O presente trabalho tem como objetivo principal o estudo e o desenvolvimento de um sensor óptico de umidade usando o polímero polipirrol. Inicialmente, estudou-se o princípio teórico dos diversos sensores de umidade encontrados no mercado, assim como fundamentos básicos sobre guias de onda, umidade e polímeros (especialmente polipirrol). Realizou-se também um estudo da influência da umidade nas características físicas e ópticas do polipirrol mediante a técnica elipsométrica. Particularmente, foi estudado em detalhe o comportamento do índice de refração do polipirrol frente a grandes variações de concentrações de umidade, e se demonstrou que o valor do índice de refração do polipirrol aumenta quando exposto a vapor de água. Com os resultados alcançados na caracterização óptica do polímero, foram desenvolvidos sensores de umidade à fibra óptica, baseados na técnica de fibra interrompida, e sensores à guia de onda ARROW (Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguide), baseados na técnica de detecção por campo evanescente, sendo o polipirrol usado como camada ativa de sensoriamento. Os dispositivos baseados em fibra óptica e guia de onda ARROW mostraram que a potência de saída dos dispositivos diminui inversamente em relação à umidade relativa (para uma concentração de 50 a 80%). / The aim of the present work is the study and development of an optical humidity sensor using polymer polypyrrole. Initially, it was studied theoretical principles of common humidity sensors and it was also studied the theoretical basis of optical waveguides. The first part of the present project involved a study of polypyrrole refractive index behavior when exposed to different humidity concentrations, using the ellipsometric technique. The characterization results showed an increment on polypyrrole refractive index when exposed to water vapor. With these results, a based optical fiber sensor was developed using the air gap configuration, and polypyrrole was used as the sensor element. The last part of the project involved an optical humidity sensor development based on ARROW waveguide (Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguide), using the evanescent field configuration. In this case, polypyrrole was also used as the sensor element. These devices (based on optical fiber and ARROW waveguide) showed that the power output decreases inversely with relative humidity concentration (from 50% to 80%).

A maioria dos solos tropicais e subtropicais apresenta disponibilidade insuficiente de nitrogênio (N) para atender a demanda da cultura do algodão visando à obtenção de elevados rendimentos. O N nas plantas pode ser avaliado através da utilização de sensores de espectrometria óptica ativa, nos quais se destaca o equipamento comercial utilizado neste trabalho (N-SensorTM ALS), capaz de determinar a dose de N a ser aplicada em cobertura em tempo real. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o desempenho de um sensor óptico ativo, sonares e clorofilômetro para predizer parâmetros de planta e testar estratégias de adubação nitrogenada baseada nas leituras do sensor óptico para aumento da produtividade do algodoeiro em sistemas de cultivo adensado e convencional. Os experimentos foram realizados durante três anos sendo: a) em Chapadão do Céu, GO nas safras 2012/13 e 2013/14; b) e em Campo Verde, MT na safra 2014/15. Os parâmetros de planta avaliados foram: altura, massa seca, massa fresca e nitrogênio acumulado na biomassa. Estes parâmetros foram analisados nas áreas correspondentes à adubação em taxa fixa e correlacionados com o índice de vegetação gerado pelos sensores. Os resultados demonstraram que o sensor ativo de dossel utilizado é altamente eficiente em estimar altura de planta, massa fresca, massa seca e nitrogênio acumulado na cultura do algodoeiro. A utilização de clorofilômetro para monitorar o teor de N foliar no algodoeiro não demonstrou ser uma técnica eficiente. O uso de sensor ultrassônico (sonar) para estimar parâmetros de altura de planta, massa seca, massa fresca e nitrogênio acumulado na planta do algodoeiro é uma estratégia promissora que, embora não tenha a mesma eficiência de sensores de dossel, demonstrou bons resultados na detecção da variabilidade nas lavouras. As diferentes estratégias de adubação nitrogenada no algodoeiro orientadas pelo sensor ativo de dossel não resultaram em efeitos claros na produtividade. A produtividade de cada tratamento mostrou-se mais dependente da localização das repetições dentro da área do que da estratégia de adubação adotada. / Most tropical and subtropical soils has insufficient availability of nitrogen (N) to meet the demand of the cotton crop in order to obtain high yields. The N plants may be evaluated using active optical spectroscopy sensors as the one used in this investigation (N-SensorTM ALS). The equipment is capable of determining in real time the amount of N to be applied spread in the field. The aim of this study was to evaluate the performance of an active optical sensor, sonar and chlorophyll sensor to predict plant parameters and test nitrogen fertilization strategies based