Anales AFA Vol. 36 Nro. 1 (Marzo 2025 - Junio 2025) 16-20
MONITOREO TÉRMICO EN MICROCANALES
THERMAL MONITORING IN MICROCHANNELS
M. V. Freytes1,2, A. Donofrio1,3 y A. E. Juarez*1,2,3
1Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)
Godoy Cruz 2290- CABA- Buenos Aires- Argentina.
2Grupo de Medios Porosos- Facultad de Ingeniería- Universidad Nacional de Buenos Aires (FiUBA)
Av. Paseo Colón 850- CABA- Buenos Aires- Argentina.
3Universidad General Sarmiento (UNGS)
Av. Juan María Gutierrez 1150- Los Polvorines- Buenos Aires- Argentina.
Recibido: 12/03/2024 ; Aceptado: 10/02/2025
En este artículo se desarrolla un método de monitoreo de temperatura dentro de microcanales. Se diseñó una plataforma
microfluídica para el sensado de temperatura. Se siguió la variación de la intensidad de fluorescencia emitida por una
muestra marcada con rodamina B, cuya fluorescencia es fuertemente dependiente de la temperatura. Se construyó un
dispositivo microfluídico con un inserto de cobre capaz de inducir un gradiente de temperatura en el fluido circulando
en un microcanal, al pasar una intensidad de corriente por el inserto. Se encontró que los perfiles de intensidad de
fluorescencia registrados son consistentes con los gradientes de temperatura esperados. El método resultó eficiente para
implementar en plataformas más complejas.
Palabras Clave: microfluidos, monitoreo térmico, rodamina B.
This article presents a method for temperature monitoring in microchannels. A microfluidic platform was designed for
temperature sensing. The variation in fluorescence intensity emitted by a sample marked with rhodamine B, whose
fluorescence strongly depends on temperature, was monitored. A microfluidic device with a copper insert capable of
inducing a temperature gradient in the fluid flowing through a microchannel, by passing a current intensity through the
insert, was constructed. It was found that the recorded fluorescence intensity profiles are consistent with the expected
temperature gradients. The method proved to be efficient for implementation in more complex platforms.
Keywords: microfluids, thermal monitoring, rhodamine B.
https:/doi.org/10.31527/analesafa.2025.36.1.16 ISSN 1850-1168 (online)
aliciajuarez@conicet.gov.ar
©2025 Anales AFA 16
I. INTRODUCCIÓN
El desarrollo de tecnologías que mejoren la gestión térmica de las arquitecturas electrónicas es un tema particularmente
crítico para las industrias que involucran procesos térmicos en condiciones hostiles de desempeño, como es el caso de la
industria aeroespacial [1], [2]. Dichas arquitecturas, compuestas por dispositivos y aplicaciones de GaN, requieren cada
vez mayores densidades de potencia, con sistemas de empaquetamiento electrónico cada vez más pequeños, que tienen
un rendimiento térmicamente limitado donde los flujos de calor localizados pueden alcanzar valores del orden o superior
a 1 kW / cm2[1]. Los dispositivos de base microfluídica se presentan como una solución a este problema, porque en
intercambiadores de calor el decrecimiento del diámetro hidráulico que implica un aumento de la superficie por unidad
el volumen de flujo, es una forma muy efectiva de eliminar el exceso de calor, produciendo una mejora del coeficiente
de transferencia de calor (HTC) [2]. Un intercambiador de calor microfluídico consta principalmente de un fluido que
transfiere el calor de un sitio a otro a través de una estructura de microcanales. Tuckerman y Peace [3] sugirieron utilizar
microcanales como sumideros de calor para circuitos integrados a muy gran escala (VLSI) para obtener altos rendimientos
al enfriar, hace aproximadamente dos décadas. Desde entonces, numerosos estudios han demostrado una alta tasa de
transferencia de calor obtenida mediante el uso de dispositivos de refrigeración de microcanales. Los intercambiadores de
calor basados en microestructuras generalmente comparten los mismos principios que los de macroescala convencionales.
