mikrofluidikai eszkÖzÖk megvalÓsÍtÁsa És alkalmazÁsa

BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICSDEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY

MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK MEGVALÓSÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA

KÉSZÍTETTE: HORVÁTH ESZTER

/38Mikrofluidika 22

Tartalom

• mikrofluidika szerepe és felhasználása,• elméleti összefoglaló,• mikrofluidikai eszközök megvalósítása,• fluidikai eszközök, megvalósítása,• csatorna kialakítása LTCC-ben,• vízhűtéses rendszer,• anyagok választása,• alkalmazások.

/38Mikrofluidika 33

MIKROFLUIDIKA

• A mikrofluidika olyan folyadékok viselkedésével, írányításával és precíz kezelésével foglalkozik, amelyekhez tipikusan milliméter alatti geometriai méretű csatornákat használnak.

• A mikro tipikusan a következő tulajdonságok egyikét jelenti:- kicsi térfogat (µl, nl, pl, fl),- kis méret,- kisebb energiafogyasztás,- mikro-tartományok hatása.

• Multidiszciplináris terület

/38Mikrofluidika 4

MIKROFLUIDIKA TERET HÓDÍTStatisztika

0200000400000600000800000

100000012000001400000

1995

1998

2001

2004

2007

Év

Cik

ke

k s

zám

a

Összes cikk

Statisztika

0

1000

2000

3000

4000

1995

1997

1999

2001

2003

2005

2007

Év

Cik

ke

k s

zám

a

Mikrofluidikacikkek

Statisztika

0

0,0005

0,001

0,0015

0,002

0,0025

0,003

1995

1997

1999

2001

2003

2005

2007

Év

% Részesedés

Google science cikkek alapján

4

/38Mikrofluidika 55

MIKROFLUIDIKA

Területek:• mérnöki, • fizikai, • kémiai, • mikrotechnológiai, • biotechnológiai ismeretekre alapoz.

Mikrofluidika a 80-as évek elején jelent meg a tintasugaras nyomtatófejek fejlesztésénél.

Alkalmazás:• DNS chipek,• lab-on-a-chip technológia,• mikro-hajtások, és mikro-termikus technológiák.

/38Mikrofluidika 6

A NAVIER-STOKES EGYENLET

• Az áramló folyadék mozgásegyenlete• Kiindulás: Newton II. :

• A mozgó folyadék-térrészre felírva:

• Megoldása állandó sűrűség és viszkozitás esetén:

/38Mikrofluidika 77

REYNOLDS-SZÁM (ÁRAMLÁSI JELLEMZŐ)

• A folyadékok mechanikájában az áramlásra jellemző dimenzió nélküli szám.

• Jele: Re. • A d átmérőjű csőben v sebességgel áramló ρ

sűrűségű és n belső súrlódási együtthatójú folyadék esetén:

• Ha a Reynolds-szám egy kritikus értéket túllép, akkor az áramlás turbulenssé válik.

n

dvRe

/38Mikrofluidika 8

ÁRAMLÁSOK TÍPUSAI• A folyadéksúrlódás következtében fellépő erő nem a súrlódó

felületekre ható nyomóerőtől, hanem a folyadék viszkozitásától, az egymáson elcsúszó folyadékrétegek sebességkülönbségétől és e rétegek felszínének nagyságától függ. Ez az úgynevezett belső súrlódás.

• Ha a folyadék kis sebességgel áramlik, akkor a belső súrlódás hatására az egyes folyadékrészecskék egymással párhuzamosan áramlanak, sebességük azonban a cső falánál nulla, közepe felé fokozatosan nő. Az ilyen áramlást réteges áramlásnak (lamináris áramlás) nevezik.

8

réteges áramlás turbulens áramlás

/38Mikrofluidika 9

MEGOLDÁS MIKROFLUIDIKAI KÖZEGBEN

• A térrész mozgásmennyiség-változása elhanyagolható:

• Következmények:• Linearitás: A hálózat lineáris, Kirchhoff – törvény

érvényes• Reverzibilitás: A t -> -t vagy u -> -u csere nem változtat

a megoldáson• Turbulencia mentes áramlás, kapillaritás

/38Mikrofluidika 10

A REVERZIBILITÁS KÖVETKEZMÉNYE

Alacsony Re esetén:• A Tesla-szelep nem működik• u -> -u csere azonos

megoldást ad!

