Fabrication, Operation and Flow Visualization in Oberflächenschallwellen-wave-driven Acoustic-Gegenstrom Mikrofluidik

Summary

In diesem Video beschreiben wir zunächst Fertigung und Operationsverfahren eines akustischen Oberflächenwellen (SAW) akustische Gegenstrom-Gerät. Wir zeigen dann einen Versuchsaufbau, der sowohl für qualitative und quantitative Visualisierung Flow Analyse von komplexen Strömungen innerhalb des SAW Pumpen Gerät ermöglicht.

Abstract

Akustische Oberflächenwellen (SAW) können verwendet werden, um Flüssigkeiten in tragbaren Mikrofluidik-Chips über die akustische Phänomen Gegenstrom zu fahren. In diesem Video stellen wir Ihnen die Herstellung Protokoll für einen vielschichtigen akustischen SAW Gegenstrom-Gerät. Die Vorrichtung wird hergestellt, ausgehend von einem Lithium-Niobat (LN) Substrat, auf dem zwei Interdigitalwandler (IDTs) und geeignete Marker sind gemustert. Ein Polydimethylsiloxan (PDMS)-Kanal an einem SU8 Urform gegossen wird schließlich auf dem gemusterten Substrat gebunden. Nach der Fertigung Verfahren zeigen wir die Techniken, die die Charakterisierung und den Betrieb des akustischen Gegenstrom Gerät ermöglichen, um Flüssigkeiten durch die PDMS Kanalrasters pumpen. Wir stellen schließlich die Prozedur, um den Flüssigkeitsstrom in den Kanälen zu visualisieren. Das Protokoll wird verwendet, um on-chip Fluidpumpsystem unter verschiedenen Strömungsregimen wie laminare Strömung und komplizierter Dynamik von Wirbeln und Partikelansammlung Domains dadurch zeigen.

Introduction

Eine der Herausforderungen für die Fortsetzung mikrofluidischen Gemeinschaft ist die Notwendigkeit, eine effiziente Pump-Mechanismus, der zur Integration in wirklich tragbare Mikro-Gesamt-Analysesysteme (&mgr; TAS ist) kann miniaturisiert werden müssen. Norm makroskopischen Pumpsystemen einfach nicht die Portabilität für &mgr; TAS die erforderlich sind, aufgrund der ungünstigen Skalierung der Volumenströme der Kanal Größe verringert bis Mikrometerbereich oder darunter. Im Gegenteil, haben SAWs zunehmendes Interesse als Fluidbeaufschlagung Mechanismen gewonnen und erscheinen als ein vielversprechender Weg für die Lösung einiger dieser Probleme ^1,2.

