X'Rwol għandhom il-platens imsaħħna fit-twaħħil termali taċ-ċipep mikrofluwidi tal-polimeru?

Magħmula minn żewġ saffi ta 'polimeru trasluċidi minquxin b'kanali mikroskopiċi irqaq minn xagħar uman, iċ-ċippa mikrofluwidika hija daqs karta ta' kreditu u twettaq elf reazzjoni kimika fuq pinprick ta 'demm. Iż-żewġ saffi għandhom ikunu marbuta flimkien b'mod sikur bħala korp wieħed ħieles minn tnixxija-. Huwa żfin termali delikat. L-uċuħ huma msaħħna għat-temperatura ta 'transizzjoni tal-ħġieġ tagħhom, artab biżżejjed biex jingħaqdu iżda mhux sħun biżżejjed biex jiċċirkolaw u jikkollassaw il-karatteristiċi tal-iskala tan-nanolitru exquisite. Dawn il-mogħdija ħfief u sħan jissiġillaw il-mogħdijiet likwidi mikroskopiċi tal-laboratorju-fuq-a-ċippa, u jwaħħlu l-elastomer mas-sottostrat bi platens imsaħħna.

Sfida tat-twaħħil fil-Manifattura taċ-Ċippa Microfluidic tal-Polimer
Ċipep mikrofluwidi (laboratorju-fuq-a-apparat taċ-ċippa) huma magħmulin minn polimeri bħal polymethyl methacrylate (PMMA), polikarbonat (PC), cyclic olefin copolymer (COC), jew polydimethylsiloxane (PDMS). Il-proċess tal-manifattura jinkludi:

Disinn tal-mikrokanal: Il-kanali mikroskopiċi huma fabbrikati fuq saff wieħed jew iż-żewġ saffi tal-polimer permezz ta 'mudellar ta' injezzjoni, intaljar bis-sħana jew ablazzjoni bil-lejżer. Il-wisgħat tal-kanal jistgħu jvarjaw minn 10 sa 200 µm u l-fond minn 5 sa 50 µm.

Allinjament: Iż-żewġ saffi disinji (jew saff disinjat u saff ta 'kopertura ċatta) huma allinjati eżattament, sabiex il-kanali jiffurmaw netwerks fluwidi kontinwi.

It-twaħħil: Is-saffi mqabbla huma magħqudin sew flimkien biex jiffurmaw apparat wieħed ta' tnixxija-issikkata mingħajr ma jinkkludu jew jgħawġu l-kanali ċkejkna.

It-twaħħil huwa l-aktar fażi importanti, u l-aktar diffiċli. L-adeżivi huma normalment evitati, peress li għandhom it-tendenza li jnixxu fil-kanali, ibiddlu l-kimika tal-wiċċ, jew jniġġsu sustanzi li jniġġsu f'kampjuni bijoloġiċi. It-twaħħil tas-solvent jista 'jespandi l-polimeru u jgħawweġ id-dimensjonijiet tal-kanal. It-twaħħil termali (magħruf ukoll bħala t-twaħħil tal-fużjoni termali) huwa l-metodu preferut għal ħafna apparati mikrofluwidi tal-polimeru, peress li jiġġenera siġill nadif, ottikament trasparenti u reżistenti għall-kimika-bis-sħana u l-pressjoni biss.

Iżda t-tieqa tal-ipproċessar hija stretta għat-twaħħil tas-sħana ta 'apparati mikrofluwidi tal-polimeru. It-temperatura għandha tkun biżżejjed biżżejjed biex tiffaċilita l-interdiffużjoni tal-ktajjen tal-polimer madwar l-interface, u b'hekk tifforma konnessjoni qawwija, iżda baxxa biżżejjed biex tevita fluss viskuż li jissiġilla l-kanali. It-temperatura tal-platen għandha tkun uniformi fuq iż-żona kollha taċ-ċippa (tipikament 25-100cm2) fi frazzjoni ta 'grad. Il-pressjoni għandha tkun uniformi u baxxa sabiex il-kanali ma jiġux imfarrak.

Twaħħil Termali ta 'preċiżjoni bi Platens Imsaħħna
Iċ-ċippa microfluidic tal-polimeru hija mwaħħla bl-użu ta 'press termali preċiż b'teknika tal-platen imsaħħan. Is-saffi tal-polimeru allinjati huma mdaħħla bejn żewġ platens imsaħħna paralleli ħafna illustrati. Il-platens huma ppressati flimkien taħt forza kkontrollata u t-temperatura titla' sal-punt tas-sett tat-twaħħil.

