ما هو الدور الذي تلعبه الألواح المسخنة في الترابط الحراري لرقائق البوليمر الموائع الدقيقة؟

مصنوعة من طبقتين من البوليمر الشفاف المنحوت بقنوات مجهرية أرق من شعرة الإنسان، شريحة الموائع الدقيقة بحجم بطاقة الائتمان وتجري آلاف التفاعلات الكيميائية على ذرة من الدم. ويجب ربط الطبقتين معًا بشكل آمن كجسم واحد خالي من التسرب-. إنها رقصة حرارية حساسة. يتم تسخين الأسطح إلى درجة حرارة التزجج الخاصة بها، وهي ناعمة بدرجة كافية للاندماج ولكنها ليست ساخنة بدرجة كافية لتدفق وانهيار ميزات مقياس النانوليتر الرائعة. تعمل هذه المكاوي الخفيفة والساخنة على إغلاق مسارات السائل المجهري في المختبر-على-شريحة-، وربط المطاط الصناعي بالركيزة باستخدام ألواح ساخنة.

تحدي الترابط في تصنيع رقائق البوليمر ميكروفلويديك
يتم تصنيع رقائق الموائع الدقيقة (معمل -على-أجهزة الرقائق-) من بوليمرات مثل بولي ميثيل ميثاكريلات (PMMA)، أو بولي كربونات (PC)، أو بوليمر الأوليفين الحلقي (COC)، أو بولي ثنائي ميثيل سيلوكسان (PDMS). تتضمن عملية التصنيع ما يلي:

تنميط القنوات الدقيقة: يتم تصنيع القنوات المجهرية على إحدى طبقات البوليمر أو كلتيهما عن طريق القولبة بالحقن أو النقش الحراري أو الاستئصال بالليزر. قد يتراوح عرض القناة من 10 إلى 200 ميكرومتر وأعماقها من 5 إلى 50 ميكرومتر.

المحاذاة: تتم محاذاة الطبقتين المنقوشتين (أو الطبقة المنقوشة وطبقة الغطاء المسطحة) تمامًا، بحيث تشكل القنوات شبكات فلويديك مستمرة.

الترابط: يتم ربط الطبقات المطابقة معًا بقوة لتكوين جهاز واحد محكم التسرب-دون سد القنوات الصغيرة أو تشويهها.

تعتبر مرحلة الترابط أهم وأصعب مرحلة. عادة ما يتم تجنب المواد اللاصقة، لأنها تميل إلى التسرب إلى القنوات، أو تغيير كيمياء السطح، أو تسرب الملوثات إلى العينات البيولوجية. يمكن أن يؤدي ربط المذيبات إلى توسيع البوليمر وتشويه أبعاد القناة. يعد الترابط الحراري (المعروف أيضًا باسم ترابط الاندماج الحراري) هو الطريقة المفضلة للعديد من أجهزة الموائع الدقيقة البوليمرية، حيث أنه يولد ختمًا نظيفًا وشفافًا بصريًا ومقاومًا للمواد الكيميائية -بالحرارة والضغط فقط.

لكن نافذة المعالجة ضيقة بالنسبة للربط الحراري لأجهزة الموائع الدقيقة البوليمرية. يجب أن تكون درجة الحرارة كافية لتسهيل الانتشار المتبادل لسلاسل البوليمر عبر السطح البيني، وبالتالي تشكيل اتصال قوي، ولكنها منخفضة بما يكفي لتجنب التدفق اللزج الذي من شأنه أن يغلق القنوات. يجب أن تكون درجة حرارة اللوح موحدة على كامل مساحة الرقاقة (عادةً 25-100 سم2) في جزء من الدرجة. يجب أن يكون الضغط موحدًا ومنخفضًا حتى لا يتم سحق القنوات.

ربط حراري دقيق مع ألواح ساخنة
يتم ربط شريحة البوليمر ميكروفلويديك باستخدام مكبس حراري دقيق بتقنية الصوانى الساخنة. يتم وضع طبقات البوليمر المحاذية بين لوحين مصقولين ومتوازيين ومسخنين للغاية. يتم ضغط الألواح معًا تحت قوة يمكن التحكم فيها وترتفع درجة الحرارة إلى نقطة الترابط المحددة.

