マイクロ流体チップの製造に使用されるセラミック射出成形

May 22, 2024

2022年10月17日

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マイクロ流体デバイスは、応答時間の短縮や分析消費量の少なさなどの重要な利点により、学術研究と産業研究の両方で多大な関心を集めています。 第一世代のマイクロ流体チップの製造にはシリコンが含まれていましたが、現在まで、さまざまなマイクロ流体デバイスの多様な機能に応じて、多数の材料（例、石英/溶融シリカ、ガラス、セラミック、ポリマー、金属）が使用されてきました。

現在、一部のマイクロ流体アプリケーションは、分子内の結合振動周波数を測定し、官能基を決定するために使用される赤外 (IR) 分光法と統合されています。 しかし、マイクロ流体チップで使用されるほとんどのポリマー基板やガラス基板は中赤外領域では透明ではなく、通常の赤外互換材料は高価であり、微細加工が困難です。 透明な多結晶セラミックは透明性の問題を解決でき、必要な微細構造をセラミック基板に低コストで製造できる場合には、FTIR分析と組み合わせたマイクロ流体応用に使用できる可能性があります。

シンガポールに拠点を置くシンガポール製造技術研究所（SIMTech）、機械航空宇宙工学部、南洋理工大学（NTU）、および化学工学科学研究所（ICES）の共同研究プログラムにより、セラミックが射出成形を使用すると、100 µm もの微細な複雑な微細構造を備えたネット形状またはニアネット形状の高性能 IR 透明セラミック マイクロチップを比較的低コストで製造できます。 PIM による望ましい機能プロファイル、微細構造、および光学特性を備えた IR 透明セラミック マイクロ流体チップの製造の実現可能性を概説した研究結果は、Tao Li らによるショート コミュニケーションとして、Research & Development in Materials Science に掲載されました。 2021年7月7日、1707-1712。

この通信の著者らは、平均粒径 0.25 μm の高純度イットリア (Y2O3) 粉末を噴霧乾燥して 30 ～ 50 μm の球状粒子を生成したと報告しました。 焼結温度を下げ、透明性をさらに向上させるために、５モル％の３Ｙジルコニア粉末をボールミル粉砕によってイットリア粉末のバッチに添加した。 次に、この混合物に、パラフィン ワックス (PW)、ポリプロピレン (PP)、ステアリン酸 (SA) をベースとした社内開発のバインダー システムを添加し、CIM 原料を製造しました。

射出成形パラメータを最適化した後、図 1 に示すように、幅 200 μm、深さ 100 μm のマイクロチャネルを備えた 20 x 2 mm の円形ディスクと 25 x 25 x 2.5 mm の正方形マイクロ流体チップが製造されました。成形されたグリーン部品から PW および SA バインダーの大部分を除去するために使用されます。 残った結合剤は多段階の熱脱脂プロセスで除去され、部品は不活性雰囲気中で加熱され、加熱プロファイルが厳密に制御されました。 熱による脱脂後、茶色の部品を高真空炉に移し、1770℃の温度で異なる滞留時間で焼結しました。

前述したように、ジルコニアの添加は透明イットリアの製造において重要な役割を果たします。 1750℃で焼結したジルコニアありとなしのPIMディスクを図2に示します。ジルコニアを添加していない焼結直後のサンプル（図2a）は依然として不透明である一方、ジルコニアを添加するとある程度の透明度が達成されたことが明らかです（図2）。 .2b)。

ジルコニアを含むイットリアディスクサンプルを研磨すると、焼結したままの部品と比較してさらに優れた透明度が得られます（図3）。 研磨された PIM ディスクの光透過率も、未研磨のサンプルと比較して約 10 ～ 20% 増加します。 研究者らは、これは、研磨されていない表面と比較して、研磨された表面で散乱される光が少ないためであると述べています。 研磨後の部品の透過率は可視光域（400～800nm）で50～70％程度です。 透過率は短波長から長波長に向かって増加し、サンプルの赤外波長での透過率は 70 ～ 74% になります。 イットリア単結晶の同波長域での透過率が80％程度であるのに対し、粉末射出成形法で製造される多結晶セラミックスでは90％の透過率が達成できます。