SAWs wurde gezeigt, dass eine sehr effiziente Mechanismus der Energietransport in Flüssigkeiten ^{3 vorzusehen.} Wenn ein SAW ausbreitet auf einem piezoelektrischen Substrat, z. B. Lithium-Niobat (LN), wird die Welle in einem Fluid abgestrahlt werden auf ihrem Weg in einem Winkel als die Rayleigh-Winkel θ _R = sin bekannt722; 1 (c _f / c _s) aufgrund der Fehlanpassung der Schallgeschwindigkeit in dem Substrat, c _s, und das Fluid _F c. Das Austreten von Strahlung in das Fluid entsteht eine Druckwelle, die akustische Strömung treibt in der Flüssigkeit. Abhängig von der Geometrie der Vorrichtung und Leistung, die an der Vorrichtung wurde dieser Mechanismus gezeigt, dass eine Vielzahl von On-Chip-Verfahren, wie zum Mischen von Fluiden, Partikelsortierung, Zerstäubung und Pumpen ^1,4 betätigen. Trotz der Einfachheit und Wirksamkeit der Betätigung Mikrofluidik mit SAW, gibt es nur eine kleine Anzahl von SAW angetrieben mikrofluidischen Pumpmechanismen, die bisher gezeigt haben. Die erste Demonstration war die einfache Übersetzung der freien Tröpfchen in der SAW-Ausbreitungsrichtung Pfad auf einem piezoelektrischen Substrat ³ angeordnet. Dieses neuartige Verfahren erzeugt viel Interesse an der Nutzung SAWs als mikrofluidischen Betätigung Verfahren, aber es war immer noch ein Bedarf für Flüssigkeitendurch geschlossene Kanäle-eine schwierigere Aufgabe getrieben werden. Tan et al. Gezeigt Pumpen in einen Mikrokanal, der Laser abgetragen wurde direkt in dem piezoelektrischen Substrat. Durch geometrische Modifikation mit Bezug auf den Kanal und IDT Abmessungen, waren sie in der Lage zu zeigen, sowohl einheitliche und Mischen fließt ^5. Glass et al. Kürzlich zeigte eine Methode zum Übertragen von Flüssigkeiten durch Mikrokanäle und mikrofluidischen Komponenten durch die Kombination von SAW betätigt Rotationen mit zentrifugalen Mikrofluidik, als eine Demonstration der wahren Miniaturisierung des beliebten Lab-on-a-CD-Konzept ^6,7. Allerdings ist die einzige vollständig geschlossenen SAW angetrieben Pumpmechanismus, das nachweislich eine bleibt Cecchini et al. 'S SAW-driven akustischen ^Gegenstrom-8 der Fokus dieses Video. Es nutzt die Zerstäubung und Koaleszenz eines Fluids, um es durch einen geschlossenen Kanal in der Richtung entgegen der Ausbreitungsrichtung der eine Pumpecoustic Welle. Dieses System kann es zu erstaunlich komplexen Strömungen geben innerhalb einer Mikrokanalstruktur. Darüber hinaus, abhängig von der Geometrie der Vorrichtung, kann es eine Reihe von Fließschemata von laminaren Strömungen bis hin zu komplexeren Regime von Wirbeln und Partikel-Ansammlung Domänen charakterisiert. Die Fähigkeit, leicht beeinflussen das Fließverhalten innerhalb des Gerätes zeigt Chancen für fortschrittliche On-Chip-Teilchen Manipulation.

In diesem Protokoll wollen wir die wichtigsten Aspekte der praktischen SAW-basierte Mikrofluidik klären: Bauelementherstellung, experimentelle Betrieb und Strömungs-Visualisierung. Während wir explizit beschreiben sind diese Verfahren für die Herstellung und den Betrieb von SAW-driven akustischen Gegenstrom-Geräten können diese Abschnitte leicht für ihre Anwendung zu einer Reihe von SAW-driven mikrofluidischen Regime geändert werden.

