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

■ REZULTATE ETAPA a 8-a

1. Elaborarea tehnologiilor de fabricaţie a platformelor microfluidice

Activitatea: 1.B.3. Validarea tehnologiei pe structuri test

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

Activitatea 2.B  -Setarea hardware a sistemelor de pompare si comanda pentru canale microfluidice

Activitatea 2.C  - Studiul diverselor metode de asamblare nanostructurala: camp magnetic, camp electric, actionare  hidrodinamica

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

Elaborarea tehnologiilor de fabricaţie a platformelor microfluidice

Activitatea: 1.B.3. Validarea tehnologiei pe structuri test

Fabricarea dispozitivilui.

Tehnica de corodare adâncă cu ioni reactivi (DRIE) a fost prezentată prima dată în anii ’90 şi a revoluţionat fabricarea microsistemelor. Această tehnică a pus bazele fabricării dispozitivelor Micro-Electro-Mecanice (MEMS).

Corodarea siliciului în DRIE este independentă de structura cristalină, facând posibilă corodarea unor geometrii inaccesibile în soluţii umede de corodare anizotropa (KOH, TMAH, EDP), care sunt limitate de anumite plane cristaline. În microfluidică această libertate a permis fabricarea unor microcanale noi, cu profile unice de curgere: canale îngustate, radiale, meandre sau spirale.

DRIE este esenţial pentru fabricarea unor dispozitive cu dimensiuni reduse. Este capabil să reproducă cu acurateţe aproape orice geometrie obţinută cu ajutorul fotolitografiei. Studiile legate de dinamica fluidelor necesită DRIE pentru a fabrica cu acurateţe microcanale şi orificii sau chiar membrane.

DRIE permite fabricarea unor structuri cu raport dimensional mare. Astfel se pot fabrica piloni, orificii sau microcanale cu raport dimensional de 10:1 până la 20:1, în cazuri speciale fiind raportate rapoarte de până la 40:1 sau chiar mai mari.

Procedura de lucru. Pentru determinarea vitezei şi profilului de corodare, mai multe plachete de siliciu au fost mascate cu fotorezist sau oxid, şi s-au făcut probe la presiuni diferite şi timpi de pasivare/ corodare diferiti. Probele au fost procesate una câte una, echipamentul nepermiţând procesarea mai multor plachete în acelaşi timp.

După finalizarea procesării, plachetele au fost tăiate pentru a vedea profilul corodării şi pentru a măsura cât mai precis adâncimea corodată. Măsurătorile au fost făcute cu ajutorul microscopului cu baleiaj electronic (SEM). Pe toate plachetele a fost aplicată o mască test, special concepută pentru testarea corodărilor adânci în DRIE.

Desfăşurarea experimentului. Pentru desfăşurarea experimentului au fost pregătite plachete de siliciu cu straturi de mascare diferite. Au fost testate plachete de siliciu <100>.

Pregătirea plachetelor.

Proba 1:

Rezultate

• Adâncimea corodată a fost de aproximativ 30 μm;
• Corodarea a fost uniformă, pereţii sunt verticali;
• Suprafaţa corodată prezintă o uşoară rugozitate;
• În anumite zone ale suprafeţei corodate a fost găsit efectul de „iarbă”.

Proba 2:

Rezultat

• Adâncimea corodată a fost de aproximativ 30 μm;
• Corodarea a fost uniformă, pereţii sunt înclinaţi la un unghi de ~75o;
• Suprafaţa corodată prezintă o uşoară rugozitate;

Proba 3:

Rezultat

• Adâncimea corodată a fost de aproximativ 30 μm;
• Corodarea a fost neuniformă, pereţii sunt verticali;
• Suprafaţa corodată prezintă un pronunţat efect de „iarbă”.

Proba 4:

Rezultat

• Adâncimea corodată a fost de aproximativ 35 μm;
• Corodarea a fost uniformă, pereţii sunt înclinaţi la un unghi de ~128o;
• Suprafaţa corodată prezintă o rugozitate accentuată.

Proba 5:

Rezultat

• Adâncimea corodată a fost de aproximativ 800 nm;
• Corodarea a fost uniformă, pereţii prezintă forma de „clepsidră”;
• Suprafaţa corodată este netedă.

