Диссертация (1143641), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Показано, на примере системы жидкостного анизотропного травлениякремния, что в зависимости от соотношения тепловых мощностей вырабатываемых в ходехимического процесса в реакторе и параметров теплообмена с окружающей средой возможнокак стабильное проведение процессов, так и переход системы в неконтролируемые режимысаморазогрева. Построенные аналитические математические модели тепловых процессовпозволяют с высокой точностью рассчитывать температуру системы и определять границымежду этими режимами, что необходимо учитывать при разработке технологии и конструкциимикрореактора.4. Полученные выводы сделаны на основе детального анализа системы жидкостногоанизотропного травления кремния в микрореакторе, однако применяемые в исследованииметодики не включают каких-то специализированных условий, поэтому могут быть легкообобщеныдлялюбыханалогичныхжидкофазныхмикрореакторов.Использованнаяметодология исследования представляет собой достаточно универсальный инструмент дляисследования таких систем.203Глава 7.
Практическое применение микрореакторов с жидкой фазой7.1 Обзор областей применения микрореакторов с жидкой фазойВ данной главе мы рассмотрим некоторые вопросы, связанные с практическимприменением микрореакторов с жидкой фазой. Опишем сперва общий перечень возможныхприменений, а потом остановимся на некоторых из них более подробно. Возможны следующиеобласти использования разработанных микрореакторов с жидкой фазой:1. Проведение научных исследований и экспериментов для изучения физико-химическихпроцессов;2. Формирование микроканалов заданного размера и формы с использованием методовтравления и осаждения веществ в микрореакторах;3.
Создание новых устройств микросистемной техники, в которых процессы протекающиев жидкофазных микрореакторах являются частью общего технологического цикла производствасамих устройств;Выделенные здесь общие категории использования микрореакторов с жидкой фазой неограничивают возможности их использования и в других областях.Использование микрореакторов для научных исследованийЭта область практического использования микрореакторов с жидкой фазой аналогичнаобласти применения реакторов с газовой фазой. Можно проводить исследования механизма икинетики гетерогенных процессов осаждения или травления веществ.
Для этого необходиморассматривать микроканал в структуре из двух разнородных в химическом отношении веществ.Можно обратиться к уже известной структуре кремний-на-стекле, где в стекле предварительносформирован микроканал. Подавая в него раствор щелочи, можно запустить процесс травлениякремния. С учетом уже известных фактов о микрореакторах, следует, что концентрациятравящего агента падает вдоль канала. Соответственно если скорость травления зависит отконцентрации, то она тоже будет изменяться вдоль реактора. Проведя такой процесс в течениеопределенного времени, можно получить неравномерную глубину травления вдоль канала.Этот параметр легко измерить на практике, из чего потом можно сделать вывод о механизме икинетике всего процесса.
Указанная схема проведения эксперимента не ограничиваетсяпроцессами травления, а может быть распространена и на процессы химического осаждения изжидкой фазы, в том числе под действием электрического поля. Схема такого экспериментапредставлена на рисунке 7.1.1.204Рисунок 7.1.1 – Схема экспериментального исследования кинетики химической реакциижидкостного травленияМожно отметить преимущества предлагаемой методики проведения экспериментальныхисследований:1. Микрореакторы и микроканалы можно делать по групповой технологии изготовленияизделий микросистемной техники, стоимость одного микрореактора получается небольшая, ихможно сделать достаточно много, чтобы охватить широкий спектр экспериментальныхусловий.
Эта методика позволяет существенно повысить эффективность проведенияисследовательской работы в лаборатории, получить большое количество экспериментальныхданных и сделать обобщения, касающиеся полученных результатов;2. В микрореакторе достаточно просто можно получить специфические условияпроведения процесса. Это касается как абсолютных значений таких физических величин кактемпература, давление, концентрации веществ и др, так и динамики их изменений. Ввидумалого объема и массы системы, возможно реализовать высокоскоростные процессы,например, нагрев или охлаждение. То же касается и скорости движения веществ вмикрореакторах. Практика показывает, что достижение линейных скоростей движенияжидкости в микроканале на уровне 1-10 м/с является решаемой задачей.
