selagem adesiva de sacrifício -...
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“Selagem Adesiva de Sacrifício:
um método potencial para fabricação de
microchips de vidro”
Laboratório Nacional de Nanotecnologia Laboratório de Microfabricação (LMF)
Aluno: Leandro Yoshio Shiroma.
Pesquisador: Dr. Renato Sousa Lima.
Problemática
Importância do desenvolvimento de
técnicas alternativas para selagem
vidro/vidro
Problemática
- Inércia química;
Vantagens do vidro
- Estabilidade térmica;
- Ideal para separações por CE;
- Microfabricação consolidada;
- Compatibilidade de superfície para
deposição de FFs.
- Transparência;
Problemática
- Permeabilidade a gás baixa;
Desvantagens do vidro
- Difícil integração de unidades
funcionais (µTAS, LOC e MEMS);
- Custo e complexidade de
microfabricação (selagem).
Problemática
- Método direto;
Selagem térmica
- Processo lento;
- Reações de condensação a temperaturas elevadas, usualmente
entre 450 e 650oC para vidro/vidro:
(Vidro)–OH + (Vidro)–OH → (Vidro)–O–(Vidro) + H2O
- Requer condições de limpeza severas;
- Temperaturas altas podem gerar estresse
térmico.
Problemática
- 1998 com o advento do PDMS;†
Polímeros
- Permeabilidade a gás elevada;
- Fácil integração de unidades
funcionais (µTAS, LOC e MEMS);
- Microfabricação simples (selagem).
† Anal. Chem., 1998, 70, 4974.
Problemática
Desvantagens dos polímeros
- Absorção e adsorção não específicas;
- Intumescimento em meio orgânico;
- Selagem baseada em plasma de O2
impede etapas prévias de funcionalização.
Para PDMS, modificações in-situ são
difíceis devido ao caráter hidrofóbico e
inerte de sua superfície;
- Incompatibilidade para deposição de FF;
- Desempenho em CE insatisfatório.
Problemática
Relevância em desenvolver métodos
alternativos para selagem vidro/vidro
- Minimizar complexidade e custo de microfabricação de chips de vidro;
- Limitações cruciais dos polímeros;
- Impacto do custo de produção
sobre a viabilidade econômica de
plataformas analíticas comerciais.†
† Lab Chip 2013, 13, 2199.
- Vantagens diversas associadas ao vidro;
Objetivo
Desenvolver um método simples e rápido
para selagem de microchips de vidro
O método
Selagem adesiva de sacrifício (SAB,
sacrificial adhesive bonding)
SAB
Baseia-se no uso de uma camada intermediária (adesiva) cuja
finalidade é, inicialmente, garantir uma vedação preliminar entre as
lâminas. Em seguida, é realizada uma remoção seletiva do adesivo
fluindo o seu revelador no interior do canal microfluídico.
- Selagem (cura) + Remoção seletiva do resiste.
- Selagem preliminar (SU-8 não curado) + Revelação do resiste + Cura.
SAB
Revelação da camada adesiva (SU-8) no interior do microcanal fluindo o seu
revelador a valores específicos de vazão e tempo não é um meio viável.
Vidro
Vidro
SU-8
SU-8
Revelação excessiva da camada adesiva
SAB
- Selagem (cura) + Remoção seletiva do resiste.
- Selagem preliminar (resiste não curado) + Revelação do resiste + Cura.
1. Selagem preliminar; 2. Cura apenas do resiste em volta do canal;
3. Revelação do resiste.
SAB
Máscara para revelação seletiva do SU-8
Monômeros do SU-8:
SAB
Máscara para revelação seletiva do SU-8
Cura do SU-8:
1. Ativação do fotoiniciador em UV
2. Cura sob aquecimento
SAB
Máscara (+canal) para revelação seletiva
do SU-8
- Não necessita de
alinhamento na
fotogravação
- Não requer etapa
adicional para
fabricação de canal
SAB
Etapas principais do SAB
SAB
Máscara para revelação seletiva do SU-8
SAB
Etapas principais do SAB
~4 min
~3 min
~4 min
~10 min
4 µm
Resultados
Superfície do SU-8, ATZ, seção transversal
do microcanal, força de adesão e efeito da
camada residual de SU-8
SAB
Superfície do SU-8
SAB
Air-trapping zones (ATZ)
- Reduz estresse térmico;
- Retém bolhas de ar.
SAB
Seção transversal do microcanal
Vidro
Vidro SU-8 SU-8
SAB
Força de adesão: teste de vazão
A força de adesão foi avaliada medindo-se a pressão no interior do microcanal resultante do
bombeamento hidrodinâmico de água (bomba de HPLC) a vazões diferentes.
