PL B1. POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL BUP 05/18

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) Int.Cl. H05B 6/64 ( ) H05B 6/80 ( ) B81C 1/00 ( ) (54) Ceramiczny moduł mikroprzepływowy ze zintegrowaną mikrofalową linią transmisyjną (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, Wrocław, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 05/18 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/18 (72) Twórca(y) wynalazku: KAROL MALECHA, Wrocław, PL PIOTR SŁOBODZIAN, Mirków, PL LAURA JASIŃSKA, Wrocław, PL JAN MACIOSZCZYK, Siechnice, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Anna Meissner PL B1

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest ceramiczny moduł mikroprzepływowy ze zintegrowaną mikrofalową linią transmisyjną, wykonany technologią niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki, przeznaczony do selektywnego ogrzewania substancji ciekłych. Układy mikroprzepływowe, w zależności od wykorzystywanej technologii, wykonywane są na podłożach takich jak krzem, szkło, tworzywo polimerowe (np. PMMA lub PDMS), żywica (np. FR-4) i ceramika. Ostatni wymieniony materiał, a w szczególności niskotemperaturowa współwypalana ceramika, charakteryzuje się mniejszym skomplikowaniem technologicznym oraz kosztem wytwarzania niższym niż podłoża wykonane technologią krzemową oraz większą łatwością integracji elementów elektronicznych niż podłoża polimerowe. Z publikacji: J. Macioszczyk, P. Słobodzian, K. Malecha, L. J. Golonka Microfluidical microwave reactor for accelerating chemical reactions, Eurosensors 2015, Procedia Engineering, vol. 120, , znany jest ceramiczny układ mikroprzepływowy ze zintegrowanymi elementami mikrofalowymi. Opisywane urządzenie składa się z warstwy środkowej zawierającej meandrujący kanał, przez którego część przechodzi obwód mikrofalowy, składający się z transformatora ćwierćfalowego oraz linii transmisyjnej, zakończony wyprowadzeniami elektrycznymi. Ponadto posiada dwie warstwy skrajne z naniesionymi metalizacjami. Linia transmisyjna została osadzona wewnątrz kanału, co umożliwia precyzyjne kontrolowanie energii dostarczanej do kanału, a transformator ćwierćfalowy zapewnia dopasowanie energetyczne. Kanał mikroprzepływowy wycięto za pomocą metody cięcia laserem, metalizacje będące elementami obwodu mikrofalowego wykonano za pomocą techniki sitodruku. Ze zgłoszenia patentowego US znana jest konstrukcja układu mikroprzepływowomikrofalowego, którego działanie polega na ogrzewaniu próbek znajdujących się w mikrokanale za pomocą promieniowania mikrofalowego. Podłożem pod obwód mikrofalowy zawierającym mikrokanał może być między innymi krzem, SiO2, Si3N4, ceramika, szkło, GaAs, fosforek indu, glin, ceramika, kwarc, związki polimerowe (na przykład akryle, PMMA, poliwęglany, polipropyleny), szafir i inne. Ze zgłoszenia patentowego US znane jest zastosowanie mikrofal do zastosowań termicznych i nietermicznych w urządzeniach nano- i mikroskali, gdzie rolę podłoża może pełnić szereg materiałów wliczając w to krzem, SiO2, ceramikę, szkło, GaAs, kwarc, materiały kompozytowe, FR-4 i inne żywice, polimery (poliimid, polimetakrylan metylu, akryl, polietylen, politereftalan etylenu, poliwęglan, polistyren i inne kopolimery styrenu, polipropylen, politetrafluoroetylen) i inne. Rolę obwodu mikrofalowego propagującego promieniowanie mikrofalowe mogą pełnić odpowiednie linie transmisyjne, wliczając w to linie mikropaskowe czy koplanarne. Konstrukcja kolejnego układu, którego istotą działania jest grzanie próbki znajdującej się w mikrokanale będącym elementem całości systemy za pomocą promieniowania mikrofalowego jest znana ze zgłoszenia patentowego US Ciecz nośna (olej) oraz podłoże (szklane lub krzemowe) jest materiałem nieulegającym ogrzewaniu przez promieniowanie mikrofalowe, a obwód mikrofalowy zbudowano z linii paskowych bądź ścieżek przewodzących (wykonanych w różnych wariantach z Cu lub ITO). Zgodnie z opisem patentowym, oprócz grzania jest również możliwa analiza próbek znajdujących się mikrokanale wspomnianego systemu. Istota ceramicznego modułu mikroprzepływowego ze zintegrowaną mikrofalową linią transmisyjną, według wynalazku, wykonanego z warstw niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej, przy czym na dwóch skrajnych warstwach, podłożu dolnym oraz górnym, znajdują się metalizacje, a także zawierającego quasiopaskową linię transmisyjną oraz kanał mikroprzepływowy, polega na tym, że na podłożu dolnym znajduje się warstwa graniczna dolna, na niej następnie warstwa kanałowa niższa z wykonanym kanałem mikroprzepływowym pierwszym w formie u-kształtnego meandra, którego wlot i wylot znajdują się po przeciwnych stronach modułu, następnie warstwa transmisyjna z wykonanymi dwoma symetrycznymi obwodami mikrofalowymi wraz z wyprowadzeniami elektrycznymi stanowiącymi gniazda aparatury pomiarowej, przy czym każdy z obwodów mikrofalowych składa się z symetrycznych układów dopasowujących oraz linii transmisyjnej, przy czym linie transmisyjne przebiegają równolegle wobec siebie i każda z nich przebiega, w rzucie z góry, nad jednym z dłuższych odcinków u-kształtnego kanału mikroprzepływowego, a długość każdej z linii transmisyjnych jest równa długości odcinka kanału nad którym przebiega; w warstwie transmisyjnej jest także wykonany wlot i wylot kanałów mikroprzepływowych pierwszego i drugiego; następnie moduł posiada warstwę pośrednią, w której wykonane są wlot i wylot kanałów mikroprzepływowych pierwszego i drugiego, następnie warstwę kanałową wyższą

