1 / 38

MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK MEGVALÓSÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA

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,

alijah
Download Presentation

MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK MEGVALÓSÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. MIKROFLUIDIKAI ESZKÖZÖK MEGVALÓSÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA KÉSZÍTETTE: HORVÁTH ESZTER

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

  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 Mikrofluidika 3

  4. MIKROFLUIDIKA TERET HÓDÍT Google science cikkek alapján Mikrofluidika 4

  5. 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-termikustechnológiák. Mikrofluidika 5

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

  7. 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

  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. réteges áramlás turbulens áramlás Mikrofluidika 8

  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 Mikrofluidika

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

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

  12. Folyadékok mozgás esetén Nyomás Pascal törvény Poiseuille törvény Belső energia Fal feszültség Súrlódás és Állandó folyadék nyomás Kinetikus energia Felhajtó erő Turbulens hatás Laplace törvény Diffúzió Viszkozitás és Nem Newton-i folyadékok Hidraulikus nyomás Potenciális energia Felületi feszültség Archimedes törvény Ozmózis összegezve Membrán transzport Kapilláris hatás Bernoulli törvény MIKROFLUIDIKA FIZIKÁJA ÉS ÖSSZEFÜGGÉSEI [1] http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/fluid.html#flucon Mikrofluidika 12

  13. MICROFLUIDIKAI RENDSZEREKHEZ ALKALMAZOTT ANYAGOK ÉS TECHNOLÓGIÁK 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) • szilícium • LIGA • fotolitográfia • PBM • direkt írás • műanyag (PDMS) • LIGA • fotolitográfia • soft litográfia • üveg • fotolitográfia • csiszolás • LTCC • lyukasztás • lézer • direkt írás Mikrofluidika 13

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

  15. 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

  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 [3] Yoshihiko Imanaka: LTCC technology 2005, Springer Mikrofluidika 16

  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). Mikrofluidika 17

  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. Mikrofluidika 18

  19. MIKROFLUIDIKA CSATORNA MEGVALÓSÍTÁSA LTCC HORDOZÓBAN Csatorna kitöltése SVM (sacrificial volume materials) anyaggal, majd fedőréteg laminálása Végső laminálás: 200 atm, 45 ˚C és kiégetés875 ˚C Kezdeti laminálás: 20 atm, 70 ˚C Nyers LTCC hordozók előkészítése és illesztése lamináláshoz [4] Elsevier: Microchannel fabrication process in LTCC ceramics, Karol Malecha, Leszek J. Golonka, 2008 Mikrofluidika 19

  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) Mikrofluidika 20

  21. ANYAGOK CSATORNA KITÖLTÉSÉHEZ • Ádozati térfogatkitöltő anyagok • (sacrificial volume materials): • Dow Corning Silastic anyag, • cetil-alkohol, • High Purity Carbon szalagés paszta. • csatorna és süllyeszték kialakításáta alkalmas LTCC,HTCC és más kerámia hordozókban, • megelőzi a többrétegű struktúrák deformációta 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

  22. KIÉGETÉSI HŐPROFILOK DuPont 951 A2 Green Tape esetén Eredeti hőprofil Módosított hőprofil [4] Elsevier: Microchannel fabrication process in LTCC ceramics, Karol Malecha, Leszek J. Golonka, 2008 Mikrofluidika 22

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

  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 Mikrofluidika 24

  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 Mikrofluidika 25

  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 Mikrofluidika 26

  27. VÍZHŰTÉSES RENDSZER • Nd:YAG lézeralkalmas 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, • 0,1–5mm széles csatornák létesíthetők a LTCC-ben • a csatorna minősége függ a laminálási paraméterektől, • csatornakiterjedése (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

  28. 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

  29. NÉHÁNY ALKALMAZÁS Horváth Eszter Mikrofluidika

  30. NÉHÁNY ALKALMAZÁS Elektronikus töltőtoll Mikrofluidika

  31. A MIKROFLUIDIKA PIAC nyomtató ipari automatika (áramlásérzékelő) Mikrofluidika

  32. A MIKROFLUIDIKA PIAC ipari diszpenzer Mikrofluidika

  33. ENERGIARENDSZEREK Mikrofluidika

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

  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 Mikrofluidika

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

  37. A MIKROFLUIDIKA TECHNIKAI JELENTŐSÉGE Orvosbiológiai alkalmazások 150 résztvevője közül Mikrofluidika

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

More Related