Multi-stap Variabele Hoogte fotolithografie voor Valved Multilayer microfluïdische apparaten

Summary

Meerlagige microfluïdische apparaten omvatten vaak de fabricage van mastervormen met complexe geometrieën voor functionaliteit. Dit artikel presenteert een volledig protocol voor meertraps fotolitografie met kleppen en functies met variabele hoogte die afstembaar zijn op elke toepassing. Als demonstratie fabriceren we een microfluïdische druppelgenerator die in staat is om hydrogelkorrels te produceren.

Abstract

Microfluidische systemen hebben krachtige nieuwe benaderingen mogelijk gemaakt voor biochemische en biologische analyses met hoge doorvoer. Er blijft echter een toegangsbarrière bestaan voor niet-specialisten die enorm zouden profiteren van de mogelijkheid om hun eigen microfluïdische apparaten te ontwikkelen om onderzoeksvragen aan te pakken. Wat vooral ontbrak, is de open verspreiding van protocollen met betrekking tot fotolitografie, een sleutelstap in de ontwikkeling van een replicamal voor de vervaardiging van polydimethylsiloxaan (PDMS) apparaten. Hoewel de fabricage van siliconen masters met één hoogte uitvoerig is onderzocht in de literatuur, worden fabricagestappen voor meer gecompliceerde fotolitografie-functies die nodig zijn voor veel interessante apparaatfunctionaliteiten (zoals kenmerkafronding om klepstructuren te maken, patroonvorming met meerdere hoogtes en enkele mal, of definitie van hoge aspectverhouding) vaak niet expliciet beschreven.

Hier bieden we een compleet protocol voor het maken van meerlagige microfluïdische apparaten met kleppen en complexe geometrieën met meerdere hoogtes, afstembaar voor elke toepassing. Deze fabricageprocedures worden gepresenteerd in de context van een microfluïdische hydrogelparelsynthese en demonstreren de productie van druppels met polyethyleenglycol (PEG diacrylate) en een foto-initiator die kan worden gepolymeriseerd tot vaste parels. Dit protocol en de bijbehorende bespreking bieden een basis van ontwerpprincipes en fabricagemethoden die de ontwikkeling van een breed scala aan microfluïdische apparaten mogelijk maken. De hier opgenomen details zouden niet-specialisten in staat moeten stellen nieuwe apparaten te ontwerpen en te fabriceren, waardoor een groot aantal recent ontwikkelde technologieën naar hun meest opwindende toepassingen in biologische laboratoria kunnen worden gebracht.

Introduction

In de afgelopen 15 jaar heeft microfluidics als een akker snelle groei doorgemaakt, met een explosie van nieuwe technologieën die de manipulatie van vloeistoffen in de micrometer schaal ^1. Microfluïde systemen zijn aantrekkelijk platforms voor natte laboratorium functionaliteit omdat de kleine hoeveelheden hebben het potentieel om hogere snelheid en gevoeligheid te realiseren terwijl tegelijkertijd de dramatische toename doorvoer en lagere kosten door gebruik schaalvoordelen ^{2, 3.} Meerlaagse microfluïde systemen zijn bijzonder significant effect in high-throughput biochemische analyses aan zoals single cell analyse ^{4, 5, 6,} enkel molecuul analyse (bijvoorbeeld digitale PCR ^7), proteïne kristallografie ^8, transcriptiefactor bindingstesten gemaaktf "> ^{9, 10, 11} en cellulaire screening.

Een centraal doel van microfluïdische is de ontwikkeling van "lab op een chip" inrichtingen die in staat zijn complexe vloeibare manipulaties binnen één apparaat voor biochemische analyse totaal ¹² zijn. De ontwikkeling van multi-layer zachte lithografie technieken heeft geholpen realiseren van deze doelstelling doordat creatie van on-chip kleppen, mixers, en pompen voor het actief regelen van vloeistoffen in kleine volumes ^{13, 14, 15.} Ondanks hun voordelen en toepassingen aangetoond Veel van deze microfluidic technologieën blijven grotendeels uitgespannen niet-gespecialiseerde gebruikers. Wijdverbreide toepassing is een uitdaging voor een deel te wijten aan beperkte toegang tot microfabrication faciliteiten, maar ook als gevolg van onvoldoende communicatie van fabricagetechnieken. Dit geldt vooral for multilayer microfluïdische apparaten met structuren voor afsluiters of complexe geometrieën: het gebrek aan gedetailleerde, praktische informatie over belangrijke ontwerp parameters en fabricagetechnieken schrikt vaak nieuwe onderzoekers van het aanbreken van projecten waarbij het ontwerp en de creatie van deze apparaten.

Dit artikel is bedoeld om deze kenniskloof te pakken door het presenteren van een compleet protocol voor het maken van meerlaagse microfluïdische apparaten met kleppen en variabele hoogte functies, vanaf het ontwerp parameters en bewegen door alle fabricage stappen. Door te focussen op de eerste fotolithografie stappen van de fabricatie, dit protocol vormt een aanvulling op andere microfluidics protocollen ¹⁶ die stroomafwaarts stappen van het gieten van apparaten van mallen en hardlopen specifieke experimenten te beschrijven.

