Konstruktionsmethoden für hybride Polycarbonat-Silizium-Mikrofluidikbauelemente

Unsere Forschung konzentriert sich auf das Binden hybrider mikrofluidischer Geräte für Prototyping in einem akademischen Labor. Wir wollen die Frage beantworten, welche kostengünstigen, aber dennoch optimalen Bindungsstrategien für einen hybriden mikrofluidischen Kanal sind. Die Bindung von Thermoplasten an starre Substrate in der hybriden Mikrofluidik ist eine Herausforderung, und herkömmliche Hochtemperatur- und Hochdruckmethoden sind ungeeignet.

Dieses Protokoll bietet einen praktischen, forschungsfreundlichen Bindungsansatz. Zu Beginn erwerben Sie das Polycarbonatgehäuse mit einer flachen Verbindungsfläche. Geben Sie Epoxidharz in den versenkten Chipsitz des Polycarbonatgehäuses und bringen Sie den gereinigten Siliziumchip in Position.

Lass die Baugruppe aushärten und dichte dann alle Lücken mit frischem Epoxidharz ab. Laserschneiden Sie das Klebeband so, dass es der Form der Kanalwände entspricht. Um Klebeband aufzutragen, entferne eine Linerschicht vom Klebeband.

Dann richten Sie das Band aus und tragen Sie das Band mit Dübelstiften auf die Kanalwände an. Füge genug 1%-Polyvinylalkohollösung hinzu, um den Bereich des fluidischen Kanals abzudecken. Dann stell den beschichteten Kanal beiseite, damit er bei Raumtemperatur vollständig trocknet.

Um die Klebemaske zu entfernen, zieht man nach vollständiger Aushärtung der Polyvinylalkoholschicht vorsichtig den doppelseitigen Klebstoff ab, sodass ein mit Polyvinylalkohol beschichteter fluidischer Kanal entsteht. Inspiziere und entferne gegebenenfalls eventuelle Klebstoffreste von den Kanalwänden. Richten Sie die oberen und unteren Polycarbonat-Silicium-Hybrid-Halbplatten mit den Dübelstiften aus.

Positionieren Sie die 30-Gauge-Nadelspitze einer Fünf-Milliliter-Spritze mit Dichloromethan oder Aceton an der Lippe oder Kante des Geräts. Dann gibt man das Lösungsmittel auf beiden Seiten ab, sodass es in die Bindungsgrenze einzieht und die Polyvinylalkoholsperre erreicht. Dann legt man ein moderates Gewicht von etwa zwei bis drei Pfund gleichmäßig auf das zusammengebaute Gerät und lässt das Gerät 10 bis 15 Minuten bei Raumtemperatur vollständig aushärten.

Stellen Sie sicher, dass keine großen Blasen vorhanden sind, um Ausfallpunkte zu reduzieren. Nach dem Aushärten wird 80 Grad Celsius deionisiertes Wasser durch den fluidischen Kanal mit niedrigen Durchflüssen von ein bis fünf Millilitern pro Minute für mindestens drei Stunden geleitet. Inspizieren Sie das Gerät visuell auf Rest-Polyvinylalkohol im Kanal und wiederholen Sie den Wasserfluss, bis kein Polyvinylalkohol sichtbar ist.

Mit einem Desktop-Lasercutter werden niedrigdichte Polyethylenplatten lasergeschnitten, um die Form der Kanalwandregionen anzupassen. Untersuchen Sie die lasergeschnittenen, niedrigdichten Polyethylenplatten auf Asche, Rückstände oder Partikel. Spülen Sie die Blätter gründlich mit Isopropylalkohol aus und lassen Sie sie vollständig trocknen.

Richten Sie die LDPE-Aussparungen mit Dübelstiften an die Seitenwände des Flüssigkeitskanals aus. Setzen Sie das oberste Polycarbonatstück auf die untere Baugruppe, um den Fluidkanal mit den LDPE-Schichten an der Bindungsgrenze zu erzeugen. Um die Baugruppe zu verbinden, wird das zusammengesetzte Gehäuse in einen programmierbaren Ofen mit einem Temperatursensor auf 145 Grad Celsius gesetzt.

Dann wird ein kalibriertes Gewicht, wie eine Metallplatte, auf die Baugruppe gelegt, um einen moderaten Druck von zwei bis drei Pfund pro Quadratzoll auszuüben. Nach zwei Stunden nehmen Sie die Baugruppe aus dem Ofen. Überprüfen Sie, dass das LDPE über die verbundene Oberfläche gleichmäßig transparent ist, und lassen Sie das Gerät dann auf Raumtemperatur abkühlen.

