Микрофлюидный сенсор потока с применением технологии "кремний-на-стекле" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Рыжков Виталий Витальевич

• Рыжков Виталий Витальевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Рыжков Виталий Витальевич

Введение

Глава 1. Анализ современного уровня технологий изготовления микросенсоров потока жидкости

1.1. Нетепловые сенсоры потока

1.1.1. Кориолисовые сенсоры потока

1.1.2. Сенсоры потока дифференциального давления

1.1.3. Кантилеверные сенсоры потока

1.2. Тепловые сенсоры потока

1.2.1. Физические основы работы тепловых сенсоров потока

1.2.2. Технологии изготовления микрофлюидных чипов с интегрированными сенсорами

1.2.3. Мягкая литография для прототипирования микрофлюидных сенсоров потока

1.2.4. Технологии МЭМС для серийного изготовления микрофлюидного теплового сенсора потока

Глава 2. Проектирование конструкции микрофлюидного теплового сенсора потока на основе вычислительной модели

2.1. Ключевые характеристики микрофлюидного сенсора потока

2.2. Численное моделирование и оптимизация конструкции микрофлюидного теплового сенсора потока

2.2.1. Постановка задачи

2.2.2. Требования к разностной схеме

2.2.3. Определение области моделирования

2.2.4. Выбор граничных условий и дискретизация пространства

2.2.5. Результаты численного моделирования

2.3. Конструкция чипа микрофлюидного сенсора потока

2.3.1. Область измерения потока

2.3.2. Топология чувствительных элементов

Глава 3. Технология «кремний-на-стекле» для изготовления кремниевых микрофлюидных чипов с сенсорами потока

3.1. Маршрутный технологический процесс изготовления микрофлюидного сенсора потока

3.2. Очистка подложек

3.3. Лазерная литография топологии каналов

3.4. Плазмохимическое травление

3.4.1. Формирование ступенчатой маски SiO2

3.4.2. Глубокое реактивное ионное травление кремния

3.5. Анодный бондинг

3.6. Взрывная литография термосенсоров

3.7. Стабилизация чувствительных элементов

3.8. Сборка и корпусировка

Глава 4. Экспериментальное исследование характеристик микрофлюидного теплового сенсора потока

4.1. Экспериментальный стенд

4.2. Методика калибровки микрофлюидного сенсора потока

4.3. Автоматизация эксперимента и обработка данных

Стр.

4.4. Характеристики микрофлюидного теплового сенсора потока

Выводы и заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение

Микрофлюидные системы широко применяются в различных типах приборов нового поколения, включая микрореакторы, хроматографические колонны, для высокоэффективного охлаждения микросхем. Но наибольших потенциал применения такие системы имеют в биологии и медицине. Так, возможностей современных аналитических приборов становится недостаточно в условиях стареющего населения планеты и многочисленных инфекционных вспышек, каждая из которых несёт потенциальную опасность новой пандемии и требует оперативного выявления патогена на месте вспышки. Решением проблемы станут портативные аналитические системы на основе микрофлюидных чипов полного анализа (лаборатории-на-чипе, ЛНЧ), способные проводить сложные медицинские анализы у постели больного за минуты вместо часов. В настоящее время серьёзные усилия научных групп по всему миру сосредоточены на создании таких систем. Разработки ведутся как в исследованиях частных компаний (Siemens Healthcare, Abbott, Roche Diagnostics, Thermo Fisher Scientific, Fluidigm, bioMerieux SA и др.), так и в рамках государственных программ развития (РНФ-Россия, NSF-США, JSPS-Япония, DFG-Германия и др.).

Основа ЛНЧ - набор интегральных сенсоров физических и химических параметров на чипе, а также актюаторов для реализации клапанов, управления потоками жидкости в микроканалах, сепарации пробы и др. Важнейшим элементом ЛНЧ является сенсор потока, позволяющий измерять скорость потока на чипе в микро- и нанолитровом диапазоне, прецизионно дозировать жидкие реагенты и пробу, что является критической операцией, влияющей на точность анализа.

Технологии микроэлектроники позволяют реализовать элементы ЛНЧ, причём наибольший интерес представляет кремниевая микрофлюидика. Наряду с возможностями формирования субмикрометровых структур, интеграции сенсоров и масштабируемого производства, использование

кремниевых технологий позволяет предельно миниатюризировать чип и снизить стоимость конечного устройства. Несмотря на многообразие типов измерителей потока (основанные на эффектах перепада давлений, Кориолиса, объёмные расходомеры, магнитные, турбинные и ультразвуковые), для интегрального применения в рамках биосовместимых лабораторий-на-чипе, изготовленных с помощью технологий микроэлектроники и МЭМС, возможно использование лишь тепловых сенсоров потока.

Первый микросенсор потока на кремниевой технологии -термоанемометр представлен в 1974 г ван Питтеном и Миддельхуком. Затем в 1990 годах на фоне развития технологий МЭМС начался взрывной рост микрофлюидики, и обозначился тренд на интеграцию насосов, клапанов и сенсоров потока на чип с микроканалами, что видно по работам К. Петерсена, Т.С. Ламмеринка и др. Общая особенность большинства сенсоров потока, описанных к настоящему моменту в литературе - чувствительные элементы, размещённые на мембране в контакте с потоком жидкости. Такая конструкция не позволяет использовать большие давления для управления потоком из-за хрупкости мембран, а близкий контакт с жидкостью ограничивает применение таких сенсоров в реальных биологических задачах, где необходимо работать с коррозионно-активными биологическими жидкостями и реагентами. Одно из возможных решений этих проблем -изолированные от жидкости чувствительные элементы. Решение реализовано в 2000 г, когда на рынке появился коммерческий сенсор, наиболее широко применяемый в микрофлюидике до сих пор (Бештои, Швейцария). Сенсор изготовлен в виде самостоятельного прибора по КМОП технологии с микросхемой для обработки сигнала на чипе и нитридной мембраной, на которой сформированы термопары из легированного кремния. Тем не менее, данные сенсоры не имеют встроенного микроканала и не могут быть использованы для ЛНЧ - измерение потока происходит в трубке, к которой снаружи прикреплён мембранный сенсор потока. Кроме того, для подключения внешнего сенсора потока к ЛНЧ требуются подводящие трубки, добавляющие мёртвый объём, в десятки раз превышающий объём ЛНЧ.

Очевидно, что существующие тепловые сенсоры потока во многом схожи по конструкции и не обеспечивают характеристики, необходимые для контроля потоков биологических жидкостей на кремниевом микрофлюидном чипе ЛНЧ.

Таким образом, создание микрофлюидного теплового сенсора потока (МТСП), интегрированного в биосовместимый микрофлюидный чип, с изолированными от жидкости чувствительными элементами, имеет высокую исследовательскую и практическую ценность, а разработка конструкции и технологии МТСП является актуальной научно-технологической задачей.

Целью работы является создание конструкции и технологии изготовления микрофлюидного теплового сенсора потока, интегрированного в биосовместимый микрофлюидный чип, для устройств кремниевой микрофлюидики.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ современного состояния методов создания микрофлюидных сенсоров потока, применяемых технологических процессов, материалов, а также методов уменьшения погрешности измерений тепловых сенсоров потока.

2. Разработана численную модель процессов тепломассопереноса в микрофлюидном тепловом сенсоре потока (МТСП) и сформированы правила проектирования конструкции МТСП для уменьшения погрешности прибора.

