A microfluídica atua em áreas como controle de fluxo, e \"química e ciências da vida\". Nesta última área encontram-se dispositivos como micro-agulhas, micro-separadores, microdispensadores, micro-reatores e micromisturadores. Em particular, micromisturadores podem estar presentes nas mais variadas aplicações na industria e na ciência, que necessitam de mistura de fluidos. Uma dessas aplicações é a encapsulação de ativos por uma matriz polimérica (micro-esferas poliméricas) para sistemas de liberação controlada. Nos processos convencionais de encapsulação uma das etapas cruciais é a produção de emulsões simples e múltiplas, que é o resultado do processo de mistura de dois líquidos imiscíveis. A introdução de micromisturadores para formação de emulsões é uma alternativa tecnológica que foi explorada neste trabalho. Portanto, foi realizado um estudo de pré-formulação, no qual foram produzidas micro-esferas poliméricas sem nenhum ativo encapsulado através de n misturadores microfluídicos diferentes. Os dispositivos mais eficientes foram identificados através das características das micro-esferas produzidas, tais como: diâmetro médio de partícula, índice de dispersão da distrib uição de partículas e morfologia (forma geométrica). Identificados os dispositivos, parâmetros de processo foram estudados, tais como: vazão e formulação. Os resultados obtidos indicaram que é possível produzir micro-esferas poliméricas com suas principais características controladas: tamanho e índice de dispersão. / Microfluidics actuates in areas as flow control, and \"chemistry and life sciences\". In this latter area appear devices as microneedles, microseparators, microdispensers, micro-reactors and micromixers. In particular, micromixers can be found in several applications in industry and science where it is needed fluid mixing. One of these applications is the asset encapsulation of a polymeric matrix (polymeric microspheres) for controlled release systems. In conventional processes of encapsulation one of crucial steps is the production of simple or multiple emulsions, which is the result of the mixing process of two immiscible liquids. Utilization of micromixers for emulsion preparation is a technological alternative that is explored in this work. Therefore, it was realized a pre-formulation study, for production of polymeric microspheres without any asset encapsulated, through several microfluidic mixers. The more efficient devices were ident ified through characteristic parameters of produced microspheres, such as: particle average diameter, dispersion index of particle size distribution and morphology (geometric shape). After device identification, process parameters were studied, such as: flow rate and formulation. Obtained results indicated that it is possible to produce polymeric microspheres with its main controlled characteristics: size and dispersion index.

O presente trabalho tem como objetivo principal a produção e estudo de filmes de nitreto de alumínio (AlN) depositados por pulverização catódica (sputtering) reativa e a fabricação e caracterização de guias de onda tipo pedestal utilizando o AlN como núcleo. Inicialmente, filmes de AlN foram fabricados por pulverização catódica reativa (sputtering) de rádio frequência (RF) utilizando um alvo de alumínio (Al) com 99,999% de pureza, e nitrogênio (N2) como gás reativo. Subsequentemente, os filmes foram caracterizados mediante as técnicas de elipsometria, difração de raios X (DRX), espectroscopia de absorção por transformada de fourier na região do infravermelho (FTIR) e espectroscopia de absorção na região do ultravioleta e do visível (UV-VIS). Tendo as melhores condições ópticas e físicas para a deposição de filmes de AlN, foram fabricados neste trabalho guias de onda tipo pedestal utilizando estes filmes como núcleo. O guia de onda pedestal traz um processo de fabricação alternativo, em que a geometria do guia de onda determina-se na camada anterior ao do núcleo, assim já não é necessário delinear as paredes laterais da camada de núcleo facilitando desta forma, o processo de fabricação do dispositivo. Os guias de tipo pedestal fabricados neste trabalho foram definidos através da corrosão parcial do óxido de silício (SiO2) mediante a técnica de RIE (Reactive Ion Etching) usando gases trifluorometano (CHF3) e oxigênio (O2) como gases reativos. Uma vez definido o pedestal, um filme de nitreto de alumínio é depositado sobre o SiO2 com a finalidade de constituir o núcleo do guia de onda. O ar foi utilizado como revestimento superior, cujo índice de refração (n = 1) aumenta o confinamento da luz no núcleo e também para poder possibilitar a caracterização das perdas ópticas do dispositivo. Para esta caracterização usamos a técnica de vista superior que permitiu a análises das perdas ópticas de propagação para diferentes alturas de pedestal e diferentes espessuras de núcleo tanto para filmes de AlN orientado no plano cristalino (002) quanto para filmes de AlN amorfos. / The main objective of this work is the production and study of Aluminum Nitride (AlN) films deposited by reactive sputtering and the fabrication and characterization of pedestal optical waveguides using AlN as core. Initially, aluminum nitride films were produced by reactive sputtering using a 99.999% aluminum (Al) purity target, and nitrogen (N2) as the reactive gas. Subsequently, the films were characterized by ellipsometry, X-ray