Digitális mikrofluidika THz-es képalkotáshoz Földesy Péter a, Fekete Zoltán b, Pardy Tamás c, Gergelyi Domonkos a,c a Celluláris Érzékelő és Optikai Hullámszámítógépek Kutatólaboratórium, MTA SzTAKI b MEMS Laboratórium, Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet, MTA TTK c Információ Technológiai Kar, Pázmány Péter Katolikus Egyetem
Előadásvázlat THz-es sugárzás Térbeli fénymoduláció Moduláció cseppekkel Modulátortömb tervezése és megvalósítása Kísérleti összeállítás Előzetes eredmények és jövőbeli tervek
THz-es sugárzás tulajdonságai Egyenes vonalban terjed Poláros molekulák és vezető anyagok elnyelik Nem ionizáló Számos kémiai és biológiai anyag karakterisztikus választ ad a THz-es besugárzásra
THz-es sugárzás alkalmazásai Orvosi alkalmazások: THz vs. X-ray (kisebb energia, kisebb szövetkárosodás) Biztonsági alkalmazások: Átvilágítás (pl. rejtett fegyverviselés) Atmoszférán kívüli kommunikáció Repülőgép-műhold, műhold-műhold kapcsolat Tudományos felhasználás: Spektroszkópia, THz tomográfia
Miért moduláljunk THz-es sugárzást? Térbeli fénymoduláció (SLM): hullámfront amplitúdó vagy fázis modulációja Optikai, képalkotó rendszerek, kijelzők és világítástechnikai alkalmazások 1. Kommunikáció szub-thz-es és THz-es tartományban Nagysebességű moduláció a GHz-es tartományban 2. Képalkotás Struktúrált megvilágítás >> jobb térbeli felbontás (Structured Illumination Microscopy) Struktúrált optikai detektálás (pl. compressed sensing) Nagy sebességű moduláció nem (<100 Hz), de nagy kontraszt szükséges.
SLM módszerek a THz-es tartományban Nagy sebességű moduláció metaanyagokkal D. Shrekenhamer, S. Rout, A C. Strikwerda, C Bingham, R D. Averitt, S Sonkusale, and W J. Padilla, "High speed terahertz modulation from metamaterials with embedded high electron mobility transistors," Opt. Express 19, 9968-9975 (2011) Elektromosan vezérelt folyadékkristály alapú modulátor Cho-Fan Hsieh, Ru-Pin Pan, Tsung-Ta Tang, Hung-Lung Chen, and Ci-Ling Pan, "Voltage-controlled liquid-crystal terahertz phase shifter and quarter-wave plate," Opt. Lett. 31, 1112-1114 (2006) Hangolható tiltott sávú fotonikus kristály J. S. Li, J. He, and Z. Hong, Terahertz wave switch based on silicon photonic crystals, Appl. Opt. 46(22), 5034 5037 (2007) Mechanikai (mikromegmunkált) szűrők S. Zarei and M. Jarrahi, Broadband terahertz modulation based on reconfigurable metallic slits, IEEE Photonics Society Winter Topicals Meeting Series, (2010) 30-31
THz moduláció vízcseppekkel A poláros folyadékokban (víz, alkohol) az elnyelés a Debye relaxációs modelt követi Relatív abszorpciós spektrum (DI vízhez képest): CaCl 2 KCl Az abszorpció 10-100 mm behatolási mélységet eredményez. NaCl J. Masson, M. Sauviat, J. Martin, G. Gallot, Ionic contrast terahertz near-field imaging of axonal water fluxes, Proc Natl Acad Sci USA 103 (2006) 4808 4812
Moduláció vízcseppekkel Digitális mikrofluidika Folyadék kvantumok precíz manipulációja >> fizikai méretük ismert és stabil Ortogonális és hexagonális tömbök >> SLM-hez illeszkedik Felmerülő esetleges nehézségek: Lassú mintamozgatási sebesség > a cseppméret csökkentésével (~ néhány 100 mm-es karakterisztikus elektródaméret) akár 100 Hz is elérhető Hosszútávú stabilitás: zárt rendszerben a hosszútávú stabilitás megoldható (electrowetting displays, e-papers) Karlheinz Blankenbach and Juergen Rawert, Bistable electrowetting displays, 3 January 2011, SPIE Newsroom. DOI: 10.1117/2.1201012.003407
