Este trabalho apresenta a modelagem comportamental desenvolvida para diferentes componentes necessários para a construção de uma microválvula eletromagneticamente atuável, associada ao uso de uma membrana flexível. Foram desenvolvidos modelos teóricos para a descrição do fluxo de fluidos em microcanais, especialmente canais com secções transversais retangulares, utilizadas na construção da maioria dos microcanais usados em microfluídica. O modelo para descrição da deformação experimentada por uma microponte de PDMS foi desenvolvido, permitindo estimar a rigidez elástica para diversas membranas desenvolvidas neste trabalho. Além disso um modelo teórico foi desenvolvido com o intuito de estudar as forças produzidas por uma microbobina com enrolamentos em formato espiral quadrado, sobre um imã permanente de NdFeB localizado em posições genéricas em relação à bobina. Utilizando o primeiro modelamento, estudo de microcanais, foi possível estimar a resistência hidráulica oferecida por microcanais com dimensões sub-milimétricas, permitindo avaliar a relação entre pressão de entrada e vazão de saída correspondente. Foi possível verificar analiticamente que para a faixa de trabalho especificada (vazões na faixa de 0,2 a 6 mL/min utilizando pressões na faixa de 0 a 30 kPa), canais com 1 cm de comprimento e 200 ?m de altura, devem possuir a largura variando na faixa de 300 µm a 500 µm de modo a operar na faixa de interesse estabelecida neste trabalho. Utilizando um canal com 2 cm de comprimento e 300 µm, o valor da altura pode estar entre 200 µm a 400 µm, permitindo miniaturizar o dispositivo final, garantindo a faixa de operação desejada. A partir da modelagem realizada com a finalidade de descrever o comportamento da membrana de PDMS, foi possível estimar teoricamente que uma membrana com 2 cm de comprimento, 2 mm de largura e a espessura variando na faixa de 1,6 a 2 mm, exige a realização de uma força na faixa de 10,5 mN a 13 mN (faixa para a força de atuação necessária), de modo a obter a deflexão de interesse neste trabalho (250 µm). Avaliando as microbobinas com base no modelo teórico desenvolvido neste trabalho, foi possível verificar que uma bobina contendo 36 enrolamentos, espaçamento de 80 µm, a uma distância de 1 mm do centro do imã, aplicando-se 10V (considerando uma resistência total de 100 Ohm), utilizando 10 camadas sobrepostas, é possível produzir uma força sobre um imã de NdFeB de até 0,18 N nas regiões de 3 mm a 10 mm afastadas em relação ao eixo x do imã, ainda a uma altura de 1 mm em relação ao plano xOy do imã. Após a fabricação dos componentes mencionados acima, foram propostos arranjos experimentais para a caracterização das respostas associadas a cada componente separadamente. As simulações apresentaram resultados similares aos obtidos experimentalmente, conforme pode ser avaliado visualizando os erros obtidos relacionando os resultados teóricos e experimentais, especialmente para os microcanais. Dispositivos microfluídicos foram fabricados obtendo canais com as seguintes dimensões: comprimento na faixa de 1 a 4 cm, largura na faixa de 100 a 400 µm e alturas na faixa de 200 a 600 µm, correspondentes à construção de 9 dispositivos com diferentes tamanhos, em que os 6 primeiros foram submetidos às análises experimentais sob as mesmas condições, repetidamente. Foi observado que tais microcanais foram capazes de fornecer até 1,41 mL/min a 0,8 kPa. O valor de vazão está dentro da faixa de desempenho do dispositivo (0,2 a 6 mL/min) com foco em sua aplicação na realização de análises químicas, onde as pressões fornecidas podem chegar até 60 kPa, fornecendo flexibilidade na produção de propulsão dos líquidos transportados através dos canais fabricados. Em relação aos resultados obtidos utilizando o modelo teórico para descrição do comportamento fluídico em microcanais, erros menores que 5% relativos aos resultados experimentais foram obtidos, indicando a validação do modelo teórico apresentado. Foram fabricados dispositivos com características comutadoras, normalmente abertas e normalmente fechadas, dependendo do método de fixação da membrana de PDMS ao substrato cerâmico. O projeto para o desenvolvimento de um chanfro na base do substrato cerâmico, na região de contato com a membrana de PDMS, foi desenvolvido com a finalidade de melhorar a selagem do canal com a válvula no estado fechado. Observou-se que para uma pressão de 5 kPa aplicada à entrada da válvula, não houve vazamento para os dispositivos normalmente fechados, e utilizando uma