При этом становитсявозможным исследовать быстропротекающие химические процессы.7.2. Применение микрореакторов с жидкой фазой для создания каналов заданногогидравлического сопротивления в структуре микрофлюидного мостика УинстонаВ данном разделе рассмотрим известный и детально описанный технологический процессанизотропного жидкостного травления кремния в микрореакторе, и покажем, как на основеэтого процесса можно создавать новые системы, обладающие существенными преимуществамии широкой областью практического применения.Одним из основных свойств жидкостного анизотропного травления кремния является то,что в процессе происходит изменение площади поперечного сечения микроканала, его205периметра и, как следствие, гидравлического диаметра и сопротивления.
Конкретные значенияэтих изменений зависят от исходной геометрии микроканала и условий проведения процессатравления. Здесь важно подчеркнуть, что проводя процесс травления кремния в микрореакторемы можем изменять его гидравлическое сопротивление, а уникальной особенностью процессаявляется то, что это возможно делать в уже сформированной микрофлюидной структуре.Рассмотрим микроустройства, где такая технология может быть полезна.Из обзора литературы, касающийся микрофлюидных устройств, была обнаруженасистема, которая называется «микрофлюидный мостик Уинстона», (microfluidic Wheatstonebridge). Эта система имеет структуру и функционирует аналогично электрическомуизмерительному мосту Уинстона. На рисунке 7.2.1 показана принципиальная схема такогоустройства для электрического и микрофлюидного исполнения.(а)(б)Рисунок 7.2.1 – Принципиальная схема электрического мостика (а) и схема расположенияканалов в микрофлюидном мостике Уинстона (б)Рассмотрим состав и принцип работы такой системы.
Еѐ основу составляют 4сопротивления, включенные как показано на схеме, причем одно из них обычно переменное. Всистеме есть источник питания и вольтметр, подключенный между точками BC. Отрезки AB,BC, AC, CD называются плечами моста. Работает схема следующим образом.
Источникпитания обеспечивает протекание тока через систему резисторов. На каждом из них взависимости от сопротивления имеется падение напряжения. При этом можно записать условиеравновесия моста: 1′ ′= ′2 ′3,7.2.1где ′ электрическое сопротивление i-го резистора. Если условие 7.2.1 выполняется, торазности потенциалов между точками B и C не будет, что можно зафиксировать по показаниямподключенноговольтметра.Еслиневыполняется,товольтметрбудетпоказывать206соответствующую разность потенциалов, которой можно управлять путем измененияпеременного сопротивления Rel’x.По аналогии с электрическим измерительным мостиком Уинстона можно создать имикрофлюидный мостик, в котором каналы с заданным гидравлическим сопротивлениемявляются аналогами резисторов в электрической схеме.
Кроме этого возможно сформироватьеще и мостиковый канал между точками B и C. Если система находится не в равновесии, поэтому каналу будет течь жидкость под действием существующей разности давлений. Вравновесном состоянии поток жидкости также будет равен нулю, также как и перепад давленийна его концах.Микрофлюидные системы на основе мостика Уинстона рассматривались в последнеевремя разными научными группами. В работе [137] с его помощью исследовалась вязкость исжимаемость крови.
В работе [138] микрофлюидный мостик использовался для быстроговыделения и исследования образцов жидкостей с содержащимися в ней частицами. В другойработе микрофлюидный мостик применялся для исследования электрокинетических свойствжидкостей и управления потоками в процессе биомолекулярной сепарации [139].Важным фактом во всех этих работах является то, что для контролирования потокажидкости через мостиковый микроканал необходимо использовать переменное гидравлическоесопротивление, которое реализуется с использованием специализированных микроклапанов иуправляющей электронной системы с обратной связью.
Все это необходимо для обеспеченияперевода мостика в состояние близкое к равновесию. Применение таких специализированныхсистем для решения задачи уравновешивания мостика является ресурсозатратным даже длялабораторных условий эксплуатации, не говоря уже о массовом применении. Можно сказать,что существует задача создания уравновешенного мостика без применения дополнительныхспециализированных устройств и систем управления.Для людей, малознакомых с тонкостями технологии микрофлюидики может показаться,что задача не имеет смысла. Можно, например, предложить просто сформировать методамифотолитографии и травления 4 канала с заданной геометрией и получить на выходеуравновешенную структуру. Однако это не так. В виду существования технологическихпогрешностей на всех этапах производства такой структуры, реальная геометрия микроканаловбудет немного отличаться от идеальной. Для обычных структур это не является большойпроблемой, но в структуре мостика, даже небольшое изменение сопротивления в плечахвызывает выход системы из равновесия.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