3. Разработан технологический процесс изготовления МТСП с использованием двухступенчатого реактивного ионного травления микроканалов и сквозных отверстий в кремнии для увеличения надежности прибора (наработка до отказа).

4. Экспериментально исследовано влияние технологических режимов электронно-лучевого напыления и температурной стабилизации на сопротивление тонкоплёночных термосенсоров.

Созданы метод и средства для автоматизированного экспериментального исследования ключевых рабочих характеристик и градуировки МТСП.

Научная новизна работы:

1. Впервые предложена конструкция сенсора потока, отличающаяся расположением чувствительных элементов, позволяющих интегрировать МТСП в кремниевый микрофлюидный чип и осуществлять контроль потоков без увеличения мёртвого объёма системы.

2. Предложен новый технологический процесс изготовления микрофлюидных чипов на стеке кремний-стекло, отличающийся тем, что микроканалы и сквозные отверстия сформированы в кремнии, а тепловые сенсоры изолированы от жидкости на внешней стороне стекла, что позволяет изготавливать кремниевые микрофлюидные чипы МТСП, устойчивыми к агрессивным жидкостям, без операций травления стекла и изготовления мембран.

3. Впервые предложен и апробирован аппаратно-программный комплекс автоматизированной градуировки МТСП, отличающийся алгоритмами фильтрации для выделения данных, соответствующих участкам с постоянным потоком и кластеризацией измерений, полученных при одинаковых значениях потока во всех проходах по рабочему диапазону в каждом эксперименте; программа позволяет получать градуировочную кривую в виде коэффициентов полинома 5 степени, а также набор графиков для паспорта изделия с ключевыми характеристиками МТСП за 15 минут вместо 3 часов.

Практическая значимость и результаты внедрения

Предложенные в диссертации стенд калибровки, методы, алгоритмы и модели, направленные на улучшение характеристик МТСП, внедрены в рамках программы совместных исследований и разработок ФГУП ВНИИА и МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Изготовленные с применением технологии «кремний-на-стекле» чипы внедрены в НИР по изучению процессов фильтрации вязких жидкостей внутри пористой среды и выбору оптимальных агентов вытеснения для увеличения нефтеотдачи компании ООО «Лабадванс» (резидент Технопарка «Сколково»).

Полученные математические модели, методики и комплекс модельных исследований МТСП использованы в учебном процессе кафедры «Проектирование и технология производства электронной аппаратуры» МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Экспериментально подтверждено существенное снижение погрешности измерений (в >10 раз) и времени наработки до отказа (в >10 раз) от первой к последней модификации сенсоров. Продемонстрированные рабочие характеристики прибора превышают либо соответствуют мировому уровню коммерческих устройств теплового измерения малых потоков. При этом данные характеристики получены для интегрального сенсора потока, в отличие от коммерческих аналогов, выполненных в качестве отдельных устройств.

Основной практической ценностью работы является возможность прецизионного контроля потоков в лаборатории-на-чипе без увеличения объёма гидродинамической системы, вследствие интеграции представленного сенсора потока на микрофлюидный чип по предложенной в работе технологии.

Методы исследования

Для оптимизации конструкции сенсоров потока использовано численное моделирование методом конечных элементов. Для оценки качества технологического процесса использованы методы оптической и сканирующей электронной микроскопии для оценки чистоты поверхности и измерения размеров структур. Измерения сопротивлений и температурных ко э фф иц ие нто в с о пр отив ле ния те пло в ы х с е нс о р о в пр о в еде ны четырёхзондовым и двухзондовым методами в сухоблочном термостате. Толщина напыляемого материала измерена методом стилусной профилометрии. Для характеризации МТСП реализован экспериментальный стенд, для которого разработано ПО с использованием методов высокоуровневого графического программирования. В алгоритмах обработки данных применены методы математической статистики.

Достоверность полученных научных результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы подтверждена экспериментально в ходе выполнения программы совместных исследований МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП ВНИИА. Измерения и расчеты, представленные в работе, выполнены с помощью современного поверенного измерительного оборудования и по стандартизованным методикам.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Математическая модель процессов тепломассопереноса в микрофлюидном чипе, позволяющая определить расстояние между тепловыми чувствительными элементами для измерения потоков жидкости в диапазоне 2-30 мкл/мин с относительной погрешностью <5% от измеренного значения.

2. Конструкция теплового сенсора потока с расположением чувствительных элементов (ЧЭ) снаружи микроканала, обеспечивающая защиту ЧЭ от воздействия коррозионно-активной жидкости, что позволяет более, чем в 100 раз увеличить время наработки до отказа при измерении потока деионизированной воды.

3. Способ изготовления микрофлюидных чипов на стеке кремний-стекло с использованием методов глубокого реактивного ионного травления кремния через ступенчатую оксидную маску и взрывной литографии, с калориметрическими чувствительными элементами, расположенными на расстоянии 200-600 мкм от нагревателя, аспектным соотношением канала в диапазоне 0,1-0,3, позволяющий реализовать измерение потока воды на микрофлюидном чипе без увеличения мёртвого объёма системы в диапазоне 2-30 мкл/мин с относительной погрешностью <5% от измеренного значения.

4. Методика автоматизированной градуировки тепловых сенсоров потока, построенная на обработке сигнала с эталонного и экспериментального сенсоров потока, подключенных последовательно в одну гидродинамическую цепь, обеспечивающая фильтрацию, отображение данных в реальном времени, постобработку исходных данных, сохранение градуировочной кривой без участия оператора на каждом этапе и позволяющая использовать алгоритм для стандартизированной градуировки МТСП, исключив

субъективную погрешность измерений и снизив время градуировки с 3 часов до 15 минут.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микрофлюидный сенсор потока с применением технологии "кремний-на-стекле"»

Апробация работы

Результаты работы докладывались на международной конференции Single-Molecule Sensors and NanoSystems International Conference - S3IC 2019 (3-5 апреля 2019, Германия, Мюнхен), двух Международных конгрессах «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (25-27 февраля 2019 и 28-30 октября 2020, Россия, Москва), I Всероссийском конгрессе «Академия лабораторной медицины: новейшие достижения» (27 мая 2021, Россия, Москва), Фестивале науки и технологий «Техносреда» (25-26 сентября 2021, Россия, Москва), Российском диагностическом саммите (19-21 октября 2021, Россия, Москва), двух Российских Форумах «Микроэлектроника» (2-8 октября 2022 и 9-14 октября 2023, Россия, Сочи), трех конференциях «АналитБиоПрибор» (8-9 декабря 2022, 23-24 ноября 2023, 14-15 ноября 2024, Россия, Санкт-Петербург), III Конгрессе молодых ученых (28-30 ноября 2023, Россия, Сочи). Работа отмечена дипломом победителя в конкурсе на лучшую научно-исследовательскую работу на конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития», а также дипломом победителя в номинации «Интеллект-человечеству» от Совета Федерации РФ на международной конференции «XXI век: молодость интеллекта».

Публикации

По материалам и основному содержанию получен 1 патент РФ на изобретение, опубликованы 16 научных работ в рецензируемых журналах и трудах конференций, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 8 -в научно-технических журналах, индексируемых в Scopus, общим объемом 8,86 п.л./0,96 п.л.

