Introdução aos Biossensores e Bio-MEMS
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Questions and Answers

Qual é uma das principais vantagens dos sistemas MEMS em relação a sensores e atuadores tradicionais?

  • Redução do custo de fabricação (correct)
  • Baixa confiabilidade
  • Maior complexidade no processo de fabricação
  • Desempenho inferior

Qual dos seguintes materiais é convencionalmente utilizado na microfabricação?

  • Metal
  • Polímeros
  • Papel
  • Silício (correct)

Qual é uma desvantagem do silício em aplicações de Bio-MEMS?

  • Bioincompatibilidade (correct)
  • Baixo custo
  • Alta transparência
  • Alta resistência

Quais polímeros são mencionados como comuns em Bio-MEMS?

<p>PMMA, PDMS e SU-8 (A)</p> Signup and view all the answers

Qual é uma das características vantajosas do papel em microdispositivos?

<p>Serve como filtro de partículas e célula (B)</p> Signup and view all the answers

Qual das seguintes afirmações sobre polímeros em Bio-MEMS é verdadeira?

<p>São compatíveis com aplicações biológicas (B)</p> Signup and view all the answers

Qual é o processo pelo qual os fluidos se movem em dispositivos microfluídicos de papel?

<p>Por forças de capilaridade (A)</p> Signup and view all the answers

Qual desvantagem não está associada ao uso de polímeros em Bio-MEMS?

<p>Alta resiliência (D)</p> Signup and view all the answers

Qual é a principal característica do processo de eletrodeposição?

<p>Envolve a aplicação de um potencial elétrico entre o substrato e um contra-eletrodo. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual das seguintes opções é uma técnica de deposição física por vapor (PVD)?

<p>Evaporação (D)</p> Signup and view all the answers

Qual é a principal desvantagem do PVD em relação ao CVD?

<p>A qualidade dos filmes é geralmente inferior. (D)</p> Signup and view all the answers

Qual é um dos métodos comuns de evaporação em PVD?

<p>Evaporação resistiva (B)</p> Signup and view all the answers

O que ocorre na técnica de sputtering?

<p>Ionização do gás gerado cria plasma. (A)</p> Signup and view all the answers

Qual dos seguintes materiais é frequentemente depositado por eletrodeposição?

<p>Ouro (B)</p> Signup and view all the answers

Qual é a função do vácuo durante o processo de evaporação em PVD?

<p>Permitir que as moléculas evaporadas se movam livremente. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual técnica deve ser usada quando é necessário atingir temperaturas de evaporação muito altas?

<p>Evaporação por canhão de elétrons (D)</p> Signup and view all the answers

O que é um biossensor?

<p>Um dispositivo que combina um componente biológico com um transdutor físico-químico. (A)</p> Signup and view all the answers

Qual das opções abaixo representa componentes que podem ser integrados em um MEMS?

<p>Sensores, atuadores e microprocessadores. (B)</p> Signup and view all the answers

Qual é uma das vantagens dos sistemas MEMS?

<p>Eles permitem a fabricação de sistemas mecânicos complexos em um único substrato de silício. (C)</p> Signup and view all the answers

Como são normalmente fabricados os componentes eletrônicos dos MEMS?

<p>Usando os mesmos processos utilizados na fabricação de circuitos integrados. (D)</p> Signup and view all the answers

Qual é o papel dos atuadores em um sistema MEMS?

<p>Executar ações mecânicas. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual é um dos principais desafios na construção de sistemas biomédicos com MEMS?

<p>Obter precisão em escalas muito pequenas. (B)</p> Signup and view all the answers

Que tipo de tecnologia de fabricação é usada para produzir componentes mecânicos em MEMS?

<p>Micromecanização e microfabricação. (A)</p> Signup and view all the answers

Qual é a principal vantagem de integrar biossensores com MEMS?

<p>Proporcionar funcionalidades adicionais em uma única plataforma. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual a principal diferença entre a erosão de íon reativo (RIE) e a erosão por arranque (sputter etching)?

<p>RIE envolve uma reação química enquanto sputter etching não envolve. (C)</p> Signup and view all the answers

Por que a erosão isotrópica é indesejada quando o tamanho dos padrões é semelhante à espessura do filme?