Microfluïdische inrichtingen met monolithische on-chip kleppen bestaan ​​uit twee lagen: een "flow" laag, waarbij het van belang zijnde fluïdum wordt gemanipuleerd microkanalen, en een "control" laag, waar de microkanalen met lucht of water selectief stroming in de stroom laag ¹⁴ kunnen moduleren. Deze twee lagen zijn elk vervaardigd op een afzonderlijke silicium molding meester, die vervolgens voor polydimethylsiloxaan (PDMS) replica vormen wordt gebruikt in een proces dat "zachte lithografie ^17." Teneinde een meerlaagse inrichting te vormen, elk van de PDMS lagen omtrent hun respectieve vormen meesters en uitgelijnd met elkaar, waardoor een samengesteld PDMS apparaat met kanalen in elke laag gevormd. Kleppen zijn gevormd op plaatsen waar flow en besturingskanalen elkaar kruisen en zijn gescheiden door slechts een dun membraan; onder druk zetten van het besturingskanaal afbuigt dit membraan aan het stromingskanaal afsluiten en lokaal verplaatsen van de vloeistof (figuur 1).

Actief op-chip kleppen kunnen worden vervaardigd op verschillende manieren, afhankelijk van de gewenste eindtoepassing. Valveskunnen worden geconfigureerd in ofwel een "duw" of "opdrijven" geometrie, naargelang de besturingslaag boven of onder de stroom laag (figuur 1) ^15. "Push up" geometrieën mogelijk lagere sluitdrukken en hogere stabiliteit toestel tegen delaminatie, terwijl "duw" geometrieën mogelijk maken de stroomkanalen in direct contact met het gebonden substraat, geven het voordeel van selectieve functionalisering en patroonvorming van het substraatoppervlak later functionaliteit ^{18, 19.}

Kleppen kunnen ook opzettelijk lek "zeef" kleppen of volledig afsluitbaar zijn, afhankelijk van het dwarsdoorsnedeprofiel van het stromingskanaal. Zeef kleppen zijn bruikbaar voor het vangen van korrels, cellen of andere macroanalytes ¹ en gefabriceerd via het gebruik van typische negatieve fotoresists (dwz SU-8-serie), die have rechthoekige profielen. Wanneer een besturingskanaal onder druk via deze klepgebieden de PDMS membraan tussen het bedieningsorgaan en stroom afbuigt laag isotroop in het kokerprofiel van de klep niet sluiten de hoeken, waardoor fluïdumstroming maar vangen macroschaal deeltjes (figuur 1). Omgekeerd worden volledig afdichtbare microfluïdische kleppen vervaardigd door op een klein stukje ronde fotoresist op afsluiterlocaties. Met deze geometrie druk zetten van het besturingskanaal buigt het membraan tegen de afgeronde stroom laag om het kanaal volledig afdichten, stoppen fluïdumstroming. Afgeronde profielen in de stroom laag worden gegenereerd via het smelten en opnieuw plaatsen van de positieve fotoresist (bijv AZ50 XT of SPR 220) na het typische fotolithografie stappen. We hebben eerder aangetoond dat post-reflow hoogten van klep regio's zijn afhankelijk van de gekozen functie afmetingen ^21. Dit protocol toont de vervaardiging van Afsluiter met geometrieënin een kraal synthese apparaat.

Figuur 1: Multilayer microfluïdische Valve Geometries. Typische "push up" apparaat architecturen voor zeef en volledig afsluitbare kleppen vóór (boven) en na (onder) onder druk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Apparaten kunnen ook complexe passieve functies, zoals chaotisch mixers ¹³ en on-chip weerstanden ²⁰ die kenmerken van meerdere verschillende hoogtes binnen eenzelfde stroom laag. Een variabele hoogte laag debiet te bereiken, hebben verschillende groepen vele methoden waaronder printplaat etsen ^22, multilayer PDMS hulp uitlijning ²³ of meerdere stappen Pp toegepasthotolithography ^24. Onze groep heeft meerstaps fotolithografie gevonden uit één stuk vervaardigd meester een doeltreffende en reproduceerbare methode. Om dit te doen, is een eenvoudige fotolithografie techniek van het bouwen van dikke kanalen van negatieve fotolak (bv SU-8-serie fotoresists) in lagen zonder ontwikkeling in tussen de toepassing van elke laag gebruikt. Elke laag wordt gesponnen negatief fotoresist volgens zijn dikte middels instructies van de fabrikant ²⁵ op de silicium meester. Kenmerken van deze hoogte worden vervolgens gevormd op de laag met een specifieke transparantiemasker (figuur 2) aangebracht op een glazen maskerplaat en afgestemd op de eerder gesponnen laag vóór blootstelling. In multi-step fotolithografie, nauwkeurige uitlijning tussen de lagen is van cruciaal belang bij het vormen van een volledige variabele hoogte stromingskanaal. Na uitlijning wordt elke laag aan een dikte afhankelijke bakken na belichting. Zonder ontwikkeling, de volgende laag is similarly patroon. Hierdoor kunnen hoge functies worden opgebouwd op een enkele stroom wafer layer-by-layer via het gebruik van meerdere maskers. Door het overslaan van ontwikkeling tussen elke stap, kunnen vorige fotoresist lagen worden gebruikt om samengestelde hoogte functies genereren ²⁴ (dat wil zeggen, kan twee 25 urn lagen een 50 pm functie te maken). Bovendien kan kanaal vloer functies zoals chaotisch mixer visgraat groeven ¹³ worden gemaakt met behulp van lagen met eerder blootgesteld functies. Een laatste ontwikkelingsstap het proces is voltooid, waardoor een enkele stroom wafer met gebruik van variabele hoogte (figuur 3).