força em torno de 1 N é possível atingir taxas de fluxo de líquido da ordem de 0,45 mL/min, sendo esta superior às vazões necessárias para a aplicação em foco, qual seja, a automatização de microlaboratórios autônomos. Dois processos de montagem dos componentes para confecção das microválvulas foram desenvolvidos. Um deles visou a montagem da membrana de PDMS após a sinterização do sistema microfluídico junto à microbobina, e o outro visou a fixação da membrana antes da união entre o sistema e a bobina, necessitando de uma etapa de soldagem entre estes componentes após a fabricação das membranas junto ao substrato de LTCC. Microbobinas foram fabricadas com o intuito de realizar a atuação das microválvulas, a partir da atração/repulsão relacionada a um imã permanente de NdFeB (neodímio-ferro-boro) fixado à membrana flexível em contato com o canal. As bobinas foram fabricadas utilizando dimensões da ordem de 1 cm x 1 cm x 0,2 mm, apresentando de 15 a 44 enrolamentos, com gaps variando na faixa de 80 a 150 µm e as larguras dos fios condutores presente nos enrolamentos variando na faixa de 60 a 90 µm. Os resultados experimentais preliminares realizados demonstraram que uma bobina plana (uma camada, 36 enrolamentos, gap igual a 80 ?m, seção transversal de 1 cm x 1 cm), submetida a uma diferença de potencial de 1 V, é capaz de produzir uma força de 0,02 N sobre o imã permanente (localizado no centro a uma distância (no eixo z) de 1 mm da bobina). Este valor indica que para uma tensão de 10 V, devido a relação linear entre corrente e força magnética, utilizando até 10 camadas de bobinas sobrepostas, é possível obter esforços da ordem de 1 a 2 N (considerando a espessura do LTCC), permitindo que os dispositivos microfluídicos fabricados sejam acionados. / This work presents the physical modeling and implementation developed for different components necessary for the construction of electromagnetically actuating microvalves using a flexible membrane. Theoretical models were developed for describing the flow of fluids in microchannels, especially channels with rectangular transverse sections, routinely used as microchannels microfluidics. The model for the description of the deformation experienced by a PDMS microbridge was developed, allowing to estimate the elastic stiffness for various membranes developed in this work. In addition, a theoretical model was developed to study the forces produced by a microcoil with planar windings in squared spiral format, on a permanent magnet of NdFeB. Using the microchannel modeling, it was possible to estimate the hydraulic resistance offered by microchannels with micrometric dimensions, allowing to evaluate the relationship between inlet pressure and flow rate. It was possible to verify analytically that for the working range specified (flow rates of 0.2 to 6 mL/min for pressures from 0 to 30 kPa), channels with 1 cm in length and 200 ?m height should have a width varying in the range of 300 ?m to 500 µm in order to operate in the range of interest established in this study. Concerning the PDMS membrane, it was possible to estimate theoretically that a membrane with 2 cm in length, width of 2 mm and a thickness varying in the range of 1.6 to 2 mm, requires the implementation of a force in the range of 10.5 mN to 13 mN (range for the strength of action required) to obtain full deflection (250 µm). Evaluating Furthermore, using the theoretical model developed for the microcoils, it was possible to verify that a coil containing 36 windings, spacing of 80 µm, at a distance of 1 mm from the center of the magnet, and composed of 10 overlapping layers, it is possible to produce a force on a magnet of NdFeB up to 0.18 N in the regions from 3 mm to 10 mm away from the x-axis of the magnet, even at a height of 1 mm in relation to the plane xOy of magnet. The characterization of the responses associated with each component was made separately. The simulations showed similar results to those obtained experimentally, as evidenced from the errors obtained by relating the results of theoretical and experimental studies, especially for the microchannels. Microfluidic channels were manufactured with the following dimensions: length in the range of 1 to 4 cm, width in the range of 100 to 400 µm and heights in the range of 200 to 600 µm, 9 different devices were fabricated. It was observed that such microchannels were able to provide up to 1.41 mL/min to 0.8 kPa. The value of flow rate is within the expected range (0.2 to 6 