Protocol

1. Bauelementherstellung

1. Design zwei Photomasken, die erste für das Strukturieren der akustischen Oberflächenwellen (SAW)-Schicht und die zweite für das Polydimethylsiloxan (PDMS) Mikrokanal Form.
   1. Die erste Fotomaske eine Paar von gegenüberliegenden Interdigitalwandler (IDTs)-auch als SAW-Verzögerungsleitung und der Kanalsynchronisation Ausrichtung und räumliche Bezugssystem während Mikroskopie bekannt. In unserem Standard-Gerät haben wir Einelektrodenbetrieb IDT mit einem Finger Breite p = 10 um, Öffnung von 750 um, und 25 gerade Fingerpaaren. Die resultierende IDT erzeugt SAWs mit einer Wellenlänge λ = 4 p = 40 um entsprechend einer Betriebsfrequenz f _o = c _SAW / λ ≈ 100 MHz auf 128 ° YX Lithiumniobat (LN). Jeder IDT Breite sollte über das Zweifache der Breite des Mikrokanals gegenüber einer Verstellung zu reduzieren, während das Verbinden der Schichten sein. IDT Design-Parameter sind compr diskutiertehensively in mehrere Bücher ^9-11. Wir bemerken, daß nur ein IDT (angeordnet am Kanalausgang) erforderlich, um das Fluid in den Kanal in akustische Gegenstrom fahren, aber Strukturieren einer vollen Verzögerungsleitung hilft Vorrichtung Tests.
   2. Die zweite ist eine einfache Mikrokanalstruktur entlang der SAW-Verzögerungsleitung ausgerichtet werden, mit einer Mikrokammer, um den Kanal Einlass zu bilden. Im typischen Vorrichtungen weisen die Kanäle eine Breite b = 300 mm und einer Länge von 5 mm. Als allgemeine Regel gilt, die Kanalbreite sollte mindestens 10 sein, um λ Beugungseffekte bei SAW-Ausbreitungsrichtung in den Mikrokanal zu vermeiden, aber in unseren Tests haben wir festgestellt, dass eine Breite von ~ 7 λ nicht erheblich beeinflussen SAW Ausbreitung innerhalb des Kanals.
2. Beginnen Sie mit einer LN-Wafer und spalten ein 2 cm mal 2 cm Probe. Um Transmissionsmikroskopie durchzuführen, ist es notwendig, um eine doppelseitig polierten Wafers zu verwenden. Beachten Sie, dass LN ein Standard für die Biokompatibilität und die SAWPolarisation und hohe piezoelektrische Kopplungskoeffizienten entlang der Hauptachse jedoch andere piezoelektrische Materialien können bei entsprechender Auslegung Überlegungen verwendet werden.
3. Reinigen des Substrats durch Spülen in Aceton, 2-Propanol und Trocknen mit einem Stickstoff-Pistole.
4. Spin Mantel der Probe mit Shipley S1818 bei 4.000 rpm für 1 min.
5. Weiche backen bei 90 ° C für 1 min auf einer Heizplatte.
6. Richten Sie die Probe mit dem SAW Ebenenmaske mit einem Mask Aligner und setzen Sie es mit UV-Licht mit 55 mJ / cm ^2. Es sollte darauf geachtet, die IDT Richtung entlang der Hauptachse des LN-Substrat auszurichten.
7. Spülen Sie die Probe in Microposit MF319 Entwickler für 30 Sekunden, um den belichteten Fotolack entfernen.
8. Stoppen Sie die Entwicklung durch Spülen der Probe in deionisiertem Wasser und trocknen Sie sie mit einem Stickstoff-gun.
9. Zahlen Sie 10-nm-dicken Titanadhäsionsschicht von 100 nm dicken Goldschicht durch thermische Verdampfung gefolgt.
10. Führen Abheben durch Beschallung der sreichlich in Aceton, dann spülen Sie es in 2-Propanol und mit einem trockenen Stickstoff gun.
11. Silanisieren der Oberfläche der Vorrichtung, um es hydrophob in den Mikrokanal Bereich ^12.
    1. Maskieren Sie die Mikrokammer mit AR-N-4340 negativen Ton Fotolack durch optische Lithographie nach dem Datenblatt des Herstellers.
    2. Aktivieren Sie die Probenoberfläche mit einer 2 min Sauerstoff-Plasma (Gambetti Kenologia Srl, Colibri) von 0,14 mbar und 100 W Leistung geben eine Bias-Spannung von etwa 450 V.
    3. Mischen Sie 35 ml Hexadecan, 15 ml Tetrachlorkohlenstoff (CCl ₄₎ und 20 ul Octadecyltrichlorsilan (OTS) in einem Becherglas in einer Abzugshaube. Stellen Sie das Gerät in der Lösung und lassen abgedeckt für zwei Stunden.
    4. Spülen Sie das Gerät mit 2-Propanol und trocknen Sie es mit einem Stickstoff-gun.
    5. Überprüfen, dass der Kontaktwinkel von Wasser auf der Oberfläche oberhalb von 90 ° ist. Wenn der Kontaktwinkel unzureichend ist, reinigen Sie die Probe und wieder führen die Schritte in 1.11.
    6. Entfernender Rest der Probe zu widerstehen durch Spülen in Aceton, 2-Propanol und Trocknen mit einem Stickstoff-Pistole.
12. Montieren Sie die Probe auf einer Leiterplatte mit Hochfrequenz-Wellenleiter und Standard-Koaxial-Steckverbindern (RF-PCB), und setzen Sie dann akustischen Absorber (First Contact Polymer) auf die Probe Kanten und verbinden Sie das IDT-by-Wire Bonding oder mit Pogo-Anschlüsse.
13. Eine Urform der Kanalschicht mit SU-8 auf einem kleinen Stück Silizium (Si)-Wafer mit standardmäßigen optischen Fotolithografie gemustert. SU-8 Art und Photolithographie Rezept wird abhängig sein von der endgültigen PDMS internen Kanal Höhe erforderlich.
14. Cast PDMS auf der Form
    1. Mischen PDMS mit einem Härter in einem Verhältnis von 10:1.
    2. Zentrifugieren Sie die PDMS für 2 min bei 1.320 xg für Entgasung.
    3. Gießen des PDMS vorsichtig auf die SU-8 Form in einer Petrischale auf insgesamt PDMS Höhe in der Größenordnung von 1 mm. Die offene Petrischale kann in einem Vakuum-Exsikkator für ca. 30 min in ord platziert werdener zur Entgasung der PDMS weiter.
    4. Sobald entgast, heilen PDMS durch Erhitzen auf 80 ° C für eine Stunde in einem Ofen. Beachten Sie, dass die Backzeit und Temperatur können die mechanischen Eigenschaften des PDMS beeinflussen.
15. Bereiten Sie die feste Schicht PDMS
    1. Cut um den Kanal mit einem Skalpell, wobei Sie darauf achten, nicht die SU8 Master beschädigen und abziehen.
    2. Replica Kanten werden dann verfeinert und richtete sich mit einer Rasierklinge wobei mindestens 2 mm Abstand auf lateralen Seite des Kanals und keinen Freiraum (Schnitt quer durch) an den Kanal anschließen.
    3. Lochen Sie ein Loch in der Mikrokammer mit einem Harris Unicore Puncher, um das Fluid-loading Einlass zu bilden.
16. Bond die PDMS-Kanal mit dem LN-Substrat durch einfache konforme Bindung. Auf diese Weise wird das Band in der Fluid-Stadium zu halten, während den restlichen reversibel.
    1. Beide Flächen sind vor dem Verbinden durch Einblasen entfernt überschüssige Ablagerungen mit komprimiertem Stickstoff Luft gereinigt. Es ist critische beim Verbinden der Teile, um den Kanal mit der Hauptachse des LN entsprechend den gemusterten Ausrichtungsmarkierungen auszurichten.
17. Das komplette Gerät ist schematisch in Abbildung 1 dargestellt. Shop abgeschlossen Geräte in einer sauberen Umgebung bis zur Verwendung.

