mikrofluidikai eszkÖzÖk megvalÓsÍtÁsa És alkalmazÁsa
DESCRIPTION
MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK MEGVALÓSÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA. KÉSZÍTETTE: HORVÁTH ESZTER. Tartalom. mikrofluidika szerepe és felhasználása, elméleti összefoglaló, mikrofluidikai eszközök megvalósítása, fluidikai eszközök, megvalósítása, csatorna kialakítása LTCC-ben, vízhűtéses rendszer, - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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