Каква роля играят нагревателните пластини в термичното свързване на микрофлуидни чипове?

Микрофлуидните чипове за медицинска диагностика и лабораторни устройства с чип включват канали, които са по-малки от ширината на човешки косъм. Те се правят чрез стопяване заедно на два листа стъкло или пластмаса с топлина и налягане. Нагревателната плоча, извършваща свързването, трябва да предава топлината си с хирургическа точност или каналите могат да се срутят или деформират. В бързо разрастващия се микрофлуиден сектор качеството на залепеното уплътнение оказва значително влияние върху функционалността на устройството, като приложенията варират от диагностика на-на-грижи до-органи-върху--чип платформи. Спукан или шумен канал прави чипа безполезен. По този начин процесът на микрофлуидно свързване на чипове с нагревателна плоча е важна производствена стъпка. Изисква отлична равномерност на температурата, бърза реакция и чисти повърхности.

Процесът на залепване: топлина, натиск и прецизност
Термичното свързване на микрофлуидни чипове често се състои от два субстратни слоя - или стъкло, или термопластични полимери като COC (цикличен олефин съполимер) или PMMA (полиметилметакрилат). Единият слой съдържа микроканали, които са гравирани или формовани в неговата повърхност, а другият слой е покривният слой. Тези два листа са перфектно подравнени и позиционирани между горещите плочи на лабораторната преса или специално оборудване за свързване.

Сглобката се повдига до температурата на свързване от плочи, които прилагат контролирана сила. При тази температура полимерните повърхности стават достатъчно гъвкави, за да позволят молекулярна интердифузия през интерфейса, за да се установи постоянно, херметично запечатване. При стъклените чипове механизмът е същият, но при повишени температури (често 500-650C). Повърхностите се свързват чрез взаимна дифузия на атоми под налягане.

Основното предизвикателство е, че микроканалите, понякога 10–100 микрометра широки и дълбоки, трябва да бъдат напълно отворени и неизкривени. Ако температурата е твърде ниска, свързването ще бъде слабо или частично и ще възникнат течове. Ако температурата е прекалено висока или не-равномерна, полимерът се влива в каналите, частично или напълно ги блокира. Един градус, един микрон е разликата между безупречен чип и преспапие.

Микрофлуидна плоча за свързване: Основни характеристики
Отлична равномерност на температурата
Тъй като областта на залепване обикновено е скромна (напр. . 50 mm × 50 mm до 200 mm × 200 mm), е необходима постоянна температура по цялата повърхност на плочата. Стандартната спецификация за микрофлуидно свързване определя консистенция от ±0,5 градуса върху използваемата повърхност на плочата. Горещите точки в района предизвикват преждевременно омекване и колапс на канала, докато студените места създават несвързани региони. За да се постигне това ниво на равномерност, е необходимо прецизно поставяне на нагревателя, много-зоново управление или голямо алуминиево тяло на плочата със силна топлопроводимост, за да се изгладят всички останали температурни градиенти.

Бележка по дизайна: Термодвойката трябва да се имплантира изключително близо до горната повърхност на плочата (в рамките на 1-2 mm), за да се осигури по-отзивчив и прецизен контрол на температурата, вместо термодвойка, заровена дълбоко в блока на плочата. Отчитането на повърхността намалява забавянето между показанията на контролера и реалната температура на интерфейса на свързване, което е особено важно за тънки полимерни устройства с ниска топлинна маса.

Малка термична маса, бърза термична реакция
При групова обработка микрофлуидното свързване свързва няколко чипове един след друг. По-кратките цикли на отопление и охлаждане увеличават производителността. Следователно плочите за тази употреба обикновено се произвеждат от алуминий, който има висока топлопроводимост (≈205 W/m·K) и сравнително ниска плътност, вместо от стомана. Коефициентът на топлинна дифузия на алуминия позволява на плочата да реагира бързо на модификации, направени от PID контролера. Трябва обаче да се внимава да се предотврати изгарянето на алуминия близо до точката му на топене; за залепване на стъкло над 500 градуса се използват различни материали като неръждаема стомана или керамични плочи.

Гладка, полирана и без замърсители.
Повърхността на плочата, която контактува с микрофлуидния чип, трябва да бъде полирана до огледален блясък (често Ra 0,4 μm или по-добър). Всяко остъргване, частица или дефект на повърхността се прехвърлят върху омекналия полимер, причинявайки канали за изтичане или оптични дефекти. Освен това валякът трябва да е химически чист и да не-замърсява. За полимерно свързване всеки освобождаващ агент или повърхностен остатък може да попречи на процеса на молекулярно свързване. Много плочи за свързване са или леко покрити с PTFE или някакъв друг незалепващ материал, или са просто полиран гол алуминий, който се почиства внимателно между циклите.

