แท่นวางแบบให้ความร้อนมีบทบาทอย่างไรในพันธะความร้อนของชิปโพลีเมอร์ไมโครฟลูอิดิก

ชิปไมโครฟลูอิดิกขนาดเท่าบัตรเครดิต-บัตร- ออกแบบมาเพื่อทำปฏิกิริยาเคมีนับพันต่อปฏิกิริยาทางเคมีเล็กๆ น้อยๆ ของเลือด ถูกสร้างขึ้นจากพอลิเมอร์โปร่งใสสองชั้น ซึ่งแกะสลักด้วยช่องขนาดเล็กมากซึ่งบางกว่าเส้นผมของมนุษย์ สองชั้นนี้จะต้องเชื่อมติดกันอย่างถาวรเป็นชิ้นเดียว-โดยปราศจากการรั่วซึม กระบวนการนี้เป็นการเต้นรำด้วยความร้อนอันละเอียดอ่อน: พื้นผิวได้รับความร้อนเพียงอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว-อ่อนพอที่จะหลอมละลาย แต่ไม่ร้อนพอที่จะไหลและยุบคุณสมบัติระดับนาโนลิตรที่สลับซับซ้อน- แผ่นทำความร้อนที่ทำหน้าที่ประสานนี้คือเตารีดร้อนที่อ่อนโยนซึ่งปิดผนึกทางหลวงของเหลวขนาดจิ๋วของห้องปฏิบัติการ-บนชิป-a-

ความท้าทายด้านพันธะในการผลิตชิปโพลีเมอร์ไมโครฟลูอิดิก

ชิปไมโครฟลูอิดิก (ห้องปฏิบัติการ-บนอุปกรณ์ชิป-a- ถูกสร้างขึ้นจากโพลีเมอร์ เช่น โพลีเมทิลเมทาคริเลต (PMMA), โพลีคาร์บอเนต (PC), โคโพลีเมอร์โอเลฟินแบบไซคลิก (COC) หรือโพลีไดเมทิลไซลอกเซน (PDMS) กระบวนการผลิตเกี่ยวข้องกับ:

การทำลวดลายแบบไมโครช่อง: ช่องกล้องจุลทรรศน์ (ความกว้าง 10–200 µm ความลึก 5–50 µm) ถูกสร้างขึ้นบนชั้นโพลีเมอร์หนึ่งหรือทั้งสองชั้นโดยใช้การฉีดขึ้นรูป การพิมพ์ลายนูนด้วยความร้อน หรือการระเหยด้วยเลเซอร์

การจัดตำแหน่ง: ชั้นที่มีลวดลายสองชั้น (หรือชั้นที่มีลวดลายและชั้นปกเรียบ) ได้รับการจัดตำแหน่งอย่างแม่นยำเพื่อให้ช่องสัญญาณสร้างเครือข่ายฟลูอิกติกที่ต่อเนื่องกัน

พันธะ: เลเยอร์ที่จัดเรียงจะถูกเชื่อมต่อกันอย่างถาวรเป็นอุปกรณ์เดียว-ที่รั่วไหลโดยไม่ปิดบังหรือบิดเบือนช่องสัญญาณที่ละเอียดอ่อน

การติดเป็นขั้นตอนที่สำคัญและท้าทายที่สุด โดยทั่วไปแล้วจะหลีกเลี่ยงกาวเนื่องจากสามารถดูดเข้าไปในช่อง เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางเคมีของพื้นผิว หรือชะล้างสารปนเปื้อนลงในตัวอย่างทางชีววิทยา พันธะตัวทำละลายสามารถขยายโพลีเมอร์และทำให้ขนาดช่องสัญญาณบิดเบี้ยวได้ การเชื่อมด้วยความร้อน (หรือที่เรียกว่าการเชื่อมด้วยความร้อน) เป็นวิธีที่นิยมใช้สำหรับอุปกรณ์ไมโครฟลูอิดิกโพลีเมอร์หลายชนิด เนื่องจากอุปกรณ์ดังกล่าวจะสร้างซีลที่สะอาด มองเห็นได้ชัดเจน และทนทานต่อสารเคมี-โดยใช้ความร้อนและแรงดันเท่านั้น

