Fabricación con láseres ultrarrápidos de dispositivos microfluídicos

Ley Garrido, Alejandro (2018). Fabricación con láseres ultrarrápidos de dispositivos microfluídicos. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Fabricación con láseres ultrarrápidos de dispositivos microfluídicos
Autor/es:
  • Ley Garrido, Alejandro
Director/es:
  • Molpeceres Alvarez, Carlos Luis
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2018
Materias:
Palabras Clave Informales: láser, microcanales, microfluídica, ablación
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Física Aplicada e Ingeniería de Materiales
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Cuando se tiene un volumen de fluido suficientemente pequeño las fuerzas de superficie ejercen una mayor influencia que las de volumen y el comportamiento del fluido cambia. En particular se produce un predominio de las fuerzas viscosas sobre las fuerzas inerciales, así como la existencia de un flujo laminar. Este cambio de comportamiento proporciona una serie de ventajas en investigaciones que requieren el uso de fluidos, como una mayor precisión en el manejo de los volúmenes y flujos, un menor uso de reactantes o menores tiempos de reacción. Esto ha llevado al desarrollo de los dispositivos microfluídicos, cada vez con más aplicaciones especialmente en el campo de la biotecnología. Como resulta natural una parte fundamental de dichos dispositivos es la fabricación de los microcanales por los que circulan los fluidos. Aunque existen diversos métodos para la formación de microcanales, los láseres presentan unas claras ventajas en este campo: la alta densidad de energía emitida posibilita la eliminación de material de una forma controlada y precisa. Por otro lado, aunque inicialmente los materiales empleados fueron fundamentalmente silicio y vidrio, hoy en día existe una gran diversidad de materiales interesantes para este tipo de dispositivos. En este trabajo se muestra un estudio de formación de microcanales utilizando una fuente láser pulsada con pulsos de aproximadamente 15 picosegundos de duración y capaz de emitir a tres longitudes de onda diferentes: 1064 nm, 532 nm y 355 nm. Como material de trabajo se utilizó policarbonato debido a las condiciones ideales que ofrece para estos ensayos, entre las que se encuentran su alta resistencia a la tracción y a la deformación térmica. La parte principal de este trabajo consiste en el estudio de estos microcanales y comprobación de su utilidad mediante la fabricación de sencillos dispositivos microfluídicos. Previamente a los experimentos de fabricación de canales se realizó un análisis de las características del sistema láser, localizándose la posición de foco para cada una de las tres longitudes de onda empleadas (aquella posición en que el haz láser está más concentrado), así como el tamaño del haz en dicha posición. También se realizó un estudio de la fluencia umbral de ablación del policarbonato, esto es, la mínima energía necesaria para eliminar material. Se realizó una parametrización con las tres longitudes de onda buscando microcanales con unas dimensiones tanto de anchura como profundidad de unas pocas decenas de micras, y una rugosidad lo más baja posible. Para ello se variaron los parámetros de proceso que afectan a la energía que se deposita en la muestra (velocidad de avance, potencia media, frecuencia de repetición de pulsos y número de pasadas). Al trabajar con 355 nm se obtuvieron microcanales bastante uniformes con valores de ancho cercanos a los 20 μm, de profundidad ligeramente inferiores a los 10 μm y de rugosidad que se aproximan a los 400 nm. Se observó que utilizar dos pasadas del láser por cada surco mejoraba considerablemente la uniformidad de los conductos. Con luz de longitud de onda de 532 nm mostraron una peor uniformidad los canales, con valores habituales de la rugosidad alrededor de los 800 nm. En estos canales se midieron anchuras cercanas a 30 μm y profundidades menores a 10 μm para casi todas las velocidades de avance, con valores más pequeños que los deseados. Por último, al trabajar con 1064 nm se obtuvieron surcos con valores de rugosidad mucho más elevados que en los anteriores casos en el entorno de los 5000 nm. Por otro lado las profundidades alcanzadas fueron de 30 μm con valores de ancho similares a los medidos en las anteriores pruebas, lo cual hace más fácil el paso de líquido por estos conductos. De los resultados anteriores se escogieron parámetros de proceso en UV e IR y se procedió a la fabricación de dispositivos microfluídicos sencillos, utilizando una segunda pieza de policarbonato (en la que se sitúan los orificios para entrada y salida de fluidos) para completar el circuito. Estas dos placas se unen mediante un método térmico, en el cual se presionan ambas utilizando una serie de clips y se introducen en un horno en el que se dejan calentar a 180ºC durante un periodo de una hora. La introducción de agua mezclada con colorante a presión por el agujero de entrada y la observación por microscopio permitió la comprobación del paso de fluidos a través del dispositivo. Por último se demostró la capacidad de realizar canales con diseños libres y complejos. Como conclusión, se han conseguido parámetros de proceso para microcanales funcionales tanto con parámetros en UV como en IR con los que se han fabricado dispositivos microfluídicos sencillos.

Más información

ID de Registro: 50399
Identificador DC: http://oa.upm.es/50399/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:50399
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 21 Abr 2018 15:03
Ultima Modificación: 21 Abr 2018 15:03
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