Kāda ir apsildāmu plākšņu loma polimēru mikrofluidisko mikroshēmu termiskajā saistīšanā?

Izgatavota no diviem caurspīdīga polimēra slāņiem, kas izgrebti ar mikroskopiskiem kanāliem, kas ir plānāki par cilvēka matu, mikrofluidiskā mikroshēma ir kredītkartes lielumā un veic tūkstoš ķīmisku reakciju uz asiņu adatas. Abiem slāņiem ir jābūt droši savienotiem kopā kā vienam korpusam bez noplūdes. Tā ir smalka termiskā deja. Virsmas tiek uzkarsētas līdz to stiklošanās temperatūrai, pietiekami mīkstas, lai saplūst, bet nav pietiekami karstas, lai plūstu un sabruktu izsmalcinātās nanolitru skalas īpašības. Šie maigie, karstie gludekļi noblīvē laboratorijas mikroskopiskos šķidruma ceļus-uz--mikroshēmas, piestiprinot elastomēru pie pamatnes ar apsildāmām plāksnēm.

Līmēšanas izaicinājums polimēru mikrofluidisko mikroshēmu ražošanā
Mikrofluidiskās mikroshēmas (lab-on-a-chip ierīces) ir izgatavotas no polimēriem, piemēram, polimetilmetakrilāta (PMMA), polikarbonāta (PC), cikliskā olefīna kopolimēra (COC) vai polidimetilsiloksāna (PDMS). Ražošanas process ietver:

Mikrokanālu rakstīšana: mikroskopiskos kanālus izgatavo uz viena vai abiem polimēra slāņiem, izmantojot iesmidzināšanu, termisko reljefu vai lāzera ablāciju. Kanālu platums var būt no 10 līdz 200 µm un dziļums no 5 līdz 50 µm.

Izlīdzināšana: divi rakstainie slāņi (vai rakstains slānis un plakanais pārklājuma slānis) ir precīzi izlīdzināti, lai kanāli veidotu nepārtrauktus šķidruma tīklus.

Savienošana: saskaņotie slāņi ir cieši savienoti kopā, veidojot vienu necaurlaidīgu{0}}ierīci, neaizsedzot un neizkropļojot sīkos kanālus.

Līmēšana ir vissvarīgākā un grūtākā fāze. Parasti izvairās no līmvielām, jo ​​tām ir tendence noplūst kanālos, mainīt virsmas ķīmisko sastāvu vai izskalot piesārņotājus bioloģiskajos paraugos. Šķīdinātāja saistīšana var paplašināt polimēru un izkropļot kanāla izmērus. Termiskā savienošana (pazīstama arī kā termiskā saplūšana) ir vēlamā metode daudzām polimēru mikrofluidiskām ierīcēm, jo ​​tā rada tīru, optiski caurspīdīgu un ķīmiski noturīgu blīvējumu tikai ar karstumu un spiedienu.

Taču apstrādes logs ir saspringts polimēru mikrofluidisko ierīču siltuma saistīšanai. Temperatūrai jābūt pietiekamai, lai atvieglotu polimēru ķēžu savstarpējo difūziju visā saskarnē, tādējādi veidojot spēcīgu savienojumu, bet pietiekami zemai, lai izvairītos no viskozas plūsmas, kas noslēgtu kanālus. Plāksnes temperatūrai jābūt vienādai visā mikroshēmas laukumā (parasti 25–100 cm2) grāda daļā. Spiedienam jābūt vienmērīgam un zemam, lai kanāli netiktu saspiesti.

Precīza termiskā līmēšana ar apsildāmām plāksnēm
Polimēru mikrofluidiskā mikroshēma ir savienota, izmantojot precīzu termisko presi ar apsildāmās plāksnes tehniku. Izlīdzinātie polimēru slāņi ir iestiprināti starp divām augsti pulētām, paralēli apsildāmām plāksnēm. Plāksnes tiek saspiestas kopā ar kontrolētu spēku, un temperatūra tiek paaugstināta līdz savienojuma iestatītajai vērtībai.

