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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Contribuições para o desenvolvimento de eletrodos interdigitados e atuadores eletromagnéticos com aplicações em dispositivos microfluídicos portáteis = Contributions to the development of interdigitated electrodes and electromagnetic actuators with applications in portable microfluidic devices
Title Alternative: Contributions to the development of interdigitated electrodes and electromagnetic actuators with applications in portable microfluidic devices
Author: Ribeiro, Luiz Eduardo Bento
Advisor: Fruett, Fabiano, 1970-
Abstract: Resumo: O laboratório em um chip (lab-on-a-chip) é um dispositivo microfluídico desenvolvido com a finalidade de realizar análises químicas tradicionais em apenas alguns centímetros quadrados de um único chip. A redução de tamanho possibilita análises químicas mais rápidas, com menor custo, mais confiáveis e portáteis. Os principais desafios desta integração estão na manipulação de pequenas quantidades de fluido (bombeamento), na mistura adequada (misturador) e no sensoriamento das diversas atividades do fluido, como a detecção da proporção e tipo de fluido existente. Portanto, os micromisturadores, as microbombas e os microsensores integrados são unidades básicas e essenciais para o desenvolvimento e viabilização de diversas aplicações dos laboratórios em um chip. Neste contexto, nós desenvolvemos um atuador e um sensor capacitivo interdigitado capaz de avaliar a permissividade elétrica de fluidos dentro de um lab-on-a-chip. A fabricação desses componentes emprega técnicas compatíveis com a microeletrônica e com a microfluídica resultando em dispositivos com substrato de vidro e microcanais em polidimetilsiloxano (PDMS). Propomos um atuador eletromagnético baseado na integração de um ímã permanente de liga de neodímio, ferro e boro (NdFeB) com uma membrana PDMS, enquanto um eletroímã, externo ao dispositivo, foi utilizado para promover o deslocamento do ímã. O atuador, que pode ser utilizado no bombeamento de fluidos em microcanais, foi apresentado e avaliado por meio de simulação e fabricação. Investigamos ainda as vantagens e desvantagens de diferentes morfologias para os eletrodos interdigitados planares com o objetivo de aumentar a sua sensibilidade por área ocupada. Comparada aos eletrodos interdigitados tradicionais, os eletrodos interdigitados em forma de anel, utilizando a mesma área, fornecem um incremento de capacitância de até 30fF. Enquanto a capacitância devido a permissividade do fluido varia na ordem de unidades de femto Faraday. Além de aprimorarem a sensibilidade, os eletrodos em forma de anel são mais adequados a aplicações que exigem gotejamento uniforme de compostos ou substâncias seletivas ao analito alvo. Após a simulação utilizando o método de elementos finitos (FEM), nós detalhamos a caracterização e aplicação dos protótipos do microsensor e dos atuadores. Os resultados da caracterização dos atuadores provaram que sua atuação magnética é adequada para os microssistemas de laboratório em um chip uma vez que são capazes de promover pressões superiores a 700Pa no interior dos microcanais. Além disso, demonstramos que a fabricação utilizada é um método de baixo custo e eficiente para a prototipagem rápida de dispositivos biocompatíveis e descartáveis, uma vez que utiliza materiais inertes e técnicas convencionais da microeletrônica. Finalmente, apresentamos componentes microfluídicos preparados para integração em lab-on-a-chip capaz de bombear, misturar e medir a permissividade de fluidos em microcanais. O circuito de condicionamento proposto para o sensor, alimentado por uma bateria, é capaz de comunicar sem fio com um hardware instalado na porta serial de um computador, garantindo sua portabilidade, enquanto os dados são apresentados por um Instrumento Virtual (IV) desenvolvido em LabView®

Abstract: Lab-on-a-chip is a microfluidic device intended to bring traditional chemical analysis on the few square centimeters of a single chip. The miaturization enables faster chemical analysis at lower costs, with more reliable and portable devices. The main challenges of this integration are on manipulating small amounts of fluid (pumping), on the adequate mixing and sensing the proportion and type of the existing fluid. Therefore, micromixers, micropumps and integrated microsensors units are essential for the development and viability of various lab-on-a-chip applications. In this context, we have developed a micropump, a micromixer, and an interdigitated capacitive sensor capable to evaluate the electric permittivity of fluids in a lab-on-a-chip. The manufacture of these components employs techniques compatible with microelectronics and microfluidics, resulting in devices based on glass substrate and polydimethylsiloxane (PDMS) microchannels. We propose electromagnetic actuators integrating neodymium, iron and boron (NdFeB) permanent magnet with PDMS elastomer while an electromagnet, external to the device, was used to perform the displacement of the magnet. The actuator, which can be used for pumping fluids in microchannels was presented and evaluated by simulation, and fabrication. We also investigate the advantages and disadvantages of some planar interdigitated electrodes morphologies in order to increase their sensitivity by occupied area. Compared to traditional interdigitated electrodes, interdigitated ring-shaped electrodes provide a capacitance increment up to 30fF. While the capacitance due to the permittivity of the fluid varies in the range of femto Faraday. In addition, the ring-shaped electrodes are more suitable for applications requiring uniform drip compounds or substances selective to the target analyte. After present the finite element method simulation (FEM), we have shown the characterization and application of microsensor and actuators prototypes. The results of the magnetic actuators characterization have proved that their performance is adequate for lab-on-a-chip microsystems since they are capable of generating pressures greater than 700Pa inside the microchannel. Furthermore, we demonstrated that the fabrication uses an efficient and low cost method for rapid prototyping of disposable biocompatible devices since it uses inert materials and conventional microelectronic techniques. Finally, we show that the microfluidic components are prepared for the lab-on-a-chip integration being capable of pumping, mixing and measuring the permittivity of fluids in microchannels. The sensor conditioning circuit, powered by a battery, is able to communicate wirelessly with a hardware installed on the serial port of a computer, ensuring its portability, while the data is presented in a Virtual Instrument (IV) developed in LabView®
Subject: Microfluidica
Detectores
Eletrodos
Válvulas
Editor: [s.n.]
Citation: RIBEIRO, Luiz Eduardo Bento. Contribuições para o desenvolvimento de eletrodos interdigitados e atuadores eletromagnéticos com aplicações em dispositivos microfluídicos portáteis = Contributions to the development of interdigitated electrodes and electromagnetic actuators with applications in portable microfluidic devices. 2016. 1 recurso online (138 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação, Campinas, SP. Disponível em: <http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/330556>. Acesso em: 1 set. 2018.
Date Issue: 2016
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

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