Summary
솔벤트 본딩 고품질 결합을 갖는 열가소성 마이크로 유체 장치를 제조하기위한 간단하고 다양한 방법이다. 우리는 압력, 온도, 적당한 용매, 및 소자 기하의 현명한 조합에 의해 마이크로 상세 보존 PMMA 강한 광학적으로 투명한 결합 및 COP 미세 유동 장치를 달성하기위한 프로토콜을 기술한다.
Abstract
열가소성 마이크로 유체 소자는 실리콘 탄성 중합체로 만들어진 것들에 비해 많은 장점을 제공하지만, 본딩 절차는 관심있는 각각의 열가소성 위해 개발되어야한다. 솔벤트 본딩 플라스틱의 다양한 디바이스를 제조하는데 사용될 수있는 간단하고 다양한 방법이다. 적당한 용매는 두 개의 장치 층 사이에 추가 결합되도록하고, 열 및 압력은 본딩을 용이하게 소자에 적용된다. 용매, 플라스틱, 열 및 압력의 적절한 조합을 사용함으로써, 장치는 고품질의 접합에 의해 밀봉 될 수 있고, 마이크로 높은 결합에 따르면, 접착 강도, 광학 투명도, 시간이 지남에 따라 내구성 및 낮은 변형이나 손상을 갖는 특징 기하학. 우리는 본딩 결과 결합의 품질을 특성화하는 인기있는 두 열가소성 수지, 폴리 (메틸 메타 크릴 레이트) (PMMA), 및 사이클로 올레핀 폴리머 (COP)뿐만 아니라, 다양한 방법으로 만든 장치 및 전략에 대한 절차를 설명 덮지에품질이 낮은 채권를 해결하십시오. 이러한 방법은 다른 수지 - 용매 시스템을위한 새로운 용매 본딩 프로토콜을 개발하는데 사용될 수있다.
Introduction
4 - 마이크로 유체 잘 마이크로 1 화학 및 물리학을 공부 적합, 크게 생물학 연구 2에 기여할 수있는 성장 약속 기술로 지난 20 년 동안 등장했다. 미세 유체 장치의 대부분은 역사적 (PDMS), 폴리 (디메틸 실록산)으로부터, 사용하기 쉽고 저렴한 실리콘 엘라스토머를 제조하고, 고품질의 복제 기능 (5)를 구비하고있다. 그러나, PDMS는 단점을 잘 문서화 및 6,7를 처리 대량 제조와 호환이며, 같은 때문에 대량 생산함으로써 상용화를위한 그들의 잠재력, 열가소성 물질로부터 미세 유체 장치를 제조 향해 성장 추세가 있었다있다.
플라스틱 미세 가공 넓은 채택 주요 장애물 중 하나는 플라스틱 장치로 쉽게 고품질의 결합을 달성하고있다. 현재 전략은 t 채용열 전, 접착제 및 용매를 본딩 기술하지만, 많은 상당한 어려움 겪는다. 열 접합은 형광도 8 증가 종종 미세 형상 9 변형 - 접착 기술 스텐실 조심 정렬이 필요하지만, 11, 궁극적으로 마이크로 채널 (10)에 노출 된 접착제의 두께를 떠난다. 14 - 용매 결합으로 인해 단순, 조정 기능, 저렴한 비용 (10, 12)에 매력적이다. 특히, 그 조정 기능은 마이크로 피처 (14)의 변형을 최소화 일관된 고품질의 접착을 수득 할 수있는 다양한 플라스틱에 대한 최적화를 가능하게한다.
솔벤트 본딩 중에 용매 노출은 접합 계면에 걸쳐 쇄의 상호 확산을 가능하게하는 플라스틱의 표면 근처의 중합체 사슬의 유동성을 증가시킨다. 이것은 확산 사슬의 얽힘 기계적 연동을 통해 발생하며 AP 초래A. 물리적 결합 10. 열 결합은 유사한 방식으로 동작하지만, 연쇄 이동성을 증가 형 고온에 의존한다. 따라서, 열적 방법은 용매의 사용이 크게 본딩에 필요한 온도를 감소시키고, 따라서 불필요한 변형을 감소시킬 수있는 반면, 근처 또는 중합체의 유리 전이 온도 이상으로 필요로한다.