on the optical sensor readings in order to increase cotton yield in narrow and conventional farming systems. The experiments were conducted in three years: a) in Chapadão do Céu - GO 2012/13 and 2013/14; b) in Campo Verde, MT - 2014/15. The evaluated parameters were plant height, dry weight, fresh and accumulated nitrogen in the biomass. These parameters were analyzed in the areas corresponding to fertilization in fixed rate and correlated with the vegetation index generated by the sensors. The results showed that the active sensor used is highly efficient in estimating plant height, fresh weight, dry weight and accumulated nitrogen on cotton crop. The use of chlorophyll sensor to monitor the leaf nitrogen content in cotton was not effective. The use of ultrasonic sensor (sonar) to estimate plant height parameters, dry pasta, fresh pasta and accumulated nitrogen on cotton plant is a promising strategy. Although it has not the same efficiency as canopy sensors, it showed good results in the detection of variability in crops. The different nitrogen fertilization strategies in cotton-driven asset canopy sensor resulted in no clear effects on productivity. The productivity of each treatment was more dependent on the location of the repetitions within the area than the adopted fertilization strategy.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de sensores químicos ópticos baseados no Interferômetro Mach-Zehnder (MZI) para aplicações em análises químicas e ambientais. Tais dispositivos foram implementados a partir da fabricação de guias de ondas sobre um substrato de silício monocristalino. Os guias de onda foram obtidos através da deposição de filmes finos de nitreto de silício (Si3N4) e óxido de silício (SiO2) obtidos por técnicas de deposição química a vapor (CVD) e pela oxidação térmica do substrato de silício. A definição destes guias de ondas para a implementação de sensores é feita por processos convencionais de litografia e corrosão. Os sensores químicos deste trabalho baseiam-se na interação do campo evanescente do modo que propaga-se no guia de onda exposto a algum composto químico na fase líquida ou gasosa. Tais sensores foram projetados, simulados e implementados para as seguintes aplicações: Medida da concentração de glicose em soluções; Medida de umidade por efeito de espalhamento; Detecção de vapores de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). As etapas de processo para a fabricação dos sensores químicos ópticos foram definidas a partir das simulações em óptica integrada e, após os processos de fabricação, os filmes obtidos foram caracterizados. Os filmes de Si3N4 SiO2 utilizados na fabricação do sensor óptico possuem uniformidade em espessura e homogeneidade quanto aos valores de índice de refração, baixa rugosidade superficial e baixos níveis de incorporação de água e ligações OH. No entanto, os valores de rugosidade e desuniformidade aumentaram significativamente após as etapas de corrosão úmida para a definição das estruturas dos sensores ópticos. Os guias de ondas implementados apresentaram um guiamento monomodo (TE0) e os valores de atenuação experimentais ficaram entre 2 e 20 dB/cm e dependem dos valores de rugosidade superficial e lateral dos guias de ondas e da desuniformidade dos filmes empregados. Com as medidas de concentração de glicose, verificou-se o funcionamento e a sensibilidade dos sensores químicos ópticos implementados, levantando-se curvas de variação da intensidade de saída do MZI em função do índice de refração de soluções de glicose padronizadas (dn/dc). Realizou-se medidas de umidade através da implementação de um sensor óptico simplificado que tem como princípio o efeito de espalhamento óptico. Como o espalhamento óptico depende da rugosidade e do contraste de índices de refração na interface exposta ao ambiente, foi possível detectar a quantidade de água presente no dispositivo. Posteriormente, analisou-se a aplicação de HMDS (Hexametildissilazana) como filme de adsorção de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). Os VOC\'s foram aplicados sobre os sensores químicos ópticos em forma de vapor e os resultados obtidos para n-Hexano e 2-Propanol mostraram uma boa reprodutibilidade e alta sensibilidade. / The aim of this work is the development of optical chemical sensors based on Mach-Zehnder Interferometer (MZI) for chemical and environmental analysis applications. Such devices were implemented with waveguides fabricated on a silicon substrate. The waveguides were obtained using silicon nitride (Si3N4) and silicon oxide (SiO2) films obtained by CVD (Chemical Vapor Deposition) and thermal oxidation of the silicon substrate. The waveguides and the optical sensors were fabricated using conventional lithograph and etching processes. The developed chemical sensors are based on the evanescent field interaction in a waveguide exposed to a liquid or gaseous phase of a chemical compound. Such optical sensor were designed, simulated and implemented for the following applications: Glucose concentration; Humidity measurement by scattering effect; Volatile organic compounds (VOC\'s) vapors