Morini [4] revisó los resultados experimentales de transferencia de calor convectiva en microcanales. Reportó los valores
de factor de fricción en la transición de flujo laminar a turbulento y número de Nusselt (cociente entre la transferencia
de calor por convección y por conducción) en microcanales. Mostró que en muchos casos los datos experimentales del
factor de fricción y el número de Nusselt en microcanales están en desacuerdo con la teoría convencional. Algunas de
las hipótesis que se han utilizado para explicar las desviaciones son rarefacción y efectos de compresibilidad, efectos de
disipación viscosa, efectos electro-osmóticos, condiciones de superficie del canal (rugosidad relativa) e incertidumbres
experimentales. Teniendo en cuenta esto, se requiere una revisión de la teoría y nuevos estudios para el diseño óptimo de
microcanales y para lograr altos coeficientes de transferencia térmica, por lo que el monitoreo térmico de los procesos
involucrados se vuelve esencial en estos estudios. En este trabajo presentamos técnicas de fluorescencia para el monitoreo
de temperatura en microcanales utilizando como marcador rodamina B, un compuesto orgánico que presenta fluorescencia
y cuyo espectro de absorción tiene un máximo alrededor de la longitud de onda de 532 nm, y una emisión de fluorescencia
entre 570 nm y 590 nm. La intensidad de emisión de fluorescencia de la rhodamina B es fuertemente dependiente de la
temperatura, lo que la hace un muy buen marcador para monitoreo térmico. Presentamos pruebas en plataformas de PDMS
con insertos de cobre, como un modelo muy básico de sistema microfluídico acoplado a un circuito.
II. DISEÑO DEL DISPOSITIVO EXPERIMENTAL
Construcción del dispositivo microfluídico
Para la construcción del dispositivo microfluídico se eligió como material Polidimetilsiloxano (PDMS) por su buena
transmitancia de la luz, no toxicidad y bajo costo [5]. Se utilizó como molde una caja de Petri con una oblea de Silicio
en la base para dar un acabado liso a la pared inferior y dos portaobjetos para delimitar un ancho de 2,5 cm. Se armó un
dispositivo de capas (PDMS-Cobre-PDMS), con un procedimiento de dos etapas de curado. Se preparó 55 g de una mezcla
10:1 de PDMS y agente curador SYLGARD. Se vertió la mitad de la mezcla sobre el molde preparado y se procedió a
su curado durante 30 minutos en una mufla a 80 °C. Se colocó sobre el PDMS y en medio de los dos portaobjetos una
cinta de cobre de 6 mm de ancho y 30 µm de espesor como inserto de cobre y de manera transversal a esta, una varilla
de acero de 4,5 cm de largo de sección rectangular de 500 µm x 1500 µm, a modo de molde para formar el microcanal.
Luego se vertió la otra mitad de la mezcla de PDMS y curador. Se llevó el molde nuevamente a la mufla a 80 °C durante
40 minutos. Luego de 24 horas se separó el PDMS de la oblea de silicio, se retiró la varilla de acero y se cortaron los
extremos lindantes con la pared de la caja de Petri de manera de obtener un dispositivo prismático de 4 cm de largo, 2,5
cm de ancho y un espesor de 0,7 cm, con inserto de cobre y un microcanal, como se esquematiza en la Fig.2.
Preparación de solución de rodamina
Se prepararon varias soluciones de rodamina B (Sigma) en Etanol absoluto (Sintorgan) a fin de encontrar los valores
óptimos de concentración, teniendo en cuenta que una solución muy concentrada absorberá demasiada luz y no se excita-
rán de manera uniforme las moléculas de rodamina a lo ancho del canal y una concentración demasiado baja no permitirá
observar claramente la fluorescencia. Se seleccionó una concentración 0,001% p/p para hacer las pruebas.
Montaje del dispositivo experimental
El montaje del dispositivo experimental se observa en la Fig.1y se representa esquemáticamente en la Fig.2. Se moni-
toreó la fluorescencia de la muestra con un montaje óptico que constó de una lupa de laboratorio Leica conectada a una
cámara policromática que permitía la visualización y registro de las experiencias realizadas. Se acopló un filtro (B+W 58
040 4X) a fin de filtrar la luz debida a la excitación del láser. Se colocó el dispositivo microfluídico sobre un portaobjeto
debajo de una lupa y se atravesaron los extremos de la cinta de cobre con 2 varillas cilíndricas de cobre para conectarlos
a bornes de la fuente de corriente. Se conectó el canal del dispositivo microfluídico con un capilar lleno de la solución de
rodamina B y se lo fijó a una altura que permitiera que el fluido permaneciera estático. Se colocó sobre un posicionador
un diodo láser con emisión en 532 nm para iluminar el canal de manera perpendicular al flujo.