อย่างไรก็ตาม พันธะความร้อนของชิปไมโครฟลูอิดิกโพลีเมอร์มีกรอบเวลากระบวนการที่แคบ อุณหภูมิจะต้องสูงพอที่จะส่งเสริมการแพร่กระจายของโซ่โพลีเมอร์ข้ามส่วนต่อประสาน ทำให้เกิดพันธะที่แข็งแกร่ง แต่ต่ำพอที่จะป้องกันการไหลที่มีความหนืดที่จะปิดช่อง อุณหภูมิของแท่นวางจะต้องสม่ำเสมอภายในเศษเสี้ยวองศาของพื้นที่เศษทั้งหมด (มักจะอยู่ที่ 25–100 ซม.²) แรงกดที่ใช้จะต้องสม่ำเสมอและต่ำเพื่อหลีกเลี่ยงการกระแทกช่อง

แผ่นความร้อนช่วยให้สามารถยึดเกาะด้วยความร้อนได้อย่างแม่นยำได้อย่างไร

ที่การยึดเกาะชิปไมโครฟลูอิดิกพอลิเมอร์ด้วยความร้อนกระบวนการดำเนินการโดยใช้เครื่องอัดความร้อนที่มีความแม่นยำ ชั้นโพลีเมอร์ที่จัดเรียงไว้จะถูกวางไว้ระหว่างแท่นวางที่ให้ความร้อนแบบขนานและขัดเงาสูงสองแผ่น แท่นวางจะถูกนำมารวมกันภายใต้แรงที่ได้รับการควบคุม และอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นจนถึงจุดที่ตั้งไว้ของการติด

การควบคุมอุณหภูมิ: หน้าต่างการเปลี่ยนกระจก

โพลีเมอร์แต่ละตัวมีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) - ซึ่งเป็นจุดที่เปลี่ยนจากสถานะคล้ายแก้วแข็งไปเป็นสถานะยางและอ่อนตัว การเชื่อมด้วยความร้อนจะดำเนินการที่อุณหภูมิโดยทั่วไปสูงกว่า Tg 5-20 องศา แต่ต่ำกว่าจุดหลอมเหลว (สำหรับโพลีเมอร์กึ่งผลึก) หรืออุณหภูมิการสลายตัว สำหรับโพลีเมอร์ไมโครฟลูอิดิกทั่วไป:

หน้าต่างการติดจะแคบ หากอุณหภูมิต่ำเกินไป โซ่โพลีเมอร์จะไม่กระจายตัวเพียงพอ ส่งผลให้เกิดการยึดเกาะและการรั่วไหลที่อ่อนแอ หากอุณหภูมิสูงเกินไป โพลีเมอร์จะอ่อนตัวลงมากเกินไป และแรงกดที่ใช้จะทำให้ผนังช่องหย่อนหรือยุบลง ซึ่งจะปิดกั้นอุปกรณ์อย่างถาวร แท่นวางที่ให้ความร้อนจะต้องรักษาจุดที่ตั้งไว้ด้วยความแม่นยำ ±0.5 องศาหรือดีกว่าทั่วทั้งพื้นผิวแท่นวาง

ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ: ป้องกันการล่มสลายของช่องท้องถิ่น

อุณหภูมิแผ่นพิมพ์ไม่สม่ำเสมอ-เป็นสาเหตุหลักของข้อบกพร่องในการยึดเกาะ ฮอตสปอตที่สูงกว่าค่าที่ตั้งไว้แม้แต่ 2-3 องศาก็อาจทำให้ช่องสัญญาณเฉพาะที่พังได้ ในขณะที่จุดเย็นที่มีขนาดเท่ากันจะสร้างพันธะที่อ่อนแอซึ่งจะรั่วไหลระหว่างการทำงาน

เพลตให้ความร้อนคุณภาพสูง-สำหรับการเชื่อมไมโครฟลูอิดิกทำให้อุณหภูมิมีความสม่ำเสมอที่±0.3 องศาหรือดีกว่าทั่วทั้งพื้นที่ทำงาน สามารถทำได้โดย:

การทำความร้อนแบบหลาย-โซน: แท่นวางถูกแบ่งออกเป็นโซนที่มีการควบคุมอย่างอิสระ (เช่น ตาราง 3×3) โดยแต่ละโซนจะมีเครื่องทำความร้อนแบบคาร์ทริดจ์และเทอร์โมคัปเปิลของตัวเอง

วัสดุการนำความร้อน-สูง-: แท่นวางอลูมิเนียมหรือทองแดงให้การกระจายความร้อนที่ดีเยี่ยม แต่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน (CTE) สูงอาจทำให้ความเรียบเปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ สำหรับการใช้งานที่สำคัญโลหะผสมที่มีการขยายตัวต่ำ-(เช่น Invar® ที่มี CTE < 1.5 ppm/ องศา ) หรือเซรามิกส์(เช่น อะลูมิเนียมไนไตรด์หรือมาคอร์) ถูกนำมาใช้ วัสดุเหล่านี้รักษาความเรียบและความขนานตลอดช่วงอุณหภูมิทั้งหมด

