BR112019020720A2

BR112019020720A2 - Sensor óptico implantável e método para fabricar um sensor óptico implantável

Info

Publication number: BR112019020720A2
Application number: BR112019020720-1A
Authority: BR
Inventors: Van Schuylenbergh Koenraad; Delbeke Danaë; Cardile Paolo
Original assignee: Indigo Diabetes N.V.
Priority date: 2017-04-03
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2020-05-12
Also published as: CA3056519A1; CN110709743A; US11372176B2; EP3385762A1; JP2020515870A; EP3607368A1; WO2018185032A1; JP7128202B2; US20200310051A1; KR20190136007A; IL269823A

Abstract

trata-se de um sensor óptico implantável que compreende um circuito integrado fotônico que compreende um substrato (2) e uma microestrutura óptica (3) integrada com o substrato (2). a microestrutura óptica é posicionada para formar uma área de interação óptica exposta (4) em uma parte de uma superfície (5) do substrato (2). uma tampa de cobertura (6) é vedada sobre uma parte do substrato (2) adjacente à área de interação óptica (4) e por tecnologia de ligação wafer a wafer ou outra técnica de embalagem hermética em nível de wafer. pelo menos um componente ativo (8) é posicionado em uma cavidade vedada (9) que é formada entre a superfície (5) e a tampa de cobertura (6). o substrato (2) compreende pelo menos uma passagem condutora óptica (10), que é um guia de ondas embutido que se estende a partir da cavidade vedada (9) para a área de interação óptica (4).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para “SENSOR ÓPTICO IMPLANTÁVEL E MÉTODO PARA FABRICAR UM SENSOR ÓPTICO IMPLANTÁVEL”

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a uma montagem óptica, por exemplo, um sensor óptico implantável, que compreende um substrato e uma microestrutura óptica integrada com o substrato, sendo que a microestrutura óptica é posicionada para formar uma área de interação óptica em uma parte de uma superfície do substrato. Em um aspecto adicional, a presente invenção refere-se a um método para fabricar uma montagem óptica, sendo que o método compreende fornecer um substrato com uma microestrutura óptica integrada que forma uma área de interação óptica.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[002] A Publicação de Patente Internacional n° WO2016/137444 revela um sensor e um método para medir um analito em um meio dentro de um animal vivo. O sensor inclui um elemento indutivo, um dispositivo de armazenamento de carga e uma memória. O sensor executa medições de analito iniciadas por um dispositivo externo usando a energia recebida do dispositivo externo e transmite medições de analito para o dispositivo externo usando o elemento indutivo. O sensor é completamente vedado em uma cápsula de vidro

[003] A publicação de patente US 6.981.806 B2 revela um método para empacotamento micro-hermético de um dispositivo óptico. O método compreende a formação de um cavidade micro-hermética em um substrato, fornecer um guia de onda óptico de transmissão no substrato e vedação de um dispositivo óptico dentro da cavidade micro-hermética. Uma tampa separada do primeiro substrato é empregada para o processo de vedação, ou a cavidade micro-hermética é fornecida na tampa e vedada na primeira superfície. O dispositivo óptico pode ser posicionado dentro da cavidade para transferência de energia óptica com o guia de onda óptico.

[004] O documento n° US 2004/0245425 A1 revela um dispositivo eletro-óptico híbrido que tem uma porção que define um local de montagem para componentes optoeletrônicos, como fontes de laser, diodos fotodetectores, LEDs, exigindo proteção

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2/17 hermética local dos chips nus. Uma estrutura de guia de onda do circuito de ondas planas de luz (PLC) formada no substrato se estende ao local de montagem para definir uma passagem condutora de sinal óptico para o dispositivo. Pelo menos um eletrodo está associado à estrutura do guia de onda do circuito de ondas de luz planas e estende o referido local de montagem para definir uma passagem condutora de sinal elétrico para o dispositivo. Uma estrutura em forma de anel circunda continuamente o referido local de montagem e um elemento de cobertura contínuo é soldado para cobrir e vedar hermeticamente o local de montagem. Como resultado dessa estrutura em forma de anel, que é uma orla metálica, o dispositivo não é adequado para a produção em escala de wafers.

[005] Uma abordagem bem conhecida na técnica usada para proteger conjuntos ópticos é pelo uso de, por exemplo, uma caixa de titânio. No entanto, essa abordagem tem as desvantagens de não ser um processo de escala de wafers e cada dispositivo precisa ser processado separadamente, tornando a abordagem cara. Se uma medição óptica precisar ser realizada em um conjunto óptico, é necessário prever uma passagem de condução; o que não é padrão. Uma outra abordagem é usar o revestimento parileno-c, mas não é possível testar um dispositivo para obter uma embalagem hermética bem-sucedida. Outra abordagem usada, por exemplo em telecomunicações e aplicativos de comunicação de dados, é usando um limite de escala de wafer no qual as passagens de condução são feitas através do limite de escala de wafer. Essas passagens de condução são pontos fracos, especialmente quando consideradas em relação a um tempo de vida útil desejado.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[006] A presente invenção procura proporcionar um conjunto óptico, por exemplo, um sensor óptico implantável, que é particularmente adequado para interagir opticamente com ambientes agressivos. Mais particularmente, a presente invenção procura fornecer um conjunto óptico com uma área de interação óptica para fornecer exposição a um fluido, como fluidos corporais, bem como outros componentes ativos associados que são vedados a partir do fluido, a fim de ter uma confiabilidade e

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3/17 montagem óptica de trabalho seguro. Além disso, a presente invenção procura fornecer um conjunto óptico que pode ser produzido por processos de escala de wafers.

