Procese de fabricatie a sistemelor micro-electro-mecanice cu aplicatii in medicina

DESPRE CARTE

Aceasta carte reprezinta publicarea tezei de doctorat cu titlul „Procese de fabricatie a sistemelor micro-electro-mecanice cu aplicatii in medicina”, elaborata de Dr. ing. Marinescu Maria-Roxana, sub conducerea prof. univ. dr. habil. ing. Liviu-Daniel Ghiculescu, in cadrul UPB, SD IIR, anul 2021 (OM Nr. 5999/30.12.2021), cu optiune de publicare sub forma de carte conform art. 35 din Regulamentul UPB.

PREFATA

Microelectronica si nanoelectronica sunt doua ramuri ale electronicii care se ocupa cu proiectarea, fabricarea si utilizarea dispozitivelor electronice de dimensiuni mici (micronice), respectiv foarte mici (nanometrice). Aceste tehnologii joaca un rol esential in dezvoltarea tehnologiilor emergente, cum ar fi inteligenta artificiala, robotica, energia regenerabila si medicina personalizata si ele permit crearea de dispozitive electronice mai puternice, mai eficiente si mai precise, care pot fi utilizate pentru a rezolva o gama larga de probleme.

Rolul microelectronicii in dezvoltarea dispozitivelor micro-electro-mecanice („Micro-Electro-Mechanical-Systems” - MEMS) a fost esential. Microelectronica a furnizat tehnologiile si instrumentele necesare pentru a crea dispozitive MEMS, care sunt dispozitive mecanice miniaturizate fabricate folosind procese de microfabricare. Unele dintre cele mai importante contributii ale microelectronicii la dezvoltarea MEMS includ:

- Procese de microfabricare: microelectronica a furnizat o serie de procese de microfabricare care pot fi utilizate pentru a crea dispozitive MEMS. Aceste procese includ fotolitografia, gravura si depunerea.

- Materiale: microelectronica a dezvoltat o serie de materiale care sunt potrivite pentru fabricarea MEMS. Aceste materiale includ siliciul, siliciul amorf, metalele si ceramica.

- Instrumente de masurare: microelectronica a dezvoltat o serie de instrumente de masurare care sunt necesare pentru a caracteriza dispozitivele MEMS. Aceste instrumente includ microscoapele si instrumentele de masurare a fortei si a deplasarii.

Fara aceste contributii ale microelectronicii, MEMS nu ar fi fost posibile.

Tehnologia MEMS dateaza din 1964, odata cu producerea primului dispozitiv de tip MEMS: tranzistorul cu poarta rezonanta proiectat de H.C. Nathanson. MEMS au devenit o tehnologie importanta, cu o gama larga de aplicatii, inclusiv:

- Senzori: senzori de presiune, senzori de temperatura si senzori de miscare.

- Actuatori: micropompe, micromotoare si microservomotoare.

- Dispozitive medicale: implanturi medicale, dispozitive de imagistica medicala si sisteme de terapie.

- Aplicatii industriale: sisteme de control al proceselor si sisteme de masurare.

Aceste sisteme de mici dimensiuni si tehnologie inalta sunt prezente din ce in ce mai mult in viata noastra cotidiana, in absolut tot ceea ce ne inconjoara. Structurile inteligente ne permit sa controlam mai bine mediul si ne ajuta sa crestem eficienta energetica a dispozitivelor. Toate aplicatiile apartinand epocii actuale, Industria 4.0 (a patra revolutie industriala), integreaza dispozitive de „sensing”, prelucrare si transmitere de date, precum si dispozitive de actionare.

Toate ramurile economiei au fost atinse de modernizare, aspectul principal fiind atingerea unor performante functionale imbunatatite, automatizarea diferitelor procese tehnologice, caracteristici de performanta, precum si gestionarea in timp real a diferitelor operatii tehnologice sofisticate. A patra revolutie industriala este caracterizata de utilizarea tehnologiilor digitale pentru a conecta obiecte fizice si pentru a crea sisteme inteligente care pot auto-organiza si auto-optimiza. Internet of things (IoT) este o tehnologie esentiala pentru aceasta revolutie, deoarece permite conectarea unui numar mare de obiecte fizice la internet. IoT este deja utilizata intr-o varietate de aplicatii, in domeniile: monitorizarea mediului, sanatate, fabricatie, transport.