Temperatūras kontrole: stikla pārejas logs
Katram polimēram ir stiklošanās temperatūra (Tg) - temperatūra, kurā tas pāriet no stingra, stiklveida stāvokļa uz gumijas, mīkstinātu stāvokli. Termiskai saitei temperatūra parasti ir par 5–20 grādiem virs Tg, bet ievērojami zemāka par kušanas temperatūru (pus-kristāliskiem polimēriem) vai sadalīšanās temperatūru. Parastajiem mikrofluīdu polimēriem:

Polimēru stikla pārejas temperatūra (Tg) Tipiskās līmēšanas temperatūras
PMMA (akrils) 105 grādi 110–120 grādi
Polikarbonāts (PC) 145 grādi 150–160 grādi
COC (ciklisks olefīna kopolimērs) 80–140 grādi (atkarīgs no klases) Tg + 10–15 grādi
PS (polistirols) 100 grādi 105-115 grādi
Līmēšanas logs ir cieši noslēgts. Ja temperatūra ir pārāk zema, polimēru ķēdes pietiekami neizkliedējas, izraisot sliktu saķeri un noplūdi. Ja temperatūra ir pārāk augsta, polimērs pārāk mīkstinās, un pielietotais spiediens izraisīs kanāla sienu sabrukšanu vai sabrukšanu, neatgriezeniski bloķējot ierīci. Apsildāmajām plāksnēm ir jāuztur iestatītā vērtība ar precizitāti ±0,5 grādi vai labāku visā plātnes virsmā.

Temperatūras viendabīgums: lokālā kanāla sabrukšanas bloķēšana
Galvenais līmēšanas problēmu cēlonis ir ne{0}}vienmērīgā plāksnes temperatūra. Karsts reģions pat par 2-3 grādiem C virs iestatītās vērtības var izraisīt lokālu kanāla sabrukumu. Tāda paša lieluma aukstā vieta nodrošina vāju saiti, kas darbības laikā noplūdīs.

Augstas kvalitātes apsildāmām plāksnēm, kas paredzētas mikrofluidiskajai savienošanai, temperatūras viendabīgums ir ±0,3 grādi vai lielāka visā darba zonā. Tas tiek panākts ar:

Vairāku-zonu apkure: plāksne ir sadalīta neatkarīgi regulētās zonās (piem., 3x3 režģis) ar atsevišķu kasetnes sildītāju un termopāri katrai zonai.

Augsta -siltuma vadītspēja-Materiāli: alumīnija vai vara loksnes nodrošina lielisku siltuma izplatīšanos, taču to augstais termiskās izplešanās koeficients (CTE) var izraisīt līdzenuma izmaiņas temperatūrā. Kritiskiem lietojumiem izmanto sakausējumus ar zemu izplešanos (piem., Invar® ar CTE < 1,5 ppm/grāds) vai keramiku (piemēram, alumīnija nitrīdu vai makoru). Šo materiālu līdzenums un paralēlisms tiek saglabāts visā temperatūras diapazonā.

Aktīvā malu kompensācija: plāksnes malas atdziest ātrāk nekā centrs. Zaudējumus kompensē malu sildītāji vai izolētas malu zonas.

Plāksne ir roku pāris, smalks, perfekti silts un izsmalcināti plakans, kas noslēdz nelielās laboratorijas vēnas-uz--mikroshēmas, nesaspiežot nevienu trauslo kapilāru.

Spiediena kontrole: maiga, vienmērīga un paralēla
Spiedienam, ko rada plāksnes, jābūt

Zems: parasti 0,1–1,0 MPa (15–150 psi), atkarībā no polimēra. Termiskā savienošana neprasa lielāku spiedienu un palielina kanālu sabrukšanas iespēju.

Vienveidīgs: plāksnēm jābūt paralēlām dažu mikronu robežās. Ja jūs to pat nedaudz noliecat, jūs koncentrējat spiedienu uz vienu mikroshēmas pusi, lai šī vieta sabrūk un pretējā mala ir atvienota.

Kontrolēts dzesēšanas laikā Spiediens tiek uzturēts, kad plāksnes tiek atdzesētas, saglabājot skaidu līmeni un novēršot deformāciju diferenciālās termiskās kontrakcijas dēļ.

