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Optimierung des Thermobondingverfahrens für mikrostrukturierte Polymersubstrate durch Vorbehandlungsmethoden

Bachelorarbeit 2009 47 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Fahrzeugtechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1. Aufgabenstellung

2. Theoretische Grundlagen
2.1. Fluide
2.2. Viskosität
2.3. Reynoldszahl
2.4. Newtonsches laminares Strömungsprofil
2.5. Adhäsion und Kohäsion
2.6. Polymere
2.7. Bonding von Kunststoffen
2.8. Wärmeübertragung

3. Experimentelles
3.1. Die Problemstellung
3.2. Bondingpresse
3.3. Plasmaanlage
3.4. Testablauf

4. Ergebnisse
4.1. Unbehandelte Substrate
4.2. Einfluss derVorbehandlungsmethoden
4.3. Bondingoptimierung am Beispiel PMMA

5. Zusammenfassung

6. Ausblick

7. Anhang
7.1. Abbildungsverzeichnis
7.2. Tabellenverzeichnis
7.3. Literaturverzeichnis

Dank

Ich möchte mich an dieser Stelle bei allen Personen bedanken, die mich bei der Erstellung dieser Bachelorarbeit in der MPD-Entwicklungsabteilung der Firma Sony DADC Austria AG unterstützt haben.

Besonderer Dank gilt folgenden Personen:

- Meinen Eltern, die mich fortwährend motivierten und mich in allen nur erdenklichen Belangen unterstützen
- Meinem Bachelorarbeitsbetreuer seitens der FH Wiener Neustadt, Herrn Dr. Humbert Noll, für seine kompetente und motivierende Betreuung
- Meinem Betreuer seitens der Firma Sony DADC, Hans-Peter Niederberger, sowie MPD-Engineer Dario Borovic, mit dem ich eng zusammen arbeitete, für ihre Betreuung und Unterstützung Allen Mitarbeitern der MPD-Entwicklungsabteilung für ihre Hilfsbereitschaft und Unterstützung

Kurzzusammenfassung:

Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Weiterentwicklung des Thermobon­dings, einem Verfahren zum Zusammenbau mikrofluidischer Analysesysteme aus Kunststoff. Mit solchen sogenannten Lab-on-a-Chip-Systemen können medizinische und chemische Analysen auf kleinstem Raum durchgeführt werden. Das Thermo­bonding soll durch Vorbehandlung der Polymerbauteile optimiert werden. Ein Ziel der Arbeit ist die Ermittlung einer geeigneten Vorbehandlungsmethode. Zum besse­ren Verständnis der Thematik wurden in der Arbeit grundlegende Aspekte der Mi- krofluidik und der Wärmeleitung behandelt. Der Aufbau und die Eigenschaften von Polymeren wird beschrieben. Anschließend folgt ein Überblick über verschiedene Bondingtechnologien, mit dem Hauptfokus auf das Thermobonding. Für das Thermobonding werden drei Vorbehandlungsmethoden diskutiert. Es folgt die Inbe­triebnahme einer Bondingpresse, deren Funktionalität überprüft und optimiert wird. Anschließend werden die diskutieren Thermobonding-Vorbehandlungsmethoden ge­testet und evaluiert. Durch die Testergebnisse konnte eine geeignete Vorbehand­lungsmethode, die Sauerstoff-Plasmaaktivierung, für die Weiterentwicklung des Thermobondings ermittelt werden.

Schlagwörter: Thermobonding, Lab-on-a-Chip, Sauerstoff-Plasma, Mikrofluidik, Polymere

Abstract:

This bachelor paper deals with the improvement of a process to assemble microfluidic analysis systems made of plastics. These so-called Lab-on-a-Chip systems enable medical and chemical analyses on a miniature scale. Optimizing the Thermobonding process will be attempted by pretreating the polymer substrates. Finding a suitable method for pretreatment is one goal of this paper. Basics of microfluidics and heat transfer are explained for a better understanding of the issue. Polymers and their characteristics are described. Next, the paper gives an overview of various bonding technologies with an extra focus on Thermobonding. Three pretreatment procedures for Thermobonding are discussed. A bonding press is implemented and its functionality is checked and optimized. The discussed pretreatment methods are tested and evaluated. Based on the test results a suitable pretreatment technique - oxygen plasma activation - for further development ofthe Thermobonding process is determined.