우리는 PMMA와 COP 장치 모두를 접합하기위한 특정 프로토콜을 제공한다. 그러나,이 프로토콜 및 방법은 다른 플라스틱 재료, 용제 및 사용 가능한 장비 맞출 수 열가소성 미세 유체 장치의 용매 결합에 대한 간단하고 일반적인 방법을 설명합니다. 우리는 채권의 품질을 평가하기위한 다양한 방법을 설명합니다 (예를 들어, 채권 범위, 결합 강도, 결합 내구성 및 마이크로 형상의 변형), 이러한 공통의 과제를 해결하는 문제 해결 방법을 제공합니다.
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Protocol
아래 설명 된 모든 단계가 개발 및 비 - 클린 룸 환경에서 수행되어 있습니다. 용매 본딩 단계는 가능하면 확실 클린 룸에서 수행 될 수 있지만, 이것은 필요하지 않다.
열가소성 미세 유체 장치 레이어 1. 준비
- 설계 및 적절한 제조 방법을 사용하여, 선택한 열가소성로부터 미세 유체 소자를 제작 층 (예, 16 엠보싱 micromilling 15 - 18, 사출 성형).
- 시각 에지 "클린"되도록 디바이스 층을 검사 (즉, 제조 공정에서 아니오 버 또는 남은 물질의 융기 부분). 최상의 결과를 광학 현미경으로 상기 장치의 외부 가장자리에 더하여 모든 가공 마이크로 피처 에지를 확인한다.
- 남은 물질은 육안 검사 중에 발견 된 경우, 면도날을 사용하거나 메스 조심스럽게 제거 매트한 평면에 대하여 서로 누워에서 디바이스 층 방지 erial가되도록 층의 인터페이스는 컨 포멀 접촉.
- 청소 장치는 실험실 비누와 물과 압축 공기 건조로 표면. 2 분 동안 2- 프로판올에 장치 층 잠수함과 압축 공기를 건조.
2. 솔벤트 본딩
- 가열 (PMMA의 경우)를 누르거나 (COP에 대한) 핫 플레이트를 준비합니다.
- PMMA (캐스팅 아크릴, ~ 100-110 ° C의 유리 전이 온도) 18 예열 프레스 70 ° C, 그리고 들어 온도가 안정 될 수 있습니다.
- (제조에서 102 ° C의 유리 전이 온도) COP를 들어, 25 ° C로, 핫 플레이트를 예열하고, 온도가 안정 할 수있다.
- 접합 공정에 대한 용매 준비합니다.
- PMMA를 들어, 접합 면적 제곱 인치당 에탄올 0.5ml를 측정한다.
- COP를 들어, 2- 프로판올 및 시클로 헥산, 기지의 65:35 혼합물을 제조본딩 영역의 제곱 인치당 혼합물 0.5 ml를 하 전량.
참고 : 사이클로 헥산은 일반적인 폴리 프로필렌 실험 실용을 용해하므로 COP를 들어, 유리 피펫 및 컨테이너를 사용합니다. 시클로 헥산은 독성 등의 흄 후드의 모든 혼합 및 결합을 수행합니다.
- 세정 플라스틱 층 사이의 접착 면적의 제곱 인치당 0.1 ㎖의 용매를 분배하고 층들을 함께 가져온다. 시각 공통이며, 최대한 제거되어야하는 접합 계면에서의 기포에 대한 검사.
참고 : 빠르게 작업을 용매 분배 된 후, 같은 휘발성 용매가 증발하기 시작합니다 (따라서, 용매 혼합물 조성 변경됩니다) 도움이됩니다.- 거품이있는 경우가 거의 떨어져 올 수 있도록, 접합 계면을 따라 두 개의 플라스틱 층을 밀어 넣습니다 (그러나 접촉을 유지)하고 함께 다시 밀어 넣습니다.
- 정렬 핀 장치의 층을 맞 춥니 다,사용자 정의 지그, 또는 단순히 손으로 (자세한 내용은 토론 섹션을 참조).
- 맞춤 핀을 사용하는 경우, 핀 구멍을 정렬하고, 장치 스택에 핀을 삽입합니다.
- 사용자 정의 지그를 사용하는 경우, 지그에 장치 스택을 삽입하고 장치의 주위에 조입니다.