mL/min) considering their application in chemical analysis, where the pressures provided can reach up to 60 kPa. Errors smaller than 5% for hydraulic resistance were obtained, indicating the validation of the theoretical model presented. Devices for fluidic switching with normally open and normally closed operation were fabricated and characterized with PDMS membranes and LTCC layers. Particularly a chamfer on the base of the ceramic substrates was proposed , in the region of contact with the membrane of PDMS, to better sealing the channel with the valve in a closed state. It has been observed that for a pressure of 5 kPa applied at the inlet of the valve, there was no leakage for the normally closed devices, and using a force around 1 N it is possible to achieve rates of liquid flow in the order of 0.45 mL/min, this being higher than the flow required for the intended application. Two assembling processes were developed for the microfluidic switching devices, one through the assembly of the PDMS membrane after LTCC sintering with the microcoil, and the other before the union between the switching device and the microcoil, requiring a step of welding between these components after the fabrication of membranes. Microcoils were manufactured and integrated with a NdFeB permanent magnet attached to a flexible membrane in contact with the channel. The coils were manufactured using dimensions of approximately 1 cm x 1 cm x 0.2 mm, containing 15 to 44 windings, with gaps ranging from 80 to 150 µm and the widths of the conductive wires in the range from 60 to 90 µm. The preliminary experimental results demonstrated that a planar coil (one layer, 36 windings, gap equal to 80 µm, cross section of 1 cm x 1 cm), subject to a potential difference of 1 Volt, is capable of producing a force of 0.02 N on the permanent magnet (located in the center at a z distance of 1 mm of the coil). This value indicates that at a voltage of 10 V it is possible to obtain a force of approximately 1 to 2 N for a coil with 10 layers, allowing for actuation of the microvalves developed.

Los componentes miniaturizados son una realidad que nos acompaña y facilita nuestro día a día de una manera sutil. El ejemplo más claro es los avances en la microelectrónica que han permitido el desarrollo tanto de la electrónica de consumo como de las nuevas tecnologías de la información. Esta tendencia, sin embargo, también se ha hecho evidente en otras áreas del conocimiento como son la biología, la medicina o la química. En el campo de la química, y sobretodo a partir de los años 90, se ha realizado un gran esfuerzo científico para obtener dispositivos a microescala que nos permitan llevar a cabo los análisis de ciertos parámetros de interés, como por ejemplo sustancias contaminantes del medio ambiente. El uso de microanalizadores aporta un alto número de ventajas, como son la facilidad de producción a gran escala (con la consiguiente reducción de costes), bajo consumo de reactivos utilizados, bajo volumen de residuos generados (debido a las pequeñas dimensiones del dispositivo), tiempo de análisis cortos, así como la portabilidad, que permite al usuario realizar análisis in-situ en lugares donde difícilmente se podría colocar un equipo de grandes dimensiones y obtener la información en tiempo real.Son diversas las técnicas y los materiales utilizados para llevar a cabo la miniaturización de los sistemas de análisis químicos. El silicio y el vidrio han sido, sin duda, los materiales más utilizados con esta finalidad, no sólo debido a sus adecuadas propiedades físico-químicas, sino también al alto grado de desarrollo que han adquirido sus tecnologías asociadas. En los últimos tiempos, sin embargo, los polímeros han tomado el relevo como material para la microfabricación debido, especialmente, a su bajo coste.Con el objetivo de superar determinadas limitaciones encontradas tanto en los materiales clásicos como en sus tecnologías asociadas, en esta tesis se ha apostado por el uso de una tecnología alternativa denominada LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) o de cerámicas verdes. El uso de estos materiales nos aporta una gran versatilidad a la hora de diseñar y construir los analizadores miniaturizados. En primer lugar, los dispositivos se pueden fabricar sin necesidad de trabajar en condiciones de laboratorio estrictamente controladas, como por ejemplo salas blancas, o con personal altamente cualificado. Se pueden utilizar tanto microfresadoras como equipos láser y el proceso de prototipado