Diffraction, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Ultraviolet-visible spectroscopy (UV-VIS). Once the best optical and physical conditions for the deposition of AlN films were obtained, pedestal waveguides using these films as a nucleus were fabricated in this work. The pedestal waveguide provides an alternative manufacturing process where the geometry of the waveguide is determined in the pre-core layer, so it is no longer necessary to delineate the side walls of the core layer thereby facilitating the device fabrication process. The pedestal waveguides fabricated in this work were defined by the partial corrosion of SiO2 by the RIE (Reactive Ion Etching) technique using CHF3 and O2 gases as reactive gases. Once the pedestal is completed, an aluminum nitride film is deposited onto the SiO2 layer as the waveguide core. The air was used as an upper cladding, whose refractive index (n ? 1) increases the confinement of the light in the core and also allows the optical loss characterization. For this characterization, we used the superior view technique that allowed the analysis of optical propagation losses for different pedestal heights and different core thicknesses for both highly (002) oriented and amorphous AlN films.

O trabalho de doutorado teve como objetivo desenvolver um modulador óptico baseado em filme magnetostrictivo para aplicação como magnetômetro. A modelagem e simulação do dispositivo foi realizada utilizando software com cálculo por método dos elementos finitos (MEF) e teve como finalidade auxiliar iterativamente os processos de projeto e fabricação do modulador. A originalidade da proposta baseia-se na construção de um guia de onda em óptica integrada recoberto por um filme magnetostrictivo para permitir a modulação , via efeito elasto-óptico, da onda guiada pela aplicação de campos magnéticos externos. O campo magnético aplicado provoca a deformação o material magnetostrictivo que induz uma modificação no perfil de esforço aplicado ao substrato. O substrato tem suas propriedades ópticas alteradas devido ao efeito elasto-óptico, o que provoca mudanças nas propriedades da luz transmitida. O trabalho tem seu início com o estudo e a caracterização de filmes magnetostrictivos de Tb25F275 e Tb23Co77 depositados por sputtering sobre substratos de silício. Uma técnica para preparação das amostras e medição da magnetostricção foi estabelecida e os coeficientes de magnetostrição dos filmes foram determinados a partir das medições diretas dos deslocamentos das amostras, em função dos campos magnéticos aplicados, utilizando a técnica de Atomic Force Microscopy (AFM). Os resultados experimentais obtidos permitiram a realização de simulações por MEF para verificação dos modos de guiamento da luz gerados pelo perfil de esforços induzidos termicamente no processo de deposição do filme magnetostrictivo sobre substrato de B12GeO4 (BGO). Foi modelado e simulado também o efeito da aplicação do campo magnético sobre o guia óptico obtido inicialmente pelo efeito de esforço térmico. No resultado das simulações foi possível verificar as alterações do índice de refração efetivo e da intensidade óptica do modo guiado em função de campos magnéticos aplicados ao modulador. Ao final do trabalho realizaram-se a fabricação de alguns protótipos. Os resultados das caracterizações dos moduladores construídos permitirão, no futuro, ajustar os modelos de simulação elaborados. / The doctoral work aims are the development and simulation of an optical modulator based on the effect of magnetostriction for application as magnetometer. The multiphysics simulations were performed using the Finite Elements Method (FEM). In the manufacturing process of optical modulator integrated optics techniques were applied. The originality of the proposal is based on the construction of an integrated optical waveguide covered by a magnetostrictive film to allow the modulation of the guided wave, through the elasto-optical effect, by the application of external magnetic fields. The applied magnetic field causes deformation of the magnetostrictive material that induces a modification of the stress profile produced in substrate. The substrate has its optical properties altered due to the elasto-optical effect, which causes changes in the properties of transmitted light. The work begins with the study and characterization of TbFe and TbCo2 magnetostrictive films deposited by sputtering on silicon substrates. A method for sample preparation and measurement of magnetostriction was established. The magnetostrictive coefficient of the films was determined from the direct measurement of displacements of samples by AFM technique for magnetic fields applied. The experimental results obtained allowed to perform MEF simulations to verify the light guided modes generated by the profile of thermally induced stress created by deposition process of magnetostrictive film on B12GeO4 (BGO) substrate. It was also modeled and simulated the effect of the application of magnetic field on the optical guide obtained initially by the effect of thermal stress. In simulation results, it was possible to verify the changes of effective refractive index and optical intensity of guided modes as functions of magnetic fields applied to the modulator. At the end of the work, some prototypes were fabricated. The results of characterizations of the built modulators will allow, in the future, adjustments in simulation models.

