Actuador térmico basado en PCB para el control de muestras líquidas

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías de las Telecomunicaciones Actuador térmico basado en PCB para el control de muestras líquidas Autor: Alberto Almenara León Tutor: Francisco Perdigones Sánchez Dep. Ingeniería Electrónica, Microsistemas Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 2 Trabajo de Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías de las Telecomunicaciones Actuador térmico basado en PCB para el control de muestras líquidas Autor: Alberto Almenara León Tutor: Francisco Perdigones Sánchez Dep. de Ingeniería Electrónica, Microsistemas Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 4 Trabajo de Fin de Grado: Actuador térmico basado en PCB para el control de muestras líquidas Autor: Alberto Almenara León Tutor: Francisco Perdigones Sánchez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2017 El Secretario del Tribunal 6 A mi familia A mis amigos 8 Agradecimientos Este trabajo no solo supone el resultado de días de trabajo, sino el final de una buena etapa. A la que he llegado, sin duda alguna, gracias a la ayuda de mis padres. Que han sido figura esfuerzo y de apoyo emocional continuo, a pesar de mis numerosos baches académicos y emocionales a lo largo de mi periodo universitario. Pues a pesar del error de no decírselo de forma regular, no hay día que no les esté agradecido por brindarme el enorme apoyo incondicional y la incuestionable calidad de vida que llevo. Manuel, gracias por ser mi máximo exponente. Chari, gracias por tu infinito cariño. Agradezco a mi familia Almenara León, todo el cariño y estabilidad emocional que me han proporcionado en momentos menos llevaderos. Necesitaría más de un TFG si tuviese que citar a cada uno de ellos. Quiero mencionar a aquellas personas con las que no comparto sangre, pero los considero de mi familia. Aquellas pocas que me conocen mi parte más profunda, guardan mis secretos y me han ayudado. Ellos saben a quiénes me refiero. También debo sentirme afortunado y estar agradecido por haberme “tropezado” con gente especial que me ha aportado como persona y ha hecho quitarme la anteojera, permitiéndome ser menos inflexible y estar abierto a los cambios. Debo dar las gracias a mi tutor quien ha estado ayudándome y que ha hecho de este TFG algo interesante y divertido. Por último, agredecer y saludar a todos los compañeros y profesores que he tenido y hemos coincidido en ciertos momentos a lo largo de la etapa académica y han sido de ayuda en múltiples ocasiones, haciendo algunas asignaturas menos densas. Alberto Almenara León Sevilla, 2017 16 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 4-1 Datos temperatura-corriente serpentín 150µm 42 Tabla 4-2 Datos temperatura-corriente serpentín 200µm 43 Tabla 4-3 Datos temperatura-corriente serpentín 250µm 44 Tabla 4-4 Datos temperatura-corriente serpentín 300µm 44 Tabla 4-5 Datos temperatura-corriente serpentín 400µm 45 Tabla 6-1 Datos de intensidad de corriente y su desplazamiento de volumen 73 Tabla 6-2 Datos de intensidad de corriente y su desplazamiento de volumen 76 Tabla 6-3 Datos del prototipo I 80 Tabla 6-4 Datos del prototipo II 80 18 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1 Clasificación de las microbombas 14 Figura 2-2Microbomba piezoeléctrica 16 Figura 2-3 Microbomba electrostática 17 Figura 2-4 Microbomba termoneumática 17 Figura 2-5 Microbomba peristáltica 18 Figura 2-6 Funcionamiento de la actuación trifásica de la microbomba peristáltica 18 Figura 2-7 Funcionamiento de la señal trifásica de entrada de la microbomba peristáltica 19 Figura 2-8 Microbomba electromagnética 19 Figura 2-9 Microbomba bimetálica 20 Figura 2-10 Microbomba ICPF 21 Figura 2-11 Microboma de cambio de fase 21 Figura 2-12 Microbomba SMA 22 Figura 2-13 Esquema de la estructura microfluídica 23 Figura 2-14 Método de presurización 23 Figura 2-15 Microbomba centrífuga 24 Figura 2-16 Microbomba electroosmótica 25 Figura 2-17 Microbomba de Electromojado 27 Figura 2-18 Microbomba electroquímica 28 Figura 2-19 Microbomba de evaporación 28 Figura 2-20 Microbomba de burbuja 29 Figura 2-21 Microbomba magnetohidrodinámica 30 Figura 2-22 Generación de una SAW mediante un IDT sobre una superficie piezoeléctrica 30 Figura 2-23 Esquema de una SAW 31 Figura 2-24 Microbomba Electrohidrodinámica 32 Figura 3-1 Ley de Charles 33 Figura 3-2 Relación entre presión y volumen en condiciones isobáricas 34 Figura 3-3 Relación entre volumen y temperatura 34 Figura 4-1 Máscara de los serpentines de diferentes dimensiones 41 Figura 4-2 Comportamiento serpentín 150µm 42 Figura 4-3 Comportamiento serpentín 200µm 43 Figura 4-4 Comportamiento serpentín 250µm 44 Figura 4-5 Comportamiento serpentín 300µm 45 Figura 4-6 Comportamiento serpentín 400µm 46 Figura 4-7 Gráfica resumen de todos los calentadores en función de su ancho en micrómetros 46 Figura 4-8 Gráfica del serpentín de 150µm en PCB 47 20 Figura 5-1 Diseño de la cámara de 10x10x0,55 (µL) en L-Edit 49 Figura 5-2 Diseño de la cámara de 15,5x15,5x0,65 (µL) en L-Edit 50 Figura 5-3 Fotoplotter 52 Figura 5-4 Exportar máscara en L-Edit 52 Figura 5-5 Exportar como tipo de archivo GDSII 53 Figura 5-6 Proceso de exportación del tipo de archivo 53 Figura 5-7 Archivo .gds creado 53 Figura 5-8 Conversión de GERBER a FPF 54 Figura 5-9 Ajuste de resolución 55 Figura 5-10 Programa Run Photoplotter 55 Figura 5-11 Líquido revelador 56 Figura 5-12 Impresión y revelado de la máscara. 57 Figura 5-13 Alineadora 57 Figura 5-14 Ácido clorhídrico 58 Figura 5-15 Líquidos revelador y fijador 59 Figura 5-16 Líquido fijador 59 Figura 5-17 Peróxido de hidrógeno 60 Figura 5-18 Esquema de la PCB de perfil 60 Figura 5-19 Aplicación de la máscara a la PCB 60 Figura 5-20 Exposición de la fotoresistencia 61 Figura 5-21 Desarrollo de la fotoresistencia 61 Figura 5-22 “Etching”: eliminación del cobre restante 61 Figura 5-23 “Stripping”: eliminación del fotolito restante 61 Figura 5-24 Resultado tras finalizarse el proceso 62 Figura 5-25 Esquema genérico del proceso de fabricación de la PCB 62 Figura 5-26 Resultado de la PCB con las máscaras impresas 63 Figura 5-27 Fresadora CNC 64 Figura 5-28 Layout con capas active y metal1 65 Figura 5-29 Programa Cut2D 66 Figura 5-30 Programa WinPC-NC USB 66 Figura 5-31 Papel de lija P240 empleada para quitar las impurezas del metacrilato 67 Figura 5-32 Pegamento Loctite3922 para la unión de la PCB y el metacrilato 68 Figura 5-33 Máquina de insolación 68 Figura 5-34 Set de rodillos para la deposición del pegamento 69 Figura 5-35 Foto de prototipo I sin líquido dentro 69 Figura 5-36 Foto de prototipo II con líquido dentro 70 Figura 6-1 Circuito prototipo I preparado para la realización de las pruebas 71 