Mehrstufige Höhenverstellbarem Lithografie für Valved Mehrschichtige Mikrofluidiksysteme

Das übergeordnete Ziel dieses Videoprotokolls ist es, die vollständige mehrstufige Photolithographie von mikrofluidischen Urformen mit On-Chip-Ventilen und mehreren Höhenmerkmalen zu demonstrieren, die für jede Anwendung abstimmbar sind. Diese Methode bietet einen vollständigen Überblick über die Herstellung von Urformen mit komplexen Geometrien, einschließlich On-Chip-Membranventilen, für mikrofluidische Geräte. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie es ermöglicht, den Durchfluss in mikrofluidischen Geräten einfach zu kontrollieren und damit eine große Barriere für den Einstieg in die Mikrofluidik in biologischen Anwendungen zu überwinden.

visuelle Demonstration dieser Technik ist von entscheidender Bedeutung, da die Schritte für die Fotolithografie für Anfänger oft schwer zu beherrschen sind. Die richtige Ausrichtung, Entwicklung und Belichtung hängen von visuellen Hinweisen und der Erfahrung im Reinraum ab. Gestalten Sie zunächst Ihr Gerät und bereiten Sie die einzelnen Fotomasken für die Multilayer-Geometrien vor.

Bereiten Sie zusätzlich etwa vier Wafer mit einer Fünf-Mikrometer-Schicht aus SU-8 2050 Negativ-Fotolack vor und belichten Sie die Flut, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben. Legen Sie den beschichteten Wafer auf einen Spin-Coater und schalten Sie das Vakuum ein, um ihn am Spin-Chuck zu befestigen. Verwenden Sie Stickstoff oder Druckluft, um Staub von der Oberfläche wegzublasen.

Tragen Sie dann zwei bis drei Milliliter positiven Fotolack AZ 50XT auf die Mitte des Wafers auf. Schleudern Sie den Fotolack, um eine 55-Mikron-Schicht zu erzeugen. Sobald die Waffel bedeckt ist, legen Sie sie vorsichtig in eine fünf Zoll große Petrischale und lassen Sie sie 20 Minuten lang entspannen.

Anschließend den Wafer auf einer Herdplatte 22 Minuten lang weich backen, während die Temperatur von 65 Grad Celsius auf 112 Grad Celsius mit einer Geschwindigkeit von 450 Grad Celsius pro Stunde erhöht wird. Entfernen Sie dann die Waffel und lassen Sie sie über Nacht bei Raumtemperatur in einer Petrischale ruhen, um sie bei Ort und Stelle zu rehydrieren. Kleben Sie die Flow-Round-Transparenzmaske so auf die Fünf-Zoll-Glasplatte, dass die Druckseite dem Wafer am nächsten ist, und laden Sie sie in den Maskenpositionierer des UV-Masken-Aligners.

Setzen Sie den Einsatz in sechs Zyklen 930 Millijoule UV-Strahlung aus. Entwickeln Sie den Wafer sofort, indem Sie ihn drei bis fünf Minuten lang in ein gerührtes Entwicklungsbad tauchen oder bis das Bad violett wird und die Merkmale zum Vorschein kommen. Nach der Entwicklung entfernen Sie den Wafer und spülen ihn gut mit entionisiertem Wasser ab.

Dann den Wafer hart backen, bis er schmilzt und das Ventil rund. Erhöhen Sie die Temperatur im Laufe von 15 Stunden von 65 auf 190 Grad Celsius mit einer Geschwindigkeit von 10 Grad Celsius pro Stunde. Wenn Sie fertig sind, schalten Sie die Herdplatte aus und lassen Sie den Wafer auf Raumtemperatur abkühlen.

Die Merkmale auf dem Wafer sind nun gerundet. Dieses harte Einbrennen ist entscheidend, um rechteckige Ventilmerkmale ordnungsgemäß in abgerundete Ventilprofile zu reflowen. Kürzere Zeiten können zu Rissbildung oder Instabilität führen.

Um eine Vorrichtung mit variablen Höhenmerkmalen herzustellen, legen Sie den gereinigten Wafer wie zuvor gezeigt auf einen Spin-Coater. Tragen Sie ein bis zwei Milliliter SU-8 2050 Negativ-Fotolack auf die Mitte des Wafers auf und drehen Sie den Fotolack über die entwickelten Ventilmerkmale. Legen Sie dann die gesponnene Waffel vorsichtig in eine fünf Zoll große Petrischale und lassen Sie sie 20 Minuten lang auf einer ebenen Fläche entspannen oder bis alle Streifenmuster verblassen.