- 손으로 정렬하는 경우 단말기의 외부 에지를 정렬하기 위해 손가락을 사용한다.
- (PMMA) 또는 (COP에 대한) 사전 가열 된 핫 플레이트 상에 예열을 눌러로 용매 장치를 놓습니다.
- PMMA를 들어, 2 분 동안 압력 2,300 kPa로 적용 할 수 있습니다.
- COP를 들어, 압력 350 kPa로 적용 할 수 있습니다. 5 ℃ / 분의 속도로 70 ° C 내지 25 ° C의 온도를 증가시킨다. 추가로 15 분 동안 70 ℃에서 (9 분 후) C, 결합에 도달 한 후.
- 안전 검사를 위해 뜨거운 장치를 제거 핀셋을 사용합니다. 결합이 완료되었습니다.
- 마이크로 또는 다른 featur에 (장치에 남아있는 액체를 제거들).
- PMMA를 들어, 압축 공기에 남아있는 액체를 제거합니다. COP를 들어, 남아있는 시클로 헥산을 제거하기 위해 24 시간 동안 45 ° C에서 핫 플레이트와 빵에 결합 장치를 배치합니다.
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Representative Results
일반 솔벤트 본딩 절차의 개략도가도 1에 도시되어있다. 채권 품질을 평가하는 가장 쉬운 방법은 불량 채권의 범위가 결합되지 않은 플라스틱의 영역을 쉽게 볼 수 있기 때문에 시각적으로 채권 범위를 검사하고, 약한 결합을 나타낸다. 이러한 영역은 일반적으로 근처의 자유 변 (예를 들어, 장치의 주변, 또는 열린 포트 또는 마이크로 근처)이며, 또한 종종 접합 계면에 오물이나 먼지의 입자 주위에 나타날 수 있습니다. 약한 결합으로 인한 빈약 한 결합 따르면 최적의 용매 조성물과 접합 조건이 발견되기 전에 일반적으로, 프로토콜 개발 단계 동안 본되고, 실시 예는도 2a에 도시되어있다. (I)보다 공격적인 용매 (즉, 높은 농도의 용액 또는 다른 용매), (ⅱ) 더 높은 접합 온도, 및 (iii)보다 높은 접착 PR : 일반적으로, 약한 결합 중 하나 이상에 대한 필요성이 제안essure.
반대로 너무 공격적 접합 조건은 높은 접합 강도와 우수한 접착 따르면 발생할 수 있지만,도 2b에 도시 된 바와 같이, 또한, 마이크로 피처 손상이나 밀봉. 고온 (플라스틱의 유리 전이 온도에 근접)가 상당한 변형이 발생할 수 있지만, 이것은 주로 용매가 너무 공격적 때문이다.
도 2c에 도시 된 바와 같이 고품질 잘 접합 장치는 좋은 결합 커버리지 및 마이크로 피처의 최소 변형을 모두 갖는다. 용매가 매우 휘발성이고 따라서 신속하게 증발하는 경우, 용매 및 온도의 선택에 따라, 장치의 자유 에지 근처 좋은 결합 커버리지를 달성하기 어려울 수있다. 이러한 경우, 관심의 가장자리를 따라, 장치의 설계에 작은 미세 첨가 용매 증발을 완화함으로써 도움도 2D에 도시 된 바와 같이, 결합 커버리지를 개선한다. 우리는 일반적으로 500 X 500 μm의의 단면 치수로 홈을 사용하여 가장자리에서 300 μm의 배치. (14)
본드 따르면 일반 육안 검사 이외에도, 파괴 및 비파괴 시험은 모두 상기 결합 품질과 마이크로 손상을 조사하기 위해 사용되어야한다. 프로토콜 개발 단계에서 유용한 두 파괴 시험 (I) 간 절편되고, (ⅱ) 각각 마이크로 형상과 접합 강도를 평가하기 위해, 별도로 접착 장치 쐐기. 저희가이 편리 성, 정확성 및 비교적 깨끗한 표면의 좋은 조합을 제공 발견으로 우리는 섹션으로 우리의 장치를 micromilling를 사용하여 선호합니다. 서로 다른 도전 과제를 제시 되더라도 밀링 머신의 부재의 다른 접근법이 사용될 수있다. 예를 조심스럽게 스냅, 다이아몬드 톱 또는 밴드 톱 (거친 표면을 잎)으로 절단 포함얻었 선을 따라 장치 (두께 인해 어려울 수 있고, 전단 응력은 박리 장치가 발생할 수 있음), 또는 단순히 장치 (시간 소모)의 일부분을 얻어 연마. 절단의 거친 표면을 연마하여 매끄럽게 할 수 있습니다.
