英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

微型通道中三维银-聚二甲基硅氧烷（Ag-PDMS）微桥的制备和热阻行为表征

Sina K. Marama, Boris Barrona,b, Jacob C.K. Leunga, Manu Pallapaa, Pouya Rezai a,lowast;

a Department of Mechanical Engineering, York University, Toronto, ON, Canada

b Department of Physics, York University, Toronto, ON, Canada

聚二甲基硅氧烷(PDMS)的微结构，如微柱，作为微流控装置的致动器具有广泛的应用。随着功能材料的加入，如银(Ag)粒子，PDMS结构也可以获得诸如电导等传感特性。在本文中，我们介绍了一种利用牺牲琼脂制备新型双面铰链PDMS和Ag-PDMS微结构的技术，称为三维微桥，悬浮在PDMS通道的中间。该技术提供了简单和一致的制造直径为90-200米的高长径比（sim;44）微桥。该设计的优点是在通道的大部分区域产生导电的Ag-PDMS微桥，在通道侧壁有可接近的终端，用于连接外部电气仪器。这使我们能够研究Ag-PDMS微桥的电学性能及其热阻行为，以便将来作为温度传感器的应用。结果表明，不同直径的70%Ag-PDMS微桥的电阻在10-110范围内。

—2018爱思唯尔律师公司保留所有权利。

关键词：复合PDMSPDMS、微结构Ag-PDMS、微桥导电、PDMS热阻行为。

引言

微结构，如垂直站立的微柱，通常用于微机电系统(MEMS)和微流控设备，因为它们的高表体积比，使它们适合于微型设备的传感和驱动目的。微柱已广泛应用于高通量筛选平台[1]、剪切应力传感器[2]、电化学传感器[3]、细胞分离器[4]、微流体混合器[5]和流动雕刻家[6]。这些微柱大多数是由高聚物材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的，因为它们提供低成本、易于制造、生物相容性和显微镜下实验可视化的光学可及性。然而，PDMS和大多数聚合物缺乏多功能性，如导电，同时提供机械稳定性。

功能填料如碳纳米结构[7–9]、石墨烯[10]、氧化铝[11]、氮化硼[12]和银(Ag)(8,13-15]已被广泛应用于多功能聚合物复合材料的开发，使其适合于更广泛的应用。例如，导电聚合物复合材料在生物电子学[16,17]、电信[18]、电子纺织品[19,20]和汽车技术[21]中提供了创新的转导特性。金属基PDMS复合材料已被用于传感和驱动应用的电导性和机械灵活性的[8,9,14]。牛玉等人。利用碳纳米管-PDMS和Ag-PDMS复合材料开发了平面和三维导电微结构，并应用于软电子封装[8]。其他研究利用Ag-PDMS导电复合材料在开放通道[14]微加热器中的自加热行为或耦合两种复合材料的相反温度响应，以减少热应用[9]中与温度传感相关的误差。然而，复杂功能的微量制造。

聚合物和复合聚合物的微结构大多是用传统的减法和添加剂技术制造的。减法微粒加工包括逐层去除材料，这有助于实现具有精确尺寸的微粒结构。最常见的减法微细加工技术是飞秒激光烧蚀[24,25]、聚焦离子束蚀刻(FIBE)[26,27]和反应性离子蚀刻(RIE)[4,28]。然而，这些技术需要专门的昂贵设备，然而，用这些方法很难用复合聚合物制造高纵横比和复杂的微结构（如角度微悬臂梁）。添加剂微加工包括材料层的顺序组装，以构建具有微纳米和纳米分辨率的小型化结构。这是一个并行的过程；因此，可以实现快速周转和低成本的批量制造。最常见的添加剂微细加工技术是光刻技术[29,30]。该方法与软光刻[31–33]和复制模塑[34,35]相结合，制备了多种聚合物微器件。

尽管传统方法存在上述局限性，但3D石墨烯[3]和高纵横比氧化铁[5]复合PDMS微柱。敏感的酶基苯酚检测[3]和磁性微流控混合[5]已成功地证明与这些微柱。然而，微柱的高宽比有限，很难在通道中以一个角度或水平方向定位。此外，微柱不能从其悬挂端连接到外部电路，用于（电气）传感应用。因此，它们作为微流控装置中的传感器的效用是相当有限的。

在本文中，我们展示了一种低成本的技术，用于开发新型的三维和导电的微悬臂梁，从两端连接到微通道的侧壁（称为微桥）。由于传统的脱模工艺不能用于制造微桥，我们设计了一种基于牺牲层的制造技术，琼脂是一种广泛用于微生物学的低成本相变水凝胶材料，用于开发悬浮在通道内的导电性Ag-PDMS微桥。琼脂与PDMS兼容，其制备、沉积和释放都很容易实现，而不需要专门的设备或洁净室设施。首先研究了PDMS和Ag-PDMS微桥的制备和电气性能一致性。然后，对复合Ag-PDMS微桥的热阻响应进行了表征，证明了其在传感通道内流体体温度方面的应用潜力。该技术展示了在完全封闭的流控装置中开发电响应微桥的潜力，不仅用于热传感应用，而且用于传感其他流体特性和流体中生物物质的存在。