التحكم في درجة الحرارة: نافذة التحول الزجاجي
يتمتع كل بوليمر بدرجة حرارة انتقال زجاجي (Tg) - وهي درجة الحرارة التي يتحول عندها من الحالة الزجاجية الصلبة إلى الحالة المطاطية اللينة. بالنسبة للترابط الحراري، تكون درجة الحرارة عادة 5-20 درجة أعلى من Tg، ولكنها أقل بكثير من نقطة الانصهار (بالنسبة للبوليمرات شبه البلورية) أو درجة حرارة التحلل. بالنسبة للبوليمرات ميكروفلويديك التقليدية:

درجة حرارة انتقال زجاج البوليمر (Tg) درجات حرارة الترابط النموذجية
PMMA (أكريليك) 105 درجة 110-120 درجة
البولي (PC) 145 درجة 150-160 درجة
COC (كوبوليمر الأوليفين الحلقي) 80–140 درجة (يعتمد على الدرجة) Tg + 10–15 درجة
PS (البوليسترين) 100 درجة 105-115 درجة
نافذة الترابط ضيقة. إذا كانت درجة الحرارة منخفضة جدًا، فإن سلاسل البوليمر لا تنتشر بشكل كافٍ، مما يؤدي إلى ضعف الترابط والتسرب. إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جدًا، فسوف يلين البوليمر كثيرًا وسيؤدي الضغط المطبق إلى ترهل جدران القناة أو انهيارها، مما يؤدي إلى انسداد الجهاز بشكل دائم. يجب أن تحافظ الألواح المسخنة على نقطة الضبط بدقة تبلغ ±0.5 درجة أو أفضل على سطح اللوحة بالكامل.

توحيد درجة الحرارة: حجب انهيار القناة المحلية
المصدر الرئيسي لمشاكل الترابط هو عدم-درجة حرارة الصفيحة المنتظمة. قد تؤدي المنطقة الساخنة التي تصل درجة حرارتها إلى 2-3 درجة مئوية فوق نقطة الضبط إلى انهيار القناة المحلية. توفر البقعة الباردة بنفس الحجم رابطًا ضعيفًا قد يتسرب أثناء التشغيل.

تتمتع الألواح الساخنة عالية الجودة لربط الموائع الدقيقة بتجانس في درجة الحرارة يبلغ ± 0.3 درجة أو أكثر في منطقة العمل. ويتحقق ذلك من خلال:

تسخين متعدد المناطق-: يتم تقسيم اللوح إلى مناطق منظمة بشكل مستقل (على سبيل المثال، شبكة 3×3) مع سخان خرطوشة منفصل ومزدوجة حرارية لكل منطقة.

مواد ذات موصلية حرارية عالية--: توفر ألواح الألومنيوم أو النحاس انتشارًا كبيرًا للحرارة، ولكن معامل التمدد الحراري العالي (CTE) قد يؤدي إلى تغيرات في التسطيح مع درجة الحرارة. بالنسبة للتطبيقات الحرجة، يتم استخدام سبائك منخفضة التمدد (مثل Invar® مع CTE < 1.5 جزء في المليون/درجة) أو السيراميك (مثل نيتريد الألومنيوم أو الماكور). يتم الحفاظ على التسطيح والتوازي لهذه المواد على مدى درجات الحرارة بأكملها.

تعويض الحافة النشطة: تبرد حواف اللوح بشكل أسرع من المركز. يتم تعويض الخسارة عن طريق سخانات الحافة أو مناطق الحافة المعزولة.

الصفيحة عبارة عن زوج من الأيدي، حساسة ودافئة تمامًا ومسطحة بشكل رائع، تغلق الأوردة الدقيقة للمختبر-على-شريحة-دون سحق الشعيرات الدموية الهشة الواحدة.

التحكم في الضغط: لطيف، متساوي، ومتوازي
يجب أن يكون الضغط الذي تمارسه الألواح

منخفض : عادةً 0.1-1.0 ميجا باسكال (15-150 رطل لكل بوصة مربعة)، اعتمادًا على البوليمر. لا يتطلب الترابط الحراري ضغوطًا أعلى ويزيد من احتمالية انهيار القنوات.

موحد: يجب أن تكون الألواح متوازية في حدود بضعة ميكرونات. إذا قمت بإمالتها ولو قليلاً، فإنك تركز الضغط على جانب واحد من الشريحة بحيث تنهار تلك المنطقة وتكون الحافة المقابلة غير مرتبطة.