Keywords: Thermobonding, Lab-on-a-chip, Oxygen Plasma, Microfluidics, Polymers

1. Einleitung

In den letzten Jahrzehnten ist unsere technologische Entwicklung so schnell wie noch nie zuvor voran geschritten. Manchmal ist es schwer vorstellbar, dass Laptops, Kamerahandys und elektronische Einparkhilfen vor zwei Jahrzehnten noch gar nicht existierten. Ein Hauptfaktor für diesen Technologieboom ist die Mikroelektronik. Die Gründe für den Erfolg der Mikroelektronik sind zum ersten die Miniaturisierung von Bauteilen und zum zweiten die funktionale Integration, also der Zusammenschluss von vielen elektronischen Minikomponenten in integrierte Schaltkreise, die komple­xe Funktionen bewältigen können. Diese zwei Strategien wurden in vielen anderen wissenschaftlichen Disziplinen, zum Beispiel in der Mechanik, Optik und Chemie, er­folgreich angewandt.

Im Jahre 1979 wurde zum ersten Mal eine Technologie für miniaturisierte chemi­sche Analysen veröffentlicht. Die Vorstellung eines Konzepts für sogenannte Mi­kro-Totalanalysesysteme 1990 erzeugte rapide wachsendes Interesse an der Mi- krofluidik. Mit fortschreitenden Entwicklungen in der Medizin, Drogentesttechnologie oder Biotechnologie sind chemische Analysen immer mehr gefragt. Traditionell wer­den solche Analysen in chemischen Labors durchgeführt, weil geschultes Personal und spezielle Ausrüstung nötig ist. Der Trend geht jedoch dahin, die chemische Analyse näher zum Kunden zu bewegen. Idealerweise ist ein Mikro-Totalanalysesys­tem oder Lab-on-a-Chip eine Black Box, wo der Benutzer nur einen Knopf drücken muss, um einen Analyse durchzuführen. Lab-on-a-Chips sind tragbar, einfach zu be­dienen und bringen verlässliche und reproduzierbare Ergebnisse, weil das System in Massenproduktion hergestellt wird. Die Tatsache, dass nur kleine Mengen an Proben und Reagenten verwendet werden, bringt eine enorme Kostenersparnis mit sich [1].

Traditionell werden in der Herstellung von Mikrofluidikanwendungen die Materiali­en Silizium und Glas verwendet, weil mit diesen Materialien erstens viel Erfahrungs­wissen in der Mikrosystemtechnik gemacht wurde, zweitens können bestehende Fertigungsverfahren aus der Halbleiterindustrie übernommen werden. Es entstand das Bestreben, Silizium und Glas durch Polymere zu ersetzen. Polymere sind kos­tengünstig und erleichtern somit die Massenproduktion für Einweg-Analysesysteme, sie sind biochemisch verträglich, außerdem existieren bereits viele verschiedene Kunststoffe mit ideal modifizierten Eigenschaften für den jeweiligen Anwendungs­fall.

1.1. Aufgabenstellung

Die Firma Sony DADC Austria AG beschäftigt eine Entwicklungsabteilung für mi­krostrukturierte Polymer-Anwendungen. Hier wird unter anderem daran gearbeitet, ein optimales Verfahren zum Verbinden von mikrostrukturierten Kunststoffplättchen zu entwickeln. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Fügemethoden für Polymersubstrate erläutert. Der Fokus liegt im Verfahren des Thermobonding. Diese Arbeit stellt unter anderem eine Vorselektion von Methoden zum Vorbehandeln der Polymerbauteile dar.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Thermobondingverfahren mithilfe von Vorbehandlungsmethoden zu optimieren. Es soll eine starke Verbindung bei mini­maler Verformung der Substratgeometrien erreicht werden. Besonderes Augenmerk wird aufdie Senkung der Prozesstemperatur gelegt.

Es werden verschiedene Vorbehandlungsmethoden für die Kunststoffsubstrate beim Thermobonding diskutiert. Anschließend werden die Methoden einer experi­mentellen Prüfung unterzogen. Ein zweites Ziel dieser Bachelorarbeit ist daher, min­destens eine Vorbehandlungsmethode für weitere, genauere Testreihen empfehlen zu können.

