Ce rol joacă plăcile de încălzire în legarea termică a cipurilor microfluidice?

Cipurile microfluidice pentru diagnosticare medicală și dispozitive de laborator pe un cip includ canale care sunt mai mici decât lățimea unui păr uman. Sunt realizate prin topirea împreună a două foi de sticlă sau plastic cu căldură și presiune. Plata de încălzire care face lipirea trebuie să-și transmită căldura cu precizie chirurgicală, altfel canalele se pot prăbuși sau deforma. În sectorul microfluidicului în creștere rapidă, calitatea sigiliului lipit are un impact semnificativ asupra funcționalității dispozitivului, cu aplicații variind de la punct{3}}de-diagnosticare de îngrijire până la platforme de organ-pe-un-cip. Un canal cu scurgeri sau zgomot face cipul lipsit de valoare. Astfel, procesul de lipire a cipurilor microfluidice a plăcii de încălzire este o etapă importantă de fabricație. Necesită o uniformitate excelentă a temperaturii, un răspuns rapid și suprafețe curate.

Procesul de lipire: căldură, presiune și precizie
Legătura termică a cipurilor microfluidice cuprinde adesea două straturi de substrat - fie din sticlă, fie din polimeri termoplastici precum COC (copolimer ciclic de olefină) sau PMMA (metacrilat de polimetil). Un strat conține microcanale, care sunt gravate sau turnate pe suprafața sa, iar celălalt strat este stratul de acoperire. Aceste două foi sunt perfect aliniate și poziționate între plăcile fierbinți ale presei de laborator sau un echipament de lipire specific.

Ansamblul este ridicat la temperatura de lipire prin plăci care aplică forță controlată. La această temperatură, suprafețele polimerului devin suficient de flexibile pentru a permite interdifuzia moleculară peste interfață pentru a stabili o etanșare permanentă, ermetică. Cu așchiile de sticlă mecanismul este același, dar la temperaturi ridicate (adesea 500-650C). Suprafețele se leagă prin interdifuziunea atomilor sub presiune.

Provocarea cheie este că microcanalele, uneori cu lățime și adâncime de 10-100 de micrometri, trebuie să fie complet deschise și nedistorsionate. Dacă temperatura este prea scăzută, legarea va fi slabă sau parțială și vor apărea scurgeri. Dacă temperatura este excesiv de ridicată sau ne-uniformă, polimerul curge în canale, blocându-le parțial sau complet. Un grad, un micron este diferența dintre un cip impecabil și un pres hârtie.

Plată de legare microfluidică: caracteristici cheie
O uniformitate excelentă a temperaturii
Deoarece zona de lipire este de obicei modestă (de ex. . 50 mm × 50 mm până la 200 mm × 200 mm), este necesară o temperatură constantă pe toată suprafața plăcii. Specificația standard pentru lipirea microfluidică specifică o consistență de ± 0,5 grade pe suprafața plăcii utilizabilă. Punctele fierbinți din localitate induc înmuierea prematură și colapsul canalului, în timp ce locurile reci produc regiuni nelegate. Pentru a atinge acest nivel de uniformitate este nevoie de plasarea precisă a încălzitorului, gestionarea mai multor zone sau un corp mare din aluminiu, cu o conductivitate termică puternică, pentru a netezi orice gradienți de temperatură rămas.

Notă de proiectare: Termocuplul trebuie implantat extrem de aproape de suprafața superioară a platanului (în interval de 1-2 mm) pentru a oferi un control mai receptiv și mai precis al temperaturii, mai degrabă decât un termocuplu îngropat adânc în blocul platanului. Sentirea la suprafață reduce decalajul dintre citirea controlerului și temperatura reală la interfața de legătură, ceea ce este relevant în special pentru dispozitivele polimerice subțiri cu masă termică scăzută.

Masă termică mică, răspuns termic rapid
În procesarea în loturi, legăturile microfluidice leagă mai multe ansambluri de cip unul după altul. Ciclurile mai scurte de încălzire și răcire măresc randamentul. Prin urmare, plăcile pentru această utilizare sunt în general fabricate din aluminiu, care are o conductivitate termică ridicată (≈205 W/m·K) și o densitate relativ scăzută, în loc de oțel. Difuzivitatea termică a aluminiului permite platanului să reacționeze rapid la modificările efectuate de controlerul PID. Cu toate acestea, trebuie avut grijă pentru a preveni arderea aluminiului în apropierea punctului său de topire; pentru lipirea sticlei peste 500 de grade, sunt utilizate diferite materiale, cum ar fi oțel inoxidabil sau plăci ceramice.

Neted, lustruit și fără contaminanți.
Suprafața plăcii care intră în contact cu cipul microfluidic trebuie să fie lustruită până la o strălucire a oglinzii (adesea Ra 0,4 μm sau mai bună). Orice răzuire, particule sau defect de suprafață este transferat la polimerul înmuiat, provocând canale de scurgere sau defecte optice. De asemenea, placa trebuie să fie curată din punct de vedere chimic și să nu fie-contaminant. Pentru lipirea polimerilor, orice agent de eliberare sau reziduu de suprafață poate interfera cu procesul de legare moleculară. Multe plăci de lipire sunt fie ușor acoperite cu PTFE sau cu alt material anti--adeziv, fie sunt pur și simplu din aluminiu pur lustruit, care este curățat scrupulos între cicluri.