Hier wordt een volledige protocol voor meerdere stappen die fotolithografie voorbeelden nodige on-chip kleppen en stromingskanalen met verschillende hoogtes fabriceren procedures omvat voorzien. Deze fabricage protocol wordt gepresenteerd in de context van een multi-layer microfluïdische kraal synthesizer die kleppen en variab vereistle-height beschikt voor zijn functionaliteit. Dit apparaat is voorzien van T-kruisingen voor het genereren van waterdruppeltjes in een olie schede, on-chip weerstanden om debieten te moduleren door middel van het regelen van Poiseuille weerstand, een chaotische mixer voor homogeniseren druppel componenten, en beide volledig verzegelen en zeef kleppen om geautomatiseerde workflows met meerdere reagens mogelijk te maken ingangen. Gebruik meerstaps fotolithografie, worden deze functies elk gefabriceerd op een andere laag volgens hoogte of fotoresist; de volgende lagen zijn opgebouwd in dit protocol: (1) Flow Rond klep laag (55 urn, AZ50 XT) (2) Flow Low laag (55 urn, SU-8 2050) (3) Flow High laag (85 urn, SU- 8 2025, 30 urn additief hoogte), en (4) visgraat Grooves (125 urn, SU-8 2025, 40 urn additief hoogte) (figuur 3).

Hydrogel kralen kan worden gebruikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder selectieve functionalisering oppervlak voor stroomafwaartse testen, geneesmiddelinkapseling, radiotracing en imaging assays en mobiele integratie; we voorheen een complexere uitvoering van deze apparaten spectraal gecodeerde PEG hydrogel bolletjes, bevattende lanthanide nanophosphors ²⁰ produceren. De ontwerpen die hier besproken zijn opgenomen in de aanvullende middelen voor elk lab te gebruiken in hun onderzoeksinspanningen indien gewenst. We verwachten dat dit protocol een open bron voor specialisten en niet-specialisten zowel geïnteresseerd in het maken van multi-layer microfluïdische apparaten met kleppen of complexe geometrieën aan de toetredingsdrempel in microfluidics te verlagen en verhogen de kans op fabricage succes zal bieden.

Protocol

1. Multi-layer Device ontwerp

OPMERKING: Kenmerken van verschillende hoogtes en / of fotoresists moet achtereenvolgens op de wafer worden toegevoegd tijdens verschillende fabricagestappen te eindcomposiet maken inclusief. Daarom ontwerpen voor elke afzonderlijke hoogte en fotolak te worden op een wafer op eigen masker (figuur 4) worden gedrukt.