O presente trabalho, realizado junto ao Grupo de Novos Materiais e Dispositivos (GNMD), no Laboratório de Microeletrônica do Departamento de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da USP, visou determinar algumas das propriedades termo-mecânicas de materiais depositados pela técnica de plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) que são importantes para o desenvolvimento de sistemas microeletromecânicos (MEMS). O módulo de elasticidade, a tensão mecânica residual, o coeficiente de expansão térmica e a condutividade térmica de filmes finos de carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-SiC:H) e de oxinitreto de silício (SiOxNy) foram estudados. Medidas de nanoindentação e ressonância de cantilevers foram utilizadas para a obtenção do módulo de elasticidade e os resultados obtidos foram similares (75 e 91 GPa) pelos dois métodos e compatíveis com valores encontrados na literatura. Além disso, obteve-se o módulo de elasticidade de filmes de cromo (285 GPa). A tensão mecânica residual dos filmes utilizados neste trabalho foi medida através da curvatura do substrato induzida pela deposição dos filmes e pela deformação de cantilevers. O valor médio da tensão mecânica, obtido pela curvatura do substrato, variou de -69 MPa até -1750 MPa, mostrando grande dependência das condições de deposição dos filmes. O método que utiliza a deformação de cantilevers possibilitou a obtenção do gradiente de tensão mecânica, que também mostrou uma dependência das condições de deposição, sendo sempre o a-SiC:H quase estequiométrico o menos tensionado. O coeficiente de expansão térmica foi medido utilizando a técnica do gradiente de temperatura e o valor obtido foi similar a valores reportados na literatura para o carbeto de silício cristalino. Para um a-SiC:H quase estequiométrico foi obtido um coeficiente de expansão térmica de 3,41 m/oC, enquanto para um a-SiC:H rico em carbono o valor foi de 4,36 m/oC. Também foi verificado que a variação da resistência do cromo em função da temperatura é pequena, não permitindo sua utilização como sensor de temperatura e inviabilizando a obtenção da condutividade térmica dos filmes estudados. Além disso, foram apresentados trabalhos promissores, mostrando o potencial dos materiais estudados para o desenvolvimento de MEMS. Nesses trabalhos, demonstrou-se a viabilidade de integrar microestruturas atuadas termicamente e guias de onda ópticos, utilizando os materiais estudados neste trabalho. Foram fabricados chaves ópticas, portas lógicas ópticas, fontes de luz integradas e acoplamento das fontes de luz com guias de onda. / This work, realized at the New Materials and Devices Group (GNMD) at the Microelectronics Laboratory of the Department of Electronic Systems of the Polytechnic School of the University of São Paulo, focused at the determination of thermo-mechanical properties of materials deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) that are important for the development of microelectromechanical systems (MEMS). The Youngs modulus, the residual stress, the coefficient of thermal expansion and the thermal conductivity of amorphous hydrogenated silicon carbide (a-SiC:H) and silicon oxynitride (SiOxNy) thin films were studied. Nanoindentation and the resonance of cantilevers were used to obtain the Youngs modulus. The results were similar (75 and 91 GPa) with both methods and compatible with literature values. Further, the Youngs modulus of chromium films was also obtained (285 GPa). The residual stress of thin films was obtained through the substrate curvature induced by the film deposition and through the deformation of cantilever beams. The residual stress, obtained through the substrate curvature, varied between -69 MPa and -1750 MPa, showing great dependence on the deposition conditions of these materials. The deformation of cantilevers allowed the determination of the stress gradient and it was also affected by the deposition conditions. In all stress measurements the near stoichiometry a-SiC:H film was less stressed. The coefficient of thermal expansion was measured using the temperature gradient technique and the obtain values were similar to those reported in the literature for crystalline silicon carbide. For a near stoichiometry a-SiC:H film, a value of 3.41 m/oC was obtained, while a carbon rich film showed a thermal expansion coefficient of 4.36 m/oC. It was also verified that the variation of the chromium resistance as a function of temperature is small. This did not allow the utilization of chromium as a temperature sensor, which prevented the obtention of the thermal conductivity of the studied films. Also, some promising works were presented, showing potential applications of the studied materials for the development of MEMS. In these works, the viability of integration of thermal actuated microstructures and optical waveguides was demonstrated. In these works, optical switches, optical logic gates, integrated light sources and coupling of integrated light sources with optical waveguides were presented.