[007] De acordo com a presente invenção, uma montagem óptica, como definida acima, é fornecida que compreende adicionalmente uma tampa de cobertura em uma parte do substrato adjacente à área de interação óptica. Pelo menos um componente ativo é posicionado em uma cavidade vedada que é formada entre a superfície e a tampa de cobertura. O substrato compreende pelo menos uma passagem condutora óptica que se estende a partir da cavidade vedada para a área de interação óptica. Como resultado, não há necessidade de realizar projeção da tampa por razões de comunicação ou interface com componentes eletrônicos dentro da cavidade selada. Isso protege efetivamente o componente eletrônico e, mais especificamente, os componentes elétricos do conjunto óptico do contato com o fluido durante o uso, sem influenciar as propriedades ópticas e os recursos de medição do conjunto óptico. Além disso, a comunicação óptica é possível a partir do componente (ou componentes) ativo na cavidade vedada para uma microestrutura óptica (que está presente no substrato) e vice-versa.

[008] A tampa de cobertura é vedada hermeticamente para o dito substrato parte por tecnologia de ligação wafer a wafer ou outra técnica de embalagem hermética em nível de wafer. O dispositivo resultante pode ser caracterizado pela ausência de qualquer orla metálica ou estrutura semelhante a anel, como descrito no documento n° US 2004/0245425 A1 para preparar o substrato para vedação da tampa de cobertura ao mesmo, ausência de material de solda entre a tampa de cobertura e o substrato, isto é, a borda inferior da tampa pode estar em contato direto com a superfície do substrato. Ademais, o dispositivo resultante pode ser caracterizado pela ausência de um flange na borda inferior da tampa de cobertura, isto é, as técnicas usadas para vedação da tampa ao substrato não exigem tal flange.

[009] Um aspecto adicional da presente invenção refere-se a um método para fabricar uma montagem óptica, conforme definido acima, em que o método

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4/17 compreende adicionalmente fornecer pelo menos um componente ativo na superfície adjacente à área de interação óptica, e fornecer uma tampa de cobertura em uma parte do substrato para formar uma cavidade vedada onde o pelo menos um componente ativo é posicionado. Ademais, o método compreende vedar a tampa de cobertura ao substrato por tecnologia de ligação wafer a wafer ou outra técnica de embalagem hermética em nível de wafer, e fornecer pelo menos uma passagem condutora óptica que se estende a partir da cavidade vedada para a área de interação óptica (isto é, sem realizar projeção da tampa). À medida que o método usa técnicas que são compatíveis com as etapas de fabricação para outros elementos da montagem óptica, o método pode ser implementado como um método de fabricação eficiente e barato.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[010] A presente invenção será discutida em mais detalhes abaixo, com referência aos desenhos anexos, nos quais,

A Figura 1 mostra uma vista em corte transversal esquemático de uma montagem óptica de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção;

A Figura 2 mostra uma vista em corte transversal esquemático de uma montagem óptica de acordo com uma segunda modalidade da presente invenção;

A Figura 3 mostra uma vista em corte transversal esquemático de uma montagem óptica de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção;

A Figura 4 mostra uma vista de topo esquemática de uma montagem óptica de acordo com uma outra modalidade adicional da presente invenção; e

A Figura 5 mostra uma vista em corte transversal esquemático de uma montagem óptica de acordo com uma outra modalidade adicional da presente invenção;

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES

[011] As montagens ópticas que têm o uso pretendido como sensores ópticos implantáveis (ou (parcialmente) imersos) possuem principalmente componentes volumosos na forma de componentes eletrônicos e/ou optoeletrônicos. Esses podem

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5/17 incluir circuitos eletrônicos que requerem uma fonte de alimentação elétrica para sua operação, e esses circuitos devem ser completamente vedados e protegidos de qualquer umidade. Quando o conjunto de circuitos é exposto a um ambiente da montagem óptica durante a operação, o funcionamento do mesmo pode ser severamente afetado pela presença de água na forma líquida ou de vapor. As ligações de fios metálicos podem falhar, as linhas metálicas podem ser corroídas e danificadas, e a interação com fluidos apenas interrompe a funcionalidade dos componentes. Algumas das aplicações da montagem óptica, de acordo com as modalidades da presente invenção, incluem, porém sem limitação, a detecção de fluidos corporais, como sangue ou fluido intersticial, e fluidos em processos químicos, como um tanque de fermentação ou um tanque petroquímico. Tais montagens ópticas geralmente têm uma interação direta e/ou de longo prazo de uma superfície de detecção com um ambiente hostil (por exemplo, um ambiente corrosivo). A interação de longo prazo, ou mesmo uma interação de curto prazo, de um ambiente hostil pode degradar substancialmente o desempenho e o funcionamento de componentes eletrônicos e optoeletrônicos na montagem óptica. Portanto, os componentes eletrônicos e optoeletrônicos que fazem parte de uma montagem óptica precisam ser adequadamente embalados para eliminar a exposição direta a esse ambiente indesejado. As modalidades da presente invenção solucionam esses problemas ao, de uma maneira geral, fornecer uma montagem óptica, com componentes optoeletrônicos volumosos alimentados por CC, com passagens condutoras ópticas herméticas (e, se necessário, elétricas). O principal problema é resolvido ao fornecer uma montagem óptica que possui passagens condutoras ópticas (e elétricas) entre uma área de interação óptica exposta e em contato direto com um fluido (corrosivo) e, por exemplo, um IC lido como implementação de um componente optoeletrônico hermeticamente fechado. Todos os componentes eletrônicos e fotônicos das modalidades da presente invenção de montagem óptica que requerem energia elétrica a ser ativada são posicionados sob uma tampa de cobertura hermética, a fim de obter um dispositivo de trabalho confiável e seguro.

