Development of a Complete Optical Microsystem for Particle Flow Detection

Abstract

Esta tesis doctoral resume el trabajo realizado en el Departamento de Electrónica de la Facultad de Física, en la Universidad de Barcelona. El objetivo de la misma se centra en el diseño y fabricación de un microsistema óptico basado en la integración híbrida de componentes comerciales y procesos de micromecanizado en silicio, destinado a la detección óptica de micropartículas en chips de microfluídica. Todo ello teniendo como principales metas la miniaturización y la integración de todos los componentes para obtener un sistema robusto, portátil, orientado a aplicaciones “Point of care”.

El sistema de detección óptica de partículas incluye dos elementos comerciales. Por una parte, las fuentes de luz escogidas, láseres VCSEL en formato “die” de la empresa ULM Photonics, y por otra, una matriz de microlentes fabricada por SUSS microOptics. La matriz de microlentes se adapta al pitch que existe entre láseres es de 250 micras, cosa que la hace totalmente compatible en términos de alineación óptica.

Para determinar las posiciones óptimas de estos componentes, se realiza el estudio de dos escenarios mediante el uso de un simulador de trazado de rayos (ZEMAX Radiance ®): el primero, basado en la obtención de haces de luz colimados; el segundo, basado en la obtención de haces de luz focalizados.

Los componentes comerciales se ensamblan en una estructura robusta, formada por dos piezas de silicio (base y separador óptico), y con alienación pasiva de las microlentes. Las piezas de silicio se fabrican en obleas siguiendo procesos de Sala Blanca.

Mediante técnicas de soft lithography se diseñan y fabrican diversos chips para el bloque de microfluídica: canales con focalización pasiva del flujo y canales con sistemas de focalización activa. Dichos chips contienen los canales de microfluídica por donde circularán las partículas que se pretende detectar, en suspensión líquida.

El sistema de detección óptica de partículas requiere de un sensor óptico encargado de detectar las variaciones en los niveles de intensidad luminosa causadas por la circulación de partículas. En esta tesis se plantea un sensor de imagen basado en tecnología CMOS, con un diseño full-custom. El sensor contiene una estructura en doble array lineal con 256 pixels.

Para validar la funcionalidad del sistema fabricado, se realizó una batería de pruebas. Se prepararon diversas suspensiones acuosas en agua desionizada e isopropanol con partículas de diferentes tamaños (diámetros), materiales y fabricantes en un rango de 10 a 90micras de diámetro. Los resultados fueron satisfactorios en todos los casos.

This thesis summarizes the work developed in the Department of Electronics, Faculty of Physics, at the University of Barcelona. This work is focused on the design and fabrication of an optical microsystem based on hybrid integration of commercial components and silicon micromachining processes, in order to the optical detection of microparticles in microfluidic chips. Main goals are the miniaturization and integration of all components to obtain a robust system, portable, and oriented to "Point of care" applications.

The optical detection system includes two commercial components. First, the chosen light sources, VCSEL lasers in "die " format from ULM Photonics, and second, an array of microlenses manufactured by SUSS microoptics. The microlens array fits the existing pitch between lasers (250 microns), therefore it is fully compatible in terms of optical alignment.

To determine the optimal positions of these components, two scenarios are analyzed by using a ray tracing simulator (ZEMAX Radiance ®): the first, based on collimated light beams, the second based on obtaining focused light beams.

The commercial components are assembled in a robust structure, consisting of two pieces of silicon (base and optical spacer), and passive alignment of the microlenses. The pieces of silicon are fabricated in wafers at the clean room of the IBM-CNM, according to the defined processes.

Using soft lithography techniques, various chips for the microfluidic block are designed and fabricated: passive focusing channels and channels with hydrodynamic focusing. These chips contain microfluidic channels where particles to be detected will flow in liquid suspension.

The optical detection system requires an optical sensor to detect the variations in the levels of light intensity caused by the particles circulation. In this thesis, an image sensor based on CMOS technology and a full-custom design is presented. The sensor includes a double linear array structure with 256 pixels and other electronics.

To validate the functionality of the proposed system, we performed a battery of tests. Several aqueous suspensions were prepared in deionized water and isopropanol with particles of different sizes (diameters) materials and manufacturers in the range of 10 to 90micras diameter. The results were satisfactory in all cases.