Program Operational Sectorial "Cresterea Competitivitatii Economice"
"Investitii in viitorul dumneavoastra"

■ REZULTATE ETAPA a 7-a

Rezumat _ Etapa a VII-a
În această etapă de raportare, conform Calendarului activităţilor din Cererea de finanţare a proiectului, s-au desfăşurat în paralel, două activităţi de dezvoltare experimentală, o activitate de cercetare industrială şi o activitate de promovare a proiectului.

1. „Elaborarea tehnologiilor de fabricaţie a platformelor microfluidice”:

Activitatea 1.B – Tehnologie de corodare uscată a siliciului

2. „Designul, simularea, alegerea sistemului optim, setarea hardware pentru asambarea nanstructurala in canale microfluidice”:

Activitatea 2.A  - Simularea curgerii in canale microfludice in vederea captarii si asamblarii nanostructurate

Activitatea 2.B - Setarea hardware a sistemelor de pompare si comanda pentru canale microfluidice Proiect preliminar software dedicat controlului elementelor microfluidice (pompe, valve, etc)

****************************************************

1. „Elaborarea tehnologiilor de fabricaţie a platformelor microfluidice”:
Activitatea 1.B – Tehnologie de corodare uscată a siliciului

1.B.2.  Experimentarea tehnologiei

Fabricarea dispozitivilui.

Microcanalele sunt fabricate in plachete de siliciu (cu diamerul 100 mm – 4 in, grosime 525-550 µm achizitionate de la Semiconductors Wafer, Inc. Hsinchu, Taiwan) cu ajutorul tehnologiei de prelucrare deep reactive ion etching (DRIE - Oxford Plasmalab System 100-1) - tehnologie de prelucrare uscata in plasma - folosind procesul Bosch.

Designul zonei de testare microfluidica trebuie proiectat cu cel putin un perete transparent, astfel încat curgerea sa fie vizualizata cu ajutorul obiectivelor unui microscop inversat. Din acest motiv s-a ales sigilarea circuitelor microfluidice cu ajutorul unui perete transparent reprezentat de o placheta de sticla borsilicata (diametrul de 100 mm, grosime 0.7 mm, Pyrex 7740). Accesul fluidic se realizeaza cu ajutorul gaurilor strapunse cu diametrul de 1 mm de pe spatele plachetei de siliciu, prelucrate prin aceeasi tehnologie DRIE la fiecare capat terminus al microcanalelor.

Pe o placheta de siliciu patru dispozitive microfluidice sunt prelucrate, fiecare avand aceeasi adancime si configuratie generala (de 100 µm), dar cu diferite valori ale latimi de microcanal (50 µm, 75 µm, 100 µm, si 125 µm). Dupa prelucrarea DRIE placheta de siliciu a fost sudata anodic (anodic bonding) cu o placheta de sticla pentru sigilarea microcanalelor. Tuburi fluidice din politetrafluorulin (PTEE) au fost atasate la punctele de acces fluidice cu ajutorul porturilor fluidice comerciale disponibile. Porturile fluidice au fost lipite pe statele plachetei de siliciu cu ajutorul unei paste polimerice la temperatura de 180° C. In testele preliminare tuburile capilare (achizitionate de la Dolomite, Charlestown, MA), asigura legatura cu camerele detasabile (Remote Chamber 400 and 30, Dolomite, Charlestown, MA) care contin fluidele de testare. Un debit constant de fluid si lipsit de pulsatii a fost mentinut cu un mecanism de pompare pe baza de perna de aer (Mitos P-Pump, Dolomite, Charlestown, MA) conectat la portul de aer comprimat al laboratorului.

Figura 2. Dispozitivul microfluidic obtinut prin sudarea unei plachetei de siliciu cu o placheta din sticla (stanga), precum si spatele dispozitivului microfluidic unde porturi fluidice au fost lipite (dreapta).