detection. The process steps for the optical chemical sensor fabrication were defined during the integrated optical simulations and the films were characterized after the fabrication process steps. The Si3N4 and SiO2 films used in the optical sensor fabrication are uniform and homogenous (thickness and refractive index), with low surface roughness and low levels of water incorporation and OH bonds. However, the roughness values increased significantly after the etching process for the optical sensor structures definition. The implemented waveguides were singlemoded (TE0), with experimental attenuation values between 2 and 20 dB/cm, depending on the surface and sidewall roughness of the waveguide and of the films uniformity. The operation principle and the sensitivity of the optical chemical sensor were verified by glucose concentration measurements, by measuring the MZI output variation intensity as a function of the refractive index of the glucose standard solutions (dn/dc). As the light scattering depends of the roughness and the of refractive index difference between the exposed interface and the atmosphere, it\'s possible to measure the humidity or the amount of water in the interaction window. Afterwards, the detection of volatile organic compounds (VOC\'s) was done using a HMDS (Hexamethyldissilazane) layer to adsorb the VOC\'s. The VOC\'s vapor was applied on the optical chemical sensors and the results obtained for n-Hexane and 2-Propanol showed a good reproducibility and high sensitivity.

Submitted by CARLA MARIA GOULART DE MORAES (carlagm) on 2015-06-24T17:27:45Z No. of bitstreams: 1 Hoff_Alexandre.pdf: 2065929 bytes, checksum: 98c0be0d6bc2dd6c614a2379999cb6f6 (MD5) / Made available in DSpace on 2015-06-24T17:27:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Hoff_Alexandre.pdf: 2065929 bytes, checksum: 98c0be0d6bc2dd6c614a2379999cb6f6 (MD5) Previous issue date: 2013-01-18 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / PROSUP - Programa de Suporte à Pós-Gradução de Instituições de Ensino Particulares / Este trabalho apresenta o desenvolvimento de uma metodologia experimental para medição de fração de vazio em um escoamento bifásico ar-água, utilizando sensor óptico em um minicanal horizontal de 2,6 mm de diâmetro interno. O sistema de medição consiste de um diodo emissor de luz (LED) de alto brilho, uma resistência dependente de luz (LDR), um circuito amplificador e um circuito para aquisição de dados. Os experimentos são realizados com um tubo de vidro que fica entre o LED e o LDR, no qual passa a mistura ar-água e conforme o padrão de escoamento a luz é atenuada no LDR, que altera sua resistência variando a tensão. Os testes são realizados com vazões volumétricas do líquido de 160, 123 e 63 ml/min e volume de gás de 0,05 e 0,1 ml e os padrões de escoamento testados e observados foram do tipo bolhas, pistonados e golfadas. Nos ensaios são registradas imagens do escoamento, ou dos padrões de bolhas, com uma câmera de alta velocidade e o processamento destas imagens é utilizado para valid ar a técnica do sensor óptico. As áreas das bolhas, em pixels, são comparadas com as áreas das curvas do sinal do sensor óptico e uma boa correlação foi encontrada. Uma curva de calibração do sensor é apresentada para padrão de escoamento tipo bolhas, permitindo encontrar uma relação entre a fração de vazio e a tensão medida pelo sensor. Os resultados obtidos mostraram que a técnica do sensor óptico pode ser usada com bons resultados para a medição de fração de vazio média para um escoamento bifásico ar-água e para a identificação de padrões de escoamento em tubos de diâmetro reduzido. / This work presents the development of an experimental methodology for measuring void fraction in an air-water two-phase flow, using optical sensor in a horizontal mini channel of 2.6 mm internal diameter. The measurement system consists of a light emitting diode (LED) of high brightness, light dependent resistor (LDR), amplifier circuit and data acquisition circuit. The experiments are performed with the air-water flow passing through a glass tube section positioned between the LED and LDR . According to the flow pattern, light is attenuated and impinges on LDR, changing its resistance and thus varying the voltage measured by data acquisition circuit. The tests are conducted with liquid volumetric flow of 160, 123 and 63 ml/min and gas volume of 0.05 and 0.1 ml and flow patterns tested and observed were bubbly and plug. During the tests images of the flow are registered, or the bubbles flow patterns, with a high-speed camera and the processing of these images is used to validate the optical sensor technique. The bubble areas, in pixels, are compared to area under the curve produced from optical sensor signal and a good correlation was found. A calibration curve of the sensor is obtained for bubbly flow pattern, and a correlation between void fraction and the tension is proposed. The results show that the optical sensor technique is adequate for average void fraction measurements in air-water two-phase flow and for flow patterns identification in mini channels.