Hinweis: Es ist wichtig, dass alle Herstellungsschritte werden in einer Reinraum-Umgebung durchgeführt, um eine Kontamination des Geräts vor der Verwendung zu vermeiden.

Anmerkung: Jeder der optischen Lithographie Schritte durch den Benutzer bevorzugten Verfahren ersetzt werden.

Hinweis: Die Silanisierung Verfahren kann für eine bevorzugte hydrophobe Beschichtung ¹³ Verfahren ersetzt werden.

2. RF Gerät Testing

1. Kalibrieren Sie den Netzwerk-oder Spektrum-Analysator mit einem open / short Wellenleiter auf Ihrem RF-PCB.
2. Schließen Sie das SAW Delay-Line zu den Häfen von einem Spektrumanalysator und messen Sie die Streumatrix derGerät. Getriebe für ein Paar von Einelektrodenbetrieb Wandler wird der Absolutwert einer sinc-Funktion bei der Betriebsfrequenz des IDT zentriert ähneln. In der Reflexion Spektrum a dip (Minimum) wird auf der gleichen Frequenz ^9-11 beobachtet. In unserer Geräte bei 100 MHz Betriebsfrequenz entlang der Hauptachse typische Werte liegen bei -15 dB für S11 und S22 und -10 dB für S ₁₂ (ohne PDMS Kanäle).