O trabalho de doutorado teve como objetivo desenvolver um modulador óptico baseado em filme magnetostrictivo para aplicação como magnetômetro. A modelagem e simulação do dispositivo foi realizada utilizando software com cálculo por método dos elementos finitos (MEF) e teve como finalidade auxiliar iterativamente os processos de projeto e fabricação do modulador. A originalidade da proposta baseia-se na construção de um guia de onda em óptica integrada recoberto por um filme magnetostrictivo para permitir a modulação , via efeito elasto-óptico, da onda guiada pela aplicação de campos magnéticos externos. O campo magnético aplicado provoca a deformação o material magnetostrictivo que induz uma modificação no perfil de esforço aplicado ao substrato. O substrato tem suas propriedades ópticas alteradas devido ao efeito elasto-óptico, o que provoca mudanças nas propriedades da luz transmitida. O trabalho tem seu início com o estudo e a caracterização de filmes magnetostrictivos de Tb25F275 e Tb23Co77 depositados por sputtering sobre substratos de silício. Uma técnica para preparação das amostras e medição da magnetostricção foi estabelecida e os coeficientes de magnetostrição dos filmes foram determinados a partir das medições diretas dos deslocamentos das amostras, em função dos campos magnéticos aplicados, utilizando a técnica de Atomic Force Microscopy (AFM). Os resultados experimentais obtidos permitiram a realização de simulações por MEF para verificação dos modos de guiamento da luz gerados pelo perfil de esforços induzidos termicamente no processo de deposição do filme magnetostrictivo sobre substrato de B12GeO4 (BGO). Foi modelado e simulado também o efeito da aplicação do campo magnético sobre o guia óptico obtido inicialmente pelo efeito de esforço térmico. No resultado das simulações foi possível verificar as alterações do índice de refração efetivo e da intensidade óptica do modo guiado em função de campos magnéticos aplicados ao modulador. Ao final do trabalho realizaram-se a fabricação de alguns protótipos. Os resultados das caracterizações dos moduladores construídos permitirão, no futuro, ajustar os modelos de simulação elaborados. / The doctoral work aims are the development and simulation of an optical modulator based on the effect of magnetostriction for application as magnetometer. The multiphysics simulations were performed using the Finite Elements Method (FEM). In the manufacturing process of optical modulator integrated optics techniques were applied. The originality of the proposal is based on the construction of an integrated optical waveguide covered by a magnetostrictive film to allow the modulation of the guided wave, through the elasto-optical effect, by the application of external magnetic fields. The applied magnetic field causes deformation of the magnetostrictive material that induces a modification of the stress profile produced in substrate. The substrate has its optical properties altered due to the elasto-optical effect, which causes changes in the properties of transmitted light. The work begins with the study and characterization of TbFe and TbCo2 magnetostrictive films deposited by sputtering on silicon substrates. A method for sample preparation and measurement of magnetostriction was established. The magnetostrictive coefficient of the films was determined from the direct measurement of displacements of samples by AFM technique for magnetic fields applied. The experimental results obtained allowed to perform MEF simulations to verify the light guided modes generated by the profile of thermally induced stress created by deposition process of magnetostrictive film on B12GeO4 (BGO) substrate. It was also modeled and simulated the effect of the application of magnetic field on the optical guide obtained initially by the effect of thermal stress. In simulation results, it was possible to verify the changes of effective refractive index and optical intensity of guided modes as functions of magnetic fields applied to the modulator. At the end of the work, some prototypes were fabricated. The results of characterizations of the built modulators will allow, in the future, adjustments in simulation models.