1.B.2.2. Functionalizarea suprafetelor de siliciu pentru a transforma caracterul lor din hidrofob in hidrofil

Aceasta activitate a fost finalizata: Obiectivul principal al acestei activitati a fost investigarea experimentala a modificarii suprafetelor de SU8, PDMS, SiO2 si Si prin tratament in plasma RF. s-au experimentat metode de functionalizare a suprafetelor in plasma de diferite compozitii, presiuni si puteri RF diferite. Pentru fiecare proba functionalizata a fost determinata tensiunea superficiala (calitatea suprafetei) prin masurarea unghiului de contact pe care il face picatura de fluid cu supratata modificata controlat.

Reactiile fizico – chimice la temperatura joasa pot fi folosite pentru functionalizarea suprafetelor tratate in plasma, prin modificarea unghiului de contact, polimerizare superficiala, sau prin inducerea unor regiuni hidrofile si/sau hidrofobe pe suprafata in contact cu plasma.

Plasma de argon a fost folosita pentru a genera suprafete hidrofile, iar plasma de CF4 sau CF4 cu O2, CHF3, SF6, Ar, s-a folosit pentru crearea unor suprafete hidrofobe. A fost investigat efectul diversilor parametri ai plasmei (puterea RF, potentialul de electrod, debitul gazelor, compozitia plasmei, presiunea in reactor, timpul de expunere) asupra unghiului de contactal al apei pe suprafetele mentionate mai sus, asupra morfologiei suprafetei. S-a observat faptul ca plasma de O2 diminueaza drastic unghiul de contact, sub 200, iar plasmele pe baza de freon determina o crestere considerabila a unghiului de contact, peste 1100. De asemenea s-a observat ca unghiul de contact creste prin cresterea debitului de O2 adaugat plasmei de CF4. S-a observat ca unghiul de contact variaza foarte putin, la cresterea debitului de freon.  Unghiul de contact creste drastic cu scaderea presiunii in reactor si cu cresterea puterii RF.

O observatie foarte importanta este aceea ca funcţionalizarea PDMS-ului în plasmă este un proces reversibil. Unghiul de contact al apei cu PDMS-ul scade semnificativ în urma unui astfel de tratament, dar creşte dramatic după un anumit timp, şi revine la valoarea iniţială în câteva zile. Acest lucru a fost confirmat de experimentele realizate.

În mod deloc surprinzător, plasma de SF6 şi O2 a avut cele mai bune rezultate, atât din punctul de vedere al scăderii unghiului de contact cât şi al stabilităţii pentru un timp cât mai lung. Radicalii de F şi O generaţi în această combinaţie acţionează atât asupra părţii organice a PDMS-ului cât şi asupra scheletului de siliciu. În urma acestui proces, suprafaţa PDMS-ului devine mai rugoasă crescând astfel aria totală pe care se ataşează grupări –OH.

Reţetele au fost testate în cadrul altor experimente şi am constat reproductibilitatea rezultatelor de funcţionalizare. Variaţii minore de la aceste rezultate pot să apară datorită curăţeniei suprafeţei PDMS-ului. În cazul în care suprafaţa prezintă urme de praf sau alte impurităţi, poate fi spălată în alcool isopropilic şi deshidratată înainte de efectuarea tratamentului în plasmă.

1.B.2.3. Caracterizarea suprafetelor si optimizarea parametrilor de process

Corodarea cu ioni reactivi (RIE) este o tehnică de corodare fizico-chimică, care îmbină reactivitatea cu bombardamentul ionic, putându-se obţine corodări selective şi direcţionate (anizotrope). Bombardamentul cu ioni poate să: (1) producă o rupere a legăturilor chimice slabe, (2) producă defecte care măresc reactivitatea chimică, (3) asigure energia de reacţie, (4) îndepărteze straturile acoperitoare (reziduuri de corodare şi polimeri) care inhibă corodarea. Defectele produse de bombardamentul cu ioni pot fi defecte intrinseci de legătură sau specii de corodare şi impuritaţi implantate. În acord cu convenţia pentru notaţii adoptată în raportul precedent, se va nota stratul de defecte intrinseci de legătură cu (D), iar stratul de impurităţi implantate cu (P).

