Summary
Çözücü yapıştırma, yüksek kaliteli bağlar ile termoplastik mikroakışkan cihazların imal edilmesi için basit ve çok yönlü bir yöntem. Bu basınç, sıcaklık, uygun bir solvent ve aygıt geometrisinin makul kombinasyonu ile microfeature bilgilerini korumak PMMA güçlü, optik açıdan berrak bir bağa ve COP mikroakışkan cihazlar elde etmek için bir protokol açıklar.
Abstract
Termoplastik mikroakışkan cihazlar silikon elastomerlerden yapılanlar üzerinden pek çok avantajı sunan, ancak yapıştırma prosedürleri ilgi her termoplastik için geliştirilmiş olmalıdır. Çözücü yapıştırma plastik çeşitli cihazları imal etmek için kullanılabilecek bir basit ve işe yarar bir yöntemdir. Uygun bir çözücü, iki aygıt tabakalar arasında eklenir yapıştırılacak ve ısı ve basınç bağlanmasını kolaylaştırmak için cihaza uygulanır. çözücü, plastik, ısı ve basınç, uygun bir kombinasyonu kullanılarak, cihaz, bir yüksek kaliteli bağ ile mühürlenebilen, microfeature yüksek bağ kapsamı, bağ mukavemeti, optik berraklık, zaman içinde dayanıklılık ve düşük deformasyon veya hasar görmüş olarak karakterize geometri. Bu yapıştırma elde bağların kalitesini karakterize etmek için kullanılan iki termoplastik, poli (metil metakrilat) (PMMA) ve siklo-olefin polimeri (COP), hem de çeşitli yöntemler yapılan aygıtları ve stratejileri için prosedür tarif trou içindüşük kaliteli bağları bleshoot. Bu yöntemler, diğer plastik çözücü sistemleri için yeni çözücü yapıştırma protokolleri geliştirmek için kullanılabilir.
Introduction
4 - Mikroakiskan iyi microscale 1 de kimya ve fizik eğitimi için uygun ve önemli ölçüde biyoloji araştırma 2 katkıda büyüyen vaadiyle bir teknoloji olarak son yirmi yılda ortaya çıkmıştır. Mikroakışkan cihazların çoğu tarihsel (PDMS), poli (dimetilsiloksan) için, kullanımı kolay, ucuz bir silikon elastomeri yapılan ve yüksek kalite özelliği çoğaltma 5 sunmaktadır edilmiştir. Ancak, PDMS eksiklikleri iyi belgelenmiş ve 6,7 süreçleri yüksek hacimli üretim ile uyumsuzdur ve bu şekilde, çünkü kitle üretimi ve dolayısıyla ticarileştirilmesi için kendi potansiyelinin, termoplastik malzemelerden mikroakışkan cihazları imalatı yönünde artan bir eğilim olmuştur gelmiştir.
Plastik mikrofabrikasyon geniş benimsenmesine önemli engellerden biri plastik cihazların kolay, yüksek kaliteli yapıştırma elde edilmiştir. Güncel stratejiler t istihdamHermal, yapıştırıcı ve çözücü bağlama teknikleri, ancak birçok önemli zorluklar muzdarip. Termal bağlama otofloresans 8 artar ve genellikle mikrokanal geometrileri 9 deforme - yapışkan teknikleri şablonlar, dikkatli uyum ihtiyaç duyarken, 11, ve sonuçta mikrokanaldaki 10 maruz yapıştırıcı kalınlığı bırakın. 14 - Solvent yapıştırma kolaylığından dolayı, Ayarlanabilirliğin ve düşük maliyetle 10,12 cazip olduğunu. Özellikle, kendi ayarlanabilirliği microfeatures 14 deformasyonunu en aza indiren tutarlı, yüksek kaliteli bağ verebilmesidir plastik çeşitli için optimizasyon sağlar.
solvent bağlama sırasında, çözücüye dikkat ederek bağlama ara yüzeyi boyunca zincirler arası difüzyon sağlar plastik yüzeyine yakın polimer zincirlerinin hareketliliğini artırır. Bu difüzyon zincirlerin mekanik kilitleme yoluyla dolanması neden olur ve ap sonuçlanırHysical bağ 10. Termal yapışma benzer bir şekilde çalışır, ancak zincir hareketliliğini artırmak için tek başına yüksek bir sıcaklıkta dayanır. Bu durumda, termal yöntemler çözücülerin kullanımı önemli ölçüde bağlama için gerekli sıcaklığı azaltmak, ve böylece istenmeyen deformasyonunu azaltır, oysa yakın veya polimerin cam geçiş üzerindeki sıcaklıklar gerektirir.