Prese parasti ir aprīkota ar precīzu spēka devēju un paralēlām regulēšanas ierīcēm (piemēram, sfēriskiem gultņiem vai ķīļveida sistēmām). Pašas plāksnes ir noslīpētas un pārklātas līdz līdzenumam, kas ir mazāks vai vienāds ar 2 µm visā darba zonā.

Virsmas apdare un atbrīvošanas slānis
Plāksnes virsmas, kas saskaras ar polimēru, pulētas līdz spoguļa apdarei (Ra<= 0.1 µm) to avoid transfer of surface roughness to chip. A release layer is necessary to prevent the softened polymer from sticking to the metal platens. Typical solutions include:

Plāksnes ar PTFE pārklājumu: Plākšņu virsmas ir pārklātas ar plānu izturīgu PTFE vai PFA slāni. PTFE ir nepiedegošs, tāpēc pievienoto mikroshēmu pēc atdzesēšanas var viegli noņemt.

Atbrīvošanās plēves: starp katru plāksni un polimēra mikroshēmu novieto vienreizējās lietošanas fluorpolimēra plēvi (piemēram, FEP vai PTFE loksni). Virsma vienmēr ir tīra un bez piesārņojuma, jo plēve tiek mainīta pēc katra līmēšanas cikla.

Īpaši tīriem lietojumiem, piemēram, medicīniskajai diagnostikai, priekšroka tiek dota PTFE-pārklātām plāksnēm, jo ​​tām nav nepieciešama patērējama atbrīvošanās plēve un ar to saistītā daļiņu ražošana.

Termiskās līmēšanas cikls: soli{0}}pa-process
Viss savienošanas cikls ir precīzi pārvaldīts, lai iegūtu augstas ienesīguma defektu nesaikni.

1. Vakuums un iekraušana
Izlīdzinātie polimēru slāņi ir iestiprināti starp plāksnēm. Plāksnes tiek savienotas līdz nelielam kontaktspiedienam (tikai tik daudz, lai noturētu slāņus vietā). Kamera ap plāksnēm (vai viss preses korpuss) tiek evakuēta līdz vakuumam, kas parasti ir 50–100 Pa (0,5–1,0 mbar). Vakuums izvelk gaisu no mikrokanāliem un saskarnes starp slāņiem.

Procesa piezīme: Vakuuma vide, lai izvairītos no iesprostotiem gaisa burbuļiem
Saistīšanas laikā mikrokanālos ieslodzītais gaiss karsējot izplešas, un tas var palikt vai nu kā burbulis (ierobežojot šķidruma plūsmu), vai izplūst, radot plīsumu mīkstinātajā polimērā. Ne viens, ne otrs nav apmierinošs rezultāts. Tāpēc mikrofluidiskās mikroshēmas vienmēr ir termiski saistītas vakuuma apstākļos. Hoover arī novērš gaistošus atlikumus uz polimēra virsmas, palielinot savienojuma stiprību. Sildīšanas, mērcēšanas un atdzesēšanas periodi tiek veikti zem hover.

2. darbība: sildīšanas ātrums
Plāksnes tiek uzkarsētas līdz savienošanas temperatūrai ar regulētu rampas ātrumu (parasti 10–30 grādi/min). Rampas ātrums ir izvēlēts tā, lai ļautu polimēram sasniegt termisko līdzsvaru bez termiskā trieciena. Temperatūras regulatori nodrošina, ka visas zonas ir vienādas.

3. darbība: saites mērcēšana
Pēc savienošanas temperatūras sasniegšanas spiediens tiek paaugstināts līdz galīgajam savienojuma spiedienam (0,1 – 1,0 MPa). 1–10 minūšu laikā temperatūra tiek saglabāta nemainīga un notiek polimēru ķēdes difūzija visā saskarnē. Minimālais mērcēšanas laiks tiek izmantots, lai novērstu kanāla sienu pārmērīgu slīdēšanu.