3. Mikrofluidik und Particle Flow Dynamics Visualisierung Experiment und Analyse

1. Legen Sie die Probe unter dem Mikroskop. Die spezifische optische Aufbau hängt von den SAW Mikrofluidik Phänomene beobachtet werden. Zum Beispiel wird eine einfache Reflexion Mikroskop mit einem 4X Ziel und eine 30-fps-Video-Kamera ausgestattet sein, um geeignete Flüssigkeit Fülldynamik studieren. Um komplexere Mikropartikel Dynamik zu untersuchen, kann es notwendig sein, ein Mikroskop mit einem 20x-Objektiv und ein 100 fps oder höher Videokamera ausgestattet nutzen. Es ist important, dass sowohl die objektive und Frame-Rate hoch genug, um keine räumlich und zeitlich wichtige Strömung Merkmale zu erfassen sind.
2. Verbinden der IDT vor dem Kanalausgang an einen HF-Generator und betreiben bei der Resonanzfrequenz in der Streumatrix Messungen beobachtet. Der typische Betriebsleistung in akustisch-Gegenstrom-Experimente ist 20 dBm. Falls erforderlich, verwenden Sie einen High-Power-UHF-Verstärker. Acoustic-Streaming und Zerstäubung Phänomene ohne akustische Gegenstrom beobachtet, während das Gerät läuft mit geringerer Leistung: typisch acoustic-Streaming Rückführung beginnt bei 0 dBm und Zerstäubung erfolgt über 14 dBm.
3. Legen Sie 60 ul von Flüssigkeit in den Mikrokammer mit einer Mikropipette. Die Flüssigkeit wird passiv in der Mikrokammer diffundieren. Falls erforderlich, sanft auf die Mikrokammer Oberfläche zu drücken, um die Mikrokammer Füllung begünstigen.
   1. Um die Strömung zu visualisieren, ist es notwendig, um Mikrokügelchen zu der Flüssigkeit hinzugefügt werden. Beachten Sie, dass, um Partikel zu vermeiden clustEring, beschallen die Partikel-Suspension vor den Experimenten. Um Teilchen Haftung auf das Substrat aufzubringen eine 0 dBm Signal an das Gerät beim Laden zu vermeiden.
4. Starten der Videoaufnahme durch das Mikroskop und erhöhen die Betriebsleistung um akustische Gegenstrom zu beobachten. Verschiedene Fließschemata wird von Leistungsaufnahme, Chip-Design und Partikeldurchmesser bestimmt werden.
   1. Um qualitativ zu erfassen, die Dynamik hat Fluidströmung in der Nähe des Meniskus und der Einlass in den verschiedenen Phasen kanalfüllenden mit Markern als räumliche Referenz aufgenommen werden.
   2. Um quantitative Messung von Partikel-Dynamik durch Mikro Particle Image Velocimetry (μPIV) ^14,15 zeitliche oder räumliche Bild-Korrelations-Spektroskopie (TEN) ^16,17 durchzuführen, hat Flüssigkeitsstrom in dem Punkt von Interesse mit einem festen Sichtfeld erfasst werden für mindestens 100 Bilder mit einer Bildrate von den Teilchendynamik auferlegt.
5. Analysieren Sie das Video mit Bildverarbeitungs-Software. Die Wahl der Software verwendet wird, hängt von den Erscheinungen des Interesses. Zum Beispiel, um die Größenverteilung der zerstäubten Tröpfchen, räumliche Periodizität Partikelansammlung oder manuelle Verfolgung von verdünnten Partikel, einfaches Freeware Bildanalyse-Software wie Fidschi quantifizieren ist geeignet ^18, während zur Erzielung rationalisiert und Geschwindigkeit Feldmessungen, maßgeschneiderte MPIV ¹⁹ oder ²⁰ TEN-Code erforderlich ist. In unserer Analyse angepasst STICS Code in MATLAB geschrieben, aber eine bevorzugte Alternative Codierung Sprache kann gleichermaßen akzeptabel.

Results

Abbildung 2 zeigt repräsentative Ergebnisse Gerät HF-Tests, die vor dem Verkleben der LN Schicht auf die Schicht Mikrokanalstruktur genommen wurden: typische S ₁₁ und S ₁₂ Spektren werden in einem Panel) und b) gemeldet sind. Die Tiefe des Tals, auf zentrale Frequenz in S _11-Spektrum ist für die Effizienz der Umwandlung von HF-Energie in Zusammenhang SAW mechanische Leistung. Daher ist für eine feste Anzahl von IDT Fingerpaaren, wird ein...