Figura 6-2 Circuito prototipo II preparado para la realización de las pruebas 72 Figura 6-3 Fuente de alimentación DC 72 Figura 6-4 Software calibrador Screen Calipers 73 Figura 6-5 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 0 miliamperios 74 Figura 6-6 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 250 miliamperios 74 Figura 6-7 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 850 miliamperios 75 Figura 6-8 Desplazamiento experimental del prototipo I 75 Figura 6-9 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 0 miliamperios 76 Figura 6-10 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 330 miliamperios 77 Figura 6-11 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 700 miliamperios 77 Figura 6-12 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 900 miliamperios 78 Figura 6-13 Desplazamiento experimental del prototipo II 78 Figura 6-14 Procedimiento para interpolar 79 Figura 6-15 Desplazamiento experimental y teórico frente a la corriente del prototipo I 81 Figura 6-16 Desplazamiento experimental y teórico frente a la corriente del prototipo I 81 Figura 6-17 Error del desplazamiento teórico frente al experimental del prototipo I 82 Figura 6-18 Error del desplazamiento teórico frente al experimental del prototipo II 82 22 1 INTRODUCCION Y OBJETIVOS 1.1 Introducción La idea de usar una de las muchas técnicas de impulsión de líquidos con el uso de microbombas, surge en el Departamento de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Sevilla en el área de Microsistemas. El tratamiento de volúmenes pequeños supone una gran ventaja para aplicaciones de tipo biomédicas, en la que el movimiento de líquidos es la base de funcionamiento de ellas. El tratamiento de pequeños volúmenes supone un factor importante en el desarrollo de dispositivos “lab-on-a-chip” (LOC). Existen numerosos métodos para conseguir el movimiento de fluidos [1]. Sin embargo, por lo general, el movimiento de fluidos se genera por bombas externas que están conectadas a la plataforma microfluídica, imposibilitando la realización de dispositivos portables debido al tamaño de dichas bombas. Se han presentado muchas microbombas para la impulsión de fluidos en aplicaciones LOC [2], permitiendo el transporte y control de pequeñas cantidades de fluidos. También ha sido objeto de estudio diversos métodos de activación [3], pero suelen presentar altos consumos de potencia y además requieren grandes áreas de la plataforma LOC [4], incrementando el coste y dificultando el proceso de integración. Por tanto, la incorporación de estos dispositivos en el mercado no es una tarea trivial [5]. Con el fin de resolver todos estos problemas, una de las estrategias encontradas en el estado del arte, es el diseño de dispositivos que incorporan un sistema neumático para almacenar la energía neumática [6], [7], [8] y [9]. Gracias a este enfoque, el bombeo externo no es necesario, mientras sean suministrados por reservorios que puedan ser integrados en pequeñas áreas del chip. El problema principal en estos casos está relacionado con el “packaging”, pues el sellado por presión aumenta drásticamente su coste [10]. Por tanto, un requisito indispensable del diseño era el bajo coste de fabricación. Una solución conveniente para solucionar dicho problema era el uso de PCB como sustrato. Además, su versatilidad para la integración de la electrónica y polímeros lo hace muy beneficioso. Muchos dispositivos han sido presentados en este campo usando tecnología PCBMEMS [11], [12], [13], [14] y [15]. Como se ha explicado anteriormente, una clase de dispositivos “lab-on-a-chip” hacen uso de aire a presión externo con el fin de bombear una cierta cantidad de líquido a través de una red de microcanales [16]. Los conectores externos de aire a presión suponen una dificultad para el circuito. Por tanto se desarrolla una técnica “on-chip” para generar dicha presión con el objetivo de medir o bombear volúmenes de líquido de un cierto orden. La miniaturización de instrumentos de análisis de laboratorio en un único sistema integrado “lab-on-achip” supone una gran promesa para el desarrollo de análisis químicos y bioquímicos con una considerable reducción del coste. La manipulación de líquidos a través de una red de microcanales implica el control de la presión del aire aplicada sobre dicha cantidad de líquido. El principio de operación de dichos sistemas es simple, pero implica el uso de diferentes fuentes de presión de aire externas y un sistema de válvulas. Las microbombas que controlan la distribución de la presión del aire hacia diferentes puntos de la red de microcanales, aún no están incorporadas en esos sistemas integrados miniaturizados principalmente debido a que implican una tediosa fabricación o son propensas a fallos mecánicos. La miniaturización e integración de fuentes de presión de aire con su respectivo mecanismo de control en un mismo dispositivo “lab-on-a-chip” ayudará a la realización de un dispositivo integrado autónomo. 12 12 1.2 Objetivos El objetivo principal del proyecto es el diseño y la fabricación de un actuador térmico para el control de muestras líquidas. Como objetivo secundario, queremos que nuestro actuador cumpla con unas determinadas prestaciones:  Bajo coste.  Fácil fabricación.  Impulsión de uno o varios líquidos a la vez.  Volúmenes del orden de los µL.  Sin necesidad de uso de válvula para el control del líquido. 2 ESTADO DEL ARTE 2.1 Introducción La microfluidíca es una rama relativamente nueva de la ciencia y tecnología que ha hecho grandes progresos en los últimos años. Los sistemas de microfluidos trabajan con diminutas cantidades de fluido, típicamente del orden de unos microlitros (μL) en un sistema miniaturizado. Las principales funciones realizadas por estos sistemas son la preparación de muestra, purificación, separación, reacción, transporte, inmovilización, etiquetado, biosensado y detección. El comportamiento del fluido a macro escala difiere bastante con respecto a micro y nano escala. Factores como la tensión superficial adquieren un papel dominante en dispositivos microfluídicos. Cuando los tamaños de las muestras biológicas se aproximan al del flujo de los canales a través de las que las muestras son transportadas, entonces el flujo de la muestra no puede preverse atendiendo a los principios convencionales de los sistemas fluídicos. Se han hecho considerables estudios en los pasados años en el campo de componentes microfluídicos, dispositivos, sistemas y métodos de fabricación. El uso de la tecnología de sistemas micro y nano electromecánicos (MEMS y NEMS) ha aumentado rápidamente para fabricar dispositivos microfluídicos para aplicaciones biomédicas. En los últimos años, los mayores avances de MEMS y NEMS en el área de la biomedicina son los sistemas de administración transdérmica de fármacos (TDD). Los sistemas TDD se encargan del movimiento de un compuesto farmacéutico a través de la piel para alcanzar el sistema de circulación para su posterior distribución en el cuerpo humano. Los sistemas TDD consisten en microbombas, microagujas, reservorio, sensores de presión de sangre, y requieren de circuitos electrónicos para realizar las operaciones correspondientes. Entre éstos, las microbombas y microagujas son los componentes más importantes de los sistemas microfluídicos en aplicaciones de administración de fármacos, debido a que las primeras son las responsables de tareas de trasnsporte y tratamiento y las últimas proporcionan una interfaz entre el fármaco del reservorio y el cuerpo del paciente para la extracción o liberación del fluido. 