<p>Porque resulta em uma erosão uniforme que pode danificar os padrões. (D)</p> Signup and view all the answers

Qual dos seguintes gases é frequentemente utilizado na erosão de íon reativo (RIE)?

<p>Freon (CF4, SF6) (D)</p> Signup and view all the answers

Como a mudança nas condições do processo afeta a anisotropia da erosão?

<p>Promove uma maior contribuição da parte química da erosão em vez da física. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual afirmação sobre a erosão por arranque (sputter etching) é verdadeira?

<p>É semelhante ao RIE, mas sem a contribuição reativa. (B)</p> Signup and view all the answers

Qual é o principal benefício da técnica de 'spin coating'?

<p>Proporciona controle preciso da espessura dos filmes. (D)</p> Signup and view all the answers

O que caracteriza a fotolitografia?

<p>Uso de radiação do espectro visível para alterar propriedades de materiais. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual a diferença entre resina positiva e negativa na fotolitografia?

<p>A resina positiva remove a região exposta; a negativa remove a não exposta. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual a função do fotoresist na transferência de padrões?

<p>Serve como máscara temporária para erosão em camadas abaixo. (A)</p> Signup and view all the answers

Como acontece o processo de pulverização catódica (sputtering)?

<p>Os íons são acelerados para formar uma camada de vapor. (A)</p> Signup and view all the answers

Qual é uma característica do material fotossensível utilizado em litografia?

<p>Altera suas propriedades físicas sob exposição à radiação. (B)</p> Signup and view all the answers

Qual é a principal limitação do fotoresist em micromecanização?

<p>Não possui boas propriedades mecânicas para usinagem. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual é um dos métodos de aplicação do material em 'casting' (spin coating)?

<p>Por pulverização ou rotação. (A)</p> Signup and view all the answers

Qual é o processo de remoção do material depositado sobre o resist chamado?

<p>Lift-off (C)</p> Signup and view all the answers

Quantas marcas de alinhamento são geralmente necessárias para alinhar adequadamente uma máscara com o substrato?

<p>Duas marcas (D)</p> Signup and view all the answers

Qual é uma característica importante a considerar ao posicionar marcas de alinhamento?

<p>Devem levar em conta a capacidade de deslocamento do alinhador de máscara (C)</p> Signup and view all the answers

O que pode acontecer se a imagem for subexposta durante o processo de transferência de padrões?

<p>A transferência não será completa (D)</p> Signup and view all the answers

Qual é a diferença entre erosão úmida e erosão seca?

<p>A erosão úmida dissolve o material por imersão em solução química (D)</p> Signup and view all the answers

Qual fator pode impactar a precisão na transferência de padrões durante a exposição?

<p>A comprimento de onda da radiação e dose requerida (D)</p> Signup and view all the answers

O que é essencial para o resist utilizado durante a erosão úmida?

<p>Deve ser resistente à solução de ataque (D)</p> Signup and view all the answers

Qual é o principal resultado da erosão realizada em uma estrutura MEMS?

<p>Formação de uma função estrutural (D)</p> Signup and view all the answers

Flashcards

Biossensor

Dispositivo analítico que combina um componente biológico com um transdutor físico-químico para detectar um analito.

MEMS

Sistemas microeletromecânicos que podem integrar sensores, atuadores e processadores num único dispositivo.

Bio-MEMS

Integração de biossensores com MEMS para funcionalidades adicionais.

Tecnologia de processamento de silício

Técnica que possibilita a fabricação de sistemas complexos num wafer de silício.

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Sistemas inteligentes

Sistemas que integram microeletrônica, microsensores e microatuadores.

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Microsensores

Componentes que medem grandezas físicas, como temperatura ou pressão, em escala micrométrica.

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Microfabricação

Técnica que possibilita a criação de estruturas mecânicas e eletromecânicas em pequena escala a partir do silício.

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Micromaquinaria

Tecnologia que permite a fabricação de componentes mecânicos em escala micrométrica.

