Moldagem por injeção de cerâmica usada para produzir chips microfluídicos

May 22, 2024

17 de outubro de 2022

Compartilhe na sua rede:

Os dispositivos microfluídicos ganharam enorme interesse na pesquisa acadêmica e industrial devido às principais vantagens, como tempos de resposta rápidos e baixo consumo analítico. A fabricação de chips microfluídicos de primeira geração envolveu silício, mas, até o momento, numerosos materiais (por exemplo, quartzo/sílica fundida, vidro, cerâmica, polímeros e metais) têm sido utilizados dependendo das diversas funcionalidades dos vários dispositivos microfluídicos.

Atualmente, algumas aplicações microfluídicas são integradas à espectroscopia infravermelha (IR), que é usada para medir a frequência de vibração da ligação em uma molécula e determinar o grupo funcional. A maioria dos substratos poliméricos e vítreos usados ​​em chips microfluídicos não são, no entanto, transparentes na região do infravermelho médio, e os materiais normais compatíveis com IR são caros e desafiadores para a microfabricação. Cerâmicas policristalinas transparentes podem resolver os problemas de transparência e têm potencial para serem utilizadas em aplicações microfluídicas aliadas à análise FTIR, desde que as micro-características necessárias possam ser fabricadas nos substratos cerâmicos a baixo custo.

Um programa de pesquisa conjunto do Instituto de Tecnologia de Manufatura de Cingapura (SIMTech), da Escola de Engenharia Mecânica e Aeroespacial, da Universidade Tecnológica de Nanyang (NTU) e do Instituto de Ciências Químicas e de Engenharia (ICES), todos com sede em Cingapura, mostrou que a cerâmica A moldagem por injeção pode ser usada com sucesso para produzir microchips cerâmicos transparentes IR de alto desempenho em formato líquido ou quase líquido, com micro-recursos pequenos e complexos, tão finos quanto 100 µm, a um custo relativamente baixo. Os resultados da pesquisa que descreve a viabilidade de produzir chips microfluídicos cerâmicos transparentes IR com os perfis de características, microestruturas e propriedades ópticas desejadas pelo PIM foram publicados como uma comunicação curta por Tao Li, et al., em Research & Development in Materials Science, 7 de julho de 2021, 1707-1712.

Os autores da comunicação relataram que o pó de ítria (Y2O3) de alta pureza com um tamanho médio de partícula de 0,25 µm foi seco por pulverização para produzir partículas esféricas de 30–50 µm. 5% em mol de pó de 3Y-zircônia foram adicionados a lotes de pó de ítria por moagem de bolas, a fim de reduzir a temperatura de sinterização e melhorar ainda mais a transparência. A esta mistura foi então adicionado um sistema aglutinante desenvolvido internamente à base de cera de parafina (PW), polipropileno (PP) e ácido esteárico (SA) para produzir a matéria-prima CIM.

Após otimizar os parâmetros de moldagem por injeção, discos circulares de 20 x 2 mm e chips microfluídicos quadrados de 25 x 25 x 2,5 mm com microcanais de 200 µm de largura e profundidade de 100 µm foram produzidos como mostrado na Fig. usado para remover a maioria dos ligantes PW e SA das peças verdes moldadas. O ligante restante foi removido em um processo de desligação térmica em vários estágios, no qual as peças foram aquecidas em atmosfera inerte e perfil de aquecimento rigorosamente controlado. Após a desligação térmica, as partes marrons foram transferidas para um forno de alto vácuo para sinterização a temperatura de 1770°C e diferentes tempos de permanência.

Conforme mencionado anteriormente, a adição de zircônia desempenha um papel importante na fabricação de ítria transparente. Discos PIM com e sem zircônia sinterizada a 1750°C são mostrados na Fig. 2 e fica claro que a amostra sinterizada sem adição de zircônia (Fig. 2a) ainda é opaca, embora uma certa transparência tenha sido alcançada com a adição de zircônia (Fig. .2b).

O polimento da amostra do disco de ítria contendo zircônia proporciona uma transparência ainda melhor em comparação com a peça sinterizada (Fig. 3). A transmitância de luz nos discos PIM polidos também aumenta em cerca de 10 a 20% em comparação com as amostras não polidas. Os pesquisadores afirmaram que isso se deve ao fato de menos luz ser espalhada na superfície polida em comparação com a superfície não polida. Para as peças após o polimento, a transmitância fica em torno de 50-70% na faixa de luz visível (400-800 nm). As transmitâncias aumentam de comprimento de onda curto para comprimento de onda longo e a amostra tem uma transmitância de 70-74% no comprimento de onda infravermelho. Comparado com o cristal único de ítria, que tem uma transmitância em torno de 80% na mesma faixa de comprimento de onda, 90% da transmitância pode ser alcançada na cerâmica policristalina produzida por moldagem por injeção de pó.