2.2 Microbombas Los estudios pioneros sobre las microbombas comienzan en la década de los 70 y los avances basados en tecnología de microfabricación se iniciaron en los 80. Los MEMS basados en microbombas se desarrollaron en los 90. La microbomba es el principal componente del sistema de administración de fármacos que proporciona el mecanismo de actuación para entregar una determinada cantidad de volumen del fármaco o agente del reservorio. Normalmente una microbomba está formada por los siguientes componentes:  Membrana del diafragma  Cámara  Microcanal  Microválvula  Entrada  Salida 20 20 2.1.5 Bimetálica Bimetal se refiera a un objeto que está compuesto por dos materiales metálicos diferentes y poseen, por tanto, diferentes coeficientes de expansión térmica (CTE). Éste es el caso del diafragma de la microbomba bimetálica, que posee diferentes CTE. El mecanismo de unión de los diferentes materiales y su sujeción a cambios en la temperatura inducen una tensión térmica debido a que los coeficientes de los materiales difieren, proporcionando así un medio de accionamiento. Las fuerzas generadas mediante la actuación bimetálica son grandes y su implementación es simple. Normalmente los coeficientes de expansión térmica de los materiales involucrados en las microbombas bimetálicas son pequeños, es por ello por lo que en los mecanismos de actuación bimetálica se consigue pequeñas deflexiones. La principal ventaja es que las microbombas bimetálicas requieren voltajes relativamente pequeños en comparación con otras microbombas. La desventaja es su dificultad de operar a elevadas frecuencias. Se muestra un diagrama de una microbomba metálica en la figura 2-9. Figura 2-9 Microbomba bimetálica 2.1.6 Película polimérica conductora de iones (ICPF) Las ICPF son actuadores poliméricos de los MEMS que pueden ser accionados en entornos acuosos con gran deflexión. Necesitan menos potencia a la entrada que los actuadores convencionales de los MEMS. El actuador ICPF es conocido como músculo artificial debido a sus largos desplazamiento al doblarse. Están actuados por gradiente de tensión debido al campo eléctrico que produce el movimiento de iones. El núcleo de la capa está formado por un tipo particular de polímero [19].Aparentemente parece un diafragma con forma “sándwich” entre dos finas capas que están situadas a ambos lados del polímero. Estas dos películas poseen una alta conductividad eléctrica. Una parte final del diafragma está fijada y el diafragma del ICPF puede ser controlado doblándolo en direcciones tanto hacia arriba como hacia abajo, mientras los voltajes aplicados en los electrodos sean los adecuados. La presencia de un campo eléctrico provoca que los iones de ambos lados de la cadena molecular del polímero se muevan hacia el cátodo. De manera simultánea, cada ion con carga positiva tomará alguna molécula de agua y continuará su movimiento hacia el cátodo. Este movimiento de iones provoca que el cátodo se expanda y el ánodo se contraiga. La presencia de una señal de tensión cambiante, hace que las películas se doblen de forma alterna. Se han reportado aplicaciones que usan ICPF para operaciones quirúrgicas que usan micro robots y micro manipuladores. Los actuadores ICPF poseen ventajas como el uso de bajo voltajes de operación, su rápida respuesta y su biocompatibilidad. Su mayor desventaja es la baja repetitividad en procesos de fabricación masiva. A continuación, se presenta un esquema del ICPF y su proceso de doblaje en la figura 2-10. Figura 2-10 Microbomba ICPF 2.1.7 De cambio de fase El principio usado en los actuadores y microbombas de cambio de fase se basa en el fenómeno de evaporación y condensación. En la evaporación, la fase de transición ocurre de la fase líquida a la fase de evaporación. Mientras que, en la condensación, en cambio del estado físico ocurre de la fase gaseosa a la fase líquida. La microboma de cambio de fase consiste en un calentador, un diafragma y una cámara fluídica. A continuación, se muestra un esquema de la microbomba de cambio de fase en la figura 2-11. Figura 2-11 Microboma de cambio de fase 2.1.8 Aleación con memoria de forma (SMA) Las microbombas SMA son los metales que poseen dos propiedades únicas: la pseudoelasticidad y el efecto de memoria de forma (SM). Tienen la capacidad de cambiar sus formas mediante la aplicación de un estímulo externo. El efecto SM involucra una transformación de fase entre las dos fases de sólido. La fase a elevadas temperaturas se llama “austenita” y la fase a bajas temperaturas es conocida como “martensita”. Las 22 22 microbombas SMA comienzan en la fase martensita y tras calentarse se transforman en una fase austenita. A continuación, se presenta un esquema de una microbomba SMA en la figura 2-12. Figura 2-12 Microbomba SMA 2.1.9 De presurización El concepto de presurización se basa en la Ley de Boyle, ecuación 2—5. 𝑃1𝑉1= 𝑃2𝑉2=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 (2—5) La expresión expresa que, a un número constante de moles y temperatura, la presión y el volumen son inversamente proporcionales. Donde 𝑃1 y 𝑉1 son la presión y volumen inicial, y 𝑃2 y 𝑉2 son la presión y volumen en condiciones finales. La Ley de Boyle explica cómo varía el volumen de un gas con la presión. Aplicando este concepto, la diferencia de volumen inicial y final produce un cambio de presión. Por tanto, la presión de una cámara puede controlarse mediante cambios de volumen. El sistema de impulsión se basa en el uso de una cámara auxiliar, donde se comprime el gas cuando se inserta un material deformable. La parte del circuito microfluídico que será presurizada está conectada a la cámara auxiliar a través de un pequeño microcanal. Cuando la presión de esta cámara se libera, mediante un actuador, el volumen impulsado es el mismo que el inyectado. Por lo tanto, el sistema propuesto podría completarse con una microválvula para activar el sistema