材料和方法

2.1. 材料和消耗品

用于制备牺牲层的琼脂粉(A5306)购自SigmaAldrich(Mo，USA)。将琼脂粉以4%的重量比例加入到含有去离子(DI)水的烧杯中。烧杯放置在热板上，设置为100℃，在将琼脂浇在主模具上之前，使用磁力搅拌器彻底溶解粉末。

PDMS(Sylgardreg;是用于制造器件和导电聚合物复合材料的184硅胶弹性体试剂盒)，购自道康宁公司(MI，USA)。PDMS按照供应商推荐制备，即预聚合物和固化剂按5：1、10：1或20：1的比例手工混合。为了制备导电复合材料PDMS，将银粉(327093-10g，5-8m银颗粒，纯度99.6%)加入到50%-80%的PDMS预聚物中，并完全混合。然后在真空下脱气10min，以去除在手动混合过程中形成的任何气泡。

以三种不同尺寸的铜线(91plusmn;3m，141plusmn;1和203plusmn;1m)作为模板，在凝固的琼脂副本中形成不同大小的空腔。为简单起见，本文将这些铜线模板分别标记为90m、140m和200m。流体通道的油管和互连件分别从Cole-Parmer公司(IL，美国)和Qosina公司(NY，美国)购买。

2.2. 用于流体装置的复制模具

制造微桥的过程包括将PDMS和Ag-PDMS铸造到琼脂基的软模具中，该模具可以在PDMS聚合后通过热熔释放（见第3.1节）。软模具是通过复制3D打印热塑性主模具(Objet260Connet，MN，美国)制作的，如图1所示。主模具的设计包括一个40毫米长，4毫米宽和1.5毫米深的通道和4毫米直径的输入和输出水库。通道的宽度与微桥的长度相对应，并选择足够宽的宽度来研究高纵横比（20lt;长度/直径lt;45）微桥的制作。通道的深度为1.5毫米，使我们可以使用相同的主模具制造不同直径的微桥。3D打印主模包含侧壁孔，其中直径分别为90m、140m、200m的金属线模板已经通过的这些电线作为可移动的模板，用于复制腔内的琼脂。针对每个通孔和通道的两侧，我们设计了用PDMS或Ag-PDMS复合材料填充的大型水库。这些储层还充当容器，容纳银触点(2.54mmJST连接器)，用于对Ag-PDMS微桥施加电流。

图1。3D打印主模具（左）靠近软琼脂模具（右），通过将100℃琼脂复制成型到主模具上并冷却至室温获得。

2.3. 微桥的机械和电气表征的实验程序

所制备的微桥最重要的力学特性是它们与用于制造的钢丝模板的尺寸一致性。微桥的尺寸由生物成像仪BIM500倒置生物显微镜(ON，加拿大)进行测量，并使用点灰蚱蜢3CMOS相机(BC，加拿大)进行测量。从每个微桥上捕获了三张图像，即两幅在连接到通道壁的端点，一张在微桥的中心。使用开源的ImageJ软件[36]，根据经过校准的全球尺度对图像进行分析。在不同位置的尺寸测量可以确定微桥长度的直径均匀性。制作了每个微桥尺寸的三个样品，并进行了尺寸表征，以确定该方法的一致性。

在制造微桥之前，通过一组初步实验评估了各种Ag-PDMS预聚合物的最佳流动条件及其电导率。在这些试验中，制备了银含量50-80%、5：1、10：1或20：1的Ag-PDMS复合材料，并通过液压铸入PDMS通道，然后在80◦C下固化1小时。这些复合预聚合物的流动性和固化的Ag-PDMS板的电学性能被检查，如补充信息文件所述。

用实验装置如图2所示，对通道中Ag-PDMS微桥的电电阻性能和热电阻性能进行了表征。它由两个冷（室温）源和热去离子水组成，通过一个阀门系统连接到设备的入口。使用热电偶(带有k型探头的MM200Kleine工具)在微桥附近测量了入口流动温度。微桥在两端连接到一个电源表(2410，美国Keithley，S)，以测量它们的电阻，并研究它们的热阻响应，如下所述。

图2。在不同流体温度下测量通道中微桥的电阻和热阻特性的实验装置。设置由两个注射器泵运行流体通道，热板水容器控制注入水的温度，热电偶来测量实际温度的水在水库，和源表测量Ag-PDMS微桥的电阻。

在室温下进行了延时电阻和电流扫描测量，以确定微桥在不同电流和较长时间内的电阻。为了确保低电流下的电稳定性，向微桥两侧的金属接触点提供50A电流15min，每30秒记录一次电压的变化。在另一项测试中，以10秒的间隔向金属触点提供从50A到2mA的电流，并记录沿着微桥的电压降。电阻的计算方法是将记录的电压降除以所施加的电流。