es muy corto. Adicionalmente, la metodología multicapa permite diseñar con mucha facilidad dispositivo con complejas estructuras tridimensionales. Esto simplifica extraordinariamente la miniaturización e integración de las diferentes etapas de pretratamiento de la muestra (mezcla de reactivos, separación, preconcentración, etc.) que son necesarias para llevar a cabo determinados análisis, así como la integración monolítica de los sistemas de detección.En esta tesis se presenta una nueva metodología general de fabricación de sistemas de análisis miniaturizados que hemos aplicado al diseño de microanalizadores medioambientales para el control de la calidad del agua tanto de ríos como de redes de distribución de agua potable. Gracias a su versatilidad, la nueva metodología de fabricación ha permitido integrar diferentes tipos de detectores como los electroquímicos (potenciométricos y amperométricos) u ópticos (espectrofotométricos y luminiscentes). Así, se han construidos microanalizadores para parámetros como los iones amonio, nitrato, nitrito y fosfato que son claves para la monitorización de los procesos de eutrofización. En la actualidad, haciendo uso de esta tecnología, también se han desarrollado dispositivos para la determinación de microcontaminantes orgánicos persistentes. / Miniaturized components are a nearby reality that facilitates our daily life in a subtle way. One of the clearest examples is the advances suffered in microelectronics that have permitted the development of both the day by day and the new information technologies electronics. This tendency has also been observed in other knowledge areas, such us biology, medicine or chemistry. In this last field, especially from the nineties, a great scientific effort has been carried out in order to obtain microdevices that could allow us to perform analysis of certain environmental pollutant parameters. The use of microanalyzers provides a high number of advantages. Among them: easy mass production (as a result, costs reduction), low consumption of reagents, low volumes of waste products (due to the small dimensions of the constructed devices), short analysis times and portability. This last characteristic enables the user to carry out in-situ and in-time analysis in places where it would not be possible to place standard equipments, due to their higher dimensions.Silicon and glass have been the most widely used materials with miniaturization purposes, not only due to their appropriate physical and chemical properties, but also to the degree of development of their associated technologies. In the last years, however, polymers are becoming a good alternative due to, especially, their low cost.To avoid some limitations found both in the materials and in their technologies, in this thesis we have emphasize on the use of an alternative technology known as LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) or green tapes technology. The use of these materials provides us a great versatility to construct miniaturized analyzers. Firstly, the devices can be fabricated without the need of special working conditions, such as clean rooms or specialized staff. Ceramics can be mechanized by means of a simple CNC (Computer Numerically Controlled) equipment or a laser, being the prototyping process very short. Additionally, the multilayer methodology enables the design of complex three-dimensional structures in an easy way. This simplifies extraordinarily the miniaturization and integration of several sample pretreatment steps (mixing reagents, separation, preconcentration, etc.), which are needed to carry out some analysis, as well as the monolithic integration of the detection systems.In this thesis, a new general fabrication methodology to construct miniaturized analysis systems is presented. The procedure has been put into practice by means of the design of environmental microanalyzers to control the water quality in rivers and drinking waters. Thanks to its versatility, the new fabrication methodology has permitted to integrate different detection systems, such as electrochemical (potentiometric and amperometric) and optical (spectrophotometric and luminiscent). Thus, we have designed, developed and evaluated microanalyzers to determine parameters such as, ammonium, nitrate, nitrite and phosphate ions, which are key components in eutrophication processes. Nowadays, taking advantage of the LTCC technology, we have also developed devices to determine persistent organic micropollutants.