de manera controlada. Este método se diseña para ser de un solo uso. Aunque las ventajas de dispositivos que operan continuamente son más extensas, éste proporciona ventajas interesantes en aplicaciones químicas y biológicas. Son desechables, de bajo coste y fácil de integrar debido a que no necesitan circuitos que aseguren su esterilización. Se muestra un esquema del sistema en la figura 2-13. Figura 2-13 Esquema de la estructura microfluídica El método de funcionamiento se basa en que la presión inicial de la cámara es atmosférica (𝑃1). El procedimiento consiste en insertar en la cámara auxiliar una masilla moldeable como un relleno a través del agujero del sustrato. En este caso se hace uso de plastina, sin embargo, cualquier material con propiedades similares es válido. Durante este proceso, la presión aumenta a medida que se inserta el material. Finalmente, se llena la cámara auxiliar y se alcanza la presión final (𝑃2). El microcanal actúa como filtro controlando la cantidad de relleno que se inyecta. Se ilustra el método de presurización explicado anteriormente en la figura 2-14. Figura 2-14 Método de presurización 2.1.10 Centrífuga En el campo de los sistemas lab-on-a-chip microfluídicos, la plataforma microfluídica centrífuga ha emergido como una tecnología avanzada para análisis biológicos. Los sistemas “Lab-on-a-CD” son el foco de una intensa investigación, donde ensayos complejos están empotrados en redes fluídicas sobre sistemas microfluídicos centrífugos, especialmente hacia el desarrollo de diagnósticos in vitro (IVD). La plataforma microfluídica centrífuga posee el potencial para convertirse en una herramienta estándar para diagnósticos generales. Los pasos de procesamiento fluidico tales como mezcla de reactivos o introducción de muestras fluidas pueden ser automatizadas simplemente mediante la implementación de distintas configuraciones de velocidades de rotación. A través de la adaptación de la tecnología de miniaturización, se pueden integrar 24 24 múltiples pasos de análisis en un solo disco, a menudo para el desarrollo de sistemas microfluídicos de muestra a respuesta, o sistemas de análisis micro total (µTAS). Además, muchos ensayos individuales pueden ser ejecutados de forma simultánea en el mismo disco. Con el desarrollo de sistemas ópticos para interactuar con ensayos basados en disco, los sistemas microfluídicos centrífugos permiten a los operadores no solo realizar los pasos de preparación de muestras a menudo complejos en la mayoría de ensayos, sino también para identificar rápidamente objetivos biológicos todos en la misma plataforma. Entre las diferentes funciones microfluídicas centrífugas, destaca el bombeo centrífugo. En éste, a medida que gira un disco, las fuerzas centrífugas inducidas sobre fluidos de la muestra impulsan los líquidos radialmente hacia afuera desde el centro hacia el borde del disco. El flujo de los fluidos en una plataforma centrífuga está bien caracterizado; la tasa de flujo centrífugo depende de la velocidad rotacional, y de las propiedades fluídicas de una muestra. La velocidad media de un líquido bombeado centrífugamente en un microcanal se deriva de la teoría centrífuga como aparece en la ecuación 2—6. 𝑈= 𝐷ℎ 2𝜌𝜔2𝑟∆𝑟 32𝜇𝐿 (2—6) Donde 𝐷ℎ es el diámetro hidráulico del canal, 𝜌 es la densidad del líquido, 𝜔 es la velocidad angular del disco, 𝑟 es la distancia media del líquido desde el centro del disco en los canales, ∆𝑟 es la extensión radial del fluido, 𝜇 es la viscosidad del líquido y L es la longitud del líquido en el microcanal. Se muestra un esquema de una microbomba centrífuga en la figura 2-15. Figura 2-15 Microbomba centrífuga 2.2.2 Microbombas no mecánicas Las microbombas no mecánicas no poseen parte móvil, por lo que generalmente necesitan de algún tipo de mecanismo que pueda convertir una cierta energía no mecánica en cinética para conducir la muestra fluídica hacia los microcanales. De forma general, las bombas no mecánicas no requieren de componentes de actuación mecánica por lo que la geometría, diseño y fabricación de estas microbombas es relativamente simple y sencilla. No obstante, estas microbombas poseen ciertas limitaciones, como el uso único de fluidos de baja conductividad y la interferencia de los mecanismos de actuación con los líquidos de bombeo. Existen diversos tipos de microbombas no mecánicas:  Electroosmótica (EO)  Electrowetting (EW)  Electroquímica  De evaporación  De burbuja  Magnetohidrodinámica (MHD)  Onda de flexión planar (FPW)  Electrohidrodinámica (EHD) 2.2.1 Electroosmótica (EO) El flujo electroosmótico es el movimiento del líquido inducido por un potencial aplicado a través un tubo capilar o microcanales. El líquido, caracterizado por su conductividad eléctrica, es conducido ejerciendo un campo eléctrico externo sobre las paredes del canal que están cargadas. Los iones pueden ser manipulados por campos eléctricos por corriente continua (DC) o corriente alterna (AC). Se muestra un esquema de la microbomba electroosmótica en la figura 2-16. Figura 2-16 Microbomba electroosmótica 2.2.1.1 Electroosmótica DC (DCEO) Su construcción utiliza silicio fundido o capilaridades de vidrio con electrodos que proporcionan un campo eléctrico a lo largo de la longitud del canal. En los canales a base de silicio, cuando una solución electrolítica entra en contacto con la pared del canal, los grupos de silanol superficiales se desprotonan espontáneamente, dejando un límite cargado negativamente. La aplicación de un campo eléctrico de DC aumenta la fuerza sobre el fluido cerca de la pared capilar a través de las densidades de cargas que han incrementado. Las cargas responden al campo eléctrico. Las fuerzas viscosas instigan el movimiento del fluido al interior del canal. En la solución, la carga superficial inducida 26 26 atrae a los iones cargados positivamente y repelen a aquellos cargados negativamente. Los dos retos principales de las microbombas EO son:  Bloquear las burbujas en el microcanal.  Tener una baja presión de parada. Las largas corrientes en el canal pueden producir burbujas. La electrólisis y las reacciones en los electrodos producen iones que pueden contaminar la muestra y generar burbujas. Las altas presiones se deben a canales muy pequeños. 2.2.1.2 Electroosmótica AC (ACEO) Un flujo ACEO es un mecanismo de bombeo a micro escala viable para soluciones electrolíticas o conductoras. De forma contraria a la depronación en la superficie del canal en los flujos DCEO, los electrodos posicionados en los límites del canal proporcionan la carga necesaria para establecer una doble capa eléctrica. Los electrodos asimétricos inducen un campo eléctrico e igualan las cargas difundidas en la capa a lo largo de la superficie del electrodo. La ventaja de este tipo de microbombas es la posibilidad de alcanzar unas elevadas velocidades con unos pequeños voltajes (menor de 10 voltios). Además, a medida que el voltaje aumenta dentro de un rango, el flujo puede ser invertido, haciendo esta microbomba bidireccional. 