Speciile de corodare introduse în stratul (P) în timpul corodării se datorează diferitelor combinaţii de implantare: implantare canalizată, implantare de recul, implantare asistată de difuzie prin centrele de densităţi de defecte de neechilibru. În unele situaţii, stratul (P) işi poate avea originea în procesul de redepunere. Pentru energiile cinetice ale ionilor luaţi în consideraţie la corodarea uscată (de la zeci de eV la aproximativ 1000eV), grosimea stratului (P) poate varia de la zeci de Ĺ la câteva sute de Ĺ . Stratul (P) este prezent atât în corodarea fizico-chimică, cât şi în corodarea fizică.

Stratul (D) conţine: vacanţe (defecte Frankel), interstiţiali şi dislocaţii. Acesta se poate suprapune peste stratul (P), sau se poate întinde dincolo de acesta. Stratul (D) este deasemenea prezent atât în cazul corodării fizico-chimice (RIE), cât şi în cazul corodării fizice (sputtering). Dacă materialul de corodat este un compus chimic, atunci au loc schimbări în stoichiometria stratului (D).          

Implicaţiile asupra proprietăţilor electrice ale stratului (D) se văd în variatia barierei Schottky pentru Si-n şi Si-p. S-a observat că, pentru oricare gaz de corodare folosit la corodarea uscată, se micşorează înălţimea barierei contactului metal/semiconductor pentru Si-n şi se măreşte pentru Si-p. Se presupune că acest efect se datorează sarcinii pozitive asociate cu stratul (D). Sarcina pozitivă poate fi prezentă şi în stratul (P), sub forma de : H+, Ar+, N+, O+, CF3+.

Atât stratul de defecte (P), căt şi stratul de defecte (D) pot fi uşor îndepărtate prin tratamente termice adecvat.

Rezultatele experimentale indica faptul ca rugozitatea suprafetei corodate depinde in principal de trei factori: adancimea corodarii (rugozitatea creste cu cresterea adancimii de corodare), gazele de corodare si potentialul de electrod care este dat de puterea RF si presiunea in reactor. În corodarea uscata tip RIE, plasma RF se utilizează pentru a activa sau descompune gazul reactiv. Proba se plasează pe electrodul RF pentru a accelera efectul reacţiei la suprafata materialului ce trebuie corodat.

RIE diferă de corodarea în plasmă şi pe alte laturi decât direcţionalitatea corodării. Viteza de corodare a SiO2 în CF4 sau CF4+O2 este mică atunci când corodarea are loc în plasmă la presiune mare. Viteza de corodare a SiO2 creşte cu creşterea energiei ionilor incidenţi până ce viteza de corodare a SiO2 întrece pe cea a Si în condiţii RIE de putere şi presiune. Viteza de corodare a siliciului în RIE nu depinde de dopaj, cristalinitate sau temperatura substratului deoarece energia ionilor incidenţi este mult mai mare decât diferenţele de energii asociate cu reţeaua siliciului. Corodarea siliciului în plasme de CF4 este limitată de selectivitatea corodării faţă de SiO2. Corodarea selectivă a SiO2 în RIE se poate obţine în gazele de corodare care produc descărcări sărace în fluor. SiO2 se corodează în absenţa fluorului liber, prin ioni ca CF3+. Concentraţia radicalilor fluorini produşi în reactorul RIE poate fi redusă prin: folosirea fluorocarburilor nesaturate precum C2F6; adăugarea H2 la CF4, scăzând astfel concentraţia fluorului liber prin formarea HF; folosirea freonului 23 (CHF3) in locul freonului 14 (CF4). Aceşti corodanţi selectivi pentru SiO2 au în general tendinţa de a forma polimeri fluorocarbon. În condiţii în RIE de presiune joasă şi potenţial mare se poate coroda selectiv SiO2 datorită bombardamentului cu ioni care inhibă polimerizarea.

În urma studiilor făcute s-a constatat că defectele apărute datorită expunerii la plasmă sau RIE atât a siliciului cât şi a GaAs pot fi: reziduuri de corodare care acoperă suprafaţa semiconductorului, defecte intrinseci de legătură (vacanţe, interstiţiali, dislocaţii datorate acumulării de vacanţe), specii de corodare sau impurităţi implantate în semiconductor.

