1.1. Ozadje problema
Richard P. Feynman je v svojem znamenitem govoru iz leta 1959, imenovanem Spodaj je veliko prostora (ang. There's Plenty of Room at the Bottom), publiko znanstvenikov opozoril na področje, na katerem je bilo do tistega leta narejeno malo in na katerem je sam videl ogromen potencial tehničnega razvoja. Govoril je o področju miniaturizacije, o tehnološkem razvoju mikro in nano dimenzij. Kljub temu na tem področju ni bilo večjih znanstvenih premikov vse do 80. let prejšnjega stoletja, ko so dosežki s področja miniaturizacije ustvarili novo področje, imenovano mikroelektromehanski sistemi (MEMS). Z razvojem se je v devetdesetih letih pojem MEMS precej razpršil, izdelovali so naprave za kemične, biološke in biomedicinske namene [1]. To je vodilo v nastanek nove discipline imenovane mikrofluidika. Mikrofluidika je znanost, ki preučuje pojave povezane s tekočino na mikronski skali.
V panogi strojništva in elektrotehnike se razvoj mikrofluidike nanaša predvsem na področje upravljanja s toploto. Upravljanje s toploto predstavlja zelo pomembno področje energetskih in okoljskih tehnologij. Razvoj elektronske industrije sledi Moorovemu zakonu, ki napoveduje podvojitev gostote tranzistorjev vsaki dve leti. S povečevanjem gostote tranzistorjev pa se povečuje tudi toplota, ki se generira med procesom delovanja elektronskih komponent. Konvencionalni načini odvajanja toplotnih tokov, v kombinaciji z razširjenimi površinami, toplotnimi cevmi, ventilatorji ali hladilno vodo, kmalu ne bodo več zadostovali potrebam odvajanja vse višjih toplotnih tokov. Zato so se v zadnjih letih na področju elektronike pojavile obsežne študije upravljanja s toploto s pomočjo mikrofluidike [2],[3].
Neprilagodljivost konvencionalnih hladilnih tehnik in posledično nezmožnost spreminjanja hitrosti hlajenja pri kontinuiranem toku kapljevine rezultira v neenakomernih toplotnih profilih pri dinamičnem hlajenju toplotnih točk. Rešitev, ki omogoča prilagodljivo hlajenje je uporaba digitalne mikrofluidike, ki temelji na manipulaciji diskretnih kapljic ob spreminjanju površinske napetosti delovne kapljevine. Obstajajo številne aktivacijske metode za manipulacijo kapljevine, pri čemer so najpogostejše elektro-omočljivost (ang.
electrowetting (EW)), elektroforeza in elektroosmoza. Izmed vseh metod je elektro-omočljivost ena najpogosteje uporabljenih predvsem zaradi visoke odzivne hitrosti (nekaj milisekund), velikega preklopnega razpona kota omočljivosti (nekaj deset stopinj), odlične vzdržljivosti (na sto tisoče preklopnih ciklov) in nizke rabe energije (10-100 mW) [2].
Uvod
Hlajenje z uporabo digitalne mikrofluidike prinaša veliko prednosti v primerjavi s kontinuiranim tokom kapljevine. Med prednosti uvrščamo: a) manipulacija posameznih diskretnih kapljic, b) ena aktivna komponenta (aktivacijska elektroda), ki je izdelana na površini naprave brez dodatnih komponent (črpalke, ventili …), c) manipulacija kapljice v poljubni smeri, zaradi dvodimenzionalne postavitve elektrod (kar je v primeru kontinuiranega toka brez fiksnih struktur nemogoče) [3].
Razvoj digitalne mikrofluidike se poleg področja hlajenja virov toplote z visoko gostoto moči usmerja tudi na področje uporabe v toplotnih kontrolnih elementih. Primer takega toplotnega kontrolnega elementa je fluidno toplotno stikalo, ki pri delovanju izkorišča pojav elektro-omočljivosti. Prednosti fluidnega toplotnega stikala v primerjavi s toplotnim stikalom, kjer je toplotni prevodnik trdna snov, so neobčutljivost na vibracije, visoka mehanična stabilnost, naravna bi-stabilnost, konstantna kontaktna upornost in ničnost mehanske obrabe. Poleg toplotnega stikala se potencial izkoriščanja elektro-omočljivosti izkazuje tudi pri mehurčkastem vrenju [2].
Naprava, zasnovana v magistrskem delu, bi lahko služila za odvajanje toplote iz mesta segrevanja (npr. elektronske komponente). Z zaporedno aktivacijo elektrod bi bilo možno kapljico transportirati do mesta generacije toplote, kjer bi tekočina prevzela nase toploto, nato pa bi kapljico transportirali do mesta, kjer bi toploto lahko oddala.
1.2. Cilji
Cilj magistrskega dela je konceptualna zasnova in izdelava sistema digitalne mikrofluidike, ki omogoča transport kapljice. V začetnih poglavjih so predstavljene teoretične osnove površinske napetosti in elektro-omočljivosti. Opisani so tipično uporabljeni materiali in najpogostejši koncepti naprav, ki za svoje delovanje izkoriščajo pojav elektro-omočljivosti.
V programskem okolju ANSYS smo izdelali numerično simulacijo, s katero smo validirali eksperimentalne meritve.
V eksperimentalnem delu je predstavljen postopek izdelave naprave. Zasnovali smo geometrijo elektrod, preko katerih je ob dovajanju električne napetosti možno manipulirati kapljico tekočine. Zasnovane elektrode upoštevajo geometrijske smernice, ki težijo k učinkovitejšem premiku kapljice. Za izdelavo naprave smo izbrali ustrezen substrat, na katerega smo nanesli elektrode in ostale potrebne sloje. Masko elektrod smo izdelali s pomočjo fotolitografije. Pri tem je bilo potrebno izbrati ustrezne kemijske snovi, ki smo jih uporabili tekom izdelave fotolitografske maske. Določili smo ustrezno debelino sloja fotorezista in ustrezen protokol izdelave. V naslednjem koraku sledi nanos zlatega sloja preko elektrod in nato dvig odvečnega zlatega sloja s površine. Ker delovanje naprave temelji na pojavu elektro-omočljivosti na dielektriku je bilo potrebno izbrati ustrezen električno izolativen sloj, določiti ustrezen protokol nanosa in zagotoviti ustrezno debelino sloja. Z namenom učinkovitejšega delovanja naprave, ki je pogojeno z nizko histerezo in visokim kotom omočljivosti, smo preko dielektričnega sloja nanesli še hidrofobni sloj. Pri izbiri hidrofobnega sredstva smo se odločili za fluoropolimer in določili protokol nanosa.
Uvod
Po končanem postopku izdelave smo z eksperimentalnimi meritvami ovrednotili delovanje naprave. Izmerili smo statični kot omočljivosti pri različnih vrednostih dovedene električne napetosti. Prav tako smo izmerili tudi hitrost premika kapljice na površini elektrod. Pri tem je predstavljena tudi metodologija določitve merilne negotovosti rezultatov meritev kota omočljivosti in rezultatov meritev hitrosti premika kapljice. Analizi eksperimentalnih rezultatov in primerjavi eksperimentalnih rezultatov z numeričnimi rezultati sledi ovrednotenje in diskusija rezultatov.
V zadnjem delu magistrskega dela povzamemo vsebino, predstavimo ključne ugotovitve in podamo predloge za nadaljnje raziskovalno delo. Pri tem se osredotočimo predvsem na nadaljnje raziskovalno delo in možnost uporabe konceptualne zasnove digitalne mikrofluidike na področju prenosa toplote.
Uvod