2.2.2 Electrowetting (EW) El electrowetting es un fenómeno microfluídico que es usado de como un mecanismo de conducción para dispositivos microfluídicos. EW implica el cambio de humectabilidad debido a la aplicación de un potencial eléctrico. En el electrowetting, el fluido se transporta gracias a la tensión superficial, una fuerza interfacial que domina en la micro escala. Se aplica un voltaje a la capa dieléctrica, decrementando la energía interfacial de las superficies líquido y sólido, causando el movimiento del fluido. Los metales líquidos en contacto con soluciones electrolíticas, desarrollan interfaces cargadas que actúan como condensadores debido a reacciones electroquímicas. El metal líquido es más humectable (posee una menor tensión superficial) en la región de alta densidad de carga de lo que es en aquella con menor densidad de carga. La tensión superficial del mercurio es menor hacia la derecha que hacia la izquierda. El gradiente de la tensión superficial induce movimiento hacia la derecha del metal líquido. La presión desarrollada por un actuador de electrowetting continuo (CEW) está dado por la ecuación 2—7. ∆ρ 𝐶𝐸𝑊 = 2𝑞0∆∅[1 𝐷+ 1 𝑊] (2—7) Siendo ∆∅ el voltaje diferencia entre los dos finales del metal líquido, 𝑞0 la carga inicial por unidad de área en la doble capa eléctrica en ausencia del potencial aplicado y D y W, respectivamente, la profundidad y ancho del canal. Se ha incrementado el interés para incorporar técnicas de entrega de fluido basadas en EW en aplicaciones labon-chip. El principio se basa en el uso de un array de electrodos controlados individualmente para mover gotitas en cualquier dirección de una superficie de manera que puedan ser introducidas a otras gotitas en reacciones químicas y/o de mezcla. Se muestra un esquema de una microbomba EW en la figura 2-17. Figura 2-17 Microbomba de Electromojado 2.2.3 Electroquímica En estas microbombas, sus fuerzas de actuación emplean burbujas generadas electroquímicamente en los microcanales. La aplicación de una corriente DC electroliza el agua entre dos electrodos de platino en una solución salina, generando gases y consecuentemente una presión que a su vez mueve soluciones líquidas dentro del chip. Esta bomba es muy efectiva para el bombeo de soluciones del orden de mililitros. El consumo de esta microbomba es de baja potencia. La característica más común de las microbombas electroquímicas es la generación de burbujas mediante un proceso de electrólisis en donde el agua se descompone en gas hidrógeno (𝐻2) y oxígeno (𝑂2), cuando la corriente pasa a través de agua. Durante este mecanismo el componente clave es un reservorio de burbujas lleno de una solución electrolítica redox. La reacción de la electrólisis de puede describir mediante las ecuaciones 2—8 y 2—9. En el ánodo: 2𝐻2𝑂 →4𝐻++ 4𝑒−+ 𝑂2 (𝑔)  (2—8) En el cátodo: 2𝐻2𝑂+2𝑒− →2𝑂𝐻−+ 𝐻2 (𝑔)  (2—9) 28 28 Se muestra un esquema de una microbomba electroquímica en la figura 2-18. Figura 2-18 Microbomba electroquímica 2.2.4 De evaporación En este tipo de microbombas se emplea un líquido donde se controla su evaporación. La evaporación es un proceso en donde el líquido es convertido desde su estado líquido a estado gaseoso. El proceso inverso es conocido como condensación. El principio de bombeo de esta microbomba es el mismo que el del sistema de transporte del Xilema en las plantas. Se muestra un esquema de la microbomba de evaporación en la figura 219. Figura 2-19 Microbomba de evaporación 2.2.5 De burbuja El principio de bombeo en las microbombas de burbuja se basa en la periódica expansión y colapso de las burbujas generadas en los microcanales. El volumen de dichas burbujas es expandido y colapsado periódicamente debido a la aplicación de un voltaje de entrada. El cambio de volumen en la cámara es conseguido a través del mecanismo difusor o boquilla que también determina la dirección del flujo. La principal ventaja de este tipo de microbomba es la posibilidad de mezclar dos o más tipos de dosis durante los ciclos de expansión o colapso. La principal desventaja es que se requiere el continuo calentamiento para conseguir que se produzca el fenómeno, limitando la aplicación. Se muestra un esquema de la microbomba de burbuja en la figura 2-20. Figura 2-20 Microbomba de burbuja 2.2.6 Magnetohidrodinámica (MHD) La microbomba MHD es un concepto relativamente nuevo. Entre los primeros desarrollos estuvo el de Jang y Lee en 1999. Usaron el principio de la fuerza de Lorentz actuando en las cargas móviles de un fluido. MHD se refiere al flujo de un fluido eléctricamente conductor en campos eléctricos y magnéticos. Una típica estructura de la microbomba MHD es bastante simple; microcanales, dos paredes limitadas por electrodos que generan un campo eléctrico y dos paredes limitadas por imanes permanentes que generan un campo magnético de polaridad opuesta. La fuerza de Lorentz es una fuente conductora; es perpendicular a ambos campo eléctrico y magnético. La fuerza de Lorentz se puede expresar por la ecuación 2—10. 𝐹=𝑄𝐸+ 𝑄(𝑉 𝑥 𝐵) (2—10) Donde F es la fuerza, E es el campo eléctrico, V es la velocidad instantánea de las partículas, B es el campo magnético y Q es la carga eléctrica de la partícula. La presión y el flujo de una microbomba magnetohidrodinámica viene dada respectivamente por las ecuaciones 2—11 y 2—12. ∆𝑃= 𝐽𝑦𝐵𝑥𝐿 (2—11) 𝑄= |𝐽𝑦𝐵𝑥|𝜋𝑟04 8𝜂 (2—12) Siendo 𝐽𝑦 la densidad de corriente, 𝐵𝑥 la densidad del flujo magnético, 𝐿 la distancia entre los electrodos, 𝑟𝑜 es una mitad del diámetro hidráulico de un microcanal y 𝜂 la viscosidad. Las microbombas MHD pueden bombear fácilmente cualquier líquido conductor en el rango de 1 S/m o la mayoría de soluciones acuosas usadas en aplicaciones biológicas. Pueden bombear fluidos de alta conductividad, por lo que son adecuados para aplicaciones de tipo médicas o biológicas. Su principal desventaja son las burbujas que se generan durante la ionización, debido a que afecta a la tasa de flujo. La 36 36 𝐸=𝑃𝑡 (3—9) Que sustituyendo la ecuación 3—8 en la ecuación 3—9 resulta: 𝐸=𝑉𝐼𝑡 (3—10) Donde resulta que la energía es el resultado del productor de la tensión 𝑉 por la intensidad 𝐼 y por el tiempo 𝑡. Añadiendo la Ley de Ohm obtenemos la siguiente expresión: 𝑉=𝑅𝐼 (3—11) Que sustituyendo en la ecuación 3—10 obtenemos que: 𝐸=𝐼2𝑅𝑡 (3—12) Que a su vez sustituyendo la ecuación 3—12 en la 3—9 y despejando la variable “t” concluimos que: 𝑃=𝐼2𝑅 (3—13) La potencia disipada por un conductor es igual al cuadrado de la intensidad por la resistencia del mismo. Tras haber descrito los dos principios por los que se rige nuestro sistema, podremos explicar cómo se relacionan ambos efectos para conseguir el movimiento de los fluidos. La actuación de nuestro sistema comienza cuando se aplica una corriente eléctrica a los terminales de un serpentín de cobre. A medida que aumentamos la corriente, el conductor comienza a calentarse debido al Efecto Joule y en consecuencia el volumen de cierta cámara comienza a expandirse debido a la Ley de Charles. Cuando la temperatura del serpentín es lo suficientemente elevada para expandir todo el volumen de la cámara, se ejercerá una presión sobre la muestra líquida y comenzará a desplazarse. 