,42 µm, uma abertura numérica de 0,17 e um número focal de 2,955. A distância focal calculada é superior ao valor simulado (143 µm), uma vez que as microlentes fabricadas apresentam uma altura inferior e um diâmetro superior aos valores usados nas simulações. Além disso, as simulações retratam sempre as condições ideais e os valores calculados são obtidos através da aproximação da Ótica Gaussiana. Como referido anteriormente, através da simulação FEM destas microlentes em PDMS conclui-se que estas não cumprem o requisito de colimação da luz azul emitida pelo microLED devido às dimensões da microlente. No entanto, o seu fabrico e caraterização foram essenciais para a otimização do processo de fabrico das microlentes em PDMS fabricadas posteriormente. O novo processo de fabrico envolveu a criação de um novo molde mestre, com recurso a fotolitografia e refluxo térmico dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 , a criação do molde negativo em PDMS e a criação final das microlentes em PDMS. A caraterização física das microlentes revelou uma altura aproximada de 55 µm, um diâmetro aproximado de 81 µm e uma rugosidade média superficial aproximada de 30 nm. Devido à profundidade elevada do molde negativo, da superfície deste não ter sido tratada com uma camada anti-aderente e do material das microlentes ser o mesmo que o material do molde, a base das microlentes contém algumas irregularidades e algumas microlentes foram destruídas durante a desmoldagem final. Contudo, a superfície das microlentes, sendo esta a sua caraterística física mais importante, foi replicada com sucesso do molde mestre. Mais uma vez, a caraterização ótica recorrendo a cálculos baseados na Ótica Gaussiana, permitiu obter as seguintes caraterísticas: uma distância focal de 95,94 µm, uma abertura numérica de 0,42 e um número focal de 1,189. A distância focal calculada é ligeiramente superior ao valor simulado (68 µm), uma vez que as microlentes fabricadas apresentam uma altura e diâmetro superiores aos valores usados nas simulações. Além disso, as simulações retratam sempre as condições ideais e os valores calculados são obtidos através da aproximação da Ótica Gaussiana. É ainda importante referir que estas microlentes em PDMS cumprem o requisito de colimação da luz azul emitida por um microLED com ângulo de emissão de 34°, como comprovado nas simulações FEM. Tentou-se também o fabrico de um molde mestre capaz de produzir microlentes assimétricas, segundo o método proposto por Hung et al . [53]. Após o molde mestre ser fabricado com recurso a refluxo térmico com inclinação de 90°, foi verificado por análise SEM que não houve deslocação do vértice da estrutura. Assim, com este método proposto não foi possível o fabrico de microlentes assimétricas, com recurso a refluxo térmico com inclinação dos polímeros fotossensíveis AZ®40 XT e AZ®MIR 701 . Tal 85 Bibliografia [52] T.-Y. Chang, C.-H. Hung, P.-S. Chang, M.-H. Yeh, and H. Yang, “Asymmetric focusing microlens array fabricated using off-axis lithography,” Microsystem Technologies , vol. 19, no. 6, pp. 861–869, jun 2013. [53] S.-Y. Hung, T.-Y. Chang, M.-H. Shen, and H. Yang, “Tilted microlens fabrication method using two photoresists with different melting temperatures,” Journal of Micromechanics and Microengineering , vol. 24, no. 2, feb 2014. [54] T.-Y. Chang, C.-H. Hung, Z.-J. Lian, and H. 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