A maioria dos solos tropicais e subtropicais apresenta disponibilidade insuficiente de nitrogênio (N) para atender a demanda da cultura do algodão visando à obtenção de elevados rendimentos. O N nas plantas pode ser avaliado através da utilização de sensores de espectrometria óptica ativa, nos quais se destaca o equipamento comercial utilizado neste trabalho (N-SensorTM ALS), capaz de determinar a dose de N a ser aplicada em cobertura em tempo real. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o desempenho de um sensor óptico ativo, sonares e clorofilômetro para predizer parâmetros de planta e testar estratégias de adubação nitrogenada baseada nas leituras do sensor óptico para aumento da produtividade do algodoeiro em sistemas de cultivo adensado e convencional. Os experimentos foram realizados durante três anos sendo: a) em Chapadão do Céu, GO nas safras 2012/13 e 2013/14; b) e em Campo Verde, MT na safra 2014/15. Os parâmetros de planta avaliados foram: altura, massa seca, massa fresca e nitrogênio acumulado na biomassa. Estes parâmetros foram analisados nas áreas correspondentes à adubação em taxa fixa e correlacionados com o índice de vegetação gerado pelos sensores. Os resultados demonstraram que o sensor ativo de dossel utilizado é altamente eficiente em estimar altura de planta, massa fresca, massa seca e nitrogênio acumulado na cultura do algodoeiro. A utilização de clorofilômetro para monitorar o teor de N foliar no algodoeiro não demonstrou ser uma técnica eficiente. O uso de sensor ultrassônico (sonar) para estimar parâmetros de altura de planta, massa seca, massa fresca e nitrogênio acumulado na planta do algodoeiro é uma estratégia promissora que, embora não tenha a mesma eficiência de sensores de dossel, demonstrou bons resultados na detecção da variabilidade nas lavouras. As diferentes estratégias de adubação nitrogenada no algodoeiro orientadas pelo sensor ativo de dossel não resultaram em efeitos claros na produtividade. A produtividade de cada tratamento mostrou-se mais dependente da localização das repetições dentro da área do que da estratégia de adubação adotada. / Most tropical and subtropical soils has insufficient availability of nitrogen (N) to meet the demand of the cotton crop in order to obtain high yields. The N plants may be evaluated using active optical spectroscopy sensors as the one used in this investigation (N-SensorTM ALS). The equipment is capable of determining in real time the amount of N to be applied spread in the field. The aim of this study was to evaluate the performance of an active optical sensor, sonar and chlorophyll sensor to predict plant parameters and test nitrogen fertilization strategies based on the optical sensor readings in order to increase cotton yield in narrow and conventional farming systems. The experiments were conducted in three years: a) in Chapadão do Céu - GO 2012/13 and 2013/14; b) in Campo Verde, MT - 2014/15. The evaluated parameters were plant height, dry weight, fresh and accumulated nitrogen in the biomass. These parameters were analyzed in the areas corresponding to fertilization in fixed rate and correlated with the vegetation index generated by the sensors. The results showed that the active sensor used is highly efficient in estimating plant height, fresh weight, dry weight and accumulated nitrogen on cotton crop. The use of chlorophyll sensor to monitor the leaf nitrogen content in cotton was not effective. The use of ultrasonic sensor (sonar) to estimate plant height parameters, dry pasta, fresh pasta and accumulated nitrogen on cotton plant is a promising strategy. Although it has not the same efficiency as canopy sensors, it showed good results in the detection of variability in crops. The different nitrogen fertilization strategies in cotton-driven asset canopy sensor resulted in no clear effects on productivity. The productivity of each treatment was more dependent on the location of the repetitions within the area than the adopted fertilization strategy.