Grosimea stratului de defecte a fost masurata prin elipsometrie, pe baza determinării experimentale a parametrilor elipsometrici Ψ şi Δ. Datele obţinute s-au corelat foarte bine cu măsurătorile electrice făcute pe diode Schottky, şi anume : stratul de defecte a fost cu atât mai mare cu cât puterea rf a fost mai mare şi a fost aproape nul după tratament termic la o anumita temperatura în atmosferă de N2.

2. „Designul, simularea, alegerea sistemului optim, setarea hardware pentru asambarea nanstructurala in canale microfluidice”:

Activitatea 2.A  - Simularea curgerii in canale microfludice in vederea captarii si asamblarii nanostructurate

O primă geometrie realizată din plexiglas este o bifurcaţie-Y cu o singură intrare, iar secţiunea transversală un pătrat. Bifurcaţia -T prezintă două secţiuni transversale diferite de curgere, sub forma unor trapeze isoscele cu înălţimea constantă. Bifurcaţia - T este realizată din PMMA printr-o metodă caracteristică de turnare şi acoperită cu un strat subţire de sticlă.

Studiul referitor la captarea si asamblarea nanostructurală in canale microfluidice are la baza două investigatii corelate: focusarea hidrodinamică in canale microfluidice si separarea nanoparticulelor prin utilizarea unui microcanal in forma de spirală.
           
Cele doua investigatii s-au reunit pentru studierea unui sistem microfluidic ce înglobează cele doua geometrii utilizate. Figura 1 prezintă un model 3D al unui astfel de sistem cu 3 intrări si 3 iesiri. S-a reusit obtinerea unei discretizări structurate a domeniului de calcul si in acest caz, obtinându-se 3121180 de elemente finite hexaedrale. Simulări preliminare s-au realizat prin utilizarea unui debit constant pentru intrarea A si variatia debitelor egale pentru intrările B1 si B2. Ulterior rezultatele obtinute se vor utiliza pentru optimizarea sistemului microfluidic.

Figura 1: Modelul 3D al microcanalului cu spirala cu 3 intrări si 3 iesiri, cu detaliu de discretizare structurată a domeniului de calcul.

Fluidul de test utilizat prezintă caracteristicile de material ale apei, cu o viscozitate dinamica η ≈ 10-3Pas. Particule de aur au fost injectate numeric la intersectia celor 3 microcanale de intrare pentru a simula formarea lipozomilor.

Debitele de intrare au fost variate pentru a controla grosimea fasciculului principal de curgere, ce ar cuprinde lipozomii auto-asamblati, si astfel pentru a controla dimensiunile acestora  din urma. Figurile 2 si 3 prezintă câteva rezultate ale acestui studiu. Variatiile presiunilor sunt foarte mici din punct de vedere al distributiei pe întreg domeniul de curgere, doar valorile nominale ale acestora înregistrează variatii notabile. Distributiile de viteze surprind in zona de jonctiune corelatia dintre variatiile introduse in debitele de intrare si diferentele înregistrate intre vitezele de intrare.

Figura 2: Distributii de presiuni pentru o sectiune mediana a microcanalului cu spirala cu 3 intrări si 3 iesiri, pentru trei viteze de intrare: a) v = 0.01 m/s; b) v = 0.05 m/s; c) v = 0.1 m/s;

Tendinta de deplasare a particulelor către peretele exterior al spiralei, cu cat viteza de injectare este mai mare, se mentine si in cazul cuplării canalelor de focusare cu noul design de spirala. Dimensiunea particulelor se arata din nou ca un factor important in caracterizarea comportamentului acestora. Cu cat particulele sunt mai mici, acestea tind sa nu mai fie influentate de fortele centrifuge si astfel se distribuie pe toata lătimea canalului, particulele fiind expulzate prin toate cele trei iesiri.