Elektromos nedvesítés (Electrowetting) Elektród-elektrolit határfelület felületi feszültségének csökkentése elektromos térrel Vezető és hidrofób szigetelő szendvicsszerkezet Lippmann-Young egyenlet:
Elektromosan szabályozott nedvesítés
Digitális mikrofluidika és THz Megfontolások Klasszikus, zárt rendszerű digitális mikrofluidika rétegszerkezete Fedő elektróda Csepp Olaj Gerjesztő feszültség Hidrofób szigetelő réteg(ek) Elektródák Megoldás: co-planar elrendezés Li, Y. et al., Test structure for characterizing low voltage coplanar EWOD system, IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, 22 (2009) 88-95
Digitális mikrofluidika és THz Megfontolások Co-planar elrendezés vázlata Csepp Olaj Hidrofób réteg(ek) Elektródák Gerjesztő feszültség Hátrány: mozgatáshoz nagyobb potenciál szükséges
Elektróda geometria Interdigitális elrendezés M. Abdelgawad, P. Park, and A. R. Wheeler, Optimization of Device Geometry in Single-Plate Digital Microfluidics, Journal of Applied Physics, vol. 105, pp. 094506, 2009.
Mozgatótömb gyártástechnológiája (MFA) Szilícium alapú chipek vázlatos mikromegmunkálási lépéssora: 1. <100> egykristályos Si szubsztrát 2. 1000 nm SiO2 (termikus) és liftoff ábrakialakítás 3. 300 nm párologtatott Al 4. Al lift-off 5. 100 nm SiO2 (LPCVD) 6. Kontaktusablaknyitás HF oldattal 7. 500 nm Teflon AF leválasztása
Előkísérletek lineáris tesztstruktúrával Cseppmozgatás 60-110V négyszögjel esetén
Mikrofluidikai modulátortömb 10x10 tömb két rezervoárral Az egyrétegű fémezés miatt csak horizontális vagy vertikális shiftelés Rasztertávolság 1700 µm (tipikus cseppátmérő 2mm, magasság 400-500 mm Rezervoár Modulator tömb Reflektor Elektromos pad-ek Chip architektúra Modulátortömb kiszerelése NyHL-re
Mikrofluidikai modulátortömb Co-planar elrendezés elektromos csepp szeparációval a sortévesztés csökkentésére Elektródák Pozitív előfeszítés Csepp Föld Negatív előfeszítés
Mikrofluidikai modulátortömb
Kiértékelő rendszer főbb jellemzői Folytonos hullámú VDI szub-thz-es forrás egy kvázioptikai elrendezésben Egyedi tervezésű 40 csatornás programozható feszültségforrás (0-200V), 300-1000 Hz TSMC 90 nm, 9 metal CMOS detektortömb 4x3 szenzorelemekkel: Integrált funkciók: antenna, tranzisztoros detekció, LNA, digitalizálás Rasztertávolság: 400 µm x 400 µm Alkalmazott antenna variánsok: Rezonátor antenna, frekvenciák: 0,2, 0,3 és 0,45 THz Szélessávú antenna, frekvenciák: 0.2-0.6 THz
Modulátortömb működés közben 2 mm átmérőjű, 0,5 mm magas vízcseppek 0.48 THz-es fókuszált megvilágításban ( = 620 µm), reflexiós üzemmódban közel 100%-os kontraszt!
Jövőbeni tervek 1. THz-es képalkotás: Compressed sensing képalkotás tesztelése 2. Laboranalitikai funkciók megvalósítása Mintamanipuláció digitális mikrofluidikai környezetben Enzimkinetikai vizsgálatok Reagens kit-ek automatizálása
Köszönetnyilvánítás TERASTART: Terahertzes forrás, érzékelő, és feldolgozó struktúrák spektrális képalkotáshoz, OTKA CNK 77843 MEMS Laboratórium mérnökei és technikusai
foldesy.peter@sztaki.mta.hu fekete.zoltan@ttk.mta.hu