การชดเชยขอบที่ใช้งานอยู่: ขอบแผ่นรองจะสูญเสียความร้อนเร็วกว่าตรงกลาง เครื่องทำความร้อนที่ขอบหรือโซนขอบที่ควบคุมโดยอิสระจะชดเชยการสูญเสียนี้

แท่นวางเป็นมือที่อ่อนโยน อบอุ่นอย่างสมบูรณ์แบบ และแบนอย่างประณีต ปิดผนึกเส้นเลือดฝอยขนาดเล็กของห้องปฏิบัติการ-บน-ชิป-โดยไม่บดขยี้เส้นเลือดฝอยที่เปราะบางแม้แต่เส้นเดียว

การควบคุมแรงดัน: นุ่มนวล สม่ำเสมอ และขนานกัน

แรงกดที่ใช้โดยแท่นจะต้องเป็น:

ต่ำ: โดยทั่วไป 0.1–1.0 MPa (15–150 psi) ขึ้นอยู่กับโพลีเมอร์ ไม่จำเป็นต้องใช้แรงกดดันที่สูงขึ้นในการยึดเกาะด้วยความร้อน และเพิ่มความเสี่ยงที่ช่องจะพังทลาย

เครื่องแบบ: แท่นวางจะต้องขนานกันภายในไม่กี่ไมโครเมตร การเอียงใดๆ จะเน้นไปที่ขอบด้านหนึ่งของชิป ส่งผลให้พื้นที่นั้นยุบลงในขณะที่ขอบด้านตรงข้ามยังคงไม่พันกัน

ควบคุมระหว่างการทำความเย็น: ความดันจะยังคงอยู่ในขณะที่แผ่นรองเย็นลง โดยยึดชิปให้เรียบและป้องกันการบิดงอเนื่องจากการหดตัวของความร้อนที่แตกต่างกัน

โดยทั่วไปแล้วแท่นพิมพ์จะติดตั้งตัวแปลงสัญญาณแรงที่แม่นยำและกลไกการปรับแบบขนาน (เช่น ตลับลูกปืนทรงกลมหรือระบบลิ่ม) ตัวแท่นจะถูกกราวด์และขัดให้มีความเรียบน้อยกว่าหรือเท่ากับ 2 µm เหนือพื้นที่ทำงาน

พื้นผิวสำเร็จและชั้นวางจำหน่าย

พื้นผิวแท่นที่สัมผัสกับโพลีเมอร์จะถูกขัดเงาให้เป็นพื้นผิวกระจก (Ra น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.1 µm) เพื่อหลีกเลี่ยงการถ่ายโอนความหยาบของพื้นผิวไปยังชิป ชั้นปล่อยเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อป้องกันไม่ให้โพลีเมอร์ที่อ่อนตัวเกาะติดกับแผ่นโลหะ วิธีแก้ปัญหาทั่วไป ได้แก่:

แผ่นเคลือบ PTFE-: ใช้การเคลือบ PTFE หรือ PFA ที่บางและทนทานบนพื้นผิวแท่นวาง คุณสมบัติไม่ยึดติดของ PTFE- ทำให้สามารถถอดชิปที่ยึดติดออกได้อย่างง่ายดายหลังการระบายความร้อน

ออกฉายภาพยนตร์: วางฟิล์มฟลูออโรโพลีเมอร์แบบใช้แล้วทิ้ง (เช่น แผ่น FEP หรือ PTFE) ไว้ระหว่างแต่ละแท่นวางและชิปโพลีเมอร์ ฟิล์มจะถูกเปลี่ยนใหม่หลังแต่ละรอบการติด เพื่อให้มั่นใจว่าพื้นผิวจะสะอาดและปราศจากการปนเปื้อน-

สำหรับการใช้งานที่สะอาดเป็นพิเศษ- (เช่น การวินิจฉัยทางการแพทย์) แนะนำให้ใช้แผ่นเคลือบ PTFE- เนื่องจากจะขจัดฟิล์มที่ปล่อยออกมาและการสร้างอนุภาคที่เกี่ยวข้อง

วงจรพันธะความร้อน: ทีละขั้นตอน

วงจรการติดที่สมบูรณ์ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้การยึดเกาะที่-ให้ผลผลิตสูงและไม่มีข้อบกพร่อง-