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[012] A Figura 1 mostra uma vista em corte transversal esquemático de uma primeira modalidade de uma montagem óptica 1 de acordo com a presente invenção. A montagem óptica 1 compreende um substrato 2 e uma microestrutura óptica 3 integrada com o substrato 2. A microestrutura óptica 3 é posicionada (isto é, pode ser totalmente ou parcialmente embutida, integrada ou padronizada no substrato 2) para formar uma área de interação óptica 4. A microestrutura óptica 3 pode compreender uma ou mais de uma pluralidade de componentes ópticos integrados tais como, por exemplo, guias de onda integrados, grades, cristais fotônicos, cavidades, ressonadores de microanéis, acopladores, divisores, filtros e outros elementos ópticos (ajustáveis). A microestrutura óptica 3 pode ser ou ativa ou passiva. Na modalidade mostrada na Figura 1, a microestrutura óptica 3 é um guia de ondas embutido no substrato 2. Assim como na modalidade, a montagem óptica 1 compreende adicionalmente uma tampa de cobertura 6 em uma parte do substrato 2 adjacente à área de interação óptica 4 vedada entre a tampa de cobertura 6 e uma superfície 5 do substrato 2. Ademais, pelo menos um componente ativo 8 está presente que é conectado ao substrato 2 (por exemplo, por fixação ou ligação do componente ativo à superfície 5 do substrato 2). O componente ativo 8 é, por exemplo, um componente eletrônico, um componente optoeletrônico ou um componente óptico, por exemplo, um processador de sinal, um fotodetector, uma fonte de luz, uma batería, etc. O componente ativo 8 é posicionada em uma cavidade vedada 9 formada entre a superfície 5 e a tampa de cobertura 6. As modalidades alternativas usam um material adequado para a tampa de cobertura 6, que pode, em seguida, ser vedado por calor diretamente à superfície 5. O substrato 2 compreende adicionalmente pelo menos uma passagem condutora óptica 10 que se estende a partir da cavidade vedada 9 para a área de interação óptica 4.

[013] A microestrutura óptica 3 pode ser conectada opticamente à passagem condutora óptica 10 que é, por exemplo, um guia de onda 14 e/ou um acoplador 13 em que o acoplador 13 é, por exemplo, usado para acoplamento e desacoplamento da radiação dentro e fora do componente ativo 8. Um exemplo de um acoplador 13

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7/17 pode ser um acoplador de grade vertical no chip 13 (VGC). A montagem óptica 1 de acordo com a modalidade mostrada na Figura 1 compreende a passagem condutora óptica 10, que permite comunicação óptica a partir do interior da cavidade vedada hermeticamente 9 para uma área de interação óptica exposta 4 e vice-versa. A passagem condutora óptica 10 pode ser disposta para que seja opticamente acessível externamente a partir da montagem óptica 1, por exemplo, a partir de uma superfície superior do substrato 2 ou a partir de uma superfície inferior do substrato 2. Em uma modalidade, a microestrutura óptica 3 pode ser um guia de onda integrado que é conectado à passagem condutora óptica 10 que é, por exemplo, um guia de ondas embutido adicional. Nessa modalidade, a microestrutura óptica 3 como um guia de onda integrado pode ser uma parte da passagem condutora óptica 10 que é localmente aberto por meio de fresagem química para formar a área de interação óptica 4.

[014] E m uma modalidade adicional, o pelo menos um componente ativo 8 é anexado à superfície 5 (a uma parte da mesma) do substrato 2 que está dentro da cavidade vedada 9, por exemplo, como mostrado nessa modalidade pelo uso de uma metalização sob colisão 12. Será claro que o pelo menos um componente ativo 8 pode ser anexado à superfície 5 em disposições alternativas, por exemplo, pelo uso de outro tipo de técnicas de integração híbrida.

