Kakvu ulogu igraju ploče za grijanje u toplinskom spajanju mikrofluidnih čipova?

Mikrofluidni čipovi za medicinsku dijagnostiku i laboratorijske uređaje na čipu uključuju kanale koji su manji od širine ljudske vlasi. Izrađuju se topljenjem dvije ploče stakla ili plastike toplinom i pritiskom. Grijaća ploča koja vrši spajanje mora prenijeti svoju toplinu s kirurškom točnošću ili bi se kanali mogli urušiti ili deformirati. U brzo rastućem sektoru mikrofluidike, kvaliteta spojene brtve značajno utječe na funkcionalnost uređaja, s primjenama koje sežu od dijagnostike na-točki-njege do-organa-na--platformama čipa. Kanal koji curi ili ima buku čini čip bezvrijednim. Stoga je mikrofluidni proces spajanja čipova s ​​grijaćom pločom važan korak u proizvodnji. Zahtijeva izvrsnu ujednačenost temperature, brz odziv i čiste površine.

Proces lijepljenja: toplina, pritisak i preciznost
Toplinsko spajanje mikrofluidnih čipova često se sastoji od dva sloja supstrata - od stakla ili termoplastičnih polimera poput COC (ciklički olefin kopolimer) ili PMMA (polimetil metakrilat). Jedan sloj sadrži mikrokanale koji su urezani ili uliveni u njegovu površinu, a drugi sloj je pokrovni sloj. Ova dva lista savršeno su poravnata i postavljena između vrućih ploča laboratorijske preše ili posebne opreme za lijepljenje.

Sklop se podiže na temperaturu lijepljenja pločama koje primjenjuju kontroliranu silu. Na ovoj temperaturi polimerne površine postaju dovoljno fleksibilne da dopuste molekularnu međudifuziju preko sučelja kako bi se uspostavio trajni, hermetički spoj. Kod staklenih krhotina mehanizam je isti, ali na povišenim temperaturama (često 500-650C). Površine se povezuju međusobnom difuzijom atoma pod pritiskom.

Ključni izazov je da mikrokanali, ponekad 10-100 mikrometara široki i duboki, moraju biti potpuno otvoreni i bez izobličenja. Ako je temperatura preniska, vezivanje će biti slabo ili djelomično i doći će do curenja. Ako je temperatura pretjerano visoka ili ne-ujednačena, polimer teče u kanale, djelomično ili potpuno ih blokirajući. Jedan stupanj, jedan mikron je razlika između besprijekornog čipa i utega za papir.

Mikrofluidna ploča za spajanje: ključne značajke
Izvrsna ujednačenost temperature
Budući da je površina lijepljenja obično skromna (npr. . 50 mm × 50 mm do 200 mm × 200 mm), potrebna je stalna temperatura na cijeloj površini ploče. Standardna specifikacija za mikrofluidno spajanje navodi konzistenciju od ±0,5 stupnjeva preko korisne površine ploče. Vruće točke na lokalitetu izazivaju prerano omekšavanje i kolaps kanala, dok hladna mjesta proizvode nevezane regije. Da bi se postigla ova razina ujednačenosti, potrebno je precizno postavljanje grijača, upravljanje s više-zona ili veliko aluminijsko kućište s jakom toplinskom vodljivošću kako bi se izjednačili svi preostali temperaturni gradijenti.

Napomena o dizajnu: Termoelement treba implantirati izuzetno blizu gornje površine ploče (unutar 1-2 mm) kako bi se omogućila osjetljivija i preciznija kontrola temperature umjesto termoelementa duboko zakopanog u blok ploče. Senzor na površini smanjuje kašnjenje između očitanja regulatora i stvarne temperature na spojnoj površini, što je posebno važno za tanke polimerne uređaje s malom toplinskom masom.

Mala toplinska masa, brz toplinski odziv
U serijskoj obradi, mikrofluidno spajanje povezuje nekoliko sklopova čipova jedan za drugim. Kraći ciklusi grijanja i hlađenja povećavaju propusnost. Stoga se ploče za ovu upotrebu općenito proizvode od aluminija, koji ima visoku toplinsku vodljivost (≈205 W/m·K) i relativno nisku gustoću, umjesto od čelika. Toplinska difuznost aluminija omogućuje da ploča brzo reagira na izmjene koje izvrši PID regulator. Međutim, potrebno je paziti da se spriječi prženje aluminija blizu njegove točke taljenja; za lijepljenje stakla iznad 500 stupnjeva koriste se različiti materijali kao što su nehrđajući čelik ili keramičke ploče.

Glatka, polirana i bez nečistoća.
Površina ploče koja je u kontaktu s mikrofluidnim čipom mora biti polirana do zrcalnog sjaja (često Ra 0,4 μm ili bolje). Sve ogrebotine, čestice ili površinske greške prenose se na omekšani polimer uzrokujući kanale za curenje ili optičke defekte. Također, ploča mora biti kemijski čista i ne-kontaminirajuća. Za polimerno vezivanje, bilo koje sredstvo za oslobađanje ili površinski ostatak može ometati proces molekularnog vezivanja. Mnoge ploče za lijepljenje su ili lagano obložene PTFE-om ili nekim drugim neprianjajućim materijalom ili su samo polirani goli aluminij koji se pomno čisti između ciklusa.