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-04-25T12:46:42Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModeloTeoricoSensores.PDF: 1038895 bytes, checksum: 035cbcd8aefe676837d1b752d1b5860d (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-06-14T13:36:15Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModeloTeoricoSensores.PDF: 1038895 bytes, checksum: 035cbcd8aefe676837d1b752d1b5860d (MD5) / Made available in DSpace on 2014-06-14T13:36:15Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Dissertacao_ModeloTeoricoSensores.PDF: 1038895 bytes, checksum: 035cbcd8aefe676837d1b752d1b5860d (MD5) Previous issue date: 2007 / Eletronorte - Centrais Elétricas do Norte do Brasil S/A / FUNPEA - Fundação de Apoio à Pesquisa, Extensão e Ensino em Ciências Agrárias / Ao se aplicar uma tração exterior a uma fibra óptica, seu índice de refração pode modificar devido ao efeito foto-elástico. Quando a fibra contém uma grade de Bragg inscrita em seu núcleo, além do índice de refração seu período espacial também modifica, permitindo sua aplicação como sensores ópticos de temperatura e/ou deformação de alta sensitvidade. Do ponto de vista teórico, até o presente a operação de sensores baseados em fibras ópticas com grade de Brag (FGB) é explicada pelo efeito foto-elástico, através de componentes adequadas do tensor foto-elástico de fibras de sílica dopadas com germânio (germano-silicatadas). Em praticamente toda a literatura previamente estudada, apenas este tipo de fibra óptica tem suas propriedades optomecânicas bem definidas, o que pode representar uma restrição. Nesta dissertação apresentamos uma formulação teórica alternativa para o estudo das propriedades de um sensor de deformação longitudinal baseado em fibra óptica com grade de Bragg (FGB) que não depende do conhecimento prévio das componentes do tensor foto-elástico, e que leva a resultados que dependem apenas da razão de Poisson da fibra, uma característica mecânica facilmente mensurável, e de seu índice de refração efetivo. Os resultados obtidos com este modelo apresentam ótima concordância com aqueles obtidos pelo modelo conhecido da literatura, além de permitir estimar o comportamento de outros parâmetros relacionados ao espectro de refletividade da FGB. / By applying an external stress to an optical fiber its refractive index can change due to the photoelastic effect. When the optical fiber contains a Bragg grating inscribed in its core besides of the refractive index their spacial period changes too, allowing its application as high sensitive optical sensors for measurements of temperature and stress. From the theoretical point of view, up to date the operation of sensors using optical fiber with Bragg gratings (FBG) is explained by the photoelastic effect through appropriate components of the photoelastic tensor but for germanosilicated optical fibers only, which may to represent limitations to understand the responses of other classes of FGB used as optical sensors. In this work we show an alternative theoretical formulation for the studies of the operation properties of an optical sensor of longitudinal stress based on optical fiber with FBG, which do not depends from previous knowledge of the components of the photoelastic tensor, but just depends on the refractive index of the core, Poisson’s ratio, and relative deformation. The results shown good agreement with the literature and experimental data, allowing to estimate other features related with the reflectivity of the FGB.

