Методы строительства гибридных микрофлюидных устройств из поликарбоната и кремния

Наши исследования сосредоточены на соединении гибридных микрофлюидных устройств для прототипирования в академической лаборатории. Мы стремимся ответить на вопрос: какие стратегии соединения являются недорогими, но оптимальными для гибридного микрофлюидного канала? Связывание термопластиков с жёсткими подложками в гибридной микрофлюидике — задача, а традиционные методы с высокими температурами и высоким давлением неподходящи.

Этот протокол обеспечивает практический, удобный для исследований подход к связыванию. Для начала получите поликарбонатный корпус с плоской поверхностью соединения. Нанесите эпоксидку в утопленное седло чипа корпуса поликарбоната и поставьте очищенный кремниевой чип на место.

Дайте сборке затвердеть, затем запечатайте щели свежей эпоксидкой. Лазером вырезали клейкую ленту, чтобы она соответствовала форме стенок канала. Чтобы наклеить клейкую ленту, снимите один слой подкладки с ленты.

Затем выровняйте и приклейте ленту к поверхностям стенок канала с помощью штифтов для выравнивания. Добавьте достаточно раствора 1% поливинилового спирта, чтобы покрыть область жидкого канала. Затем отложите покрытый канал в сторону, чтобы он полностью высох при комнатной температуре.

Чтобы снять клеевую маску, после полного затвердевания слоя поливинилового спирта аккуратно снимите двухсторонний клей, оставив жидкий канал, покрытый поливиниловым спиртом. При необходимости осмотрите и очистите остатки клея со стенок канала. Выровняйте верхнюю и нижнюю половинные пластины гибридного поликарбонатного кремниевого корпуса с помощью штифтовых штифтов.

Разместите кончик иглы 30-го калибра пятимиллилитрового шприца с дихлорметаном или ацетоном у края или выступа устройства. Затем распределите растворитель по обеим сторонам, чтобы он попал в интерфейс соединения и достиг поливинилового спиртового барьера. Затем равномерно разместите умеренный вес примерно в два-три фунта на собранное устройство и дайте ему полностью затвердеть при комнатной температуре в течение 10–15 минут.

Убедитесь, что нет крупных пузырьков, чтобы уменьшить точки разрушения. После отверждения пропустите деионизированную воду при 80 градусах Цельсия через жидкий канал при низких потоках от одного до пяти миллилитров в минуту минимум три часа. Визуально осмотрите устройство на наличие остаточного поливинилового спирта в канале и повторяйте поток воды, пока не исчезнет визуально поливиниловый спирт.

С помощью настольного лазерного резака лазером вырезают низкоплотные полиэтиленовые листы, чтобы они соответствовали форме областей стенок канала. Осмотрите лазерно вырезанные полиэтиленовые листы низкой плотности на наличие золы, остатков или частиц. Тщательно прополосните простыни изопропиловым спиртом и дайте им полностью высохнуть.

Выровняйте вырезы LDPE по боковым стенкам канала жидкости с помощью штифтовых штифтов. Поместите верхний поликарбонатный элемент на нижний узл, чтобы создать жидкий канал с слоями LDPE на границе соединения. Чтобы соединить сборку, поместите собранный корпус в программируемую духовку с температурой 145 градусов Цельсия с датчиком температуры.

Затем разместите откалиброванный груз, например металлическую пластину, поверх сборки, чтобы приложить умеренное давление от двух до трёх фунтов на квадратный дюйм. Через два часа снимите сборку из духовки. Убедитесь, что LDPE равномерно прозрачен по всей склеенной поверхности, затем дайте устройству остыть до комнатной температуры.

Отрежьте материал прокладки до нужной длины, чтобы соответствовать пути жидкого канала. Вставьте шнур прокладки в влаз прокладки на нижнем поликарбонатном корпусе, обеспечив плотное и непрерывное прилегание по всему пути. Выровняйте верхнюю поликарбонатную деталь с нижней.

Затем вставьте болты через верхний слой и в шестигранную гайку, добавляя шайбы или компрессионную пластину по мере необходимости для равномерного распределения давления. Затягивайте каждый винт вручную, чтобы удерживать устройство на месте. Затем используйте динамометрический ключ, чтобы затянуть винты поперечно.

Сначала затягайте до 0,5 фунта дюйма, чтобы избежать трещин в кремниевой щепе или деформации поликарбонатного корпуса, и увеличивайте крутящий момент только при дополнительной герметизации. Подготовьтесь подключить гибридное микрофлюидное устройство к жидкому контуру с использованием трубок перистальтического насоса. Соедините резервуар для воды, роликовый насос, датчик давления и гибридное микрофлюидное устройство последовательно.

Расположите датчик давления как можно ближе к входу устройства, чтобы обеспечить точные измерения давления. Прокачивайте воду по цепи с начальным расходом 10 миллилитров в минуту. Увеличивайте расход на 10 миллилитров в минуту с интервалом в 60 секунд и фиксируйте давление при каждом расходе.

Если требуется дополнительное давление, добавьте ограничительное ограничение иглой ниже по устройству для увеличения сопротивления цепи. Определите номинальное давление как давление, при котором происходит первая видимая утечка. Наконец, вставьте второй датчик давления сразу после устройства с помощью той же схемы.

Пропустите воду с выбранной скоростью расхода 10 миллилитров в минуту и рассчитайте падение давления по всему устройству как разницу между измерениями давления до и после установки устройства. Три метода связывания показали разные результаты производительности. Устройства с растворителями поддерживали самое высокое номинальное давление, достигая 692 миллиметров ртути до утечки, но некоторые устройства демонстрировали захваченный воздух или лёгкую оптическую дымку.

Устройства с LDPE-связью демонстрировали высокое падение давления на 196 миллиметров ртути при 10 миллилитрах в минуту, что снижало эффективность. Среди испытанных методов метод герметизации прокладки показал наивысшую воспроизводимость и самые чистые визуальные интерфейсы. Конфигурация на основе прокладок поддерживала давление до 239 миллиметров ртути до утечки и демонстрировала низкое падение давления на три миллиметра ртути.

Этот протокол позволяет исследователям изучать различные недорогие методы связывания, подходящие для соединения гибридных микрофлюидных устройств в лабораторных условиях. Самым важным аспектом при выполнении этого протокола является обеспечение точности как при проектировании, изготовлении, так и в выравнивании слоёв для обеспечения герметичного интерфейса и достаточной площади поверхности соединения. Будущие исследования позволят сравнить площади поверхности потолка с разными методами соединения и оценить применимость этого протокола к гибридным микрофлюидным системам с использованием хрупких или различных материалов подложки.