Method Article

높은 처리량 마이크로 유체 신속하고 저렴한 비용으로 프로토 타입 포장 방법

DOI:

10.3791/50735

⸱

December 23rd, 2013

 , 
1Electrical Engineering Department, Polytechnique Montreal

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 기사에서는 미세 유체 래피드 프로토 타이핑 플랫폼을위한 다양한 기술에 대해 설명합니다. 제안된 기술은 자외선(UV) 민감성 및 온도 경화 에폭시, 폴리디메틸실록산(PDMS) 기반 튜브, 와이어 본딩 및 이방성 접착 필름을 기반으로 합니다. 제시된 조립 절차는 일회용 장치와 재사용 가능한 미세유체 시스템 모두를 위해 개발되었습니다.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 작품에서는 3가지 포장 및 조립 기술을 제시합니다. 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다: 일회성 사용과 재사용 가능한 포장 기술.

일회성 패키징 기술은 UV 기반 및 온도 경화 에폭시를 사용하여 마이크로 튜브를 액세스 구멍에 연결하고, 집적 회로 연결을 위한 와이어 본딩, 전기 연결을 위한 은 에폭시를 사용합니다. 이 방법은 1psi에 가까운 상대적으로 높은 압력을 지원할 수 있고 미세유체 구조를 강화하기 위해 지원이 필요하지 않은 견고한 조립 기술을 기반으로 합니다.

재사용 가능한 패키징 기술은 PDMS 기반 마이크로튜브 인터커넥터와 전기 연결을 위한 비등방성 접착 필름으로 구성됩니다. 이러한 장치는 더 민감하고 취약합니다. 결과적으로, Plexiglas 지지대는 비등방성 접착 필름을 사용할 때 전기 접촉을 개선하고 미세 유체 구조를 강화하기 위해 미세유체 구조에 추가됩니다. 또한 얇은 PDMS 층을 사용하여 튜브를 액세스 구멍에 연결하는 동안 튜브를 유지하려면 미세 매니퓰레이터가 필요합니다. 0.45-3mm 범위의 다양한 PDMS 층 두께를 테스트하여 최상의 접착력과 주입 속도를 비교합니다. 적용된 사출 속도는 0.45-3mm PDMS 레이어에 대해 각각 50-300μl/hr에서 다양합니다. 이러한 기술은 주로 저압 응용 분야에 적용할 수 있습니다. 그러나 플라즈마-산소 공정을 통해 고압 기판으로 확장하여 PDMS를 유리 기판에 영구적으로 밀봉할 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 재사용이 가능하다는 사실 외에도 마이크로 채널 길이가 매우 짧을 때(3mm 이하 범위) 장치를 관찰 가능한 상태로 유지하는 것입니다.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

최근 미세 가공의 발전으로 인해 많은 수의 전극과 다양한 유형의 제어 알고리즘을 포함하여 더 복잡한 미세 유체 장치가 생겨났습니다. 그러나 이러한 발전은 패키징의 새로운 과제를 부각시켰습니다. 또한 LoC(Lab-on-Chip)는 미세유체 장치, 미세전자기계시스템(MEMS), 마이크로일렉트로닉스 칩 등이 함께 연결되는 다학제적 개념입니다. 결과적으로 마이크로 일렉트로닉스 회로 감도 및 보호, 튜빙 및 기계적 측면과 같은 LoC 구성 요소의 다양한 제약 조건을 고려하지 않고 패키징 공정을 개발하는 것은 불가능합니다. 또한, 주어진 LoC의 구성 요소를 패키징하는 것은 애플리케이션1,2와 밀접한 관련이 있습니다. 예를 들어, 광학 응용 분야에서는 장치의 투명도가 특히 테스트 목적으로 매우 중요합니다. 따라서 장치를 관찰 가능한 상태로 유지하여 시스템 동작을 모니터링하는 것이 중요합니다. 세포 또는 입자 조작과 관련된 응용 분야에서는 저전압 기술을 사용하는 것이 더 매력적이며, 전극 치수를 줄일 수 있지만(몇 마이크로미터에서 서브미크론 규모3-5까지) 전극 수를 100개 이상으로 상당히 늘리는 새로운 미세 가공 기술의 출현으로 인해 더 매력적입니다.

