Высокая пропускная Микрофлюидных Быстрое и низкая стоимость создания прототипов Упаковка Методы

Summary

В этой статье мы описываем различные методы для микрофлюидных платформ быстрого прототипирования. Предложенные методы основаны на чувствительных к ультрафиолетовому излучению (УФ) и температурно отверждаемых эпоксидных смолах, трубках на основе полидиметилсилоксана (PDMS), проволочных соединениях и анизотропных адгезивных пленках. Представленные методики сборки разработаны как для одноразовых устройств, так и для многоразовых микрофлюидных систем.

Abstract

В этой работе, 3 различные методы упаковки и монтажные представлены. Они могут быть разделены на две категории: одноразового использования и многоразовые методов упаковки.

Одноразовый техника пользы упаковывая использует УФ-основе и температуры отверждения эпоксидных смол для подключения микропробирок с отверстиями для доступа, провода-связи для интегрированных схем включения и серебра эпоксидной смолы для электрических соединений. Этот метод основан на надежной технологии сборки, которая может выдержать относительно высокое давление близко к 1 атм и не нуждается в поддержку в целях укрепления микрофлюидных архитектуру.

Многоразовые методы упаковки состоят из микропробирок соединительных PDMS основе и анизотропных клейких пленок для электрических соединений. Эти устройства более чувствительны и хрупки. Следовательно, поддержка плексигласа добавляется в микрофлюидном структуры для улучшения электрического контакта, когда анизотропные клейкие пленки используются, а также strengtheн микрофлюидных архитектура. Кроме того, микроманипулятор необходим для поддержания трубки при использовании тонкий слой PDMS, чтобы соединить их в отверстия доступа. Другие толщины PDMS слоев, начиная от 0.45-3 мм, тестируются сравнить лучший приверженность против ставок инъекций. Прикладные ставки инъекций варьировала от 50-300 мкл / ч в течение 0.45-3 мм PDMS слоев соответственно. Эти методы в основном применимы для приложений низкого давления. Однако, они могут быть продлено на них высокого давления через процесс плазменной кислорода постоянно уплотнения PDMS в стеклянных подложках. Главное преимущество этой технологии, кроме того, что это многоразовые, состоит из сохранении устройство наблюдаемую, когда длина микроканальной очень короткий (в пределах 3 мм или меньше).

Introduction

Последние достижения в области микропроизводства привели к созданию более сложных микрофлюидных устройств, включая большое количество электродов и различные типы алгоритмов управления. Однако эти достижения высветили новые проблемы в области упаковки. Кроме того, Lab-on-Chip (LoC) — это междисциплинарная концепция, в которой микрофлюидные устройства, микроэлектромеханические системы (MEMS), микроэлектронные чипы и другие части соединены друг с другом. Следовательно, невозможно разработать процесс упаковки без учета различных ограничений компонентов LoC, таких как чувствительность и защита микроэлектронных схем, трубки и механические аспекты. Кроме того, упаковка компонентов данной ЛС тесно связана с применением^1,2. Например, в оптических приложениях прозрачность устройства имеет решающее значение, особенно в целях тестирования. Таким образом, важно следить за поведением системы, сохраняя устройство под наблюдением. В приложениях, связанных с манипуляциями с клетками или частицами, использование низковольтных методов становится более привлекательным, с появлением новых технологий микропроизводства, которые позволяют уменьшить размеры электродов (от нескольких микрометров до^{субмикронных 3-5}), но значительно увеличить количество электродов до 100 и более.

С другой стороны, ЛК, предназначенные для химического и биологического анализа, требуют долгосрочного наблюдения. Таким образом, упаковка системы и испытательный стенд должны предотвращать биологическое загрязнение, а также любые сбои в электронных устройствах LoC, а также сохранять видимость системы.

В недавно опубликованных работах микрофлюидика и MEMS являются основными частями LoC, но для мониторинга системы могут использоваться и другие модули. Следовательно, тестирование и валидация микрофлюидных архитектур стали сложной задачей в связи с новыми подходами к микропроизводству и архитектурами высокой сложности и пропускной способности. До сих пор не существует стандартных испытательных платформ или опор для микрофлюидных систем, как в случае с кристаллами для микроэлектроники.