Kada se koristi za otkrivanje fluorescencije ili slikanje, valjak ne smije stvarati nikakvu površinsku hrapavost ili zamagljenost vanjskog dijela čipa. Uobičajena je polirana ploča sa zaštitnim međuslojem kao što je film za čisto odvajanje.

Rasponi temperatura uobičajenih mikrofluidnih materijala
Temperatura vezivanja i tlak potrebni za materijal čipa su različiti. Grijaća ploča mora biti stabilna u rasponu temperature od interesa.

Bilješke o temperaturi materijala za tlak lijepljenja
COC (ciklički olefinski kopolimer) 110-130 stupnjeva 2-5 kN Niska apsorpcija vode Biokompatibilni PMMA (polimetil metakrilat) 100-115 stupnjeva 3-6 kN Niže talište od COC-a, sklon puzanju
Polikarbonat (PC) 120-150 stupnjeva 4-8 kN Poboljšana tvrdoća, niska kemijska otpornost
Staklo (borosilikat) 550-650 stupnjeva 1-3 kN Spore stope povećanja kako bi se izbjeglo pucanje uslijed naprezanja
Tipične temperature vezivanja za uobičajene polimere kao što su COC i PMMA su u rasponu od 100-150 stupnjeva. Na tim temperaturama dobro rade aluminijske ploče s grijačima uložaka ili grijačima od silikonske gume ugrađenim u njih. Za staklene čipove potrebna je upotreba NiCr ili SiC vrućih ploča s preciznim kanalima za hlađenje.

PID kontrola i procesni podaci
Često se grijana ploča za mikrofluidno spajanje koristi s PID (proporcionalnim-integralnim-izvedenim) regulatorom temperature. Ploča dostiže zadanu vrijednost bez prekoračenja i ostaje na toj temperaturi do vrlo uskih tolerancija (često ±0,1 stupanj ili bolje) zbog PID kontrole. Regulator očitava s termoelementa (Tip J, K ili T) umetnutog u tijelo ploče, po mogućnosti blizu površine kao što je gore navedeno.

Osim temperature, proces lijepljenja zahtijeva pažljivo upravljanje:

Brzina porasta temperature: Normalno 5-20 o C/min. Prerano rezultira toplinskim stresom i savijanjem.

Vrijeme namakanja: 5-30 minuta na temperaturi lijepljenja, kako bi se omogućila međudifuzija polimera ili aktivacija staklene površine.

Brzina hlađenja: kontrolirano hlađenje (npr.. 5–10 stupnjeva u minuti) sprječava zaostalo naprezanje u spojenom čipu.

UV{0}}lijepljenje: varijanta
Određeni mikrofluidni čipovi spajaju se metodama potpomognutim UV-zračenjem, posebno za materijale koje nije lako pričvrstiti toplinskim sredstvima (npr. PDMS na staklo) ili gdje su potrebne vrlo niske temperature za održavanje ugrađenih bioloških molekula. U takvim metodama, ploča za grijanje može biti prozirna za ultraljubičasto svjetlo ili sadržavati središnji otvor, kroz koji se ultraljubičasto zračenje može usmjeriti na kontakt za spajanje. Ploča još uvijek primjenjuje toplinu (obično samo 40-60C) i pritisak dok UV zračenje inicira umrežavanje posredničkog ljepljivog sloja. Ova jedinstvena primjena dostupna je s pločama za grijanje koje imaju kvarcne prozore ili probušene otvore.

Utjecaj loše izvedbe ploče na kvalitetu
Neadekvatna izvedba ploče dovest će do lošeg lijepljenja, što će se vidjeti na brojne načine:

Kolaps kanala – Polimer teče u kanal zbog previsoke temperature ili tlaka, snižavajući-presjek ili ga potpuno brtveći. Otkriveno vizualnim pregledom ili mjerenjem protoka.

Nepotpuno spajanje. Hladne točke ostavljaju nepovezana područja, uzrokujući curenje u servisu. Ispitivanja penetracije boje ili pada tlaka prema navedenom.

Iskrivljenost: Čip se iskrivi iz ravnine pod ne-ujednačenom temperaturom ili hlađenjem i stoga nije prikladan za integraciju s fluidnim interkonekcijama ili optičkim sustavima.

Površinska kontaminacija: Površina čipa oštećuje se grubim ili prljavim pločama, raspršujući svjetlost i oštećujući optičku detekciju.

Sve ove greške su izbjegnute dobrim dizajnom, dobro održavanim sustavom grijaće ploče.

Zaključak
Grijaća ploča za mikrofluidno vezivanje vrlo je osjetljiv instrument gdje termička kontrola izravno određuje kvalitetu proizvoda. Ono čini više od samog pružanja topline. Mora dati izvrsnu temperaturnu ujednačenost (obično ±0,5 stupnjeva), brz i predvidljiv toplinski odgovor, ulaštenu površinu-bez onečišćenja i stabilan rad pri navedenim temperaturama lijepljenja stakla ili polimera kao što su COC i PMMA. Sićušna značajka dizajna koja ima veliki utjecaj na upravljivost i ponovljivost su termoparovi postavljeni blizu površine ploče. Potreba za točnošću u izradi mikrofluidnih uređaja raste kako se ti uređaji i dalje smanjuju, a njihova upotreba u personaliziranoj medicini i visoko-probiru raste. Iako se često zanemaruje u općoj literaturi o laboratoriju-o--čipovima, grijaća ploča jedan je od bitnih čimbenika za pouzdanu i-proizvodnju mikrofluidnih čipova visokog učinka.