[015] Na microestrutura óptica 3, embora a maior parte da luz esteja confinada a uma camada guia (por exemplo, implementada como guias de onda), uma pequena porção, chamada campo evanescente, se estende para um meio externo (por exemplo, o material do substrato 2 e/ou a área de interação óptica 4). Esse campo evanescente cai exponencialmente à medida que a distância da superfície do guia de ondas aumenta. O campo evanescente é usado para interagir com o ambiente, por exemplo, armadilha óptica, sensoriamento, excitação. Em uma das modalidades da presente invenção, as microestruturas ópticas 3 que têm ar (circundante) como revestimento superior, o campo evanescente que se estende na área de interação óptica 4 é utilizado para fins de detecção. Em uma outra modalidade adicional, a área

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8/17 de interação óptica 3 é uma área de detecção. A microestrutura óptica 3 pode ser usada como um sensor óptico, por exemplo, como um sensor óptico de campo evanescente. Em modalidades adicionais, a microestrutura óptica 3 pode alternativamente ser usada para, por exemplo, imaginologia, aplicações de Tomografia de coerência óptica (OCT) ou Velocimetria com Doppler a Laser (LDV). [016] E m uma modalidade adicional, a montagem óptica 1 é um Circuito Integrado Fotônico (PIC), que se refere a uma variedade de forma e sistemas de material usados para produzir um circuito fotônico. Nessa modalidade, a passagem condutora óptica 10 pode ser uma guia de ondas embutida. Isso inclui, por exemplo, plataformas de guia de onda de contraste de baixo índice (por exemplo, guias de onda de polímero, vidro/guias de onda de silício, guias de onda de AlxGai-xAs, guias de onda de ln_xGai-xAS_yPi-y), guias de onda de alto índice de contraste (por exemplo, Silício sobre isolante (SOI), membranas semicondutoras), guias de ondas plasmônicos (por exemplo, com camadas metálicas ou nanopartículas metálicas), etc. As microestruturas ópticas 3 podem ser produzidas a partir de materiais tais como silício (Si), óxido de silício (SiOx), nitreto de silício (SiN, rico em silício ou silício estequiométrico) ou a partir de um materiais do grupo lll-V ou do grupo ll-VI. Em uma modalidade exemplificativa, a presente invenção refere-se a uma modalidade em que a montagem óptica 1 é uma implementação de material de SiN ou de SOI, também referida como sistema fotônico de silício. A fotônica de silício tem uma enorme vantagem sobre outros sistemas de materiais para a criação de PICs devido ao seu alto índice de contraste e compatibilidade com as técnicas de fabricação de CMOS. Devido à indústria de CMOS, a tecnologia fotônica de silício atingiu um nível de maturidade que supera qualquer outra técnica de fabricação de chips planos por várias ordens de magnitude em termos de desempenho, reprodutibilidade e taxa de transferência. Os CIs de fotônica de silicone podem ser fabricados com processos de escala de wafer reproduzíveis e bem controlados, o que significa que um wafer (tipicamente 200 mm ou 300 mm de diâmetro) pode conter um alto número de circuitos integrados fotônicos. Combinado com a disponibilidade comercial de grandes wafers

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9/17 a um custo moderado, isso significa que o preço por montagem óptica 1 pode ser muito baixo. A microestrutura óptica 3 pode ser um guia de ondas semicondutor conformado como padronizado ou incorporado no substrato. Em uma modalidade exemplificativa, a microestrutura óptica 3 é um ressonador de microanel (MRR), que é um dispositivo seletivo de comprimento de onda compacto. Os comprimentos de onda ressonantes dos MRRs são altamente afetados por uma alteração no índice de refração do meio circundante, que é utilizado para usá-lo, por exemplo, como um forte sensor óptico para aplicações biológicas e químicas. A referência feita à microestrutura óptica 3 no presente pedido refere-se à estrutura padronizada em sua camada guia (por exemplo, uma camada de dispositivo padronizada (Si) no caso de um guia de ondas óptico SOI).

[017] A microestrutura óptica 3 pode ser um componente óptico integrado, tal como uma cavidade óptica integrada, um ressonador óptico integrado, um interferômetro óptico integrado, um acoplador óptico integrado, um guia de onda óptico, um cone, um filtro sintonizável, um deslocador de fase, uma grade, um cristal fotônico, um modulador, um detector, uma fonte, um multiplexador, um desmultiplexador ou uma combinação dos mesmos, embutida, integrada ou padronizada no substrato 2. A fabricação da microestrutura óptica 3 pode ser executada pelo uso de várias técnicas, como a tecnologia de feixe de elétrons, o processo fotolitográfico, a tecnologia CMOS ou uma combinação das mesmas. Isso pode incluir etapas de fresagem química de semicondutores e etapas de processo de back-end como lascar, colar, metalizar que são, como tal, conhecidas pela pessoa versada na técnica.

[018] E m uma modalidade adicional, a montagem óptica 1 compreende ainda pelo menos uma passagem de condução elétrica 20 que se estende a partir da cavidade vedada 9 para uma área do substrato 2 do lado de fora da cavidade vedada 9. A passagem de condução elétrica 20 permite transferência de energia elétrica a partir dos componentes elétricos ou optoeletrônicos integrados dentro da cavidade vedada 9 para a área externa da cavidade vedada 9. A Figura 2 mostra uma vista em

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10/17 corte transversal esquemático de uma montagem óptica 1 de acordo com essa modalidade adicional da presente invenção. Nessa modalidade, próximo ao pelo menos um componente ativo 8 (por exemplo, um chip de processamento óptico), componentes eletrônicos ou optoeletrônicos adicionais 16, 17 são conectados à superfície 5 dentro da cavidade vedada hermeticamente 9. Os dispositivos eletrônicos adicionais 16, 17 por exemplo, compreendem unidade de fonte de alimentação 16 ou um circuito de interface 17. A passagem de condução elétrica 20 é, por exemplo, produzida com um acabamento (ou revestimento) que efetivamente não é afetado pelo contato com fluidos agressivos. Essas camadas metálicas não serão deterioradas por quaisquer fluidos, por exemplo, uma camada de ouro, platina ou paládio.