Avand in vedere uriasele avantaje ale noilor dispozitive MEMS cu aplicatii in medicina, devenite tot mai complexe sub forma de bioMEMS-uri, care satisfac la un nivel tot mai ridicat cerintele societatii, este de inteles cererea din ce in ce mai crescuta pe care o inregistreaza.

Necesitatea unor dispozitive bioMEMS cu structuri mai complexe si cu proprietati noi, cat si tendinta de diminuare a dimensiunilor modulelor constituente, a utilizariii eficiente a materialelor, precum si a cresterii rentabilitatii prin reutilizarea lor, care sa aduca solutii nevoilor societatii in domeniul medical, reprezinta motivatia si directia cercetarilor, finalizate prin prezenta lucrare.

In cadrul lucrarii „Procese de fabricatie a sistemelor micro-electro-mecanice cu aplicatii in medicina” a fost proiectat, modelat, simulat si fabricat un dispozitiv de tip „lab-on-a-chip”, cu ajutorul caruia pot fi identificate si masurate concentratiile de limfocite T din sange.

Din aceasta perspectiva, lucrarea poate fi incadrata in domeniul bioingineriei medicale.

Bioingineria exploreaza organismele vii de la nivel molecular la nivel sistemic, cu scopul de a dezvolta produse biologice noi, materiale si dispozitive medicale pentru diagnostic, prevenire si tratament, cum este si cazul dispozitivului rezultat din aceasta lucrare.

Lucrarea prezinta rodul activitatii de cercetare realizata de autoare. Dispozitivele micro-electro-mecanice din cadrul lucrarii au fost realizate in cadrul Institutului National de Cercetare - Dezvoltare pentru Microtehnologie - IMT Bucuresti, unde a gasit in permanenta intelegere si sustinere. Multumiri deosebite se adreseaza Conducerii si Colegilor din Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Microtehnologie - IMT Bucuresti (IMT), fara al caror sprijin nu as fi putut desfasura cercetarile specifice si realiza dispozitivele cuprinse in aceasta lucrare.

Gandurile mele de profunda recunostinta se indreapta catre domnul dr. fiz. Miron Adrian DINESCU, director general IMT, si doamna dr. fiz. Raluca MULLER, care m-au sustinut si incurajat sa imi dezvolt orizontul stiintific si sa realizez mereu mai mult.

Aceleasi ganduri de profunda recunostinta se cuvine sa adresez domnului dr. fiz. Octavian BUIU, director stiintific IMT si seful Laboratorului L7, in cadrul caruia imi desfasor activitatea, care m-a incurajat si m-a sustinut pe calea noilor realizari stiintifice, finalizate prin brevetare.

CUPRINS

1. CONCEPTE TEORETICE PRIVIND SISTEMELE MICRO-ELECTRO-MECANICE 13
1.1. Clasificarea componentelor sistemelor micro-electro-mecanice 17
1.1.1. Microsenzori 18
1.1.2. Microactuatori 18
1.1.3. Microsisteme integrate 19
1.2. Sisteme micro-electro-mecanice cu functii biologice integrate 20
1.3. Efecte ale mediului inconjurator asupra sistemelor micro-electro-mecanice 24

2. MATERIALE FOLOSITE PENTRU FABRICAREA SISTEMELOR MICRO-ELECTRO-MECANICE 25
2.1. Materiale utilizate ca substrat 26
2.2. Materiale utilizate pentru depuneri 29