간에 사용되는 방법, 장치 관심 마이크로 피처에 수직 인 단면되어야하고, 육안, 광학 현미경을 사용하여 검사 할 수있다. 마이크로 피처 단면의 크기 및 형상은 결합으로 인해 발생 얼마나 변형 나타낼 것이다. 공격적인 조건 코너 벽 라운딩뿐만 아니라 의한 중합체 팽윤 단면적의 감소를 일으킬 것이다 동안 덜 공격적 용매, 낮은 온도 및 압력은 더 날카로운 모서리가 직선 벽을 유지한다. 전형적인 결과의 이미지는 그림 3에 표시됩니다.
접합 강도는 부분적으로 측정 할 수있다LY 심과 접합 층을 분리하고 쐐기 박리 영역의 가장자리에 심의 가장자리까지의 거리를 측정. 접합 강도는이 거리는, 층 및 심 두께 및 수지의 탄성률로부터 계산할 수있다. 특정 결합 강도 값이 중요하지 않은 경우 14,19은 레이어를 쐐기은 떨어져 채권은 전형적인 힘과 장치를 취급하는 실험 중에 발생할 것만큼 강한 여부를 평가하는 질적 방법을 제공한다.
비파괴 검사는 본래 용도에 맞게 사용할 수를 떠나있는 동안 장치의 품질을 확인하는 데 유용합니다. 간단하고 유용한 방법은 현미경을 통해 검사 마이크로 가장자리 근처 채권 범위에 주로 초점을 맞추고, 또는 작은 본딩 분야에하는 것입니다. 도 4 <도시 된 바와 같이 비 결합 영역 인해 플라스틱 층 사이에 얇은 에어 갭 결합 영역보다 약간 어둡게 나타나고/ strong>을, 현미경 조심 검사에 의해 눈에 띄는해야한다. 결합되지 않은 플라스틱의 지역 찾기 사용하기 전에 장치의 중요한 부분을 밀봉하는 지역화 된 결합의 두 번째 반복을 지시 할 수 있습니다.
마이크로 채널의 손상을 최소화하면서 공격적인 용매 강한 결합을 달성하기위한 유용한 기술이지만, (아닌 용매로 접합면을 침수) 장치 설계 접근 포트 홈을 추가하고, 오직 그루브 용매를 추가하는 것이다. 이것은 크게 마이크로 액체 용매 (증기 여전히 마이크로 입사) 사이의 접촉을 감소시키고,도 5에 도시 된 바와 같이, 결과적으로 변형이 감소시킨다.
의도 장치 응용에 따라 장기적인 내구성 시험이 필요할 수있다. 예를 들어, 우리의 장치의 많은 생물학적 실험을 위해 사용되며, 세포 배양기 ENVI에 상주 할몇 주까지에 대한 했었다는 (37 ° C, 습도 100 %). 내구성이 필요한 시간에 필요한 조건 검사 장치를 배치하여 평가하고, (장치의 박리) 시각적 결합 커버리지의 감소를 위해 나중에 검사하거나, 장치가 쉽게 떨어져 쐐기 수 있도록 결합력을 약하게 할 수있다. 예를 들면도 6에 도시 된 바와 같이, 높은 결합 강도를 달성하기 위해 결합 절차를 수정할 필요를 표시한다.