[019] Na modalidade exemplificativa mostrada na Figura 2, a passagem de condução elétrica 20 é conectada a uma antena 15, que é posicionada do lado de fora da cavidade vedada hermeticamente 9. Mais geralmente, em uma modalidade adicional, a montagem óptica 1 compreende uma antena 15. A antena 15 em uma modalidade específica é conectada ao componente ativo 8, por exemplo, por meio da passagem de condução elétrica 20, como mostrado na modalidade exemplificativa da Figura 2. A antena 15 pode, em uma modalidade adicional alternativa, ser colocada na tampa de cobertura 6. Dentro da cavidade vedada 9, a passagem de condução elétrica 20 é conectada à componentes eletrônicos adicionais 16, 17, por meio de fios de ligação 18 (como tal, conhecidos a partir de técnicas de embalagem de eletrônicos). Por seleção e implementação adequadas, a antena 15 pode, por exemplo, ser utilizada para interface de energia e dados com os componentes (opto-) eletrônicos 8, 16, 17 dentro da cavidade vedada 9. A antena 15 pode ser uma antena multilaço ou um tipo diferente de antena, dependendo da função pretendida, frequência operacional e tipo de modulação utilizado.

[020] Em uma modalidade alternativa ou adicional, a passagem de condução elétrica 20 pode se estender da cavidade vedada 9 para uma superfície do substrato 2 que é oposta à tampa de cobertura 6. Uma passagem de condução elétrica

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11/17 semelhante à via 20 fornece uma conexão elétrica de dentro da cavidade vedada 9 para o exterior, por exemplo, terminais de conexão. A passagem de condução elétrica 20 pode ser ou embutida, padronizada ou integrada na superfície 5 da montagem de sensor óptico 1. Um método exemplificativo para fabricar essa passagem de condução elétrica 20 é por meio de um método chamado Through-Silicon Via (TSV) de um metal para, por exemplo, cobre. TSV é um método de fabricação que compreende etapas tais como fresagem química, deposição de isolante, deposição de barreiras e camadas de semente e revestimento eletroquímico. Dependendo da aplicação, as estruturas TSV diferem em tamanho, proporção, densidade, materiais e tecnologia. Os TSVs são amplamente fabricados por meio de, por exemplo, gravação com íons reativos profundos (DRIE), que é uma extensão do processo RIE, um processo de fresagem química altamente anisotrópico que é usado para gerar perfis de fresagem química retos, valas íngremes ou furos em um substrato. Demonstrou-se que os TSVs são herméticos aos fluidos, por exemplo, água.

[021] A Figura 3 mostra uma vista em corte transversal esquemático de uma montagem óptica 1 de acordo com uma modalidade adicional da presente invenção. Uma passagem de condução elétrica 20 fabricada pelo método TSV é usada para realizar conexão elétrica a partir da cavidade vedada 9 para a antena 15, que, nessa modalidade, é localizada em uma superfície do substrato 2 oposta à superfície 5 na qual a tampa de cobertura 6 é anexada.

[022] A interferência eletromagnética (EMI) do campo eletromagnético no ambiente pode afetar a funcionalidade dos componentes eletrônicos e optoeletrônicos 8,16,17 dentro da cavidade vedada 9. Isso pode ser evitado fornecendo uma camada de blindagem eletromagnética 19, como mostrado na modalidade da Figura 2. Em uma modalidade adicional da presente invenção, a tampa de cobertura 6 compreende uma camada de blindagem eletromagnética 19, que age como uma blindagem do tipo gaiola de Faraday. Uma camada metálica é um dos materiais conhecidos na técnica como uma camada de blindagem eletromagnética eficaz, como uma chapa metálica completa ou como uma camada de malha. A modalidade da Figura 2 mostra uma vista

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12/17 em seção transversal da montagem óptica 1 na qual a cavidade vedada 9 é blindada contra interferência externa por uma camada protetora 19 que cobre completamente o lado interno da tampa de cobertura 6. Outros materiais alternativos para a camada protetora 19 são, por exemplo, compósitos poliméricos condutores ou nanocompósitos poliméricos condutores.

[023] Algumas aplicações precisam que a área de interação óptica 4 da montagem óptica 1 seja exposta a um ambiente de fluido. A tampa de cobertura 6 blinda hermeticamente os componentes eletrônicos e optoeletrônicos 8, 16, 17 dentro da cavidade vedada 9 do ambiente de fluido. Portanto, a tampa de cobertura 6 é produzida a partir de um material de vedação de fluido em uma modalidade adicional. A tampa de cobertura 6 é operacional de uma maneira que não afete as propriedades de detecção da área de interação óptica exposta 4. Esse material de vedação de fluido pode ser vidro, metal, silício, polímero, etc. O metal pode ser, por exemplo, titânio ou ouro. A tampa de cobertura de blindagem contra fluidos 6 pode ser ligada à superfície 5 com uma tecnologia wafer a wafer ou tecnologia matriz a wafer ou tecnologia matriz a matriz, por exemplo, pelo uso de uma camada de solda 11 como descrito com referência à Figura 1.

