Wysokowydajne, mikroprzepływowe, szybkie i tanie metody prototypowania

Summary

W tym artykule opisujemy różne techniki dla platform szybkiego prototypowania mikroprzepływów. Proponowane techniki opierają się na epoksydach wrażliwych na promieniowanie ultrafioletowe (UV) i utwardzanych temperaturowo, rurkach na bazie polidimetylosiloksanu (PDMS), łączeniu drutem i anizotropowych foliach adhezyjnych. Przedstawione procedury montażu zostały opracowane zarówno dla urządzeń jednorazowego użytku, jak i systemów mikroprzepływowych wielokrotnego użytku.

Abstract

W tej pracy przedstawione są 3 różne techniki pakowania i montażu. Można je podzielić na dwie kategorie: techniki pakowania jednorazowego użytku i wielokrotnego użytku.

Technika jednorazowego pakowania wykorzystuje epoksydy na bazie UV i utwardzane temperaturowo do łączenia mikrorurek w celu uzyskania dostępu do otworów, łączenia przewodów do połączeń układów scalonych oraz srebrnej żywicy epoksydowej do połączeń elektrycznych. Metoda ta opiera się na solidnej technice montażu, która może wytrzymać stosunkowo wysokie ciśnienie bliskie 1 psi i nie wymaga żadnego wsparcia w celu wzmocnienia architektury mikroprzepływowej.

Techniki pakowania wielokrotnego użytku składają się z interkonektorów mikrorurkowych opartych na PDMS i anizotropowych folii klejących do połączeń elektrycznych. Urządzenia te są bardziej wrażliwe i delikatne. W związku z tym do struktury mikroprzepływowej dodaje się nośnik z pleksiglasu, aby poprawić kontakt elektryczny, gdy stosowane są anizotropowe folie samoprzylepne, a także wzmocnić architekturę mikroprzepływową. Ponadto mikromanipulator jest potrzebny do konserwacji rurek przy użyciu cienkiej warstwy PDMS do połączenia ich z otworami dostępowymi. Różne grubości warstw PDMS, w zakresie od 0,45 do 3 mm, są testowane w celu porównania najlepszej przyczepności w porównaniu z szybkością wtrysku. Stosowane dawki iniekcji wahają się od 50 do 300 μl/h odpowiednio dla warstw PDMS o grubości 0,45-3 mm. Techniki te mają zastosowanie głównie w zastosowaniach niskociśnieniowych. Można je jednak rozszerzyć na wysokociśnieniowe za pomocą procesu plazmowo-tlenowego, aby trwale uszczelnić PDMS do podłoży szklanych. Główną zaletą tej techniki, oprócz tego, że jest ona wielokrotnego użytku, jest to, że urządzenie jest obserwowalne, gdy długość mikrokanalika jest bardzo krótka (w zakresie 3 mm lub mniej).

Introduction

Ostatnie postępy w mikroprodukcji doprowadziły do powstania bardziej złożonych urządzeń mikroprzepływowych, w tym dużej liczby elektrod i różnych typów algorytmów sterowania. Postępy te uwypukliły jednak nowe wyzwania w dziedzinie opakowań. Co więcej, Lab-on-Chip (LoC) to multidyscyplinarna koncepcja, w której urządzenia mikroprzepływowe, systemy mikroelektromechaniczne (MEMS), chipy mikroelektroniczne i inne części są ze sobą połączone. W związku z tym niemożliwe jest opracowanie procesu pakowania bez uwzględnienia różnych ograniczeń elementów LoC, takich jak czułość i ochrona obwodów mikroelektronicznych, rurki i aspekty mechaniczne. Ponadto pakowanie składowych danej Deklaracji Zgodności jest ściśle związane z aplikacją^1,2. Na przykład w zastosowaniach optycznych przezroczystość urządzenia ma kluczowe znaczenie, zwłaszcza do celów testowych. Dlatego ważne jest, aby monitorować zachowanie systemu, utrzymując urządzenie w obserwowalnym zakresie. W zastosowaniach związanych z manipulacją ogniwami lub cząstkami, stosowanie technik niskonapięciowych jest bardziej atrakcyjne, wraz z pojawieniem się nowych technologii mikrowytwarzania, które umożliwiają zmniejszenie wymiarów elektrod (z kilku mikrometrów do submikronowej skali^3-5), ale znacznie zwiększają liczbę elektrod do 100 lub więcej.