3. TEHNOLOGII DE FABRICARE A SISTEMELOR MICRO-ELECTRO-MECANICE 31
3.1. Fotolitografia 31
3.1.1. Consideratii generale 31
3.1.2. Fenomene specifice si factorii de performanta ai fotolitografiei 32
3.1.3. Aplicatii specifice privind tehnica fotolitografiei 34
3.1.4. Instalatii si echipamente pentru procesul de fotolitografie 36
3.2. Tehnologii de microprelucrare chimice 39
3.2.1. Consideratii generale 39
3.2.2. Fenomene specifice si factorii de performanta ai prelucrarii prin corodare chimica 40
3.2.3. Aplicatii specifice privind corodarea 42
3.3. Tehnologii de prelucrare cu laser 43
3.3.1. Consideratii generale 43
3.3.2. Fenomene specifice ale prelucrarii cu laser 44
3.3.3. Aplicatii specifice ale laserului 46
3.3.4. Instalatii si echipamente laser 47
3.4. Tehnologii de prelucrare cu fascicule de electroni 49
3.4.1. Consideratii generale 49
10 Procese de fabricatie a sistemelor micro-electro-mecanice cu aplicatii in medicina
3.4.2. Fenomene specifice 50
3.4.3. Aplicatii specifice 51
3.4.4. Instalatii si echipamente de prelucrare cu fascicule de electroni 52
3.5. Tehnologii de prelucrare cu fascicule de ioni 53
3.5.1. Consideratii generale 53
3.5.2. Fenomene fizico-chimice la prelucrarea cu fascicule de ioni 53
3.5.3. Aplicatii ale prelucrarii cu fascicule de ioni 54
3.5.4. Echipamente si instalatii 55
3.6. Tehnologii de prelucrare cu plasma 56
3.6.1. Consideratii generale 56
3.6.2. Fenomene specifice 57
3.6.3. Aplicatii specifice 58
3.6.4. Echipamente si instalatii 59

4. MICROFLUIDICA SI DISPOZITIVELE „LAB-ON-A-CHIP” 61
4.1. Microfluidica folosita pentru separarea celulelor 61
4.1.1. Clasificarea si numarul celulelor din sange 62
4.1.2. Importanta limfocitelor din sange 66
4.2. Constructia dispozitivelor microfluidice 68
4.3. Tipuri de circuite microfluidice 70
4.4. Stadiul actual al dispozitivelor „Lab-On-a-Chip” 71
4.4.1. Dispozitive „Lab-On-a-Chip” pentru determinarea limfocitelor T 76
4.4.2. Dispozitive „Lab-On-a-Chip” pentru determinarea celulelor tumorale circulante 79

5. OBIECTIVELE, DIRECTIILE DE CERCETARE SI METODOLOGIA ABORDATE 83
5.1. Sinteza aspectelor critice privind stadiul actual al sistemelor micro-electro-mecanice cu aplicatii in medicina 83
5.2. Obiectivele lucrarii 85
5.3. Directii de cercetare si metodologia de cercetare a lucrarii 87

6. CERCETARI PRIVIND PROIECTAREA, MODELAREA SI SIMULAREA UNUI DISPOZITIV MICRO-ELECTRO-MECANIC DE DETERMINARE A LIMFOCITELOR T, MODEL EXPERIMENTAL 89
6.1. Date generale 89
6.2. Stabilirea functiilor si structurii functionale ale produsului 90
6.3. Date tehnologice obtinute in laborator 94
6.4. Stabilirea formei traseelor microfluidice 95
6.5. Proiectarea dispozitivului micro-electro-mecanic, model experimental 97
6.4. Modelarea procesului de fabricatie a dispozitivului micro-electro-mecanic, model experimental 114
6.5. Modelarea si simularea computerizata a curgerii microfluidice in dispozitivul micro-electro-mecanic, model experimental 124

7. FABRICAREA UNUI DISPOZITIV MICRO-ELECTRO-MECANIC, MODEL EXPERIMENTAL 128
7.1. Scrierea mastilor 128
7.2. Fabricarea propriu-zisa a dispozitivului, model experimental 131
7.2.1. Placheta de siliciu folosita ca substrat 132
7.2.1. Depunerea stratului de oxid de siliciu 133
7.2.3. Fotolitografia pentru prima masca 135
7.2.4. Depunerea stratului de titan-aur 141
7.2.5. Indepartarea fotorezistului prin lift-off pentru prima masca 143
7.2.6. Procesul de fotolitografie pentru a doua masca 145
7.2.7. Depunerea stratului de argint 146
7.2.8. Indepartarea fotorezistului prin lift-off pentru a doua masca 146
7.2.9. Procesul de fotolitografie pentru a treia masca 154
7.2.10. Depunerea capacului de polidimetilsiloxan 161