[024] A Figura 4 mostra uma representação esquemática de uma vista de topo da montagem óptica 1 mostrada na Figura 2 com uma antena multilaço 15 colocada em uma área periférica da superfície 5, isto é, que tem uma circunferência que está do lado de fora da área de interação óptica 4 e da tampa de cobertura 6. Nessa modalidade, a antena 15 é posicionada em uma circunferência do substrato 2. Isso permite maximizar a área de superfície da antena (possivelmente multilaço) 15, que aprimora os recursos de troca de dados e energia. A antena multilaço 15 pode ser disposta em um lado superior (consulte a modalidade da Figura 2) ou em um lado inferior do substrato 2 (consulte a modalidade de Figura 3). A antena 15 pode ser usada para transferir dados coletados do sensor externamente e/ou para transferir energia. A antena 15 pode ser fornecida através do uso de um método adequado, por exemplo, deposição de camada (ou camadas) condutora no substrato 2.

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[025] A Figura 5 mostra uma vista em corte transversal de uma outra modalidade adicional da montagem óptica 1 da presente invenção. Nessa modalidade, a montagem óptica 1 é um dispositivo médico implantável ativo (AIMD), que é um dispositivo ativo que pode ser introduzido no corpo de criaturas vivas, como uma planta ou um animal ou um ser humano. Em tal aplicação, o AIMD é disposto para ter um contato direto com fluidos corporais, como sangue, fluido intersticial, saliva, humor aquoso, fluido amniótico, etc. Em algumas modalidades, a montagem óptica 1 é disposta como um sensor óptico para detectar glicose ou, alternativamente/adicionalmente para detectar outras substâncias, como ureia, lactato, creatinina, triglicerídeo, proteína, colesterol, etanol, cetonas e hormônios. Os implantes usados em um corpo de criaturas vivas não possuem bordas ou cantos afiados, pois podem causar ferimentos internos. Nessa modalidade adicional, a montagem óptica 1 compreende uma camada de proteção 25 em torno (isto é, cercando) da montagem óptica 1. Opcionalmente, uma abertura para a área de interação óptica 4 é fornecida. A camada de proteção 25 pode ter, por exemplo, uma superfície micro estruturada ou uma superfície exterior suave e arredondada. A camada de proteção 25, por exemplo, pode ser uma camada polimérica que pode ser revestida após a vedação hermética da montagem óptica 1. A camada de proteção 25 pode ser projetada e aplicada eficientemente de tal modo que a área de interação óptica 4 seja mantida aberta, para que tenha exposição direta ao ambiente de detecção. Opcionalmente, a área de interação óptica 4 pode ser dotada de uma fina camada superior anticorrosiva, com uma espessura predeterminada para não afetar a detecção e estar, por exemplo, em um ou mais materiais do grupo de Carboneto de Silício (SiC), Carbono Semelhante a Diamante (DLC), T1O2, ou AI2O3.

[026] É uma vantagem dessa modalidade que a mesma permite a miniaturização da montagem óptica 1. A miniaturização permite que a montagem óptica 1 seja tão compacta que 0 fluxo natural dos fluidos corporais ou a difusão natural de uma substância, por exemplo, presentes em criaturas vivas, permite a possibilidade de detecção e permite monitoração continuamente da substância. A detecção pode ser

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14/17 realizada, por exemplo, pelo uso de técnicas de caracterização óptica que não precisam de reagentes ou substâncias auxiliares. Essas vantagens resultam em uma montagem óptica 1 confiável e de utilizável por longo prazo, sem a necessidade de interferência significativa dos usuários.

[027] E m uma modalidade adicional ou alternativa, a montagem de microssistemas ópticos 1 compreende ainda um dispositivo de abastecimento de energia 16 posicionado dentro da cavidade vedada hermeticamente 9. Um dispositivo de abastecimento de energia é usado para abastecer a energia necessária para todos os componentes (opto-)eletrônicos 8, 16, 17 da montagem óptica 1, como discutido com referência às várias modalidades descritas acima. O dispositivo de abastecimento de energia 16 é, em uma modalidade específica, um armazenamento de energia, por exemplo, uma microbateria ou, em uma modalidade específica adicional, um dispositivo de captação de energia. Uma microbateria abastece uma densidade de energia fixa em uma vida útil limitada, dependendo do tamanho da microbateria e as demandas de energia dos componentes (opto-)eletrônicos 8,16,17. Na modalidade específica adicional, os respectivos componentes que demandam energia 8, 16, 17 da montagem óptica 1 usam um dispositivo de captação de energia que tem vida útil mais longa e que pode fornecer mais conforto e segurança em comparação com dispositivos convencionais. Os dispositivos de captação de energia geram energia elétrica a partir de seus arredores por meio de conversão direta de energia; por exemplo, energia radiante infravermelha, energia térmica (solar-térmica, gradientes geotérmicos de temperatura, combustão), energia cinética (vento, gravidade, vibração), energia de transferência sem fio e energia de radiação de RF (acoplamento indutivo e capacitivo, por exemplo, usando a antena 15 descrita acima com referência às modalidades mostradas nas Fig. 2, 3 e 4). Nas modalidades da presente invenção, a passagem condutora óptica 10 pode, alternativa ou adicionalmente, ser usada para fornecer energia óptica a partir de fora para componentes optoeletrônicos dentro da cavidade vedada 9. A captação de energia a partir de fontes humanas ou ambientais fornece uma alternativa eficaz no caso de

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15/17 montagens implantadasl, por exemplo, pelo uso de energia cinética a partir de movimento corporal.