그림 1 : 본딩 공정의 개략도. 일반적인 솔벤트 본딩 공정이 도시되어있다. 액체 용매는 결합 될 두 열가소성 장치 층 사이에 추가된다. 층을 모아되고 기포의 접합 계면에서의 액체로부터 제거된다. 압력 및 열은 필요한 기간 동안 소자에인가되고, 접합 장치가 완료된다. 모든 재maining 액 열린 포트로부터 제거 될 수있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2 : 변하는 본드 품질의 시각적 예. (A) 다수의 액체 용매 본딩 방식으로 공통적 과제는 신속한 증발 휘발성 용매에 의한 가열 접착 단계에서 장치의 자유 에지 근처에서 발생한다. 이것은 종종 불량 채권에 따르면, 새는 미세 유체 기능, 낮은 전체 결합 강도의 결과로,이 가장자리 근처에 결합되지 않은 재료의 지역으로 연결됩니다. 이 영역은 색 간섭 무늬 (노란색 화살표) 라이터 패치로 볼 수 있습니다. (B) 반대로, 지나치게 공격적인 용매 접합 수율이 우수한 채권에 따르면, 또한 중요한 DAMA 될 수 있습니다GE의 마이크로 피처함으로써 변형 또는 장치 채널 (노란색 화살표)를 해제 폐쇄합니다. (C) 최적화 된 용매 플라스틱 시스템은 좋은 채권 범위와 강도를 달성, 여전히 제대로 밀봉하는 동안 마이크로 피처의 손상을 최소화 할 수 있습니다. 일부의 경우 (D)를 유지 용매를 첨가하여 접합 범위를 개선하고 적절 마이크로 피처 밀봉 도움 장치 에지 (노란 화살표)에 평행 한 홈. 더 결합 따르면 필요한 경우 홈이 필요할 수도 있지만, (의한 마이크로 피처의 생성 증가 손상) 용매 강도를 높여 바람직하다. 스케일 바 = 1mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3 : 보세 장치의 크로스 섹션. 용매 본딩 공정 CA접합 온도 또는 압력이 너무 높으면, 용매가 너무 공격적 경우, 또는 N 마이크로 피처 변형. 결합 장치의 단면을 검사하는 마이크로 변형의 사건을 계시 할 것이다. 각 특정 수지 - 용매 시스템 같은 검사를 수행하는 것은 원하는 마이크로 채널 품질을 달성하기위한 최적의 파라미터를 설정할 수 있습니다. 대표 이미지는 적절한 (왼쪽)과 결합 500 μm의 광장 PMMA 채널의 단면 지나치게 공격적 (오른쪽) 용매 혼합물에 대한 표시됩니다. 용매 - 유도 변형의 정도의 지표 두 모서리와 직선 벽의 라운딩, 용매 (노란 화살표)과 접촉 하였다면에서 수지의 용매 - 풍부 층의 두께이다. 스케일 바 = 200 μm의. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4 : 현미경을 통해 비파괴 검사. 광학 현미경으로 조심 검사는 특히 마이크로 가장자리 근처에 결합되지 않은 플라스틱의 영역을 식별, 또는 작은 접합 영역에 있습니다. 비 결합 영역 (빨간색 화살표)로 인해 플라스틱 층 사이의 얇은 에어 갭 결합 영역보다 약간 어둡게 나타나며, 색 간섭 무늬는 때때로이 분야에서 볼 수 있습니다. 로컬 문제 지점에 첨가 용매 불량한 접합 영역을 식별하는 단계, 결합의 두 번째 반복에 대한 필요성을 나타낼 수있다. 스케일 바 = 1mm.