Biz PMMA ve COP cihazları hem yapıştırılması için özel bir protokol sağlar. Bununla birlikte, bu protokolü ve yöntem, diğer plastik malzeme, çözücüler ve mevcut ekipman için uygun olabilir, termoplastik mikroakışkan cihazların solvent bağlama için basit ve genel bir yaklaşımı tarif eder. Biz tahvil kalitesini değerlendirmek için çeşitli yöntemler tarif eder (örn, bağ kapsamı, bağ kuvveti, bağ dayanıklılığı ve microfeature geometrileri deformasyon) ve bu ortak sorunları ele almak giderme yaklaşımlar sağlar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Aşağıda tarif edilen tüm adımları gelişmiş olmayan bir temiz oda ortamında gerçekleştirilmiştir unutmayın. Çözücü yapıştırma adımları varsa kesinlikle bir temiz oda gerçekleştirilebilir, ancak bu gerekli değildir.
Termoplastik mikroakışkan Cihaz Katmanlar 1. Hazırlık
- Tasarım ve uygun bir üretim yöntemi kullanılarak, seçim termoplastikten mikroakışkan cihaz katmanları imal (örneğin, 16 kabartma, 15 micromilling - 18, enjeksiyon).
- Görme kenarları "temiz" olduğundan emin olmak için aygıt katmanları incelemek (yani üretim süreci hiçbir çapaklar veya artık malzeme sırtlar). En iyi sonuç için, bir optik mikroskop altında cihazın dış kenarlarında yanı sıra tüm işlenmiş mikro-özellik kenarları kontrol edin.
- artık malzeme görsel muayene sırasında tespit edilmesi halinde, bir tıraş bıçağı kullanmak veya neşter dikkatli bir mat kaldırmak içinbirine karşı düz bir yalan aygıt katmanları önler erial böylece katmanların arabirimleri konformal temas.
- Temiz cihaz laboratuvar sabun ve su ile basınçlı hava ile kuru yüzeyler. 2 dakika boyunca 2-propanol içinde cihazı katmanları daldırın ve basınçlı hava ile kurutulur.
2. Çözücü Yapıştırma
- Isıtmalı (PMMA için) basın veya (COP için) ocak gözünü hazırlayın.
- PMMA (döküm akrilik, ~ 100-110 ° C bir cam geçiş sıcaklığı) 18 ön ısıtma pres ile 70 ° C arasında ve sıcaklık dengelenmesi için izin verir.
- (Üreticiden 102 ° C cam geçiş sıcaklığına) COP için, 25 ° C'ye kadar ön ısıtma ocak gözünü ve sıcaklık dengelenmesi için izin verir.
- Yapıştırma işlemi için çözücü hazırlayın.
- PMMA için bağlama alanının inç kare başına 0,5 ml etanol içinde ölçülür.
- COP için, 2-propanol ve sikloheksan, yâni bir 65:35 karışımının hazırlanmasıbağlama alanının inç kare başına 0.5 ml ha toplam hacim.
NOT: sikloheksan ortak polipropilen laboratuar aletlerinin eriyecektir olarak COP için, cam pipetler ve kapları kullanın. sikloheksan toksik gibi bir çeker ocak içinde, tüm karıştırma ve bağlanmasını gerçekleştirmek.
- Temizlenmiş plastik tabakalar arasındaki bağlanma alanının inç kare başına düşen çözücünün 0.1 ml dağıtır ve katmanları bir araya getirmektedir. Görme yaygındır ve mümkün olduğunca kaldırılması gerektiğini yapıştırma arayüzünde hava kabarcığı, kontrol edin.
NOT: Bu hızlı bir şekilde çalışması için bir çözücü dağıtıldıktan sonra, uçucu çözücüler buharlaşmaya başlar (ve bu nedenle, çözücü karışımları bileşimde değişecektir) faydalıdır.- kabarcıkları varsa neredeyse dağılmayacak şekilde, yapıştırma arayüz boyunca iki plastik katmanları kaydırın (ama temas halinde kalması), ve daha sonra birlikte onları geri kaydırın.
- Hizalama iğneli cihazın katmanları hizalayın,Özel bir jig, ya da sadece elle (Daha fazla bilgi için tartışma bölümüne bakınız).
- hizalama işaretçilerine kullanıyorsanız, pimleri için delikler aynı hizaya ve aygıt yığınına işaretçilerine yerleştirin.
- Özel bir jig kullanıyorsanız, jig içine cihaz yığını yerleştirin ve cihaz etrafında sıkın.
- elle hizalama, cihazın dış kenarlarını hizalamak için parmaklarınızı kullanın.
- (PMMA) veya (COP için) önceden ısıtılmış ocağın üzerine önceden ısıtılmış pres içine çözücü cihazı yerleştirin.
- PMMA için 2 dakika boyunca basınç 2300 kPa uygulanır.
- COP için, basınç 350 kPa geçerlidir. 5 ° C / dk bir oranda 70 ° C, 25 ° C sıcaklık artış. Ek bir 15 dakika daha 70 ° (9 dakika sonra) C, bağ ulaştıktan sonra.
- güvenle muayene için sıcak aygıtı kaldırmak için cımbız kullanın. Bağlar artık tamamlanmıştır.
- Mikrokanallardaki veya diğer da özelliklerin de (cihazda kalan sıvı çıkarınes).