يتم التحكم بها أثناء التبريد. يتم الاحتفاظ بالضغط أثناء تبريد الألواح، مما يحافظ على مستوى الرقاقة ويمنع الالتواء بسبب الانكماش الحراري التفاضلي.

يتم تزويد المكبس عادةً بمحول قوة دقيق وأجهزة ضبط متوازية (مثل المحامل الكروية أو الأنظمة الإسفينية). يتم طحن الألواح نفسها وتغطية سطحها بمساحة أقل من أو تساوي 2 ميكرومتر فوق منطقة العمل.

الانتهاء من السطح وطبقة الإصدار
أسطح الصوانى الملامسة للبوليمر مصقولة حتى النهاية المرآة (Ra<= 0.1 µm) to avoid transfer of surface roughness to chip. A release layer is necessary to prevent the softened polymer from sticking to the metal platens. Typical solutions include:

الألواح المطلية بـ PTFE: أسطح الألواح مغطاة بطبقة رقيقة ومتينة من PTFE أو PFA. مادة PTFE غير قابلة للالتصاق، وبالتالي يمكن إزالة الشريحة المرفقة بسهولة بعد التبريد.

أفلام الإطلاق: يتم وضع فيلم فلورو بوليمر يمكن التخلص منه (مثل لوح FEP أو PTFE) بين كل لوح ورقاقة البوليمر. يكون السطح دائمًا نظيفًا وخاليًا من التلوث حيث يتم تغيير الفيلم بعد كل دورة ربط.

بالنسبة للتطبيقات فائقة النظافة-، على سبيل المثال، التشخيص الطبي، يُفضل استخدام الألواح المطلية بـ PTFE- نظرًا لأنها لا تتطلب فيلم الإطلاق القابل للاستهلاك، وإنتاج الجسيمات المرتبطة به.

دورة الارتباط الحراري: عملية-بمرحلة-خطوة
تتم إدارة دورة الترابط بأكملها بدقة للحصول على سندات خالية من العيوب ذات عائد مرتفع.

1. الفراغ والتحميل
تقع طبقات البوليمر المحاذية بين الألواح. يتم تجميع الألواح معًا تحت ضغط اتصال خفيف (ما يكفي فقط لتثبيت الطبقات في مكانها). يتم إخلاء الغرفة المحيطة بالصفائح (أو حاوية الضغط بأكملها) إلى فراغ يبلغ عادة 50-100 باسكال (0.5-1.0 ملي بار). يقوم الفراغ بسحب الهواء من القنوات الدقيقة والواجهة بين الطبقات.

ملاحظة العملية: بيئة فراغية لتجنب فقاعات الهواء المحاصرة
أثناء الترابط، يتوسع الهواء المحصور في القنوات الدقيقة عند التسخين وقد يتم الاحتفاظ به كفقاعة (محدودية تدفق السوائل) أو يهرب عن طريق إحداث تمزق في البوليمر المخفف. ولا هي نتيجة مرضية. ولذلك، فإن رقائق الموائع الدقيقة تكون دائمًا مرتبطة حرارياً في ظروف الفراغ. يقوم المكنسة أيضًا بإزالة البقايا المتطايرة على سطح البوليمر مما يزيد من قوة الرابطة. يتم إجراء فترات التسخين والنقع والتبريد تحت المكنسة الكهربائية.

الخطوة 2: معدل التسخين
يتم تسخين الألواح إلى درجة حرارة الترابط بمعدل منحدر منظم (عادة 10-30 درجة / دقيقة). يتم تحديد معدل المنحدر للسماح للبوليمر بالوصول إلى التوازن الحراري دون حدوث صدمة حرارية. تضمن أجهزة التحكم في درجة الحرارة أن جميع المناطق موحدة.

الخطوة 3: نقع السندات
بعد الوصول إلى درجة حرارة الترابط، يرتفع الضغط إلى ضغط الترابط النهائي (0.1 – 1.0 ميجا باسكال). خلال مدة تتراوح من 1 إلى 10 دقائق، تظل درجة الحرارة ثابتة ويحدث انتشار سلسلة البوليمر عبر الواجهة. يتم استخدام الحد الأدنى من وقت النقع لمنع الزحف المفرط لجدران القناة.