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FIG. 1: Fotografía del dispositivo experimental utilizado.
FIG. 2: Esquema del dispositivo experimental con ampliación en la zona del chip microfluídico.
III. ADQUISICIÓN Y ANÁLISIS DE IMÁGENES
Para cada ensayo se aplicó una determinada intensidad de corriente sobre las varillas de cobre del dispositivo microfluí-
dico mediante la fuente de corriente a fin de calentar el inserto de cobre y se registró un video de la porción del microcanal
más próxima a éste. Seleccionando un valor de intensidad de corriente aplicada, se conoce a qué temperatura llegará el
inserto de cobre cuando llegue al estado estacionario ya que previamente se realizó una calibración de la temperatura
versus corriente aplicada como se observa en la Fig.3. Para realizar la curva de calibración de la Fig.3se aplicó corriente
sobre el inserto de cobre mientras se medía la temperatura con una termocupla hasta que se estabilizara, sin presencia de
fluido.
A continuación presentamos las imágenes finales de cada video registrado durante los ensayos. En las Fig.4- Fig.7
se observan las imágenes de la fluorescencia para las intensidades de corriente aplicada de 1 A a 4 A respectivamente
correspondiente a temperaturas de 24,7, 32,9, 41,2 y 49,4 °C. Se puede ver como la intensidad de fluorescencia disminuye
conforme aumenta la intensidad de corriente y por tanto la temperatura.
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FIG. 3: Variación de la temperatura del inserto de cobre con la corriente aplicada.
FIG. 4: Imagen del sector del canal del chip contiguo al inserto de cobre iluminado con láser cuando la corriente aplicada es de 1 A.
FIG. 5: Imagen del sector del canal del chip contiguo al inserto de cobre iluminado con láser cuando la corriente aplicada es de 2 A.
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FIG. 6: Imagen del sector del canal del chip contiguo al inserto de cobre iluminado con láser cuando la corriente aplicada es de 3 A.
FIG. 7: Imagen del sector del canal del chip contiguo al inserto de cobre iluminado con láser cuando la corriente aplicada es de 4 A.
IV. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Se procesaron las imágenes, midiendo el perfil de intensidad a lo largo de un eje de 1500 µm de largo ubicado de
manera paralela a 500 µm de la pared sobre la que incide el láser. La línea de color rojo en las Figs. 4a7representa
dicho eje sobre el cual se analizaron los perfiles de intensidad. Los perfiles de intensidades registrados tienen implícitas
las contribuciones debidas a la fluorescencia de la rodamina B a diferentes temperaturas y parte de la excitación del láser
que no es eficientemente filtrada. Las curvas azules en las Figs. 8a11 corresponden al perfil inicial normalizado, I0,
antes de la excitación térmica. Se puede apreciar a su vez, en estas curvas la correlación de las mismas con el perfil de
excitación del láser, el cual se corresponde al modo de emisión del mismo, es por eso que pese a no presentar un gradiente
de temperatura, dicho perfil no es uniforme. Por otro lado, estas curvas se normalizan, dividiendo los valores de intensidad
por un valor fijo, Im , de manera que permiten observar las curvas en la misma escala que el cociente de intensidades.
Im= Imax/2 , donde Imax es el valor máximo del perfil inicial . Se analizan los cocientes de las señales, I, respecto del
perfil inicial, I0, para observar separadamente la variación de fluorescencia producida por el gradiente de temperaturas.
En este procedimiento se elimina la contribución a la señal de la excitación láser. En las Figs. 8a11, se graficaron para
distintos valores de corriente aplicados (1, 2, 3 y 4 A), el cociente entre la intensidad de luz registrada, I, en 5 instantes y la
intensidad de luz antes de aplicar la corriente, I0, en función de la distancia al inserto de cobre. Se observa, para diferentes
instantes que el cociente de intensidades relacionado a la intensidad de fluorescencia disminuye en las cercanías del inserto
de cobre. Como es de esperarse, en las cercanías al inserto de cobre donde la T es más alta, la intensidad de fluorescencia
es menor. Se espera un gradiente de temperaturas lineal con la distancia al inserto de cobre, consistente con los cocientes
de intensidad que se muestran en las Figs. 8a11. Se observa a su vez, que las curvas a distintos tiempos no difieren mucho
entre sí, de lo que puede inferirse que en esta condición de flujo cero rápidamente se llega a un estado estacionario.