/38Mikrofluidika 11

ELEKTROMOS FELÜLETI TÖLTÉS, DIFFÚZIÓ

Elektro-ozmotikus áramlás

Nyomás hajtott áramlás

/38Mikrofluidika 1212

MIKROFLUIDIKA FIZIKÁJA ÉS ÖSSZEFÜGGÉSEI

[1] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/fluid.html#flucon

Folyadékok

Nyomás

Kinetikus energia

Állandó folyadék nyomás

Potenciális energia

Ozmózis

Bernoulli törvény

Membrán transzport

ViszkozitásTurbulens hatás

Poiseuille törvény

Archimedes törvény

Laplace törvény

Fal feszültség

Kapilláris hatás

Diffúzió

SúrlódásPascal törvény

Felhajtó erő

Belső energia

Felületi feszültség

Hidraulikus nyomás

Nem Newton-i folyadékok

összegezve

és

és

mozgás esetén

/38Mikrofluidika 13

MICROFLUIDIKAI RENDSZEREKHEZ ALKALMAZOTT ANYAGOK ÉS TECHNOLÓGIÁK

13

PBM (protonnyalábos mikromegmunkálás)

LIGA (Lithographie, Galvanoformung, Abformung)

Reziszt lehet: pozitív reziszt pl.: PMMA (poly-methyl methacrylate) és

negatív reziszt pl.: SU-8 (glycidyl ether of bisphenol-A)

üveg

• fotolitográfia• csiszolás

szilícium

• LIGA• fotolitográfia• PBM • direkt írás

műanyag (PDMS)

• LIGA• fotolitográfia• soft litográfia

LTCC

• lyukasztás• lézer• direkt írás

/38Mikrofluidika 1414

ÖNTŐFORMA ALKALMAZÁSA MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖKNÉL

PDMS (poli-dimetil-sziloxán) alapú csatorna készítése

[2] Tabeling, P.: Introduction to Microfluidics 2005

/38Mikrofluidika 1515

Üveg alapú, szilíciummal fedett csatorna

Üvegre szilícium felvitele

Fotolitográfia

Nedves maratás (HF)

Anódos kötés

MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK ÜVEG ÉS SZILÍCIUM FELHASZNÁLÁSÁVAL

[2] Tabeling, P.: Introduction to Microfluidics 2005

/38Mikrofluidika 16

LTCC - LOW TEMPERATURE COFIRED CERAMICS

LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics):• anyaga: üveg-kerámia,

• együttégetett pakett 850 C-on,

• eltemetett huzalozás, R és C alkatrészek,

• vastagréteg hibrid IC technológiával kompatibilis

Térfogat zsugorodás a kiégetés következtében:

• X;Y tengely mentén: 12%-16% (0.2%)

• Z irányban: 15%-25% (0.5%)

Kiégetett LTCC anyagösszetétele:

• Al2O3 (~45%)

• MgO

• Pb2O5 -Ba2O3 -SiO2 üveg

16[3] Yoshihiko Imanaka: LTCC technology 2005, Springer

/38Mikrofluidika 1717

A MIKROFLUIDIKÁS LTCC HORDOZÓK TECHNOLÓGIAI SZEKVENCIÁI a, Viák és csatornák készítése

Zöld (kiégetetlen) üveg-kerámia rétegek lyukasztása, kivágása a viák és csatornák részére.

b, Viák kitöltéseA viákkal rendelkező rétegek kitöltése vezető pasztával.

c, Vezető és ellenállás rétegek felhordásaVezető és ellenállás rétegek felvitele a nyers üvegkerámiára szitanyomtatással.

d, A pakett összeállításaNyers hordozók egymásra helyezése a csatornát fedő rétegek kivételével (pakettálás).