الخطوة 4: البرد تحت الضغط
بعد النقع، يتم تبريد الألواح (عادة عن طريق تمرير الماء أو الهواء المضغوط من خلال قنوات التبريد الداخلية) تحت ضغط الترابط الكامل. يتم ضبط معدل التبريد (عادة 10-20 درجة / دقيقة) لتقليل الضغط الحراري والاعوجاج. إذا كانت درجة الحرارة أقل من Tg للبوليمر (عادة 50-70 درجة)، يتم تحرير الضغط، ويتم إخلاء الفراغ، وتتم إزالة الشريحة المرتبطة. "الآن لدينا شريحة واحدة متجانسة مع قنوات مجهرية مغلقة تمامًا."

الدقة الفنية: اختيار المادة المناسبة للصفائح
يتم تحديد اختيار مواد الصوانى من خلال المتطلبات الصارمة للتسوية وتجانس درجة الحرارة. تتمتع ألواح الفولاذ أو الألومنيوم القياسية للأدوات بكمية كبيرة من التمدد الحراري (CTE 12-23 جزء في المليون/درجة). صفيحة 100 ملم يتم تسخينها من 20 درجة إلى 150 درجة تتوسع بمقدار 0.15-0.35 ملم. يمكن تعديل هذا حسب التصميم. ومع ذلك، فإن التغير في التسطيح أكثر إزعاجًا: فالتمدد التفاضلي بين الوجه الساخن والوجه الخلفي الأكثر برودة يمكن أن يتسبب في انحناء الصفيحة (تأثير المعدنين).

ألواح الربط ميكروفلويديك شائعة الاستخدام هي:

Invar 36 (سبائك الحديد-النيكل، CTE ~ 1.2 جزء في المليون/درجة): الشكل ثابت تقريبًا مع درجة الحرارة. مناسبة للربط عالي الدقة ودرجة الحرارة المتوسطة (حتى 200 درجة). تكلفة المواد مرتفعة.

سوبر إنفار (حديد-نيكل-كوبالت، CTE=0.5 جزء في المليون/ درجة): أقل تمددًا، ولكنه أكثر تكلفة وصعوبة في المعالجة.

السيراميك (الألومينا، نيتريد الألومنيوم، ماكور): CTE منخفض (4 إلى 8 جزء في المليون / درجة مئوية)، صلابة كبيرة، توصيل حراري ممتاز (لنيتريد الألومنيوم). Macor عبارة عن سيراميك زجاجي قابل للتشكيل. السيراميك حساس ويجب التعامل معه بعناية.

فولاذ منخفض التمدد (على سبيل المثال فولاذ أداة H13): للحصول على تجانس أقل تطلبًا، يمكن أن يكون لوح فولاذي سميك مزود بتحكم فعال في مناطق متعددة- مناسبًا.

بالنسبة لمعظم روابط الموائع الدقيقة للإنتاج، تعتبر ألواح سيراميك Invar أو نيتريد الألومنيوم مع غطاء PTFE من البدائل المفضلة.

الاستنتاج: إغلاق الطرق السريعة السائلة المجهرية
اللوح المسخن هو أداة حرارية دقيقة ودقيقة تربط العالم المعقد والصغير لشريحة الموائع الدقيقة. يتطلب أقصى درجات اتساق درجة الحرارة والتحكم في الضغط. يتم تسخين الألواح إلى نقطة محددة أعلى مباشرةً من درجة حرارة التزجج لطبقات البوليمر (عادةً 50-150 درجة مع ±0.3 درجة تجانس) حيث تصبح الأسطح ناعمة بما يكفي للسماح بالانتشار المتبادل لسلسلة البوليمر بينما يتم تطبيق ضغط موحد لطيف لتجنب انهيار قنوات مقياس النانوليتر. بيئة الفراغ تزيل فقاعات الهواء المحبوسة. توفر مواد التمدد المنخفضة- (Invar أو السيراميك) وطلاءات إطلاق PTFE عملية مسطحة وغير لاصقة-. وينتج عن ذلك مختبر يعمل بكامل طاقته ومحكم الغلق وواضح بصريًا-على-الشريحة.

لوحة مسطحة ومسخنة تحدد مستقبل التشخيص الطبي. تم تثبيت كل نقطة-من- اختبار الرعاية التي دفعت عينة دم عبر متاهة مجهرية من القنوات معًا بواسطة صفيحة ساخنة - زوج من الأيدي الحرارية الصامتة والدقيقة والرحيمة.