Личный вклад

Автор принимал непосредственное участие на каждом этапе разработки устройства. Выполнил литературный поиск и систематизацию современного состояния научной области. Спроектировал конечную конструкцию устройства, включая топологии чувствительных элементов. Разработал

численную модель МТСП и в результате серии вычислительных экспериментов сформулировал правила проектирования, увеличивающие чувствительность измерений. Осуществлял планирование и контроль проведения технологических операций, совмещал решение исследовательских, технических и координационных задач. Выполнял отдельные технологические операции при изготовлении и сборке МТСП. Предложил методику и разработал программное обеспечение для автоматизированной калибровки МТСП. Лично экспериментально исследовал характеристики каждой модификации МТСП. Руководил разработкой конструкции самостоятельного МСТП.

Структура и объём

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и заключения, списка литературы из 102 наименований. Материалы диссертации изложены на 102 страницах, содержащих 31 рисунок, 6 таблиц.

Глава 1. Анализ современного уровня технологий изготовления микросенсоров потока жидкости

Исследования по измерению микрофлюидного потока можно проследить до 1970-х годов 1-6. Однако за последние два десятилетия тренд на миниатюризацию и усложнение микрофлюидных систем привел к необходимости увеличения точности и реализации интегральных решений 7. Примерами являются приборы для доставки лекарств 8, анализаторы последовательности ДНК 9, высокоэффективная жидкостная хроматография (ИРЬС) 10, фармацевтическое оборудование 11 и мониторинг состава биологических жидкостей в отделениях интенсивной терапии 12. Тем не менее, для этих приложений подходит лишь малая часть методов контроля потока 13. В микромасштабе взаимодействие между жидкостью и поверхностью стенок канала отличается от макромасштаба 14. Высокое соотношение площади поверхности к объему жидкости приводит к преобладанию капиллярных эффектов над инерционными, а также высокая ламинарность потока в микроканалах делают достижение высокой точности измерений возможным лишь несколькими методами измерений.

В зависимости от применения, наиболее распространены измерители потока, основанные на эффектах перепада давлений, Кориолиса, объёмные расходомеры, магнитные, турбинные и ультразвуковые 1516. В настоящее время основные инструменты для контроля потоков в микрофлюидном чипе - кориолисовые сенсоры потока (СП), прецизионные шприцевые насосы или (реже) высокоточные весы 17-20. Кориолисовый СП обладает высокой точностью, но громоздкость чувствительного элемента и управляющей электроники затрудняют уменьшение прибора для интеграции на чип. Хотя уже есть успешные работы по созданию МЭМС кориолисовых СП 21-22, интеграция такого типа сенсоров в лабораторию-на-чипе ограничена из-за наличия движущихся элементов. В свою очередь, шприцевой насос не подходит для контроля потоков в портативном приборе из-за больших

габаритов. То же самое относится к весам. Альтернативой для некоторых применений в микрофлюидике могут служить ультразвуковые СП, но их чувствительность к малым потокам экспоненциально затухает 23,24. Другие подходы к метрологии микрофлюидного потока основаны на оптических методах, таких как измерение скорости движения частиц (велосиметрия) 25, инфракрасная тепловая вело с иметрия 26 и лазерная доплеровская микроскопия 27. Эти оптические методы требуют сложных громоздких стендов и требуют оптически прозрачных каналов, что не всегда возможно на практике. Конечно, данные методы в основном предназначены для лабораторных исследований, и их невозможно встроить в микрофлюидный чип.

В результате сравнительного анализа существующих измерителей потока жидкости, установлено, что для интегрального применения в рамках биосовместимых лабораторий-на-чипе, изготовленных с помощью технологий микроэлектроники и МЭМС, возможно использование лишь тепловых сенсоров потока 28. Такой выбор обусловлен уникальными преимуществами данного типа сенсоров. Для более подробного знакомства с тепловыми сенсорами потока, первая глава диссертации разделена на две части: в первой описываются принципы работы и методы изготовления основных нетепловых СП, а во второй - физические основы работы тепловых СП и современные подходы к их изготовлению.

1.1. Нетепловые сенсоры потока

Поскольку движение флюида оказывает влияние на протекание многих физических процессов, сенсор потока можно построить на большом количестве физических эффектов (Рис. 1.1). Многообразие различных видов сенсоров позволяет выбирать для каждого применения наиболее подходящий по характеристикам метод измерения потока.

В данном параграфе представлены наиболее перспективные нетепловые методы измерений, которые имеют примеры успешной миниатюризации, либо имеющих перспективы применения в микрофлюидике.

Рис. 1.1. Физические принципы измерения потока 1.1.1. Кориолисовые сенсоры потока

Кориолисовые сенсоры потока позволяют измерять не объемный, а массовый поток среды в микроканале прямым образом. Измерение потока основано на эффекте Кориолиса, возникающей при движении жидкости по изогнутому каналу. В 1 835 году Гюстав-Гаспар Кориолис продемонстрировал, что когда тело движется во вращающейся системе отсчета относительно галилеевой системы отсчета, на него действует «сила инерции», перпендикулярная направлению движения. Первый кориолисовый СП на основе МЭМС был разработан Эноксоном и др. 29 для измерения потоков газа и воды. Высокая зрелость технологий МЭМС позволила быстро довести разработку до промышленного уровня и коммерциализировать -сейчас сенсор известен под маркой «Bronkhorst», модель «mini CORI-FLOW™» 30.

Как показано на Рис. 1.2, принцип работы кориолисового СП основан на связи режима колебаний Ц-образного канала и массового потока среды через него 31. Колебания инициируются силой Лоренца, возникающей в проводнике в присутствии постоянного магнитного поля при пропускании переменного тока через проводящий слой, нанесенный поверх канала.

Рис. 1.2. Принцип кориолисового СП: канал совершает периодическое вращение вокруг оси у с угловой скоростью Юа. Когда через канал протекает массовый поток Фт, сила Кориолиса Бе вызывает вторичное вертикальное движение 33.

Когда поток ф движется по каналу, осцилляции индуцируют силу

Кориолиса ¥ с, направленную перпендикулярно каналу - рамке и

пропорциональную векторному произведению Фт и угловой скорости ~юа. Ьх - длина канала вдоль оси, перпендикулярной оси вращения:

¥с = - Х фт).

Возникающая сила Кориолиса вызывает дополнительную колебательную моду, ортогональную вынужденной моде. Вынужденную моду, называют модой актюации, она создается силой Лоренца с заданной амплитудой колебаний ©д. Моду, которая возникает при движении потока по каналу, называют модой измерений, она создается силой Кориолиса с

амплитудой колебаний Скорость потока вычисляют из измеренных значений обеих амплитуд. В работе Ханевельда и др. показано, что если резонансная частота моды актюации Юа,т, массовый поток Фт можно измерить следующим образом 32:

©Л

Фт =-—,

где - коэффициент упругости пружины в режиме измерений, а Ьх и Ьу - длины микроканала, как показано на Рис. 1.2.

Кориолисовый СП позволяет также измерить плотность жидкости р благодаря связи с резонансной частотой заполненного жидкостью канала т. Таким образом, массовый поток жидкости может быть переведен в более распространенный в микрофлюидике объемный поток

Ф,

й =

т

Р

к

Р =

к тс

&2Ус Ус

где к - коэффициент упругости системы, Ше - масса пустого канала, Ус -внутренний объем канала.