3 PL B1 3 z wykonanym kanałem mikroprzepływowym drugim, wykonanym identycznie jak kanał mikroprzepływowy pierwszy w formie u-kształtnego meandra i w rzucie z góry przebiegającym identycznie jak kanał mikroprzepływowy pierwszy, przy czym poprzez warstwę pośrednią i transmisyjną kanał mikroprzepływowy drugi ma wspólny wlot i wylot z kanałem mikroprzepływowym pierwszym; na warstwie kanałowej wyższej znajduje się warstwa graniczna górna oraz podłoże górne z metalizacją, ponadto przez wszystkie warstwy przebiegają połączenia elektryczne metalizacji podłoży górnego i dolnego oraz gniazd aparatury pomiarowej. Korzystnie, długość linii transmisyjnej jednego obwodu jest wielokrotnością długości linii transmisyjnej drugiego obwodu mikrofalowego. Korzystnie, połączenia elektryczne wykonane są w postaci szeregu przelotek, przy czym przelotki masy stanowią połączenie metalizacji podłoży górnego i dolnego, zaś przelotki złączy łączą metalizację z gniazdami aparatury pomiarowej. Zaletą układu mikroprzepływowego ze zintegrowanymi elementami mikrofalowymi jest wykonanie z niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej, niezmieniającej swoich właściwości fizycznych i chemicznych w zakresie wysokich temperatur oraz charakteryzującej się niską wartością względnej przenikalności elektrycznej. Ostatnia wymieniona cecha ma wpływ na selektywność grzania dielektrycznego (za pomocą energii mikrofalowej) głównie cieczy znajdującej się w kanale, bez niepożądanego wzrostu temperatury podłoża oraz umieszczonych na nim elementów przewodzących. Ponadto odporność chemiczna niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej umożliwia badanie właściwości cieczy biologicznych. Dzięki propagowaniu fali elektromagnetycznej w zakresie mikrofalowym linią transmisyjną (quasi-paskową) znajdującą się pomiędzy górną oraz dolną częścią kanału z badaną/grzaną cieczą, na podstawie pomiarów parametrów rozproszenia, można wyznaczyć straty mocy w podłożu lub scharakteryzować próbkę znajdującą się w mikrokanale. Symetria dwóch obwodów mikrofalowych, w sensie techniki mikrofalowej, w połączeniu z zastosowaniem wielokrotności długości jednej linii transmisyjnej w stosunku do drugiej, umożliwia zastosowanie metody ekstrakcji macierzowej w wyznaczeniu parametrów układu. Ceramiczny moduł mikroprzepływowy ze zintegrowaną mikrofalową linią transmisyjną jest przedstawiony bliżej w oparciu o rysunek, którego fig. 1 przedstawia kolejne warstwy modułu, natomiast fig. 2 przekrój poprzeczny, a fig. 3 rzut z góry z odsłoniętymi częściami warstw. P r z y k ł a d 1 Moduł wykonany jest z warstw niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej, przy czym na dwóch skrajnych warstwach, podłożu dolnym 1 oraz górnym 2, znajdują się metalizacje 3. Na podłożu dolnym 1 znajduje się warstwa graniczna dolna 4, na niej następnie warstwa kanałowa niższa 5 z wykonanym kanałem mikroprzepływowym pierwszym 6 w formie u-kształtnego meandra, którego wlot i wylot znajdują się po przeciwnych stronach modułu. Na warstwie kanałowej niższej 5 znajduje się warstwa transmisyjna 7 z wykonanymi dwoma symetrycznymi obwodami mikrofalowymi 8 wraz z wyprowadzeniami elektrycznymi 9 stanowiącymi gniazda aparatury pomiarowej, przy czym każdy z obwodów 8 składa się z symetrycznych układów dopasowujących 10 oraz linii transmisyjnej 11. Linie transmisyjne 11 przebiegają równolegle wobec siebie i każda z nich przebiega, w rzucie z góry, nad jednym z dłuższych odcinków u-kształtnego kanału mikroprzepływowego pierwszego 6, a długość każdej z linii transmisyjnych jest równa długości odcinka kanału nad którym przebiega. W warstwie transmisyjnej 7 jest także wykonany wlot i wylot kanałów mikroprzepływowych pierwszego 6 i drugiego 12. Następnie moduł posiada warstwę pośrednią 13, w której wykonane są wlot i wylot kanałów mikroprzepływowych pierwszego 6 i drugiego 12, następnie warstwę kanałową wyższą 14 z wykonanym kanałem mikroprzepływowym drugim 12, wykonanym identycznie jak kanał mikroprzepływowy pierwszy 6, w formie u-kształtnego meandra i w rzucie z góry przebiegającym identycznie jak kanał mikroprzepływowy pierwszy 6. Poprzez warstwę pośrednią 13 i transmisyjną 7 kanał mikroprzepływowy drugi 12 ma wspólny wlot i wylot z kanałem mikroprzepływowym pierwszym 6. Na warstwie kanałowej wyższej 14 znajduje się warstwa graniczna górna 15 oraz podłoże górne 2 z metalizacją 3. Ponadto przez wszystkie warstwy przebiega szereg przelotek stanowiących połączenia elektryczne, przy czym przelotki masy 16a stanowią połączenie metalizacji podłoży górnego i dolnego, zaś przelotki złączy 16b łączą metalizację z gniazdami aparatury pomiarowej 9. Długość linii transmisyjnej jednego obwodu jest wielokrotnością długości linii transmisyjnej drugiego obwodu mikrofalowego, przy czym długości wynoszą odpowiednio 10 mm i 20 mm.