Submitted by Cleide Dantas (cleidedantas@ufpa.br) on 2014-10-20T16:15:48Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_ModelagemEfeitosPlasmonicos.pdf: 3114372 bytes, checksum: cb026c4d61585b2d8cee51b195e59e46 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Rosa Silva (arosa@ufpa.br) on 2014-10-22T13:24:08Z (GMT) No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_ModelagemEfeitosPlasmonicos.pdf: 3114372 bytes, checksum: cb026c4d61585b2d8cee51b195e59e46 (MD5) / Made available in DSpace on 2014-10-22T13:24:08Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 23898 bytes, checksum: e363e809996cf46ada20da1accfcd9c7 (MD5) Tese_ModelagemEfeitosPlasmonicos.pdf: 3114372 bytes, checksum: cb026c4d61585b2d8cee51b195e59e46 (MD5) Previous issue date: 2014 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Metamateriais são meios artificiais estruturados para a obtenção de propriedades físicas não prontamente encontradas na natureza. Estes meios, em geral, são organizados periodicamente com uma célula unitária que possui dimensões menores que o comprimento de onda da radiação eletromagnética incidente. Esta característica permite que estes meios possam ser tratados como materiais homogêneos e, por conseguinte, descritos em termos de parâmetros constitutivos efetivos. Este trabalho realiza a modelagem analítica e numérica de um metamaterial nanoestruturado com inclusões metálicas. É desenvolvido um formalismo fundamentado no modelo de Maxwell-Garnett para descrever o índice de refração efetivo do metamaterial levando em conta a forma geométrica das nanopartículas e a natureza dos modos locais excitados. É evidenciado que estes modos correspodem a excitações plasmônicas superfíciais. Por meio da caracterização do metamaterial no domínio óptico, é investigado o potencial de tais meios para o desenvolvimento de sensores de índice de refração mais compactos e com valores de sensibilidade superiores aos encontrados em sistemas baseados unicamente em fibras ópticas. / Metamateriais are artificial media structured to obtain physical properties not readily found in nature. In general, these media are arranged periodically with a unit cell whose dimensions are smaller than the wavelength of the incident electromagnetic radiation. This characteristic allows dealing with such materiais as homogenized media, which means describing them by effective constitutive parameters. This work performs the analytical and numerical model of a metamaterial structured with metallic inclusions. It is implemented a formalism based on the Maxwell-Garnett approach in order to describe the effective refraction index of the metamaterial accounting for the geometry of the nanoparticles and the nature of excited local field modes. It is shown that these modes correspond to surface plasmon excitations. From the characterization of the metamaterial at the optical domain, it is investigated the potential of such medium to the construction of more compact refraction index sensors, with sensitivity values higher than the ones typically found in systems based exclusively on optical fibers.

Este trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de sensores químicos ópticos baseados no Interferômetro Mach-Zehnder (MZI) para aplicações em análises químicas e ambientais. Tais dispositivos foram implementados a partir da fabricação de guias de ondas sobre um substrato de silício monocristalino. Os guias de onda foram obtidos através da deposição de filmes finos de nitreto de silício (Si3N4) e óxido de silício (SiO2) obtidos por técnicas de deposição química a vapor (CVD) e pela oxidação térmica do substrato de silício. A definição destes guias de ondas para a implementação de sensores é feita por processos convencionais de litografia e corrosão. Os sensores químicos deste trabalho baseiam-se na interação do campo evanescente do modo que propaga-se no guia de onda exposto a algum composto químico na fase líquida ou gasosa. Tais sensores foram projetados, simulados e implementados para as seguintes aplicações: Medida da concentração de glicose em soluções; Medida de umidade por efeito de espalhamento; Detecção de vapores de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). As etapas de processo para a fabricação dos sensores químicos ópticos foram definidas a partir das simulações em óptica integrada e, após os processos de fabricação, os filmes obtidos foram caracterizados. Os filmes de Si3N4 SiO2 utilizados na fabricação do sensor óptico possuem uniformidade em espessura e homogeneidade quanto aos valores de índice de refração, baixa rugosidade superficial e baixos níveis de incorporação de água e ligações OH. No entanto, os valores de rugosidade e desuniformidade aumentaram significativamente após as etapas de corrosão úmida para a definição das estruturas dos sensores ópticos. Os guias de ondas implementados apresentaram um guiamento monomodo (TE0) e os valores de atenuação experimentais ficaram entre 2 e 20 dB/cm e dependem dos valores de rugosidade superficial e lateral dos guias de ondas e da desuniformidade dos filmes empregados. Com as medidas de concentração de glicose, verificou-se o funcionamento e a sensibilidade dos sensores químicos ópticos implementados, levantando-se curvas de variação da intensidade de saída do MZI em função do índice de refração de soluções de glicose padronizadas (dn/dc). Realizou-se medidas de umidade através da implementação de um sensor óptico simplificado que