200 400 600 800 1000 12000
1
2
3
4
P
ress
ão (
MP
a)
Vazão (L min-1)
SAB
Força de adesão: teste de tração
Testes preliminares:
- Resiste a pressões em torno de 7 MPa
- Em 2 MPa continuamente por mais de 24 h.
SAB
Efeito da camada residual
de SU-8
Vidro
Vidro SU-8 SU-8 A obtenção de microcanais em vidro pelo SAB
limita-se a uma condição: o efeito das camadas
residuais de SU-8 sobre as propriedades de
superfície do canal deve ser desprezível.
Esse efeito foi avaliado mediante a determinação dos parâmetros: (i) mobilidade
eletrosmótica (µEO) e (ii) capacidade de dissipação térmica. Inicialmente, apenas
microchips de vidro e vidro/SU-8 foram aplicados. Os microdispositivos de vidro
foram selados termicamente em mufla (620 °C sob peso de 1,6 kg com rampa de
aquecimento de 2 °C min−1 durante 480 min).
1,0 cm 1,0 cm
SAB
Efeito da camada residual de SU-8: µEO Os valores de µEO foram calculados em função do pH usando o método de monitoramento da
corrente. As medidas foram conduzidas sob um campo elétrico de 400 V cm−1 alternando-se
soluções tampão (fosfato) em concentrações diferentes, quais sejam, 10 e 20 mmol L−1.
4 6 8 10 120
2
4
6
8
Vidro/SU-8
Vidro
E
O (c
m2 v
-1 s
-1)
10-4
pH
SAB
Efeito da camada residual de SU-8:
dissipação térmica
Esse parâmetro foi investigado mediante a construção de
gráficos da lei de Ohm (medição da corrente resultante do
potencial aplicado). Usamos tampão fosfato 20 mmol L−1 em
pH 8. Os dados de corrente representam médias globais
obtidas para 4 microdispositivos (n = 4) e foram monitorados
em tempo real durante um intervalo de 2 min.
SAB
Efeito da camada residual de SU-8:
dissipação térmica
0 100 200 300 400 500 600 7000
20
40
60
80
Vidro
Vidro/SU-8
Campo Elétrico (V cm-1)
Co
rren
te (
A)
SAB
Efeito da camada residual de SU-8:
dissipação térmica
0 150 300 450 600 7500
20
40
60
80
Co
rren
te (
A)
Campo Elétrico (V cm-1)
Vidro/SU-8/Vidro (SAB)
Vidro
Conclusões
Método:
Seu processo exibe requisitos de um método ideal, quais sejam:
Rápido (~20-30 minutos);
Viável para processos ULSI;
Elimina o uso de temperatura (95°C) e pressão elevadas;
Demanda níveis de limpeza baixos e
Relativamente barato.
Conclusões
Camada adesiva de SU-8:
Suas vantagens incluem:
Estabilidade térmica;
Inércia química;
Transparência óptica;
Aplicável a meios aquosos e orgânicos e
Força de adesão elevada (~7 MPa).
Conclusões
Protocolo experimental da selagem:
Solução de problemas:
- Aderência substrato/resiste
- Formação de bolhas/ anéis de Newton
- Estresse térmico.
Conclusões
Avanços em microfluídica promovidos pelo SAB :
(i) facilidade de processamento
(ii) geração de microcanais com propriedades similares ao vidro
as quais são cruciais para aplicações diversas (aspectos
relevantes para a pesquisa)
(iii) custo baixo a moderado
(iv) compatibilidade para processos ULSI e
(v) precisão (questões chave na indústria).
Conclusões
Limitação do método SAB:
Selagem de canais com dimensões da ordem de nm até
unidades de µm:
- Aumento da razão entre as áreas expostas do adesivo e do
canal.
- Obstrução dos canais pelo filme adesivo.
Conclusões
- Diferentemente dos canais vidro/vidro – não possuem cantos
estreitos evita acúmulo de material em aplicações
prolongadas.
- Futuramente essa geometria será investigada em aplicações
em CE
- Estudos de novos meios de revelação redução de
custos e tempo
Produção
Patente depositada junto ao INPI (26/05/2014):
Título: “Método de Selagem Adesiva de Sacrifício e Microdispositivos”,.
Inventores: Renato S. Lima, Maria H. O. Piazzetta, Angelo L. Gobbi e
Emanuel Carrilho. Número de registro: BR1020140126309.
Produção
Artigo submetido ao periódico Lab on a Chip :
Título: “Sacrificial adhesive bonding: a powerful method for
fabrication of glass microchips”. Autores: Renato S. Lima, Paulo A. G. C.
Leão, Maria H. O. Piazzetta, Alessandra M. Monteiro, Leandro Y. Shiroma,
Angelo L. Gobbi e Emanuel Carrilho.
Agradecimentos
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