Moulage par injection de céramique utilisé pour produire des puces microfluidiques

May 22, 2024

17 octobre 2022

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Les dispositifs microfluidiques ont suscité un énorme intérêt dans la recherche universitaire et industrielle en raison de leurs avantages clés tels que des temps de réponse rapides et une faible consommation analytique. La fabrication des puces microfluidiques de première génération impliquait du silicium mais, à ce jour, de nombreux matériaux (par exemple, quartz/silice fondue, verre, céramique, polymères et métaux) ont été utilisés en fonction des diverses fonctionnalités des différents dispositifs microfluidiques.

Actuellement, certaines applications microfluidiques sont intégrées à la spectroscopie infrarouge (IR), utilisée pour mesurer la fréquence de vibration des liaisons dans une molécule et déterminer le groupe fonctionnel. La plupart des substrats polymères et vitreux utilisés dans les puces microfluidiques ne sont cependant pas transparents dans la région infrarouge moyen, et les matériaux compatibles IR normaux sont coûteux et difficiles à micro-fabrication. Les céramiques polycristallines transparentes peuvent résoudre les problèmes de transparence et ont le potentiel d'être utilisées dans des applications microfluidiques couplées à l'analyse FTIR, à condition que les micro-caractéristiques requises puissent être fabriquées dans les substrats céramiques à faible coût.

Un programme de recherche conjoint de l'Institut de technologie de fabrication de Singapour (SIMTech), de l'École de génie mécanique et aérospatial, de l'Université technologique de Nanyang (NTU) et de l'Institut des sciences chimiques et techniques (ICES), tous basés à Singapour, a montré que la céramique Le moulage par injection peut être utilisé avec succès pour produire des micropuces en céramique transparentes IR hautes performances de forme nette ou proche du filet avec de petites micro-caractéristiques complexes aussi fines que 100 µm à un coût relativement faible. Les résultats de la recherche décrivant la faisabilité de produire des puces microfluidiques céramiques transparentes IR avec les profils de caractéristiques, les microstructures et les propriétés optiques souhaités par PIM ont été publiés sous forme de communication courte par Tao Li, et al., dans Research & Development in Materials Science, 7 juillet 2021, 1707-1712.

Les auteurs de la communication ont rapporté que de la poudre d'yttria (Y2O3) de haute pureté ayant une taille moyenne de particules de 0,25 µm était séchée par pulvérisation pour produire des particules sphériques de 30 à 50 µm. 5% en mole de poudre de 3Y-zircone ont été ajoutés aux lots de poudre d'yttria par broyage à boulets afin de réduire la température de frittage et d'améliorer encore la transparence. À ce mélange a ensuite été ajouté un système de liant développé en interne à base de cire de paraffine (PW), de polypropylène (PP) et d'acide stéarique (SA) pour produire la matière première CIM.

Après avoir optimisé les paramètres de moulage par injection, des disques circulaires de 20 x 2 mm et des puces microfluidiques carrées de 25 x 25 x 2,5 mm avec des microcanaux de 200 µm de largeur et de 100 µm de profondeur ont été produits comme le montre la figure 1. Le déliantage du solvant a été utilisé pour éliminer la plupart des liants PW et SA des pièces vertes moulées. Le liant restant a été éliminé au cours d'un processus de déliantage thermique en plusieurs étapes, au cours duquel les pièces ont été chauffées dans une atmosphère inerte et un profil de chauffage strictement contrôlé. Après déliantage thermique, les pièces brunes ont été transférées dans un four sous vide poussé pour frittage à une température de 1770°C et différents temps de séjour.

Comme mentionné précédemment, l’ajout de zircone joue un rôle important dans la fabrication d’yttria transparent. Les disques PIM avec et sans zircone frittés à 1 750 °C sont représentés sur la figure 2 et il est clair que l'échantillon tel que fritté sans ajout de zircone (Fig. 2a) est toujours opaque alors qu'une certaine transparence a été obtenue avec l'ajout de zircone (Fig. 2a). .2b).

Le polissage de l'échantillon de disque d'yttria contenant de la zircone donne une transparence encore meilleure par rapport à la pièce brute (Fig. 3). La transmission de la lumière dans les disques PIM polis est également augmentée d'environ 10 à 20 % par rapport aux échantillons non polis. Les chercheurs ont déclaré que cela est dû au fait que moins de lumière est diffusée sur la surface polie par rapport à celle sur la surface non polie. Pour les pièces après polissage, la transmission est d'environ 50 à 70 % dans la plage de la lumière visible (400 à 800 nm). Les transmissions augmentent de la longueur d'onde courte à la longueur d'onde longue et l'échantillon a une transmission de 70 à 74 % à la longueur d'onde infrarouge. Par rapport au monocristal d'yttrium, qui a une transmission d'environ 80 % dans la même plage de longueurs d'onde, 90 % de la transmission peut être obtenue dans la céramique polycristalline produite par moulage par injection de poudre.