tem como princípio o efeito de espalhamento óptico. Como o espalhamento óptico depende da rugosidade e do contraste de índices de refração na interface exposta ao ambiente, foi possível detectar a quantidade de água presente no dispositivo. Posteriormente, analisou-se a aplicação de HMDS (Hexametildissilazana) como filme de adsorção de compostos orgânicos voláteis (VOC\'s). Os VOC\'s foram aplicados sobre os sensores químicos ópticos em forma de vapor e os resultados obtidos para n-Hexano e 2-Propanol mostraram uma boa reprodutibilidade e alta sensibilidade. / The aim of this work is the development of optical chemical sensors based on Mach-Zehnder Interferometer (MZI) for chemical and environmental analysis applications. Such devices were implemented with waveguides fabricated on a silicon substrate. The waveguides were obtained using silicon nitride (Si3N4) and silicon oxide (SiO2) films obtained by CVD (Chemical Vapor Deposition) and thermal oxidation of the silicon substrate. The waveguides and the optical sensors were fabricated using conventional lithograph and etching processes. The developed chemical sensors are based on the evanescent field interaction in a waveguide exposed to a liquid or gaseous phase of a chemical compound. Such optical sensor were designed, simulated and implemented for the following applications: Glucose concentration; Humidity measurement by scattering effect; Volatile organic compounds (VOC\'s) vapors detection. The process steps for the optical chemical sensor fabrication were defined during the integrated optical simulations and the films were characterized after the fabrication process steps. The Si3N4 and SiO2 films used in the optical sensor fabrication are uniform and homogenous (thickness and refractive index), with low surface roughness and low levels of water incorporation and OH bonds. However, the roughness values increased significantly after the etching process for the optical sensor structures definition. The implemented waveguides were singlemoded (TE0), with experimental attenuation values between 2 and 20 dB/cm, depending on the surface and sidewall roughness of the waveguide and of the films uniformity. The operation principle and the sensitivity of the optical chemical sensor were verified by glucose concentration measurements, by measuring the MZI output variation intensity as a function of the refractive index of the glucose standard solutions (dn/dc). As the light scattering depends of the roughness and the of refractive index difference between the exposed interface and the atmosphere, it\'s possible to measure the humidity or the amount of water in the interaction window. Afterwards, the detection of volatile organic compounds (VOC\'s) was done using a HMDS (Hexamethyldissilazane) layer to adsorb the VOC\'s. The VOC\'s vapor was applied on the optical chemical sensors and the results obtained for n-Hexane and 2-Propanol showed a good reproducibility and high sensitivity.

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O presente trabalho tem como objetivo principal o estudo e o desenvolvimento de um sensor óptico de umidade usando o polímero polipirrol. Inicialmente, estudou-se o princípio teórico dos diversos sensores de umidade encontrados no mercado, assim como fundamentos básicos sobre guias de onda, umidade e polímeros (especialmente polipirrol). Realizou-se também um estudo da influência da umidade nas características físicas e ópticas do polipirrol mediante a técnica elipsométrica. Particularmente, foi estudado em detalhe o comportamento do índice de refração do polipirrol frente a grandes variações de concentrações de umidade, e se demonstrou que o valor do índice de refração do polipirrol aumenta quando exposto a vapor de água. Com os resultados alcançados na caracterização óptica do polímero, foram desenvolvidos sensores de umidade à fibra óptica, baseados na técnica de fibra interrompida, e sensores à guia de onda ARROW (Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguide), baseados na técnica de detecção por campo evanescente, sendo o polipirrol usado como camada ativa de sensoriamento. Os dispositivos baseados em fibra óptica e guia de onda ARROW mostraram que a potência de saída dos dispositivos diminui inversamente em relação à umidade relativa (para uma concentração de 50 a 80%). / The aim of the present work is the study and development of an optical humidity sensor using polymer polypyrrole. Initially, it was studied theoretical principles of common humidity sensors and it was also studied the theoretical basis of optical waveguides. The first part of the present project involved a study of polypyrrole refractive index behavior when exposed to different humidity concentrations, using the ellipsometric technique. The characterization results showed an increment on polypyrrole refractive index when exposed to water vapor. With these results, a based optical fiber sensor was developed using the air gap configuration, and polypyrrole was used as the sensor element. The last part of the project involved an optical humidity sensor development based on ARROW waveguide (Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguide), using the evanescent field configuration. In this case, polypyrrole was also used as the sensor element. These devices (based on optical fiber and ARROW waveguide) showed that the power output decreases inversely with relative humidity concentration (from 50% to 80%).