Schneiden Sie das Material des Dichtungskabels auf die erforderliche Länge, um dem Fluidkanalpfad zu entsprechen. Setzen Sie das Dichtungskabel in die Dichtungsverkleidung am unteren Polycarbonatgehäuse und sorgen Sie für eine enge und durchgehende Passform entlang des gesamten Weges. Richte das obere Polycarbonat-Stück mit dem unteren aus.

Dann führen Sie Schrauben durch die oberste Schicht und in die Sechskantmutter, wobei Sie bei Bedarf Unterlegscheiben oder eine Druckplatte hinzufügen, um den Druck gleichmäßig zu verteilen. Ziehen Sie jede Schraube von Hand fest, um das Gerät an Ort und Stelle zu halten. Dann benutze einen Drehmomentschlüssel, um die Schrauben quer anzuziehen.

Ziehen Sie zunächst auf 0,5 Pfund Zoll fest, um ein Riss am Siliziumchip oder eine Verformung des Polycarbonatgehäuses zu vermeiden, und erhöhen Sie das Drehmoment nur, wenn zusätzliche Abdichtungen erforderlich sind. Bereiten Sie sich darauf vor, das hybride mikrofluidische Gerät mit einem fluidischen Schaltkreis über peristaltische Pumpenschläuche anzuschließen. Verbinde ein Wasserreservoir, eine Walzenpumpe, einen Drucksensor und das hybride mikrofluidische Gerät in Serie.

Positionieren Sie den Drucksensor so nah wie möglich am Einlass des Geräts, um genaue Druckmessungen zu gewährleisten. Pumpen Sie Wasser mit einer Anfangsdurchflussrate von 10 Millilitern pro Minute durch den Stromkreis. Erhöhen Sie die Durchflussrate um 10 Milliliter pro Minute in 60-Sekunden-Intervallen und zeichnen Sie den Druck bei jeder Durchflussrate auf.

Wenn zusätzlicher Druck erforderlich ist, fügen Sie stromabwärts dem Gerät eine Nadelbeschränkung hinzu, um den Schaltungswiderstand zu erhöhen. Definieren Sie den Nenndruck als den Druck, bei dem das erste sichtbare Leck auftritt. Fügen Sie schließlich einen zweiten Drucksensor unmittelbar stromabwärts des Geräts mit demselben Stromkreis ein.

Wasser mit einer festgelegten Durchflussrate von 10 Millilitern pro Minute durchströmen und den Druckabfall über das Gerät als Differenz zwischen den Druckmessungen vor und nach dem Gerät berechnen. Die drei Bindungsmethoden zeigten unterschiedliche Leistungsergebnisse. Lösungsmittelgebundene Bauelemente unterlagen den höchsten Nenndruck und erreichten 692 Millimeter Quecksilber vor der Leckage, aber einige Geräte zeigten eingeschlossene Luft oder leichte optische Nebelwirkung.

LDPE-gebundene Geräte zeigten einen hohen Druckabfall von 196 Millimetern Quecksilber bei 10 Millilitern pro Minute, was sie weniger wirksam machte. Unter den getesteten Techniken zeigte die Dichtungsdichtungsmethode die höchste Reproduzierbarkeit und die saubersten visuellen Schnittstellen. Die dichtungsbasierte Konfiguration hielt vor der Leckage einen Druck von bis zu 239 Millimetern Quecksilber und zeigte einen niedrigen Druckabfall von drei Millimetern.

Dieses Protokoll ermöglicht es Forschern, verschiedene kostengünstige Bindungsmodalitäten zu untersuchen, die sich für die Bindung hybrider mikrofluidischer Geräte im Labor eignen. Der wichtigste Aspekt bei der Ausführung dieses Protokolls ist die Sicherstellung von Präzision sowohl bei der Entwurfsfertigung als auch bei der Ausrichtung der Schichten für eine dichte Schnittfläche und eine ausreichende Haftoberfläche. Zukünftige Studien können Deckenoberflächen zwischen Bindungsmethoden vergleichen und die Anwendbarkeit dieses Protokolls auf hybride Mikrofluidiksysteme mit spröden oder unterschiedlichen Substratmaterialien bewerten.