반면에 화학 및 생물학적 분석 전용 LoC는 장기간의 관찰이 필요합니다. 따라서 시스템 패키징 및 테스트 벤치는 시스템을 관찰할 수 있는 상태로 유지하는 것 외에도 생물학적 오염과 LoC 전자 장치의 고장을 방지해야 합니다.

최근에 발표된 논문에서 미세유체 및 MEMS는 LoC의 주요 부분이지만 시스템 모니터링을 위해 다른 모듈을 사용할 수 있습니다. 결과적으로, 미세유체 아키텍처를 테스트하고 검증하는 것은 새로운 미세가공 접근 방식과 높은 복잡성 및 처리량 아키텍처로 인해 어려운 문제가 되었습니다. 지금까지는 마이크로 일렉트로닉스 다이의 경우와 같이 미세 유체 시스템에 대한 표준 테스트 플랫폼이나 지원이 없습니다.

연구원들은 Xie 등과 같은 특정 용도를 위해 다양한 포장 기술을 제안했습니다.6 WHO는 미세유체 채널에서 DNA 분리를 제어하기 위해 마이크로일렉트로닉스 칩을 포함한 생체 미세유체 패키징을 설계했습니다. Beebe 외.7은 유체 샘플을 조작하기 위해 통합 유체 저장소와 자극 반응 하이드로겔 밸브가 있는 미세유체 채널을 설계했습니다. 다른 시스템에서는 전기장을 통해 압력을 감지하여 기포를 생성하고 해당 압력을 측정하기 위해 전해 기포 기반 유량 센서를 사용할 것을 제안합니다8. 감지 시스템은 기포의 임피던스를 측정한 다음 압력을 결정하며, 이를 위해서는 측정에 간섭이 발생하지 않도록 설계된 특수 포장이 필요합니다. 또 다른 연구에서는 순차적 플라즈마 활성화 공정9을 기반으로 실온 미세유체 패키징 방법이 도입되었습니다. 이 프로세스로 인해 강력하게 조립된 장치가 생성될 수 있음에도 불구하고 프로토타이핑 목적으로 사용하거나 장치를 여러 번 사용하는 경우 제한이 있습니다. 후자는 시스템의 일부 부품을 자주 교체해야 함을 의미할 수 있습니다. 더욱이, Lee 등은 개별 자기 비드 조작을 위해 자기장을 사용하는 것을 기반으로 하는 Biolab-on-IC라는 새로운 패키징 기술을 도입했으며, 여기서 미세유체 아키텍처는 집적 회로(10)의 상부에 설계되었습니다. 또한, 시스템 크기, 광학적 측면 및 연결 부품을 고려한 미세유체 시스템의 패키징 및 통합의 신뢰성은 Han and Frazier11에 의해 자세히 설명된 바와 같이 중요한 문제입니다. 이 후자의 작업은 패키징 중에 여러 파라미터를 정확하게 고정하고 측정해야 하는 LoC 시스템의 일반적인 접근 방식을 반영합니다.

결과적으로, 미세유체 패키징은 새로운 세대의 미세유체 장치에 대한 도전적인 문제입니다. 포장에는 튜브, 전기 연결 및 미세유체 지지체와 같은 이기종 부품이 포함됩니다. 튜빙의 경우 주요 문제는 미세유체 구멍에 접근하기 위해 튜브를 연결할 수 있는 공간이 매우 제한되어 있다는 것입니다. 현재 시판되는 커넥터의 직경은 6mm 범위입니다. 그러나 두 액세스 구멍 사이의 거리는 전체 시스템 치수(12-13)가 감소함에 따라 점점 좁아지고 있습니다. 따라서 PDMS를 기반으로 한 튜빙 기술을 제안했습니다. 이 튜빙 공정은 프로토타이핑 단계를 위해 특별히 정교합니다. 사실, 화학적 제약으로 인해 미세 구조 내부의 액체 누출을 방지 및 최소화하고 마이크로 채널을 청소하기 위해 매번 사용 후 연결 튜브를 교체해야 합니다. 이러한 목적을 위해 이 백서에 설명된 프로세스는 빠른 프로토타이핑 설계에 특히 적합합니다.