Dispozitiv microfluidic pentru auto-asamblarea si separarea lipozomilor.
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 (temperatura de sudare 400° C la o diferenta de potential de 1200V). 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. In testele preliminare tuburile capilare (achizitionate de la Dolomite, Charlestown, MA), au un diametru interior de 0.5 mm si 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).

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

Activitatea 2.B  -Setarea hardware a sistemelor de pompare si comanda pentru canale microfluidice

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: (1) Module de pompare care asigura undebit constant; (2) Camere detasabile folosite in cazul unei cantitati mari de fluide de lucru; (3) Conectori si tubulatură aferenta.

Activitatea 2.C  - Studiul diverselor metode de asamblare nanostructurala: camp magnetic, camp electric, actionare  hidrodinamica

Geometria microcanalelor
Geometriile folosite în acest studiu prezintă microbifurcatii simetrice - Y fabricate din ciclo-ofelin copolimer (COC) prezentate în figura de mai jos. Geometria -Y cu două intrări prezintă secţiunea transversală un pătrat iar unghiul dintre cele două ramuri ale bifurcatiei este de 60°. Pentru geometria testată punctele localizate la intersecţia liniilor de mijloc (corespunzătoare planelor mediane de pe fiecare ramură) sunt considerate a fi originea sistemului de coordonate (x=y=z=0).

Figura 1: Caracteristicile geometrice ale bifurcatiei-Y. (a) Imagine optica obtinuta la o marire de 10X in planul median (z = 0); (b) diagrama schematica a chipului microfluidic.

Debite constante de curgere au fost introduse şi menţinute constante cu ajutorul sistemului de pompare microfluidic (Mitos P-Pump, Dolomite, Charlestown, MA) conectat la sistemul de aer comprimat al laboratorului. Sistemul de pompare utilizat pe baza de aer comprimat asigura un debit constant în interiorul canalului, precum si o curgere lipsita de pulsatii. Debitul a fost măsurat la ieşirea din microcanal cu metoda volumetrică, aceasta fiind o procedură clasică de măsurare a debitului.

Tehnica de masurare Micro-PIV
Cinematica curgerii staţionare din microcanale este caracterizată şi cuantificată prin folosirea tehnicii imagistice de urmărire a unor microparticule trasoare. Astfel rezultă tehnica ne-invazivă PIV la scară micro (descrisa in amanunt in rapoartele precedente). Tehnica Micro-PIV incorporează multe din principiile de bază ale unui sistem clasic PIV pentru calcularea componentelor de viteză din deplasările medii ale particulelor trasoare (Δx) în zone de interogare pe intervale de timp (Δt) cunoscute. Acest proces este realizat cu ajutorul unei tehnici imagistice de captare de două imagini consecutive, împreună cu un algoritm de corelarea a mai multor seturi de imagini (minim 70 perechi de imagini) pentru extragerea deplasării locale a particulelor. Întreaga arhitectură hardware a sistemului Micro-PIV este achiziţionată de la compania DANTEC. În figura de mai jos se prezintă sistemul Micro-PIV folosit pentru cuantificarea hidrodinamicii din interiorul dispozitivelor microfluidice. În cadrul arhitecturii hardware de față, s-a folosit o camera CCD (Dantec HiSense 4M) cu un timp de expunere reglabil Δt în achiziţionarea de imagini. Această cameră a fost conectată la un microscop optic inversat de laborator, folosindu-se obiective cu grade de mărire de M = 10X ce prezintă o apertură numerică de NA = 0,25.

Deoarece dispozitivele microfluidice folosite sunt realizate din materiale transparente, iluminarea în volum a acestora s-a putut realiza de jos cu un laser cu dubla cavitatie care genereaza o lumină monocromă Nd:YAG (NewWave Research, Fremont, CA). Laser-ul emite două pulsuri de lumină în lungimea de unda λ = 532 nm. Durata unui puls este de ordinul a 10 ns, iar timpul între doua pulsuri consecutive de lumina poate varia în cadrul masuratori prezentate de la 40 nanosecunde la o secunda. Fascicului de lumină este transferat catre un microscop optic inversat. Conexiunea optică dintre microscop şi laser este realizată cu ajutorul unei fibre optice.

