Potomac - UMBC Zusammenarbeit zur Entwicklung neuartiger Fertigungstechniken für mikrofluidische Geräte zeigt erste, vielversprechende Ergebnisse.
Die Mikrofluidik ist die Wissenschaft vom Entwurf, der Herstellung und der Entwicklung von Geräten und Prozessen, die mit extrem kleinen Flüssigkeitsvolumina arbeiten und für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt werden können, z. B. in der Sensorik, der Arzneimittelforschung, der alternativen Energieerzeugung und der Point-of-Care-Diagnostik. Test- und Analyseverfahren, die normalerweise in einem Labor durchgeführt werden, sind jetzt miniaturisiert worden und können auf einem einzigen Chip durchgeführt werden, um die Effizienz und Mobilität zu verbessern und das Proben- und Reagenzienvolumen zu reduzieren. In jüngster Zeit haben Potomac und seine Partner an der UMBC und Potomac Mesosystems mehrere Projekte zur Entwicklung neuartiger mikrofluidischer Fertigungstechnologien in Angriff genommen.
Oberflächenmontierte Thermistoren für Heizung und Sensorik
In unserer ersten Studie untersuchen wir die Verwendung von Submillimeter-Thermistoren als kombinierte Wärmequellen und Temperatursensoren. Wir verwenden die kleinsten Thermistoren mit negativem Temperaturkoeffizienten und einer Grundfläche von 0,3 mm x 0,6 mm (Größe 0201).
Bei der Verwendung von Thermistoren zur Temperaturmessung wird normalerweise sehr darauf geachtet, dass sich die Thermistoren durch den Messstrom nicht selbst erwärmen. In unserem Fall wird der Thermistor absichtlich selbst erwärmt und sein Widerstand überwacht, um auf seine Temperatur zu schließen, wodurch wir eine winzige Wärmequelle mit einer leicht zu messenden Temperatur erhalten, die in unmittelbarer Nähe eines Mikrofluidikkanals platziert werden kann.
Aufgrund der komplexen Wärmeflussmuster in einer typischen mikrofluidischen Struktur ist es sehr hilfreich, ein 3D-Modellierungsprogramm zu verwenden, um Temperaturverteilungen, erforderliche Leistungsaufnahme, Kühlzeitkonstanten und andere wichtige Parameter abzuschätzen. Die Skizzen auf der linken Seite zeigen einen Querschnitt eines einfachen Thermistor-Heizer-Layouts und die Ergebnisse eines Comsol-Modells der entsprechenden Temperaturverteilung. Wir konstruieren und modellieren derzeit mehrere Einzelthermistor-Konfigurationen.
Ein "heißer Thermistor"-Durchflusssensor für die Mikrofluidik
In der Literatur ist eine Vielzahl von mikrofluidischen Durchflusssensoren auf der Grundlage von mikrobearbeiteten Heizern und RTDs beschrieben. Hitzdraht-Durchflusssensoren - das Analogon zu Hitzdraht-Anemometern - gehören zu den einfachsten, da sie mit einem einzigen Heizelement hergestellt werden können, das eine klar definierte Beziehung zwischen Widerstand und Temperatur aufweist. Für die Umsetzung ist lediglich ein Widerstandsheizer erforderlich, der aus einem sehr schmalen und dünnen Leiter hergestellt und in der Nähe eines mikrofluidischen Flusses platziert wird. Der Heizer wird in der Nähe eines mit einem Antriebsstrom beheizten Heizelements positioniert, und seine Temperatur wird durch den Kühleffekt des nahen Flüssigkeitsstroms beeinflusst. Eine höhere Strömung sorgt für eine stärkere Kühlung und niedrigere Heizertemperaturen. Die Kalibrierung der Temperatur (d. h. des Widerstands) in Abhängigkeit von der Strömung führt zu einer einfachen Strömungsüberwachung. Die Abmessungen des Heizelements sind in der Regel so, dass die Herstellung durch photolithografische Strukturierung eines Metallfilms mit einer Dicke im Submikronbereich erfolgt. Um eine gute Empfindlichkeit zu erreichen, sollte das Heizelement einen hohen thermischen Widerstandskoeffizienten haben.
Wir haben vor kurzem gezeigt, dass ein kleiner, oberflächenmontierter NTC-Thermistor die strukturierte Dünnschicht aus Metall ersetzen kann, was erhebliche Auswirkungen auf die Verringerung der mit der Herstellung verbundenen Prozessschritte und Kosten hat und die Geschwindigkeit und Einfachheit des Rapid Prototyping von integrierten Durchflusssensoren erhöht. Der sehr hohe Temperaturkoeffizient von Thermistoren sorgt für eine gute Strömungsempfindlichkeit, und die Verwendung oberflächenmontierter elektronischer Montagetechniken vereinfacht die Herstellung.
Amir Harandi, ein Doktorand an der UMBC, hat im Potomac-Labor einen Heißthermistor-Durchflusssensor wie den rechts abgebildeten hergestellt. Der mikrofluidische Kanal hatte einen Querschnitt von 300 Mikrometern x 600 Mikrometern, und in den Experimenten wurde ein 2-Kohm-NTC-Thermistor mit einer Gehäusegröße von 0201 verwendet. Die nachstehend zusammengefassten Versuchsergebnisse zeigen, dass die elektrische Leistung bei Durchflussraten zwischen 0 und 50 ul/min relativ stark schwankt.
Die in Potomac verfügbaren Mikrofabrikationswerkzeuge wie Laser, Mikrofräsen, Kunststoffkleben, Heißprägen, Dispensen und Bestückungsgeräte ermöglichen die Herstellung von mikrofluidischen Prototypen mit Elektronik in nur wenigen Stunden.
Seit über 30 Jahren ist Potomac Photonics führend auf dem Gebiet der Mikrofertigung und des Bohrens kleiner Löcher. Die Vertragsdienstleistungen von Potomac reichen von der Herstellung von Prototypen bis hin zur Produktion und unterstützen Kunden bei der Entwicklung von Miniaturprodukten und deren Markteinführung. Durch den Einsatz modernster Fertigungstechnologien wurde Potomac sowohl von kommerziellen als auch von staatlichen Stellen für Innovationen in Bereichen wie Medizintechnik, Elektronik, Luft- und Raumfahrt und Automobilbau ausgezeichnet. Die Hightech-Anlage von Potomac, die sich im bwtech@UMBC Research and Technology Park befindet, ist nach ISO 9001 und ISO 13485 zertifiziert. Besuchen Sie die Website unter www.potomac-laser.com