4 4 PL B1 Zastrzeżenia patentowe 1. Ceramiczny moduł mikroprzepływowy ze zintegrowaną mikrofalową linią transmisyjną, wykonany z warstw niskotemperaturowej ceramiki współwypalanej, przy czym na dwóch skrajnych warstwach, podłożu dolnym oraz górnym, znajdują się metalizacje, a także zawierający quasiopaskową linię transmisyjną oraz kanał mikroprzepływowy, znamienny tym, że na podłożu dolnym (1) znajduje się warstwa graniczna dolna (4), na niej następnie warstwa kanałowa niższa (5) z wykonanym kanałem mikroprzepływowym pierwszym (6) w formie u-kształtnego meandra, którego wlot i wylot znajdują się po przeciwnych stronach modułu, następnie warstwa transmisyjna (7) z wykonanymi dwoma symetrycznymi obwodami mikrofalowymi (8) wraz z wyprowadzeniami elektrycznymi (9) stanowiącymi gniazda aparatury pomiarowej, przy czym każdy z obwodów mikrofalowych (8) składa się z symetrycznych układów dopasowujących (10) oraz linii transmisyjnej (11), przy czym linie transmisyjne (11) przebiegają równolegle wobec siebie i każda z nich przebiega, w rzucie z góry, nad jednym z dłuższych odcinków u-kształtnego kanału mikroprzepływowego pierwszego (6), a długość każdej z linii transmisyjnych (11) jest równa długości odcinka kanału nad którym przebiega; w warstwie transmisyjnej jest także wykonany wlot i wylot kanałów mikroprzepływowych pierwszego (6) i drugiego (12); następnie moduł posiada warstwę pośrednią (13), w której wykonane są wlot i wylot kanałów mikroprzepływowych pierwszego (6) i drugiego (12), następnie warstwę kanałową wyższą (14) z wykonanym kanałem mikroprzepływowym drugim (12), wykonanym identycznie jak kanał mikroprzepływowy pierwszy (6) w formie u-kształtnego meandra i w rzucie z góry przebiegającym identycznie jak kanał mikroprzepływowy pierwszy (6), przy czym poprzez warstwę pośrednią (13) i transmisyjną (7) kanał mikroprzepływowy drugi (12) ma wspólny wlot i wylot z kanałem mikroprzepływowym pierwszym (6); na warstwie kanałowej wyższej (14) znajduje się warstwa graniczna górna (15) oraz podłoże górne (2) z metalizacją (3), ponadto przez wszystkie warstwy przebiegają połączenia elektryczne metalizacji podłoży górnego i dolnego oraz gniazd aparatury pomiarowej. 2. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że długość linii transmisyjnej (11) jednego obwodu jest wielokrotnością długości linii transmisyjnej drugiego obwodu mikrofalowego (8). 3. Moduł według zastrz. 1, znamienny tym, że połączenia elektryczne wykonane są w postaci szeregu przelotek, przy czym przelotki masy (16a) stanowią połączenie metalizacji (3) podłoży górnego (2) i dolnego (1), zaś przelotki złączy (16b) łączą metalizację (3) z gniazdami aparatury pomiarowej (9).

5 PL B1 5 Rysunki

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)