ขั้นตอนที่ 1: กำลังโหลดและดูดฝุ่น

ชั้นโพลีเมอร์ที่จัดเรียงไว้จะถูกวางไว้ระหว่างแท่น แท่นวางถูกปิดด้วยแรงกดสัมผัสเล็กน้อย (เพียงพอที่จะยึดชั้นต่างๆ ให้เข้าที่) ห้องที่อยู่รอบแท่น (หรือตู้กดทั้งหมด) จะถูกอพยพไปยังสุญญากาศโดยทั่วไปที่ 50–100 Pa (0.5–1.0 mbar) สูญญากาศจะไล่อากาศออกจากช่องไมโครและจากส่วนต่อประสานระหว่างสองชั้น

หมายเหตุกระบวนการ: สภาพแวดล้อมสุญญากาศเพื่อป้องกันฟองอากาศที่ติดอยู่

อากาศที่ติดอยู่ในช่องไมโครระหว่างการติดจะขยายตัวเมื่อถูกความร้อนและอาจคงอยู่เป็นฟอง (ปิดกั้นการไหลของของไหล) หรือหลบหนีออกไปโดยการบังคับให้เกิดการแตกในโพลีเมอร์ที่อ่อนตัว ผลลัพธ์ทั้งสองเป็นที่ยอมรับไม่ได้ ดังนั้น พันธะความร้อนของชิปไมโครฟลูอิดิกจึงดำเนินการภายใต้สุญญากาศเสมอ สุญญากาศยังช่วยขจัดสารตกค้างที่ระเหยออกจากพื้นผิวโพลีเมอร์ ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของพันธะ สุญญากาศจะคงอยู่ตลอดขั้นตอนการทำความร้อน การแช่ และการทำความเย็น

ขั้นตอนที่ 2: ทางลาดทำความร้อน

แท่นวางจะถูกให้ความร้อนด้วยอัตราการลาดที่ควบคุมได้ (โดยทั่วไปคือ 10–30 องศาต่อนาที) ตามอุณหภูมิการติดประสาน อัตราทางลาดถูกเลือกเพื่อให้โพลีเมอร์เข้าถึงสมดุลทางความร้อนโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลัน ตัวควบคุมอุณหภูมิจะรักษาความสม่ำเสมอในทุกโซน

ขั้นตอนที่ 3: การแช่พันธะ

เมื่อถึงอุณหภูมิการติดประสาน ความดันจะเพิ่มขึ้นจนถึงแรงดันการติดสุดท้าย (0.1–1.0 MPa) อุณหภูมิจะคงที่เป็นระยะเวลาแช่ 1-10 นาที ช่วยให้โซ่โพลีเมอร์กระจายตัวผ่านส่วนต่อประสาน เวลาแช่จะลดลงเพื่อหลีกเลี่ยงการคืบคลานของผนังช่องมากเกินไป

ขั้นตอนที่ 4: การทำความเย็นภายใต้ความกดดัน

หลังจากการแช่ แท่นวางจะถูกทำให้เย็นลง (โดยทั่วไปโดยการหมุนเวียนน้ำหรืออากาศอัดผ่านช่องระบายความร้อนภายใน) ในขณะที่ยังคงความดันการยึดเกาะเต็มไว้ อัตราการทำความเย็นจะถูกควบคุม (โดยทั่วไปคือ 10–20 องศาต่อนาที) เพื่อป้องกันความเครียดจากความร้อนและการบิดงอ เมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า Tg ของโพลีเมอร์ (โดยทั่วไปคือ 50–70 องศา) ความดันจะถูกปล่อยออกมา สุญญากาศจะถูกระบายออก และชิปที่ยึดติดจะถูกเอาออก ปัจจุบันชิปกลายเป็นอุปกรณ์เสาหินเดี่ยวที่มีช่องสัญญาณไมโครสเกลที่ปิดสนิท

ความแม่นยำทางเทคนิค: การเลือกใช้วัสดุสำหรับแท่นวาง

ข้อกำหนดอันเข้มงวดในด้านความสม่ำเสมอของอุณหภูมิและความเรียบทำให้เกิดการเลือกใช้วัสดุแท่นวาง เหล็กกล้าเครื่องมือมาตรฐานหรือแผ่นอะลูมิเนียมมีการขยายตัวเนื่องจากความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ (CTE 12–23 ppm/ องศา ) แผ่นรองขนาด 100 มม. ที่ให้ความร้อนจาก 20 องศาเป็น 150 องศาจะขยายออก 0.15–0.35 มม. ซึ่งสามารถชดเชยได้ด้วยการออกแบบ อย่างไรก็ตาม ปัญหาที่มากกว่านั้นคือการเปลี่ยนแปลงของความเรียบ: การขยายตัวที่แตกต่างกันระหว่างพื้นผิวที่ได้รับความร้อนและด้านหลังที่เย็นกว่าอาจทำให้แท่นโค้งงอได้ (เอฟเฟกต์โลหะคู่)

