Design, simulation, fabrication and characterization of mass microsensors embeddable to an implantable microvalve for glaucoma treatment

Abstract

The main research of the Group of BioMEMS is the implantable microvalve for controlling the intraocular pressure in patients with glaucoma. Glaucoma is a disease that affects tens of millions of people around the world. The development of Micro ElectroMechanical Systems and the generation of new materials allow the development of implantable micro-devices with improved biocompatibility. The knowledge of biomolecules associated with the glaucoma pathology will increase the effectiveness of the implant. In this sense, a mass microsensor capable of sensing biomolecules is desirable; also the microsensor has to be capable of being integrated to the implantable microvalve. This thesis was focused on the design, simulation, fabrication and characterization of Micro ElectroMechanical Systems -based mass microsensors for the detection of biomolecules. It starts with a modeling and simulation chapter where different types of microsensors were developed by using piezoelectric resonators, and follows a fabrication and characterization chapter. Regarding the biocompatibility, Ultrananocrystalline diamond and Parylene were used as structural materials; as piezoelectric materials, quartz, polyvinylidene fluoride and Aluminium Nitride were used. The parameters of the resonators were extracted by using 3D Finite Element Method models and experimental results; values were adjusted to fit the simulated frequency response with the experimental one. Ultrananocrystalline diamond films used as substrate, yielded a highly oriented (002) Aluminium Nitride films even as thin as 80 nanometers; it exhibited a piezoelectric coefficient of about 5.3 picometer per volt, one of the highest demonstrated today.

La línea de investigación más importante del Grupo de BioMEMS es el desarrollo de una microválvula implantable para aliviar la presión intraocular en pacientes con glaucoma. El glaucoma es una de las causas más frecuentes de ceguera que afecta a millones de personas alrededor del mundo. El desarrollo de la tecnología MEMS y la generación de nuevos materiales permiten abordar el desarrollo de microdispositivos implantables. Una estrategia inteligente es sumar a la estructura de la microválvula, sensores que permitan la detección de parámetros de importancia como las proteínas intervinientes en el proceso de formación de fibrosis sobre el implante. Esta tesis se centra en el diseño, simulación, fabricación y caracterización de microsensores de masa desarrollados con tecnología en MEMS para la detección de biomoléculas. La tesis parte de un capítulo de modelado y simulación donde se desarrollan diferentes tipos de microsensores de masa utilizando resonadores piezoeléctricos; continúa un capítulo de fabricación donde se describe la producción y caracterización de los dispositivos diseñados y simulados. Considerando la biocompatibilidad del implante, se utilizó Parylene y diamante ultrananocristalino como material estructural. Como material piezoeléctrico se usó cuarzo, polivinilidenofluoruro y Nitruro de Aluminio. Se extrajo un conjunto de constantes importantes mediante el ajuste de los parámetros materiales complejos en el modelo FEM para los diferentes resonadores. El diamante ultrananocristalino que se utilizó como sustrato, produjo orientación (002) del Nitruro de Aluminio a espesores tan delgados como 80 nm. Además exhibe un coeficiente piezoeléctrico de 5.3 pm/V, el mayor alcanzado hasta el día de hoy.