В.А. Колясников, канд. техн. наук, Т.Я. Рахимбабаев,
РНЦ "Курчатовский институт", Курчатовский источник синхротронного излучения
МИКРОЖИДКОСТНЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ РЕАЛИЗАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ LIGA-ТЕХНОЛОГИИ
|
Рассматриваются микрожидкостные системы – миниатюрные устройства, предназначенные для проведения различных химических и физических процессов с малыми объемами жидкостей и газов. Дан анализ их преимуществ и недостатков, а также определены основные сферы их применения. В заключение приводится несколько примеров реализации микрожидкостных устройств, изготовленных с использованием LIGA- технологии |
Примеры реализации микрожидкостных
систем
Введение
За последние 20 лет был достигнут значительный прогресс в области миниатюризации различных механических структур. Эта тенденция привела к развитию существующих и появлению новых технологий. Первоначально эти технологии являлись развитием процессов, применявшихся в микроэлектронике. Со временем, вобрав в себя ноу-хау микроэлектроники, точной механики и ряда других специфических технологий (таких как, например, LIGA), сформировалась совокупность технологических процессов, дающих возможность изготавливать различные элементы микромеханических устройств. Эта совокупность получила название микросистемной технологии. На основе таких процессов в настоящее время производится широкий спектр миниатюрных устройств различного применения с размерами элементов от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Такие устройства с элементами механики, включающие сенсоры, исполнительные элементы и источники энергии (часто с интегрированной системой управления) получили название микромеханических систем (устройств).
Микромеханические системы уже давно вышли из стен лабораторий и их можно встретить во всех сферах человеческой жизни. Области применения микросистем охватывают вычислительную технику и телекоммуникации, биологию, медицину, химию, мониторинг окружающей среды, автомобилестроение, космические исследования, авиационные технологии и др. В настоящее время на рынке микромеханических устройств обращается по разным оценкам от 3 до 12 млрд долл. в год и в ближайшие несколько лет ожидается рост объема инвестиций в несколько раз. Лидерами на рынке являются такие компании, как Analog Devices, EG&G, Lucas NovaSensor, Honeywell, Motorola, Redwood Microsystems, Texas Instruments, Sandia National Laboratories и др. Существует несколько факторов, сдерживающих стремительный рост применения микросистемной технологии. Во-первых, это отсутствие информации у потенциального потребителя о возможностях, предоставляемых данной технологией и ее доступности, что заставляет инженеров и разработчиков выбирать иногда более дорогие и менее надежные решения. Во-вторых, это разрыв между исследовательской, конструкторской разработкой микроизделия и его внедрением и массовым производством. На решение этих проблем за рубежом тратится много усилий. Поддержка развития микросистемной технологии за рубежом осуществляется на самом высоком уровне: в США это – NSF (National Science Foundation), APRA (Advanced Project Research Agency), NASA, национальные лаборатории США; в Европе наряду с национальными программами существуют проекты ЕС – NEXUS, MUST, распространение знаний в данной области ведется через Europractice, существуют десятки более мелких проектов; в Японии поддержка осуществляется непосредственно Министерством международной торговли и индустрии.
В чем же привлекательность микроустройств в целом? Рассмотрим наиболее общие преимущества микроизделий перед своими аналогами, изготовленными по обычной технологии.
1. Снижение цены конечного изделия. Цена микроизделий, как правило, существенно ниже цены макроаналогов при сохранении или улучшении основных характеристик. Цена датчика ускорения для подушки безопасности автомобиля уменьшилась более чем в три раза, с началом поставок микроустройств.
2. Повышение надежности и повторяемости характеристик для микроприборов. Микросистемные технологии изначально обладают высочайшими стандартами качества и хорошим потенциалом для массового производства.
3. Миниатюрность приборов резко расширяет зону применимости микроприборов, что в совокупности с низкой ценой и высокой надежностью позволяет осуществлять полный контроль и управление различными сложными системами. В современных автомобилях интегрировано более десятка различных микроустройств (таких как сенсоры ускорения для подушек безопасности; датчики, регистрирующие угловую скорость вращения колеса для антиблокировочной и антипробуксовочной систем, и др. В 1998 г. более 80% автомобилей в Европе были оборудованы подушками безопасности), что позволило вывести их на новый уровень безопасности и эргономики. Таким образом, использование микроустройств позволяет получить новые качества в привычных продуктах. Существуют области деятельности, где миниатюрность, а также высокая точность являются абсолютно необходимым условием для решения определенного класса задач. Примером могут служить малоразрушающая хирургия, транспланталогия и искусственные органы, оптоволоконные соединители, высокочастотные резонаторы для мобильной связи и др. Важнейшим следствием миниатюрности и совершенства конструкции микросистем является также снижение энергопотребления.