Исследователи предложили различные методы упаковки для конкретных целей, такие как Xie et al.⁶, который разработал биомикрофлюидную упаковку, включающую микроэлектронный чип для контроля разделения ДНК в микрофлюидных каналах. Beebe et al.⁷ разработан микрофлюидный канал со встроенными резервуарами для жидкости и реагирующими на стимулы гидрогелевыми клапанами для манипулирования образцами жидкости. Другие системы предлагают использовать электролитические пузырьковые датчики расхода для определения давления через электрическое поле для создания пузырьков воздуха и измерения соответствующего давления⁸. Сенсорная система измеряет импеданс пузырька, а затем определяет давление, для чего требуется специальная упаковка, разработанная для предотвращения каких-либо помех при измерениях. В другой работе был представлен метод микрофлюидной упаковки при комнатной температуре, основанный на последовательном процессе плазменной активации⁹. Несмотря на то, что этот процесс может привести к созданию прочно собранного устройства, он имеет ограничения при использовании в качестве прототипа или при многократном использовании устройства. Последнее может подразумевать частую замену некоторых частей системы. Кроме того, Ли и др. представили новую технологию упаковки, названную Biolab-on-IC, основанную на использовании магнитных полей для манипуляций с отдельными магнитными шариками, где микрофлюидная архитектура спроектирована в верхней части интегральной схемы¹⁰. Кроме того, надежность упаковки и интеграция микрофлюидных систем, учитывая размер системы, оптические аспекты и соединительные части, являются критически важными вопросами, как подробно описано Ханом и Фрейзером¹¹. Эта последняя работа отражает типичный подход для систем LoC, где несколько параметров должны быть точно зафиксированы и измерены во время упаковки.

Следовательно, микрофлюидная упаковка является сложной проблемой для нового поколения микрофлюидных устройств. Упаковка включает в себя разнородные детали, такие как трубки, электрические соединения и микрофлюидная поддержка. Для трубок основной проблемой является очень ограниченное пространство, доступное для соединения трубок для доступа к микрофлюидным отверстиям. Диаметр имеющихся в настоящее время серийно выпускаемых разъемов находится в пределах 6 мм; Однако расстояние между двумя отверстиями доступа становится меньше с уменьшением общих размеров системы^12-13. Поэтому мы предложили методику прокладки трубок на основе PDMS. Этот процесс изготовления трубок специально разработан для этапа прототипирования. Фактически, из-за химических ограничений замена соединительной трубки после каждого использования является обязательной, чтобы избежать и свести к минимуму утечку жидкости внутри микроструктуры, а также очистить микроканалы. Для этих целей процесс, описанный в данной статье, особенно применим для быстрого прототипирования конструкции.

С другой стороны, электрические соединения имеют решающее значение для микрофлюидных устройств, использующих прямые или косвенные электрические манипуляции или измерения. Из-за широкого спектра микрофлюидных применений размеры, форма и количество электрических контактов устройства могут значительно различаться. Поэтому требуется универсальный метод, который можно использовать для разных применений. Kaler et al. сообщили о результатах работы своей микрофлюидной платформы быстрого прототипирования, которая основана на соединителях с нулевым усилием вставки (ZIF)¹⁴. Вместо этих более поздних соединителей в представленных методах используется анизотропная адгезивная проводящая пленка, которую можно легко приспособить к любой форме.

Многие исследователи не учитывают ограничения тестирования при проектировании своего микрофлюидного устройства. В микроэлектронике существует множество опор, используемых для прототипирования и тестирования, которые называются держателями ИС. Они в основном предназначены для сокращения времени создания прототипов и тестирования, а также предлагают исследователям и инженерам простой способ замены устройств в случае сбоя. Как и в микроэлектронике, мы также предлагаем новый испытательный пакет для микрофлюидных устройств, ограниченный размером 45 мм x 90 мм.