1. Download een computerondersteund ontwerp (CAD) opstellen programma (bijvoorbeeld, AutoCAD Educational Version).
2. Definieer de 4 "wafer gebied door het tekenen van een 4" cirkel. Wafer ontwerpen (Figuur 4, Extra hulpbronnen) zijn voorzien als voorbeeld.
3. Binnen de 4 "wafer overzicht, plaats apparaat grenst aan het gebruik van 300 pm polylijn rechthoeken. Gebruik deze inrichting grenzen voor het instellen tijdens de fotolithografie.
4. Maak verschillende lagen voor elke verschillende hoogte of fotolak die nodig zijn voor het definitieve ontwerp (dat wil zeggen, flow ronde stromen laag, stromen hoog,en controle in het ontwerp), het gebruik van het deelvenster Lagen.
   1. Ontwerpkenmerken van een bepaalde gewenste hoogte op de corresponderende laag. Het voorbeeld ontwerp toont 4 verschillende actieve lagen, elk met een eigen kleur (Figuur 4).
      OPMERKING: Apparaat randen, globaal tekst en de wafel omtrek moet worden op hun eigen laag (dat wil zeggen 1-negatief in de ontwerpen), die later op alle lagen van wereldwijde afstemming verschijnen. Kenmerken van verschillende fotoresist (bijvoorbeeld volledig afsluitbare kleppen die moeten worden vervaardigd positieve resist) moet op verschillende lagen ongeacht de hoogte.
5. Met gesloten zero-width polylijnen, ontwerp functies van het apparaat binnen de grenzen apparaat.
   1. Overweeg ontwerp parameters in tabel 1 tot en met kans op een succesvolle fabricage vergroten.
   2. Voor elke hoogte, selecteert u die laag in het deelvenster Lagen en voeg alle functies van die hoogte.
6. Klaarontwerpen voor transparanten afdrukken via de Basic masker File (Extra bronnen) waarbij elke 4 rechthoekige border "wafer cirkel binnen een 5 is geplaatst". Elke laag wordt gedrukt op een afzonderlijke transparanten voor stapsgewijze toevoeging van elke fotolaklaag.
   LET OP: Deze fundamentele Mask File vormt de laatste ontwerpen die worden gebruikt voor het afdrukken.
   1. Om compleet ontwerp, zet alle lagen uit, behalve 1-negatieve en de AZ50 XT klep laag. Kopieer de volledige wafer met de actieve laag (dat wil zeggen, kleppen) en globale functies (dwz., Het apparaat grenzen).
   2. Open de Basic Mask File en plak dit ontwerp in de rechthoek recht AZ50 XT kleppen. Gebruik de buitenste wafer grens voor het uitlijnen en vervolgens verwijderen na het plakken.
   3. Herhaal dit voor de rest van de lagen (bijvoorbeeld, in het voorbeeld ontwerp: stroom vierkant laag, stromen vierkant hoog, en controle). Voorbeeld transparantie bestanden worden aangeboden (Extra bronnen).
   4. Stuur bestanden naar een comcommerciële drukkerij (bijv FineLine Imaging) voor het afdrukken op transparanten. Gebruik 32.000 DPI te drukken> 10 pm functies en tot 50.000 DPI voor kleinere functies. Als functies minder dan 7 urn nodig, bestel een Chrome Mask in plaats van een transparante film.

Tabel 1: Design Parameters en suggesties. Overwegingen bij het ontwerp van gemeenschappelijke valkuilen te vermijden tijdens het CAD-ontwerpproces van microfluïdische apparaten. Klik hier om deze tabel te bekijken. (Klik met de rechtermuisknop om te downloaden.)

2. Het voorbereiden van een Wafer voor fotolithografie

OPMERKING: Deze stappen bovendien worden weergegeven in tabel-formaat in tabel 2.

1. In cleanroom of aangewezen schone ruimte, schoon en uitdrogen een 4 "test-grade silicium wafer (single-side polished).
   1. Spoel de wafer goed met methanol.
      LET OP: geen verdere schoonmaak stappen zijn nodig als u de SU-8 hechtlaag hieronder beschreven. Andere hechting lagen die afwijken van dit protocol (bijv., HMDS) vereisen vaak meer grondige reiniging, zoals de piranha etsen.
   2. Drogen onder een _N2 of perslucht.
   3. Bak op een aluminium verwarmingsplaat bij 95 ° C gedurende 10 minuten volledig oplosmiddel te verdampen.
2. Fabriceren van een uniform 5 pm dikke laag van SU-8 2005 tot hechting voor de volgende fotoresist lagen te verbeteren.
   1. Leg de schoongemaakte wafer op een spin coater, zet het vacuüm om het aan te brengen op de draaibank, en weg te blazen het stof met _N2 of perslucht.
   2. Solliciteer 1-2 ml van SU-8 2005 negatief fotolak in het centrum van de wafer en centrifugeren als volgt: spread: 500 rpm, 10 sec, 133 rpm / s versnelling; cast: 3000 rpm, 40 sec, 266 rpm / s acceleratie.
   3. Verwijder waferen zacht bakken door te schakelen tussen twee kookplaten wafer ingesteld op 65 ° C en 95 ° C volgens het volgende programma: 65 ° C: 2 minuten, 95 ° C: 3 min, 65 ° C: 2 min.
   4. Sta wafer afkoelen tot kamertemperatuur.
   5. Plaats wafer in de as met een UV mask aligner en bloot zonder kap ( "flood exposure ') voor een totale depositie energie van 124 mJ (hier, 20 sec bij ~ 6,2 mW / cm ² lampintensiteit). Indien beschikbaar, selecteert harde contactlenzen modus om een ​​300 pm wafer te bereiken: maskeren scheiding.
   6. Verwijderen wafer en bakken na belichting door het schakelen van de wafer tussen twee kookplaten ingesteld op 65 ° C en 95 ° C als volgt: 65 ° C: 2 minuten, 95 ° C: 4 min 65 ° C 2 min.

