Диссертация (1143641), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Этот факт описывается или подразумевается авторамиперечисленных статей, а также экспериментально проверен на практике. Попытатьсяуменьшить эти технологические погрешности до минимума возможно путем применениясверхвысокоточного литографического оборудования и другими методами.
Все они достаточно207затратные и не гарантируют получение конечного результата. Таким образом, задача нерешается традиционными методами. Необходимо разработать масштабируемую, недорогуюпромышленную технологию создания уравновешенного микрофлюидного мостика Уинстона.Будем решать эту задачу с применением технологии микроканального травления.Рассмотрим конструкцию микрофлюидного мостика Уинстона, на примере которойпокажем как можно применять технологию микроканального травления. Сама структуравыполнена с виде чипа, состоящего из слоев кремния и стекла, по 500 мкм каждый.
В структуреимеется всего 4 входа/выхода, по которым может подаваться жидкость. Для рассмотренияболее общего случая геометрия каналов была выбрана в соответствии с параметрами,представленными в таблице 7.1.Таблица 7.1. Параметры каналов микрофлюидного мостика УинстонаНаименование каналаLsz, ммLsy, мкмLsx, мкмRhd×1012, Па/м3∙сR11,75304032,80R22,00305025,44R32,00304530,31RX1,753030-4229,97-62,26Мостиковый канал Rbr0,87301502,62Параметры гидравлического сопротивления рассчитаны по аналитическому уравнению7.2.2 [с 51, 140]: =12 ∙ ∙ 1∙, 3 ∙ 1 − 0.63 ∙ 7.2.2где Rhd – гидравлическое сопротивление канала, ν – динамическая вязкость жидкости, Lsz –длина канала, Lsy – высота канала, Lsx – ширина канала.В качестве материалов для структуры выбраны кремний и стекло, как материалы свысокой механической прочностью, химической инертностью и не изменяющие своюгеометрию со временем или под действием напряжения (как, например, пластики).
Все этопозволяет обеспечить постоянство свойств микрофлюидной структуры со временем, в процессеэксплуатации после еѐ изготовления. Технологический процесс изготовления изначальнойструктуры можно кратко описать в следующей последовательности.Исходным материалом являются кремниевые и стеклянные пластины. На поверхностикремниевойпластиныпроводятоперациюфотолитографии,послечегометодом208плазмохимического травления (Bosch процесс) вытравливают каналы по маске фоторезиста.После отмывки и очистки поверхности проводят электротермодиффузионное соединениепластины кремния со стеклом (так называемый анодный бондинг).
Соединенные пластиныразрезают на чипы, каждый из которых содержит одну микрофлюидную структуру, иприсоединяют капиллярные выводы. Сам процесс производства является несложным, он нетребует прецизионного оборудования (минимальный размер для фотолитографии 40 мкм).По описанному технологическому процессу изготовлена микрофлюидная структурамостика Уинстона. В качестве исходных материалов использовалась кремниевая пластинаКДБ0.01(100) и стеклянная пластина марки ЛК5, диаметром 100 мм и толщиной 500 мкмкаждая. На рисунке 7.2.2 показаны фотографии изготовленного микрофлюидного чипа в целом,и детально дана фотография микрофлюидной структуры с оптического микроскопа.Рисунок 7.2.2 – Фотография микрофлюидного мостика УинстонаДальнейший процесс заключается в проведении операции микроканального травления длядостижения равновесного состояния микрофлюидного мостика. В исходном состоянии ширинаканала Rх выбирается такой, чтобы структура находилась в состоянии близком к равновесию,но не могла перейти через него при случайных вариациях технологического процесса.
Так, еслирасчетное значение ширины канала в условии равновесия составляет 36,60 мкм, целесообразнов качестве начальной ширины выбрать ширину канала из диапазона 35-33 мкм. Далее,производя процесс микрореакторного травления кремния, гидравлический диаметр этогоканала будет увеличиваться, его сопротивление падать, а мостик приближаться к равновесию.Для проведения процесса травления кремния в микрореакторе, которым в данном случаеявляется уже предварительно сформированный микроканал, можно предложить нескольковариантов, отличающихся по исполнению и условиям реализации.Поскольку в модели микрофлюидного мостика Уинстона переменным является толькоодин канал, рассмотрим сперва как можно организовать микроканальное травление толькоодного канала в данной структуре.209Предположим, в соответствии с рисунком 7.2.1, что на вход A и C подается нейтральныйраствор, с выхода D происходит отвод всех компонентов, а на вход B подается травящийраствор.
