다층 미세 유체 장치의 제조를 위한 입체 인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터의 설계 및 개발

요약

이 프로젝트를 통해 소규모 실험실에서는 정밀다층 미세 유체 장치를 제조하기 위한 사용하기 쉬운 플랫폼을 개발할 수 있습니다. 플랫폼은 <10 μm의 정렬 오차가 있는 다층 미세 유체 장치를 사용하여 3차원인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터로 구성됩니다.

초록

이 프로젝트는 일반적으로 깨끗한 실내 환경에서 비용이 많이 드는 장비를 사용하여 달성 할 수있는 정밀한 다층 미세 유체 장치의 제조를위한 사용하기 쉽고 비용 효율적인 플랫폼을 개발하는 것을 목표로합니다. 플랫폼의 핵심 부분은 일반 광학 현미경 및 자외선 (UV) 광 노출 시스템과 호환되는 3차원 (3D) 인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터 (MMAA)입니다. 장치 설계를 최적화하기 위해 수행된 작업으로 인해 장치를 만드는 전체 프로세스가 크게 간소화되었습니다. 이 프로세스는 실험실에서 사용할 수 있는 장비에 적합한 치수를 찾고 최적화된 사양으로 MMAA를 3D 프린팅하는 것을 수반합니다. 실험 결과에 따르면 3D 프린팅에 의해 설계및 제조된 최적화된 MMAA는 일반적인 현미경 및 광 노출 시스템과 잘 어울림합니다. 3D 프릭 MMAA에서 제조한 마스터 몰드를 사용하여 다층 구조가 있는 생성된 미세 유체 장치는 일반적인 마이크로칩에 충분한 <10 μm의 정렬 오류를 포함합니다. 장치의 수송을 통해 UV 광 노출 시스템으로의 인간의 오류는 더 큰 제조 오류를 일으킬 수 있지만,이 연구에서 달성 된 최소한의 오류는 연습과 주의로 달성 할 수 있습니다. 또한 MMAA는 3D 프린팅 시스템의 모델링 파일을 변경하여 모든 현미경 및 UV 노출 시스템에 맞게 사용자 지정할 수 있습니다. 이 프로젝트는 미세 유체 장치를 생산하고 사용하는 실험실에서 이미 사용할 수 있는 장비만 사용해야 하기 때문에 소규모 실험실에 유용한 연구 도구만 제공합니다. 다음 세부 프로토콜은 MMAA의 설계 및 3D 프린팅 프로세스를 간략하게 설명합니다. 또한, MMAA를 이용하여 다층 마스터 몰드를 조달하고 폴리(디메틸실록산) (PDMS) 미세유체 칩을 생산하는 단계도 본원에 설명되어 있다.

서론

엔지니어링 연구에서 잘 발달되고 유망한 분야는 미세 유체 플랫폼을 사용하는 광범위한 응용 분야로 인해 미세 제조입니다. 미세 제조는 서로 다른 화학 화합물을 사용하여 μm 또는 작은 크기의 피처로 구조물이 생산되는 공정이다. 지난 30년 동안 미세유체 연구가 발전함에 따라 소프트 리소그래피는 폴리(디메틸실록산) 또는 이와 유사한 물질로 만든 마이크로칩을 생산하는 가장 인기 있는 미세 제조 기술이 되었습니다. 이러한 마이크로칩은 일반적인 실험실 관행^1,2,3,4의 소형화에 널리 사용되어 왔으며, 엔지니어들이 반응 과정^5,6,7,연구 반응 메커니즘을 모방하고 체외에서 인체에서 발견되는 장기를 모방하는 강력한 연구 도구가 되었다(예를 들어, 장기-온-칩)^8,9,

프로토콜

1. MMAA 설계

1. 도 1에도시된 웨이퍼 홀더(또는 UV 노출 단위)의 치수에 대한 상한이 되는 사용 가능한 UV 광 방출 시스템의 트레이의 치수를 획득한다. 도 2A에도시된 바와 같이, 내부 원형 림의 직경(d)을 측정하고, UV 광 방출 시스템의 트레이의 내부 높이(h), 트레이의 총 폭(w) 및 길이(l)를 측정한다.
   참고: 예를 들어, 사용 가능한 UV 광 노출 시스템은 4인치 원형 컷아웃이 있는 5인치(") x 5" x 0.25"의 내부 트레이 치수를 가지고 있었습니다. 그런 다음 MMAA의 치수는 도 2B에표시된 대로 내부 트레이 치수보다 크지 않고 적절하게 맞고 시스템의 트레이 내에 평평하게 앉을 수 있도록 설계되었습니다. MMAA의 3D 인쇄 된 조각에 대한 그림 3을 참조하십시오 : 포토 레지스트 코팅 실리콘 웨이퍼와 현미경에 설정을 해결하기 위해 패스너.
2. 슬라이드 홀더를 제자리에 고정하는 사용 가능한 직립 현미경 스테이지의 나사 사이의 길이를 측정합니다. 또한 나사의 너비를 측정합니다. 이러한 치수를 사용하여 자기