4. Мобильность микроприборов имеет решающее значение во многих областях, таких как медицина, химия, аэрокосмическая промышленность, авиастроение и др. Современные микроаналитические системы для экспресс-анализа, приборы для коррекции слуха, микродозаторы для лекарств являются прекрасными примерами значительного прогресса в этом направлении, достигнутого с помощью микросистем. Другими словами, микросистемы переводят традиционные методы диагностики и измерений в разряд оперативных.
5. Уменьшение размеров и массы прибора имеет и другой аспект: подобные механические устройства обладают меньшей инерционностью и более высокими рабочими частотами. Это позволяет строить более эффективные системы управления и контроля, достигать высоких показателей производительности. Примером является высочайшая производительность современных струйных принтеров, печатающие головки для которых изготовлены с использованием микросистемной технологии.
6. Одним из важнейших направлений развития микросистем является дальнейшая интеграция схем управления и обработки данных в само микроустройство, что, наряду с надежностью, также повышает управляемость сложных систем. Кроме того, такие "разумные" приборы могут осуществлять самодиагностику и автокалибровку, что также повышает качество конечного продукта.
Наряду с этими общими соображениями в каждой конкретной области приложения микросистем существуют свои специфические преимущества и особенности применения.
Суммируя вышесказанное, можно отметить, что микросистемы, обладая рядом уникальных характеристик, способны в корне изменить окружающую нас действительность, делая нашу жизнь более удобной и безопасной микроустройства, заменяя существующие, часто привносят новое качество в привычные вещи. Ожидается, что микротехнология даст мощный толчок технологическому развитию и сформирует условия для появления новой волны технологических инноваций.
Микрожидкостные системы
Номенклатура производимых в настоящее время микроустройств
весьма разнородна (рис. 1). Влияние на формирование ситуации на рынке микросистем
оказывают не только рыночные и технологические факторы, но и исторически сложившиеся
предпочтения. Так, на рынке США подавляющее большинство компаний производят микрокомпоненты
на базе технологий микроэлектроники, в то время как европейские и японские фирмы
в большей степени тяготеют к альтернативным технологиям, таким как LIGA, точная
механика, различные варианты лазерной технологии. Исторически развитие микромеханических
систем началось в автомобилестроении. И по сей день это один из основных потребителей
микроустройств. Поэтому сейчас значительную долю рынка микросистем составляют
датчики ускорения и давления, которые позднее стали применяться в аэрокосмической
промышленности, робототехнике и других областях. В автомобилестроении эти датчики
используются в системах безопасности автомобиля (упоминавшиеся подушки безопасности,
АБС и антипробуксовочные системы), элементах активной подвески (например, в Sitroen
Xantia), системах контроля давления рабочей смеси и ее дозировки, датчиках давления
шин и др.
|
|
| Рис.
1. Доля от общего объема продаж различных типов микроустройствв 1996 г. |
Быстроразвивающейся нишей рынка являются оптические системы. Примерами могут служить коннекторы для оптоволокон, прогрессивные технологии для компьютерных дисплеев, оптические спектрометры для различных применений и др.
И, наконец, одну из самых значительных и перспективных ниш на рынке микроустройств занимают микрожидкостные системы, на которых мы подробно остановимся, рассмотрим их специфику и несколько примеров конкретных микрожидкостных устройств.
Микрожидкостные системы являются важнейшей областью приложения микросистемной технологии. По данным корпорации System planning доля микрожидкостных устройств в общем объеме продаж микросистем в 1996 г. составляла 19%. В 2003 г. по прогнозу доля подобных устройств резко вырастет и достигнет 39%. При этом оборот в абсолютном выражении в этом секторе вырастет в 7-10 раз и на 2003 г. составит 4,5 млрд долл. Если учесть, что часть датчиков давления тоже может быть отнесена к микрожидкостным системам, то результат будет еще более впечатляющим.
Под термином микрожидкостная система мы будем понимать миниатюрное устройство, изготовленное на основе микросистемной технологии и предназначенное для проведения различных химических и физических процессов с малыми объемами жидких реагентов. В иностранной литературе к таким системам относят также микроустройства, оперирующие с газами. При этом типичные размеры элементов микрожидкостной системы составляют от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, а типичные потоки жидкости – от нескольких микролитров до десятков миллилитров в минуту.