Вся система находится при температуре, позволяющей проводить травление снеобходимой, не очень большой скоростью. При таком подходе травящий раствор движетсятолько по каналу Rx и изменяет его гидравлический диаметр. Нахождение системы вравновесии контролируется по оптическому микроскопу, при необходимости изменяянаправление движения потоков жидкости от описанного выше к номинальному.Другая модификация технологии заключается в том, что травящий раствор подается отвхода А к D, а входы B и C закрыты. При этом перед входом в канал Rx раствор нагревается,например лазерным излучением. Горячий раствор травит канал Rx, в то время как холодныйраствор, движущийся по остальным каналам с ними не взаимодействует (или взаимодействует смалой скоростью, чем можно пренебречь).
Этот метод проще с точки зрения организациипотоков в микрофлюидной структуре, но требует локального нагрева.Имеется еще один вариант реализации технологии микроканального травления кремния вструктуре микрофлюидного мостика. Он реализуется тем, что на вход А подается травящийраствор, сам чип находится при температуре, когда процесс травления идет с необходимойскоростью. При этом травитель идет по всем каналам, что приводит к изменениюгидравлического сопротивления всех элементов микрофлюидной структуры.
Однако как мызнаем, профиль формируемого в процесс травления микроканала зависит от его начальнойконфигурации. В случае предварительно сформированных микроканалов это правило такжеработает. Рассмотрим это на примере мостика с заданной геометрией и с изначальной ширинойканала Rx равной 37 мкм. Для условия равновесия необходимо чтобы выполнялосьсоотношение 7.1.1. Расчет по нему для каналов R2 и R3 дает значение Rhd(R2)/Rhd(R3)=0,8392.Представим, что одновременно идет травление по описанной выше технологии каналов R1 и Rx,причем для простоты предположим, что в виду монокристаллической ориентации кремния, впроцессе травления просто увеличивается глубина каналов.В таблице 7.2.
показано изменение гидравлического сопротивления для этих каналов исоотношения Rhd(R1) /Rhd(Rx) в зависимости от глубины травления. Как следует из приведенныхв таблице данных, при одновременном травлении каналов происходит уменьшениегидравлического сопротивления обеих структур, однако в виду изначально разной геометрии,скорость этого изменения разная, соответственно соотношение сопротивлений Rhd(R1)/Rhd(Rx)тоже меняется и пересекает значение установленного соотношения Rhd(R2)/Rhd(R3). Такимобразом, можно также добиться полного уравновешивания микрофлюидного мостика.210Таблица 7.2.
Изменение гидравлического сопротивления при микроканальном травленииLsy, мкмRhd(R1) ×1012, Па/м3∙сRhd(Rx) ×1012, Па/м3∙сRhd(R1)/Rhd(Rx)3032,80738,2440,8573130,64835,9110,8533228,74933,8700,8483327,07332,0840,8433425,59330,5210,8383524,28529,1580,832Для более сложной геометрии профиля травления, будут усложнятся только формулырасчета гидравлического сопротивления, но общая идея не меняется.
Различные начальныегеометрии каналов травятся по разному, приводя к изменению соотношения сопротивлений вплечах моста, подводя его к состоянию равновесия.Таким образом, имеется как минимум несколько способов организации технологиимикроканального травления кремния для производства уравновешенного микрофлюидногомостика Уинстона. Конкретный технологический процесс выбирается исходя из возможностейпредприятия-изготовителя и других критериев. Можно резюмировать, что технологияжидкостного анизотропного травления кремния в микрореакторе в рассмотренном случаепозволила изготовить микрофлюидное устройство, которое не могло быть изготовлено другимиметодами и технологиями микросистемной техники с затратами разумного количестваресурсов.
Это является хорошей иллюстрацией того, как новая технология является основойдля нового устройства.Рассмотрим подробнее сами свойства микрофлюидного мостика Уинстона в различныхсостояниях и обсудим сферы его практического применения. Начнем исследование с вопроса отом, как изменяется характер течения и распределение давлений в элементах структурымикрофлюидного мостика при изменении сопротивления в одном из плеч моста.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