Кориолисовые расходомеры, несмотря на их уникальные особенности, имеют некоторые ограничения:

1. Повышение температуры сенсора. Во время работы температура сенсора может увеличиваться на несколько градусов, что может быть нежелательным при измерении термочувствительных жидкостей, как и в случае тепловых расходомеров.

2. Ограничение по минимальному расходу. Внутренний объем микроканала уменьшен до предела, что позволяет измерять очень низкие скорости потока (десятки нл/мин). Например, коммерческий мини-СОМ-FLOW™ имеет диаметр канала 55 мкм, что повышает риск засора, особенно при использовании многофазных потоков с твердыми и жидкими частицами (например, жидкости с клетками, микросферами, либо

функционализированными суперпарамагнитными частицами, широко используемыми в анализах).

3. Высокая стоимость. Стоимость таких приборов обычно на порядок выше, чем у других коммерческих термодатчиков, что ограничивает их широкое применение, в частности, в качестве одноразовых устройств в медицинских системах для предотвращения перекрестного загрязнения рабочих сред.

4. Сложность интеграции. Интеграция кориолисового МЭМС-расходомера на микрофлюидный чип крайне затруднительна, поскольку требует добавления дополнительной оснастки для создания магнитного поля, контроля тока и регистрации сигнала.

Кориолисовый СП представляет собой наиболее явного конкурента тепловым СП, наиболее часто используемым в микрофлюидике. Он не требует какой-либо калибровки, позволяет измерять скорости потока, различающиеся более чем на 3 порядка, а также позволяет измерять плотность жидкости. Главные ограничивающие факторы для более широкого применения в микрофлюидике - высокая стоимость и ограниченные возможности интеграции в ЛНЧ.

1.1.2. Сенсоры потока дифференциального давления

СП данного типа основаны на взаимосвязи между потоком и разницей давлений, которая возникает при прохождении потока через сужение канала (Рис.1.3). В литературе описаны примеры реализаций данного типа измерений для микрофлюидных потоков технологиями МЭМС из кремния и стекла 13 28, методами мягкой литографии с оптической регистрацией сигнала 34, а также с помощью аддитивных технологий 35 36. Сужение создает фиксированное гидродинамическое сопротивление, благодаря чему возникает эффект снижения давления в канале при прохождении потока сквозь сужение. Создаваемая разность давлений используется для косвенного измерения расхода жидкости через канал. Принцип работы описывается законом Гагена - Пуазейля 37:

Ар = ЯкШ,

где Ар - разница давлений, приложенная к каналу с гидродинамическим сопротивлением Ян. Q - поток, ^ - вязкость жидкости.

Хотя был достигнут значительный прогресс в расширении диапазона измерений скорости потока (до 3 порядков), этот метод остается экспериментальным. Так, измерение скорости потока требует предварительного знания вязкости жидкости. Поскольку вязкость зависит от температуры, для высокой точности измерений необходимо поддержание постоянных условий эксперимента.

Capacitive pressure sensors

Pyrex

^__ — )__

/ р> ->v Гл Silicon

t — —v Pyrex

Channel -,

Flow in Flow out

Рис. 1.3. Схема СП дифференциального давления на основе двух

емкостных сенсоров давления, изготовленного по технологиям МЭМС

Кроме того, загрязнение канала сенсора может стать источником большой погрешности. Во-первых, это может изменить геометрию канала, что приведет к изменению гидродинамического сопротивления. Как показали Остерброек и др. 13, погрешность вычисления гидродинамического сопротивления канала может привести к 20-процентной ошибке в измерении потока. Эта проблема может быть временной из-за присутствия частиц во время эксперимента, но она также может сохраняться. из-за засора. Во-вторых, датчики давления могут быть также загрязнены, что влияет на механические свойства мембраны, и, в свою очередь, может привести к непрогнозируемой погрешности измерений.

1.1.3. Кантилеверные сенсоры потока

Другая значимая группа сенсоров основана на механических эффектах движущегося флюида, когда скорость потока получают, измеряя воздействие, которое оказывает поток на препятствия в канале с известными параметрами 38. СП данного типа разрабатывались более 25 лет 39 и кантилеверные сенсоры работают за счет измерения величины отклонения кантилевера под действием потока, как показано на Рис. 1.4 (вверху). Поток жидкости создает силу сдвига (крутящий момент), которую можно рассчитать путем интегрирования касательного напряжения (умноженного на плечо момента) [а] = —р[1] + [а'] по поверхности кантилевера при давлении р и вязким напряжением [а']. Эта сила пропорциональна скорости и вязкости жидкости, и зависит от геометрии области с кантилевером. Смещение/деформацию кантилевера можно смоделировать с помощью уравнения Эйлера-Бернулли 40, которое показывает зависимость изгиба от модуля Юнга материала и момента инерции кантилевера. При низких числах Рейнольдса изгиб сильно зависит от степени перекрытия поперечного сечения канала 41. Такие сенсоры можно классифицировать по степени перекрытия, как показано на Рис. 1.4. Когда размер кантилевера соответствует поперечному сечению канала, оптический метод измерения с использованием кантилевера с зеркальным покрытием и лазера может измерять поток воды в диапазоне 2-35 мкл/мин 42-44. Чтобы избежать полной закупорки канала при потоках, близких к нулю, консоль может быть перфорирована. Варьирование перфорации позволяет настраивать механические свойства и диапазон измерений. Однако, по мере засорения перфораций, гидродинамические свойства кантилевера изменяются, что приводит к увеличению погрешности измерений.

Во второй геометрии кантилевер перекрывает канал только по одной оси, оставляя большую часть канала всегда открытой. Эта конфигурация, предложенная Гассом и др., использовалась в первом микрофлюидном кантилеверном СП 39. Сенсор продемонстрировал измерительный диапазон в два порядка. Однако измерение зависит от упомянутых выше параметров системы, таких как модуль Юнга, степень перекрытия, размер кантилевера и

вязкость жидкости. В качестве варианта данного метода Аттиа и др. предложил систему, в которой элемент, вызывающий сопротивление, погружается в поток и удерживается пружиной, прикрепленной с другой стороны от набегающего потока 45. Этот подход представляет собой адаптацию пружинного расходомера для микрофлюидики. Однако калибровка такого сенсора сопряжена с проблемами, поскольку трудно построить достаточно точную аналитическую модель.

А_В_С

Рис. 1.4. Вверху: изгиб кантилевера под действием потока с

частицами. Внизу: различные типы перекрытия канала кантилевером: А - перекрытие по двум осям, В - перекрытие по одной оси, С - минимальное перекрытие Наконец, третий вариант конструкции кантилевера предполагает минимальное перекрытие канала, при котором ни по одной оси канал не закрывает канал полностью. В этой геометрии кантилевер находится в условиях пограничного потока. В последние годы к этой конструкции датчиков был проявлен высокий интерес, поскольку она имитирует волосковые клетки или реснички 46-48. Волосковые механорецепторы используются в живых организмах для определения движения среды и химического восприятия. Группа Лю была пионером в разработке сенсоров потока с искусственными волосковыми клетками, изготовленными из полиуретана и кремния 49-50. Сенсор состоит из массива высокоаспектных кантилеверов, каждый из которых соединен с тензометрическим датчиком.