Fabriceren Afgeronde Valves

3. Gebruik online AZ50 XT klep voorspeller resource ²⁶ tot centrifugetoerentallen plannen voor de gewenste afsluiter afmetingen en hoogtes.
   OPMERKING: De volgende stappen depozitten een 55 micrometer laag van positieve fotolak voor afsluiter definitie en reflow afronding.
4. Plaats de wafer op een spin coater, zet vacuüm om het aan te brengen op de draaibank, en weg te blazen het stof met _N2 of perslucht.
5. Breng 2-3 ml AZ50 XT positieve fotolak naar het centrum van de wafer. Spin als volgt: spread: 200 rpm, 10 s, 133 rpm / s versnelling; cast: 1200 rpm, 40 sec, 266 rpm / s versnelling; Snap spin om edge bead te verwijderen: 3.400 rpm, 1 sec, 3.400 rpm / s acceleratie.
6. In een 5 "petrischaal, leggen de wafer voorzichtig en laat ontspannen voor 20 min.
7. Zacht bakken de wafer op een kookplaat: 65 ° C - 112 ° C, 22 min, 450 ° C / h ramping snelheid.
8. Verwijder de wafer en laat rusten 's nachts bij kamertemperatuur in een petrischaal voor omgevingstemperaturen rehydratatie.
9. Tape Flow Rond transparantie masker om 5 "glasplaat afdrukzijde naar beneden (het dichtst bij wafer) en laden in masker klepstandsteller van de UV masker aligner. Expose de wafer tot 930 mJ van UV in 6 cycli ( bijvoorbeeld, 6 cycli van 25 sec bij ~ 6,2 mW / ^cm2 lamp intensiteit, 30 s wachttijd tussen de opnamen).
10. Ontwikkel wafer onmiddellijk door onderdompeling in een geroerd bad van 25 ml AZ500k 1: 3 Developer in 6 "glas schotel voor 3-5 min of totdat bad wordt paars en functies ontstaan.
    1. Verwijder de wafer en goed spoelen met DI water.
    2. Beoordelen van pre-reflow hoogte met behulp van een profilometer (stylus kracht van 10,5 mg).
       LET OP: Gebruik de profilometer volgens de instructies van de fabrikant, zorgvuldig positioneren van de kracht stylus naast een functie kanaal op de gewenste laag voor profilering. Instellingen die in deze protocol waren de volgende: stylus kracht 10,5 mg, lengte 1000 urn, snelheid 200 pm / s, regime down-up.
11. Reflow harde bak de wafer te smelten en rond klep eigenschappen als volgt: 65 ° C - 190 ° C, 15 uur, 10 ° C / hr ramping snelheid.
12. Laat de wafer afkoelen tot kamertemperatuur. Beoordelen van post-reflow hoogte met behulp van een profilometer (stylus kracht van 10,5 mg). Hoogten van 55 um ± 2 pm moet voor dit apparaat geometrie worden verwacht.