Kontroll tat-Temperatura: It-Tieqa tat-Tranżizzjoni tal-Ħġieġ
Kull polimeru għandu temperatura ta' transizzjoni tal-ħġieġ (Tg) - it-temperatura li fiha jgħaddi minn stat iebes u tal-ħġieġ għal stat tal-gomma u mrattab. Għat-twaħħil termali, it-temperatura hija ġeneralment 5-20 grad 'il fuq mit-Tg, iżda konsiderevolment taħt il-punt tat-tidwib (għal polimeri semi-kristallini) jew temperatura ta' dekompożizzjoni. Għal polimeri mikrofluwidi konvenzjonali:

Temperatura ta 'Transizzjoni tal-Ħġieġ Polimeru (Tg) Temperaturi Tipiċi ta' Twaħħil
PMMA (akriliku) 105 grad 110-120 grad
Polikarbonat (PC) 145 grad 150-160 grad
COC (kopolimeru olefin ċikliku) 80–140 grad (dipendenti mill-grad) Tg + 10–15 grad
PS (polistirene) 100 grad 105-115 grad
It-tieqa għat-twaħħil hija stretta. Jekk it-temperatura tkun baxxa wisq, il-ktajjen tal-polimeru ma jinxterdux biżżejjed, li jwasslu għal twaħħil u tnixxija fqira. Jekk it-temperatura tkun għolja wisq, il-polimeru jirtab wisq u l-pressjoni applikata tikkawża li l-ħitan tal-kanal jinżlu jew kollass, u b'mod permanenti jimblokka l-apparat. Il-platens imsaħħna għandhom iżommu s-setpoint bi preċiżjoni ta '±0.5 grad jew aħjar fuq il-wiċċ kollu tal-platen.

Uniformità tat-Temperatura: Imblukkar tal-Kollass tal-Kanal Lokali
Is-sors ewlieni ta' problemi ta' twaħħil huwa t-temperatura mhux-uniformi tal-platen. Reġjun sħun ta' anki 2-3 gradi C 'il fuq mis-setpoint jista' jikkawża kollass tal-kanal lokalizzat. Post kiesaħ tal-istess kobor jipprovdi rabta dgħajfa li se tnixxi waqt it-tħaddim.

Platens imsaħħna ta 'grad għoli għat-twaħħil mikrofluwidi għandhom omoġeneità tat-temperatura ta' ± 0.3 grad jew akbar fuq ir-reġjun tax-xogħol. Dan jinkiseb billi:

Tisħin b'ħafna -żoni: Il-platen huwa maqsum f'żoni regolati b'mod indipendenti (eż. grilja 3x3) b'heater tal-iskartoċċ separati u thermocouple għal kull żona.

Materjali ta' konduttività-termali-għoli: Il-platens tal-aluminju jew tar-ram jagħtu tixrid kbir tas-sħana, iżda l-koeffiċjent għoli ta' espansjoni termali (CTE) tagħhom jista' jinduċi bidliet fl-flatness mat-temperatura. Għal applikazzjonijiet kritiċi, ligi ta' espansjoni baxxa (eż. Invar® b'CTE < 1.5 ppm/ grad) jew ċeramika (eż. nitrur tal-aluminju jew macor) huma impjegati. Il-flatness u l-paralleliżmu ta 'dawn il-materjali huwa ppreservat fuq il-firxa kollha tat-temperatura.

Kumpens tat-tarf attiv: it-truf tal-platen jiksħu aktar malajr miċ-ċentru. It-telf huwa kkumpensat minn ħiters tat-tarf jew żoni tat-tarf iżolati.

Il-platen huwa par idejn, delikat, sħun perfettament u ċatt b'mod exquisite, li jagħlaq il-vini minuskoli tal-laboratorju-fuq--ċippa mingħajr ma tfarrak kapillari fraġli wieħed.

Kontroll tal-Pressjoni: Ġentili, Anke u Parallel
Il-pressjoni eżerċitata mill-platens għandha tkun

Baxxa : Tipikament 0.1–1.0 MPa (15–150 psi), skont il-polimeru. It-twaħħil termali ma jeħtieġx pressjonijiet ogħla u jżid il-possibbiltà ta 'kollass tal-kanali.

Uniformi: Il-platens iridu jkunu paralleli għal ftit mikroni. Jekk tmejjelha anke ftit tkun qed tikkonċentra l-pressjoni fuq naħa waħda taċ-ċippa sabiex dik iż-żona tiġġarraf u t-tarf oppost ma jkunx magħqud.