Figura 2: Reprezentarea schematica a sistemului de masurare Micro-PIV.

Sistemul Micro-PIV este folosit în cazul primei aplicaţii pentru următoarele analize: (i) reprezentarea profilurilor de viteză într-o curgere complet dezvoltată (în zona curgerii principale) şi (ii) identificarea poziţiei centrului vârtejului format în ramura blocată, într-o curgere staţionară.

Figura 3: Simulari numerice si masuratori experimentale realizate in cadrul bifurcatiei Y cu mentinerea unei ramuri inchisa. (a) Schita geometriei cu reprezentarea planului median unde reprezentarile (c) simularilor numerice si (b), (d) masuratorilor experimentale sunt efectuate.

Procedura numerică

Măsurătorile experimentale au fost completate cu simulări numerice 3D ale curgerilor in microgeometria analizată. S-a simulat dinamica fluidelor newtoniene (pur vâscoase), respectiv a celor newtoniene generalizate, corespunzătoare funcţiilor de viscozitate ale apei deionizate respectiv a uleiului vegetal folosit (în cazul simularilor fluidelor imiscibile cu procedura VOF). Toate simulările sunt considerate curgeri stationare laminare, realizate cu precizie dublă şi cu un criteriu de convergenţă de 10-10 pentru toate funcţiile necunoscute, respectiv pentru ecuaţia de continuitate. În cazul procedurii VOF de surprindere a evoluţiei interfeţei, creată de fluidele imiscibile utilizate, ecuatiile de curgere au fost calculate pentru un regim nestationar la momente de timp pre-stabilite.
Validitatea ipotezei de fluid omogen şi a condiţiei de aderenţă la perete a fluidului se presupun a fi valabile pentru toate simulările efectuate. Ecuaţiile care guvernează curgerea sunt rezolvate prin metoda volumelor finite, folosind codul comercial FLUENT™. Proprietăţile fizice ale fluidelor simulate numeric au fost selectate astfel încât să corespundă cu cele măsurate experimental.
Codul FLUENT™ rezolvă ecuaţia de mişcare Cauchy, în care tensorul extra-tensiune este exprimat cu un model newtonian generalizat:
                                                    (2)
unde ρ este densitatea fluidului (considerată constantă), b este forţa masică specifică, D este tensorul vitezei de deformaţie, v este vectorul viteză, p este presiunea iar  este funcţia de vâscozitate, dependentă de viteza de deformatie specifică . Pentru un fluid newtonian , iar ecuatia (2) devine ecuaţia Navier-Stokes, cu tensiunea vâscoasă având expresia .
Codul numeric competează ecuaţia de mişcare cu cea de conservare a masei.

Metoda volumelor finite este o procedură numerică prin care se reprezintă şi se evaluează ecuaţiile cu derivate parţiale sub forma unor ecuaţii algebrice. Similar cu metoda diferenţelor finite sau metoda elementului finit, valorile necunoscutelor sunt în final calculate în nodurile unei reţele pe o geometrie discretizată în volume finite. În metoda volumelor finite, integralele de volum dintr-o ecuaţie cu derivate partiale sunt convertite în integrale de suprafață. Aceşti termeni sunt apoi evaluaţi ca fluxuri ale suprafeţelor fiecărui volum finit. Deoarece fluxul care intră într-un volum dat este identic cu cel care iese din celulele adiacente, metoda de calcul este una conservativă (în care fluxurile sunt verificate).

Un avantaj al metodei volumului finit, în comparaţie cu metoda diferenţelor finite, este aceea că nu este nevoie neapărată de o reţea de discretizare structurată. În plus, metoda volumelor finite este preferabilă altor metode numerice datorită impunerii fără dificultăţi a condiţiilor la limită. Acest lucru este posibil deoarece valorile variabilelor calculate sunt situate în interiorul elementului de volum şi nu în noduri sau pe suprafeţe. Se remarcă cum metoda volumului finit este deosebit de eficienţă pe reţele grosier neuniforme şi în calculele reţelelor de discretizare care se deformează pentru a urmări interfeţe sau şocuri.