Z drugiej strony, LoC przeznaczone do analizy chemicznej i biologicznej wymagają długoterminowej obserwacji. W związku z tym opakowanie systemu i stanowisko testowe muszą unikać skażenia biologicznego, a także wszelkich awarii urządzeń elektronicznych LoC, a także zapewniać obserwowność systemu.

W ostatnio opublikowanych artykułach, mikroprzepływowość i MEMS są głównymi elementami LoC, ale inne moduły mogą być używane do monitorowania systemu. W związku z tym testowanie i walidacja architektur mikroprzepływowych stały się wyzwaniem ze względu na nowe podejścia do mikrofabrykacji oraz architektury o wysokiej złożoności i przepustowości. Do tej pory nie ma standardowych platform testowych ani podpór dla układów mikroprzepływowych, jak ma to miejsce w przypadku matryc mikroelektronicznych.

Badacze zaproponowali różne techniki pakowania do konkretnych zastosowań, takich jak Xie i inni.⁶ WHO zaprojektowali opakowanie bio-mikroprzepływowe, w tym chip mikroelektroniczny do kontroli separacji DNA w kanałach mikroprzepływowych. Beebe i wsp.^{W ramach projektu 7} zaprojektowano kanał mikroprzepływowy ze zintegrowanymi zbiornikami płynów i reagującymi na bodźce zaworami hydrożelowymi do manipulowania próbkami płynów. Inne systemy proponują zastosowanie elektrolitycznych pęcherzykowych czujników przepływu do wykrywania ciśnień za pomocą pola elektrycznego w celu wytworzenia pęcherzyków powietrza i zmierzenia odpowiedniego ciśnienia⁸. System czujników mierzy impedancję pęcherzyka, a następnie określa ciśnienie, co wymaga specjalnego opakowania zaprojektowanego tak, aby uniknąć wprowadzania jakichkolwiek zakłóceń do pomiarów. W innej pracy wprowadzono metodę pakowania mikroprzepływowego w temperaturze pokojowej opartą na sekwencyjnym procesie aktywacji plazmy⁹. Pomimo tego, że proces ten może prowadzić do powstania mocno zmontowanego urządzenia, ma on ograniczenia, gdy jest używany do celów prototypowania lub gdy urządzenie jest używane kilka razy. To ostatnie może oznaczać częstą wymianę niektórych części systemu. Co więcej, Lee i in. wprowadzili nową technikę pakowania, zwaną Biolab-on-IC, opartą na wykorzystaniu pól magnetycznych do indywidualnej manipulacji kulkami magnetycznymi, w której architektura mikroprzepływowa jest zaprojektowana na górze układu scalonego¹⁰. Ponadto niezawodność pakowania i integracji systemów mikroprzepływowych, biorąc pod uwagę rozmiar systemu, aspekty optyczne i części łączące, są krytycznymi kwestiami, które szczegółowo opisali Han i Frazier¹¹. Ta ostatnia praca odzwierciedla typowe podejście do systemów LoC, w których kilka parametrów musi być precyzyjnie ustalonych i zmierzonych podczas pakowania.