Various compact and packaging-adaptive antennas have been designed for practical wireless communications systems such as global system of mobile communications (GSM), Bluetooth Industrial-Scientific-Medical (ISM) devices, IEEE802.11a WLAN, and Local Multipoint Distribution Systems (LMDS) applications. First, compact stacked patch antennas using LTCC multilayer technology have been presented. A set of design rules is established for the purpose of designing optimized bandwidth compact antennas on LTCC multilayer substrates. To verify its effectiveness, the proposed design rules are applied to three emerging wireless bands. The return loss and the impedance bandwidth are optimized for all three bands. A maximum bandwidth of 7% can be achieved for an antenna operating in the LMDS band. Furthermore, folded shorted patch antennas (SPAs) are designed to significantly reduce the resonant frequency of a standard patch antenna. The design methodology of this structure starts with a conventional half-wave and through a series of procedures, evolves into a smaller, lambda/8 wavelength resonant length structure. Upon varying the height of the lower patch, the resonant length can be reduced to lambda/16. A comparison between a folded SPA and a standard SPA validates the folding technique proposed in this document. The folded SPA is applied to the 2.4 GHz ISM band. The measured results are in good agreement with simulated results. This antenna can be implemented into 3D packages using multilayer laminates such as LTCC or LCP.

The purpose of the thesis is to investigate and the corrosion resistance of the masking materials on quartz substrates in deep chemical etching using NH4HF2 solutions. Masking materials, including Cr/Au, PLA-900 position photoresist, and NPR-2500F negative photoresist were used for test. In the deep etching of the quartz substrates, we observed changes of adhesion of the masking materials. The process parameters obtained from deep etching were used to fabricate quartz resonators. Before etch, the etch masks using Cr/Au thin films were deposited on both sides of the quartz substrates. Cr/Au masking materials were stripped after the etching, and Cr/Au electrodes were deposited by sputtering on both sides of quartz substrates. Finally, the quartz resonators were obtained by dicing. Passive devices, including capacitors and inductors were also fabricated and measured for integrated passive devices, such as band-pass filters.

ABSTRACT The design and fabrication of a rotating electromagnetic generator of low-speed and small bicycle were presented in this study. In accordance with the standard of generator the finite element analysis was used to design the prototype generator. In the simulation, the different parameters of the magnet, coil and iron yoke were set into the Taguchi method to find the best configuration. The parameters included the magnet poles, coil size, wire thickness, winding way, with or without iron yoke, and the distance between the magnet and yoke. When a permanent magnet is moved relative to a coil, an electromotive force is created. According to the theory of electromagnetic induction, the electricity was generated by the electromagnetic power generator. In this study, power produced by the relative motion between coil and magnet. This project innovatively uses Low-Temperature Co-fired Ceramic(LTCC) technology to fabricate micro-coil, and the required magnetic characteristics of permanent magnet are produced by sintered Nd-Fe-B. The technology and simulation were combined to achieve the requirements of lightweight, compact, high energy density. A prototype of the micro-generator is 50x50x4.5 mm3 in volume size. The 28 poles hard magnet Nd/Fe/B with an outer diameter of 50 mm and a thickness of 2 mm was molded and sintered, and provides the magnetic field of 3.5 Tesla. The coils with a width of 200£gm, a pitch 100£gm and the thickness of 40£gm were fabricated by silver. The coils had 30 layers and 22 poles. A steel yoke can improve the efficiency of power generation. The results of induced electromotive force were 0.61, 0.97 and 1.45V at the rotational speeds of 37rpm, 74rpm and 111rpm respectively in the simulation.

In this thesis we propose several novel configurations of bandpass filters (BPFs) with two transmission zeros by using the fractal theory. By means of the fractal theory, the dimension of the proposed BPFs can be effectively reduced. Furthermore, the proposed BPFs can be easily fabricated by using multilayer structure based on low-temperature cofired ceramic (LTCC) technology. Under the condition of the same dielectric thickness and coupling coefficient, we compared the conventional square open-loop BPF with the proposed fractal ones. The results show that the reduction in the dimension of the proposed BPFs is evident. Specifically, the dimension of the proposed Koch¡¦s, Minkowski_1st, and Minkowski_2nd filters can be reduced by about 36.5%, 32%, and 51.5%, respectively. Finally, the simulation and measurement results are reported in this thesis.

In this thesis, we propose a miniaturized LTCC balanced filter that integrates bandpass filter (BPF) and balun. In order to reject interferences, we have the transmission zero of out-band by extra capacities and inductances in the prototype of Second-Order BPF. On the other hand, we miniaturize the balun by revising the length of couple-line with four shunt capacities. The practice size of the miniaturized balanced filter is 2.0mm x 1.25mm x 0.95mm.The insertion and return losses are less than -2.5dB and -20dB over operating frequency band, respectively. The phase difference is less than 5 ¢X, and the amplitude difference is within -0.5dB in operating frequency band. The size is the smallest in the similar commercial product and relative journal.