Ikkontrollata waqt it-tkessiħ Il-pressjoni tinżamm hekk kif il-platens jitkessħu, iż-żamma tal-livell taċ-ċippa u l-prevenzjoni tat-tgħawwiġ minħabba l-kontrazzjoni termali differenzjali.

L-istampa hija normalment ipprovduta bi transducer tal-forza ta 'preċiżjoni u apparati ta' aġġustament paralleli (bħal berings sferiċi jew sistemi ta 'feles). Il-platens infushom huma mitħunin u magħquda għal flatness ta' Inqas minn jew ugwali għal 2 µm fuq iż-żona tax-xogħol.

Finish tal-wiċċ u Saff tar-Rilaxx
Uċuħ tal-platen f'kuntatt mal-polimeru illustrati għall-finitura tal-mera (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:

Platens miksija PTFE: L-uċuħ tal-platen huma mgħottija b'saff rqiq durabbli ta 'PTFE jew PFA. Il-PTFE huwa non-tiwaħħal għalhekk iċ-ċippa mwaħħla tista' titneħħa faċilment wara t-tkessiħ.

Films li joħorġu: Film tal-fluworopolimeru li jintremew (eż. folja FEP jew PTFE) jitqiegħed bejn kull platen u ċ-ċippa tal-polimeru. Il-wiċċ huwa dejjem nadif u ħieles minn kontaminazzjoni peress li l-film jinbidel wara kull ċiklu ta 'twaħħil.

Għal applikazzjonijiet ultra-nodfa, eż. dijanjostiċi mediċi, platens miksija PTFE- huma preferuti peress li ma jeħtiġux il-film li joħroġ konsumabbli, u l-produzzjoni tal-partiċelli assoċjata magħha.

Iċ-Ċiklu ta' Tgħaqqid Termali: Proċess-b'-Pass
Iċ-ċiklu kollu tat-twaħħil huwa mmexxi b'mod preċiż biex jikseb bond mingħajr difetti ta 'rendiment għoli.

1. Vakwu u tagħbija
Is-saffi tal-polimeru allinjati huma mdaħħla bejn il-platens. Il-platens jinġiebu flimkien għal pressjoni ta 'kuntatt ħafifa (biżżejjed biżżejjed biex iżommu s-saffi f'posthom). Il-kamra madwar il-platens (jew l-egħluq kollu tal-istampa) tiġi evakwata għal vakwu ta 'ġeneralment 50-100 Pa (0.5-1.0 mbar). Il-vakwu jiġbed l-arja 'l barra mill-mikrokanali u l-interface bejn is-saffi.

Nota tal-Proċess: Ambjent tal-vakwu biex jiġu evitati l-bżieżaq tal-arja maqbuda
Waqt it-twaħħil, l-arja maqbuda fil-mikrokanali tespandi mat-tisħin u tista 'jew tinżamm bħala bużżieqa (li tillimita l-fluss tal-fluwidu) jew taħrab billi toħloq qsim fil-polimeru mrattab. Lanqas huwa riżultat sodisfaċenti. Għalhekk, iċ-ċipep mikrofluwidi huma dejjem magħqudin termalment f'kundizzjonijiet ta 'vakwu. Il-hoover jelimina wkoll residwi volatili fuq il-wiċċ tal-polimer li jżid is-saħħa tal-bond. Il-perjodi ta' tisħin, tixrib u tkessiħ huma kollha mwettqa taħt hoover.

Pass 2: Rata tat-tisħin
Il-platens jissaħħnu għat-temperatura tat-twaħħil b'rata ta 'rampa regolata (ġeneralment 10-30 grad / min). Ir-rata tar-rampa hija magħżula biex tħalli l-polimeru jilħaq ekwilibriju termali mingħajr xokk termali. Kontrolluri tat-temperatura jiżguraw li ż-żoni kollha huma uniformi.

Pass 3: tixrib il-bond
Wara li tintlaħaq it-temperatura tat-twaħħil, il-pressjoni titla' għall-pressjoni finali tat-twaħħil (0.1 – 1.0 MPa). Matul it-tul ta '1-10 minuti, it-temperatura tibqa' kostanti u sseħħ interdiffużjoni tal-katina tal-polimer madwar l-interface. Il-ħin minimu ta 'tixrib jintuża biex jipprevjeni t-tkessiq eċċessiv tal-ħitan tal-kanal.