Используя кантилеверы с различной геометрией, авторы смогли расширить диапазон измеряемых скоростей потока. Кроме того, такой метод также позволит адаптировать сигнал к разной вязкости жидкости. Среди трех описанных конфигураций кантилеверов третий тип представляет собой наиболее универсальное и надежное решение для реальных применений в микрофлюидике. Из-за минимального перекрытия канала гидродинамическое сопротивление канала практически не изменяется из-за присутствия сенсора. Кроме того, с уменьшением степени перекрытия канала, снижается риск засорения или износа прибора. Наконец, такая конструкция позволяет измерять наиболее широкий диапазон потоков с различной вязкостью.

Технологии МЭМС позволяют реализовать конкурентоспособные по сравнению с тепловыми СП, кантилеверные СП. При схожих размерах и стоимости, кантилеверные расходомеры позволяют учесть изменение жидкости путем создания кантилеверов различной формы. Тем не менее, ограничения данного метода преобладают над преимуществами. Поскольку отклонение кантилевера зависит от вязкости жидкости, необходима тщательная калибровка. Поскольку кантилевер постоянно погружен в поток жидкости, существует высокий риск изменения рабочих характеристик сенсора при подаче жидкости с клетками или частицами, белками или пузырьками. Адгезия частиц из потока на кантилевер приводит к изменению механических и геометрических параметров кантилевера, что влечет увеличение погрешности измерений потока. При превышении определенной пороговой силы воздействия на кантилевер со стороны жидкости, либо объектов, переносимых потоком, может произойти пластическая деформация или отрыв кантилевера, приводящая к необратимому повреждению прибора. 1.2. Тепловые сенсоры потока

Для применений в области микрофлюидики наиболее высокий интерес 51 представляют тепловые сенсоры потока, поскольку данный тип измерителей имеет ряд уникальных преимуществ, среди которых:

- компактность, возможность реализации на микрофлюидном чипе;

- отсутствие движущихся частей;

- возможность изготовления по технологиям МЭМС;

- чувствительность к малым потокам (< 10 мкл/мин);

- малое время отклика - менее 100 мс;

- низкое энергопотребление - менее 500 мВт;

- размещение нескольких сенсоров на одном микрофлюидном чипе;

- возможность изготовления из биосовместимых материалов;

- измеряемая величина - напряжение.

В диссертации выделены четыре главные технологические фактора, влияющие на прецизионность измерений МТСП: отношение интенсивности теплообмена между чувствительными элементами (ЧЭ) и потоком, к интенсивности теплообмена между ЧЭ и подложкой; чувствительность ЧЭ; конструкция канала МТСП (ширина, глубина) и расположение ЧЭ в топологии.

Для увеличения прецизионности измерений, чувствительные элементы изготавливают на мембране толщиной 2-5 мкм и располагают в контакте с потоком, иногда поперёк канала (Рис. 1.5). Это позволяет снизить отвод тепла через подложку и максимизировать теплообмен с флюидом.

Поток

Н РеТ Б, Н Б2 Н Б, Б2

а) б) в)

Рис. 1.5. Принципы работы тепловых сенсоров потока:

а) термоанемометрический,

б) калориметрический,

в) "йте-о!-!^^" (1о, 1 12 - моменты времени испускания теплового импульса (ТИ), регистрации ТИ на сенсорах 81 и 82, соответственно)

Другой метод - повышение чувствительности ЧЭ. Для этого используют материалы с высоким ТКС (никель, легированный кремний),

либо переходят от терморезистив ных сенсоров температуры к термоэлектрическим (массив последовательно включенных термопар для усиления термо-ЭДС) и термоэлектронным (полупроводниковые приборы -транзисторы и диоды).

Оптимизация конструкции канала МТСП и расположения ЧЭ также позволяет радикально улучшить характеристики прибора и является неотъемлемой частью этапа проектирования.

1.2.1. Физические основы работы тепловых сенсоров потока

Термодинамические сенсоры потока или тепловые использует явление изменения числа Нуссельта Ии=дс/дс1 (где дс - конвекционный тепловой поток, а да - кондукционный тепловой поток) для нагревательного элемента, работающего в режиме постоянной мощности или постоянной температуры. При скорости потока, отличной от нулевой, из-за появления конвективного теплообмена, нарушается симметричность температурного поля вблизи нагревателя, вследствие чего температура и сопротивление терморезисторов изменяются; если при этом известна температура среды и её теплофизические характеристики, то по графику изменения тока или напряжения на терморезисторе можно определить скорость потока флюида в канале.

В диапазоне рассматриваемых скоростей потока (0-100 мкл/мин) и поперечного сечения прямоугольных каналов (<80*500 мкм глубина и ширина), число Рейнольдса Яе составляет <50 для воды, что соответствует ламинарному потоку.

аЬ р

Яе = V--,

а + Ь п

где V- средняя скорость потока в м/с, р - плотность жидкости в кг/м3, п - динамическая вязкость в Па с, а и Ь - глубина и ширина канала, соответственно.

Тепловые сенсоры разделяют на три категории по принципу работы: термоанемометрические, калориметрические и времени распространения.

При этом каждый тип может работать в одном из двух режимов, поддерживая постоянной мощность либо температуру нагревателя. Иногда для компенсации изменений температуры окружающей среды используется референсный термосенсор Ref (Рис. 1.5).

Первый тип - термоанемометрические СП. Термоанемометры измеряют передачу тепла от нагревателя H к текущей жидкости (Рис. 1.4, а). Нагревательный элемент также используется в качестве теплового сенсора. В качестве нагревателя может быть использован проволочный терморезистивный сенсор, который устанавливается в потоке жидкости, либо тонкопленочный терморезистор, который размещается на одной из стенок канала. В соответствии с законом Кинга 52, интенсивность теплового потока Qh связана со скоростью потока V как:

где a и Ь - эмпирические константы, зависящие от геометрии канала, температуры, используемых материалов и, что наиболее важно, от тепловых свойств жидкости 53. Положительный теплообмен между нагревателем и жидкостью возникает из-за разницы температур жидкости и нагревателя. При этом температура терморезистора может быть определена из его сопротивления:

где R(T) - электрическое сопротивление при температуре T, Rо -электрическое сопротивление при температуре Tо, а - температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Поскольку рассеиваемое тепло пропорционально рассеиваемой мощности, то по закону Джоуля-Ленца:

где I - сила тока. Два режима термоанемометров - когда на чувствительном элементе поддерживается либо постоянная температура, либо через него пропускается постоянный ток. Для режима постоянной температуры требуется схема обратной связи с референсным термосенсором Ref, которая отслеживает и поддерживает постоянную температуру

Я(Т) = Я0(1+ а(Т - Т0)),

0 - р = I2Я(Т),

нагревателя относительно среды. Таким образом, рассеиваемая мощность прямо пропорциональна потоку жидкости. В режиме постоянного тока с увеличением потока температура чувствительного элемента снижается, что определяется по изменению его сопротивления.

Для микрофлюидных измерений лучше всего подходят тонкопленочные сенсоры, поскольку они не создают препятствия для потока жидкости, а также могут быть встроены внутрь стенки микроканала, что обеспечивает гораздо более длительный срок службы. Низкая чувствительность, недостаточная надежность и невозможность определить направление потока являются основными ограничениями этого метода измерений.

Второй тип - калориметрические СП. Данный тип сенсоров оснащен нагревателем Н и термосенсорами Sl и S2, расположенные выше и ниже него по потоку, которые измеряют асимметрию температурного поля вблизи нагревателя, вызванную течением жидкости (Рис. 1.5, б).