This thesis proposes methodology to design a balun with imaginary impedance. Under given specification, including center frequency, size, output impedance, our methodology can be used to evaluate its feasibility of implementation using high-DK LTCC(Low Temperature Cofired Ceramic) process. We then extend the design to incorporate a filter, which can simplify the circuit to reduce the required components. An example of our design operating at 2.4 GHz is implemented. Its size is 1600¡Ñ800¡Ñ650 um3, showing significant miniature. The simulation and measurement results are shown to verify the effectiveness of our design.

Freiburg (Breisgau), Univ., Diss., 2005.

Made available in DSpace on 2014-06-12T16:26:08Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo2100_1.pdf: 3223358 bytes, checksum: 09b24234d9d2402b923206e4ce568f13 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2008 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Uma estratégia tecnológica para superar as limitações hoje encontradas na aplicação clínica da Interleucina 2 (IL-2) para imunoterapia contra o câncer é o desenvolvimento de um sistema de liberação controlada que mantenha a estabilidade da proteína encapsulada e promova uma liberação sustentada dessa proteína, para estimular o próprio sistema imune do paciente a combater a doença neoplásica, sem causar efeitos indesejáveis. Sistemas de liberação controlada, microcápsulas ou microesferas, podem ser preparados através do uso de polímeros biodegradáveis e biocompatíveis, tais como o copolímero de ácido láctico e glicólico (PLGA) aprovado pela vigilância sanitária americana Food and Drug Administration (FDA) para tratamento clínico. Estes sistemas poliméricos apresentam como principal vantagem a possibilidade de modular características da partícula, como a eficiência da microencapsulação e o perfil de liberação da proteína. O principal desafio deste trabalho foi desenvolver microesferas biodegradáveis de PLGA contendo Interleucina-2 pelo método de emulsificação/evaporação do solvente com propriedades controladas como tamanho de partícula, eficiência de encapsulação e cinética de liberação in vitro, para posterior ensaio pré-clínico. Investigou-se o efeito de variáveis do processo como o efeito do agente emulsificante, o tipo de solvente e a velocidade de agitação, encapsulando-se albumina de soro bovina (BSA), como proteína modelo, em microesferas de PLGA. Neste estudo, foram definidas as condições de processo e formulação para a obtenção de microesferas de PLGA contendo IL-2, onde também se explorou o efeito da presença de agentes estabilizantes como polietilenoglicol e BSA na encapsulação de IL-2. Inovando no processo de produção de micropartículas poliméricas, o uso de micromisturadores desenvolvidos em LTCC (Cerâmica com baixa temperatura de sinterização) foi explorado como alternativa tecnológica ao processo convencional que envolve agitação mecânica na etapa de emulsificação. Microesferas de PLGA foram produzidas utilizando diferentes tipos de dispositivos microfluídicos e os resultados obtidos mostraram a viabilidade técnica desta inovação tecnológica, gerando microesferas contendo IL-2, com eficiência de encapsulação e tamanho de partículas similares às microesferas obtidas pelo processo convencional (eficiência de encapsulação da ordem de 80%, partículas menores que 40 μm). As microesferas de PLGA contendo IL-2 foram desenvolvidas na tentativa de se estabelecer um perfil cinético de liberação de IL-2 que possa solucionar problemas relacionados à aplicação intra-tumoral da IL-2 livre, visando o desenvolvimento de terapias biológicas para câncer avançado de cabeça e pescoço. O estudo pré-clínico das microesferas de PLGA contendo IL-2 foi realizado em dois modelos experimentais de tumor, Melanoma B16F10 e Carcinoma de Erlich. Os resultados obtidos no estudo préclínico realizado com os dois modelos tumorais coloca em evidência a importância de ajuste dos modelos experimentais utilizados no desenvolvimento de terapias biológicas de câncer usando sistemas de liberação controlada, onde a velocidade de evolução do tumor e o tempo de duração de ensaios são decisivos para o desenvolvimento da resposta biológica desejada