결과

MMAA(도1)의최적화 및 사용을 통해 정렬 오차가 최소화된 다층 마스터 몰드가 제작되었습니다. 최종 MMAA는 융합필라멘트 제조(FFF) 3D 프린팅공정(도 2)을사용하여 제작하였다. FFF 프로세스는 원하는 장치 치수에 대한 정확도를 높입니다. MMAA는 두 가지 메인피스(그림 3)로구성되어 있습니다: 기본 조각과 커스텀 패스너. 베이스 피스는 웨이퍼 홀더 역할을 하는 UV 노출 장치로 구성됩니다. UV 노출 장치는 포토마스크와 코팅된 실리콘 웨이퍼의 적절한 정렬을 허용합니다. 두 번째 조각은 웨이퍼 홀더를 자석으로 현미경의 플랫폼에 고정시키는 사용자 정의 패스너입니다. 이중 레이어 마스터 몰드의 위쪽 레이어 및 하단 레이어의 정렬을 지원하는 데 사용되는 전체 설정은 도 4에그려져 있습니다. 이 시스템과 기재된 프.......

토론

앞서 언급한 프로토콜은 MMAA를 3D 프린팅하고 시스템을 사용하여 정밀하고 다층적인 미세 유체 장치 마스터 몰드를 만드는 절차를 간략하게 설명합니다. 이 장치는 사용하기 쉽지만 마스터 금형 레이어의 적절한 정렬을 보장하기 위해 연습과 주의가 필요한 프로토콜 내에서 중요한 단계가 있습니다. 첫 번째 중요한 단계는 MMAA의 설계입니다. MMAA를 설계하여 UV 광 노출 시스템 내부에 적절한 적합성을 허용하는 장치에 대한 정확한 측정값을 결정할 때 필수적입니다. 장치의 정렬이 잘못되면 고르지 않은 UV 광 노출이 발생할 수 있으므로 마스터 금형 피처의 변형이 발생할 수 있습니다. 두 번째 중요한 단계는 MMAA를 사용할 때 마스터 몰드의 첫 번째 및 두 번째 레이어를 정렬할 때 주의하는 것입니다. 2층 포토마스크를 웨이퍼 및 MMAA에 고정할 때 사용자가 세심한 주의를 기울이는 1층 정렬 마커와 정렬한 후 필수적입니다. 미크론 크기의 기능은 고정 시 포토마스크의 이동으로 인한 작은 정렬 불량이 최종 PDMS 장치를 사용할 수 없게.......

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS),	텍사스 공과 대학에서 제공하는 3D 프린팅 필라멘트
BX53, 정립 현미경	Olympus
Form 2, 광조형 3D 프린터	Formlabs
Advanced Hot Plate Stirrer	VWR	97042-642
이소프로필알코올, 70%(V/V)	VWR	BDH7999-4
밝은 색상의 마커	Sharpie
자석, 3mm x 3mm	WOTOY		ASIN #: B075PLVW8W
SYLGARD 184 실리콘 엘라스토머 키트	DOW	4019862
페트리 접시, 150mm x 15mm	VWR	25384-326
인쇄 포토마스크	CAD/Art Services, Inc.
알루미늄 지지 잭 - 8" x 8", 가위 리프트	VWR	12620-904
실리콘 웨이퍼	대학 웨이퍼	452
수산화나트륨	VWR
초음파 처리 목욕	Branson	CPX3800H
스핀 코터	Laurell Technologies Corporation	모델 WS-650MZ-23NPPB
STRATASYS SR-30	MakerBot Industries, LLC	SR-30	3D 프린팅용 용해성 서포트 재료
Stratasys uPrint SE 3D 프린터	Computer Aided Technology, LLC
SU-8 50	Kayaku	Y131269 0500L1GL
SU-8 100	Kayaku	Y131273 0500L1GL
SU-8 개발자	Kayaku	Y020100 4000L1PE
슈퍼 글루	고릴라 접착제
Trichloro (1H< / em>,1H< / em>,2H< / em>,2H< / em>-perfluorooctyl) 실란	Sigma-Aldrich	448931-10G
테이프	스카치
폼 큐어, UV 경화 챔버	Formlabs	FH-CU-01
UV-KUB2, 자외선 노출 상자	Kloe	UV-KUB2

3D 프린팅 시설