Рассмотрим основные преимущества микрожидкостных систем перед их традиционными аналогами, специфичные для данной области микротехнологии.
1. Микрожидкостные системы отличают очень малые времена отклика. Этот факт позволяет, например, быстро выводить продукт за зону реакции или изменять условия ее протекания (в частности, осуществлять быстрое, интенсивное охлаждение или нагрев, прерывать каталитические реакции и т.п.). Примером точного контроля над потоками жидкости могут служить печатающие головки современных струйных принтеров. Так, в головках принтеров фирмы Hewlett Packard объем элементарной порции красителя составляет около 10 пиколитров. В подобных устройствах фирмы Epson точное формирование рабочей капли осуществляется созданием разряжения в области сопла после выброса капли красителя, и все это при высочайшей скорости работы.
2. Крайне низкие значения мертвых объемов, что позволяет избегать потери в потоках реагентов и продуктов реакции. Это важно для работы с опасными или очень дорогими реагентами и позволяет получать точно определенное количество конечного продукта. Помимо малого количества отходов при химическом производстве, подобный подход позволяет получать продукты очень высокой степени чистоты. Иллюстрацией могут служить устройства для получения микропорций медицинских препаратов, а также для их точного дозирования. Возможность использования очень малых объемов реагентов для реакции очень важна (в частности, для различных анализаторов, где объем проб может быть ограничен) и, к тому же, это позволяет минимизировать расход индикаторных веществ, что кроме очевидных преимуществ сокращает время анализа. Примером реализации данной черты является быстрорастущий класс микроаналитических систем для различных видов анализа.
3. Высокие значения отношения площади поверхности к объему жидкости, благодаря чему можно, во-первых, очень эффективно смешивать жидкие реагенты или обеспечивать большую площадь реакции с реагентом (катализатором) в твердом состоянии, во-вторых, улучшать теплопередачу для нагревания или охлаждения жидкости. Таким образом, появляется возможность эффективно контролировать температурный режим реакции, в частности, проводить реакции с большим тепловыделением.
4. Переход к массовому химико-технологическому производству в случае микрожидкостных систем осуществляется посредством простого умножения числа микрореакторов, в отличие от макросистем, где, во-первых, переход от лабораторного к промышленному производству нередко вызывает сложнейшие технологические проблемы и, кроме того, надежность и безопасность производства иногда являются серьезной проблемой. Таким образом, в перспективе микрожидкостные системы позволяют сократить срок внедрения того или иного промышленного химического процесса, так как отпадает необходимость в дополнительной разработке совершенно нового технологического процесса, каким часто является крупномасштабное химическое производство, повысить общую надежность и устойчивость процесса (в случае выхода из строя одного из многих параллельных микрореакторов их можно заменить, не прерывая всего технологического цикла) и, наконец, повысить безопасность производства (аварии даже нескольких микрореакторов не являются критическими, вследствие малого объема задействованных реагентов). Дополнительным плюсом является снижение капитальных затрат на налаживание производства, ведь при массовом выпуске микрокомпоненты должны обладать низкой стоимостью.
Сложности, стоящие на пути продвижения микрожидкостных систем (наряду с общими для всех микромеханических систем), имеют также и специфические черты. Так, существенное уменьшение размеров микрожидкостных систем приводит не только к количественным, но и качественным изменениям. Это вызывает трудности с моделированием как механических (работа микронасосов и клапанов), так и химических микропроцессов. В настоящее время появились первые специализированные и адаптированные версии компьютерных программ, направленных на решение подобных инженерных и расчетных задач. Использование датчиков в таких системах затрудняется тем, что возникают проблемы с очисткой их поверхности, а это особенно критично для микродатчиков. Кроме того, необходимо защитить сенсоры от вредного воздействия окружающей среды (пыли, агрессивных компонентов и т.д.). При этом стоимость упаковки для микрожидкостных систем составляет до 75% их стоимости из-за специфичности конструкции для каждого конкретного устройства. Имеет место также проблема создания универсальных методик тестирования.