[028] Note-se que nas modalidades descritas acima com referência às Figuras 1 a 5, o componente ativo 8 pode ser uma fonte de radiação cuja radiação é usada, por exemplo, para detectar uma substância. A fonte de luz pode ser uma ou mais fontes de banda larga (LED, SLED), uma fonte de banda estreita única (por exemplo, um laser, tal como um VCSEL, um laser DFB, um laser DBR), ou um conjunto de fontes de banda estreita. A referência feita à luz ou radiação na presente descrição refere-se à radiação eletromagnética. A luz prevista é radiação com um comprimento de onda ou faixa de comprimento de onda adequados para detectar uma determinada substância. Em algumas modalidades, a luz usada será radiação infravermelha, por exemplo, radiação de luz visível, radiação infravermelha próxima ou radiação infravermelha média. As tecnologias de fabricação e integração para a fotônica de silício são bem desenvolvidas nos comprimentos de onda de telecomunicações (1.310 nm, 1.550 nm) que podem ser explorados para estender à faixa de interesse de comprimento de onda com fabricação fácil, confiável e econômica da montagem óptica 1 da presente invenção.

[029] Fotodetectores adicionais podem ser integrados na superfície 5 dentro da cavidade vedada 9 fornecida pela tampa de cobertura 6 vedada hermeticamente. Os fotodetectores são usados para converter os sinais ópticos em sinais elétricos. O fotodetector pode ser um fotodiodo ou um fotocondutor ou um conjunto desses elementos. Pode haver componentes eletrônicos adicionais 16, 17 integrados à vedação hermética, como um fotodiodo de monitor, um módulo sem fio ou até um amplificador.

[030] Os componentes eletrônicos e optoeletrônicos frequentemente volumosos 8, 16, 17, conforme descrito acima, são integrados ao substrato 2 e conectados eletricamente às almofadas de ligação de metal na superfície 5. A integração dos componentes 8, 16, 17 pode ser, por exemplo, monoliticamente, heterogeneamente ou por um método híbrido. A integração monolítica é a tecnologia de integração que

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16/17 usa um único fluxo de processamento para processar os diversos componentes que potencialmente usam diferentes materiais, por exemplo, detectores de germânio integrados em fotônica de silício IC. Integração heterogênea é a tecnologia de integração para a qual os componentes são processados em fluxos de processo separados, que são então integrados no nível de matriz ou wafer, por exemplo, Ligação BCB, ligação de wafer e outros esquemas de ligação, integração 3D. Integração híbrida é a integração de componentes ou materiais em plataformas integradas fotônicas processadas, por exemplo, lascagem de detectores, colisão, colagem, ligação por fios, coembalagem, etc.

[031] A presente invenção, em um aspecto adicional, refere-se a um método para fabricação de uma montagem óptica, por exemplo, uma montagem óptica 1, de acordo com qualquer uma das modalidades descritas no presente documento. O método compreende fornecer um substrato 2 com uma microestrutura óptica integrada 3 que forma uma área de interação óptica 4, e fornecer pelo menos um componente ativo 8 em uma superfície 5 adjacente à área de interação óptica 4. O método compreende ainda fornecer uma tampa de cobertura 6 em uma parte do substrato 2, para formar uma cavidade vedada 9 onde o pelo menos um componente ativo 8 é posicionado. Como discutido acima, o método para fabricar a montagem óptica 1 pode compreender ainda fornecer pelo menos uma passagem condutora óptica 10 que se estende a partir da cavidade vedada 9 para a área de interação óptica exposta 4. Em uma modalidade adicional, o método para fabricar a montagem de microssistemas ópticos 1 compreende ainda fornecer pelo menos uma passagem de condução elétrica 20 que se estende a partir do interior da cavidade vedada 9 para uma área do lado de fora da cavidade vedada 9 no substrato 2. Como discutido acima, com referência à modalidade mostrada na Figura 5, o método para fabricar a montagem de microssistemas ópticos 1 pode compreender ainda o fornecimento de uma camada de proteção 25 em torno da montagem óptica 1, possivelmente com uma abertura para a área de interação óptica 4.

[032] A vedação hermética das modalidades da montagem óptica 1, como

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17/17 descrito no presente documento, pode ser realizada em uma matriz ou em um nível de wafer. A vedação no nível da matriz requer processo individual para cada matriz e montagem óptica 1, o que aumenta o custo da embalagem e o tempo de trabalho e diminui o rendimento e a confiabilidade do processo. Por outro lado, a vedação hermética no nível de wafer fornece uma solução melhor em todos os aspectos acima, usando técnicas conhecidas, como encapsulamento de filme fino ou ligação wafer a wafer, fornecendo soluções de embalagem de baixo custo. A vedação hermética por ligação de wafer a wafer emprega um wafer de tampa separado para fins de vedação, o que fornece a robustez mecânica perfeita para a proteção dos sensores. Em uma modalidade adicional ou alternativa, o método para fabricar a montagem de microssistemas ópticos 1 compreende ainda vedação da tampa de cobertura 6 para o substrato 2 por uma tecnologia de embalagem no nível de wafer (WLP).