/38Mikrofluidika 18

A MIKROFLUIDIKÁS LTCC HORDOZÓK TECHNOLÓGIAI SZEKVENCIÁIe, Csatorna kitöltése

Csatorna kitöltése áldozati anyaggal (ami kiégetés során elpárolog/elég), majd a fedő rétegek ráhelyezése a pakettre.

f, Pakett kiégetése (hő, nyomás)A kiégetés során a hordozóból elpárolognak a szerves oldószerek és az áldozati anyag.

g, Felület(ek)re huzalozás és R,C elemek megvalósításaA kiégetett LTCC hordozó felületén R,C hálózat felvitele és beégetése.

18

/38Mikrofluidika 1919

MIKROFLUIDIKA CSATORNA MEGVALÓSÍTÁSA LTCC HORDOZÓBAN

Nyers LTCC hordozók előkészítése és illesztése lamináláshoz

Kezdeti laminálás: 20 atm, 70 ˚C

Csatorna kitöltése SVM (sacrificial volume materials) anyaggal, majd fedőréteg laminálása

Végső laminálás: 200 atm, 45 ˚C és kiégetés 875 ˚C

[4] Elsevier: Microchannel fabrication process in LTCC ceramics, Karol Malecha, Leszek J. Golonka, 2008

/38Mikrofluidika 20

LTCC-VEL KOMBINÁLT TECHNOLÓGIÁK

PMMA-LTCC-PMMA LTCC és Riston fólia

[5] Patricio Espinoza-Vallejos and Jorge Santiago-Avilés Photolithographic Feature Fabrication in LTCC, The International Journal of Microcircuits and Electronic Packaging, Volume 23, Number3,Third Quarter 2000 (ISSN 1063-1674)

20

/38Mikrofluidika 21

csatorna és süllyeszték kialakításáta alkalmas LTCC, HTCC és más kerámia hordozókban, megelőzi a többrétegű struktúrák deformációt a laminálás alatt, a kerámia lap nem horpad be kiégetés alatt, a kerámia károsítása nélkül párolog el, tiszta szenet tartalmaz, ezért oxigéndús környezetben való kiégetésnél nem hagy hamut és szénmaradványt, a szalagok laminálhatók, lyukaszthatók és lézerrel nagy pontossággal vághatók, a paszta szita- és stencil nyomtatással vagy diszpenzerrel vihető fel.

ANYAGOK CSATORNA KITÖLTÉSÉHEZ

Ádozati térfogatkitöltő anyagok (sacrificial volume materials):

• Dow Corning Silastic anyag,• cetil-alkohol,• High Purity Carbon szalag és paszta.

21

/38Mikrofluidika 2222

KIÉGETÉSI HŐPROFILOK

Módosított hőprofilEredeti hőprofil

DuPont 951 A2 Green Tape esetén

[4] Elsevier: Microchannel fabrication process in LTCC ceramics, Karol Malecha, Leszek J. Golonka, 2008

/38Mikrofluidika 2323

CSATORNÁK MEGVALÓSÍTÁSA LTCC HORDOZÓBAN

a,

b,

c,

Csatorna kitöltése áldozati anyagokkal

[4] Elsevier: Microchannel fabrication process in LTCC ceramics, Karol Malecha, Leszek J. Golonka, 2008

/38Mikrofluidika 2424

CSATORNA MEGVALÓSÍTÁSA LTCC HORDOZÓN

• áldozati réteg nyomtatása,

• szárítani 125 ˚C-on 25 percig,

• arany réteg nyomtatása,

• 850 ˚C-on kiégetni,

• foszforsavba meríteni 5 percig.[6] Elsevier: Microsystems elements based on free-standing thick-films made with a new sacrificial layer process, Claude Lucat, Patrick Ginet, Christophe Castille, Hélčne Debéda, Francis Ménil, 2008

/38Mikrofluidika 2525

TERVEZETT KOMPLETT MIKROFLUIDIKAI RENDSZER

Vízminőség analizáló rendszer

[7] BULLETIN OF THE POLISH ACADEMY OF SCIENCES: Technology and applications of Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC) based sensors and microsystems, L.J. GOLONKA, 2006

/38Mikrofluidika 26

HŐSZÁLLÍTÁSI STRUKTÚRÁK

• cikk-cakk,

• kör alakú csatorna

légoszlopokkal,

• spirál csatorna.

