Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK MEGVALÓSÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA KÉSZÍTETTE: HORVÁTH.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK MEGVALÓSÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA KÉSZÍTETTE: HORVÁTH."— Előadás másolata:

1 BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK MEGVALÓSÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA KÉSZÍTETTE: HORVÁTH ESZTER

2 /38 Mikrofluidika 22 Tartalom mikrofluidika szerepe és felhasználása, elméleti összefoglaló, mikrofluidikai eszközök megvalósítása, fluidikai eszközök, megvalósítása, csatorna kialakítása LTCC-ben, vízhűtéses rendszer, anyagok választása, alkalmazások.

3 /38 Mikrofluidika 3 3 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

4 /38 Mikrofluidika 4 MIKROFLUIDIKA TERET HÓDÍT Google science cikkek alapján 4

5 /38 Mikrofluidika 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.

6 /38 Mikrofluidika 6 A NAVIER-STOKES EGYENLET Az áramló folyadék mozgásegyenlete Kiindulás: Newton II. : A mozgó folyadék-térrészre felírva: Megoldása állandó sűrűség és viszkozitás esetén:

7 /38 Mikrofluidika 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.

8 /38 Mikrofluidika 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

9 /38 Mikrofluidika 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

10 /38 Mikrofluidika 10 A REVERZIBILITÁS KÖVETKEZMÉNYE Alacsony Re esetén: A Tesla-szelep nem működik u -> -u csere azonos megoldást ad!

11 /38 Mikrofluidika 11 ELEKTROMOS FELÜLETI TÖLTÉS, DIFFÚZIÓ Elektro-ozmotikus áramlás Nyomás hajtott áramlás

12 /38 Mikrofluidika 12 MIKROFLUIDIKA FIZIKÁJA ÉS ÖSSZEFÜGGÉSEI [1] Folyadékok Nyomás Kinetikus energia Állandó folyadék nyomás Potenciális energia Ozmózis Bernoulli törvény Membrán transzport Viszkozitás Turbulens hatás Poiseuille törvény Archimedes törvény Laplace törvény Fal feszültség Kapilláris hatás Diffúzió Súrlódás Pascal törvény Felhajtó erő Belső energia Felületi feszültség Hidraulikus nyomás Nem Newton-i folyadékok összegezve és mozgás esetén

13 /38 Mikrofluidika 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

14 /38 Mikrofluidika 14 ÖNTŐFORMA ALKALMAZÁSA MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖKNÉL PDMS (poli-dimetil-sziloxán) alapú csatorna készítése [2] Tabeling, P.: Introduction to Microfluidics 2005

15 /38 Mikrofluidika 15 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

16 /38 Mikrofluidika 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: Al 2 O 3 (~45%) MgO Pb 2 O 5 -Ba 2 O 3 -SiO 2 üveg 16 [3] Yoshihiko Imanaka: LTCC technology 2005, Springer

17 /38 Mikrofluidika 17 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 kitöltése A viákkal rendelkező rétegek kitöltése vezető pasztával. c, Vezető és ellenállás rétegek felhordása Vezető és ellenállás rétegek felvitele a nyers üvegkerámiára szitanyomtatással. d, A pakett összeállítása Nyers hordozók egymásra helyezése a csatornát fedő rétegek kivételével (pakettálás).

18 /38 Mikrofluidika 18 A MIKROFLUIDIKÁS LTCC HORDOZÓK TECHNOLÓGIAI SZEKVENCIÁI e, 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 megvalósítása A kiégetett LTCC hordozó felületén R,C hálózat felvitele és beégetése. 18

19 /38 Mikrofluidika 19 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

20 /38 Mikrofluidika 20 LTCC-VEL KOMBINÁLT TECHNOLÓGIÁK PMMA-LTCC-PMMALTCC 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 ) 20

21 /38 Mikrofluidika 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

22 /38 Mikrofluidika 22 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

23 /38 Mikrofluidika 23 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

24 /38 Mikrofluidika 24 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

25 /38 Mikrofluidika 25 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

26 /38 Mikrofluidika 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,

27 /38 Mikrofluidika 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

28 /38 Mikrofluidika 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

29 /38 Mikrofluidika 29 NÉHÁNY ALKALMAZÁS Horváth Eszter

30 /38 Mikrofluidika 30 Elektronikus töltőtoll NÉHÁNY ALKALMAZÁS

31 /38 Mikrofluidika 31 A MIKROFLUIDIKA PIAC nyomtató ipari automatika (áramlásérzékelő)

32 /38 Mikrofluidika 32 A MIKROFLUIDIKA PIAC ipari diszpenzer

33 /38 Mikrofluidika 33 ENERGIARENDSZEREK

34 /38 Mikrofluidika 34 ORVOSBIOLÓGIA, BIOÉRZÉKELŐK DNS Bioreceptorok (  generált jel) Enzim (  reakciótermék) Antitest (  tömegváltozás) Receptorfehérje (  átengedett anyag) Sejtszervek, sejtek, szövetek, mikroorganizmusok… (  anyagcseretermék)

35 /38 Mikrofluidika generáció (bioreceptort membrán rögzíti) 2. generáció (elkülönülő egységek) 3. generáció (beépülő bioreceptor) + MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)  Lab-on-a-chip (LOC) BIOSZENZOR EVOLÚCIÓ

36 /38 Mikrofluidika 36 BIOSZENZOROK FELHASZNÁLÁSI TERÜLETEI Ipari folyamatszabályozás Környezet monitorozás Haditechnika NASA (elektronikus orr, LOC biológiai labor)

37 /38 Mikrofluidika 37 A MIKROFLUIDIKA TECHNIKAI JELENTŐSÉGE Orvosbiológiai alkalmazások 150 résztvevője közül

38 /38 Mikrofluidika 38 VÁRT PIACI NÖVEKEDÉS 5 ÉVEN BELÜL Orvosbiológiai alkalmazások 150 résztvevője közül


Letölteni ppt "BUDAPEST UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND ECONOMICS DEPARTMENT OF ELECTRONICS TECHNOLOGY MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK MEGVALÓSÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA KÉSZÍTETTE: HORVÁTH."

Hasonló előadás


Google Hirdetések