La collaboration Potomac – UMBC visant à développer de nouvelles techniques de fabrication pour les dispositifs microfluidiques montre des résultats préliminaires prometteurs.
La microfluidique est la science de la conception, de la fabrication et du développement de dispositifs et de processus qui traitent de très petits volumes de fluides pour de nombreux types d'applications, notamment la détection, la découverte de médicaments, l'énergie alternative et le diagnostic au point de service. Les processus de test et d'analyse, qui seraient normalement effectués dans un laboratoire, sont désormais miniaturisés et peuvent être réalisés sur une seule puce afin d'améliorer l'efficacité et la mobilité, ainsi que de réduire les volumes d'échantillons et de réactifs. Récemment, Potomac et ses partenaires de l'UMBC et de Potomac Mesosystems se sont lancés dans plusieurs projets visant à développer de nouvelles technologies de fabrication microfluidique.
Thermistances à montage en surface pour le chauffage et la détection
Dans notre première étude, nous étudions l'utilisation de thermistances submillimétriques comme sources de chaleur et capteurs de température combinés. Nous utilisons les plus petites thermistances à coefficient de température négatif avec une empreinte de 0,3 mm x 0,6 mm (taille 0201).
Lorsque des thermistances sont utilisées pour la détection de température, il faut généralement veiller à éviter l'auto-échauffement des thermistances par le courant de détection. Dans notre cas, nous chauffons volontairement la thermistance et surveillons sa résistance pour en déduire sa température. Cela nous donne une minuscule source de chaleur avec une température facilement mesurable qui peut être placée à proximité d'un canal microfluidique.
En raison de la complexité des flux de chaleur dans une structure microfluidique typique, il est très utile d'utiliser un programme de modélisation 3D pour estimer les distributions de température, la puissance d'entrée requise, les constantes de temps de refroidissement et d'autres paramètres importants. Les schémas à gauche montrent une coupe transversale d'une configuration simple de chauffage à thermistance et les résultats d'un modèle Comsol de la distribution de température correspondante. Nous construisons et modélisons actuellement plusieurs configurations à thermistance unique.
Un capteur de débit à « thermistance chaude » pour la microfluidique
Une grande variété de capteurs de débit microfluidiques basés sur des éléments chauffants micro-usinés et des RTD ont été décrits dans la littérature. Les capteurs de débit à fil chaud – l'analogue des anémomètres à fil chaud – sont parmi les plus simples d'entre eux, car ils peuvent être fabriqués avec un seul élément chauffant avec une relation bien définie entre la résistance et la température. La mise en œuvre ne nécessite qu'un élément chauffant résistif fabriqué à partir d'un conducteur très étroit et fin qui est placé à proximité d'un flux d'écoulement microfluidique. L'élément chauffant est positionné à proximité d'un élément chauffé par un courant d'entraînement, et sa température est influencée par l'effet de refroidissement du flux de fluide à proximité. Un débit plus élevé fournit plus de refroidissement et des températures d'élément chauffant plus basses. L'étalonnage de la température (c'est-à-dire de la résistance) par rapport au débit donne un moniteur de débit simple. Les dimensions de l'élément chauffant sont généralement telles que la fabrication s'effectue par structuration photolithographique d'un film métallique d'épaisseur submicronique. Pour une bonne sensibilité, l'élément chauffant doit avoir un coefficient thermique de résistivité élevé.
Nous avons récemment montré qu'une petite thermistance NTC à montage en surface peut remplacer le film métallique mince à motifs, ce qui entraîne des implications importantes pour la réduction des étapes de processus et des coûts associés à la fabrication, ainsi qu'une vitesse et une simplicité accrues du prototypage rapide des capteurs de débit intégrés. Le coefficient de température très élevé des thermistances offre une bonne sensibilité au débit, et l'utilisation de techniques d'assemblage électronique à montage en surface simplifie la fabrication.
Dans le cadre de travaux menés au laboratoire Potomac, Amir Harandi, doctorant à l'UMBC, a fabriqué un capteur de débit à thermistance chaude comme celui illustré à droite. Le canal microfluidique avait une section transversale de 300 microns x 600 microns, et une thermistance NTC de 2 Kohm avec une taille de boîtier 0201 a été utilisée dans les expériences. Les résultats expérimentaux sont résumés ci-dessous et démontrent la variation relativement importante de la sortie électrique produite par des débits compris entre 0 et 50 ul/min.
La disponibilité d'outils de microfabrication chez Potomac, tels que les lasers, les micro-broyeurs, le collage de plastiques, le gaufrage à chaud, la distribution et les équipements de prélèvement et de placement, permet la fabrication de prototypes microfluidiques intégrant l'électronique en quelques heures seulement.
Depuis plus de 30 ans, Potomac Photonics est un leader dans le domaine de la microfabrication et du perçage de petits trous. Les services contractuels de Potomac s'étendent du prototypage à la production, aidant les clients à développer des produits miniatures et à les commercialiser. Grâce à une technologie de fabrication de pointe , Potomac a été reconnue par des agences commerciales et gouvernementales pour son innovation dans des domaines tels que les dispositifs médicaux, l'électronique, l'aérospatiale et la fabrication automobile. L'installation de haute technologie de Potomac, située au bwtech@UMBC Research and Technology Park , est certifiée ISO 9001 et ISO 13485. Visitez le site Web à l' adresse www.potomac-laser.com