- PMMA için, sıkıştırılmış hava ile kalan sıvıyı ayırın. COP için kalan sikloheksan çıkarmak için 24 saat boyunca 45 ° C'de ocak ve fırında gümrüklü cihazı yerleştirin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Genel solvent bağlama prosedürünün bir şematik, Şekil 1 'de gösterilmiştir. bağ kalitesini değerlendirmek için en kolay yolu kötü bağ kapsama bağlanmamış plastik bölgeler olarak kolayca görülebilir çünkü görsel, tahvil kapsamını incelemek için, ve zayıf bağ göstergesidir. Bu bölgeler genellikle yakın serbest kenarları (örneğin, cihazın çevresi, ya da açık portlar ya da mikro yakın) ve aynı zamanda sık sık bağ arayüzünde kir veya toz herhangi parçacıkların çevresinde görünebilir. Zayıf bağlar zayıf bağ kapsama uygun çözücü bileşimi ve bağlanma koşulları bulunamadı önce, tipik olarak, protokol geliştirme aşamasında görülür ve örnekler Şekil 2A'da gösterilmiştir. (I) daha saldırgan bir çözücü (örneğin, daha yüksek bir konsantrasyonu, çözeltinin ya da başka bir çözücü), (ii) daha yüksek bir birleştirme sıcaklığında, ve (iii) daha yüksek bir bağlanma PR: Tipik haliyle, zayıf bağlı bir ya da daha fazlası için bir ihtiyaç sürmektediressure.
Bunun tersine, aşırı agresif bağlanma koşulları, yüksek yapışma gücü, mükemmel bir bağ içerisinde yol açabilir, ama Şekil 2B'de gösterildiği gibi, aynı zamanda, microfeatures hasar görmüş ya da kapalı tutulmalıdır. yüksek sıcaklık (plastik cam geçiş sıcaklığına yaklaşırken), aynı zamanda önemli bir deformasyonuna neden olabilir, ancak bu, genellikle bir çözücü çok agresif kaynaklanmaktadır.
Şekil 2C gösterildiği gibi yüksek kaliteli, iyi bağlanmış cihaz, iyi bağ kapsamı ve microfeatures minimal deformasyon hem de sahiptir. Çözücü çok değişkendir ve bu nedenle çabuk buharlaşır eğer çözücü ve seçim sıcaklığına bağlı olarak, cihazın serbest kenarlarına yakın iyi bir bağ kapsama elde etmek zor olabilir. Bu gibi durumlarda, ilgi konusu kenarları boyunca, cihazın tasarımında küçük Mikroyivlerin ekleyerek, solven buharlaştırma azaltabileceğini ve bu nedenle yardımcı olabilirŞekil 2D'de gösterildiği gibi, bir bağ kapsamını iyileştirmek. Genellikle, 500 x 500 um enine kesit boyutları olan oluklar kullanımı kenarından 300 um okuyun. 14
tahvil kapsamının genel görsel denetim yanı sıra, yıkıcı ve tahribatsız hem testler ayrıca tahvil kalitesi ve microfeature hasarı araştırmak için kullanılmalıdır. protokol geliştirme aşamasında yararlıdır iki yıkıcı testler (i) çapraz kesit ve vardır (ii) sırasıyla microfeature geometrisi ve bağ gücünü değerlendirmek için ayrı bağlanmış cihazlar wedging. Bu rahatlık, doğruluk ve nispeten temiz yüzeyler iyi bir kombinasyon sunuyor bulmak gibi biz bölümüne bizim cihazlar micromilling kullanmayı tercih ediyoruz. Farklı gelişme olacaktır, ancak bir öğütme makinesi yokluğunda diğer yaklaşımlar da kullanılabilir. Örnekler dikkatle yakalamaya, bir elmas testere veya şerit testere (kaba yüzeyler bırakır) ile kesim dahilattı çizgisinde bir aygıt (nedeniyle kalınlıkta zor olabilir ve kesilme baskısı cihazı delamine neden olabilir), ya da sadece cihazın (zaman alıcı) parçası uzak zımpara. kesme gelen pürüzlü yüzeyler zımpara ile düzeltilmelidir edilebilir.
Ne olursa olsun kullanılan yöntem, cihaz ilgi microfeatures dik kesit olmalıdır ve görsel olarak, bir optik mikroskop kullanılarak kontrol edilebilir. microfeature kesitlerinin boyutu ve şekli bağlanma nedeniyle meydana ne kadar şekil gösterir. daha agresif koşullar köşelerinde ve duvarlar yuvarlaklaşma, yanı sıra nedeniyle polimer şişme kesit alanında önemli bir azalmaya neden olurken daha az agresif çözücüler ve düşük sıcaklıklar ve basınçlar, daha iyi, keskin köşeleri ve düz duvarlar koruyacaktır. Tipik sonuçlar görüntüleri, Şekil 3'te gösterilmiştir.