2. Theoretische Grundlagen

2.1. Fluide

[1] Unter einem Fluid versteht man einen flüssigen oder gasförmigen Stoff. Fluide setzen äußeren Druck- und Schubkräften im Gegensatz zu Festkörpern wenig Wi­derstand entgegen. Die Unterscheidung von Flüssigkeiten und Gasen kann durch Beobachtung des Verhaltens ihres Volumens getroffen werden: Flüssigkeiten sind näherungsweise inkompressibel, d.h. ihre Dichte bleibt unabhängig von Druck und Temperatur konstant. Die Flüssigkeit kann eine beliebige Form annehmen, während ihr Volumen unverändert bleibt. Gase können abhängig von Druck und Temperatur jedes Volumen bei beliebiger Form annehmen.

Die Inkompressibilität von Flüssigkeiten ist insofern eine Näherung, da bei der Einwirkung von hohem Druck doch eine Kompression zu beobachten ist. Im Anwen­dungsbereich der Mikrofluidik wirken jedoch vergleichsweise geringe Drücke auf Strömungen, deren Dichte demnach als konstant angesehen werden kann.

2.2. Viskosität

Soll ein Fluid durch einen Kanal bewegt werden, ist eine Kraft nötig, welche der inneren Reibung des Fluids entgegenwirkt. Wie stark diese innere Reibung ist, hängt unter anderem von der Zähflüssigkeit (Viskosität) des Fluids ab. Die Viskosi­tät ist also ein Maß für den inneren Widerstand gegen eine Kraft, die während des Fließens wirkt. Es werden zwei Begriffe der Viskosität unterschieden:

Dynamische Viskosität η Kinematische Viskosität v

2.2.1 Viskosität Newtonscher Fluide

Laut Newton besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Schubspannung τ und der Schergeschwindigkeitsänderung du abhängig vom Weg dy.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Fluide, die sich so beschreiben lassen, sind zum Beispiel Wasser, Benzine, Alko­hole und viele Öle. Diese Gleichung lässt sich wie folgt herleiten:

Es sei ein homogenes Fluid zwischen zwei parallelen Platten mit der Fläche A im Abstand y. Eine Kraft F bewegt die obere Platte mit der Geschwindigkeit u. Die un­tere Platte ist fixiert. In der Folge kommt ein linearer Geschwindigkeitsverlauf über y zustande, den wir als u(y) bezeichnen. Die Kraft F ist direkt proportional zur Ge­schwindigkeit u sowie zur Querschnittsfläche A und indirekt proportional zum Ab­stand y:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wir ersetzen die Kraft F mit dem Produkt der Schubspannung τ und der Fläche A. Eine neue Konstante, die wir dynamische Viskosität η nennen, dient als Verhältnis­faktor:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die kinematische Viskosität v setzt die dynamische Viskosität η zur Dichte p in Verhältnis:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Feststehende Platte

Abbildung 1 : Schichtenmodell zur Definition der Viskosität

2.2.2. Viskosität nicht Newtonscher Fluide

Verändert sich die Viskosität eines Fluids, wenn sich die einwirkenden Schubkräf­te ändern, so kann dieses Fluid nicht durch das lineare Newtonsche Fluidgesetz mo­delliert werden. Ein solches sprunghaftes, unproportionales Fließverhalten wird als anomalviskos bezeichnet. Stoffe wie Teig, Glycerin oder Polymerschmelzen sind Bei­spiele für nicht Newtonsche Fluide. Das Fließgesetz lässt sich folgendermaßen for-

mulieren. Zur Vereinfachung wird die Schergeschwindigkeit du/dy durch die Varia­ble γ ersetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.3. Reynoldszahl

In der Strömungslehre ist diese Zahl ein dimensionsloser Kennwert, der Aussa­gen über das Strömungsverhalten eines Fluids ermöglicht. Die Reynoldszahl gibt das Verhältnis der an den Strömungsteilchen angreifenden Trägheitskräften zu den Zähigkeitskräften an. Zwei Rohrströmungen sind ähnlich, wenn das Verhältnis die­ser Kräfte gleich bleibt.