Ecuaţiile utilizate în prezentele simulări numerice sunt: ecuaţia de continuitate, ecuaţia de mişcare şi ecuaţia difuziei (fluide incompresibile şi mişcări isoterme). Codul FLUENT™ poate realiza curgeri 2D şi 3D în mişcare permamentă sau nepermanentă, pentru fluide Newtoniene sau pentru alte tipuri de modele de material, dar nu şi pentru materiale la care elasticitatea este o caracteristică importantă.

Funcţiile necunoscute sunt: viteza, presiunea şi concentraţia solutului, iar variaţiile acestora în domeniul investigat fiind obşinute în spaţiu, şi timp pentru mişcări nepermanente.
Volumele de control (numite şi celule de calcul) sunt triunghiuri şi patrulatere pentru problemele bi-dimensionale (2D), respectiv tetraede, hexaedre, prisme ori poliedre pentru problemele tri-dimensionale (3D). Discretizarea domeniului este realizată prin folosirea pre-procesorului Gambit, unde geometria de lucru este construită iar distribuţia spaţială a elementelor, a nodurilor  şi a centrelor volumelor (unde necunoscutele sunt calculate) este stabilită. Codul Gambit oferă un set comun de functii CAD pentru crearea domeniilor, dar şi funcţii implementate special pentru crearea rapidă de geometrii pre-definite sau structurate.

Figura 6: Picătura suspendată şi profilul său numeric, utilizat în calculul tensiunii superficiale

Tensiunea interfacială tinde să aducă picătura la o formă sferică, în timp ce gravitaţia o alungeşte, astfel încât forma rezultată e cea de pară. Atât timp cât aceste două efecte opuse au valori absolute cu acelaşi ordin de mărime, este posibilă determinarea parametrilor geometrici ai profilului rezultat.
In aplicaţia de faţă tensiunea superficială (apă-aer, ulei-aer) şi cea interfacială (apă-ulei) au fost determinate cu ajutorul uni goniometru.

Figura 7: Măsurători ale tensiunii superficiale dintre apă-aer, ulei-aer, si a celei interfaciale apă-ulei.

Discretizarea domeniilor foloseşte celule ortogonale. Cele mai mici celule de calcul sunt concentrate în zona bifurcaţiei, respectiv a coturilor, unde se obţin gradienţi mari de viteză şi tensiuni.

O selecţie a cazurilor în care este necesară o discretizare mai rafinată a domeniului trebuie făcută cu discernământ, aceasta datorită limitelor impuse de resursele de calcul şi de timpul necesar efectuării acestora. Dacă odată cu o nouă rafinare a reţelei de calcul, rezultatele nu vor suferi o schimbare de mai mult de 2% atunci creşterea rezoluţiei de calcul prin mărirea numărului de noduri şi elemente nu va mai fi considerată necesară.

Figura 8: Detaliu asupra mesh-ului folosit in zona bifurcatiei.

Pentru a reprezenta evoluţia vitezei în regiunea amonte bifurcaţiei pe ramura deschisa la adâncimea corespunzătoare planului median (în cazul bifurcaţiei-Y), profilurile de viteză pentru fluidul de lucru au fost cuantificate sub forma unor reprezentări grafice, acestea fiind obţinute atât experimental cât şi numeric pentru diferite debite de curgere. Analizarea comportamentului hidrodinamic a fost realizata pentru cazul fluidului newtonian, iar rezultate obtinute sunt prezentate în figura de mai jos. Măsurătorile au fost efectuate la diferite căderi de presiune impuse cu ajutorul pompelor microfluidice, ceea ce corespunde unor numere Re cuprinse între  21 şi 316 (a se vedea figurile de mai jos). Din rezultatele experimentale obtinute este evidentă o răspândire mult mai rară a punctelor ce definesc profilurile de viteză pentru debitele mai mari. Pentru debitele mici, algoritmul de generare al profilurilor bi-dimensionale de viteză folosesc imagini divizate în arii de interogare (de calcul) de 32 x 32 pixeli, iar odată cu cresterea debitului profilurile de viteză se obţin numai dacă imaginile sunt împărţite în zone de interogare cu ariile de 64 x 64 pixeli. Acest procedeu de măsurare are un efect important asupra numărului vectorilor de viteză identificaţi experimental şi implicit asupra reprezentărilor grafice ale vitezei. O primă concluzie poate fi luată cu privire la gradul de consistenţă calitativă şi cantitativă dintre numeric şi experimental, unde rezultate corespunzătoare fiind obşinute numai pentru numere Re mai mici de 200. Studiul de fata prezinta comportamentul a doua fluide imiscibile intr-o bifurcatie in forma de “Y” cu doua intrari si o iesire. Figurile de mai jos, prezinta o investigatie cu privire la dinamica formei interfetei ce se manifesta la diferite numerele ale capilaritatii (Ca), prin variatia rapoartelor debitelor pe cele doua intrari.