2A.2. Validarea experimentala a simularilor numerice prin procesare µPIV

În cadrul proiectului este pusă în evidenţă întreaga procedură de postprocesare utilizată pentru obţinerea de profiluri bi-dimensionale ale vitezelor. Exemplul descris foloseşte un set de 20 înregistrări µPIV. Acestea surprind curgerea unui fluid newtonian (apa deionizată) în cadrul microbifurcaţiei-Y cu o singură intrare. Fluidului de lucru i s-au  adăugat microparticule florescente cu diametrul de 0.93 mm într-o proporţie de sub 0.1% din volumul total de fluid. Procedeul de reprezentare al vectorilor viteză folosit în cazul de fată se numeşte average-correlation. Acesta are avantajul creşterii semnalului în defavoarea zgomotului pentru funcţiile de auto-corelare, ceea ce duce la scăderea erorilor în cazul măsurătorilor de viteză.

Figura 12: Măsurători µPIV asupra câmpurilor de viteză şi a profilurilor de viteză în bifurcaţia-Y cu o singură intrare (rezultate obţinute pentru un fluid newtonian - apă deionizată), prin punerea în evidenţă a liniei de separaţie SL, punctului de staţionare SP şi a centrului vârtejului CV (Re = 7).

Sistemul µPIV este folosit în cadrul lucrării pentru: (i) reprezentarea profilurilor de viteză într-o curgere total dezvoltată (curgerea principală) şi (ii) identificarea locaţiei centrului vârtejului (CV), punctului de stagnare (SP) sau a liniei de separare dintre curgerea principală şi cea secundară (SL). Aceste informaţii de interes sunt obţinute succesiv, printr-o controlare făcută asupra timpului dintre două achiziţii consecutive. Imaginea de ansamblu asupra curgerii (Figura 12) este obţinută prin suprapunerea mai multor zone de interogare obţinute la trei momente de achiziţie diferite. În majoritatea experimentelor µPIV, datorită interacţiei dintre particulele trasoare şi pereţi, sunt întâmpinate dificultăţi în măsurarea vectorilor viteză aflaţi în apropierea acestora. Astfel, se estimează că o bună acurateţe a vectorilor viteză este obţinută de la o distanţă mai mare de 0.5 mm faţă de perete.

Activitatea 2.B - Setarea hardware a sistemelor de pompare si comanda pentru canale microfluidice Proiect preliminar software dedicat controlului elementelor microfluidice (pompe, valve, etc)

Sistemul achizitionat in cadrul proiectului este folosit pentru impunerea unui debit constant de fluid în interiorul microcanalelor - conditie esentială pentru realizarea experimentelor în conditii de curgere permanentă. El are în componentă trei module de pompare (pompe cu perna de aer) care sunt conectate la un calculator pentru a oferii posibilitatea unei functionari si a unei manipulări concomitente a celor trei module. Introducerea fluidelor în dispozitivele microfluidice se va realizeaza pe una sau mai multe intrari aflate la o distantă semnificativ de mare astfel să fie asigurată o curgere total dezvoltată în zonele de interes. Crearea formatiunilor lipidice prin metoda îngustări hidrodinamice (hydrodynamic focusing) presupune crearea unei presiuni ce trebuie mentinută constantă în zona de bifurcatie, presiune care este controlată cu ajutorul sistemului achizitionat. Pentru un control mult mai precis al debitelor (respectiv a presiunii) se va dezvolta un soft special pentru întreg sistemul de pompare. Cu ajutorul acestuia debitele de pompare vor putea fi mentinute atat constante cat si pulsatorii sau sinusoidale. Cu ajutorul sistemului µPIV (achizitionat de asemenea in cadrul proiectului) o calibrarea si o verificare a sistemului de pompe poate fi realizată. Timpul de răspuns al pompelor cu perna de aer, la schimbări ale debitului respectiv din pozitia pornit/oprit, este mult mai mic, acest lucru fiind esential pentru realizarea de vizualizări/măsurători cantitative într-un regim stationar de curgere.

Arhitectura sistemului de pompare este alcatuita din:

• Module de pompare care asigura undebit constant
• Camere detasabile folosite in cazul unei cantitati mari de fluide de lucru
• Conectori si tubulatură aferenta.