Среди основных элементов микрожидкостных систем принято выделять микронасосы, клапаны (активные и пассивные) и вспомогательные элементы, такие как смесители, элементы ввода и вывода, теплообменники, каналы, датчики и др. В настоящее время в стадии разработки находится большое число насосов и клапанов различных конструкций и принципов действия, с движущимися механическими частями и без них.
|
|
| Рис. 2. Конструкция микронасоса Institut fur Mikrostriikturtechnik, Carlsruhe |
Наиболее распространенная конструкция микронасоса включает в себя входной и выходной клапаны и рабочий объем с мембраной, приводимой в действие актуаторами с различными принципами действия. По принципу действия актуатора среди таких насосов различают электростатические, пьезоэлектрические, электромагнитные, биметаллические, пневматические, термические и др. На рис. 2 представлена типичная конструкция микронасоса термопневматического принципа действия, изготовленного с использованием LIGA-технологии. Конструкция содержит входной и выходной клапаны, пропускающие поток в одном направлении, и титановый нагревательный элемент с расширительным объемом. Насос имеет производительность до 80 мл/мин. Кроме устройств мембранного типа широко используются насосы шестереночного типа (см. рис. 12). Из насосов с немеханическим принципом действия наиболее хорошо разработаны приборы с ультразвуковыми, электроосмотическими и электрогидродинамическими актуаторами. Активные клапаны имеют сходные с насосами конструкции и принципы действия. На рис. 3 представлена схема конструкции и фотография активного клапана, производимого компанией Redwood Microsystems на основе кремниевой технологии.
|
|
|
Рис.
3. Активный клапан фирмы |
Примеры приложения микрожидкостных систем весьма разнообразны. Исторически одним из первых устройств, содержащих микрожидкостные элементы, являлись головки для струйных принтеров. Головки для струйных принтеров представляют собой сложные устройства с соплами диаметром около 5 мкм, с различными типами насосов для выброса красителя (термовозгонка используется в головках фирмы Hewlett Packard, пьзонасосы использует фирма Epson). Co временем удалось резко снизить стоимость головки настолько, что сейчас, заменяя картридж в принтерах Hewlett Packard, мы заменяем и всю печатающую головку. Таким образом, этот продукт переходит в разряд массового и эта ниша рынка оценивается в 1,5 млрд долл. в год.
Вторым по распространенности типом микрожидкостных систем являются в настоящее время устройства для измерения и регуляции потоков жидкости и газов (рис. 4). К области их применения относится автомобилестроение, где используются датчики давления для определения момента впуска, сопла для топливоподачи, контроль параметров масла и охлаждающей жидкости, давления в шинах.
Дальнейшим развитием подобных систем являются так называемые микроаналитические системы, которые содержат микронасосы, клапаны и анализирующие датчики. Эти системы используются для оперативного анализа различных образцов (рис. 5). Устройства, работая с малым количеством реагентов, имеют высокие скорости анализа и малое энергопотребление, обладают высочайшим потенциалом для различных применений. Основной сферой приложения этих устройств являются, прежде всего, медицина и мониторинг окружающей среды. Нельзя не упомянуть приборы медицинского применения, предназначенные для дозирования и введения лекарств, например, устройство для введения инсулина при лечении диабета или специальные мелкодисперсные распылители для аэрозольных лекарств (рис. 6). В последнее время большая работа ведется в области разработки и внедрения большого класса микроустройств – теплообменников (рис. 7), испарителей жидкости (например горючего для автомобилей) или газовых абсорбентов, имеющих значительно более высокую эффективность по сравнению с макроаналогами.
|
|
|
|
Рис. 4. Регулятор потоков жидкости Flowistor Redwood Microsystems |
Рис. 5. Пример микроаналитической |
|
|
|
| Рис. 6. Ингалятор с пьезонасосом (SANLAB, Швейцария) |
Рис. 7. Микроканальный теплообменник |
Разработки в области микрожидкостных систем имеют впечатляющие достижения. Если 3-4 года назад, за редкими исключениями, о прототипах этих систем говорилось как о перспективных разработках, то сегодня ситуация изменилась. В последнее время большое число отдельных компонентов микросистем, таких как насосы различных конструкций, микросмесители, сенсоры, хорошо проработанных в технологическом плане в лабораториях, в ближайшее время могут быть реализованы в коммерческих интегрированных микроустройствах Такие устройства представляют собой функционально законченный блок, выполняющий все необходимые функции Создание интегрированных устройств является одной из основных тенденций развития микрожидкостной техники. Другой характерной особенностью, проявившейся в последнее время, стал тот факт, что движущей силой в развитии микрожидкостных систем становятся не технологи и изготовители микросистемной техники, а ее потенциальные потребители и, наконец, все более сильная конкуренция со стороны не кремниевых технологий приводит к появлению на рынке большого числа разработок, выполненных на основе альтернативных технологий (LIGA, лазерная LIGA, точная механика, волоконные технологии и др.) LIGA – от немецкого Lithographic, Galvanoformung und Abformung – является перспективным, быстроразвивающимся технологическим процессом с высоким потенциалом для массового производства Эта технология включает в себя несколько ступеней, представленных на рис 8:
|
|
| Рис. 8. Последовательность технологических этапов LIGA-технологии |
· глубокую литографию, которая посредством облучения через маску, например синхротронным излучением, формирует изображение на резисте толщиной до нескольких миллиметров, с последующим травлением,
· электродепозицию, когда протравленные на резисте структуры заполняются металлом. Полученный металлический образец, может быть использован как конечное изделие, а может служить в качестве штампа,
· штамповку или литье под давлением. При этом выбор материала для конечного продукта довольно широк.