4. darbība: atdzesējiet zem spiediena
Pēc mērcēšanas plāksnes atdzesē (parasti laižot ūdeni vai saspiestu gaisu caur iekšējiem dzesēšanas kanāliem) zem pilna savienojuma spiediena. Dzesēšanas ātrums tiek regulēts (parasti 10-20 grādi minūtē), lai samazinātu termisko spriegumu un deformāciju. Ja temperatūra ir zemāka par polimēra Tg (parasti 50-70 grādi), spiediens tiek atbrīvots, vakuums tiek evakuēts un saistītā mikroshēma tiek noņemta. "Tagad mums ir viena monolīta mikroshēma ar mikromēroga kanāliem, kas ir pilnībā noslēgti."

Tehniskā precizitāte: pareizā materiāla izvēle plāksnēm
Plāksnes materiālu izvēli nosaka stingras prasības attiecībā uz līdzenumu un temperatūras viendabīgumu. Standarta instrumentu tērauda vai alumīnija plāksnēm ir liela termiskā izplešanās (CTE 12–23 ppm/grāds). No 20 grādiem līdz 150 grādiem uzkarsēta 100 mm plata izplešas par 0,15-0,35 mm. To var pielāgot atbilstoši dizainam. Tomēr plakanuma izmaiņas ir apgrūtinošākas: atšķirīgā izplešanās starp karsto virsmu un vēsāko aizmuguri var izraisīt plāksnes saliekšanos (bimetāla efekts).

Parasti izmantotās mikrofluidiskās savienošanas plāksnes ir:

Invar 36 (dzelzs-niķeļa sakausējums, CTE ~ 1,2 ppm/grādi): forma ir gandrīz stabila atkarībā no temperatūras. Piemērots augstas precizitātes, vidējas temperatūras līmēšanai (līdz 200 grādiem). Augstas materiālu izmaksas.

Super Invar (dzelzs-niķelis-kobalts, CTE=0.5 ppm/grāds): mazāk izplešas, bet dārgāks un grūtāk apstrādājams.

Keramika (alumīnija oksīds, alumīnija nitrīds, Macor): zems CTE (4 līdz 8 ppm/C), liela cietība, lieliska siltumvadītspēja (alumīnija nitrīdam). Macor ir mehāniski apstrādājama stikla keramika. Keramika ir smalka, un ar to jārīkojas uzmanīgi.

Zema-izplešanās tērauds (piemēram, H13 instrumentu tērauds): mazāk prasīgam viendabīgumam var būt piemērota bieza tērauda plāksne ar aktīvu vairāku-zonu vadību.

Lielākajai daļai ražošanas mikrofluidisko savienojumu Invar vai alumīnija nitrīda keramikas plāksnes ar PTFE pārklājumu ir ieteicamas alternatīvas.

Secinājums: mikroskopisko šķidro automaģistrāļu bloķēšana
Apsildāmā plāksne ir precīzs, smalks termiskais instruments, kas savieno sarežģīto, mazo mikrofluidiskās mikroshēmas pasauli. Tam nepieciešama vislielākā temperatūras konsekvence un spiediena kontrole. Plāksnes tiek uzkarsētas līdz precīzam punktam, kas atrodas tieši virs polimēru slāņu stiklošanās temperatūras (parasti 50{6}}150 grādi ar ±0,3 grādu vienmērīgumu), pie kura virsmas pietiekami mīkstina, lai nodrošinātu polimēru ķēdes savstarpēju difūziju, vienlaikus pieliekot maigu vienmērīgu spiedienu, lai izvairītos no nanolitru mēroga kanālu sabrukšanas. Vakuuma vide novērš iesprostotos gaisa burbuļus. Materiāli ar zemu -izplešanos (Invar vai keramika) un PTFE pārklājumi nodrošina līdzenumu un ne{9}}piedegšanu. Tādējādi tiek iegūta pilnībā funkcionāla, hermētiski noslēgta, optiski skaidra laboratorija{10}}uz-mikroshēmas.

Plakana, apsildāma plāksne nosaka medicīniskās diagnozes nākotni. Katrs-aprūpes-pārbaudes punkts, kurā asins paraugs tika izspiests mikroskopiskā kanālu labirintā, tika turēts kopā ar apsildāmu plati -, klusu, precīzu un līdzjūtīgu termisku roku pāris.