Figura 9: Măsurători Micro-PIV comparate cu simularile numerice asupra profilurilor de viteză, cu evidenţierea zonelor de curgere principală respectiv secundare (evidentierea a doua vatejuri formate in ramura inchisa 21 < Re < 85 fluidul de lucru - apă deionizată).

Figura 10: Măsurători Micro-PIV comparate cu simularile numerice asupra profilurilor de viteză, cu evidenţierea zonelor de curgere principală respectiv secundare (evidentierea a doua vatejuri formate in ramura inchisa 102 < Re < 150 fluidul de lucru - apă deionizată).

Figura 11: Măsurători Micro-PIV comparate cu simularile numerice asupra profilurilor de viteză, cu evidenţierea zonelor de curgere principală respectiv secundare (evidentierea a doua vatejuri formate in ramura inchisa 179 < Re < 219 fluidul de lucru - apă deionizată).

Figura 12: Măsurători Micro-PIV comparate cu simularile numerice asupra profilurilor de viteză, cu evidenţierea zonelor de curgere principală respectiv secundare (evidentierea a doua vatejuri formate in ramura inchisa 240 < Re < 281 fluidul de lucru - apă deionizată).

Figura 13: Măsurători Micro-PIV comparate cu simularile numerice asupra profilurilor de viteză, cu evidenţierea zonelor de curgere principală respectiv secundare (evidentierea a doua vatejuri formate in ramura inchisa 305 < Re < 316 fluidul de lucru - apă deionizată).

Figura 14: Distribuţii de viteze obţinute experimental (simboluri deschise Δ) cu sistemul Micro-PIV, comparate cu predicţiile numerice (linii continue —) (a) - (b) rezultate pentru apă.

Figura 15: Evolutia interfetei ulei mineral – apa la momentele de timp t = 0.5 s, 1.0 s si 1.2 s.

Figura 16: Evolutia interfetei ulei mineral – apa la momentele de timp t = 1.4 s, 1.6 s si 1.8 s.

Figura 17: Evolutia interfetei ulei mineral – apa la momentele de timp t = 0.5 s, 1.0 s si 1.2 s.

Figura 18: Evolutia interfetei ulei mineral – apa la momentele de timp t = 1.4 s, 1.6 s si 1.8 s.

Figura 19: Evolutia interfetei ulei mineral – apa la momentele de timp t = 0.5 s, 1.0 s si 1.2 s.

Figura 20: Evolutia interfetei ulei mineral – apa la momentele de timp t = 1.4 s, 1.6 s si 1.8 s

Fluidele imiscibile utilizate pentru acest studiu sunt doua fluide Newtoniene bine cunoscute si caracterizate: ulei mineral si apa deionizata, fiecare fiind introdus separat pe ramurile de intrare ale bifurcatiei in Y. Un aspect foarte important al caracterizarii din punct de vedere al proprietatilor fizice ale fluidelor de lucru il reprezinta tensiunea intefaciala. Valoarea acesteia a fost masurata cu un aparat numit goniometru si implementata in modelul numeric. Investigatia releva faptul ca variatia Ca are un impact important asupra frecventei de formare a picaturilor. Prin simpla modificare a raportului debitelor de intrare, comportamentul picaturilor se modifica drastic. Predictia si reconstructia numerica a formei interfetei dintre cele doua fluide imiscibile conduce la o caracterizare mai ampla a fenomenului formarii de picaturi sau vezicule cu comportament asemanator.