반면에, 전기 연결은 직접 또는 간접 전기 조작 또는 측정을 사용하는 미세 유체 장치에 매우 중요합니다. 광범위한 미세유체 응용 분야로 인해 장치 치수, 모양 및 전기 접점 수가 상당히 다를 수 있습니다. 따라서 다양한 응용 분야에 사용할 수 있는 다재다능한 방법이 필요합니다. Kaler 등은 ZIF(Zero Insertion Force) 커넥터14를 기반으로 하는 미세유체 고속 프로토타이핑 플랫폼의 결과를 보고했습니다. 이러한 최신 커넥터 대신 제시된 방법은 모든 모양에 쉽게 적용할 수 있는 이방성 접착 전도성 필름을 사용합니다.

많은 연구자들은 미세유체 장치를 설계할 때 테스트 제약 조건을 고려하지 않습니다. 마이크로 일렉트로닉스에는 IC 홀더라고 하는 프로토타이핑 목적 및 테스트에 사용되는 많은 지지대가 있습니다. 이는 주로 프로토타이핑 및 테스트 시간을 단축하고 연구원과 엔지니어가 고장 발생 시 장치를 쉽게 교체할 수 있는 방법을 제공하도록 설계되었습니다. 마이크로 일렉트로닉스와 마찬가지로 45mm x 90mm 장치 크기로 제한된 미세 유체 장치에 대한 새로운 테스트 패키지도 제안하고 있습니다.

우리가 제안한 기술은 많은 microfluidic 장치 및 응용을 커버하기 위하여 작정하고 있습니다. 이러한 방법은 다른 응용 프로그램에 맞게 조정, 확장 및 업그레이드할 수 있습니다. 우리는 미세유체 조작에 최적화된 미세유체 장치를 위한 최초의 다목적 패키징 방법 중 하나를 제공하는 것을 목표로 합니다. 예를 들어, 이러한 기술로 패키징된 장치의 최종 응용 분야 중 하나는 폴리스티렌 및 카르복실 변형 미세구를 인공 뇌척수액으로 분리하는 것입니다. 그럼에도 불구하고 다른 솔루션을 사용하는 다른 응용 프로그램에서 사용할 수 있습니다.

이 기사의 나머지 부분에서는 세 가지 다른 튜빙 기술, 2가지 전기 연결 방법 및 1가지 미세유체 패키징 방법을 제시하고 비교합니다.

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Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 저압 미세유체 응용을 위한 탈착식 PDMS 기반 인터커넥터15-16