그림 5 : 만 그루브에 매 추가하여 채널의 손상을 최소화. 현미경 이미지는 2 개의 홈에 의해 둘러싸인 PMMA 채널의 단면을 도시한다. 용매 groov 첨가 될 수있다ES는 두 개의 디바이스 층이 아닌 용매로 접합 계면 범람보다는 함께 가압되어있다. 이것은 크게 마이크로의 내부와 용매의 접촉을 최소화하고, 따라서 용매에 의한 변형을 최소화 할 수 있습니다. 공격적인 용매 높은 접합 강도와 커버리지를 보장하기 위해 필요하지만, 용매와 마이크로 사이의 접촉을 최소화해야 할 때 유용한 방법이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6 : 내구성 (플라즈마 보조 식) 열 접착을 비교. 솔벤트 본딩 (A)는 셀 내의 플라즈마를 이용한 열 접착 (B) 또는 열 융착 (C) 기술보다 나은 결합 품질도 좋은 내구성을 수득인큐베이터 조건 (37 ° C, 습도 100 %). 두 열 기술은 정기적으로 플라즈마를 이용한 열 접합 정기적으로 열 결합보다 더 나은 것을 함께 결합되지 않은 플라스틱 주변 마이크로 피처의 중요한 "후광"을 둡니다. 이러한 결합은 또한 비 결합 영역의 크기가 증가하여, 시간이 지남에 따라 저하. 용제 접착 COP 장치 인큐베이터 (A), 완전히 (B)를 박리 플라즈마 열 접합 장치 48 시간에 걸쳐 접합에서 변화하지 않았다있다. 정규 열 접착 장치는 주변 조건에서 10 분 (C) 내에서 박리하기 시작하고, 또한 인큐베이터에서 완전히 박리. 스케일 바 = 5 mm이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 플라스틱 | 용제 | | 압력 (kPa의) | 소요 시간 (분) | 노트 | | ||
| PMMA | 100 % 에탄올 | (70) | 2,300 | 이 | (고압 필요) 가열을 눌러 사용할 수있는 경우 최선의 선택. 일관 마이크로 피처 낮은 변형과 (용매 고정 홈의 사용없이) 접합 우수한 커버리지를 산출한다. 약간의 용매를 필요로 인해 고압 접합 계면에서 거품 및 먼지 / 오물 매우 둔감하다. | ||
| PMMA | 75 % 아세톤 / 25 % 물 | (40) | (30) | (20) | 위의 방법보다 열등 일관성과는 오래 걸리지 만 (핫 플레이트와 무료로 무게 수행 할 수 있습니다) 가열을 눌러을 필요로하지 않습니다. 본드 따르면 크게 용매 고정 홈의 사용에 의해 원조된다. | ||
| 순경 35 % 시클로 헥산 / 65 % 2- 프로판올 | 25 -> 70 * | (350) | 15 * | 우리는 핫 플레이트를 예열하는 것은 너무 많은 초기 증발을 야기 것을 발견하고, 또한 플라스틱의 미백에 이르게했다. 대신, 우리는 실온 열판 장치를 배치 한 후 70 ° C (5 ° C / 분의 램프 속도)로 온도를 증가시킨다. 온도를 추가로 15 분 동안이 온도에서 (9 분)에서 70 ° C, 우리 결합으로 안정화 후. | |||
표 1 : 용제 접착 매개 변수. PMMA 및 COP 용매 결합 프로토콜에 대한 플라스틱, 용매, 온도 및 압력의 조합의 요약.
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Discussion
잠재적 인 결합 전략의 타당성을 사용할 장비에 따라 달라집니다. 핫 플레이트 비교적 공통이며 웨이트 저렴하게 구입할 수 있지만, 고압 전략 가열 프레스의 사용을 필요로한다. 예를 들어, 우리의 최적 PMMA 본딩 레시피 에탄올 (표 1 참조)와 결합하는 높은 압력을 필요로하고, 요구되는 압력은 웨이트를 사용하는 전형적인 장치 크기에 도달 할 수 없습니다. 전용 핫 플레이트와 무게가 가능한지 따라서, PMMA 대신 다른 용매 (물 중 75 % 아세톤)에 결합 될 수있다. 게다가 또한, 높은 압력이 필요한 경우 특히 가능성을 제한 할 수있는 흄 후드 필요할 용매의 사용은 이러한 전략은, 가열 프레스를 사용하여 흄 후드의 내부에 가압 맞게 필요한 양을 필요로. 이러한 고려 사항은 새로운 용매 플라스틱 시스템을 개발할 때 덜 유해한 용매 및 낮은 압력이 바람직 용매의 선택을 안내 할 수 있습니다여전히 고품질의 결합을 제공 S.
용제 접합법은 특정 수지에 대해 최적화 된 후에, 접합 과정에서의 증발 효과로 인한 소자의 가장자리 근처 불량한 접착 커버리지 남은 문제가있을 수있다. 대표 결과 섹션에서 언급 된 바와 같이, 이러한 문제를 완화 할 수있는 하나의 전략이 관심의 에지 (병렬 실행 용매 고정 홈의 추가이다, 즉, 상기 장치의 외부 에지, 전형적으로 발현하는 채널들 또는 포트 옆 결합 어려움). 또한 두 개 이상의 관통 홀 포트 용매를 피펫 홈에 직접 첨가 될 수 있도록 (그리고 / 또는 홈이 접속 될 수있다), 각 홈에 첨가 할 수있다. 대신 크게 용매 및 마이크로 채널의 벽 사이의 접촉을 (도 5 참조)이 최소화 접합 계면을 홍수의 홈에 추가 할 수있는 용제 (I) :이 두 잠재적 용도를 갖는다결합의 초기 시도가 불량 채권에 따르면 일부 지역을 떠나면 및 (ii), 더 용매는 종종 마이크로 피처 주위에 남아있는 중요한 부분을 밀봉 접합의 두 번째 라운드, 로컬로 추가 할 수 있습니다. 이 홈은 제조 시간을 추가 할 수 있으며 장치에서 공간을 차지하기 때문에, 일부 고밀도 설계에 순종하지 않을 수 있음을 주목할 필요가있다.