В одномерной модели МЭМС сенсора на кремниевой подложке с тонкой мембраной, работающего в режиме постоянной мощности 54, температура нагревателя Th может быть выражена как:

Р

Тн =

Ц8 +

1 , кБ^ К =--1--,

2 кр 8

где P - мощность нагревателя, kF - теплопроводность жидкости, wh -ширина нагревателя, 4 - длина нагревателя, 8 - толщина пограничного слоя, V - средняя скорость потока, a - температуропроводность жидкости, к -

безразмерный коэффициент, ksi - теплопроводность кремния, td - толщина мембраны. Тогда разница температур AT между термосенсорами равна:

ДТ = Тн(е^ - е

/V

/1,2 =

V2 + 16а2к/52

4а к

где lu и ld расстояния от нагревателя до верхнего и нижнего термосенсоров.

В калориметрических СП частично решены проблемы, с которыми сталкиваются термоанемометрические СП. Так, калориметрические СП более энергоэффективны, а термосенсоры по бокам от нагревателя позволяют определить направление потока. Однако калориметрические СП также имеют ограничения, а главные из них - нелинейность градуировочной кривой и узкий рабочий диапазон потоков. Измеряемый сигнал выходит на насыщение по достижении определенной скорости потока, что связано с ограниченным теплообменом между жидкостью и термосенсорами с нагревателем 55. Как правило, рабочий диапазон скоростей потока не превышает одного порядка. Путь решения данных ограничений лежит через увеличение чувствительности СП. В литературе встречаются рекомендации по увеличению чувствительности 56. В числе прочего, рекомендуется приблизить термосенсоры к нагревателю, увеличить температуру нагревателя, либо уменьшить диаметр канала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Рыжков Виталий Витальевич, 2025 год

Список литературы

1. Van Putten A. F. P., Middelhoek S. Integrated silicon anemometer //Electronics

Letters. 1974. Т. 10. №. 21. С. 425-426.

2. Convery N., Gadegaard N. 30 years of microfluidics //Micro and Nano

Engineering. 2019. Т. 2. С. 76-91.

3. George M. Whitesides. The origins and the future of microfluidics // Nature.

2006. Vol. 442. P. 6.

4. Cavaniol C. et al. Flowmetering for microfluidics //Lab on a Chip. 2022. Т. 22.

№. 19. С. 3603-3617.

5. Zarifi M. H. et al. Noncontact and nonintrusive microwave-microfluidic flow

sensor for energy and biomedical engineering //Scientific reports. 2018. Т. 8. №. 1. С. 139.

6. Cheri M. S. et al. Real-time measurement of flow rate in microfluidic devices

using a cantilever-based optofluidic sensor //Analyst. 2014. Т. 139. №. 2. С. 431-438.

7. Antony R. et al. Detection principles and development of microfluidic sensors in

the last decade //Microsystem technologies. 2014. Т. 20. С. 1051-1061.

8. Ashraf M. W., Tayyaba S., Afzulpurkar N. Micro electromechanical systems

(MEMS) based microfluidic devices for biomedical applications // International journal of molecular sciences. 2011. Т. 12. №. 6. С. 3648-3704.

9. Abate A. R. et al. DNA sequence analysis with droplet-based microfluidics //Lab

on a Chip. 2013. Т. 13. №. 24. С. 4864-4869.

10.Bishop D. P. et al. Microfluidic high performance liquid chromatography-chip hyphenation to inductively coupled plasma-mass spectrometry //Journal of Chromatography A. 2017. Т. 1497. С. 64-69.

11.Damiati S. et al. Microfluidic devices for drug delivery systems and drug screening //Genes. 2018. Т. 9. №. 2. С. 103.

12.Yang J. et al. A microfluidic device for rapid quantification of cell-free DNA in patients with severe sepsis //Lab on a Chip. 2015. Т. 15. №. 19. С. 3925-3933.

13.Oosterbroek R. E. et al. A micromachined pressure/flow-sensor //Sensors and Actuators A: Physical. 1999. Т. 77. №. 3. С. 167-177.

14.Tabeling P. Introduction to microfluidics. Oxford university press, 2023.

15.LaNasa P. J., Upp E. L. Fluid flow measurement: A practical guide to accurate flow measurement. Butterworth-Heinemann, 2014.

16.Baker R. C. Flow measurement handbook: industrial designs, operating principles, performance, and applications. Cambridge University Press, 2016.

17.Миргородская А. В., Дунаев А. Ю., Неклюдова А. А. Метод детектирования мениска жидкости в капилляре с использованием датчика ультрафиолетового излучения //Эталоны. Стандартные образцы. 2024. Т. 20. №. 3. С. 53-63.

18.Qin C., Dasgupta P. K. Time-of-sight liquid flow measurements in the low nanoliters per minute scale //Analytical chemistry. 2019. Т. 91. №. 22. С. 14332-14339.

19.Lee W. Microfluidic Chip Calorimeters for Biological Applications: дис. California Institute of Technology. 2008.

20.Behrens M. R. et al. Open-source, 3D-printed peristaltic pumps for small volume point-of-care liquid handling //Scientific reports. 2020. Т. 10. №. 1. С. 1543.

21.Alveringh D. Integrated throughflow mechanical microfluidic sensors: дис. University of Twente. 2018.

22.Smith R. et al. A MEMS-based Coriolis mass flow sensor for industrial applications //IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2008. Т. 56. №. 4. С. 1066-1071.

23.Wang M., Chen J. Volumetric flow measurement using an implantable CMUT array //IEEE transactions on biomedical circuits and systems. 2011. Т. 5. №. 3. С. 214-222.

24.Khan B., Ahmed S., Kakkar V. A Comparative Analysis of Thermal Flow Sensing in Biomedical Applications //arXiv preprint arXiv:1608.03603. 2016.

25.van Steijn V., Kreutzer M. T., Kleijn C. R. ^-PIV study of the formation of segmented flow in microfluidic T-junctions //Chemical Engineering Science. 2007. Т. 62. №. 24. С. 7505-7514.

26.Chung J., Grigoropoulos C. P., Greif R. Infrared thermal velocimetry for nonintrusive flow measurement in silicon microfluidic devices //Review of scientific instruments. 2003. Т. 74. №. 5. С. 2911-2917.

27.Chuang H. S., Lo Y. L. Microfluidic velocity measurement using a scanning laser Doppler microscope //Optical Engineering. 2007. Т. 46. №. 2. С. 024301-024301-9.

28.Zhao P. J., Gan R., Huang L. A microfluidic flow meter with micromachined thermal sensing elements //Review of Scientific Instruments. 2020. Т. 91. №. 10.

29.Enoksson P., Stemme G., Stemme E. A silicon resonant sensor structure for Coriolis mass-flow measurements //Journal of microelectromechanical systems. 1997. Т. 6. №. 2. С. 119-125.

30.Кориолисоввые сенсоры потока Bronkhorst: [Электронный ресурс]. 2024. URL: https://www.bronkhorst.com/int/products/liquid-flow/mini-cori-flow. (Дата обращения: 21.02.2024).

31.Groenesteijn J. Microfluidic platform for Coriolis-based sensor and actuator systems: дис. University of Twente. 2016.

32.Haneveld J. et al. Modeling, design, fabrication and characterization of a micro Coriolis mass flow sensor //Journal of micromechanics and microengineering. 2010. Т. 20. №. 12. С. 125001.

33.Monge R. et al. SU-8 micro coriolis mass flow sensor //Sensors and actuators B: Chemical. 2017. Т. 241. С. 744-749.