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Sistemas microeletromecânicos (MEMS)

Sistemas eletromecânicos complexos fabricados com técnicas de circuitos integrados, o que reduz custos e aumenta a confiabilidade de sensores e atuadores.

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Silício em Bio-MEMS

Material usado em microfabricação, aproveitando tecnologias de microeletrônica para criar microcanais, sensores e dispositivos.

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Desvantagens do silício em Bio-MEMS

Custo elevado, incompatibilidade biológica, falta de transparência e fragilidade.

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Polímeros em Bio-MEMS

Materiais atrativos por facilidade de microfabricação, baixo custo, alta transparência, resistência e compatibilidade biológica.

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Polímeros comuns em Bio-MEMS

PMMA, PDMS e SU-8 são exemplos de polímeros usados.

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Papel como suporte em Bio-MEMS

Material barato, fácil de manipular e padronizar, com porosidade que permite filtragem e imobilização de partículas e células.

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Movimento de fluidos em dispositivos de papel

Movido por forças capilares, permitindo a movimentação de líquidos em microcanais.

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Propriedade do papel como filtro

A porosidade do papel permite que este sirva como filtro de partículas e células.

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Eletrodeposição

Processo de deposição de um filme sobre um substrato por meio de reações redox induzidas por corrente elétrica.

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O que é eletrodeposição?

É um processo de revestimento de superfícies condutivas com um filme fino de material, através de uma reação química induzida por corrente elétrica.

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PVD

Deposição física de vapor. Uma técnica usada para depositar filmes finos em substratos, envolvendo a transferência de material de um alvo para o substrato.

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Quais os métodos de PVD?

Os métodos principais do PVD são evaporação e pulverização (sputtering). Ambos envolvem a transferência de material da fonte para o substrato em ambiente de vácuo.

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Evaporação por feixe de elétrons

Um feixe de elétrons é usado para aquecer o material fonte a ponto de evaporação, gerando vapores que se depositam no substrato.

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Evaporação resistiva

Uma barra de tungstênio contendo o material a ser evaporado é aquecida por corrente elétrica, gerando vapores.

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Pulverização (Sputtering)

Um plasma é usado para liberar átomos do alvo, que são depositados no substrato.

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Qual a diferença entre PVD e CVD?

PVD e CVD são técnicas de deposição de filmes finos, mas PVD utiliza vaporização física do material, enquanto CVD usa reações químicas.

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Pulverização Catódica (Sputtering)

Um processo de deposição de vapor físico (PVD) que envolve o bombardeio de um alvo com íons, fazendo com que átomos do alvo sejam ejetados e depositados em um substrato.

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Deposição por 'Casting' - Spin Coating

Uma técnica de deposição de filmes finos onde um material dissolvido em um solvente é aplicado em um substrato e girado a alta velocidade, levando à evaporação do solvente e formando um filme fino.

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Litografia

O processo de transferência de um padrão para um material fotossensível através da exposição seletiva a uma fonte de radiação.

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Material Fotossensível

Um material que sofre alterações em suas propriedades físicas quando exposto a uma fonte de radiação.

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Fotolitografia

Um tipo específico de litografia que utiliza radiação do espectro visível para transferir padrões.

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Fotoresist

Um material fotossensível usado em fotolitografia que muda sua resistência química a um revelador após exposição à radiação.

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Fotoresist Positivo

Um tipo de fotoresist onde as regiões expostas à radiação são removidas durante o desenvolvimento.

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Fotoresist Negativo

Um tipo de fotoresist onde as regiões não expostas à radiação são removidas durante o desenvolvimento.

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Anisotropia na Erosão

A erosão ocorre a taxas diferentes em diferentes direções cristalinas do material. Isso acontece porque o material é mais suscetível à erosão em algumas direções do que em outras.

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Erosão Isótropa

A erosão ocorre na mesma taxa em todas as direções, resultando em um desgaste uniforme na superfície.

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Erosão Seca

Um método de erosão que utiliza gases para remover material de forma mais precisa e controlada do que a erosão úmida, ideal para padrões de tamanho similar à espessura do filme.

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RIE (Erosão de Íon Reactivo)

Um processo de erosão seca que utiliza um plasma para criar íons que reagem com a superfície do material, removendo-o.