Bağ kuvveti, kısmi ölçülebilirly bir pul ile bağlanmış katmanları ayrı kama ve delaminasyon bölgenin kenarına pabucun kenarından mesafeyi ölçmek. birleşme kuvveti, bu mesafe, katman ve pabucun kalınlığı, ve plastik elastik modülü hesaplanabilir. Belirli yapışma gücü değeri önemli değilse 14,19, katmanları kama ayrı tahvil tipik güçleri ve cihazı kullanan deneyler sırasında karşılaşacağınız için yeterince güçlü olup olmadığını değerlendirmek için nitel bir yöntem sağlar.
Tahribatsız testin amacı için kullanılabilir bırakarak, bir aygıt kalitesini doğrulamak için yararlıdır. Basit ve kullanışlı bir yöntem, mikroskopi aracılığıyla kontrol microfeature kenarlarında bağ kapsama odaklanan, ya da küçük bağ alanlarında etmektir. Şekil 4 <gösterildiği gibi bağlanmamış bölgeler nedeniyle plastik tabakalar arasındaki ince hava boşluğu bağlanmış bölgelerden biraz daha koyu görünür ve/ Strong> mikroskop ile dikkatli muayene ile fark olmalıdır. bağlanmamış plastik bölgeleri bulma Kullanmadan önce cihazın kritik parçalarını mühürlemek için lokalize bağlama ikinci yineleme doğrudan yardımcı olabilir.
mikro zarar en aza indirirken, agresif bir çözücü ile güçlü bağlar elde etmek için yararlı bir teknik, fakat (yerine çözücü ile yapışma yüzeyi sel) cihaz tasarımı erişim portu ile oluklar ekleyin ve sadece oluk çözücünün eklemektir. Bu büyük ölçüde mikrokanal ve sıvı çözücü (buhar de mikrokanalı girer) arasındaki teması azaltmakta ve Şekil 5'te gösterildiği gibi bunun sonucu deformasyonunu azaltır.
amaçlanan cihaz Uygulamaya bağlı olarak, uzun vadeli dayanıklılık testi gerekebilir. Örneğin, cihaz pek çok biyolojik deneyler için kullanılır ve bir hücre kuluçka makinesi ENVI kalabileceklerdirBirkaç hafta kadar için lanmaktadır (37 ° C,% 100 nem). Dayanıklılık Gerekli süre için gerekli koşullar test cihazları yerleştirerek değerlendirilir ve (cihazın delaminasyon) görsel bir bağ kapsama azalması için sonra kontrol ya da cihaz kolayca birbirinden sıkışmış sağlar bağlanma dayanımı zayıflar. Örnekler Şekil 6'da gösterildiği üzere, ve daha yüksek bir bağlanma mukavemeti elde etmek için bağlama prosedürü değiştirmek için ihtiyaç gösterirler.
Şekil 1: Bağlanma Süreci Şeması. genel çözücü yapıştırma işlemi gösterilmiştir. Sıvı çözücü bağlanmış olan iki termoplastik cihazı tabakalar arasında ilave edilir. Tabakalar bir araya getirilir ve kabarcıklar bağlama ara yüzeyde sıvı çıkarılır. Basınç ve ısı istenildiği kadar cihaza uygulanır ve bağlanmış aygıt tamamlanır. herhangi bir yenidenisti sıvı Açık portlar kaldırılabilir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 2: Değişen Bond Kalite görsel örnekler. (A) çok sayıda sıvı çözücü bağlama yaklaşımları ile ortak bir sorundur hızlı buharlaşma volatilite çözücü nedeniyle ısıtılmış birleştirme aşaması esnasında cihazın serbest kenarlarına yakın gerçekleşmesidir. Bu genellikle kötü bir bağ içerisinde, sızan mikroakışkan özellikleri ve düşük toplam bağlanma mukavemeti elde Bu kenarlarına yakın bağlanmamış malzemenin bölgelere yol açar. Bu bölgeler renkli girişim saçaklar (sarı oklar) hafif yamalar olarak görebilir. (B) Tersine, aşırı agresif çözücü yapıştırma verimleri mükemmel bağ kapsamı, aynı zamanda önemli Dama neden olabilirge microfeatures, böylece deforme veya aygıt kanalları (sarı oklar) kapatarak için. (C) optimize edilmiş bir çözücü plastik sistem iyi bağ kapsamı ve gücü elde ve hala düzgün bir şekilde sızdırmazlık ise microfeatures zarar en aza indirir. Bazı durumlarda (D), çözücü tutma ekleyerek bağ kapsamını geliştirmek ve düzgün microfeatures mühür yardımcı olabilir cihaz kenarları (sarı ok) paralel oluklar. Daha iyi bir bağ kapsamı gerekli ise, oluklar gerekli olabilir, fakat (nedeniyle microfeatures elde edilen artan hasara) Çözücü gücünü artırmak için istenmeyen bir durumdur. Ölçek çubukları = 1 mm. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 3: Gümrük Cihazlar Kesit. Çözücü yapıştırma işlemi cabağlama sıcaklık veya basınç çok yüksek ise çözücü, çok agresif veya eğer n microfeatures deforme olurlar. bağlanmış cihazların kesitlerini incelenmesi microfeature deformasyon olayları ortaya çıkaracaktır. her özel plastik çözücü sistem için bu tür incelemeleri yapabilme istenen mikro kalitesini elde etmek için en uygun parametreleri kurmak yardımcı olabilir. Örnek görüntüler uygun (sol) ile bağlanmış bir 500 mikron kare PMMA kanalının enine kesitler ve aşırı agresif (sağ) çözücü karışımları için gösterilmiştir. Çözücü ile indüklenen deformasyon ölçüde iki göstergeler köşeleri düz duvarların yuvarlama ve çözücünün (sarı oklar) ile temas halinde olan yüzeylerin en plastik bir çözücü açısından zengin tabaka kalınlığı bulunmaktadır. Ölçek çubuğu = 200 mikron. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4: Mikroskopi Tahribatsız Muayene. bir optik mikroskop ile dikkatli muayene özellikle microfeature kenarlarına yakın, bağlanmamış plastik bölgelerini belirlemek, ya da küçük bağ alanlarında olabilir. Yapışmayan bölgeler (kırmızı oklar) nedeniyle plastik tabakalar arasındaki ince hava boşluğu bağlanmış bölgelerden biraz daha koyu görünür ve renkli girişim saçaklar de bazen bu alanlarda görebilir. yerel sorunlu noktaları eklenmiş çözücü yoksul bağ bölgeleri belirlenmesi, yapıştırma ikinci tekrarında ihtiyacını gösterebilir. Ölçek çubuğu = 1 mm.