W związku z tym, pakowanie mikroprzepływów stanowi wyzwanie dla nowej generacji urządzeń mikroprzepływowych. Opakowanie obejmuje niejednorodne części, takie jak rurki, połączenia elektryczne i wsparcie mikroprzepływowe. W przypadku przewodów głównym problemem jest bardzo ograniczona przestrzeń dostępna do podłączenia rurek w celu uzyskania dostępu do otworów mikroprzepływowych. Średnica obecnie dostępnych na rynku złączy mieści się w zakresie 6 mm; Jednak odległość między dwoma otworami dostępowymi zmniejsza się wraz ze zmniejszeniem całkowitych wymiarów systemu^12-13. Dlatego zaproponowaliśmy technikę rurkową opartą na PDMS. Ten proces jest specjalnie opracowany dla fazy prototypowania. W rzeczywistości, ze względu na ograniczenia chemiczne, wymiana rurki łączącej po każdym użyciu jest obowiązkowa, aby uniknąć i zminimalizować wyciek cieczy do wnętrza mikrostruktury oraz oczyścić mikrokanaliki. W tym celu proces opisany w tym artykule ma szczególne zastosowanie w przypadku szybkiego projektowania prototypów.

Z drugiej strony, połączenia elektryczne są kluczowe dla urządzeń mikroprzepływowych, które wykorzystują bezpośrednią lub pośrednią manipulację elektryczną lub pomiar. Ze względu na szeroki zakres zastosowań mikroprzepływowych, wymiary, kształt i liczba styków elektrycznych urządzenia mogą się znacznie różnić. Dlatego wymagana jest wszechstronna metoda, którą można wykorzystać do różnych zastosowań. Kaler i in. przedstawili wyniki swojej platformy szybkiego prototypowania mikroprzepływowego, która opiera się na złączach o zerowej sile wprowadzania (ZIF)¹⁴. Zamiast tych późniejszych łączników, w prezentowanych metodach wykorzystuje się anizotropową warstwę przewodzącą klej, którą można łatwo dostosować do dowolnego kształtu.

Wielu badaczy nie bierze pod uwagę ograniczeń testowych podczas projektowania swojego urządzenia mikroprzepływowego. W mikroelektronice istnieje wiele podpór używanych do celów prototypowania i testowania, które nazywane są uchwytami układów scalonych. Mają one na celu głównie skrócenie czasu prototypowania i testowania oraz oferują badaczom i inżynierom łatwy sposób wymiany urządzeń w przypadku awarii. Podobnie jak w przypadku mikroelektroniki, proponujemy również nowy pakiet testowy dla urządzeń mikroprzepływowych ograniczonych do rozmiaru urządzenia 45 mm x 90 mm.

Proponowane przez nas techniki mają na celu pokrycie dużej liczby urządzeń i zastosowań mikroprzepływowych. Metody te można dostosowywać, rozszerzać i ulepszać do innych zastosowań. Naszym celem jest zapewnienie jednej z pierwszych wszechstronnych metod pakowania urządzeń mikroprzepływowych, które są zoptymalizowane pod kątem manipulacji mikroprzepływowych. Na przykład jednym z końcowych zastosowań urządzeń wyposażonych w te techniki jest oddzielanie mikrosfer modyfikowanych polistyrenem i karboksylem za pomocą sztucznego płynu mózgowo-rdzeniowego. Niemniej jednak mogą być wykorzystywane w innych aplikacjach z różnymi rozwiązaniami.

W dalszej części tego artykułu przedstawiono i porównano trzy różne techniki łączenia przewodów, 2 metody połączeń elektrycznych i jedną metodę pakowania mikroprzepływowego.