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Sputter Etching

Um processo de erosão seca que utiliza íons de gás Argônio (Ar) para pulverizar o material, removendo-o por bombardeio.

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O que é Lift-off?

Um processo de fabricação onde a remoção de material depositado sobre um fotoresist é realizada pela erosão do fotoresist, deixando o material depositado intacto nas áreas protegidas pelo fotoresist.

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Qual a importância do alinhamento de máscaras?

O alinhamento de máscaras garante que os padrões de diferentes camadas de um dispositivo sejam alinhados corretamente, evitando erros de fabricação e garantindo o funcionamento adequado do dispositivo.

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O que são marcas de alinhamento?

Marcas que servem como referência para o posicionamento preciso das máscaras durante o processo de fabricação, garantindo que cada camada seja alinhada corretamente.

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Qual a importância dos parâmetros de exposição?

Os parâmetros de exposição, como a intensidade e tempo de exposição à radiação, determinam a precisão da transferência de padrões para o fotoresist.

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O que é erosão (etching)?

Um processo de remoção de material de um substrato por meio de um ataque químico ou físico, utilizado para criar padrões e estruturas desejadas em um dispositivo.

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Quais os tipos de erosão?

Existem dois tipos principais de erosão: erosão úmida, onde a remoção do material ocorre por meio de soluções químicas, e erosão seca, onde a remoção ocorre por meio de íons ou gases reativos.

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Quais as vantagens da erosão úmida?

A erosão úmida é geralmente um processo simples e de baixo custo, utilizando uma única solução química para remover o material.

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Quais as desvantagens da erosão úmida?

A erosão úmida pode ser menos precisa que a erosão seca, pois a solução química pode corroer o material de forma não uniforme.

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Study Notes

Introdução aos Biossensores

  • Biossensores são dispositivos analíticos que combinam um componente biológico com um transdutor físico-químico, utilizados para detectar analitos.

MEMS

  • MEMS (Sistemas Microelectrónicos-Mecânicos) são dispositivos que podem integrar sensores, atuadores e processadores numa única plataforma.

Bio-MEMS

  • Bio-MEMS resultam da integração de biossensores com MEMS, adicionando funcionalidades adicionais.

Tipos de Bio-MEMS

  • Microneedles e microeletrodos implantáveis
  • Organ-on-a-chip e cultura de células microfluídicas
  • Chips PCR
  • Microarrays e chips de diagnóstico de ponto de cuidados
  • Microreactores
  • Lab-on-a-chip
  • Biossensores miniaturizados

MEMS - Sistemas Micro-Eletromecânicos

  • A utilização de silício permite a fabricação de sistemas complexos em wafers.
  • MEMS permitem a integração de microeletrónica, microsensores e microatuadores, criando produtos inteligentes.

MEMS - Escalas e Dimensões

  • Os MEMS são tipicamente fabricados em substratos de silício utilizando tecnologias de microfabricação.
  • O processo de fabricação é semelhante ao utilizado na fabricação de circuitos integrados.
  • Componentes micromecânicos são fabricados usando microfabricação, que seletivamente remove partes ou adiciona novas camadas de silício para criar dispositivos eletromecânicos.

Vantagens dos MEMS

  • A distinção entre sistemas mecânicos complexos e circuitos eletrónicos integrados é atenuada.
  • Sensores e atuadores são os componentes mais caros e menos fiáveis dos sistemas de sensores/atuadores, os MEMS permitem reduzir esses custos e melhorar a fiabilidade.
  • Os MEMS permitem construir sistemas eletromecânicos complexos utilizando as técnicas de produção de circuitos integrados, reduzindo o custo de produção e melhorando a fiabilidade.
  • Produzem dispositivos com melhor desempenho e menores custos de produção.

Materiais em Bio-MEMS

  • Silício: Material comumente utilizado na microfabricação. Vantagens: vasta experiência em fabricação, disponível em alta pureza, boas propriedades físicas e químicas, permitindo a integração de componentes eletrônicos e mecânicos numa única estrutura. Desvantagens: alto custo, incompatibilidade biológica, falta de transparência e fragilidade.
  • Polímeros: Materiais atraentes devido à facilidade de microfabricação, baixo custo, elevada transparência e resistência, biocompatibilidade. Os polímeros mais comuns são PMMA, PDMS e SU-8.
  • Papel: Ganhou importância recente como suporte para dispositivos microfluídicos. Sua porosidade permite o uso como filtro de partículas e células, suportado pela ação capilar.