Şekil 5: Yalnızca Yivli Solvent Ekleme tarafından Kanallar hasar en aza indirmek. mikroskop görüntüsü iki oluk ile çevrili bir PMMA kanalının enine kesitini göstermektedir. Çözücü Groov eklenebilires iki cihaz katmanları yerine çözücü ile bağ arayüzü sel yerine, birbirine bastırılmış iken. Bu büyük ölçüde Mikrokanallı içiyle çözücü teması en aza indirir ve böylece solvent uyarılı deformasyon en aza indirir. saldırgan bir çözücü yüksek yapışma gücü ve kapsama sağlamak için gerekli, ancak solvent ve mikrokanalların arasındaki temas en aza indirilmesi gerekiyor olduğunda bu yaklaşım yararlıdır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 6: Dayanıklılık ve (Plazma Destekli) Termal yapıştırma Karşılaştırma. Çözücü yapıştırma (A), hücre plazma destekli termal bağlama (B) ya da ısıl bağlama (C) teknikleri daha iyi bir bağ kalitesi ve aynı zamanda daha iyi bir dayanıklılık elde edilirkuluçka koşulları (37 ° C,% 100 nem). Hem termal teknikler rutin plazma destekli termal yapıştırma normal termal bağlama daha iyi olmak, bağlanmamış plastik çevreleyen microfeatures önemli "haleleri" bırakın. Bu tahviller de bağlanmamış bölgeler boyutu büyüyen, zamanla kötüleşir. Solvent bağlanmış COP cihaz inkübatör (A), tamamen (B) delaminated plazma termal bağlanmış cihaz 48 saat boyunca bağ hiçbir değişiklik göstermezken. Normal termal bağlanmış cihaz ortam koşullarında 10 dakika boyunca (° C) içinde delamine olmaya başladı ve inkübatör tamamen delamine. Ölçek Çubuklar = 5 mm. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
| Plastik | çözücü | | Basınç (kPa) | Süre (dk) | notlar | | ||
| PMMA | % 100 Etanol | 70 | 2300 | 2 | (Yüksek basınç için gereklidir) ısıtmalı pres varsa en iyi seçenek. Sürekli microfeatures düşük deformasyon ile (çözücü tutma oluklar kullanımı olmadan) mükemmel bağ kapsama verir. çok az çözücü gerektirir ve bağlı yüksek basınç yapıştırma arayüzünde kabarcıklar ve toz / kir çok duyarsızdır. | ||
| PMMA | % 75 aseton /% 25 su | 40 | 30 | 20 | Yukarıdaki yönteme aşağı tutarlılık ve uzun sürer, ama (ocak ve serbest ağırlıklarla yapılabilir) ısıtmalı basın gerektirmez. Bond kapsama ölçüde çözücü tutma oluklar kullanımı ile destekli olduğunu. | ||
| POLİS % 35 Sikloheksan /% 65 2-propanol | 25 -> 70 * | 350 | 15 * | Bu Ocak gözü önceden ısıtılması çok başlangıç buharlaşma neden olduğu bulundu ve aynı zamanda plastik beyazlatma neden olması. Bunun yerine, bir oda sıcaklığı sıcak plaka üzerinde Cihazı ve daha sonra 70 ° C'de (5 ° C / dk'lık bir rampa oranında) sıcaklığı artar. Sıcaklık, ilave 15 dakika boyunca bu sıcaklıkta (9 dakika) 70 ° C'de, bono stabilize sonra. | |||
Tablo 1: Solvent Bağlar Parametreleri. PMMA ve COP çözücüyle bağlama protokolü plastik solventler, sıcaklıklar, basınçlar ve kombinasyonları özeti.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Potansiyel yapıştırma stratejilerinin fizibilite mevcut donanımına bağlıdır. ocak oldukça yaygındır ve serbest ağırlıklar ucuz satın alınabilir olsa da, yüksek basınç stratejileri ısıtılmış pres kullanımını gerektirecektir. Örneğin, optimum PMMA yapıştırma tarifi etanol (bakınız Tablo 1) ile bağ yüksek basınç gerektirir ve gerekli basınç serbest ağırlıklar kullanılarak tipik cihaz boyutları için ulaşılabilir değil. Sadece ocak ve ağırlıklar kullanılabilir Böylece, PMMA yerine farklı bir çözücü (su içinde% 75 aseton) ile bağlanabilir. Buna ek olarak, aynı zamanda, yüksek basınç gereklidir, özellikle uygulanabilirliğini sınırlayabilir davlumbaz gerektiren çözücülerin kullanımı Bu tür stratejiler ısıtılmış bir pres kullanımı ve bir davlumbaz içine sıkı bir şekilde oturan ihtiyacının hem de gerektiren gibi. Bu düşünceler yeni solvent plastik sistemlerini geliştirirken daha az zararlı solventler ve düşük basınçta verilen tercih çözücü seçimler rehberlik edebilirhala yüksek kaliteli yapıştırma sunuyoruz s.