3. fabriceren variabele hoogte functies in Tandem

1. Ga verder met variabele hoogte fabricage met de ontwikkelde wafer met Flow Low, Flow Hoge en visgraat Mixer transparanten van de Bead Synthesizer ontwerp.
2. Het protocol aan te passen voor de ontwerpen, te gebruiken productie datasheets ²⁵ blootstelling energie, spin-snelheden en baktijd parameters bepalen, waardoor ± 5% tolerantie.
   LET OP: Dit protocol fabriceert een 55 micrometer lang Flow Low layer met behulp van SU-8 2050 negatieve fotolak gesponnen over het ventiel functies.
3. Plaats de gereinigde wafer op spin coater, zet het vacuüm om het aan te brengen op de draaibank, en weg te blazen het stof met _N2 of perslucht.
   1. Solliciteer 1-2 ml van SU-8 2050 negatieve fotolak naar het centrum van de wafel en draaien als volgt: spread: 500 min, 10 sec, 133 rpm / sec versnelling; cast: 3000 rpm, 40 sec, 266 rpm / sec acceleratie. Spin fotoresist boven ontwikkeld ventiel functies.
4. Plaats het gesponnen wafer in 5 "petrischaal en laat ontspannen gedurende 20 minuten op een vlak oppervlak of totdat een streaking patronen vervagen.
5. Verwijder de wafer en zacht bakken door het in twee kookplaten ingesteld op 65 ° C en 95 ° C als volgt: 65 ° C: 2 minuten, 95 ° C: 8 min, 65 ° C: 2 min.
6. Laat de wafer afkoelen tot kamertemperatuur.
7. Tape de Flow Lage transparantie masker om een ​​kwarts 5 "glasplaat afdrukzijde naar beneden (het dichtst bij de wafer) en laden in het masker klepstandsteller van de UV masker aligner.
8. Plaats de wafer in UV masker aligner chuck en, met behulp van microscoop oculair of camera, zorgvuldig uitlijnen nieuwe Flow Low layer functies om Round klep laag features Flow. Begin met het uitlijnen van horizontale, verticale en rotatie-assen van de inrichting grenst aan het apparaat grens functies op masker. Lijn vervolgens cross-hair functies between lagen. Tot slot bevestigen dat de klep functies kruisen Flow Low beschikt waar van toepassing.
9. Blootstellen aan 170 mJ UV depositie (28 sec bij ~ 6,2 mW / cm ^2).
10. Verwijder de wafer en bakken na belichting door te schakelen tussen twee kookplaten ingesteld op 65 ° C en 95 ° C als volgt: 65 ° C: 2 minuten, 95 ° C: 9 min, 65 ° C: 2 min.
11. Zonder het ontwikkelen, zodat de wafer af te koelen tot kamertemperatuur en gaan tot fabricage van High Flow laag. Dit Flow High laag zal 30 urn van fotoresist toe te voegen aan de onontwikkelde 55 micrometer fotoresistlaag tot 85 micrometer functies op in eerder onbelicht locaties.
12. Herhaal stap 3,3-3,10 met behulp van SU-8 2025 en de Flow High laag masker met deze wijzigingen voor de spin coat instellingen: spreiding: 500 rpm, 10 sec, 133 rpm / s versnelling; cast: 3500 rpm, 40 sec, 266 rpm / sec acceleratie.
    1. Blootstellen aan 198 mJ UV depositie (32 s bij ~ 6,2 mW / ^cm2).
13. zonder developing, laat de wafer afkoelen tot kamertemperatuur en ga aan de fabricage van Chaotic Mixer Herringbone laag. Laatste functies in deze laag wordt een totale hoogte van 125 urn: 55 urn van de Stroom Low laag, 30 urn van de Stroom plein laag en 40 urn van deze chaotische Mixer visgraat laag (zie figuur 3) en omvatten 35 urn visgraat groeven .
14. Herhaal stap 3,3-3,10 met behulp van SU-8 2025 en de Herringbone laagmasker met de volgende wijzigingen, zodat visgraat groeven zijn volledig binnen Flow High kanaal schetst.
    1. Gebruik de volgende soft bake-programma: 65 ° C: 2 min, 95 ° C: 7 min, 65 ° C: 2 min.
    2. Blootstellen aan 148 mJ UV depositie (24 s bij ~ 6,2 mW / ^cm2).
15. Nadat alle lagen zijn voltooid, ontwikkelen door onderdompeling van de wafer in een geroerd bad van 25 ml SU-8 ontwikkelaar in een 6 "glazen schaal gedurende 3,5 min of totdat functies duidelijk voren. Controleer of features hebben duidelijk omschreven functie grenzen met behulp van een stereoscoop.
16. Hard bak de wafer alle fotolak functies stabiliseren op een hete plaat als volgt: 65 ° C - 165 ° C, 2 uur 30 min, 120 ° C / h ramping snelheid.
17. Assess feature hoogte in alle lagen met behulp van een profilometer (stylus kracht van 10,5 mg).

4. Controle Wafer Fabrication

1. Schoon, uitdrogen, en fabriceren van een 5 pm hechting laag op een nieuwe 4 "silicon wafer zoals in deel 4.
2. Fabriceren van een 25 micrometer Controle Layer met behulp van SU-8 2025 negatief fotolak.
3. Plaats de wafer op een spin coater, zet vacuüm om het aan te brengen op de draaibank, en weg te blazen het stof met _N2 of perslucht.
4. Toepassen 1-2 ml SU-8 2025 negatieve fotolak in het midden van de wafel en centrifugeren als volgt: spreiding: 500 rpm, 10 seconden, 133 toeren / s versnelling; cast: 3500 rpm, 40 sec, 266 rpm / sec acceleratie.
5. Verwijder de wafer en zacht bakken door te schakelen tussentwee kookplaten ingesteld op 65 ° C en 95 ° C als volgt: 65 ° C: 2 minuten, 95 ° C: 5 min, 65 ° C: 2 min.
6. Laat de wafer afkoelen tot kamertemperatuur.
7. Lijn de controle transparantie masker aan een 5 "glasplaat en laden in UV masker aligner.
8. Plaats de wafer in de boorkop van UV masker aligner en bloot te stellen aan 155 mJ UV depositie (25 sec bij ~ 6,2 mW / ^cm2 lamp intensiteit).
9. Verwijder de wafer en bakken na belichting door te schakelen tussen twee kookplaten ingesteld op 65 ° C en 95 ° C als volgt: 65 ° C: 2 minuten, 95 ° C: 6 min, 65 ° C: 2 min.
10. Ontwikkelen door onderdompeling van de wafer in een geroerd bad van 25 ml van SU-8 Developer in 6 "glazen schaal 1 minuut of totdat functies ontstaan. Controleer functies met behulp van een stereoscoop.
11. Hard bak de wafel fotoresist functies stabiliseren als volgt: 65 ° C - 165 ° C, 2 uur 30 min, 120 ° C / hr ramping snelheid.

