Fabrico de microlentes para aplicação em MicroLEDs

Abstract

As matrizes de microelétrodos enfrentam os desafios da neurociência no sentido de melhorar o conhecimento sobre o cérebro, permitindo assim catalisar novos tratamentos para os distúrbios neuropsiquiátricos, como a depressão, a Doença de Parkinson, a Doença de Alzheimer, etc. Em 2005, surgiu uma nova interação com o cérebro intitulada de optogenética. As sondas neuronais usadas nesta nova interação são designadas de optrodes. Estas sondas são otimizadas para fazer incidir luz sobre uma população de células geneticamente modificadas, de modo a revelarem efeitos biológicos específicos quando expostas à luz. Os neurónios-alvo são alterados para produzir proteínas sensíveis à luz conhecidas como opsinas. Estas opsinas requerem uma irradiação mínima de 1 mW/mm2 para serem ativadas. Devido ao requisito de irradiação mínima, é necessário um aumento da corrente fornecida aos microLEDs incorporados nas optrodes, o que irá causar dois efeitos indesejáveis: o aumento do consumo energético e o sobreaquecimento do tecido do sistema nervoso central (SNC). A incorporação de microlentes em conjunto com microLEDs irá causar o efeito de colimação da luz, o que por sua vez irá aumentar a irradiação dos neurónios-alvo, sem aumentar o consumo energético dos microLEDs e minimizando o sobreaquecimento do tecido do SNC. O principal foco desta dissertação relaciona-se com a simulação, desenvolvimento e caraterização de microlentes em PDMS para serem usadas em conjunto com microLEDs. As técnicas de microfabricação utilizadas para o fabrico das microlentes foram: a fotolitografia e o refluxo térmico de polímeros fotossensíveis para a criação do molde mestre; e a moldagem de réplicas de PDMS para a criação do molde negativo e das microlentes finais em PDMS. Foram simulados, fabricados e caraterizados dois conjuntos distintos de microlentes em PDMS, com alturas e diâmetros diferentes, sendo que os melhores resultados foram obtidos com o segundo conjunto de microlentes. As estruturas fabricadas, incluindo as microlentes em PDMS, foram caraterizadas utilizando os métodos de perfilometria de contacto, perfilometria ótica 3D, microscopia de força atómica (AFM) e microscopia eletrónica de varrimento (SEM). A caraterização do segundo conjunto de microlentes em PDMS permitiu determinar experimentalmente uma altura aproximada de 55 μm, um diâmetro aproximado de 81 μm e uma rugosidade média (Ra) superficial de aproximadamente 30 nm. Através de cálculos baseados na Ótica Gaussiana foram obtidas as seguintes caraterísticas para o segundo conjunto de microlentes fabricadas em PDMS: uma distância focal (f) de 95;94 μm, uma abertura numérica (NA) de 0,42 e um número focal (f/#) de 1,189.

Microelectrodes arrays face the neuroscience challenges, trying to improve the knowledge about the brain and allowing the development of new treatments for neuropsychiatric disorders, such as depression, Parkinson’s disease, Alzheimer’s disease, etc. In 2005, a new method of interaction with the brain emerged, the optogenetics. The neural probes used in these new method of interaction are named optrodes. These probes are optimized to deliver light to a population of genetically modified neurons, triggering a specific biological response when exposed to light. The targeted neurons are genetically modified to express light-sensitive proteins known as opsins. These opsins require at least 1 mW/mm2 of light intensity for activation. Due to the minimum light intensity requirement, the microLEDs incorporated on the optrodes require an increase in the current delivered to them, which will cause two undesired effects: an increase in power consumption and the overheating of the central nervous system (CNS) tissue. The integration of microlenses with microLEDs will collimate the emitted light, increasing the irradiance on the targeted neurons, without increasing the microLEDs power consumption and minimizing the overheating of the CNS tissue. The main goal of this dissertation is related with the simulation, development, and characterization of PDMS microlenses to be used with microLEDs. The microfabrication techniques used to fabricate the microlenses were: photolitography and thermal reflow of photoresists to develop the master mold; and PDMS replica molding to develop the PDMS negative mold and final microlenses. Two distinct sets of PDMS microlenses were simulated, fabricated and characterized, with different heights and diameters, in which the best results were obtained with the second set of microlenses. The fabricated structures, including the PDMS microlenses, were characterized using several methods: contact profilometry, 3D optical profilometry, atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM). The characterization of the second set of microlenses allowed to obtain, experimentally, a height of approximately of 55 μm, a diameter of approximately 81 μm, and an average surface roughness (Ra) of approximately 30 nm. Performing calculations based on Gaussian Optics, it was obtained the following characteristics for the second set of fabricated PDMS microlenses: a focal length (f) of 95:94 μm, a numerical aperture (NA) of 0.42, and a f-number (f/#) of 1.189.