Die Zähigkeits- oder Reibungskräfte Fz stellen wirfolgendermaßen auf:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mithilfe des Newtonschen Grundgesetzes der Mechanik können wir die Trägheits­kräfte Ft formulieren:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Man erhält schließlich einen Zusammenhang, der als Reynoldsches Ahnlichkeits- gesetz bezeichnet wird:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die beiden Gleichungsseiten entsprechen den Reynoldszahlen der zwei vergliche­nen Fluide, also ist die Reynoldszahl wie folgt definiert:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

D ... Kanaldurchmesser u ... Strömungsgeschwindigkeit v ... kinematische Viskosität p ... Dichte des Fluids η ... dynamische Viskosität

2.3.1. Strömungsformen

Es werden zwei Strömungsformen unterschieden; die laminare (Schichtströ­mung) sowie die turbulente Strömung, auch Wirbelströmung genannt. Die Grenze zwischen diesen Strömungsformen kann mittels der sogenannten kritischen Reynoldszahl Rekrk gezogen werden, welche empirisch ermittelt werden muss. Reknt liegt bei Strömungen in geraden Rohren mit kreisförmigem Durchmesser bei ca. 2300. Unter diesem Wert kann die Strömung als laminar angenommen werden, darüber verhält sich das Fluid turbulent.

Bei typischen mikrofluidischen Anwendungsfällen mit Strömungsgeschwindigkei­ten von 1 pm/s bis etwa 0,5 m/s, einem Kanaldurchmesser von 1 bis 300 pm und Fluiden, die sich meist wasserähnlich verhalten, errechnet sich eine Reynoldszahl von 10-[5] bis 10[2]. Also sind die betreffenden Strömungen laminar. Die Fluidteilchen bewegen sich in parallelen Bahnen. Lässt man zwei unterschiedliche Fluide neben­einander fließen, erfolgt keine Vermischung dieser Flüssigkeiten.

2.4. Newtonsches laminares Strömungsprofil

Zur Beobachtung des Strömungsprofils in einem Mikrokanal nehmen wir die Tem­peratur sowie den Druck über den Kanalquerschnitt als konstant an. Die Flüssigkeit wird als laminar angenommen und strömt durch ein Rohr mit kreisrundem Quer­schnitt. Wir betrachten ein infinitesimal kleines zylinderförmiges Fluidteilchen mit dem Radius r und der Länge dl. Es wird ein Kräftegleichgewicht in Richtung der Strömung angesetzt, welches die Druckkräfte den Reibungskräften gleichsetzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Kräftegleichgewicht bei laminarer Strömung in einem Rohr mit kreisrundem Querschnitt

Um die resultierende Druckkraft zu bestimmen, summieren wir alle Druckkräfte auf der Grund- und Deckfläche des Zylinders.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um die resultierende Reibungskraft auszudrücken, multiplizieren wir die Schub­spannung t, die am Zylindermantel entgegen der Bewegungsrichtung angreift, mit der Mantelfläche.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Setzt man für t die Definitionsgleichung fürdie Schubspannung ein, erhält man:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Geschwindigkeitsgradient wird hier mit einem negativen Vorzeichen verse­hen, denn mit zunehmendem Radius nimmt die Geschwindigkeit ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Strömungsprofil in einem Rohr mit kreisrundem Querschnitt

Wir setzen die Reibungskräfte den Druckkräften gleich und lösen nach dem Ge­schwindigkeitsgradienten auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Integration erhält man den Ausdruck des Geschwindigkeitsprofils u(r)\

Durch Einsetzen der Randbedingungen u-0 sowie r-Гд errechnet sich die Inte­grationskonstante.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Es ergibt sich schließlich ein parabolisches Geschwindigkeitsprofil, welches man in der Literatur als Stokesches Gesetz findet.

2.4.1. Kontinuitätsgleichung

Der Volumenstrom Vgibt das Volumen an, das in einer gewissen Zeit durch einen Kanalquerschnitt fließt. Dies gilt bei laminaren Strömungen Newtonscher Fluide. V bleibt bei inkompressibler und zeitlich unveränderter Strömung konstant und ist das Produkt der Kanalquerschnittsfläche A und der mittleren Strömungsgeschwindigkeit u.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wird die Querschnittsfläche größer, so sinkt die Strömungsgeschwindigkeit und umgekehrt.