5. Silaan Wafer Behandeling voor Easy PDMS Lift-off

1. Plaats de voltooide wafers in wafer rack binnen een stolp vacuümexsiccator in een zuurkast vrij van water of in water oplosbare reagentia.
2. Onder de motorkap, een druppelaar gebruiken om 1 druppel trichloor (1 H, 1 H, 2H, 2H -perfluorooctyl) silaan (PFOTS) toepassing op een glasplaatje en plaats in de exsiccator.
3. Sluit de exsiccator deksel en vacuüm toe te passen gedurende 1 minuut.
4. Na 1 minuut, schakelt vacuüm zonder opnieuw onder druk zetten of evacueren stolp.
5. Laat het mengsel zitten voor 10 min, terwijl aerosolized PFOTS jassen wafer oppervlak.
6. Open de stolp deksel en verwijder de wafer met een pincet. Plaats in een petrischaal voor PDMS replica vormen. Gooi-silaan gecoate glaasjes in de juiste gevaarlijk afval.
   OPMERKING: Wafers bedekt met gefluoreerde silanen kunnen worden gebruikt honderden tot duizenden keren zonder herbehandeling. Een opofferende laag van 01:10 PDMS kan worden uitgebracht op wafers, genezen, en weggegooid na de eerste silaan behandeling e verwijderenXCESS silaan groepen uit wafer oppervlak.

6. PDMS Replica Molding

1. Fabriceren multilayer microfluïdische apparaten in een "push up" meetkunde op glas volgens de bestaande open-access-protocollen ^16.
   OPMERKING: Een gedetailleerd protocol kan bovendien te vinden op de website ^27.
2. Visuele inspectie, zodat alle ventielen goed uitgelijnd lijnen en alle inlaten (op zowel de stroming als besturingslagen) controle volledig geperforeerd voordat.

7. Productie van Hydrogel Kralen van Droplets

1. Sluit de buis (bijv Tygon) geladen met water om een flow control systeem (bijvoorbeeld, spuitpompen, fluïde controllers, of een open-source magneetventiel array met reservoirs ^28).
2. Sluit de metalen pinnen om buizen en verbinding te maken met het apparaat poorten aan controle lijn inlaten. Onder druk apparaat controle lijnen door het instellen van de stroom control systeem naar keuze tot 25 psi voor elke lijn. Zorg ervoor dat de kleppen sluiten en opnieuw openen door de inspectie onder de microscoop.
   OPMERKING: Volg de instructies van de fabrikant voor de flow control systeem van uw keuze. In dit werk, een aangepaste software-gestuurde pneumatisch systeem oefent druk uit op elke regel met behulp van magneetventielen dat schakelen tussen 25 psi perslucht (onder druk) en atmosferische druk (drukloos). Details over dit systeem is te vinden in de discussie.
3. Bereid aangepaste microfluïdische drukvaten voor reagens en olie laden.
   1. Met een punaise, punch twee gaten in de top van een cryogeen flesje buis plaatst PEEK capillaire buis in een gat, en plaats een metalen pen is verbonden met de slang in de tweede opening.
   2. Seal slang in plaats met epoxy. Even laten drogen gedurende 1 uur.
4. Tijdens het wachten in een microcentrifugebuis, schorsen 3,9 mg LAP fotoinitiator in 100 ui DI water ([LAP] = 39 mg / ml) te bereiden fotoinitiatoris gebruikt bij het polymeriseren druppeltjes kralen hydrogel. Beschermen tegen licht.
5. In een tweede microcentrifugebuis, voeg 132 ui DI water, 172 pl PEG-diacrylaat, 12 ul LAP-oplossing, en 85 pl HEPES buffer om hydrogel druppel oplossing te maken.
6. Breng de hydrogel druppel oplossing voor de voltooide cryogene buis schip.
   OPMERKING: Additieven voor andere toepassingen zoals nanokristallen, magnetische deeltjes of biologische moleculen kunnen in de HEPES component.
7. Sluit de slang van de buis cryogene vat een regelbare drukbron en sluit de PEEK slang op het apparaat reagens inlaat.
8. Bereid 10 ml lichte minerale olie met 2% v / v ionogene oppervlakteactieve stof (bijvoorbeeld Span 80) en 0,05% EM90 olie druppel emulsie. Filter met een 0,22 pm spuitfilter en load 1 ml in een tweede buis cryogeen vat.
9. Invoegen PEEK buis op uitvoerinrichting voor het verzamelen van druppels.
10. Verwijder lucht bubbles van het apparaat door het onder druk olie, water, of PEG mengsel inlaten (4 psi werkdruk). Zet alle kleppen. Sequentieel te schakelen elke klep in een vloeistof weg na 1 minuut of totdat de luchtbellen zijn doordrongen door de PDMS apparaat. Bijvoorbeeld, om de-bubble visgraat mixers, zet kleppen Inlet 1, Mix 1, en Mix afval. drukloos dan Inlet 1, Meng 1 uit, en Mix Afval totdat alle luchtbellen zijn verdwenen.
11. Wanneer het apparaat is repressurized na debubbling, drukloos Ro1 olie ventiel en stel de oliedruk tot 10 psi.
12. Stel PEG mengsel druk tot 9 psi onderdruk upstream kleppen (inlaat 1, druppels 1) en stel indien nodig tot druppeltjes van de gewenste grootte te produceren. Druppelgrootte kan worden bepaald via microscopie met behulp van een camera met 50 fps of hoger.
13. Wanneer de druppeltjes zijn gestabiliseerd, de positie van een 5 mm plek van een UV-lichtbron (bijvoorbeeld een UV-spot uithardende systeem met vloeibare lichtgeleider (LLG) of een gerichte UV LED) over de polymerisatie regio van de device en toepassen 100 mW / ^cm2 UV (365 nm) van de UV-bron.
14. Onder druk kraal zeef klep om naar te kijken gepolymeriseerde kralen te verzamelen en ervoor te zorgen dat druppeltjes hebben verhard in kralen. LLG passen als nodig is om volledige polymerisatie te bereiken.
15. Drukloos kraal zeef klep en het verzamelen van parels in de buis door uitlaat PEEK slangen.

