Termistores de diamante para aplicações biomédicas

Abstract

O presente trabalho consistiu no desenvolvimento de um termistor de diamante CVD (chemical vapour deposition) dopado com boro, através da deposição de um filme por deposição química em fase de vapor assistida por filamento quente (HFCVD) num substrato cerâmico de nitreto de silício (Si3N4). O objectivo deste termistor é a sua aplicação na biomedicina, nomeadamente na medicina dentária, funcionando como um sensor de temperatura na ajuda ao diagnóstico à vitalidade dos dentes. A adição de boro foi realizada através da dissolução de B2O3 em etanol, sendo o transporte da mistura realizado com árgon através de um borbulhador. Os substratos de nitreto de silício foram produzidos através de uma mistura de pós comerciais de 89,3% α – Si3N4 (Starck Grade C) + 7,0% Y2O3 (Starck Grade M11) + 3,7% Al2O3 (ALCOA CT-3000SG) em um meio de isopropanol. A suspensão resultante foi seca e peneirada, de seguida foi sujeita a uma maquinação através de pressão uniaxial isostática, sendo sinterizada sem pressão aplicada numa atmosfera de nitrogénio. Este tipo de substrato apresenta-se como um candidato ideal para deposição de diamante, devido á sua elevada dureza, mas sobretudo devido ao seu coeficiente de expansão térmica ser bastante próximo do diamante. Os substratos sofreram um tratamento superficial prévio através de dois métodos: riscagem mecânica (ou manual) com um pó de diamante monocristalino com granolumetria entre 0,5-1 μm, e de seguida uma riscagem em ultrasons numa suspensão de diamante em etanol com a granolumetria de 15μm, com o objectivo de ajudar à nucleação do filme no substrato. Através do método de análise de Taguchi criou-se uma matriz de ensaios através de uma tabela L9, com o objectivo de saber as condições ideias de deposição HFCVD para obter o comportamento eléctrico desejado. Foram variadas condições como a razão CH4/H2 e Ar/H2, a pressão, a distância do substrato ao filamento. A caracterização dos filmes foi feita por microscopia electrónica de varrimento (SEM), difracção de raios-X, e espectroscopia Raman. Através de SEM foi observado que existe uma grande variedade a nível morfológico e de tamanho de grão. Também foi possível medir a espessura de filme a sua taxa de crescimento. Através de DRX (LIBAD) foi analisada a cristalinidade dos filmes e o tamanho de cristalite, e de espectroscopia Raman a sua qualidade e fases de carbono (sp2/sp3). Foram também realizados testes eléctricos com o objectivo de saber o comportamento eléctrico dos filmes, nomeadamente a sua variação da resistência com a temperatura, e calculando o valor de B, um factor que avalia a variação da resistência em função da temperatura, para um dado um material. Através do método Taguchi foram conseguidas as condições óptimas e foram construídos dois termistores com contactos ohmicos de WC. O seu comportamento foi comparado com o de um termistor comercial de 10k . O seu comportamento quando sujeito a ciclos contínuos de aquecimento e arrefecimento, revelou tempos de resposta bastante mais rápidos do que o termistor comercial. Decréscimos na ordem dos 31% e 67% foram conseguidos para os termistores T1 e T2 respectivamente em ciclos de aquecimento, ao passo que no arrefecimento foram conseguidos decréscimos na ordem dos 77% e 46% para T1 e T2. Os ciclos foram feitos num intervalo de temperatura entre os 24ºC e os 32ºC. Estes resultados suportam a aplicabilidade de termistores de diamante na medicina dentária com melhorias significativas no diagnóstico.

The present work aimed at the development of a diamond based termistor, using the Hot Filament Chemical Vapour Deposition (HFCVD) technique. The boron doped diamond coatings were deposited on silicon nitride based ceramics. This devices were developed bearing in mind biomedical applications, namely in dentistry, working as a temperature sensor to help in the teeth vitality diagnose. Boron addition in the gas mixture was accomplished by the dissolution of B2O3 in ethanol, carried along with argon trough a bubbler. Silicon nitride (Si3N4) based ceramic substrates were obtained by mixing commercial powders α -Si3N4 (Starck grade C), Y2O3 (Starck grade M11) and Al2O3 (ALCOA CT-3000SG) in a 89,3%/7,0%/ 3,7% weight proportion, in a isopropyl alcohol media. The resulting suspension was dried and sieved, consolidated by uniaxial and isostatic pressing and finally pressureless sintered in a nitrogen atmosphere. The Si3N4 substrates are an ideal candidate for diamond deposition, due to their high hardness and toughness, but specially for possessing a thermal expansion coefficient close to that of diamond. Prior to diamond deposition the ceramic surface was pretreated with a manual scratching with a 0,5-1 μm diamond powder and then sonicated in a 15μm diamond suspension in ethanol, to increase the diamond nucleation density. A Taguchi matrix was designed to study the HFCVD diamond deposition parameters, using a L9 orthogonal array, where CH4/H2 and Ar/H2 gas ratios, the pressure and the substrate-filament distance were used as controllable factors. The characterization of the coatings was performed by SEM, XRD and μ- Raman spectroscopy. SEM allowed the evaluation of the coatings morphology and thickness (cross-sectional micrographs), thus the determination of the growth rate. XRD (LIBAD) allowed the determination of the grain size for nanocrystalline diamond, as well as the crystallographic orientation. μ-Raman spectroscopy allowed the evaluation of the carbon phase content (sp2/sp3) in the coatings. The electrical behavior of the films was accessed, namely the dependence of the resistance with the temperature, allowing the calculation of the B parameter, which is a set parameter of each material, for a given range of temperature. Using the Taguchi Method the optimal Diamond deposition conditions were achieved and two diamond termistors were built with WC ohmic contacts. Their electrical behavior was compared to that of a commercial termistor with resistances of the order of 10k . However, their electrical response to cyclic heating and cooling steps evidence much fasters response times. Decreases in response time on the order of 31% and 67% were achieved respectively for T1 and T2 upon heating, and 77% and 46% for respectively T1 and T2 termistors during cooling in the temperature range of 24-32ºC. These results support the applicability of diamond based termistors in the field of dentistry with significant improvements in the diagnose accuracy.