Method Article

Litografia mikrodziurkowania do generowania mikro- i submikronowych wzorów na podłożach polimerowych

DOI:

10.3791/3725

⸱

July 2nd, 2012

 ,  , 
1Mechanical and Aerospace Engineering, University of Texas at Arlington

In This Article

Summary

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

Metoda litografii mikrodziurkowania jest rozwijana do generowania mikro- i submikronowych wzorów na górnych, bocznych i dolnych powierzchniach podłoży polimerowych. Pokonuje przeszkody związane z modelowaniem polimerów przewodzących i generowaniem wzorów ścian bocznych. Ta metoda pozwala na szybkie wytwarzanie wielu cech i jest wolna od agresywnej chemii.

Abstract

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

Polimery przewodzące przyciągają dużą uwagę od czasu odkrycia wysokiej przewodności w domieszkowanym poliacetylenie w 1977 roku1. Oferują zalety niskiej wagi, łatwego dopasowania właściwości i szerokiego spektrum zastosowań2,3. Ze względu na wrażliwość polimerów przewodzących na warunki środowiskowe (np. powietrze, tlen, wilgoć, wysoką temperaturę i roztwory chemiczne), techniki litograficzne stanowią poważne wyzwanie techniczne podczas pracy z tymi materiałami4. Na przykład obecne metody fotolitograficzne, takie jak ultrafiolet (UV), nie nadają się do modelowania polimerów przewodzących ze względu na udział procesów trawienia na mokro i/lub na sucho w tych metodach. Ponadto obecne mikro/nanosystemy mają głównie formę płaską5,6. Jedna warstwa struktur jest budowana na górnych powierzchniach innej warstwy sfabrykowanych elementów. Wiele warstw tych struktur jest ułożonych razem, tworząc liczne urządzenia na wspólnym podłożu. Powierzchnie ścian bocznych mikrostruktur nie zostały wykorzystane w konstrukcji urządzeń. Z drugiej strony, wzory ścian bocznych mogą być wykorzystywane na przykład do budowy obwodów 3D, modyfikacji kanałów płynowych i bezpośredniego wzrostu poziomego nanodrutów i nanorurek.

Metoda makrowykrawania jest stosowana w przemyśle wytwórczym do tworzenia makrowzorów w blasze od ponad stu lat. Zmotywowani tym podejściem, opracowaliśmy metodę litografii mikrodziurkowej (MPL), aby pokonać przeszkody związane z modelowaniem polimerów przewodzących i generowaniem wzorów ścian bocznych. Podobnie jak metoda makrowykrawania, MPL obejmuje również dwie operacje (rys. 1): (i) cięcie; oraz (ii) rysunek. Operację "cięcia" zastosowano do polimerów przewodzących o wzorze trzecim4, polipirolu (PPy), poli(3,4-etylenodioksytiofenu)-poli(4-styrenosulfonianu) (PEDOT) i polianiliny (PANI). Wykorzystano go również do stworzenia mikrostruktur Al7. Wytworzone mikrostruktury polimerów przewodzących zostały wykorzystane jako czujniki wilgotności8, substancji chemicznych8 i glukozy9. Połączone mikrostruktury Al i polimerów przewodzących zostały wykorzystane do wytworzenia kondensatorów i różnych heterozłączy9,10,11. Operacja "cięcia" została również zastosowana do generowania wzorów submikronowych, takich jak linie PPy o szerokości 100 i 500 nm, a także przewody Au o szerokości 100 nm. Operacja "rysowania" została wykorzystana do dwóch zastosowań: (i) wytworzenia wzorów ścian bocznych Au na kanałach z polietylenu o wysokiej gęstości (HDPE), które można wykorzystać do budowy mikrosystemów 3D12,13,14, oraz (ii) wytworzenia mikrofilarów z polidimetylosiloksanu (PDMS) na podłożach HDPE w celu zwiększenia kąta zwilżania kanału15.

Protocol

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

A. Schematy MPL

Metoda makrowykrawania obejmuje operacje "cięcia" i "rysowania". Operacja "cięcia" przyjmuje formy o wypukłych strukturach o ostrych krawędziach i obejmuje trzy podstawowe etapy (rys. 1(a1-a3)). Najpierw umieść blachę na sztywnym podłożu (rys. 1(a1)). Po drugie, doprowadź formę Si i podłoże do fizycznego kontaktu za pomocą dużej siły. Podczas tego drugiego etapu część metalu znajdująca się bezpośrednio pod wypukłymi strukturami formy jest najpierw odcinana od sąsiedniego metalu przez wypukłe struktury formy, a następnie dociskana do dna wklęsłych wzorów w podłożu (rys. 1 (a2)). Na koniec oddziel formę od podłoża, kończąc rys. 1(a3)). Operacja "rysowania" wykorzystuje podobny proces wytwarzania. Przyjmuje jednak formy o zaokrąglonych wypukłych strukturach (rys. 1(b1)). Ponadto przyłożona siła i prędkość wciskania są znacznie mniejsze i niższe niż w przypadku ich odpowiedników w operacji "cięcia". Różnice te obniżają naprężenia występujące w części blachy pod konstrukcjami wypukłymi. W związku z tym ta część blachy jest po prostu dociskana w dół, ale nie odcinana w operacji "ciągnienia" (rys. 1(b2-b3)).