Processo de Microfabricação

  • Processo similar ao das indústrias microeletrónicas (utilizando técnicas fotolitográficas ou processos de escrita direta).
  • Etapas: conceção, análise de modelos 3D, geração de máscaras/padrões, remoção de excesso de material, transferência de padrões, deposição de materiais, isolamento de áreas e testes.

Processamento MEMS

  • Há apenas três operações básicas para a fabricação de microestruturas: deposição de materiais, definição/transferência de padrões e remoção/erosão.

Processos de Deposição de Películas Finas em MEMS

  • Reacionais: CVD (Deposição Química em Fase de Vapor), Electrodeposição, Epitaxia, Oxidação Térmica. Ocorre por reações químicas com o substrato, criando películas a partir de gases ou líquidos.
  • Físicos: PVD (Deposição Física em Fase de Vapor), Fundição. Ocorre por movimentação física do material para o substrato, sem reações químicas.

Tipos de CVD

  • LPCVD (CVD de Baixa Pressão): Boa uniformidade e propriedades das películas, mas com temperaturas elevadas (acima de 600°C) e baixa taxa de deposição.
  • PECVD (CVD Aumentada por Plasma): Processo de baixa temperatura (típicamente abaixo de 200°C), devido à energia adicional fornecida pelo plasma, mas qualidade das películas pode ser menor do que em processos em temperaturas mais elevadas.

Tipos de PVD (Deposição Física de Fase de Vapor)

  • Evaporação: liberação de moléculas de material a partir de uma fonte aquecida, seguido pela condensação do vapor no substrato.
  • Evaporação por canhão de electrões.
  • Evaporação resistiva.
  • Deposição por pulverização (Sputtering): liberação de átomos mediante colisão de iões de gases no alvo material, e posterior deposição em todo o substrato.

"Casting" - Revestimento por Rotação

  • Técnica simples para deposição de materiais poliméricos.
  • O material é dissolvido em solvente, aplicado ao substrato e o solvente é evaporado.

Definição/Transferência de Padrões - Litografia

  • Transferência de padrões para um material fotossensível (fotoresist) usando uma fonte de radiação (como luz).
  • O fotoresist muda suas propriedades em resposta à radiação, permitindo a transferência do padrão
  • Fotolitografia: subdivisão da litografia onde a radiação é utilizada no espectro de frequência visível.

Remoção/Erosão - Gravura (Etching)

  • Umédia: Dissolução do material por imersão num reagente químico. Pode envolver anisotropia (velocidade de erosão diferente em diferentes direcções).
  • Seco: Retirar o material por meio de íons reactivos ou gases erosivos. Processos como RIE (Etching de Iões Reactivos) e Sputter (Etch por pulverização) são exemplos de técnicas de gravura seca.

Alinhamento de Máscaras

  • É fundamental alinhar as máscaras para criar dispositivos complexos.
  • Usando marcas de alinhamento nas máscaras, facilita o alinhamento preciso das camadas durante a fabricação.

Exposição

  • Parâmetros de exposição para transferência de padrões precisam ser cuidadosamente controlados para uma alta precisão.
  • Difração da luz e exposição/sub-exposição do padrão devem ser controlados para atingir o padrão desejado.

Exemplos de Aplicações

  • Automotivos (sensores de pressão, acelerómetros, microfonia para cancelamento de ruídos, sensores de pneus, sensores de airbags).
  • Medicina (sensoriamento de pressão do sangue, próteses musculares, estimuladores musculares, sensores para diagnóstico médico).

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Este quiz explora os conceitos fundamentais de biossensores e Bio-MEMS, incluindo suas aplicações e tipos. Você aprenderá sobre estruturas como organ-on-a-chip e microarrays, além da integração de sistemas microeletrónicos com dispositivos biológicos.

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