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, anyagok választása, alkalmazások. Mikrofluidika 2

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 Mikrofluidika 3

MIKROFLUIDIKA TERET HÓDÍT Google science cikkek alapján Mikrofluidika 4

MIKROFLUIDIKA Területek: Alkalmazás: 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. úgy tervezik meg az eszközt, hogy ilyen kis térfogatú folyadékot tudjon kezelni. Mikrofluidika 5

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

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. Mikrofluidika 7

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. A sebesség növekedésével egy úgynevezett kritikus sebesség fölött a különböző sebességű részecskék keveredése következtében turbulens áramlás jön létre. Ilyen esetben a súrlódási ellenállás nagymértékben megnő, a részecskék átlagsebessége - a határréteget leszámítva - megközelítően egyenlő. A súrlódási ellenállást lényegesen befolyásolja a csővezeték belső falának simasága, a keresztmetszet változása, görbülete, törése, stb. Ilyen esetekben helyenként erős örvénylések keletkeznek, ami jelentős energiaveszteséget okoz. réteges áramlás turbulens áramlás Mikrofluidika 8

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 Mikrofluidika

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

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

MIKROFLUIDIKA FIZIKÁJA ÉS ÖSSZEFÜGGÉSEI 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 [1] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/fluid.html#flucon Mikrofluidika 12

MICROFLUIDIKAI RENDSZEREKHEZ ALKALMAZOTT ANYAGOK ÉS TECHNOLÓGIÁK szilícium LIGA fotolitográfia PBM direkt írás műanyag (PDMS) LIGA fotolitográfia soft litográfia üveg fotolitográfia csiszolás LTCC lyukasztás lézer direkt írás 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) Üvegnél SU8 PDMS-nél PMMA Mikrofluidika 13

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

MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK ÜVEG ÉS SZILÍCIUM FELHASZNÁLÁSÁVAL Üvegre szilícium felvitele Fotolitográfia Nedves maratás (HF) Anódos kötés Üveg alapú, szilíciummal fedett csatorna [2] Tabeling, P.: Introduction to Microfluidics 2005 Mikrofluidika 15

LTCC - LOW TEMPERATURE COFIRED 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 [3] Yoshihiko Imanaka: LTCC technology 2005, Springer Mikrofluidika 16

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). Mikrofluidika 17

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. Mikrofluidika 18

MIKROFLUIDIKA CSATORNA MEGVALÓSÍTÁSA LTCC HORDOZÓBAN Csatorna kitöltése SVM (sacrificial volume materials) anyaggal, majd fedőréteg laminálása Végső laminálás: 200 atm, 45 ˚C és kiégetés 875 ˚C Nyers LTCC hordozók előkészítése és illesztése lamináláshoz Kezdeti laminálás: 20 atm, 70 ˚C [4] Elsevier: Microchannel fabrication process in LTCC ceramics, Karol Malecha, Leszek J. Golonka, 2008 Mikrofluidika 19

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) Üveg laminálása a kiégetett LTCC-re (corning 8511 glass) Mikrofluidika 20

ANYAGOK CSATORNA KITÖLTÉSÉHEZ Ádozati térfogatkitöltő anyagok (sacrificial volume materials): Dow Corning Silastic anyag, cetil-alkohol, High Purity Carbon szalag és paszta. 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. Mikrofluidika 21

KIÉGETÉSI HŐPROFILOK DuPont 951 A2 Green Tape esetén Eredeti hőprofil 450C-ig lelassított hőprofil, hogy a szerves oldószerek távozzanak Eredeti hőprofil Módosított hőprofil [4] Elsevier: Microchannel fabrication process in LTCC ceramics, Karol Malecha, Leszek J. Golonka, 2008 Mikrofluidika 22

CSATORNÁK MEGVALÓSÍTÁSA LTCC HORDOZÓBAN Csatorna kitöltése áldozati anyagokkal a, b, c, [4] Elsevier: Microchannel fabrication process in LTCC ceramics, Karol Malecha, Leszek J. Golonka, 2008 Mikrofluidika 23

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 Mikrofluidika 24

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 Mikrofluidika 25

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 Mikrofluidika 26

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. R [9] Microelectronics International: Laser treatment of LTCC for 3D structures and elements fabrication, Jaroslaw Kita, Andrzej Dziedzic, Leszek J. Golonka, Tomasz Zawada, 2002 Mikrofluidika 27

LTCC ANYAGOK VÁLASZTÁSA MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZHÖZ Szempontok: Green tape (diel. veszteség, vastagság), Vezető (vezetés, forrasztás, bondolás), Viakitöltő (kompatibilitás) Ellenállás (érték, stabilitás) Nedvesítési szög: [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 Mikrofluidika 28

NÉHÁNY ALKALMAZÁS Horváth Eszter Mikrofluidika

NÉHÁNY ALKALMAZÁS Elektronikus töltőtoll Mikrofluidika

A MIKROFLUIDIKA PIAC nyomtató ipari automatika (áramlásérzékelő)

A MIKROFLUIDIKA PIAC ipari diszpenzer Mikrofluidika

ENERGIARENDSZEREK Mikrofluidika

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

BIOSZENZOR EVOLÚCIÓ 1. generáció (bioreceptort membrán rögzíti) 2. generáció (elkülönülő egységek) 3. generáció (beépülő bioreceptor) + MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)  Lab-on-a-chip (LOC) Mikrofluidika

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

A MIKROFLUIDIKA TECHNIKAI JELENTŐSÉGE Orvosbiológiai alkalmazások 150 résztvevője közül Mikrofluidika

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