  1. 준비
    이 섹션에서는 인터커넥터를 생산하기 위해 유리와 PDMS를 준비하는 다양한 단계에 대해 설명합니다.
    1. PDMS 준비: PDMS와 경화제를 (10:1) 비율로 혼합합니다.
    2. 오븐 온도가 80°C의 일정한 온도에서 안정화되었는지 확인하십시오. 오븐에 따라 측정 장치를 사용하여 오븐의 온도를 감지한 후 수동으로 모니터링하십시오.
    3. 페트리 접시를 에탄올로 철저히 청소하십시오.
    4. PDMS 인터커넥터가 배치될 미세유체 접근 구멍의 표면을 청소합니다.
  2. 제작
    이 백서에 설명된 인터커넥터는 기본적으로 규정을 준수하는 개스킷입니다. 이 개스킷은 PDMS로 형성되었으며 마이크로튜브를 삽입할 수 있는 구멍이 있습니다. 그것은 microfluidic 칩의 표면에 각자 고착합니다, chip.
    에 있는 microchannels에 microtube와 접근 구멍 사이 누출 방지 물개를 형성하기 위하여 다음 단계를 사용하여 인터커넥터를 제작하십시오.
    1. PDMS(액체)의 얇은 층(약 2mm)을 페트리 접시에 붓습니다.
    2. PDMS를 오븐에서 80°C의 온도에서 12-15분 동안 약간 중합시킵니다.연결할 미세유체 칩을 오븐에 동시에 놓아 동일한 온도가
      3. 되도록 합니다.
    3. PDMS가 중합되기 시작하면 경화 오븐에서 꺼냅니다.
    4. 생검 펀치를 사용하여 미세유체 칩 표면에 원하는 직경의 구멍을 형성합니다.
    5. 블레이드를 사용하여 필요한 PDMS.
      부분을 자릅니다. 참고: 처음에는 최종적으로 필요한 것보다 더 큰 재료 조각을 잘라내는 것이 좋습니다. 여러 커넥터를 사용하지 않으려면 주어진 PDMS 인터커넥터를 정사각형 모양으로 절단하고 구멍을 뚫어 사용자 칩의 가능한 최대 구멍 수를 준수하는 것이 바람직합니다.
    6. 구멍을 마이크로튜브의 바깥쪽 지름보다 약간 작게 유지하십시오.
    7. 페트리 접시에서 PDMS를 빠르게 제거하고 미세유체 칩에 놓습니다.
    8. PDMS 또는 칩에 먼지가 없는지 확인하고 미세유체 칩의 액세스 구멍이 PDMS의 액세스 구멍과 정렬되어 있는지 확인합니다.
    9. 마이크로 포지셔너를 사용하여 PDMS 인터커넥터를 통해 튜브(예: 테프론 튜브)를 삽입합니다. 튜브는 액체 누출을 방지하기 위해 미세 유체 액세스 구멍 직경의 110%여야 합니다. 사용자의 용도에 따라 동일한 튜브를 액체 주입 시스템에 연결할 수 있습니다.
      메모: 항상 마이크로 포지셔너를 사용하여 튜브를 배치하고 PDMS 층은 매우 두껍지 않으며 튜브가 꼬이면 분리할 수 있습니다.
    10. 필요한 경우 더 나은 접착력을 위해 튜브와 PDMS 사이에 에폭시를 추가하십시오.
      완성된 인터커넥터의 예는 그림과 Ghallab 및 Badawy2에 나와 있습니다.

2. 에폭시17을 사용한 미세유체 응용 분야의 마이크로튜브 상호 연결

인터커넥터를 제작할 때 마이크로튜브의 가장자리가 올바르게 절단되었는지 확인하십시오. 새로운 날카로운 날을 사용하여 마이크로튜브의 가장자리를 똑바로 자르고 마이크로튜브와 액세스 구멍 사이의 접촉이 균일한지 확인합니다.

  1. 마이크로 포지셔너를 사용하여 마이크로 튜브를 미세 유체 칩의 액세스 구멍에 조심스럽게 놓습니다.
  2. 에폭시 디스펜서에 작은 압력을 가하여 액세스 구멍에 에폭시를 주입하거나 수동으로 배치합니다.
  3. 다음 단계를 사용하여 에폭시가 경화되도록 합니다.
    1. UV 경화형 에폭시: 사용된 에폭시의 양에 따라 UV 에폭시를 UV 소스에 3-10분 동안 노출시킵니다. 자세한 내용은 에폭시 사양을 참조하십시오.
    2. 표준 에폭시: 미세유체 기판을 RT에서만 사용하는 경우 RT에서 24시간 동안 에폭시 경화를 유지하십시오. 기판이 고온을 견뎌야 하는 경우 용도에 따라 오븐 또는 히터를 사용하여 100°C에 노출시켜 에폭시를 빠르게 응고시킵니다. 자세한 내용은 에폭시 사양을 참조하십시오.