LIGA технология обладает рядом существенных преимуществ перед альтернативными технологическими процессами и, прежде всего, кремниевой технологией микроэлектроники, применительно к производству микрожидкостных систем. Это, во-первых, широкий выбор материалов, что может быть крайне важно для работы с агрессивными средами, высокими температурами и, наконец, позволит подобрать материал с необходимыми в каждом конкретном случае параметрами (жесткостью, теплопроводностью, биосовместимостью и т.д.) Кроме того, LIGA-технология позволяет получать структуры с высоким аспектным отношением, т.е. отношением высоты структуры к ее поперечным размерам Дня планарных технологий увеличение высоты структур является практически единственным способом еще больше увеличить поверхность интерфейса различных реагентов или площадь контакта с обслуживающими структурами, повышая эффективность смешивания или теплового контакта. Наконец, LIGA-технология позволяет получать структуры из прозрачного материала с очень высоким качеством поверхности, что дает возможность легко интегрировать оптические элементы, которые широко применяются, например, для анализа веществ в микроаналитических системах.
Примеры реализации микрожидкостных систем
|
|
| Рис. 9. Пример реализации массива микросмесителей (Institute for Mikrotechnik, Mainz) |
Приведем несколько примеров микроструктур, изготовленных с применением LIGA-технологии. На рис 9 показан массив смесителей, полный размер каждого из которых не превышает 3 мм. Массив содержит 360 микроканалов на площади пятирублевой монеты. При этом характерные размеры канала могут быть от 30 до 200 мкм. Параллельная архитектура позволяет достичь довольно высокой производительности (до 5 л в час при давлении 0,12 МПа). Так как массив изготовлен по LIGA-технологии, то в зависимости от требований заказчика можно изготавливать подобный массив из различных материалов (пластиков, керамики, металлов).
|
|
|
Рис. 10. Теплообменник |
На рис. 10 представлен пример теплообменника, изготовленного Sandia National Lab по заказу Lockheed Martin. Структуры получены с помощью глубокой рентгеновской литографии с последующей электродепозицией меди Полный размер теплообменника составляет 43,18´58,44 мм, характерный размер структур достигает 23 мкм Конструкция после сборки является вакуумно-плотной Прибор демонстрирует такие преимущества LIGA-технологии, как оптимальный выбор материала (в данном случае была выбрана медь, как отвечающая требованиям вакуумной технологии и обладающая высокой теплопроводностью) и высокое аспектное отношение, увеличивающее площадь теплового контакта.
|
|
| Рис.
11. Микронасос |
Институт микротехнологии (г. Майнц) разработал мембранный насос (рис. 11), при изготовлении которого был использован широкий спектр микросистемных технологий (LIGA, тонкопленочная технология, пластиковая микроштамповка и др.). Производительность насоса может контролироваться с высокой точностью и достигает 300 мл/мин. Материал, из которого он изготовлен, может обладать биологической совместимостью. Насос работает в импульсном режиме и имеет значительный ресурс (109 циклов). Еще одним преимуществом этой конструкции является его способность к самозаполнению (создаваемое разряжение 350 гПа).
|
|
|
Рис.
12. Шестереночный насос |
Насос другого типа – шестереночный – представлен на рис. 12 Он также изготовлен с применением LIGA-технологии. В качестве актуатора используется серийный двигатель с диаметром 3 мм Конструкция может работать с высоковязкими жидкостями. Насос также самозаполняемый, с максимальной производительностью 2,5 мл/мин.
В
заключение хочется отметить, что микросистемная техника уже доказала свою значимость.
В ближайшие несколько лет ожидается резкий рост инвестиций в данную область. При
этом микрожидкостные устройства занимают значительную и одну из самых перспективных
ниш на рынке микроприборов Они обладают высочайшим потенциалом и способны внести
революционный вклад в развитие таких направлений науки и техники как, медицина,
автомобилестроение, авиационная и космическая промышленность, химическое производство
и др.