La collaborazione tra Potomac e UMBC per sviluppare nuove tecniche di produzione per dispositivi microfluidici mostra i primi risultati promettenti.
La microfluidica è la scienza della progettazione, produzione e sviluppo di dispositivi e processi che gestiscono volumi di fluido estremamente piccoli per molti tipi di applicazioni, tra cui rilevamento, scoperta di farmaci, energia alternativa e diagnostica point-of-care. I processi di test e analisi, che normalmente verrebbero eseguiti in un laboratorio, sono stati ora miniaturizzati e possono essere condotti su un singolo chip per migliorare l'efficienza e la mobilità, nonché ridurre i volumi di campioni e reagenti. Di recente, Potomac e i suoi partner presso UMBC e Potomac Mesosystems hanno avviato diversi progetti per sviluppare nuove tecnologie di produzione microfluidica.
Termistori a montaggio superficiale per riscaldamento e rilevamento
Nel nostro primo studio, stiamo esaminando l'uso di termistori submillimetrici come fonti di calore combinate e sensori di temperatura. Stiamo utilizzando i più piccoli termistori a coefficiente di temperatura negativo con un ingombro di 0,3 mm x 0,6 mm (dimensione 0201).
Quando i termistori vengono utilizzati per il rilevamento della temperatura, di solito si presta molta attenzione a evitare l'autoriscaldamento dei termistori da parte della corrente di rilevamento. Nel nostro caso, stiamo deliberatamente autoriscaldando il termistore e monitorando la sua resistenza per dedurre la sua temperatura. Questo ci fornisce una minuscola fonte di calore con una temperatura facilmente misurabile che può essere posizionata in prossimità di un canale microfluidico.
A causa dei complessi modelli di flusso di calore in una tipica struttura microfluidica, è molto utile utilizzare un programma di modellazione 3D per stimare le distribuzioni di temperatura, l'input di potenza richiesto, le costanti di tempo di raffreddamento e altri parametri importanti. Gli schizzi a sinistra mostrano una sezione trasversale di un semplice layout di un riscaldatore a termistore e i risultati di un modello Comsol della corrispondente distribuzione di temperatura. Stiamo ora costruendo e modellando diverse configurazioni a singolo termistore.
Un sensore di flusso “a termistore caldo” per la microfluidica
In letteratura è stata riportata una grande varietà di sensori di flusso microfluidici basati su riscaldatori e RTD microlavorati. I sensori di flusso a filo caldo, l'analogo degli anemometri a filo caldo, sono tra i più semplici, poiché possono essere fabbricati con un singolo riscaldatore con una relazione ben definita tra resistenza e temperatura. L'implementazione richiede solo un riscaldatore resistivo fabbricato da un conduttore molto stretto e sottile che viene posizionato vicino a un flusso di flusso microfluidico. Il riscaldatore è posizionato vicino a un riscaldato con una corrente di azionamento e la sua temperatura è influenzata dall'effetto di raffreddamento del flusso di fluido nelle vicinanze. Un flusso più elevato fornisce più raffreddamento e temperature del riscaldatore più basse. La calibrazione della temperatura (ad esempio resistenza) rispetto al flusso si traduce in un semplice monitor di flusso. Le dimensioni del riscaldatore sono in genere tali che la fabbricazione avviene tramite modellazione fotolitografica di una pellicola metallica di spessore submicronico. Per una buona sensibilità, il riscaldatore dovrebbe avere un elevato coefficiente termico di resistività.
Abbiamo recentemente dimostrato che un piccolo termistore NTC a montaggio superficiale può essere sostituito al film metallico sottile modellato, con implicazioni significative per la riduzione delle fasi di processo e dei costi associati alla fabbricazione, e una maggiore velocità e semplicità della prototipazione rapida dei sensori di flusso integrati. L'elevatissimo coefficiente di temperatura dei termistori fornisce una buona sensibilità al flusso e l'uso di tecniche di assemblaggio elettronico a montaggio superficiale semplifica la fabbricazione.
Nel lavoro svolto nel laboratorio Potomac, Amir Harandi, uno studente di dottorato presso l'UMBC, ha realizzato un sensore di flusso a termistore caldo come quello mostrato a destra. Il canale microfluidico aveva una sezione trasversale di 300 micron x 600 micron e negli esperimenti è stato utilizzato un termistore NTC da 2Kohm con una dimensione del package 0201. I risultati sperimentali sono riassunti di seguito e dimostrano la variazione di uscita elettrica relativamente ampia prodotta da portate comprese tra 0 e 50 ul/min.
La disponibilità di strumenti di microfabbricazione presso Potomac, quali laser, micromill, saldatrici di materie plastiche, goffratrici a caldo, dosatrici e apparecchiature pick-and-place, consente la fabbricazione di prototipi microfluidici che incorporano componenti elettronici in poche ore.
Da oltre 30 anni, Potomac Photonics è leader nella microfabbricazione e nella foratura di piccoli fori. I servizi contrattuali di Potomac spaziano dalla prototipazione alla produzione, aiutando i clienti a sviluppare prodotti in miniatura e a immetterli sul mercato. Utilizzando tecnologie di produzione all'avanguardia , Potomac è stata riconosciuta sia dalle agenzie commerciali che da quelle governative per l'innovazione in settori quali dispositivi medici, elettronica, aerospaziale e produzione automobilistica. La struttura high-tech di Potomac, situata presso bwtech@UMBC Research and Technology Park , è certificata ISO 9001 e ISO 13485. Visita il sito Web all'indirizzo www.potomac-laser.com