O presente trabalho, realizado junto ao Grupo de Novos Materiais e Dispositivos (GNMD), no Laboratório de Microeletrônica do Departamento de Sistemas Eletrônicos da Escola Politécnica da USP, visou determinar algumas das propriedades termo-mecânicas de materiais depositados pela técnica de plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) que são importantes para o desenvolvimento de sistemas microeletromecânicos (MEMS). O módulo de elasticidade, a tensão mecânica residual, o coeficiente de expansão térmica e a condutividade térmica de filmes finos de carbeto de silício amorfo hidrogenado (a-SiC:H) e de oxinitreto de silício (SiOxNy) foram estudados. Medidas de nanoindentação e ressonância de cantilevers foram utilizadas para a obtenção do módulo de elasticidade e os resultados obtidos foram similares (75 e 91 GPa) pelos dois métodos e compatíveis com valores encontrados na literatura. Além disso, obteve-se o módulo de elasticidade de filmes de cromo (285 GPa). A tensão mecânica residual dos filmes utilizados neste trabalho foi medida através da curvatura do substrato induzida pela deposição dos filmes e pela deformação de cantilevers. O valor médio da tensão mecânica, obtido pela curvatura do substrato, variou de -69 MPa até -1750 MPa, mostrando grande dependência das condições de deposição dos filmes. O método que utiliza a deformação de cantilevers possibilitou a obtenção do gradiente de tensão mecânica, que também mostrou uma dependência das condições de deposição, sendo sempre o a-SiC:H quase estequiométrico o menos tensionado. O coeficiente de expansão térmica foi medido utilizando a técnica do gradiente de temperatura e o valor obtido foi similar a valores reportados na literatura para o carbeto de silício cristalino. Para um a-SiC:H quase estequiométrico foi obtido um coeficiente de expansão térmica de 3,41 m/oC, enquanto para um a-SiC:H rico em carbono o valor foi de 4,36 m/oC. Também foi verificado que a variação da resistência do cromo em função da temperatura é pequena, não permitindo sua utilização como sensor de temperatura e inviabilizando a obtenção da condutividade térmica dos filmes estudados. Além disso, foram apresentados trabalhos promissores, mostrando o potencial dos materiais estudados para o desenvolvimento de MEMS. Nesses trabalhos, demonstrou-se a viabilidade de integrar microestruturas atuadas termicamente e guias de onda ópticos, utilizando os materiais estudados neste trabalho. Foram fabricados chaves ópticas, portas lógicas ópticas, fontes de luz integradas e acoplamento das fontes de luz com guias de onda. / This work, realized at the New Materials and Devices Group (GNMD) at the Microelectronics Laboratory of the Department of Electronic Systems of the Polytechnic School of the University of São Paulo, focused at the determination of thermo-mechanical properties of materials deposited by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) that are important for the development of microelectromechanical systems (MEMS). The Youngs modulus, the residual stress, the coefficient of thermal expansion and the thermal conductivity of amorphous hydrogenated silicon carbide (a-SiC:H) and silicon oxynitride (SiOxNy) thin films were studied. Nanoindentation and the resonance of cantilevers were used to obtain the Youngs modulus. The results were similar (75 and 91 GPa) with both methods and compatible with literature values. Further, the Youngs modulus of chromium films was also obtained (285 GPa). The residual stress of thin films was obtained through the substrate curvature induced by the film deposition and through the deformation of cantilever beams. The residual stress, obtained through the substrate curvature, varied between -69 MPa and -1750 MPa, showing great dependence on the deposition conditions of these materials. The deformation of cantilevers allowed the determination of the stress gradient and it was also affected by the deposition conditions. In all stress measurements the near stoichiometry a-SiC:H film was less stressed. The coefficient of thermal expansion was measured using the temperature gradient technique and the obtain values were similar to those reported in the literature for crystalline silicon carbide. For a near stoichiometry a-SiC:H film, a value of 3.41 m/oC was obtained, while a carbon rich film showed a thermal expansion coefficient of 4.36 m/oC. It was also verified that the variation of the chromium resistance as a function of temperature is small. This did not allow the utilization of chromium as a temperature sensor, which prevented the obtention of the thermal conductivity of the studied films. Also, some promising works were presented, showing potential applications of the studied materials for the development of MEMS. In these works, the viability of integration of thermal actuated microstructures and optical waveguides was demonstrated. In these works, optical switches, optical logic gates, integrated light sources and coupling of integrated light sources with optical waveguides were presented.