3. 전기 인터페이스를 가진 재사용 가능한 미세 유체 칩을 위한 조립 기술17

  1. 구성 요소 조립
    그림 2는 PCB의 전기 커넥터와 미세유체 칩의 전기 패드 사이의 링크를 보여줍니다. PCB/미세유체 칩/플렉시글라스 구성 요소를 조립하려면 다음 단계를 따르십시오.
    주의: 미세유체 칩을 파손시킬 수 있는 과도한 압축 압력을 피하십시오.
    1. 표면 실장 멀티핀 전기 커넥터를 PCB에 납땜합니다.
    2. microfluidic 칩의 전기 패드에 표면 오염이 있는 경우에, 플라스마 산소로 청소하십시오; 그렇지 않으면 에타놀로 패드를 청소하십시오.
    3. 날카로운 날을 사용하여 그림 1 및 2와 같이 전도성 테이프를 미세유체 칩의 전기 패드와 동일한 치수의 작은 조각으로 자릅니다.
    4. 집게를 사용하여 PCB 전기 패드에 전도성 테이프를 놓습니다.
    5. 미세 유체 칩을 정렬한 다음 PCB.
      에 놓습니다. 메모: 배치 정밀도를 위해 얼라인먼트 머신을 사용하십시오.
    6. PCB 트레이스의 위치에 따라 금속 브래킷을 설치하기 전에 단락을 방지하기 위해 PCB에 절연층(예: 종이)을 놓으십시오.
    7. 기계 나사와 너트를 사용하여 금속 브래킷을 부착합니다.
  2. 분해
    1. 기계 나사, 너트 및 금속 브래킷을 제거합니다.
    2. 미세유체 칩과 PCB를 부드럽게 분리합니다.
    3. 재조립하기 전에 에탄올을 사용하여 PCB 및 미세유체 칩의 전기 패드에서 전도성 테이프 접착제를 제거합니다.

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Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

그림 3은 제안된 패키징 기술의 자세한 개략도를 보여줍니다. 패키징 솔루션은 그림 4 및 5와 같이 하이브리드 마이크로일렉트로닉스/미세유체 마이크로시스템을 위한 투명하고 효율적인 패키징 프로세스를 특성화하기 위해 여러 PDMS 두께와 크기로 테스트되었습니다. 설계된 PDMS 인터커넥터 레이어의 치수는 6mm x 6mm이며 두 개의 액세스 구멍을 연결하는 데 사용됩니다. 그러나 주요 시판되는 커넥터의 경우 액세스 구멍 사이의 공간이 5mm 이하인 경우 이러한 치수 내에서 두 개 이상의 구멍을 연결할 수 없습니다. 따라서 에폭시와 PDMS는 이 경우 튜빙에 가장 적합한 선택입니다. PDMS 인터커넥터의 두께는 0.45mm, 1mm, 1.75mm와 같이 다양합니다. 얇은 PDMS 레이어(0.45mm)에서 최상의 접착력을 얻을 수 있습니다. 마지막으로, PDMS 기반 인터커넥터의 제작에는 약 20분이 소요됩니다.

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Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

PDMS 인터커넥터는 저압 애플리케이션을 위한 것으로, PDMS 인터커넥터가 이후에 액세스 구멍에 배치될 때 칩 액세스 구멍으로 액체가 누출되는 것을 방지해야 합니다. 따라서 PDMS의 권장 두께는 2mm 미만입니다. 두께가 클수록 미세유체 칩 표면에 대한 PDMS의 접착력이 약해질 수 있으므로 권장되지 않습니다. 4mm의 두께를 사용하여 실패한 시도가 이루어졌습니다. 이 작업은 주사기 펌프가 액체 주입을 제어하는 동안 PDMS 인터커넥터가 유리에 부착되는 데 중점을 둡니다. 용액 누출은 최대 액체 유량을 제한하는 접착력 손실을 의미합니다. 따라서 용액 누출은 설계 PDMS 인터커넥터와 함께 사용할 수 있는 최대 액체 유량을 나타냅니다.

이 방법에 설명된 인터커넥터는 미세유체 칩 또는 시스템 프로토타이핑 단계에서 탈착식 인터커넥터가 필요한 경우 이상적이지 않을 수 있습니다. 이 인터커넥터는 일회용인 경우가 많으며 미세유체 칩에서 제거되면 동일한 초기 접착력으로 제자리에 다시 놓기...

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Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

공개할 것이 없습니다.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

저자는 NSERC와 캐나다 스마트 의료기기 연구 의장의 재정적 지원을 인정하며, CMC Microsystems와 ReSMiQ가 제공하는 다양한 도구에 감사를 표합니다. 이 작업에 기여한 Laurent Mouden에게 감사드립니다.

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
에폭시 731에포텍731
PDMS, 다우 코닝SYLGARD 184
UV 에폭시에포텍OG159
마이크로 펌프하버드 장치PHD, 울트라
PCB, 고급 회로,
플렉시 유리, 에콜, 폴리 테크니크
, 접착제, 전도성 영화3M9703
, , , , , , , , ,

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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