Discussion

Eine der größten Herausforderungen der mikrofluidischen Gemeinschaft konfrontiert ist, die Realisierung einer Betätigung Plattform für wirklich tragbare Point-of-Care-Geräten. Unter den vorgeschlagenen integrierten Mikropumpen ^23, sind solche auf Basis von akustischen Oberflächenwellen (SAW) besonders attraktiv wegen ihrer verbundenen Fähigkeiten in Fluidmischsystem, Zerstäubung und Partikelkonzentration und Trennung ^4. In diesem Papier haben wir gezeigt, wie in der Herstellung und Betrieb eines La...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Beidseitig poliert 128°; YX Lithium-Niobat Wafer	Crystal Technology, LLC		nbsp;
Silizium Wafer	Siegert Wafer		Wir verwenden < 100>
IDT Optische Lithographiemaske mit Ausrichtungsmarkierungen (positiv)	Jeder Anbieter		&
Kanal Optische Lithographiemaske (negativ)	Jeder Anbieter
Positiver Fotolack	Shipley	S1818
Positiver Fotolackentwickler	Microposit	MF319
Negativton-Fotolack	Allresist	AR-N-4340
Negativton-Fotolack Entwickler	Allresist	AR 300-475
SU8 dicker Negativton-Fotolack	Microchem	SU-8 2000 Serie
SU8 dicker Negativton Fotolack Entwickler	Microchem	SU-8 Entwickler
Hexadecan	Sigma-Aldrich	H6703
Tetrachlorkohlenstoff (CCl4)	Sigma-Aldrich	107344
Octadecyltrichlorsilan (OTS)	Sigma-Aldrich	104817
Aceton CMOS-Qualität	Sigma-Aldrich	40289
2-Propanol CMOS-Qualität	Sigma-Aldrich	40301
Titan	Jeder Hersteller	99,9% Reinheit
Gold	Jeder Anbieter	99,9% Reinheit
PDMS	Dow Corning	Sylgard 184 Silikonelastomer Kit mit Härter	nbsp;
Petrischale	Jeder Anbieter
5 mm ID Harris Uni-Core Mehrzweck-Kernbohrwerkzeug	Sigma-Aldrich	Z708895	Jeder Durchmesser von mehr als 2 mm ist geeignet
Akustischer Absorber	Photonic Cleaning Technologies	First Contact reguläres Kit
RF-PCB	Beliebiger Hersteller
Spinner	Laurell Technologies Corporation	WS-400-6NPP	Jeder Spinner kann verwendet werden
UV-Masken-Aligner	Karl Süss	MJB 4	Jeder Aligner kann verwendet werden
Thermischer Verdampfer	Kurt J. Lesker	Nano 38	Jedes thermische, E-Beam-Verdampfer- oder Sputtersystem kann verwendet werden
Sauerstoff-Plasma-Asher	Gambetti Kenologia Srl	Colibrì	Jeder Plasma-Asher oder jede RIE-Maschine kann verwendet werden
Zentrifuge	Eppendorf	5810 R	Jede Zentrifuge kann verwendet werden
Drahtbonder	Kulicke Soffa	4523AD	Jeder Drahtbonder kann verwendet werden, wenn die Leiterplatte ohne Pogo-Stecker verwendet wird
Kontaktwinkelmessgerät	KSV	CAM 101	Jedes Kontaktwinkelmessgerät kann verwendet werden
Spektrumanalysator	Anristu	56100A	Jeder Spektrum- oder Netzwerkanalysator kann verwendet werden
HF-Signal Generator	Anristu	MG3694A	Jeder HF-Signalgenerator kann verwendet werden
HF-Hochleistungsverstärker	Mini Circuits	ZHL-5W-1	Jeder HF-Hochleistungsverstärker kann verwendet werden
Mikroperlenaufhängung	Sigma-Aldrich	L3280	Je nach experimentellem Zweck können unterschiedliche Suspensionen mit unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlichen Materialeigenschaften verwendet werden
Optisches Mikroskop	Nikon	Ti-Eclipse	Jedes optische Mikroskop mit räumlicher Auflösung, das für experimentelle Zwecke geeignet ist, kann verwendet werden
Videokamera	Basler	A602-f	Jede Videokamera, die über eine ausreichende Bildrate und Empfindlichkeit verfügt, die experimentelle Zwecke erfüllt, kann verwendet werden
Kameraerfassungssoftware	Fortschrittliche Technologien	Motion Box	Es kann jede Software verwendet werden, die eine hohe und kontrollierte Bildrate ermöglicht