bir çözücü yapıştırma yöntemi, belirli bir plastik için optimize edildikten sonra, bağlanma işlemi esnasında buharlaşma etkilerinden dolayı aygıt kenarlarında kötü bir birleşme içerisinde kalan güçlükler olabilir. Temsilcisi Sonuçlar bölümünde belirtildiği gibi, bu sorunları azaltmak için bir strateji ilgi kenarları (paralel çalışan bir çözücü tutma oluk ektir, yani cihazın dış kenarı ve genellikle sergileyen herhangi bir kanal veya limanlarda yanında yapıştırma zorluk). Buna ek olarak, iki veya daha fazla geçiş deliği portu çözücü pipetle oluklara doğrudan eklenebilir, öyle ki (ve / veya olukların bağlanabilir), her oluk eklenebilir. Yerine büyük ölçüde çözücü madde ve mikro duvarları arasındaki temas (bakınız Şekil 5) en aza indirir yapıştırma arayüzü, sel oluklarına eklenebilir çözücü: (i) bu iki potansiyel kullanım alanı vardıryapıştırma başlangıç girişimi zayıf bağ kapsama bazı alanlarda bırakırsa ve (ii), daha çözücü sık microfeatures etrafında kalan kritik alanlarda kapatan yapıştırma ikinci tur için yerel eklenebilir. Oluklar üretim zamanına ekleyebilir ve onlar cihazda yer kaplar çünkü bazı yüksek yoğunluklu tasarımlar için uygun olmayabilir fazlalaştı.
yapıştırma stratejileri ile ortak bir meydan okuma yapıştırma sırasında cihaz katmanları hizalama olduğunu. Çeşitli stratejiler doğruluğu gereksinimlerine bağlı olarak, mümkündür. Hizalama (bütün microfeatures düz yatan alt tabakaya bağlı olan tek bir tabaka üzerinde, yani, eğer varsa) kritik değildir, elle daha sonra elle hizalama yeterlidir. Bu bireysel araştırmacının beceri biraz bağlı olsa da daha zorlu hizalama gereksinimleri için, elle hizalama hala yeterli olabilir. Biz rutin 100 um içinde hizalama doğruluğu elde ve akıllı kararlar yapabilirsiniz(hafif hizalama hata payları cihazın performansını etkilemez, öyle ki eğer mümkünse cihazın microfeatures içine toleransları tasarlayarak, yani) cihazın tasarım hizalama doğruluk gereksinimlerini rahatlayabilirsiniz. El hizalama ile yardımcı olmak için yararlı bir tekniktir yapıştırma yüzeyini kapsayacak şekilde mümkün olduğunca az çözücü kullanmaktır. çözücü aşırı miktarda plastik tabakalar sıvı ince bir tabaka üzerinde "float" ve cihaz ocak ya da ısıtılmış basına transfer edildiğinde onların uyum sağlamak değil. Bunun aksine, bir çözücü çok ince bir tabaka birlikte plastik tabakaları "geçerli" ve elle ayarlanabilir sonra hizalama temin edilmesine yardımcı olur.
daha doğru hizalama gerekiyorsa, olası stratejiler katman pozisyonları, ya da özel yapım jig sabitlemek için cihazın dış bant kullanarak, cihaz katmanları geçmesi L-şekilli bir arada aygıt katmanları tutmak için köşe dirsekleri, hizalama işaretçilerine içerdiğini t tutabilirbirleştirme aşaması esnasında da cihazı. Bu stratejilerin her için hizalama donanım tipik olarak, basınç bağlama sırasında cihazın karşısında uygulanabilir cihazın toplam yığın yüksekliği daha kısa olması gerektiğini not edin.