[8] Elsevier sensors and actuators A: LTCC microflow analyzers with monolithic integration of thermal control, Cynthia S. Martınez-Cisneros, Núria Ibánez-Garcia, Francisco Valdes , Julian Alons, 2007

26

/38Mikrofluidika 27

VÍZHŰTÉSES RENDSZER• Nd:YAG lézer alkalmas 3D struktúrák kialakítására LTCC hordozókban,

• legalább 50 um átmérőjű via létrehozható kiégetett és kiégetetlen hordozóban.

• A viák minősége függ a hordozó típusától pl.: kémiai összetétel, fizikai struktúra,

• a lézer paramétereinek beállításához előzetes

próbaviák készítése szükséges,

• viák használatával 3D csatornahálózat is

megvalósítható,

• 0,1–5 mm széles csatornák létesíthetők a LTCC-ben

• a csatorna minősége függ a laminálási paraméterektől,

• csatorna kiterjedése (hossza) növelhető, ha több

rétegen keresztül vezetjük, habár a rétegek egymásra helyezése a legkritikusabb ebben a folyamatban,

• kísérletek alapján a vízhűtéses rendszer 12-szer jobb, mint a természetes konvekció.

27

R

[9] Microelectronics International: Laser treatment of LTCC for 3D structures and elements fabrication, Jaroslaw Kita, Andrzej Dziedzic, Leszek J. Golonka, Tomasz Zawada, 2002

/38Mikrofluidika 28

LTCC ANYAGOK VÁLASZTÁSA MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZHÖZ

Szempontok:• Green tape (diel. veszteség, vastagság),• Vezető (vezetés, forrasztás, bondolás),• Viakitöltő (kompatibilitás)• Ellenállás (érték, stabilitás)

Nedvesítési szög:

28

[10] International Microelectronics And Packaging Society: Chemical, Structural, and Mechanical Properties of the LTCC Tapes, W. Kinzy Jones, Yanqing Liu, Brooks Larsen, Peng Wang, and Marc Zampino, 2000

/38Mikrofluidika 29

NÉHÁNY ALKALMAZÁS

Horváth Eszter

/38Mikrofluidika 30

Elektronikus töltőtoll

NÉHÁNY ALKALMAZÁS

/38Mikrofluidika 31

A MIKROFLUIDIKA PIAC

nyomtató ipari automatika (áramlásérzékelő)

/38Mikrofluidika 32

A MIKROFLUIDIKA PIAC

ipari diszpenzer

/38Mikrofluidika 33

ENERGIARENDSZEREK

/38Mikrofluidika 34

ORVOSBIOLÓGIA, BIOÉRZÉKELŐK

DNS

• Bioreceptorok ( generált jel)

• Enzim ( reakciótermék)• Antitest ( tömegváltozás)• Receptorfehérje ( átengedett anyag)• Sejtszervek, sejtek, szövetek, mikroorganizmusok… (

anyagcseretermék)

/38Mikrofluidika 35

• 1. generáció (bioreceptort membrán rögzíti)• 2. generáció (elkülönülő egységek)• 3. generáció (beépülő bioreceptor)• + MEMS

(Micro Electro Mechanical Systems)

• Lab-on-a-chip (LOC)

BIOSZENZOR EVOLÚCIÓ

/38Mikrofluidika 36

BIOSZENZOROK FELHASZNÁLÁSI TERÜLETEI

• Ipari folyamatszabályozás

• Környezet monitorozás

• Haditechnika

• NASA (elektronikus orr, LOC biológiai labor)

/38Mikrofluidika 37

A MIKROFLUIDIKA TECHNIKAI JELENTŐSÉGE

Orvosbiológiai alkalmazások 150 résztvevője közül

/38Mikrofluidika 38

VÁRT PIACI NÖVEKEDÉS 5 ÉVEN BELÜL

Orvosbiológiai alkalmazások 150 résztvevője közül