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FIG. 8: Gráfico de la intensidad de luz normalizada en función de la distancia respecto del inserto de Cobre cuando la corriente
aplicada es de 1 A.
FIG. 9: Gráfico de la intensidad de luz normalizada en función de la distancia respecto del inserto de Cobre cuando la corriente
aplicada es de 2 A.
V. CONCLUSIONES
Se diseñó y construyó un dispositivo experimental para el monitoreo de temperatura en sistemas microfluídicos. Se
observó la variación de la intensidad de fluorescencia con la temperatura a lo largo de un canal microfuídico. Se registraron
los perfiles de intensidades de emisión de fluorescencia en dispositivos con insertos de cobre sometidos a variaciones de
temperatura. Los perfiles registrados son consistentes con los gradientes de temperatura esperados, con temperaturas
mayores en las cercanías del inserto de Cobre que van disminuyendo a medida que se miden en puntos mas alejados del
inserto. Si bien la resolución espacial del registro de intensidades es del orden de los 10 µm, esta precisión se ve afectada
por las fluctuaciones en la intensidad registrada debidas a diferentes motivos, fluctuaciones en la excitación e impurezas
en el armado del dispositivo. No obstante la técnica resulta muy robusta ya que se observan fehacientemente los gradientes
de temperatura a los largo de los microcanales. Se diseñó y construyó un dispositivo experimental para el monitoreo de
temperatura en sistemas microfluídicos. Se observó la variación de la intensidad de fluorescencia con la temperatura a lo
largo de un canal microfuídico. Se registraron los perfiles de intensidades de emisión de fluorescencia en dispositivos con
insertos de cobre sometidos a variaciones de temperatura. Los perfiles registrados son consistentes con los gradientes de
temperatura esperados, con temperaturas mayores en las cercanías del inserto de Cobre que van disminuyendo a medida
que se miden en puntos mas alejados del inserto. Si bien la resolución espacial del registro de intensidades es del orden
de los 10 µm, esta precisión se ve afectada por las fluctuaciones en la intensidad registrada debidas a diferentes motivos,
fluctuaciones en la excitación e impurezas en el armado del dispositivo. No obstante la técnica resulta muy robusta ya que
se observan fehacientemente los gradientes de temperatura a lo largo de los microcanales.
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FIG. 10: Gráfico de la intensidad de luz normalizada en función de la distancia respecto del inserto de Cobre cuando la corriente
aplicada es de 3 A.
FIG. 11: Gráfico de la intensidad de luz normalizada en función de la distancia respecto del inserto de Cobre cuando la corriente
aplicada es de 4 A.
REFERENCIAS
[1] Y. Won, J. Cho, D. Agonafer, M. Asheghi y K. E. Goodson. Fundamental Cooling Limits for High Power Density Gallium
Nitride Electronics. IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 5, 737-744 (jun. de 2015).
ISSN: 2156-3985. http://dx.doi.org/10.1109/TCPMT.2015.2433132.
[2] M. T. Barako, V. Gambin y J. Tice. Integrated nanomaterials for extreme thermal management: a perspective for aerospace
applications. Nanotechnology 29, 154003 (feb. de 2018).ISSN: 1361-6528. http://dx.doi.org/10.1088/1361-6528/aaabe1.
[3] D. Tuckerman y R. Pease. High-performance heat sinking for VLSI. IEEE Electron Device Letters 2, 126-129 (mayo de 1981).
ISSN: 1558-0563. http://dx.doi.org/10.1109/EDL.1981.25367.
[4] G. L. Morini. Single-phase convective heat transfer in microchannels: a review of experimental results. International Journal of
Thermal Sciences 43, 631-651 (jul. de 2004).ISSN: 1290-0729. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2004.01.003.
[5] K. Hosokawa y R. Maeda. Low-cost technology for high-density microvalve arrays using polydimethylsiloxane (PDMS).
MEMSYS-01 531-534 ().http://dx.doi.org/10.1109/MEMSYS.2001.906596.
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