Stampaggio ad iniezione di ceramica utilizzato per produrre chip microfluidici

May 22, 2024

17 ottobre 2022

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I dispositivi microfluidici hanno suscitato un enorme interesse nella ricerca sia accademica che industriale grazie a vantaggi chiave come tempi di risposta rapidi e basso consumo analitico. La produzione di chip microfluidici di prima generazione coinvolgeva il silicio ma, ad oggi, sono stati utilizzati numerosi materiali (ad esempio quarzo/silice fusa, vetro, ceramica, polimeri e metalli) a seconda delle diverse funzionalità dei vari dispositivi microfluidici.

Attualmente, alcune applicazioni microfluidiche sono integrate con la spettroscopia infrarossa (IR), che viene utilizzata per misurare la frequenza di vibrazione del legame in una molecola e determinare il gruppo funzionale. La maggior parte dei substrati polimerici e vetrosi utilizzati nei chip microfluidici, tuttavia, non sono trasparenti nella regione del medio infrarosso e i normali materiali compatibili con l'IR sono costosi e impegnativi per la microfabbricazione. Le ceramiche policristalline trasparenti possono risolvere i problemi di trasparenza e hanno il potenziale per essere utilizzate in applicazioni di microfluidica abbinate all'analisi FTIR, a condizione che le microcaratteristiche richieste possano essere prodotte nei substrati ceramici a basso costo.

Un programma di ricerca congiunto presso il Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech), la School of Mechanical and Aerospace Engineering, la Nanyang Technological University (NTU) e l’Institute of Chemical and Engineering Science (ICES), tutti con sede a Singapore, ha dimostrato che la ceramica Lo stampaggio a iniezione può essere utilizzato con successo per produrre microchip ceramici trasparenti IR ad alte prestazioni con forma netta o quasi netta con piccole microcaratteristiche complesse fino a 100 µm a un costo relativamente basso. I risultati della ricerca che delineano la fattibilità della produzione di chip microfluidici ceramici trasparenti IR con i profili di caratteristiche, le microstrutture e le proprietà ottiche desiderate da parte di PIM sono stati pubblicati come comunicazione breve da Tao Li, et al., in Research & Development in Materials Science, 7 luglio 2021, 1707-1712.

Gli autori della comunicazione hanno riferito che la polvere di ittrio (Y2O3) ad elevata purezza con una dimensione media delle particelle di 0,25 µm è stata essiccata a spruzzo per produrre particelle sferiche di 30–50 µm. Il 5% in moli di polvere di zirconio 3Y è stato aggiunto a lotti di polvere di ittrio mediante macinazione a sfere al fine di ridurre la temperatura di sinterizzazione e migliorare ulteriormente la trasparenza. A questa miscela è stato poi aggiunto un sistema legante sviluppato internamente a base di cera di paraffina (PW), polipropilene (PP) e acido stearico (SA) per produrre la materia prima CIM.

Dopo aver ottimizzato i parametri di stampaggio a iniezione, sono stati prodotti dischi circolari di 20 x 2 mm e chip microfluidici quadrati di 25 x 25 x 2,5 mm con microcanali di 200 µm di larghezza e 100 µm di profondità, come mostrato in Fig. 1. Il deceraggio con solvente è stato prodotto utilizzato per rimuovere la maggior parte dei leganti PW e SA dalle parti verdi stampate. Il legante rimanente è stato rimosso in un processo di deceraggio termico a più fasi, in cui le parti sono state riscaldate in un'atmosfera inerte e con un profilo di riscaldamento rigorosamente controllato. Dopo il deceraggio termico, le parti marroni sono state trasferite in un forno ad alto vuoto per la sinterizzazione a una temperatura di 1770°C e con tempi di permanenza diversi.

Come accennato in precedenza, l'aggiunta di zirconio svolge un ruolo importante nella produzione di ittrio trasparente. I dischi PIM con e senza zirconia sinterizzati a 1750°C sono mostrati in Fig. 2 ed è chiaro che il campione così sinterizzato senza aggiunta di zirconia (Fig. 2a) è ancora opaco mentre è stata ottenuta una certa trasparenza con l'aggiunta di zirconia (Fig. .2b).

La lucidatura del campione del disco di ittrio contenente zirconio conferisce una trasparenza ancora migliore rispetto alla parte as-sinterizzata (Fig. 3). Anche la trasmissione della luce nei dischi PIM lucidati è aumentata di circa il 10–20% rispetto ai campioni non lucidati. I ricercatori hanno affermato che ciò è dovuto alla minore luce diffusa sulla superficie lucida rispetto a quella non lucidata. Per le parti dopo la lucidatura, la trasmittanza è intorno al 50—70% nel campo della luce visibile (400—800 nm). La trasmittanza aumenta dalla lunghezza d'onda corta alla lunghezza d'onda lunga e il campione ha una trasmittanza del 70—74% alla lunghezza d'onda dell'infrarosso. Rispetto al monocristallo di ittrio, che ha una trasmittanza di circa l'80% nello stesso intervallo di lunghezze d'onda, il 90% della trasmittanza può essere raggiunto nella ceramica policristallina prodotta mediante stampaggio ad iniezione di polveri.