4 RESULTADOS Y PRUEBAS PREVIAS En este capítulo se estudia la viabilidad del dispositivo que se quiere desarrollar. Queremos ser capaces de que:  Los órdenes de magnitud del volumen impulsado sean del orden de magnitud de los microlitros.  Las dimensiones de los serpentines sean coherentes con la tecnología.  Las temperaturas conseguidas se sitúen dentro de un rango válido de trabajo. Queremos ser capaces de mover un volumen teórico de entre [15,25] microlitros. Conocemos las limitaciones de temperatura de los materiales usados en nuestro sistema, que en el caso del PCB es de 140ºC. Haciendo uso de la conocida ecuación 3—7 podremos conocer las dimensiones de la cámara para que cumpla con los requisitos planteados. ∆𝑉=𝑉1(𝑇2−𝑇1 𝑇1) (3—7) A partir de la ecuación anterior encontraremos el rango de volumen de cámara correspondiente a los volúmenes que queremos impulsar.  Para el caso de 15 microlitros y sabiendo que nuestra temperatura máxima (𝑇2) es 140ºC (413 Kelvin) y la temperatura ambiente (𝑇1) es de 25ºC (298 Kelvin): 15µL=𝑉1(413−298 298 ) Obteniendo, por tanto, en este caso, un volumen de cámara: 𝑉1=38,89 µL  Para el caso de 25 microlitros y sabiendo que nuestra temperatura máxima (𝑇2) es 140ºC (413 Kelvin) y la temperatura ambiente (𝑇1) es de 25ºC (298 Kelvin): 25µL=𝑉1(413−298 298 ) Obteniendo, por tanto, en este caso, un volumen de cámara: 𝑉1=64,78 µL Por tanto, tomaremos un volumen de cámara que pueda ser capaz de impulsar entre 38,89 y 64,78 microlitros. 38 38 Tomaremos un valor intermedio de ese rango, que sea por ejemplo 55 microlitros. La geometría de nuestra cámara será cuadrada, y tendrá las siguientes medidas: 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 =10 𝑚𝑚 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 =10 𝑚𝑚 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 =0,55 𝑚𝑚 Quedando finalmente caracterizada la cámara: 𝑉𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 =10𝑥10𝑥0,55 (µL) Estas dimensiones de cámara se toman como diseño inicial de cámara con motivo de tener un valor para definir los futuros serpentines de cobre. Sin embargo, debido a las limitaciones de temperatura del pegamento usado para unir el PCB y el metacrilato, solo podremos llegar a calentar nuestra cámara hasta 65ºC (338 Kelvin). Y como consecuencia, el volumen máximo que podremos impulsar, usando la ecuación 3—7, será de: ∆𝑉𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 =10𝑥10𝑥0,55(338−298 338 ) ∆𝑽𝒎á𝒙𝒊𝒎𝒐 =𝟕.𝟑𝟖 µ𝐋 La única manera de aumentar el volumen impulsado es incrementando el volumen de la cámara, ya que la temperatura no se puede aumentar. Se va a realizar un diseño, aumentando el volumen de la cámara para impulsar volúmenes más grandes. Esta cámara se usará para un dispositivo más complejo. Ahora queremos ser capaces de mover un volumen teórico de entre [50,75] microlitros. Seguimos teniendo en cuenta las limitaciones de temperatura del PCB de 140ºC y haciendo uso de la conocida ecuación 3—7 podremos conocer las dimensiones de la cámara para que cumpla con los requisitos planteados. ∆𝑉=𝑉1(𝑇2−𝑇1 𝑇1) (3—7) A partir de la ecuación anterior encontraremos el rango de volumen de cámara correspondiente a los volúmenes que queremos impulsar.  Para el caso de 50 microlitros y sabiendo que nuestra temperatura máxima (𝑇2) es 140ºC (413 Kelvin) y la temperatura ambiente (𝑇1) es de 25ºC (298 Kelvin): 50µL=𝑉1(413−298 298 ) Obteniendo, por tanto, en este caso, un volumen de cámara: 𝑉1=129,57 µL  Para el caso de 75 microlitros y sabiendo que nuestra temperatura máxima (𝑇2) es 140ºC (413 Kelvin) y la temperatura ambiente (𝑇1) es de 25ºC (298 Kelvin): 75µL=𝑉1(413−298 298 ) Obteniendo, por tanto, en este caso, un volumen de cámara: 𝑉1=194,35 µL Por tanto, tomaremos un volumen de cámara que pueda ser capaz de impulsar entre 129,57 y 194,35 microlitros. Se toman los siguientes valores de la cámara por simplicidad: 𝐴𝑛𝑐ℎ𝑜𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 =15,5 𝑚𝑚 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 =15,5 𝑚𝑚 𝐴𝑙𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 =0,65 𝑚𝑚 Estos valores se corresponden con un volumen de 156.13 µL, que está dentro del orden de magnitud del volumen de cámara que se quiere. Quedando finalmente caracterizada la cámara: 𝑉𝑐á𝑚𝑎𝑟𝑎 =15,5𝑥15,5𝑥0,65 (µL) No obstante, a pesar de haber incrementado las dimensiones de la cámara no se aumentan las del serpentín. Esto se debe a que un aumento del serpentín no significa un aumento de la temperatura, ésta no sobrepasará los 140 ºC limitados por el FR4. Sin embargo, debido a las limitaciones de temperatura del pegamento usado para unir el PCB y el metacrilato, solo podremos llegar a calentar nuestra cámara hasta 65ºC (338 Kelvin). Y como consecuencia, el volumen máximo que podremos impulsar, usando de nuevo la ecuación 3—7, será de: ∆𝑉𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 =15,5𝑥15,5𝑥0,65(338−298 338 ) 40 40 ∆𝑽𝒎á𝒙𝒊𝒎𝒐 =𝟐𝟎,𝟗𝟔 µ𝐋 Tras realizar el dimensionamiento de las cámaras, antes de continuar es necesario hacer una serie de aclaraciones: 1) El uso del PCB es un requisito de la tecnología, sin embargo, el uso del pegamento no lo es. Por ello se ha calculado los volúmenes impulsados cuando el límite de la tecnología es el PCB, de forma que si se encuentra un pegamento que trabaje bien por encima de 140ºC, los cálculos estén limitados por la tecnología y no por el pegamento. 