34.Song W., Psaltis D. Optofluidic membrane interferometer: An imaging method for measuring microfluidic pressure and flow rate simultaneously on a chip // Biomicrofluidics. 2011. Т. 5. №. 4. 35.Adamski K., Kawa B., Walczak R. 3D printed flowmeter based on venturi effect with integrated pressure sensors //Proceedings. MDPI, 2018. Т. 2. №. 13. С. 1509.

36.Hawke A. et al. A 3D printed flow sensor for microfluidic applications //Sensors and Actuators A: Physical. 2023. T. 362. C. 114686.

37.Hennecke D. K. Heat transfer by Hagen-Poiseuille flow in the thermal development region with axial conduction //Wärme-und Stoffübertragung. 1968. T. 1. №. 3. C. 177-184.

38.Liu Y. J. et al. A simple and direct reading flow meter fabricated by two-photon polymerization for microfluidic channel //Microfluidics and Nanofluidics. 2015. T. 18. C. 427-431.

39.Gass V., Van der Schoot B. H., De Rooij N. F. Nanofluid handling by micro-flow-sensor based on drag force measurements //[1993] Proceedings IEEE Micro Electro Mechanical Systems. IEEE, 1993. C. 167-172.

40.Wexler J. S. et al. Bending of elastic fibres in viscous flows: the influence of confinement //Journal of fluid mechanics. 2013. T. 720. C. 517-544.

41.Dendukuri D. et al. Stop-flow lithography in a microfluidic device //Lab on a Chip. 2007. T. 7. №. 7. C. 818-828.

42.Noeth N., Keller S. S., Boisen A. Integrated cantilever-based flow sensors with tunable sensitivity for in-line monitoring of flow fluctuations in microfluidic systems //Sensors. 2013. T. 14. №. 1. C. 229-244.

43.Noeth N., Keller S. S., Boisen A. Fabrication of a cantilever-based microfluidic flow meter with nL min- 1 resolution //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2010. T. 21. №. 1. C. 015007.

44.Nezhad A. S. et al. PDMS microcantilever-based flow sensor integration for lab-on-a-chip //IEEE Sensors journal. 2012. T. 13. №. 2. C. 601-609.

45.Attia R. et al. Soft microflow sensors //Lab on a Chip. 2009. T. 9. №. 9. C. 1213-1218.

46.Liu C. Micromachined biomimetic artificial haircell sensors //Bioinspiration & biomimetics. 2007. T. 2. №. 4. C. S162.

47.Rizzi F. et al. Biomimetics of underwater hair cell sensing //Microelectronic Engineering. 2015. T. 132. C. 90-97.

48.Zhang L. et al. Highly sensitive microfluidic flow sensor based on aligned piezoelectric poly (vinylidene fluoride-trifluoroethylene) nanofibers //Applied Physics Letters. 2015. T. 107. №. 24.

49.Engel J. M. et al. Polyurethane rubber all-polymer artificial hair cell sensor // Journal of microelectromechanical systems. 2006. T. 15. №. 4. C. 729-736.

50.Chen N. et al. Design and characterization of artificial haircell sensor for flow sensing with ultrahigh velocity and angular sensitivity //Journal of microelectromechanical systems. 2007. T. 16. №. 5. C. 999-1014.

51.Nguyen N. T. Micromachined flow sensors—A review //Flow measurement and Instrumentation. 1997. T. 8. №. 1. C. 7-16.

52.King L. V. XII. On the convection of heat from small cylinders in a stream of fluid: Determination of the convection constants of small platinum wires with applications to hot-wire anemometry //Philosophical transactions of the royal society of London. series A, containing papers of a mathematical or physical character. 1914. T. 214. №. 509-522. C. 373-432.

53.Gravesen P., Branebjerg J., Jensen O. S. Microfluidics-a review //Journal of micromechanics and microengineering. 1993. T. 3. №. 4. C. 168.

54.Nguyen N. T., Dotzel W. Asymmetrical locations of heaters and sensors relative to each other using heater arrays: A novel method for designing multi-range electrocaloric mass-flow sensors //Sensors and Actuators A: physical. 1997. T. 62. №. 1-3. C. 506-512.

55.Loane S. Development of temperature and flow sensors for microfluidic applications: gnc. McMaster University. 2009.

56.Nguyen N. T., Huang X. Y., Toh K. C. Thermal flow sensor for ultra-low velocities based on printed circuit board technology //Measurement Science and Technology. 2001. T. 12. №. 12. C. 2131.

57.Van Kuijk J. et al. Multi-parameter detection in fluid flows //Sensors and actuators A: Physical. 1995. T. 47. №. 1-3. C. 369-372.

58.Berthet H. et al. Time-of-flight thermal flowrate sensor for lab-on-chip applications //Lab on a Chip. 2011. T. 11. №. 2. C. 215-223.

59.Whitesides G. M. et al. Soft lithography in biology and biochemistry //Annual review of biomedical engineering. 2001. Т. 3. №. 1. С. 335-373.

60.Zhao X. M., Xia Y., Whitesides G. M. Soft lithographic methods for nano-fabrication //Journal of Materials Chemistry. 1997. Т. 7. №. 7. С. 1069-1074.

61.Ho C. M. B. et al. 3D printed microfluidics for biological applications //Lab on a Chip. 2015. Т. 15. №. 18. С. 3627-3637.

62.Heckele M., Schomburg W. K. Review on micro molding of thermoplastic polymers //Journal of Micromechanics and Microengineering. 2003. Т. 14. №. 3. С. R1.

63.Verpoorte E., De Rooij N. F. Microfluidics meets MEMS //Proceedings of the IEEE. 2003. Т. 91. №. 6. С. 930-953.

64.Patterson L. H. C. et al. Investigating cellular response to impact with a microfluidic MEMS device //Journal of Microelectromechanical Systems. 2019. Т. 29. №. 1. С. 14-24.

65.Datta-Chaudhuri T., Abshire P., Smela E. Packaging commercial CMOS chips for lab on a chip integration //Lab on a Chip. 2014. Т. 14. №. 10. С. 1753-1766.

66.Ryzhkov V. V. et al. Cyclic on-chip bacteria separation and preconcentration // Scientific Reports. - 2020. Т. 10. №. 1. С. 21107.

67.Ejeian F. et al. Design and applications of MEMS flow sensors: A review // Sensors and Actuators A: Physical. 2019. Т. 295. С. 483-502.

68.Tilli M. et al. (ed.). Handbook of silicon based MEMS materials and technologies. Elsevier, 2020.

69.Mishra M. K. et al. MEMS Technology: A Review //Journal of Engineering Research and Reports. 2019. T. 4. № 1. C. 1-24.

70.Quack N. et al. Integrated silicon photonic MEMS //Microsystems & Nanoengineering. 2023. Т. 9. №. 1. С. 27.

71.Ryzhkov V. V. et al. Integrated membrane-free thermal flow sensor for silicon-on-glass microfluidics //Lab on a Chip. 2023. Т. 23. - №. 12. С. 2789-2797.

72.Рыжков В.В., Зверев А.В., Родионов И.А. Численное моделирование процессов тепломассопереноса в микрофлюидном тепловом датчике

потока //Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2017. №. 5 (116). С. 70-84.

73.Rasmussen A. et al. Simulation and optimization of a microfluidic flow sensor //Sensors and Actuators A: Physical. 2001. Т. 88. №. 2. С. 121-132.

