多级可变高度的光刻多层带瓣微流体装置

该视频协议的总体目标是演示微流体母模的完整多步骤光刻，该模具具有片上阀和多种高度特征，适用于任何应用。该方法完整概述了如何为微流体器件制造具有复杂几何形状的母模，包括片上膜阀。该技术的主要优点是可以轻松控制微流体设备中的流量，克服了生物应用中进入微流体的主要障碍。

这项技术的视觉演示至关重要，因为光刻的步骤通常对于初学者来说很难掌握。正确的对齐、开发和曝光依赖于视觉提示和洁净室体验。首先，设计您的设备并为多层几何形状准备单独的照片蒙版。

此外，准备大约四个带有 5 微米 SU-8 2050 负光刻胶层的晶圆，并按照随附文本协议中的说明进行泛光曝光。将涂布的晶圆放在旋涂机上，然后打开真空以将其固定在旋涂卡盘上。使用氮气或压缩空气吹走表面的任何灰尘。

然后，将 2 到 3 毫升 AZ 50XT 正性光刻胶涂在晶圆中心。旋涂光刻胶以形成 55 微米层。涂覆后，将晶片小心地放入 5 英寸培养皿中，静置 20 分钟。

接下来，将威化饼放在热板上软烤 22 分钟，同时以每小时 65 摄氏度的速度将温度从 112 摄氏度升至 450 摄氏度。然后，取出晶片，在室温下在培养皿中静置过夜以进行环境再水化。将流动圆形透明掩模贴在 5 英寸玻璃板上，使打印面最靠近晶圆，然后加载到 UV 掩模对准器的掩模定位器中。

在 6 个周期中将赌注暴露在 930 毫焦耳的紫外线下。将晶片浸入浸渍的显影液中 3 到 5 分钟，或直到晶片变为紫色并出现特征，立即显影晶片。显影后，取出晶片并用去离子水冲洗干净。

然后，对晶片进行硬烘烤以熔化并形成圆形阀门特征。在 15 小时内以每小时 10 摄氏度的速度将温度从 65 摄氏度提高到 190 摄氏度。完成后，关闭加热板，让晶圆冷却至室温。

晶圆上的特征现在是圆角的。这种硬烘烤对于将矩形阀门特征正确地重流到圆形阀门轮廓中至关重要。较短的时间可能会导致开裂或不稳定。

为了制造具有可变高度特征的器件，如前所述，将清洁后的晶圆放在旋涂机上。将 1 到 2 毫升 SU-8 2050 负性光刻胶涂在晶圆中心，并将光刻胶旋转到显影的阀门特征上。然后，小心地将旋转的晶片放入 5 英寸的培养皿中，在平坦的表面上放松 20 分钟，或直到任何条纹图案消失。

接下来，将两个加热板预热至 65 摄氏度和 95 摄氏度，然后将晶圆放在 65 摄氏度的板上 2 分钟，95 摄氏度的板上放置 8 分钟，再将 65 摄氏度的板放置 2 分钟，以软烤晶圆。一旦晶圆冷却回室温，将流动低透明度掩模贴在石英 5 英寸玻璃板上，使打印面最靠近晶圆，然后将其加载到 UV 掩模对准器的掩模定位器中。然后，将晶圆放入 UV 掩模对准器卡盘中，并使用显微镜目镜或相机，小心地将新的低层流动特征与流动圆形阀层特征对齐。

首先，将设备边框的水平轴、垂直轴和倾斜轴与蒙版上的设备边框特征对齐。接下来，在图层之间对齐十字准线特征。最后，确认阀门特征在需要的地方与低流量特征相交。

接下来，将晶圆暴露在 170 毫焦耳的紫外线沉积下。完成后，取出晶片，并在曝光后通过在设置为 65 摄氏度和 95 摄氏度的两个加热板之间切换来烘烤。在不显影晶片的情况下，让它冷却到室温，然后使用 SU-8 2025 依次添加流动高层，然后添加混沌混合器人字形层，如随附的文本协议中所述。

完成所有层后，将晶片浸入含有 25 毫升 SU-8 显影剂的搅拌浴中 3.5 分钟，或直到特征清晰出现，以显现特征。使用立体镜验证特征是否具有清晰、定义的特征边界。在开发过程中，请务必每 20 秒检查一次，以查看特征是否已完全定义并且 resist 是否已被洗掉。

过度开发可能会导致特征损坏，尤其是在复杂的模具设计中。然后，对晶圆进行硬烘烤以稳定所有光刻胶特征。随后，按照随附的文本协议中的说明构建控制层。

根据现有的开放访问协议，在玻璃上制造上推几何形状的多层微流体装置，并使用目视检查以确保所有阀门都与控制线正确对齐，并且在继续之前所有入口都已完全冲孔。将装满水的 Tygon 管连接到流量控制系统，例如注射泵、流体控制器或带储液罐的开源电磁阀阵列。接下来，将金属针连接到管路，将金属针连接到控制管路入口处的设备端口。

然后，将每条管路的流量控制系统设置为 25 PSI，以对设备控制管路加压。通过在显微镜下检查，确保阀门关闭并重新打开。在微量离心管中，将 3.9 毫克光引发剂悬浮在 100 微升去离子水中，以制备用于将液滴聚合成水凝胶珠的光引发剂溶液。

盖上溶液以保护其避光。在第二个微量离心管中，加入 132 微升去离子水、172 微升 PEG 二丙烯酸酯、12 微升光引发剂溶液和 85 微升 HEPES 缓冲液，制成水凝胶液滴溶液。将水凝胶液滴溶液转移到定制的低温管容器中。

然后，将低温管容器的管路连接到可控的压力源，并将 PEEK 管路连接到设备试剂入口。接下来，将 PEEK 管插入设备出口以收集液滴。从设备中去除气泡，为系统重新加压，然后对 RO1 油阀减压，并将油压设置为 10 PSI。

接下来，将 PEG 混合物压力设置为 9 PSI，对上游阀减压，并根据需要调整压力以产生所需大小的液滴。使用 50 FPS 或更高帧率的相机通过显微镜确定液滴大小。当液滴稳定后，将紫外光源放置在设备的聚合区域上，并将来自光源的 100 毫瓦/平方厘米的 365 纳米光施加到 5 毫米的光点上。

对珠筛阀加压，观察聚合珠收集并确保液滴硬化成珠子。最后，对珠筛阀进行减压，并通过 PEEK 出口管将珠子收集到管中。该协议首先演示了一种对流量阀进行倒圆角的方法。

在这里，使用轮廓仪来确定该方法产生的典型回流阀后圆角曲线，显示高度约为 55 微米。在左图中，阀门处于关闭状态，液体可以通过通道。一旦通过对阀门加压激活，通过这些阀门的流量就会被切断。

在这里，可以看到微珠合成器装置正在运行，在 T 结液滴发生器的油乳剂中产生水凝胶液滴。通过使用筛阀部分关闭下游流动，流体可以继续流动，但珠子被困在阀门后面。使用该工艺生产的结果珠子的平均直径为 52.6 微米，标准偏差仅为 1.6 微米。

在近 3， 000 个珠子中，只有不到 1% 的磁珠相差超过 3 个标准差。一旦掌握，这项技术可以在三天内完成从设计到测试的整个过程。这允许快速设计迭代。

遵循此程序，即使是几乎没有制造经验的研究人员也可以构建自己的复杂微流体设备并将其应用于自己的生物问题。观看此视频后，您应该对如何执行制造任何复杂程度的微流体器件（包括具有复杂可变高度特征或阀门的器件）所需的光刻步骤有很好的了解。