2) Los valores de cámara elegidos están basados en órdenes de magnitud. Con cumplir este requisito es suficiente. De forma que el dispositivo pueda variar los volúmenes impulsados en función de la temperatura dentro de ese orden de magnitud. Si se quisiera afinar en volúmenes mayores impulsados, basta con variar las dimensiones de la cámara que se toma como “cámara inicial”. La parte térmica del dispositivo se basa en la fabricación de unos calentadores usando la capa de cobre del PCB, haciendo pistas en forma de serpentín. A continuación, hacemos un estudio de los serpentines de cobre que podemos incluir en la cámara, caracterizada anteriormente, en función del ancho de pista. El motivo es tener varios diseños de serpentines para conocer el comportamiento de cada uno con la temperatura. En el capítulo 5 podremos ver con más detalle las características dimensionales de dichos serpentines. Escogemos los siguientes valores de ancho de pista de cobre:  100 micras  150 micras  200 micras  250 micras  300 micras  350 micras  400 micras No obstante, durante el proceso de revelado de dichos serpentines, el cobre de los de 100 y 350 micras se ha dañado durante su revelado y, por tanto, quedando inutilizados dichos serpentines. El fallo de fabricación del serpentín de 100µm era esperable por estar al límite de la tecnología de fabricación con PCB de 35 µm de cobre, y el de 350 µm resultó defectuoso debido a la proximidad con el borde del PCB. Los bordes de las obleas siempre son zonas problemáticas en la fabricación. Se intentó aprovechar esta zona, pero lamentablemente resultó defectuosa. Aun así, se tienen serpentines diferentes suficientes como para hacer un estudio de su comportamiento. Figura 4-1 Máscara de los serpentines de diferentes dimensiones A los serpentines resultantes se le someten individualmente a una serie de corrientes para estudiar su comportamiento con la temperatura. Obtenemos una serie de datos corriente-temperatura que ilustremos en las siguientes tablas. Durante la realización de dicho estudio, se ha dejado un tiempo lo suficientemente grande para que los datos sean tomados en régimen permanente, que resultaba ser de unos 4 minutos: I(A) T(ºC) V(V) t(sg) 0 24,4 0 0 0,1 24,9 0,1 4min 0,21 26,8 0,3 4min 0,31 30,2 0,4 4min 0,4 34,4 0,5 4min 0,53 42,1 0,7 4min 0,65 52 0,9 4min 0,7 59 1 4min 0,81 72,1 1,2 4min 42 42 0,92 89 1,5 4min 1,03 116 1,9 4min 1,07 125 2 4min 1,11 137 2,1 4min Tabla 4-1 Datos temperatura-corriente serpentín 150µm Figura 4-2 Comportamiento serpentín 150µm I(A) T(ºC) V(V) t(sg) 0 24,5 0 0 0,1 24,9 0,1 4min 0,2 25,7 0,2 4min 0,3 27,4 0,3 4min 0,4 29,8 0,3 4min 0,5 32,6 0,4 4min 0,6 36,5 0,5 4min 0,8 46,1 0,7 4min 1 59,9 0,9 4min 1,2 74,4 1,1 4min 1,4 108 1,4 4min 1,5 135 1,6 4min Tabla 4-2 Datos temperatura-corriente serpentín 200µm Figura 4-3 Comportamiento serpentín 200µm I(A) T(ºC) V(V) t(sg) 0 25,9 0 0 0,1 26,1 0,1 4min 0,3 27,7 0,2 4min 0,5 32 0,3 4min 0,7 38,8 0,4 4min 1 53,6 0,6 4min 44 44 1,3 76,5 0,9 4min 1,6 116 1,1 4min 1,8 151 1,4 4min Tabla 4-3 Datos temperatura-corriente serpentín 250µm Figura 4-4 Comportamiento serpentín 250µm I(A) T(ºC) V(V) t(sg) 0 25,4 0 0 0,2 26,2 0,1 4min 0,5 30,1 0,3 4min 0,9 42,1 0,5 4min 1,3 63,5 0,8 4min 1,7 95,8 1 4min 2,1 155 1,3 4min Tabla 4-4 Datos temperatura-corriente serpentín 300µm Figura 4-5 Comportamiento serpentín 300µm I(A) T(ºC) V(V) t(sg) 0 24,9 0 0 0,31 26,5 0,1 4min 0,62 29,4 0,2 4min 0,9 34,2 0,3 4min 1,2 41,6 0,4 4min 1,5 51,8 0,5 4min 1,8 66,1 0,6 4min 2,1 84,7 0,7 4min 2,4 108 0,8 4min 2,6 130,8 0,9 4min Tabla 4-5 Datos temperatura-corriente serpentín 400µm 52 52 5.2 Fabricación del sistema de actuación 5.2.1 Fabricación de máscaras Una vez finalizado el diseño en L-Edit, acudimos al laboratorio para la realización de las máscaras, donde emplearemos una serie de softwares específicos para realizar la impresión de fotolitos mediante la “Fotoplotter”. El proceso de impresión dura unos 36 minutos, y debe realizarse en luz verde. Figura 5-3 Fotoplotter Para ello seguiremos una serie de pautas bien definidas: 1.) Como sólo queremos imprimir los serpentines, en el programa L-Edit, esconderemos todos los elementos excepto los correspondientes a los serpentines:  Hide all (excepto la capa Poly correspondiente a los calentadores) 2.) Ahora procedemos a exportar la máscara, para ello:  File > Export Mask Data Figura 5-4 Exportar máscara en L-Edit  Export type GDSII Figura 5-5 Exportar como tipo de archivo GDSII  Export Figura 5-6 Proceso de exportación del tipo de archivo  Se crea el archivo prototipo_I.gds Figura 5-7 Archivo .gds creado 3.) A continuación, pasamos a formato gerber y bitmap (FPF): 54 54 Figura 5-8 Conversión de GERBER a FPF  Con el software Linkcad se pasa de GDS a Gerber.  Con Convert Gerber into bitmap, para pasar de formato Gerber a FPF: o Import (buscamos el archivo de extensión .gbr) o En mapa, se ajusta a la esquina superior izquierda o Export (tercer botón):  Seleccionamos Lay_1  Resolution  other: 4064 Dpi  Cambiamos el nombre predeterminado al nombre de nuestro archivo  Save Figura 5-9 Ajuste de resolución 4.) Por último, se procede a la impresión:  Ejecutamos el programa Run_photo_USB: Figura 5-10 Programa Run Photoplotter o File > Open > nombre_del_archivo.FPF o Ok > Play 56 56 o Output settings: resolution 4064x8600 o Deselect Negative option o Plot  comienza la impresión Una vez finalizado el proceso de impresión, se procederá a revelar la máscara. Figura 5-11 Líquido revelador Para ello seguimos unas pautas: 1.) Se deposita la máscara durante 1 minuto en la bandeja con líquido revelador. 2.) Cuando transcurre dicho tiempo, se pasa por agua durante 1 minuto. 3.) A continuación, se deja 1 minuto en el líquido fijador. 4.) Por último, se deja otro minuto en agua. El resultado de la impresión y revelado se observa en la siguiente figura 5-11. Figura 5-12 Impresión y revelado de la máscara. 5.2.2 Proceso de fabricación de PCB Figura 5-13 Alineadora 58 58 Una vez cortada la porción de la plancha de FR-4 de 35 µm de cobre adecuada a la medida de nuestra máscara se procede a limar los bordes, rebaba, pues son zonas problemáticas de cara al proceso de fabricación. A continuación, se procede a quitar el plástico protector de la porción cortada y posicionarla en la alineadora, aparato que podemos apreciar en la figura 5-12, (emisión de luz UV) bajo la máscara que se ha impreso. En este punto, empieza el proceso de insolación. Insolaremos 8 veces durante 20 segundos con un periodo de espera de 10 segundos durante cada. Al completarse esta fase, retiramos la PCB de la alineadora y la sumergimos en una bandeja con sosa cáustica y agua hasta que aparezca el esquema de la máscara, en nuestro caso, hasta que se vean los serpentines. Lo que está ocurriendo en este punto es que dicho producto elimina la resina de la PCB que ha sido insolada en el proceso anterior. Tras ello, lavamos la placa con agua para quitar la sosa cáustica. Ahora comienza la fase de ataque, donde realizamos una mezcla de 120 ml compuesta de: 30 mililitros de peróxido de hidrógeno, 30 mililitros de HCl y 60 mililitros de agua, que depositaremos en una bandeja donde meteremos la PCB. Una vez sumergida la PCB, comenzará a burbujear. Momento en que se está atacando al cobre que no está “protegido” por la resina fotosensible. En este paso, haremos comprobaciones periódicas para que sólo se ataquen las zonas