สำหรับการเชื่อมติดไมโครฟลูอิดิก แท่นวางมักทำจาก:

อินวาร์ 36(เหล็ก-โลหะผสมนิกเกิล, CTE พรีเมี่ยม 1.2 ppm/ องศา ): คงขนาดที่ใกล้เคียง-คงที่เหนืออุณหภูมิ ใช้สำหรับการติดที่มีอุณหภูมิสูง-แม่นยำ ปานกลาง- (สูงถึง 200 องศา ) ต้นทุนวัสดุสูง

ซุปเปอร์อินวาร์(เหล็ก-นิกเกิล-โคบอลต์, CTE ความเข้มข้น 0.5 ppm/ องศา ): การขยายตัวที่ต่ำกว่า แต่มีราคาแพงกว่าและตัดเฉือนยากกว่า

เซรามิกส์ (อลูมินา, อะลูมิเนียมไนไตรด์, มาคอร์): CTE ต่ำ (4–8 ppm/ องศา ), ความแข็งสูง, นำความร้อนได้ดีเยี่ยม (สำหรับอะลูมิเนียมไนไตรด์) Macor เป็นแก้วที่แปรรูปได้-เซรามิก เซรามิกมีความเปราะและต้องมีการจัดการอย่างระมัดระวัง

เหล็กกล้าขยายตัวต่ำ- (เช่น เหล็กกล้าเครื่องมือ H13): สำหรับความต้องการความแม่นยำที่ต่ำกว่า แผ่นเหล็กหนาที่มีการควบคุมหลาย- ที่ใช้งานอยู่จะทำให้เกิดความสม่ำเสมอที่ยอมรับได้

สำหรับการเชื่อมไมโครฟลูอิดิกในการผลิตส่วนใหญ่ แผ่นเซรามิก Invar หรืออะลูมิเนียมไนไตรด์ที่มีการเคลือบ PTFE เป็นตัวเลือกที่ต้องการ

บทสรุป: การปิดผนึกทางหลวงของเหลวด้วยกล้องจุลทรรศน์

แท่นวางที่ให้ความร้อนเป็นเครื่องมือระบายความร้อนที่แม่นยำและอ่อนโยน ซึ่งหลอมรวมโลกแห่งชิปไมโครฟลูอิดิกที่ซับซ้อนและละเอียดมาก ซึ่งเป็นกระบวนการที่ต้องการความสม่ำเสมอของอุณหภูมิและการควบคุมแรงดันขั้นสูงสุด ด้วยการให้ความร้อนชั้นโพลีเมอร์จนถึงจุดที่แม่นยำเหนืออุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว-โดยทั่วไปคือ 50–150 องศาโดยมีความสม่ำเสมอ ±0.3 องศา-เพลตจะทำให้พื้นผิวอ่อนตัวลงเพียงพอสำหรับการแพร่กระจายของสายโซ่โพลีเมอร์ ในขณะเดียวกันก็ออกแรงกดที่นุ่มนวลและสม่ำเสมอเพื่อหลีกเลี่ยงการยุบช่องขนาดนาโนลิตร- สภาพแวดล้อมที่เป็นสุญญากาศจะป้องกันฟองอากาศที่ติดอยู่ ในขณะที่วัสดุที่มีการขยายตัวต่ำ- (Invar หรือเซรามิก) และสารเคลือบ PTFE ช่วยให้มั่นใจได้ถึงความเรียบและ-การทำงานที่ไม่ติดกัน ผลลัพธ์ที่ได้คือห้องปฏิบัติการ-บนชิป-a-ที่ปิดผนึกอย่างสมบูรณ์แบบ ชัดเจนทางแสง

อนาคตของการวินิจฉัยทางการแพทย์ถูกผนึกไว้ด้วยจานที่เรียบและอุ่นอย่างสมบูรณ์แบบ ในทุกจุด-ของ-การทดสอบการดูแลที่ส่งตัวอย่างเลือดผ่านช่องเขาวงกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ พันธะที่ยึดเขาวงกตนั้นไว้ด้วยกันนั้นถูกสร้างขึ้นด้วยแผ่นให้ความร้อน-มือให้ความร้อนคู่ที่เงียบ แม่นยำ และอ่อนโยน