Protocol

1. Wymienny interkonektor oparty na PDMS do niskociśnieniowych zastosowań mikroprzepływowych^15-16

1. Przygotowanie
   W tej sekcji opisano różne etapy przygotowania szkła i PDMS w celu wytworzenia interkonektora.
   1. Przygotuj PDMS: Wymieszaj PDMS i utwardzacz w proporcji (10:1).
   2. Upewnij się, że temperatura piekarnika jest ustabilizowana na stałym poziomie 80 °C. W zależności od piekarnika użyj urządzenia pomiarowego, aby wykryć temperaturę piekarnika, a następnie ręcznie ją monitoruj.
   3. Dokładnie oczyść szalkę Petriego etanolem.
   4. Oczyść powierzchnię otworów dostępowych mikroprzepływowych, w których zostanie umieszczony interkonektor PDMS.
2. Produkcja
   Łącznik międzysystemowy opisany w tym artykule jest zasadniczo uszczelką zgodną z przepisami. Uszczelka ta jest utworzona z PDMS i zawiera otwory, do których można włożyć mikrorurki. Samoczynnie przylega do powierzchni chipa mikroprzepływowego, tworząc szczelne uszczelnienie między mikrorurką a otworami dostępowymi do mikrokanałów w chipie.
   Wykonaj następujące kroki, aby wyprodukować połączenie międzysystemowe.
   1. Wlać cienką warstwę (około 2 mm) PDMS (cieczy) na szalkę Petriego.
   2. Pozwól PDMS lekko spolimeryzować w temperaturze 80 °C w piekarniku przez 12-15 minut. Chip mikroprzepływowy, do którego zostanie wykonane połączenie, umieść w piekarniku w tym samym czasie, tak aby był w tej samej temperaturze.
   3. Gdy PDMS zacznie polimeryzować, wyjmij go z pieca do utwardzania.
   4. Użyj stempla do biopsji, aby uformować otwory o pożądanej średnicy w powierzchni chipa mikroprzepływowego.
   5. Za pomocą ostrza wytnij wymagany kawałek PDMS.
      Uwaga: Zaleca się początkowo wycięcie większego kawałka materiału, niż ostatecznie będzie to wymagane. Aby uniknąć stosowania wielu złączy, pożądane jest, aby każdy łącznik PDMS został przycięty do kwadratowego kształtu, a otwory wybite, tak aby były zgodne z maksymalną możliwą liczbą otworów w chipie użytkownika.
   6. Otwory powinny być nieco mniejsze niż zewnętrzna średnica mikroprobówki.
   7. Szybko wyjmij PDMS z szalek Petriego i umieść go na chipie mikroprzepływowym.
   8. Upewnij się, że ani na PDMS, ani na chipie nie ma kurzu i upewnij się, że otwory dostępowe w chipie mikroprzepływowym są wyrównane z otworami w chipie PDMS.
   9. Za pomocą mikropozycjonera wprowadzić rurki (np. rurki teflonowe) przez interkonektor PDMS. Rurki powinny mieć średnicę 110% średnicy otworu dostępowego do mikroprzepływów, aby zapobiec wyciekom cieczy. Te same rurki mogą być podłączone do systemu wtrysku cieczy w zależności od zastosowania użytkownika.
      nuta: Zawsze umieszczaj rurki za pomocą mikropozycjonera, warstwa PDMS nie jest zbyt gruba i można ją oderwać, jeśli rurki są skręcone.
   10. W razie potrzeby dodaj żywicę epoksydową między rurkę a PDMS, aby uzyskać lepszą przyczepność.
       Przykład ukończonego interkonektora pokazano na rysunkach oraz w Ghallab i Badawy².

2. Łączenie mikrorurek w zastosowaniach mikroprzepływowych za pomocą żywicy epoksydowej¹⁷

Podczas produkcji interkonektora upewnij się, że krawędź mikrorurki jest prawidłowo przycięta. Użyj nowego ostrego ostrza, aby przeciąć krawędź mikrorurki prosto i upewnić się, że kontakt między mikroprobówkami a otworem dostępowym jest równomierny.

1. Za pomocą mikropozycjonera ostrożnie umieść mikrorurkę w otworze dostępowym chipa mikroprzepływowego.
2. Lekko dociśnij dozownik żywicy epoksydowej, aby nałożyć żywicę epoksydową na otwory dostępowe lub umieść ją ręcznie.
3. Poczekaj, aż żywica epoksydowa utwardzi się, wykonując następujące czynności:
   1. Żywica epoksydowa utwardzana promieniami UV: Wystaw żywicę epoksydową UV na działanie źródła UV przez 3-10 minut, w zależności od ilości użytej żywicy epoksydowej. Aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się ze specyfikacjami żywicy epoksydowej.
   2. Standardowa żywica epoksydowa: Jeśli podłoże mikroprzepływowe ma być używane tylko w temperaturze pokojowej, należy kontynuować utwardzanie żywicy epoksydowej przez 24 godziny w temperaturze pokojowej. Jeśli wymagane jest, aby podłoże wytrzymało wysokie temperatury, należy szybko zestalić żywicę epoksydową, wystawiając ją na działanie temperatury 100 °C za pomocą pieca lub grzejnika, w zależności od zastosowania. Aby uzyskać więcej informacji, zapoznaj się ze specyfikacjami żywicy epoksydowej.