본딩 전략 하나의 일반적인 문제는 접합시의 디바이스 층의 배향이다. 몇 가지 전략 정확성 요건에 따라 가능하다. 정렬 (모든 마이크로 피처 평평한 하부 기판 층에 접착 한 층에있는, 즉 경우) 중요하지 않은 경우에는 손에 수동 정렬에 충분하다. 이것은 개별 연구원의 스킬에 약간 의존하지만 까다로운 정렬 요구를 들어, 손으로 정렬 여전히 충분할 수있다. 우리는 일상적으로 100 μm의 내부에 정렬 정확도를 달성하고, 현명한 결정을 할 수 있습니다(약간의 오정렬은 소자 성능에 영향을 미치지 않는 그러한 것이 가능하다면, 상기 장치의 마이크로 피처에 공차를 설계함으로써, IE) 장치 설계는 정렬 정확성 요건을 완화 할 수있다. 한편 정렬을 돕는 유용한 기술은 접합면을 덮도록 가능한 한 적은 용매를 사용하는 것이다. 용매의 과도한 양의 플라스틱 층을 액체의 얇은 층의 "부동", 장치는 핫 플레이트 또는 가열 프레스로 전송 될 때 그 정렬을 유지하지 않는다. 대조적으로, 용매의 매우 얇은 층이 함께 플라스틱 층 "스틱"하고 손으로 조정 한 후 정렬을 유지하도록 돕는다.
보다 정확한 정렬이 요구되는 경우, 가능한 전략 층 위치 또는 맞춤형 지그를 고정하기 위해 장치의 외측에 테이프를 이용하여 상기 디바이스 층을 통과 L 자형 함께 디바이스 층을 보유하는 모서리 브래킷 맞춤 핀을 포함하는 t을 저장할 수접합 공정 동안에 그 소자. 이러한 전략 모두를 위해, 정렬 하드웨어는 일반적으로 그 압력이 결합시 상기 장치의 표면에 적용 할 수있는 장치의 전체 스택의 높이보다 더 짧아 질 필요가 있습니다.
용매 결합의 과제는 통상 폭,하지만 얕은 마이크로가 지나치게 공격적인 용매 또는 과도하게 높은 온도와 압력에 의해 붕괴 될 수 있기 때문에 마이크로의 깊이입니다. 주어진 깊이, 더 넓은 채널은 좁은 채널보다 축소에 더 민감하다. 우리는 (인하여 우리가 사용할 수있는 최소 엔드 밀 직경을 제한 우리의 CNC 밀링 머신의 한계) 폭 50㎛의 아래에 채널을 가공하지 않은 상태이지만, 일상적으로 25 ㎛의 정도의 거리로 분리되어 채널을 접합했다. 깊이의 측면에서, 우리는 성공적으로이 방법을 사용하여 매우 얕은 채널 (~ 15 μm의)를 결합했다.
마지막으로, 비교액상의 다른 접합 기술에 용매 본딩을 보증합니다. 세 개의 다른 일반적인 접합 기술은 기상 용제 접착, 열 확산 접합하고, 플라즈마를 이용한 열확산 접합된다. 기상 용매 본딩 액상 용매 접합의 많은 특징을 공유하지만, 우리의 경험이 적은 일관된 결과를 초래 수행 이하 동조하는 것이 더 어렵다. 기상의 용매를 도포하여, 진공 챔버 또는 장치 소유자와 증기 챔버를 필요로하고, 우리는 처리 액체를 사용하는 것보다 덜 제어 찾을. 거의 모든 혼합물이 비공 비 때문에 또한, 기상 방법은 용매의 혼합물과 함께 사용 거의 순종하며, 따라서 주위 압력과 온도에 따라, 기체 상 액체에서 자신의 조성을 변경한다.