Atunci când este utilizat pentru detectarea fluorescenței sau imagistica, placa nu trebuie să imprime nicio rugozitate sau ceață de suprafață exteriorului cipului. O placă lustruită cu un strat intermediar de protecție, cum ar fi un film curat, este obișnuită.

Intervalele de temperatură ale materialelor microfluidice comune
Temperatura de lipire și presiunea necesară pentru materialul așchiilor sunt diferite. Platoul de încălzire trebuie să fie constant în intervalul de temperatură de interes.

Temperatura materialului de presiune de lipire Note
COC (copolimer ciclic de olefină) 110-130 grade 2-5 kN Absorbție scăzută de apă PMMA biocompatibil (metacrilat de polimetil) 100-115 grade 3-6 kN Topire mai scăzută decât COC, predispus la curgere
Policarbonat (PC) 120-150 grade 4-8 kN Duritate îmbunătățită, rezistență chimică scăzută
Sticlă (borosilicat) 550-650 grade 1-3 kN Viteze de rampă lente pentru a evita fisurarea prin tensiune
Temperaturile tipice de lipire pentru polimerii obișnuiți, cum ar fi COC și PMMA sunt în intervalul 100-150 de grade. La aceste temperaturi, plăcile de aluminiu cu încălzitoare cu cartuș sau încălzitoare din cauciuc siliconic încorporate în ele funcționează bine. Pentru așchiile de sticlă este necesară utilizarea plăcilor fierbinți NiCr sau SiC cu canale de răcire precise.

Control PID și date de proces
Adesea, o plată încălzită pentru legarea microfluidică este utilizată cu un controler de temperatură PID (proporțional-integral-derivat). Platoul atinge punctul de referință fără depășire și rămâne la acea temperatură la toleranțe foarte strânse (adesea ±0,1 grade sau mai bine) datorită controlului PID. Controlerul citește dintr-un termocuplu (Tip J, K sau T) introdus în corpul platanului, de preferință aproape de suprafață, așa cum s-a menționat mai sus.

Pe lângă temperatură, procesul de lipire necesită o gestionare atentă a:

Viteza de crestere a temperaturii: In mod normal 5-20 o C/min. Prea devreme rezultă stres termic și deformare.

Timp de înmuiere: 5-30 minute la temperatura de lipire, pentru a permite interdifuzia polimerului sau activarea suprafeței sticlei.

Viteza de răcire: răcirea controlată (de exemplu,. 5–10 grade pe minut) previne stresul rezidual în așchiul lipit.

Legatura UV-: o variație
Anumite cipuri microfluidice sunt legate folosind metode asistate de UV-, în special pentru materialele care nu sunt ușor de atașat folosind mijloace termice (de exemplu, PDMS pe sticlă) sau unde sunt necesare temperaturi foarte scăzute pentru a menține moleculele biologice încorporate. În astfel de metode, placa de încălzire poate fi transparentă la lumina ultravioletă sau poate conține o deschidere centrală, prin care radiația ultravioletă poate fi direcționată către contactul de legătură. Platoul încă aplică căldură (de obicei doar 40-60C) și presiune, în timp ce UV inițiază reticulare a unui strat intermediar lipicios. Această aplicație unică este disponibilă cu plăci de încălzire cu ferestre de cuarț sau deschideri găurite.

Impactul calității al performanței proaste a platanului
Performanța inadecvată a plăcii va duce la o lipire slabă, care va fi observată în mai multe moduri:

Colapsul canalului – polimerul curge în canal din cauza temperaturii sau presiunii excesive, scăzând-secțiunea transversală sau etanșând-o complet. Detectat prin inspecție vizuală sau măsurare a debitului.

Legătura incompletă. Punctele reci lasă zonele nelegate, provocând scurgeri în timpul serviciului. Teste de penetrare a colorantului sau scăderea presiunii conform specificațiilor.

Deformare: cipul se deformează în afara planului la temperatură sau răcire ne-uniformă și, prin urmare, nu este adecvat pentru integrarea cu interconexiuni fluidice sau sisteme optice.

Contaminarea suprafeței: suprafața cipului este deteriorată de plăcile aspre sau murdare, împrăștiind lumina și afectând detectarea optică.

Toate aceste defecțiuni sunt evitate cu un design bun, sistem de plată de încălzire bine întreținut.

Concluzie
Plata de încălzire cu legături microfluidice este un instrument extrem de sensibil în care controlul termic determină direct calitatea produsului. Face mai mult decât să furnizeze căldură. Trebuie să ofere o uniformitate excelentă a temperaturii (de obicei ± 0,5 grade), un răspuns termic rapid și previzibil, o suprafață lustruită fără contaminare-și funcționare stabilă la temperaturile specificate de lipire a sticlei sau a polimerilor precum COC și PMMA. O caracteristică de design minusculă care are un impact enorm asupra controlabilității și repetabilității sunt termocuplurile plasate aproape de suprafața platanului. Necesitatea acurateței în fabricarea dispozitivelor microfluidice crește pe măsură ce aceste dispozitive continuă să se micșoreze, iar utilizarea lor în medicina personalizată și screening-ul cu randament ridicat-crește. Deși este adesea ignorată în laboratorul general-pe-un-chip, placa de încălzire este unul dintre elementele esențiale pentru fabricarea de cipuri microfluidice de încredere și de-randament mare.