Results

Hier tonen we de fabricage van kleppen voorziene, variabele hoogte multilayer microfluïdische mallen door inrichtingen kunnen genereren polyethyleenglycol (PEG) hydrogel parels van druppeltjes (Figuur 2). Een overzicht van het totale fabricageproces is opgenomen in figuur 3. Met designelementen uit eerder werk, de kraal synthesizer telt 4 hoogtes in de stroom laag omvattende (1) afgerond AZ50 XT kleppen voor laminaire stroming modulati...

Discussion

Dit werk toont een complete multi-step fotolithografie protocol voor een meerlaagse microfluïdische apparaat met kleppen en variabele hoogte geometrie die kan worden afgesteld op elke applicatie met eenvoudige aanpassingen aan de fabricage parameters op basis van onze online tool ²⁶ en instructies van de fabrikant ^25. Dit protocol is bedoeld voor meerlaagse fotolithografie helderen voor onderzoekers willen microfluïdische inrichtingen te construeren dan eenvoudige, passiev...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Materials
Mylar Transparency Masks, 5"	FineLine Plotting
5" Quartz Plates	United Silica	Custom
4" Silicon Wafers, Test Grade	University Wafer	452
SU8 2005, 2025, 2050 photoresist	Microchem	Y111045, Y111069, Y111072
Az50XT	Integrated Micromaterials	AZ50XT-Q
SU8 Developer	Microchem	Y020100
AZ400K 1:3 Developer	Integrated Micromaterials	AZ400K1:3-CS
Pyrex 150 mm glass dish	Sigma-Aldrich	CLS3140150-1EA
Wafer Petri Dishes, 150 mm	VWR	25384-326
Wafer Tweezers	Electron Microscopy Sciences (EMS)	78410-2W
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane (PFOTS)	Sigma-Aldrich	448931-10G
2" x 3" glass slides	Thomas Scientific	6686K20
RTV 615 elastomeric base and curing agent PDMS set	Momentive	RTV615-1P
Tygon Tubing, 0.02" O.D.	Fischer Scientific	14-171-284
Capillary PEEK tubing, 510 μm OD, 125 μm ID	Zeus	Custom	360 μm PEEK is readily available by Idex (catalog number: 1571)
Cyro 4 ml tube	Greiner Bio-One	127279
Epoxy, 30 min	Permatex	84107
Metal Pins, 0.025" OD,.013" ID	New England Small Tube	NE-1310-02
Poly(ethylene glycol) diacrylate, Mn 700	Sigma-Aldrich	455008-100ML
Lithium Phenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinate photoinitiator	Tokyo Chemical Industry Co.	L0290	We typically synthesize LAP in-house.
HEPES	Sigma-Aldrich	H4034-25G
Light mineral oil	Sigma-Aldrich	330779-1L
Span-80	Sigma-Aldrich	85548
ABIL EM 90	UPI Chem	420095
Name	Company	Catalog Number	Comments
Equipment	Equivalent equiptment or homebuilt setups will work equally as well
Mask Aligner	Karl Suss	MA6
Profilometer	KLA-Tencor	Alpha-Step D500
Spin Coater	Laurell Technologies	WS-650-23	Any spincoater can be used that accepts 100 mm wafers
Vacuum Dessicator, Bell-Jar Style	Bel-Art	420100000
Oven	Cole-Palmer	WU-52120-02
UV Spot Curing System with 3 mm LLG option	Dymax	41015	UV LEDs, Xenon Arc Lamps, or other UV sources of the same intensity work equally as well
MFCS Microfluidic Fluid Control System	Fluidgent	MFCS-EZ	Syringe pumps, custom pneumatics or other control systems can also be used
Automated control scripting	MATLAB
Hotplate	Tory Pines Scientific	HP30	Any hotplate with uniform heating (i.e., aluminum or ceramic plates) will suffice.