[033] A presente invenção foi descrita acima com referência a diversas modalidades exemplificativas, conforme mostrado nos desenhos. As modificações e implementações alternativas de algumas partes ou elementos são possíveis, e são incluídas no escopo de proteção, conforme definido nas reivindicações anexas.

Claims

1. Sensor óptico implantável caracterizado por compreender um circuito integrado fotônico (1) que compreende um substrato (2) e uma microestrutura óptica (3) integrada com o substrato (2), sendo que a microestrutura óptica (3) é posicionada para formar uma área de interação óptica exposta (4) em uma parte de uma superfície (5) do substrato (2), sendo que o circuito integrado fotônico (1) compreende ainda uma tampa de cobertura (6) em uma parte do substrato (2) adjacente à área de interação óptica (4) , sendo que a tampa de cobertura é vedada hermeticamente para o substrato por meio de tecnologia de ligação wafer a wafer ou outra técnica de embalagem hermética em nível de wafer, e pelo menos um componente ativo (8) posicionada in uma cavidade vedada (9) formado entre a superfície (5) e a tampa de cobertura (6), em que o substrato (2) compreende pelo menos uma passagem condutora óptica (10) que se estende a partir da cavidade vedada (9) para a área de interação óptica (4), sendo que a passagem condutora óptica é um guia de ondas embutido no substrato.

2. Sensor óptico implantável, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender adicionalmente pelo menos uma passagem de condução elétrica (20) que se estende a partir da cavidade vedada (9) para uma área do substrato (2) do lado de fora da cavidade vedada (9).

3. Sensor óptico implantável, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por pelo menos uma passagem de condução elétrica (20) se estender a partir da cavidade vedada (9) para uma superfície do substrato (2) oposta à tampa de cobertura (6).

4. Sensor óptico implantável, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a tampa de cobertura (6) ser produzida a partir de um material de vedação de fluido, por exemplo, vidro, metal, silício, polímero ou uma combinação dos mesmos.

5. Sensor óptico implantável, de acordo com qualquer uma das

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2/3 reivindicações 1 a 4, caracterizado por a tampa de cobertura (6) compreender uma camada de blindagem eletromagnética (19).

6. Sensor óptico implantável, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por compreender adicionalmente uma camada de proteção (25) em tomo da montagem óptica para impedir lesão interna.

7. Sensor óptico implantável, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a camada de proteção (25) ter uma abertura para a área de interação óptica exposta.

8. Sensor óptico implantável, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por compreender adicionalmente um dispositivo de abastecimento de energia (16) posicionado na cavidade vedada (9).

9. Sensor óptico implantável, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por o pelo menos um componente ativo (8) ser anexado à superfície (5) dentro da cavidade vedada (9).

10. Sensor óptico implantável, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por compreender adicionalmente uma antena (15).

11. Sensor óptico implantável, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por a área de interação óptica (4) é uma área de detecção.

12. Sensor óptico implantável, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado por uma borda inferior da tampa de cobertura (6), com a qual a tampa de cobertura é vedada hermeticamente para o substrato, não tem flange e está em contato direto com a superfície (5) do substrato (2).

13. Método para fabricar um sensor óptico implantável, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado por compreender:

- fornecer um circuito integrado fotônico que compreende um substrato (2) com uma microestrutura óptica integrada (3) posicionada para formar uma área de interação óptica exposta (4) e pelo menos uma passagem condutora óptica (10) que

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3/3 se estende a partir da área de interação óptica (4) para uma parte do substrato adjacente à área de interação óptica (4), sendo que a passagem condutora óptica é uma guia de ondas embutida no substrato;

- fornecer pelo menos um componente ativo (8) na superfície (5) na parte adjacente à área de interação óptica (4);

- fornecer uma tampa de cobertura (6) na dita parte do substrato (2) para formar uma cavidade vedada (9) onde o pelo menos um componente ativo (8) é posicionado; e

- vedar a tampa de cobertura (6) para o substrato (2), sendo que a tampa de cobertura é vedada hermeticamente para o substrato por meio de tecnologia de ligação wafer a wafer ou outra técnica de embalagem hermética em nível de wafer.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de fornecer pelo menos uma passagem de condução elétrica (20) que se estende a partir da cavidade vedada (9) para uma área do substrato (2) do lado de fora da cavidade vedada (9).

15. Método, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado por compreender adicionalmente a etapa de fornecer uma camada de proteção (25) em torno da montagem óptica (1) e deixar uma abertura para a área de interação óptica (4).

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, caracterizado por uma etapa de vedar a tampa de cobertura hermeticamente para o substrato por ligação a laser ou ligação anódica.

17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 15, caracterizado por uma etapa de colocar a borda inferior da tampa de cobertura (6) em contato direto com a superfície (5) do substrato (2) e vedar a dita borda inferior ao substrato (2).