Наши предлагаемые методы нацелены на охват большого количества микрофлюидных устройств и приложений. Эти методы могут быть адаптированы, расширены и модернизированы для других приложений. Мы стремимся предоставить один из первых универсальных методов упаковки для микрофлюидных устройств, оптимизированных для микрофлюидных манипуляций. Например, одним из конечных применений устройств, упакованных с помощью этих методов, является разделение полистирольных и карбоксильных модифицированных микросфер с искусственной спинномозговой жидкостью. Тем не менее, их можно использовать и в других приложениях с другими решениями.

В оставшейся части этой статьи представлены и сравнены три различных метода прокладки трубок, 2 метода электрического соединения и один метод микрофлюидной упаковки.

Protocol

1. Съемный соединитель на основе PDMS для микрофлюидных приложений низкого давления^15-16

1. Подготовка
   В этом разделе описываются различные этапы подготовки стекла и PDMS для изготовления интерконнектора.
   1. Приготовьте PDMS: Смешайте PDMS и отвердитель в соотношении (10:1).
   2. Убедитесь, что температура духовки стабилизируется на постоянном уровне 80 °C. В зависимости от печи используйте измерительное устройство для измерения температуры духовки, а затем вручную контролируйте ее.
   3. Тщательно очистите чашку Петри с помощью этанола.
   4. Очистите поверхность микрофлюидных отверстий для доступа, в которых будет размещен интерконнектор PDMS.
2. Изготовление<бр /> Интерконнектор, описанный в этом документе, по сути, является податливой прокладкой. Эта прокладка формируется из PDMS и содержит отверстия, в которые могут быть вставлены микротрубки. Он самоприлегает к поверхности микрофлюидного чипа, образуя герметичное уплотнение между микротрубкой и отверстиями для доступа к микроканалам в чипе.
   Для изготовления соединительного соединителя выполните следующие действия.
   1. Налейте тонкий слой (примерно 2 мм) PDMS (жидкость) в чашку Петри.
   2. Дайте PDMS слегка полимеризоваться при температуре 80 °C в духовке в течение 12-15 мин. Поместите микрофлюидный чип, к которому будет производиться соединение, в духовку в то же время, чтобы он был при той же температуре.
   3. Когда PDMS начнет полимеризоваться, выньте его из печи для отверждения.
   4. Используйте пробивной пуансон для формирования отверстий нужного диаметра на поверхности микрофлюидного чипа.
   5. С помощью лезвия отрежьте необходимый кусок PDMS.
      Примечание: Рекомендуется изначально вырезать больший кусок материала, чем тот, который в конечном итоге потребуется. Чтобы избежать использования нескольких разъемов, желательно, чтобы любой конкретный интерконнектор PDMS был обрезан до квадратной формы и пробит отверстия так, чтобы соответствовать максимально возможному количеству отверстий на чипе пользователя.
   6. Отверстия должны быть немного меньше внешнего диаметра микротрубки.
   7. Быстро извлеките PDMS из чашки Петри и поместите его на микрофлюидный чип.
   8. Убедитесь, что на PDMS или чипе нет пыли, а отверстия доступа на микрофлюидном чипе совпадают с отверстиями PDMS.
   9. С помощью микропозиционера вставьте трубки (например, тефлоновые) через интерконнектор PDMS. Диаметр отверстия для микрофлюидного отверстия должен составлять 110% от диаметра микрофлюидного отверстия для предотвращения утечки жидкости. Одни и те же трубки могут быть подключены к системе впрыска жидкости в зависимости от области применения пользователя.
      заметка: Всегда размещайте пробирки с помощью микропозиционера, слой PDMS не очень толстый и может быть отсоединен, если пробирки перекручены.
   10. При необходимости добавьте эпоксидную смолу между трубкой и PDMS для лучшего сцепления.
       Пример готового интерконнектора показан на рисунках и в Ghallab and Badawy².

2. Соединение микротрубок в микрофлюидных приложениях с эпоксидной смолой¹⁷

При изготовлении интерконнектора убедитесь, что край микротрубки правильно обрезан. Используйте новое острое лезвие, чтобы отрезать край микротрубки прямо и обеспечить равномерный контакт между микротрубками и отверстием доступа.