Solvent yapıştırma için zorluk genellikle genişlik, ama sığ mikrokanallar aşırı agresif çözücü veya aşırı yüksek sıcaklık ve basınç ile çöktü çünkü mikrokanalların derinliğidir. Belirli bir derinlik için, daha geniş kanallar dar kanallardan daha daraltmak karşı daha hassastır. Biz (nedeniyle biz kullanabilirsiniz asgari Frezeler çapı kısıtlamak CNC freze sınırlamalara) genişliğinde 50 mikron altındaki kanallar fabrikasyon olmasına rağmen, rutin 25 mikron mertebesinde mesafeler ayrılmış kanalları bağlanmış olması. derinlik açısından, biz de başarıyla bu yöntemi kullanarak çok sığ kanalları (~ 15 mikron) bağlanmış olması.
Son olarak, bir karşılaştırmasıvı faz diğer bağlama teknikleri için çözücüyle bağlamanın garanti edilir. Diğer üç ortak bağlama teknikleri buhar fazı çözücü bağlama, termal difüzyon yapıştırma ve plazma destekli termal difüzyon bağlama vardır. Buhar fazı çözücü yapıştırma sıvı faz çözücü bağ özellikleri birçok hisse senetleri, ama bizim deneyim daha az tutarlı sonuçlara yol açan, performans ve daha az ayarlanabilir daha zordur. buhar fazında çözücü uygulayan bir vakum odası ya da bir aygıt tutucu ile bir buhar odasını ya gerektirir ve biz süreç sıvı kullanılarak daha az kontrol edilebilir bulabilirsiniz. Neredeyse bütün karışımları olmayan azeotropik olarak Ek olarak, buhar fazı teknikleri, çözücü karışımları ile kullanılmak için nadir uygundurlar ve bu nedenle çevre basıncı ve sıcaklığına bağlı olarak, gaz fazı sıvı kendi bileşimini değiştirir.
Termal difüzyon bağlama cam geçiş sıcaklığına yakın yüksek sıcaklıkta, birlikte cihazın çok tabakanın preslenmesi içerirPlastik (T g) verdi. Yüksek sıcaklık zincirleri yapışma arayüzü boyunca aralarında difüzyon ve bağ oluşturmak için izin polimer zincir hareketliliğini artırır. Tüm cihazın aynı sıcaklıkta ısıtıldı, çünkü 10 Ancak, zincir hareket her artar ve microfeatures deforme olur ve 9,10 yuvarlanır. Böylece, (nedeniyle yüksek yapışma sıcaklığı) birleşme kuvvetinin arttırılmasına microfeatures zarar doğrudan maliyetle geliyor. Termal bağlama için bir modifikasyon, polimerin 20 lokal (yüzey) Tg düşüren bir ön bağlama oksijen plazma yüzey işlem, kullanılmasıdır. Bu plazma destekli termal birleştirme, böylece daha uzakta dökme T g, daha düşük ısılarda gerçekleşmesi için bağ sağlar. Bu termal bağlama göre microfeatures için deformasyon miktarını azaltmak olsa da, biz ilk bağ kapsamı ve gücü bağ çözücü göre hala çok düşüktür ve im buldukportantly, tahviller sonraki saatten fazla aşağılamak. Şekil 6'da gösterildiği gibi, bir çözücü bağlanmış cihazların herhangi bir değişiklik göstermezken, plazma destekli termal bağlanmış aygıtlar, bir hücre kuluçka makinesi içinde 48 saat içindeki bağ kapsamı önemli bir kayıp gösterdi.
Burada, PMMA için kaliteli tahvil ve COP mikroakışkan cihazlar elde etmek için sıvı solvent bazlı yapıştırma dayanan basit ve etkili bir protokol nitelendirdi. Bizim sonuçları PMMA ve COP yapıştırılması için belirli adımlar önemsiz microfeatures deformasyon ve çözücü yapıştırma işlemi sırasında sık pratik sorunları aşmak için oluklar ve hizalama donanım bu kullanım ile güçlü ve optik açıdan berrak tahvil yol açacağını göstermiştir. fabrikasyon sürecine bu yöntemi birleştirilerek PMMA ve COP-tabanlı mikroakışkan cihazların gelişimini hızlandırmak ve daha kolay bir şekilde mikroakışkan cihaz tasarımlar içine termoplastik benimsemeye araştırmacılar sağlayacaktır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar hiçbir rakip mali çıkarları olduğunu beyan ederim.