通过测量使用注射泵将加热后的去离子水泵入通道时的电阻，研究了微桥的热阻性能。为了研究任何流动诱导的电响应，将室温去离子水以14mm/s到70mm/s的不同平均速度插入到通道中。采用归一化电阻的方法研究了微桥的流动诱导或热阻特性。它被定义为设定流速或温度下的电阻除以初始状态下的电阻（即固定流体或室温下流动的去离子水）。

结果和讨论

PDMS是一种弹性体聚合物，是制造流体装置[37]中最常用的材料之一。软光刻和复制成型已广泛应用于PDMS微流控装置[38]的制造。PDMS提供低成本的生产成本，易于复制成型，灵活性，光学透明度和合理的生物相容性[39]。在过去的十年中，PDMS通过将微颗粒和纳米颗粒加入到PDMS聚合物基体中，被积极地用于功能化复合材料的开发。这些多功能聚合物复合材料具有PDMS固有的灵活性和成形性，以及增强的电[8]、机械[7]、磁性[40]、热[9,41]或光学[16]性能。

在这里，我们展示了一种在通道内制造新型悬浮导电Ag-PDMS微桥的技术，并展示了它们的热阻响应，用于未来流体温度的传感。Ag-PDMS预聚合物的粘度和流动性以及固化复合材料的电导率是制备微桥最重要的材料特性之一。PDMS碱与交联剂的比值显著影响了流动性，而银颗粒的浓度对复合聚合物的电导率有显著影响。补充信息文件中讨论的初步实验表明，70%银混合10：1比基：交联剂PDMS提供了最好的组成，在预聚合物的流动性和固化Ag-PDMS复合材料的电导率方面，以继续我们的测试。

3.1. 通道中三维微桥的制作

我们将微桥定义为从两端连接到通道壁的悬浮的水平微结构。它们不能用传统的软光刻方法来制造，包括从主模具上剥离精细的微观结构。因此，我们使用了一个牺牲的软琼脂模具，并对一个3D打印的主模具进行了复制，如图2.2节中的图1所示。琼脂模具可以在任何需要的时间熔化，释放悬浮的PDMS和Ag-PDMS微桥，而不受过度的力。这些微桥在我们的实验设置中如图2所示，使用了第2.3节中讨论的程序。

微桥的制作过程如图3a所示。首先，将平均直径分别为90m、140m和200m的金属线模板插入塑料主模侧孔，穿过通道（图3a-i）。这些电线作为可移动的模板，复制的琼脂内的模具。然后将高温琼脂（100◦C）倒入主模具中，允许其冷却并设置至室温将近1小时（图3a-ii）。琼脂牢固后，导线模板从模具中轴向缩回，留下琼脂内的空洞(图1和图3a-iii)，作为PDMS或Ag-PDMS预聚合物流过并形成所需的微桥。为此，琼脂软模具首先从主模具中移除，并放置在一个铝箔容器中。制备了纯PDMS或70%Ag-PDMS预聚合物复合材料（10：1比基：交联剂），并小心地装入琼脂模具中由钢丝模板形成的空腔的储层中。通过将银JST连接器插入充满Ag-PDMS预聚合物的储层中进行电接触，让聚合物流入微桥腔，并在室温下部分固化过夜（图3a-iv）。复合材料进入空腔的流动性是最重要的特性之一，对于具有较低浓度银颗粒和PDMS基的Ag-PDMS预聚合物可以增强（详见补充信息文件）。复合材料的过夜固化避免了在后续步骤中Ag-PDMS微桥与PDMS支架和通道结构的混合。在Ag-PDMS固化后琼脂腔，纯PDMS预聚物铸造在牺牲琼脂模具上（图3a-v）。PDMS载体和通道结构的聚合是过夜完成，或将铝容器放置在设置为80◦C的热板上近一个小时，直到固化完成。一旦PDMS被完全固化，铝箔就被移除。然后将组件浸入去离子水烧杯中，放置在95℃的热板上1小时，熔化并去除牺牲琼脂（图3a-vi）。避免沸腾，以防止产生不必要的气泡，可能损坏脆弱的微桥。琼脂在热水中完全溶解后，将由PDMS（主通道结构）和Ag-PDMS（微桥和电垫池)制作的装置从水浴中除去，在35℃的温控室中干燥（图3avii)。在通道的两端各打两个孔，在通道的入口和出口侧安装大师reg;管 为了封闭通道，使用等离子体清洁剂(PDC001HP，哈里克等离子体)，通过氧等离子体结合的方法将固化的PDMS板熔合到开放通道的底部。图3b和3c显示了制备的悬浮在4mm宽通道中间的135mPDMS和143mAg-PDMS微桥的样品和显微镜图像。

据我们所知，这是第一次展示了制造跨越PDMS通道宽度的3DPDMS和复合PDMS微桥的技术。这些结构可用于大量流体的驱动和传感应用。例如，微型通道和微通道的流动通常处于低雷诺数层流状态，导致流体颗粒和悬浮的生物物质，如循环肿瘤细胞或致病菌的流线型运动。因此，在主要进入流体-固体界面的通道壁上制造的大多数电流传感器，并不能有效地实现流体中这些目标的传感或驱动。我们预计，

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[590796]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word