1. С помощью микропозиционера осторожно поместите микротрубку в отверстие для доступа микрофлюидного чипа.
2. Слегка надавите на дозатор эпоксидной смолы, чтобы нанести эпоксидную смолу на отверстия для доступа, или установите его вручную.
3. Дайте эпоксидной смоле застыть, выполнив следующие действия:
   1. УФ-отверждаемая эпоксидная смола: Подвергните УФ-эпоксидную смолу воздействию источника ультрафиолетового излучения в течение 3-10 минут, в зависимости от количества используемой эпоксидной смолы. Для получения более подробной информации обратитесь к спецификациям эпоксидной смолы.
   2. Стандартная эпоксидная смола: Если микрофлюидная подложка должна использоваться только при RT, сохраняйте отверждение эпоксидной смолы в течение 24 часов при RT. Если основание должно выдерживать высокие температуры, быстро затвердейте эпоксидную смолу, подвергнув ее воздействию до 100 °C с помощью духовки или нагревателя, в зависимости от применения. Для получения более подробной информации обратитесь к спецификациям эпоксидной смолы.

3. Метод сборки многоразовых микрофлюидных чипов с электрическим интерфейсом¹⁷

1. Сборка компонентов
   На рисунке 2 показаны связи между электрическими разъемами на печатной плате и электрическими контактными площадками на микрофлюидном чипе. Чтобы собрать компоненты печатной платы/микрофлюидного чипа/плексигласа, выполните следующие действия:
   осторожность: Избегайте чрезмерного давления сжатия, которое может сломать микрофлюидный чип.
   1. Припаяйте многоконтактные электрические разъемы для поверхностного монтажа к печатной плате.
   2. Если на электрических прокладках микрофлюидного чипа есть загрязнение, очистите его плазменным кислородом, в противном случае очистите прокладки этанолом.
   3. С помощью острого лезвия разрежьте проводящую ленту на мелкие кусочки с теми же размерами, что и электрические прокладки микрофлюидного чипа, как показано на рисунках 1 и 2.
   4. С помощью щипцов поместите токопроводящую ленту на электрические прокладки печатной платы.
   5. Выровняйте и поместите микрофлюидный чип на печатную плату.
      заметка: Для точной укладки используйте юстировочный станок.
   6. Перед установкой металлических кронштейнов поместите изоляционный слой (например, бумагу) на печатную плату, чтобы избежать короткого замыкания, в зависимости от расположения дорожек печатной платы.
   7. Прикрепите металлический кронштейн с помощью крепежных винтов и гаек.
2. демонтаж
   1. Снимите крепежные винты, гайки и металлические кронштейны.
   2. Аккуратно отделите микрофлюидный чип от печатной платы.
   3. Используйте этанол для удаления клея проводящей ленты с электрических контактных площадок на печатной плате и микрофлюидном чипе перед повторной сборкой.

Results

Рисунок 3 иллюстрирует подробную схему предлагаемой технологии упаковки. Упаковочное решение было протестировано с использованием нескольких толщин и размеров PDMS, чтобы охарактеризовать прозрачный и эффективный процесс упаковки для гибридной микроэлектроники/микрофлюидных микросистем, как показано на рисунках 4 и 5. Размеры проектируемого межсоединительного слоя PDMS составляют 6 мм x 6 мм и используется для соединения двух отверстий доступа. Однако при использовании о...

Discussion

Межсоединительный соединитель PDMS предназначен для применения в системах низкого давления, необходимо предотвратить утечку жидкости в отверстие для доступа к микросхеме при последующем размещении соединительного соединителя PDMS на отверстие для доступа. Поэтому рекомендуемая толщина PDMS составляет менее 2 мм. Большая толщина может вызвать слабую адгезию PDMS к поверхности микрофлюидного чипа и не рекомендуется. Неудачное испытание было сделано с использованием толщины 4 мм. В данной работе основное внимание уделяется ...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Эпоксидная смола 731	Epotek	731
PDMS	Dow Corning	SYLGARD 184
УФ Эпоксидная смола	Epotek	OG159
Микронасос	Гарвардский аппарат	PHD Ultra
PCB	Усовершенствованные схемы
Оргстекло	Ecole Polytechnique
Адгезивный проводящий плёнка	3М	9703