3. Technika montażu wielorazowych chipów mikroprzepływowych z interfejsem elektrycznym¹⁷

1. Montaż komponentów
   Rysunek 2 przedstawia połączenia między złączami elektrycznymi na płytce drukowanej a padami elektrycznymi na chipie mikroprzepływowym. Aby zmontować elementy PCB/mikroprzepływowego/pleksi, wykonaj następujące kroki:
   ostrożność: Unikaj nadmiernego ciśnienia ściskania, które może spowodować uszkodzenie chipa mikroprzepływowego.
   1. wielostykowe złącza elektryczne do montażu powierzchniowego na płytce drukowanej.
   2. Jeśli na elektropadach układu mikroprzepływowego znajduje się zanieczyszczenie, wyczyść je tlenem plazmowym, w przeciwnym razie wyczyść elektrody etanolem.
   3. Użyj ostrego ostrza, aby pociąć taśmę przewodzącą na małe kawałki o takich samych wymiarach jak elektropady chipa mikroprzepływowego, jak pokazano na rysunkach 1 i 2.
   4. Za pomocą kleszczy umieść taśmę przewodzącą na podkładkach elektrycznych PCB.
   5. Wyrównaj, a następnie umieść chip mikroprzepływowy na płytce drukowanej.
      nuta: Aby uzyskać precyzję umieszczania, użyj maszyny do wyrównywania.
   6. Umieść warstwę izolacyjną (taką jak papier) na płytce drukowanej, aby uniknąć zwarć przed zainstalowaniem metalowych wsporników, w zależności od lokalizacji ścieżek PCB.
   7. Przymocuj metalowy wspornik za pomocą maszynowych i nakrętek.
2. Demontaż
   1. Wykręć maszynowe, nakrętki i metalowe wsporniki.
   2. Delikatnie oddziel chip mikroprzepływowy i płytkę drukowaną.
   3. Użyj etanolu, aby usunąć klej z taśmy przewodzącej z podkładek elektrycznych na płytce drukowanej i chipie mikroprzepływowym przed ponownym montażem.

Results

Rysunek 3 ilustruje szczegółowy schemat proponowanej techniki pakowania. Rozwiązanie opakowaniowe zostało przetestowane z kilkoma grubościami i rozmiarami PDMS, aby scharakteryzować przejrzysty i wydajny proces pakowania dla hybrydowych mikrosystemów mikroelektronicznych/mikroprzepływowych, jak pokazano na rysunkach 4 i 5. Wymiary zaprojektowanej warstwy interkonektora PDMS wynoszą 6 mm x 6 mm i służy ona do połączenia dwóch otworów dostępowych. Jednak w przypadku główny...

Discussion

Interkonektor PDMS jest przeznaczony do zastosowań niskociśnieniowych, należy zapobiegać wyciekom cieczy do otworu dostępowego do chipów, gdy interkonektor PDMS jest następnie umieszczany na otworze dostępowym. Dlatego zalecana grubość PDMS jest mniejsza niż 2 mm. Większa grubość może powodować słabą przyczepność PDMS do powierzchni chipa mikroprzepływowego i nie jest zalecana. Nieudaną próbę wykonano przy użyciu grubości 4 mm. Prace te koncentrują się na przyleganiu interkonektora PDMS do szkła, podczas gdy pompy strzyk...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Epoxy 731	Epotek	731
PDMS	Dow Corning	SYLGARD 184
UV Epoxy	Epotek	OG159
Mikropompa	Aparat Harvard	PHD Ultra
PCB	Zaawansowane obwody
pleksi	Ecole Polytechnique
Klej przewodzący folia	3M	9703