Pass 4: Kessaħ taħt pressjoni
Wara t-tixrib, il-platens jitkessħu (ġeneralment billi tgħaddi ilma jew arja kkompressata minn kanali ta 'tkessiħ interni) taħt pressjoni ta' twaħħil sħiħa. Ir-rata tat-tkessiħ hija aġġustata (ġeneralment 10-20 grad / minuta) biex tnaqqas l-istress termali u t-tgħawwiġ. Jekk it-temperatura tkun taħt it-Tg tal-polimeru (ġeneralment 50-70 grad), il-pressjoni tiġi rilaxxata, il-vakwu jiġi evakwat, u ċ-ċippa magħquda titneħħa. "Issa għandna ċippa waħda monolitika b'kanali mikroskala li huma kompletament issiġillati."

Preċiżjoni Teknika: Għażla tal-Materjal it-Tajjeb għall-Platens
L-għażla tal-materjali tal-platen hija mmexxija minn rekwiżiti eżiġenti ta 'flatness u omoġeneità tat-temperatura. L-azzar tal-għodda standard jew il-platens tal-aluminju għandhom ammont kbir ta 'espansjoni termali (CTE 12-23 ppm / grad). Platen ta '100 mm imsaħħan minn 20 grad sa 150 grad jespandi b'0.15-0.35 mm. Dan jista 'jiġi aġġustat skond id-disinn. Il-bidla fil-flatness, madankollu, hija aktar idejqek: espansjoni differenzjali bejn il-wiċċ sħun u l-wiċċ ta 'wara li jkessaħ tista' tikkawża li l-platen jitbaxxa (effett bimetalliku).

Il-platens tal-irbit mikrofluwidi użati komunement huma:

Invar 36 (liga tal-ħadid-nikil, CTE ~ 1.2 ppm/ grad ): Forma hija kważi stabbli bit-temperatura. Adattat għal preċiżjoni għolja, twaħħil f'temperatura medja (sa 200 grad). Spiża tal-materjal għolja.

Super Invar (ħadid-nikil-kobalt, CTE=0.5 ppm/ grad ): Inqas espansjoni, iżda aktar għaljin u diffiċli biex tiġi pproċessata.

Ċeramika (alumina, nitrur tal-aluminju, Macor): CTE baxx (4 sa 8 ppm/C), ebusija kbira, konduttività eċċellenti tas-sħana (għal nitrur tal-aluminju). Macor huwa ċeramika tal-ħġieġ magni. Iċ-ċeramika hija delikata u għandha tiġi mmaniġġjata bir-reqqa.

Azzar ta' espansjoni baxxa-(eż. Azzar tal-għodda H13): Għal omoġeneità inqas impenjattiva, platen tal-azzar oħxon b'kontroll attiv ta' multi-żona jista 'jkun adattat.

Għall-biċċa l-kbira tat-twaħħil mikrofluwidi tal-produzzjoni, il-platens taċ-ċeramika ta 'Invar jew nitrur tal-aluminju b'kisi ta' PTFE huma alternattivi favoriti.

Konklużjoni: L-illokkjar tal-Awtostradi Likwidi Mikroskopiċi
Il-platen imsaħħan huwa l-għodda termali ta 'preċiżjoni u delikata li tgħaqqad id-dinja kkumplikata u ċkejkna ta' ċippa mikrofluwidika. Jeħtieġ l-akbar konsistenza tat-temperatura u kontroll tal-pressjoni. Il-platens jissaħħnu sa punt preċiż eżatt 'il fuq mit-temperatura ta' transizzjoni tal-ħġieġ tas-saffi tal-polimeru (tipikament 50-150 grad b'±0.3 grad uniformità) li fih l-uċuħ irattab biżżejjed biex jippermettu interdiffużjoni tal-katina tal-polimeru filwaqt li tiġi applikata pressjoni uniformi ġentili biex jiġi evitat li l-kanali tal-iskala tan-nanolitri jiġu kollass. L-ambjent tal-vakwu jelimina l-bżieżaq tal-arja maqbuda. Materjali ta' espansjoni baxxa-(Invar jew taċ-ċeramika) u kisjiet ta' rilaxx PTFE jipprovdu flatness u tħaddim li ma jwaħħalx. Dan jirriżulta f'laboratorju kompletament funzjonali, issiġillat ermetikament, ottikament ċar-fuq-a-chip.

Pjanċa ċatta u msaħħna tiddetermina l-futur tad-dijanjosi medika. Kull test tal-punt-tal--kura li mbuttat kampjun tad-demm minn ġo labirint mikroskopiku ta' kanali kien miżmum flimkien minn platen imsaħħan - par ta' idejn termali siekta, preċiża u ta' kompassjoni.