8. CLASIFICAREA ALIMENTELOR. CRITERII SI TIPOLOGII 165
8.1. Metodologia de testare 165
8.2. Verificarea trecerii curentului electric 168
8.3. Spectroscopia de impedanta electrochimica 169
9. Fabricarea si testarea prototipului imbunatatit al dispozitivului micro-electro-mecanic 177
9.1. Probleme aparute la fabricarea dispozitivului micro-electro-mecanic, model experimental 177
9.2. Imbunatatiri ale procesului de fabricatie a dispozitivului micro-electro-mecanic 178
9.2.1. Imbunatatiri ale depunerii argintului 178
9.2.2. Imbunatatiri necesare pentru cresterea aderentei fotorezistului SU-8 179
9.3. Realizarea prototipului imbunatatit al dispozitivului micro-electro-mecanic 179
9.3.1. Proiectarea dispozitivului micro-electro-mecanic, prototip imbunatatit 180
9.3.2. Modelarea procesului de fabricatie a dispozitivului micro-electro-mecaanic, prototip imbunatatit 187
9.3.3. Procesul de fabricatie a mastilor 192
9.3.4. Executia dispozitivului micro-electro-mecanic, prototip imbunatatit 194
9.4. Testarea prototipului imbunatatit al dispozitivului micro-electro-mecanic 201
9.4.1. Stabilitatea senzorilor 202
9.4.2. Testarea curgerilor microfluidice 204
9.4.3. Testarea functionalitatii senzorilor cu ajutorul spectroscopiei de impedanta electrochimica 205
9.5. Integrarea cipului microfluidic intr-un dispozitiv portabil 207
9.6. Teste mecano-climatice de fiabilitate pentru dispozitivul micro-electro-mecanic 209
9.7. Realizarea unui senzor de umiditate pentru monitorizarea conditiilor de pastrare a dispozitivului micro-electro-mecanic 216

10. CONCLUZII 227

BIBLIOGRAFIE 230

DESPRE AUTOARE

Absolventa a Facultatii Ingineria si Managementul Sistemelor Tehnologice a Universitatii Politehnica Bucuresti in 2012, a urmat apoi doua programe de masterat (2012-2014):

- Master in domeniul „Inginerie si Management”, Programul de studii: „Calitate in Inginerie si Managementul Afacerilor”, Universitatea Politehnica din Bucuresti, Facultatea Ingineria si Managementul Sistemelor Tehnologice;

- Master in domeniul „Stiinte Administrative”, Programul de studii: „Administratie Publica Europeana”, Universitatea Lucian Blaga din Sibiu, Facultatea de Drept.

In anul 2021 a obtinut titlul de doctor (distinctia Summa Cum Laude) in domeniul Inginerie Industriala, la Facultatea Inginerie Industriala si Robotica, Universitatea Politehnica din Bucuresti.

In prezent este cercetator stiintific in cadrul Institutului National de Cercetare-Dezvoltare in Microtehnologie - I.M.T. Bucuresti.

Activitatea profesionala s-a concretizat pana in prezent prin realizarea si publicarea a 20 de lucrari, dintre care 10 ca prim autor, patru lucrari publicate in volumele unor conferinte indexate ISI, cinci in reviste indexate ISI, doua in volumele unor conferinte si noua in reviste indexate in alte baze de date (EBSCO, ProQuest, Google Scholar etc.). De asemenea, in calitate de coautor, a publicat trei tratate de specialitate.

Sunt de mentionat 19 participari la conferinte internationale la sectiunea de postere sau lucrari aparute in publicatii sub forma Book of abstracts.

Prin participarea la conferinte si saloane de inventii in tara si strainatate, a obtinut in calitate de autor principal sau coautor un numar impresionant de premii - aproximativ 67.

Expertiza autoarei acopera experienta in fabricarea senzorilor de umiditate - prototipuri: pregatirea materialului nanocompozit pentru straturi sensibile; masuratori de rezistenta electrica; masuratori ale depunerilor de strat sensibil si ale senzorului de umiditate; caracterizarea mecanica a senzorilor. Aceste cunostinte au fost dezvoltate prin participarea in cadrul diverselor proiecte de cercetare-dezvoltare. In cadrul acestor cercetari, a depus 49 cereri de brevet in calitate de coautor.