deseadas. Sabremos que hemos terminado cuando esté perfectamente delimitado el cobre protegido con la resina fotosensible de aquella que no, pudiendo ver perfectamente nuestros serpentines. Lavamos nuevamente la placa para eliminar los productos químicos y que el ácido no siga atacando el cobre. Por último, limpiamos la PCB con acetona para eliminar la resina restante de la placa. Figura 5-14 Ácido clorhídrico Figura 5-15 Líquidos revelador y fijador Figura 5-16 Líquido fijador 60 60 Figura 5-17 Peróxido de hidrógeno El proceso de fabricación de la PCB puede resumirse mediante las siguientes ilustraciones: Figura 5-18 Esquema de la PCB de perfil Figura 5-19 Aplicación de la máscara a la PCB Figura 5-20 Exposición de la fotoresistencia Figura 5-21 Desarrollo de la fotoresistencia Figura 5-22 “Etching”: eliminación del cobre restante Figura 5-23 “Stripping”: eliminación del fotolito restante 68 68 Figura 5-32 Pegamento Loctite3922 para la unión de la PCB y el metacrilato Figura 5-33 Máquina de insolación Figura 5-34 Set de rodillos para la deposición del pegamento Figura 5-35 Foto de prototipo I sin líquido dentro 70 70 Figura 5-36 Foto de prototipo II con líquido dentro 6 RESULTADOS EXPERIMENTALES Tras la fabricación del PCB y del metacrilato y el pegado de ambos, se procede a la realización de una serie de pruebas. Cómo se comentó anteriormente, se le aplicarán diferentes corrientes y veremos cómo actúa el circuito, esto es, cuánto líquido es capaz de impulsar. Para llevar a cabo dichas pruebas se deberá preparar el montaje experimental del sistema. Durante la fase de montaje experimental realizaremos los mismos pasos para los dos prototipos: a. Soldar pines con cables b. Conectar a dichos cables un conector banana cocodrilo c. Conexión del conector banana cocodrilo a la fuente de alimentación d. Llenar de tinta con una pipeta (volumen de llenado equivale a la cantidad de tinta a introducir) e. Tapar agujero de entrada con cinta para evitar la salida de la tinta por dicho orificio. El resultado se puede observar en las figuras 6-1 y 6-2. Figura 6-1 Circuito prototipo I preparado para la realización de las pruebas 72 72 Figura 6-2 Circuito prototipo II preparado para la realización de las pruebas Tras tener preparado nuestro circuito, comenzaremos las pruebas experimentales. Se someterá a diferentes corrientes fijando la fuente de alimentación a la tensión máxima limitando así la corriente que se quiere aplicar al calentador. Se deja un tiempo de 10 minutos cada vez que se aumente la intensidad de corriente, de modo que se llegue a un régimen permanente. Figura 6-3 Fuente de alimentación DC Para el cálculo de desplazamiento de volumen experimental, se ha hecho uso de un software calibrador o pie de rey para calcular mediante las fotos mostradas debajo de la tabla 6-1 las distancias recorridas de la muestra líquida a diferentes corrientes. Figura 6-4 Software calibrador Screen Calipers Los datos que resultan de la aplicación de dichas corrientes al prototipo I, están recogidos en la tabla 6-1: I (mA) AVexperimental (µL) 0 0 250 0,508 450 1,6 650 3,85 850 7,1 Tabla 6-1 Datos de intensidad de corriente y su desplazamiento de volumen 74 74 Figura 6-5 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 0 miliamperios Figura 6-6 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 250 miliamperios Figura 6-7 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 850 miliamperios Con estos datos podemos observar cuánto volumen desplaza este circuito al aplicarle diferentes corrientes, para ello lo mostraremos en la figura 6-6: Figura 6-8 Desplazamiento experimental del prototipo I 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0100 200 300 400 500 600 700 800 900 Desplazamiento de volumen (µL) Corriente (mA) Desplazamiento experimental prototipo I 76 76 De la misma forma, se recogen datos que resultan de la aplicación de dichas corrientes al prototipo II, están recogidos en la tabla 6-2: I (mA) AVexperimental (µL) 0 0 330 3,29 400 5,69 650 20,46 700 24,55 810 34,55 900 44,26 Tabla 6-2 Datos de intensidad de corriente y su desplazamiento de volumen Figura 6-9 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 0 miliamperios Figura 6-10 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 330 miliamperios Figura 6-11 Desplazamiento de volumen del prototipo I para una corriente de 700 miliamperios 84 84 7 CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS El objetivo principal del proyecto fue el diseño y la fabricación de un actuador térmico para el control de muestras líquidas. Como objetivo secundario, queríamos que nuestro actuador cumpliese con unas determinadas prestaciones:  Bajo coste: este objetivo se satisface empleando los materiales como FR4 y metacrilato, pues no son caros en comparación a otros como Silicio o Vidrio. Y uso de cobre para la fabricación del serpentín en vez de oro o cromo.  Fácil fabricación: para ello, se usa la técnica de wet etching, técnica típica estándar empleadas en la fabricación de PCB, y procesado termoplástico, mediante el uso de una fresadora CNC.  Impulsión de uno o varios líquidos a la vez: como se puede ver en el prototipo I se consigue la impulsión de un solo líquido y del prototipo II la doble impulsión de líquido.  Volúmenes del orden de los µL: como se puede ver en el prototipo I se consigue una impulsión de 7,38 µL y en el prototipo II una impulsión de 20,96 µL.  Sin necesidad de uso de válvula para el control del líquido: como se ha visto no hacemos uso de un actuador (válvula) para el control de líquido, sino que hemos sido capaces de controlarlo sin necesidad de usarla. Los objetivos se han conseguido como se ha observado a lo largo de los capítulos anteriores. Como resultado tenemos nuestro actuador térmico caracterizado con los puntos mencionados anteriormente. Por último, de cara al futuro existen diversos aspectos que podríamos añadir a nuestro actuador:  Los prototipos que se han hecho se pueden ampliar a un número de cámaras mayor o para la impulsión de más de dos líquidos.  Cambiando la técnica de fabricación y usando una máquina de Hot Embossing en vez de la fresadora, de esta forma, el proceso de fabricación se puede considerar industrial.  Con un solo escalón de corriente nuestro circuito actúe sólo, de manera de sería más rápido y sencillo de usar. Mejorando así el control de temperatura y por tanto dotando de mayor velocidad al desplazamiento de volumen.  Inclusión de una válvula, aportando rapidez a nuestro sistema. Debido que cada vez que le aplicábamos un incremento de corriente a nuestro actuador, el tiempo en que llegaba al régimen permanente era de 10 minutos 86 86 REFERENCIAS [1] Y. Lim, A. Kouzani y W. 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