74.Milozic N. et al. Evaluation of diffusion coefficient determination using a microfluidic device //Chemical and biochemical engineering quarterly. 2014. Т. 28. №. 2. С. 215-223.

75.Kim A. S. Complete analytic solutions for convection-diffusion-reaction-source equations without using an inverse Laplace transform //Scientific reports. 2020. Т. 10. №. 1. С. 8040.

76.Glinowiecka-Cox, M.B. Analytic Solution of 1D Diffusion-Convection Equation with Varying Boundary Conditions. Portland State University. 2022.

77.Курант Р. Методы математической физики. Рипол Классик, 2013.

78. Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Гидродинамика / под

ред. Питаевский Л.П. ФИЗМАТЛИТ, 2001. 736 с. 79.Ohmi T. Total room temperature wet cleaning for Si substrate surface //Journal

of the Electrochemical Society. 1996. Т. 143. №. 9. С. 2957. 80.Kern W. The evolution of silicon wafer cleaning technology //Journal of the

Electrochemical Society. 1990. Т. 137. №. 6. С. 1887. 81.Sharma E. et al. Evolution in lithography techniques: microlithography to

nanolithography //Nanomaterials. 2022. Т. 12. №. 16. С. 2754. 82.Schaepkens M., Oehrlein G. S. A review of SiO2 etching studies in inductively coupled fluorocarbon plasmas //Journal of The Electrochemical Society. 2001. Т. 148. №. 3. С. C211.

83.Huff M. Recent advances in reactive ion etching and applications of high-aspect-ratio microfabrication //Micromachines. 2021. Т. 12. №. 8. С. 991.

84.Min H. S., Joo Y. C., Song O. S. Effects of wafer cleaning and annealing on glass/silicon wafer direct bonding //J. Electron. Packag. 2004. Т. 126. №. 1. С. 120-123.

85.Ramm P., Lu J. J. Q., Taklo M. M. V. (ed.). Handbook of wafer bonding. John Wiley & Sons, 2012.

86.Delmdahl R., Patzel R., Brune J. Large-area laser-lift-off processing in microelectronics //Physics Procedia. 2013. Т. 41. С. 241-248.

87.De Los Santos Valladares L. et al. Characterization of Ni thin films following thermal oxidation in air //Journal of Vacuum Science & Technology B. 2014. Т. 32. №. 5.

88.McGinn P. J. Thin-film processing routes for combinatorial materials investigations—a review //ACS Combinatorial Science. 2019. Т. 21. №. 7. С. 501-515.

89.Brooks J. C. et al. Macro-to-micro interfacing to microfluidic channels using 3D-printed templates: application to time-resolved secretion sampling of endocrine tissue //Analyst. 2016. Т. 141. №. 20. С. 5714-5721.

90.Alapan Y. et al. Three-dimensional printing based hybrid manufacturing of microfluidic devices //Journal of Nanotechnology in Engineering and Medicine. 2015. Т. 6. №. 2. С. 021007.

91.Amin R. et al. 3D-printed microfluidic devices //Biofabrication. 2016. Т. 8. №. 2. С. 022001.

92.Hattori T. Chemical contamination control in ULSI wafer processing //AIP Conference Proceedings. American Institute of Physics, 2001. Т. 550. №. 1. С. 275-284.

93.Busnaina A. A., Kashkoush I. I., Gale G. W. An experimental study of megasonic cleaning of silicon wafers //Journal of the Electrochemical Society. 1995. Т. 142. №. 8. С. 2812.

94.Karimi P. et al. Non destructive nanoparticle removal from submicron structures using megasonic cleaning //Solid State Phenomena. 2013. Т. 195. С. 191-194.

95.Берлин Е. В., Двинин С. А., Сейдман Л. А. Вакуумная технология и оборудование для нанесения и травления тонких пленок //М.: Техносфера. 2007. Т. 176.

96.Ефремов А. М., Светцов В. И., Рыбкин В. В. Вакуумно-плазменные процессы и технологии //Иваново: Иван. гос. химико-технол. ун-т. 2006.

97.Oehrlein G. S. Reactive-Ion Etching //Physics Today. 1986. Т. 39. №. 10. С. 26-33.

98.Conrads H., Schmidt M. Plasma generation and plasma sources //Plasma sources science and technology. 2000. Т. 9. №. 4. С. 441.

99.Laermer F., Urban A. MEMS at Bosch-Si plasma etch success story, history, applications, and products //Plasma Processes and Polymers. 2019. Т. 16. №. 9. С. 1800207.

100.Mita M. et al. Multiple-height microstructures fabricated by ICP-RIE and embedded masking layers //IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines. 2000. Т. 120. №. 11. С. 493-497.

101.Ho P. et al. Modeling the plasma chemistry of C 2 F 6 and CHF 3 etching of silicon dioxide, with comparisons to etch rate and diagnostic data //Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. 2001. Т. 19. №. 5. С. 2344-2367.

102.Kim J. et al. A disposable microfluidic flow sensor with a reusable sensing substrate //Sensors and Actuators B: Chemical. 2019. Т. 288. С. 147-154.

С )

■J

LABADVANCE

MICROFLUIDIC TECHNOLOGY PROVIDER

Общество с ограниченной ответственностью «ЛАБАДВАНС» 121205, г. Москва, Территория Инновационного Центра «Сколково», Большой бульвар, д. 30 стр. I, этаж 2, пом. 225 РМ 225-1 ОГРН 1207700131132 ИНН/КПП 9731062270/773101001 Тел.: [phone]

«УТВЕРЖДАЮ» Технический Директор ООО^ДАБАДВАНС», Шилов Е.Д. « 7/7» /У*У 2022 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ

Технический директор, Шилов Евгений Дмитриевич, составил данный акт о том, что с февраля 2022 года в компании ООО «ЛАБАДВАНС» внедрены микрофлюидные чипы из кремния и стекла, изготовленные в рамках диссертационной работы аспиранта ИТГ1Э РАН Рыжкова Виталия Витальевича. Дизайн для литографии микрофлюидных чипов предоставляли сотрудники ООО «ЛАБАДВАНС».

С помощью данных микрофлюидных чипов сотрудники компании выполняют НИР но изучению процессов фильтрации флюидов внутри пористого пространства микрофлюидных чипов и выбору оптимальных агентов вытеснения для увеличения нефтеотдачи с использованием микрофлюидной технологии.

УТВЕРЖДАЮ тор по учебной работе ГТУ им. Н.Э. Баумана

В.В. Падалкин 2024 г.

А К Т

об использовании результатов диссертационной работы Рыжкова В.В. «Микрофлюидный сенсор потока с применением технологии «кремний-на-стекле», представленной на соискание степени кандидата технических наук, в учебном процессе МГТУ им. Н.Э. Баумана

Настоящий акт составлен о том, что в учебном процессе кафедры «Проектирование и технологии производства электронной аппаратуры» использованы результаты диссертационной работы Рыжкова В.В.

Разработанные программные модули и типовая структура системы используются в курсе «Технологические процессы микроэлектроники» в лекциях, методических материалах к семинарским и лабораторным занятиям для студентов 3-го курса бакалавриата по направлению подготовки 11.03.03 - Конструирование и технология электронных средств.

Зав. каф. «Проектирование и технол^™"

производства электронной аппарат) член-корр. РАН, д.т.н., профессор