Когато се използва за флуоресцентно откриване или изобразяване, валът не трябва да придава грапавост на повърхността или мъгла на външната страна на чипа. Полиран валяк със защитен междинен слой като чист филм за освобождаване е често срещан.

Температурни диапазони на обичайните микрофлуидни материали
Температурата на свързване и налягането, необходими за материала на чипа, са различни. Нагревателната плоча трябва да е стабилна в температурния диапазон, който ни интересува.

Бележки за температурата на материала на налягането на свързване
COC (цикличен олефин съполимер) 110-130 градуса 2-5 kN Ниска водопоглъщаемост Биосъвместим PMMA (полиметилметакрилат) 100-115 градуса 3-6 kN По-ниско топене от COC, склонен към пълзене
Поликарбонат (PC) 120-150 градуса 4-8 kN Подобрена твърдост, ниска химическа устойчивост
Стъкло (боросиликат) 550-650 градуса 1-3 kN Бавни скорости на нарастване, за да се избегне напукване от напрежение
Типичните температури на свързване за обикновени полимери като COC и PMMA са в диапазона 100–150 градуса. При тези температури алуминиевите плочи с вградени в тях патронни нагреватели или нагреватели от силиконов каучук работят добре. За стъклени чипове е необходимо използването на горещи плочи NiCr или SiC с прецизни охлаждащи канали.

PID контрол и данни за процеса
Често нагрята плоча за микрофлуидно свързване се използва с PID (пропорционален-интегрален-производен) регулатор на температурата. Валицата достига зададената точка без превишаване и остава при тази температура до много строги допуски (често ±0,1 градуса или по-добри) поради PID контрола. Контролерът чете от термодвойка (тип J, K или T), поставена в тялото на плочата, за предпочитане близо до повърхността, както е споменато по-горе.

Освен температурата, процесът на свързване се нуждае от внимателно управление на:

Скорост на повишаване на температурата: Обикновено 5-20 o C/мин. Твърде рано води до топлинен стрес и деформация.

Време за накисване: 5–30 минути при температура на залепване, за да се позволи полимерна интердифузия или активиране на стъклена повърхност.

Скорост на охлаждане: Контролираното охлаждане (напр. . 5–10 градуса в минута) предотвратява остатъчното напрежение в свързания чип.

UV{0}}залепване: вариант
Някои микрофлуидни чипове се свързват чрез UV{0}}подпомогнати методи, особено за материали, които не са лесни за закрепване чрез термични средства (напр. PDMS към стъкло) или където са необходими много ниски температури за поддържане на вградени биологични молекули. При такива методи нагревателната плоча може да бъде прозрачна за ултравиолетова светлина или да съдържа централен отвор, през който ултравиолетовото лъчение може да бъде насочено към свързващия контакт. Валицата все още прилага топлина (обикновено само 40-60C) и налягане, докато UV инициира омрежването на междинен лепкав слой. Това уникално приложение се предлага с нагревателни плочи с кварцови прозорци или пробити отвори.

Влияние върху качеството на лошото представяне на плочата
Неадекватното представяне на плочата ще доведе до лошо залепване, което ще се види по много начини:

Свиване на канала – Полимерът се влива в канала поради прекомерна температура или налягане, намалявайки напречното-сечение или го уплътнява напълно. Открива се чрез визуална проверка или измерване на дебита.

Непълно залепване. Студените петна оставят несвързани зони, причинявайки течове при обслужване. Тестове за проникване на багрило или спад на налягането според указаното.

Деформация: Чипът се изкривява извън равнината при не-равномерна температура или охлаждане и следователно не е подходящ за интегриране с флуидни връзки или оптични системи.

Повърхностно замърсяване: Повърхността на чипа се поврежда от груби или замърсени плочи, разпръскващи светлина и влошаващи оптичното откриване.

Всички тези грешки се избягват с добър дизайн, добре поддържана система за отопление.

Заключение
Нагревателната плоча за микрофлуидно свързване е високочувствителен инструмент, при който термичният контрол директно определя качеството на продукта. Той прави повече от просто осигуряване на топлина. Тя трябва да осигурява отлична температурна равномерност (обикновено ±0,5 градуса), бърза и предвидима топлинна реакция, полирана повърхност без замърсяване-и стабилна работа при определените температури на свързване на стъкло или полимери като COC и PMMA. Малка конструктивна характеристика, която има голямо влияние върху управляемостта и повторяемостта, са термодвойките, поставени близо до повърхността на плочата. Необходимостта от точност при производството на микрофлуидни устройства се увеличава, тъй като тези устройства продължават да се свиват и употребата им в персонализирана медицина и скрининг с висока-производителност се увеличава. Въпреки че често се пренебрегва в общата лабораторна-литература за--чипове, нагревателната плоча е един от съществените елементи за надеждно и високо{11}}производство на микрофлуидни чипове.