Moldeo por inyección de cerámica utilizado para producir chips de microfluidos

May 22, 2024

17 de octubre de 2022

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Los dispositivos de microfluidos han ganado un enorme interés en la investigación tanto académica como industrial debido a ventajas clave como tiempos de respuesta rápidos y bajo consumo de análisis. La fabricación de chips de microfluidos de primera generación involucró silicio pero, hasta la fecha, se han utilizado numerosos materiales (por ejemplo, cuarzo/sílice fundida, vidrio, cerámica, polímeros y metales) dependiendo de las diversas funcionalidades de los diversos dispositivos de microfluidos.

Actualmente, algunas aplicaciones de microfluidos se integran con la espectroscopia infrarroja (IR), que se utiliza para medir la frecuencia de vibración del enlace en una molécula y determinar el grupo funcional. Sin embargo, la mayoría de los sustratos poliméricos y vítreos utilizados en los chips de microfluidos no son transparentes en la región del infrarrojo medio, y los materiales normales compatibles con el IR son costosos y desafiantes para la microfabricación. Las cerámicas policristalinas transparentes pueden resolver los problemas de transparencia y tienen el potencial de usarse en aplicaciones de microfluidos junto con el análisis FTIR, siempre que las microcaracterísticas requeridas se puedan fabricar en los sustratos cerámicos a bajo costo.

Un programa de investigación conjunto del Instituto de Tecnología de Fabricación de Singapur (SIMTech), la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, la Universidad Tecnológica de Nanyang (NTU) y el Instituto de Ciencias Químicas y de Ingeniería (ICES), todos con sede en Singapur, ha demostrado que la cerámica El moldeo por inyección se puede utilizar con éxito para producir microchips cerámicos transparentes IR de alto rendimiento con forma neta o casi neta con microcaracterísticas pequeñas y complejas de hasta 100 µm a un costo relativamente bajo. Los resultados de la investigación que describen la viabilidad de producir chips de microfluidos cerámicos transparentes IR con los perfiles de características, microestructuras y propiedades ópticas deseadas mediante PIM han sido publicados como una comunicación breve por Tao Li, et al., en Investigación y desarrollo en ciencia de materiales. 7 de julio de 2021, 1707-1712.

Los autores de la comunicación informaron que se secó por aspersión polvo de itria (Y2O3) de alta pureza con un tamaño de partícula promedio de 0,25 µm para producir partículas esféricas de 30 a 50 µm. Se añadió 5% en moles de polvo de circonio 3Y a lotes de polvo de itria mediante molienda de bolas para reducir la temperatura de sinterización y mejorar aún más la transparencia. Luego se añadió a esta mezcla un sistema aglutinante desarrollado internamente a base de cera de parafina (PW), polipropileno (PP) y ácido esteárico (SA) para producir la materia prima CIM.

Después de optimizar los parámetros de moldeo por inyección, se produjeron discos circulares de 20 x 2 mm y chips de microfluidos cuadrados de 25 x 25 x 2,5 mm con microcanales de 200 µm de ancho y 100 µm de profundidad, como se muestra en la Fig. 1. La eliminación del disolvente se realizó Se utiliza para eliminar la mayoría de las carpetas PW y SA de las piezas verdes moldeadas. El aglutinante restante se eliminó mediante un proceso de desaglomerado térmico de varias etapas, en el que las piezas se calentaron en una atmósfera inerte y con un perfil de calentamiento estrictamente controlado. Después de la desaglutinación térmica, las piezas marrones se transfirieron a un horno de alto vacío para sinterizar a una temperatura de 1770°C y diferentes tiempos de permanencia.

Como se mencionó anteriormente, la adición de circonio juega un papel importante en la fabricación de itria transparente. Los discos PIM con y sin circonio sinterizados a 1750 °C se muestran en la Fig. 2 y está claro que la muestra sinterizada sin adición de circonio (Fig. 2a) todavía es opaca, mientras que se ha logrado una cierta transparencia con la adición de circonio (Fig. .2b).

El pulido de la muestra del disco de itria que contiene circonio proporciona una transparencia aún mejor en comparación con la pieza sinterizada (Fig. 3). La transmitancia de luz en los discos PIM pulidos también aumenta entre un 10% y un 20% en comparación con las muestras sin pulir. Los investigadores afirmaron que esto se debe a que se dispersa menos luz en la superficie pulida en comparación con la superficie sin pulir. Para las piezas después del pulido, la transmitancia es de alrededor del 50 al 70 % en el rango de luz visible (400 a 800 nm). Las transmitancias aumentan de longitud de onda corta a longitud de onda larga y la muestra tiene una transmitancia del 70 al 74% en la longitud de onda infrarroja. En comparación con el monocristal de itria, que tiene una transmitancia de alrededor del 80 % en el mismo rango de longitud de onda, el 90 % de la transmitancia se puede lograr en la cerámica policristalina producida mediante moldeo por inyección de polvo.

Se descubrió que los microcanales en los chips de microfluidos cerámicos sinterizados no afectan dramáticamente la transparencia. La Fig. 4 muestra la vista superior y la sección transversal del canal bajo un microscopio óptico con un ancho de aproximadamente 250 µm y una profundidad de aproximadamente 90 µm.

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