열 확산 접합 유리 전이 온도에 가까운 고온에서 함께 디바이스 층 가압 포함플라스틱의 (T의 g). 고온은 체인 접합 계면간에 상호 확산과 결합을 형성 할 수 있도록 중합체 사슬 이동성을 증가시킨다. 장치 전체를 동일한 온도로 가열되어 있기 때문에도 10에는, 연쇄 이동 어디에나 증가하고, 마이크로 피처 왜곡되고 9,10 반올림. 따라서, (인해 높은 접합 온도)의 접합 강도를 증가시키는 것은 마이크로 피처 손상의 직접 비용에 온다. 열 접착 한 변형은 중합체 (20)의 로컬 (표면)의 T g 저하 미리 접합 산소 플라즈마 표면 처리의 사용이다. 이 플라즈마를 이용한 열 접착 따라서 멀리 대량의 T g에서 낮은 온도에서 발생하는 결합을 가능하게한다. 이 열 접착에 비해 마이크로 피처에 대한 변형량을 감소 않지만, 우리는 초기 접착 강도 따르면 본딩 용매에 비해 여전히 훨씬 낮으며 IM 것을 발견portantly, 채권은 다음 시간에 걸쳐 저하. 도 6에 나타낸 바와 같이 용매 접합 장치가 아무런 변화가 없었다하면서 플라즈마를 이용한 열 접합 장치는, 세포 배양기 48 시간 동안 결합 범위의 상당한 손실을 보였다.
여기서는 PMMA 품질 결합 및 COP 미세 유동 장치를 달성하기 위해 액체 계 용제 접착에 의존하는 간단하고 효율적인 프로토콜을 설명했다. 우리의 결과는 PMMA 및 COP 결합에 대한 구체적인 단계는 무시할 마이크로 피처의 변형, 용매 결합 과정에서 공통의 실질적인 문제를 회피 할 수 있습니다 홈 및 정렬 하드웨어의 사용으로 강력하고 광학적으로 투명 채권으로 이어질 것이라고 설명했다. 제조 프로세스에이 방법을 통합하는 PMMA 및 COP 기반의 미세 유체 장치의 개발을 촉진하고 더 쉽게 미세 유체 소자 설계에 열가소성 수지를 채용하는 연구를 가능하게 할 것이다.
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Disclosures
저자는 더 경쟁 재정적 이해 관계가 없음을 선언합니다.
Acknowledgments
우리는 자연 과학 및 캐나다 (NSERC, # 436117-2013)의 공학 연구 협의회, 암 연구 학회 (CRS, # 20172), 골수종 캐나다, 그랜드 도전 캐나다에서 재정 지원을 인정합니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| COP | Zeonor | 604Z1020R080 | 20 kg COP Pellets - 1020R. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics. |
| PMMA | McMaster Carr | 8560K173 | 1.5 mm sheet thickness for our typical applications. Multiple suppliers can be used, but may affect bonding characteristics. |
| Cyclohexane | Sigma-Aldrich | 227048 | Cyclohexane, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. Toxic, requires fumehood. |
| Ethanol | Sigma-Aldrich | 24102 | Ethanol, absolute, ≥99.8% (GC). Multiple suppliers can be used. |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 179124 | Acetone, ACS reagent, ≥99.5%. Multiple suppliers can be used. |
| 2-Propanol | Sigma-Aldrich | 278475 | 2-Propanol, anhydrous, 99.5%. Multiple suppliers can be used. |
| Hot plate(s) | Torrey Pines Scientific | HP60 | Fully programmable digital hotplate. Multiple suppliers can be used. |
| Free weights | Cap Barbell | RPG#2 | Standard cast iron plate. Multiple suppliers and different weights can be used. |
| Heated press | Carver | Auto CH | Auto series heated hydraulic press. Multiple suppliers can be used. A press that fits in a fumehood would allow the most flexibility (this model does not). |
| CNC Milling Machine | Tormach | PCNC 770 | 3 Axis CNC mill. Multiple suppliers can be used. |
| Endmills | Various | Various | Required sizes depend on designs. Multiple suppliers can be used. |
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