Acknowledgments
Biz Doğa Bilimleri ve Kanada'nın (NSERC, # 436117-2013) Mühendislik Araştırma Konseyi, Kanser Araştırma Derneği (CRS, # 20172), Miyelom Kanada ve Büyük Zorluklar Kanada mali destek kabul.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| COP | Zeonor | 604Z1020R080 | 20 kg COP Pellets - 1020R. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics. |
| PMMA | McMaster Carr | 8560K173 | 1.5 mm sheet thickness for our typical applications. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics. |
| Cyclohexane | Sigma-Aldrich | 227048 | Cyclohexane, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. Toxic, requires fumehood. |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 24102 | Ethanol, absolute, ≥99.8% (GC). Multiple suppliers can be used. |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 179124 | Acetone, ACS reagent, ≥99.5%. Multiple suppliers can be used. |
| 2-Propanol | Sigma-Aldrich | 278475 | 2-Propanol, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. |
| Hot plate(s) | Torrey Pines Scientific | HP60 | Fully programmable digital hotplate. Multiple suppliers can be used. |
| Free weights | Cap Barbell | RPG#2 | Standard cast iron plate. Multiple suppliers and different weights can be used. |
| Heated press | Carver | Auto CH | Auto series heated hydraulic press. Multiple suppliers can be used. A press that fits in a fumehood would allow the most flexibility (this model does not). |
| CNC Milling Machine | Tormach | PCNC 770 | 3 Axis CNC mill. Multiple suppliers can be used. |
| Endmills | Various | Various | Required sizes depend on designs. Multiple suppliers can be used. |
References
- Beebe, D. J., Mensing, G. A., Walker, G. M. Physics and applications of microfluidics in biology. Annual Review of Biomedical Engineering. 4, 261-286 (2002).
- Situma, C., Hashimoto, M., Soper, S. a Merging microfluidics with microarray-based bioassays. Biomolecular Engineering. 23 (5), 213-231 (2006).
- Paguirigan, A. L., Beebe, D. J. Microfluidics meet cell biology: Bridging the gap by validation and application of microscale techniques for cell biological assays. BioEssays. 30 (9), 811-821 (2008).
- Young, E. W. K., Beebe, D. J. Fundamentals of microfluidic cell culture in controlled microenvironments. Chemical Society Reviews. 39 (3), 1036-1048 (2010).
- Duffy, D. C., McDonald, J. C., Schueller, O. J. A., Whitesides, G. M. Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane). Analytical Chemistry. 70 (23), 4974-4984 (1998).
- Berthier, E., Young, E. W. K., Beebe, D. Engineers are from PDMS-land, Biologists are from Polystyrenia. Lab on a Chip. 12 (7), 1224-1237 (2012).
- Sackmann, E. K., Fulton, A. L., Beebe, D. J. The present and future role of microfluidics in biomedical research. Nature. 507 (7491), 181-189 (2014).
- Young, E. W. K., Berthier, E., Beebe, D. J. Assessment of enhanced autofluorescence and impact on cell microscopy for microfabricated thermoplastic devices. Analytical Chemistry. 85 (1), 44-49 (2013).
- Wallow, T. I., Morales, A. M., et al. Low-distortion, high-strength bonding of thermoplastic microfluidic devices employing case-II diffusion-mediated permeant activation. Lab on a Chip. 7 (12), 1825-1831 (2007).
- Tsao, C. W., DeVoe, D. L.
- Young, E. W. K., Berthier, E., et al. Rapid prototyping of arrayed microfluidic systems in polystyrene for cell-based assays. Analytical Chemistry. 83 (4), 1408-1417 (2011).
- Truckenmüller, R., Henzi, P., Herrmann, D., Saile, V., Schomburg, W. K. Bonding of polymer microstructures by UV irradiation and subsequent welding at low temperatures. Microsystem Technologies. 10 (5), 372-374 (2004).
- Tsao, C. W., Hromada, L., Liu, J., Kumar, P., DeVoe, D. L. Low temperature bonding of PMMA and COC microfluidic substrates using UV/ozone surface treatment. Lab on a Chip. 7 (4), 499-505 (2007).
- Wan, A. M. D., Sadri, A., Young, E. W. K. Liquid phase solvent bonding of plastic microfluidic devices assisted by retention grooves. Lab on a Chip. 15 (18), 3785-3792 (2015).
- Guckenberger, D. J., de Groot, T. E., Wan, A. M. D., Beebe, D. J., Young, E. W. K. Micromilling: a method for ultra-rapid prototyping of plastic microfluidic devices. Lab on a Chip. 15 (11), 2364-2378 (2015).
- Cameron, N. S., Roberge, H., Veres, T., Jakeway, S. C., John Crabtree, H. High fidelity, high yield production of microfluidic devices by hot embossing lithography: rheology and stiction. Lab on a Chip. 6 (7), 936 (2006).
- Yang, S., Devoe, D. L. Microfluidic device fabrication by thermoplastic hot-embossing. Methods in Molecular Biology. 949, 115-123 (2013).
- Konstantinou, D., Shirazi, A., Sadri, A., Young, E. W. K. Combined hot embossing and milling for medium volume production of thermoplastic microfluidic devices. Sensors and Actuators B: Chemical. 234, 209-221 (2016).
- Maszara, W. P., Goetz, G., Caviglia, A., McKitterick, J. B. Bonding of silicon wafers for silicon-on-insulator. Journal of Applied Physics. 64 (10), 4943 (1988).
- Bhattacharyya, A., Klapperich, C. M. Mechanical and chemical analysis of plasma and ultraviolet-ozone surface treatments for thermal bonding of polymeric microfluidic devices. Lab on a Chip. 7 (7), 876-882 (2007).
