Célula de vapor de rubídio em silício micromaquinado para magnetoencefalografia

Abstract

A magnetoencefalografia (MEG) é um exame que permite realizar o mapeamento da eletrofisiologia cerebral, tendo por isso uma contribuição bastante considerável em estudos neurocientíficos. No entanto, este exame é baseado atualmente em sensores SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) apresentando como desvantagens o elevado volume do equipamento, necessidade de arrefecimento criogénico, não portabilidade e custos de manutenção elevados. Os magnetómetros de bombeamento ótico (OPMs) apresentam-se como alternativa promissora. Os OPMs têm uma sensibilidade elevada, equiparável aos sensores SQUID, apresentando como vantagem a possibilidade de criação de uma touca cerebral flexível, ajustável à cabeça de cada paciente. A sensorização por OPMs recorre a uma fonte de luz, a uma célula de vapor de um metal alcalino e a um fotodetetor. O elemento principal dos OPMs é a célula de vapor, sendo que os principais objetivos desta dissertação de mestrado são o estudo e fabrico de uma célula de vapor de metal alcalino, recorrendo a tecnologias de microfabricação. O rubídio (Rb), particularmente o isótopo 87Rb, é o metal alcalino que apresenta maior sensibilidade a campos magnéticos do cérebro. Após micromaquinagem do silício para criação da cavidade da célula, recorre-se à técnica anodic bonding, que permite fazer a ligação permanente vidro-silício-vidro e a selagem da célula. O anodic bonding foi testado a diferentes temperaturas (225ºC a 300ºC), para uma tensão DC de 1000 V. Com maior força de ligação (> 500 N), maior homogeneidade na interface e menor quantidade de defeitos (inspeção por imagens SEM e por imagens microscópicas), as ligações que ocorreram a 275ºC e 300ºC apresentam melhores resultados, permitindo melhores resultados de adesão. Após primeiro anodic bonding à pressão atmosférica, uma solução aquosa de azida de Rb é pipetada na cavidade da célula. Esta solução é depois evaporada a 100ºC, seguindo-se o segundo anodic bonding em vácuo, de modo a não existir oxigénio no interior da célula, que reage com o Rb. Depois de obtida a célula, procede-se à decomposição da azida de Rb através de exposição ultravioleta a 254 nm, em vapor de Rb e azoto (N2). Os trabalhos desenvolvidos no âmbito desta dissertação representam um passo essencial na miniaturização das células de vapor de metal alcalino, componente principal dos OPMs para aplicações MEG.

Magnetoencephalography (MEG) is an exam that allows the mapping of brain's electrophysiology, having a considerable contribution in neuroscientific studies. However, this exam is currently based on Superconducting Quantum Interference Device (SQUID) sensors and presents some disadvantages, such as the high volume of the equipment, the need for cryogenic cooling, non-portability, and high maintenance costs. Optical pumping magnetometers (OPMs) are the most promising alternative to SQUID sensors, being extensively studied in the literature. The OPMs present high sensitivity, comparable to SQUID and allow flexible implementation on a brain cap, adjustable to the head of the patient. OPM uses a light source, an alkali vapor cell, and a photodetector. The active part of this device is the alkali-metal vapor cell. Thus, the main objectives of this dissertation are the study and fabrication of this component using microfabrication technologies. The rubidium (Rb), particularly the 87-isotope, is the alkali-metal material that presents the best value of sensibility for brain magnetic field measurements. After silicon micromachining for the creation of a cavity in the cell, it is used the anodic bonding technique, which allows a permanent connection between glass and silicon, and the cell sealing. The anodic bonding was tested at different temperatures (225ºC to 300ºC), with a 1000 V DC voltage. The process at 275ºC and 300ºC present higher bonding force (> 500 N), better homogeneity in the interface, and a low number of defects (inspection through Scanning electron microscope (SEM) and microscope images), allowing better adhesion results. After the first anodic bonding at atmospheric pressure, the aqueous solution of the rubidium azide (RbN3) is pipetted into the vapor cell cavity. This solution is then evaporated at 100ºC, and a second anodic bonding in vacuum is applied. In this way, there is no oxygen inside the cell, so as not to react with Rb. After the second bonding of the cell, the decomposition of the RbN3 is performed, through the exposition to UV (ultraviolet) radiation, using a 254 nm lamp, Rb vapor and N2 vapor are obtained. The work developed in this dissertation represents an essential step toward the miniaturization of alkal metal vapor cells, the main component of OPMs for MEG applications.