Silicon microthermocycler for point-of-care analytical systems : modeling, design, and fabrication

Pečar, Borut (avtor), Zadravec, Aljaž (avtor), Vrtačnik, Danilo (avtor), Možek, Matej (avtor)

A four-tether silicon microthermocycler for point-of-care PCR analytical systems is proposed. Substituting the commonly employed platinum with titanium in the fabrication of thin film resistance temperature detectors and heaters enabled the realization of a smaller device without compromising temperature accuracy or increasing heater lead power losses. The device was extensively analyzed through analytical modeling and FEM numerical simulations using a 3-D thermo-mechanical simulation model in COMSOL. Numerical simulations revealed that the fourtether design provides a 460% improvement in mechanical strength and a 57% reduction in the thermal time constant compared with a similar three-tether design, with a trade-off of a 22% increase in heat losses. Detailed structural and thermal analyses of crucial design parameters guided the optimization of the final geometry, leading to the successful fabrication of prototypes. It was shown that the current of 60 mA was sufficient to heat the fabricated solid and hollow silicon structure to 132 °C and 134 °C in 10 s for an applied heater power of 510 mW and 525 mW, respectively.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: microthermocycler, thermal capacitance, thermal conductance, thermal time constant, numerical simulation, analytical model, POC analytical systems, PCR, reaction chamber
• Vrsta gradiva: Članek v reviji
• Tipologija: 1.01 - Izvirni znanstveni članek
• Organizacija: FE - Fakulteta za elektrotehniko
• Status publikacije: Objavljeno
• Različica publikacije: Objavljena publikacija
• Leto izida: 2024
• Št. strani: 22 str.
• Številčenje: Vol. 15, iss. 11, art. 1325
• PID: 20.500.12556/RUL-164744
• UDK: 621.3
• ISSN pri članku: 2072-666X
• DOI: 10.3390/mi15111325
• COBISS.SI-ID: 214224643
• Datum objave v RUL: 08.11.2024

Gradivo je del revije

• Naslov: Micromachines
• Skrajšan naslov: Micromachines
• Založnik: Multidisciplinary Digital Publishing Institute (MDPI)
• ISSN: 2072-666X
• COBISS.SI-ID: 523276825

Licence

• Licenca: CC BY 4.0, Creative Commons Priznanje avtorstva 4.0 Mednarodna
• Povezava: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.sl
• Opis: To je standardna licenca Creative Commons, ki daje uporabnikom največ možnosti za nadaljnjo uporabo dela, pri čemer morajo navesti avtorja.

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik
• Ključne besede: mikrotermopomnoževalnik, toplotna kapacitivnost, toplotna prevodnost, toplotna časovna konstanta, numerična simulacija, analitični model, analitični sistemi POC, PCR, reakcijska komora

Projekti

• Financer: ARIS - Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
• Številka projekta: J2-50073
• Naslov: DELNO-INTEGRIRANA SILICIJEVA MIKRO qPCR NAPRAVA ZA HITRO ODKRIVANJE PATOGENOV NA SAMEM MESTU

• Financer: ARIS - Javna agencija za znanstvenoraziskovalno in inovacijsko dejavnost Republike Slovenije
• Številka projekta: P2-0244
• Naslov: Mikrostrukture in nanostrukture