Как се използват нагретите пластини при термичното заваряване на микрофлуидни чипове?

Микрофлуиден чип се произвежда от две страни на прозрачен полимер, нарязан с канали, по-малки от човешки косъм, които трябва да бъдат здраво свързани. Това е деликатен топлинен танц. Двете части се притискат заедно и се нагряват от прецизни плочи до точното време, когато повърхностите едва започват да омекват. Двете части се сливат в едно тяло без-течове, без нито един микрон от основните вътрешни канали да се срути. Този контролиран метод диктува успеха на термичното заваряване на микрофлуидни чипове с нагрята плоча.

Микрофлуидно свързване чрез механизъм за термично заваряване.
Термичното заваряване е процес на свързване в твърдо състояние и е различно от свързването с лепило или свързването с разтворител. При тази процедура полимерните повърхности се нагряват до температура точно над температурата на встъкляване (Tg), където подвижността на молекулната верига се подобрява без пълен поток на стопилка.

Сега полимерните вериги от противоположните страни на половината на чипа се разпространяват взаимно през интерфейса. При охлаждащо налягане се получава постоянна връзка, която превръща два отделни компонента в една монолитна структура, като същевременно запазва геометрията на вътрешния микроканал.

Функция и дизайн на нагрята плоча
Нагретите плочи са основната система за прилагане на енергия и натиск. Горната и долната плоча обикновено са изработени от прецизно-шлифован алуминий поради неговата висока топлопроводимост и стабилност на размерите. Патронните нагреватели са поставени в тялото на плочата за хомогенно разпределение на температурата.

Работната повърхност обикновено е завършена до спецификация за висока плоскост и може да бъде покрита с PTFE, за да се минимизира залепването и да се предотврати адхезията на полимера по време на обработката. В много системи се добавя съвместима междинна подложка за равномерно разпределение на налягането върху повърхността на чипа и за компенсиране на малки промени в дебелината.

Контролът на температурата се поддържа с висока точност, обикновено ±0,5 градуса, тъй като термичният прозорец между ефективната температура на свързване и свиването на микроканала е доста тесен.

Плочите са горещи пръсти, които затварят чиповете, без да смачкват миниатюрните им вени, гарантирайки структурната цялост на вътрешната флуидна мрежа.

Съображения относно прозореца на материала и процеса
Типичните работни температури са тясно свързани с температурите на встъкляване на полимера:

PMMA (полиметилметакрилат): ~105 градуса

COC (цикличен олефинов съполимер): приблизително . 80 градуса

Налягането се прилага равномерно върху повърхността на чипа, за да се улесни междинната дифузия без локализирана деформация. Ако налягането или температурата са твърде високи, каналите могат да се срутят, да изкривят светлината или да възпрепятстват потока.

След това се охлажда под налягане по контролиран начин след етапа на термично свързване. Тази процедура втвърдява полимерната структура, фиксирайки свързания интерфейс, за да се получи прозрачно, механично стабилно микрофлуидно устройство.

Бюлетин за контролния процес
Обикновено в промишлените системи се прилага предварително-програмиран профил на топлина и налягане. Цикълът е разделен на различни етапи:

Фаза на нагряване: бавно повишаване на температурата за намаляване на топлинния стрес

Етап на заваряване: престой над Tg за молекулярна интердифузия и регулиран престой над Tg, позволяващ молекулярна интердифузия

Фаза на охлаждане: контролирано{0}}постоянно налягане намаляване на температурата

Еднородността на температурата на плочата и стабилността на налягането по време на цикъла често се контролират от PID контролни системи със затворен контур.

Последни мисли
Нагрятата плоча е прецизен инструмент за свързване за надеждно термично заваряване на устройства за микро флуиди. Полимерните интерфейси се сливат чрез работа в добре-контролирана температура и механичен прозорец, без да се разрушава целостта на малките канални архитектури.

Нагрятата пластина е деликатен, прецизен инструмент, който обединява микроскопичния свят на микрофлуиден чип, където успехът зависи от най-финия баланс на топлина и налягане.

Прецизно контролирано, топло ръкостискане между полимерните слоеве е следващото поколение технология за лаборатория-върху--чип, която постепенно запечатва бъдещето на медицинската диагностика.