Zur Veranschaulichung sei dieses Prinzip in folgender Abbildung dargestellt. In­nerhalb einer Zeit At fließt ein Volumen AV in die linke Kanalseite ein. Aufgrund der Inkompressibilität des Fluids muss auf der rechten Seite des Kanals im selben Zeit­abschnitt At das selbe Volumen AV ausströmen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Kontinuitätsgleichung

Bei vielen Anwendungen in der Mikrofluidik sind mehrere Kanäle miteinander ver­bunden. Die Kontinuitätsgleichung kann hier in folgender Form verwendet werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.5. Adhäsion und Kohäsion

Die Adhäsion beschreibt die Anziehungskräfte an der Berührungsoberfläche zwi­schen den Molekülen zweier unterschiedlicher Materialien. Nach diesem Prinzip funktionieren Klebstoffe. Aufgrund der Vielzahl von Faktoren, die bei der Adhäsion zusammenwirken, gibt es einige Theorien, um die Gesetzmäßigkeiten zu erklären. Es können jedoch grundsätzlich zwei Arten von Adhäsion unterschieden werden:

Von der mechanischen Adhäsion spricht man bei formschlüssiger Verklammerung des Klebstoffs in den Materialvertiefungen und -strukturen. Dieser Effekt tritt nur an rauen Oberflächen auf. Die mechanische Adhäsion trägt relativ wenig zur Verbin­dungskraft bei.

Unter der spezifischen Adhäsion versteht man die Haftung aufgrund physikali­scher und chemischer Valenzkraft-Wechselwirkungen. Sie ist hauptsächlich verant- wörtlich für die Haftkraft von Verbindungen. Die spezifische Adhäsion wirkt in einem Bereich von 0,2 bis 1 Nanometer. Die Wechselwirkungskräfte beruhen auf Dipol-, Induktions- und Dispersionskräften sowie Wasserstoffbrückenverbindungen.

Bei der Kohäsion handelt es sich um Kräfte zwischen und innerhalb von Molekü­len eines Stoffes. Man versteht darunter die innere Festigkeit eines Stoffes, die den Stoff selbst zusammenhält. Verantwortlich für diesen Effekt sind ebenfalls Valenz­kräfte in Atom-, Metall- oder Ionenbindungen. Die Kohäsion ist die Ursache für die Zerreißfestigkeit bei Festkörpern und für Oberflächenspannung und Zähflüssigkeit bei Flüssigkeiten.

Bei Kunststoffen hat die mechanische Verhakung der Polymerkettenmoleküle einen zusätzlichen Effekt aufdie Kohäsion [3].

2.5.1. Die Diffusionstheorie bei Polymeren

Durch Brownsche Bewegung findet an der Fügefläche zweier Polymere eine Diffu­sion oder Wanderung von Molekülen, Kettenteilen und vollständigen Molekülketten in beide Richtungen statt. Dies kann innerhalb eines Polymers (Autohäsion) oder zwischen verschiedenen Polymeren (Heterohäsion) geschehen.

Der Bereich der Diffusion wird Grenzflächenschicht genannt. Die Stärke der Auto­häsion wird durch die Anzahl diffundierter Moleküle pro Volumeneinheit bestimmt. Die Beweglichkeit der Moleküle ist unter anderem abhängig von der Molmasse, der Oberfläche und der Lage der Erweichungstemperatur (siehe Kapitel 2.6. Polymere).

Weiters bildet sich eine stärkere Verbindung zwischen Kunststoffteilen durch län­gere Berührungszeit, höhere Verbindungstemperatur, höheren Verbindungsdruck, höhere Polymerkettenflexibilität sowie niedrigeren Vernetzungsgrad des Polymers [4].

2.6. Polymere

Ein Polymer ist eine chemische Verbindung aus verschlauften oder verzweigten Kettenmolekülen. Diese Kettenmoleküle sind aus mehreren gleichen Bausteinen aufgebaut, den Monomeren. Künstlich hergestellte Polymere auf Kohlenstoffbasis sind Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. In der Natur existieren ebenfalls Polymere, zum Beispiel Proteine, DNA, RNA oder Kohlenhydrate.

[...]


[1] Als Grundlage für die Abschnitte 2.1 -2.6 diente [2]

Details

Seiten
47
Jahr
2009
ISBN (eBook)
9783656536925
ISBN (Buch)
9783656537946
Dateigröße
811 KB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v263607
Institution / Hochschule
Fachhochschule Wiener Neustadt
Note
1
Schlagworte
Thermobonding Lab-on-a-Chip Sauerstoff-Plasma Mikrofluidik Polymere

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Titel: Optimierung des Thermobondingverfahrens für mikrostrukturierte Polymersubstrate durch Vorbehandlungsmethoden