Als nächstes heizen Sie zwei Kochplatten auf 65 Grad Celsius und 95 Grad Celsius vor und legen Sie den Wafer dann zwei Minuten lang auf die 65-Grad-Platte, acht Minuten lang auf die 95-Grad-Platte, dann für weitere zwei Minuten auf die 65-Grad-Platte, um den Wafer weich zu backen. Sobald der Wafer wieder auf Raumtemperatur abgekühlt ist, kleben Sie die Maske mit geringer Transparenz auf eine fünf Zoll große Quarzglasplatte, so dass die Druckseite dem Wafer am nächsten ist, und legen Sie sie in den Maskenpositionierer des UV-Masken-Aligners. Platzieren Sie dann den Wafer in einem Aligner-Futter für die UV-Maske und richten Sie mit dem Mikroskopokular oder der Kamera die neuen Merkmale der Durchfluss-Low-Layer-Schicht sorgfältig an den Merkmalen der Flow-Around-Valve-Schicht aus.

Beginnen Sie damit, die horizontale, vertikale und Neigungsachse der Geräteränder an den Geräterandelementen auf der Maske auszurichten. Richten Sie als Nächstes das Fadenkreuz zwischen den Ebenen aus. Vergewissern Sie sich abschließend, dass die Ventilfunktionen die Merkmale für niedrigen Durchfluss an den gewünschten Stellen schneiden.

Als nächstes setzen Sie den Wafer einer UV-Abscheidung von 170 Millijoule aus. Wenn Sie fertig sind, entfernen Sie die Waffel und backen Sie sie nach der Belichtung, indem Sie zwischen den beiden auf 65 Grad Celsius und 95 Grad Celsius eingestellten Herdplatten wechseln. Lassen Sie den Wafer auf Raumtemperatur abkühlen, ohne ihn zu entwickeln, und fügen Sie dann nacheinander die Flow-High-Schicht und dann die chaotische Mischer-Fischgrätenschicht mit SU-8 2025 hinzu, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben.

Nachdem alle Schichten fertiggestellt sind, entwickeln Sie die Merkmale, indem Sie den Wafer 3,5 Minuten lang in ein Rührbad mit 25 Millilitern SU-8-Entwickler eintauchen oder bis die Merkmale deutlich sichtbar sind. Verwenden Sie ein Stereoskop, um zu überprüfen, ob die Features klare, definierte Feature-Grenzen haben. Achten Sie während der Entwicklung darauf, alle 20 Sekunden zu überprüfen, ob die Funktionen vollständig definiert sind und der Resist weggespült wurde.

Eine Überentwicklung kann zu einer Beschädigung der Merkmale führen, insbesondere bei komplexen Werkzeugkonstruktionen. Dann backen Sie den Wafer hart, um alle Eigenschaften des Fotolacks zu stabilisieren. Stellen Sie anschließend die Kontrollschicht her, wie im begleitenden Textprotokoll beschrieben.

Stellen Sie mehrschichtige mikrofluidische Geräte in einer Pushup-Geometrie auf Glas gemäß bestehenden Open-Access-Protokollen her und stellen Sie durch visuelle Inspektion sicher, dass alle Ventile korrekt auf die Steuerleitungen ausgerichtet sind und dass alle Einlässe vollständig gestanzt sind, bevor Sie fortfahren. Schließen Sie mit Wasser beladene Tygon-Schläuche an ein Durchflusskontrollsystem an, z. B. eine Spritzenpumpe, Fluidikregler oder ein Open-Source-Magnetventilarray mit Reservoirs. Verbinden Sie als Nächstes die Metallstifte mit den Schläuchen und die Metallstifte mit den Geräteanschlüssen an den Steuerleitungseingängen.

Stellen Sie dann das Durchflusskontrollsystem für jede Leitung auf 25 PSI ein, um die Steuerleitungen des Geräts unter Druck zu setzen. Stellen Sie sicher, dass die Ventile durch Inspektion unter dem Mikroskop schließen und wieder öffnen. Suspendieren Sie in einem Mikrozenrifugenröhrchen 3,9 Milligramm Photoinitiator in 100 Mikrolitern DI-Wasser, um die Photoinitiatorlösung herzustellen, die zur Polymerisation von Tröpfchen zu Hydrogelkügelchen verwendet wird.

