Méthodes de construction pour les dispositifs microfluidiques hybrides polycarbonate-silicium

Nos recherches portent sur le collage de dispositifs microfluidiques hybrides pour le prototypage en laboratoire académique. Nous visons à répondre à la question : quelles sont les stratégies de liaison à faible coût mais optimales pour un canal microfluidique hybride ? La liaison des thermoplastiques à des substrats rigides en microfluidique hybride est un défi, et les méthodes conventionnelles à haute température et haute pression ne conviennent pas.

Ce protocole offre une approche pratique de liaison favorable à la recherche. Pour commencer, obtenez un boîtier en polycarbonate avec une surface de collage plate. Distribuez de l’époxy dans le siège de puce encastré du boîtier en polycarbonate, puis placez la puce de silicium nettoyée en position.

Laissez l’assemblage durcir, puis scellez les espaces avec de l’époxy frais. Découpez le ruban adhésif au laser pour qu’il corresponde à la forme des parois du canal. Pour appliquer du ruban adhésif, retirez une couche de liner du ruban.

Ensuite, alignez et appliquez le ruban sur les surfaces de la paroi du canal à l’aide de goupilles à tige pour l’alignement. Ajoutez suffisamment de solution à 1 % d’alcool polyvinylique pour couvrir la zone du canal fluidique. Ensuite, mettez de côté le canal revêtu pour qu’il sèche complètement à température ambiante.

Pour retirer le masque adhésif, une fois la couche d’alcool polyvinylique complètement durcie, décollez soigneusement l’adhésif double face, laissant un canal fluidique recouvert d’alcool polyvinylique. Inspectez et nettoyez toute colle résiduelle sur les parois des canaux si nécessaire. Alignez les demi-plaques de logement en polycarbonate en silicium en haut et en bas à l’aide des goupilles de la cheville.

Placez la pointe de l’aiguille de calibre 30 d’une seringue de cinq millilitres contenant du dichlorométhane ou de l’acétone au bord ou au rebord de l’appareil. Ensuite, il faut distribuer le solvant de chaque côté, afin qu’il s’infiltre dans l’interface de liaison et atteigne la barrière de l’alcool polyvinylique. Ensuite, placez un poids modéré d’environ deux à trois livres uniformément sur l’appareil assemblé, et laissez l’appareil durcir complètement à température ambiante pendant 10 à 15 minutes.

Veillez à ne pas avoir de grosses bulles pour réduire les points de rupture. Après la séchage, un débit de 80 degrés Celsius d’eau déionisée à travers le canal fluidique à de faibles débits d’un à cinq millilitres par minute pendant un minimum de trois heures. Inspectez visuellement l’appareil pour détecter des résidus d’alcool polyvinylique dans le canal, puis répétez le flux d’eau jusqu’à ce qu’aucun alcool polyvinylique ne soit visible.

À l’aide d’une découpeuse laser de bureau, découpez au laser des feuilles de polyéthylène à faible densité pour correspondre à la forme des régions des parois des canaux. Inspectez les feuilles de polyéthylène basse densité découpées au laser pour détecter la présence de cendres, de résidus ou de particules. Rincez soigneusement les feuilles avec de l’alcool isopropylique et laissez-les sécher complètement.

Alignez les découpes en LDPE sur les parois latérales du canal fluide à l’aide de goupilles à chevillet. Placez la pièce supérieure en polycarbonate sur l’ensemble inférieur pour créer le canal fluidique avec les couches de LDPE à l’interface de liaison. Pour lier l’ensemble, placez le boîtier monté dans un four programmable réglé à 145 degrés Celsius avec un capteur de température.

Ensuite, placez un poids calibré, comme une plaque métallique, sur le dessus de l’ensemble pour appliquer une pression modérée de deux à trois livres par pouce carré. Après deux heures, retirez l’ensemble du four. Confirmez que le LDPE est uniformément transparent sur toute la surface liée, puis laissez l’appareil refroidir à température ambiante.

Coupez le matériau du cordon de joint à la longueur requise pour correspondre au trajet du canal fluidique. Placez le cordon de joint dans le gland de joint situé dans le boîtier en polycarbonate inférieur, assurant un ajustement serré et continu sur tout le parcours. Alignez la pièce supérieure en polycarbonate avec la pièce inférieure.

Ensuite, insérez des boulons à travers la couche supérieure et dans l’écrou hexagonal, en ajoutant des rondelles ou une plaque de compression selon les besoins pour répartir la pression uniformément. Serrez chaque vis à la main pour maintenir l’appareil en place. Ensuite, utilisez une clé dynamométrique pour serrer les vis en croix.

Serrez à 0,5 livre pouce au départ pour éviter de fissurer la puce de silicium ou de déformer le boîtier en polycarbonate, et n’augmentez le couple que si un scellement supplémentaire est nécessaire. Préparez-vous à connecter le dispositif microfluidique hybride à un circuit fluidique à l’aide d’un tube de pompe péristaltique. Connectez en série un réservoir d’eau, une pompe à rouleaux, un capteur de pression et le dispositif microfluidique hybride.

Placez le capteur de pression aussi près que possible de l’entrée de l’appareil pour garantir des mesures de pression précises. Pomper l’eau à travers le circuit à un débit initial de 10 millilitres par minute. Augmentez le débit de 10 millilitres par minute à des intervalles de 60 secondes, et notez la pression à chaque débit.

Si une pression supplémentaire est nécessaire, ajoutez une restriction d’aiguille en aval de l’appareil pour augmenter la résistance du circuit. Définissez la pression nominale comme la pression à laquelle la première fuite visible se produit. Enfin, insérez un second capteur de pression immédiatement en aval de l’appareil en utilisant le même circuit.

Débitez l’eau à un débit sélectionné de 10 millilitres par minute, et calculez la chute de pression à travers l’appareil comme la différence entre les mesures de pression avant et après l’appareil. Les trois méthodes de liaison ont montré des résultats de performance différents. Les dispositifs liés par solvant ont maintenu la pression nominale la plus élevée, atteignant 692 millimètres de mercure avant la fuite, mais certains dispositifs ont montré de l’air piégé ou une légère brume optique.

Les dispositifs liés au LDPE ont montré une forte chute de pression de 196 millimètres de mercure à 10 millilitres par minute, ce qui les rendait moins efficaces. Parmi les techniques testées, la méthode d’étanchéité du joint a démontré la plus grande reproductibilité et les interfaces visuelles les plus nettes. La configuration basée sur le joint supportait des pressions allant jusqu’à 239 millimètres de mercure avant la fuite, et montrait une faible chute de pression de trois millimètres de mercure.

Ce protocole permet aux chercheurs d’étudier différentes modalités de liaison à faible coût adaptées à la liaison de dispositifs microfluidiques hybrides en laboratoire. La considération la plus importante lors de la réalisation de ce protocole est d’assurer la précision tant dans la conception, la fabrication que l’alignement des couches pour une interface étanche et une surface de liaison adéquate. Des études futures pourront comparer les surfaces de plafond entre les méthodes de liaison et évaluer l’applicabilité de ce protocole aux systèmes microfluidiques hybrides incorporant des matériaux de substrat fragiles ou divers.