Decken Sie die Lösung ab, um sie vor Licht zu schützen. In ein zweites Mikrozentrifugenröhrchen geben Sie 132 Mikroliter deionisiertes Wasser, 172 Mikroliter PEG-Diacrylat, 12 Mikroliter der Photoinitiatorlösung und 85 Mikroliter HEPES-Puffer, um die Hydrogel-Tröpfchenlösung herzustellen. Übertragen Sie die Hydrogel-Tröpfchenlösung in ein maßgeschneidertes Kryoröhrchengefäß.

Verbinden Sie dann den Schlauch des Kryoschlauchbehälters mit einer steuerbaren Druckquelle und verbinden Sie den PEEK-Schlauch mit dem Reagenzieneinlass des Geräts. Führen Sie anschließend den PEEK-Schlauch in den Geräteauslass ein, um die Tröpfchen aufzufangen. Entfernen Sie Luftblasen aus dem Gerät, setzen Sie das System wieder unter Druck, entlasten Sie dann das RO1-Ölventil und stellen Sie den Öldruck auf 10 PSI ein.

Stellen Sie als Nächstes den PEG-Gemischdruck auf neun PSI ein, entlasten Sie die vorgeschalteten Ventile und passen Sie den Druck nach Bedarf an, um Tröpfchen der gewünschten Größe zu erzeugen. Bestimmen Sie die Tröpfchengröße per Mikroskopie mit einer Kamera mit 50 FPS oder höher. Wenn sich die Tröpfchen stabilisiert haben, positionieren Sie eine UV-Lichtquelle über dem Polymerisationsbereich des Geräts und wenden Sie 100 Milliwatt pro Quadratzentimeter 365-Nanometer-Licht von der Quelle auf einen fünf Millimeter großen Punkt an.

Beaufschlagen Sie das Perlsiebventil unter Druck, um zu beobachten, wie sich polymerisierte Kügelchen sammeln, und stellen Sie sicher, dass die Tröpfchen zu Kügelchen ausgehärtet sind. Entlasten Sie abschließend das Perlsiebventil und sammeln Sie die Perlen in einem Rohr durch den PEEK-Auslassschlauch. Dieses Protokoll beginnt mit der Demonstration einer Methode zum Abrunden von Durchflussventilen.

Hier wurde ein Profilometer verwendet, um das typische Rundungsprofil eines Post-Reflow-Ventils zu bestimmen, das sich aus diesem Verfahren ergibt und eine Höhe von etwa 55 Mikrometern aufweist. Im Bild links ist das Ventil ausgeschaltet und Flüssigkeit kann durch die Kanäle strömen. Nach der Aktivierung durch Beaufschlagung der Ventile wird der Durchfluss durch diese Ventile unterbrochen.

Hier kann man den Bead-Synthesizer-Baustein in Betrieb sehen, der am T-Übergangs-Tröpfchengenerator Hydrogel-Tröpfchen in einer Ölemulsion erzeugt. Durch das teilweise Schließen eines nachgeschalteten Durchflusses mit einem Siebventil kann die Flüssigkeit weiter fließen, aber die Kügelchen werden hinter dem Ventil eingeschlossen. Die mit diesem Verfahren hergestellten Kügelchen hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von 52,6 Mikrometern bei einer Standardabweichung von nur 1,6 Mikrometern.

Von fast 3.000 Perlen lagen weniger als 1 % um mehr als drei Standardabweichungen daneben. Einmal gemeistert, kann diese Technik in drei Tagen vom Entwurf bis zum Testen abgeschlossen werden. Dies ermöglicht eine schnelle Design-Iteration.

Nach diesem Verfahren können auch Forscher mit wenig Erfahrung in der Herstellung ihre eigenen komplexen mikrofluidischen Geräte bauen und sie auf ihre eigenen biologischen Probleme anwenden. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie die Photolithographie-Schritte durchgeführt werden, die zur Herstellung von mikrofluidischen Geräten jeder Komplexität erforderlich sind, einschließlich Geräten mit komplexen höhenvariablen Merkmalen oder Ventilen.