W operacji "cięcia" MPL (Rys. 1(c1-c3)), (i) podłoże Si pokryte warstwą polimeru pośredniego i warstwą materiału do wydrukowania są podgrzewane powyżej temperatury zeszklenia (Tg: temperatura mięknienia) polimeru pośredniego i poniżej Tm (temperatura topnienia) lub Tg materiału docelowego (Rys. 1(c1)), (ii) forma i podłoże są doprowadzane do fizycznego kontaktu pod wysokim ciśnieniem, po którym następuje późniejsze chłodzenie (rys. 1 (c2)), oraz (iii) są rozdzielane, gdy ich temperatura jest niższa niż Tg polimeru pośredniego, kończąc przenoszenie wzoru z formy do warstwy docelowej (rys. 1 (c3)). Operacja "rysowania" MPL (rys. 1(d1-d3)) składa się z etapów produkcji podobnych do "cięcia". Niemniej jednak w "rysunku" wykorzystano miękkie formy PDMS. Wiąże się to również z mniejszą siłą wtrącania, niższą prędkością wkładania i wyższą temperaturą drukowania (co obniża lepkość polimeru pośredniego, a tym samym zwiększa jego ruchliwość). W związku z tym cechy na górnej powierzchni podłoża zakrzywiają się w górę ze względu na napięcie powierzchniowe i wysoką ruchliwość polimeru pośredniego. Forma Si może być oczyszczona i ponownie wykorzystana do kolejnych etapów wytłaczania. Formę można czyścić acetonem i wodą demineralizowaną; i dokładnie wysuszyć kwasemN2 przed każdym użyciem. W przypadku, gdy pozostałości pozostają w mikrocechach formy, można ją oczyścić roztworem Nanostrip i wodą DI; i suszone za pomocą N2.

B. Operacja cięcia w MPL do generowania mikrowzorów metalu i polimerów

  1. Mikrostruktury jednowarstwowe na podłożu: za pomocą procedury zilustrowanej na rys. 1(c1-c3) na podłożu wytwarza się warstwę mikrostruktur. Podczas wytwarzania podłoże jest pokrywane warstwą polimeru pośredniego, a następnie powlekane jest warstwa pojedynczego materiału (polimer przewodzący lub metal) lub warstwa wielu materiałów. W związku z tym po wytłaczaniu na gorąco na podłożu wytwarzana jest warstwa mikrostruktur z jednego lub wielu materiałów. Produkcja jest szczegółowo opisana poniżej.
    1. Wytwarzanie form Si o wymaganych wymiarach przy użyciu konwencjonalnej litografii UV (rys. 2a). Szczegóły wytwarzania formy Si są przedstawione w 4. Rys. 2(a1-a4) przedstawia układy form Si wykorzystywanych w procesach.
    2. Jako warstwę pośrednią należy użyć nieprzewodzącego arkusza PMMA o wymiarach 500 μm x 170 mm x 170 mm i ułożyć go na sztywnym, płaskim podłożu.
      1. Aby wytworzyć mikrostruktury pojedynczego materiału: powlekać przewodzący polimer (PPy, PEDOT lub SPANI) na arkuszu PMMA lub osadzać Al za pomocą odparowania termicznego do grubości 100-500 nm.
      2. Do wytwarzania mikrostruktur z wielu przewodzących materiałów polimerowych: powlekanie spinowe PPy (przy 2000 obr./min), PEDOT (przy 2500 obr./min) i SPANI (przy 1500 obr./min) na różnych częściach arkusza PMMA. Przed przędzeniem pierwszej warstwy polimeru przewodzącego w miejscu na arkuszu PMMA, należy przykryć pozostałe obszary taśmami klejącymi. W przypadku powlekania innych przewodzących warstw polimerowych, poprzednie powłoki i puste obszary należy przykryć taśmą klejącą. Procedurę tę należy powtórzyć, aby pokryć wiele warstw w pożądanych miejscach na podłożu. Powlekane PPy, PEDOT i SPANI mają grubość odpowiednio 500 nm, 5 μm i 200 nm.
    4. Wytłaczanie podłoża odbywa się za pomocą maszyny do wytłaczania na gorąco (model: Hex 01/LT, firma Jenoptik Mikrotechnik) (rys. 2b). Temperatura, siła i czas wkładania formy wynoszą odpowiednio 130-160 °C, 1500-1800 N i 120-200 s. Wyjmowanie z formy należy wykonywać w temperaturze 80-95 °C z prędkością 1,5 mm/min. Wyniki badań mikrostruktur jednowarstwowych pojedynczego materiału przedstawiono na rys. 2(c1-c3). Wyniki badań mikrostruktur jednowarstwowych wielu materiałów przedstawiono na rys. 2(d2-d3).
  2. Zastosowanie mikrodrutów PPy jako czujnika wilgotności
    1. Przędzić warstwę PPy z prędkością 1500 obr./min, aby wytworzyć folię o grubości 1 μm o powierzchni 1 x 1 cm2 i połączyć dwa zewnętrzne przewody na przeciwległych końcach folii za pomocą żywicy epoksydowej Ag do pomiarów przewodności.
    2. Wirować powłokę z prędkością 1500 obr./min, aby wytworzyć warstwę PPy o grubości 1 μm. Wykonać wytłaczanie z parametrami w kroku 4, aby wygenerować mikrodruty PPy o długości 5000 μm i szerokości 300 μm i przymocować zewnętrzne przewody jezdne do dwóch końców pojedynczego mikrodrutu za pomocą żywicy epoksydowej Ag.
    3. Umieść folię PPy i czujniki mikrodrutowe w hermetycznym schowku na rękawiczki z miernikiem wilgotności i nawilżaczem. Nawilżacz pozwoliłby na kontrolowany wzrost poziomu wilgotności wewnątrz schowka. Podłącz przewody jezdne do stacji sondy Keithley w celu pomiarów I-V dla każdego czujnika (rys. 2e).
    4. Oblicz czułość każdego czujnika, korzystając z następującego wzoru:
      figure-protocol-1
      gdzie, Rf i Ri są rezystancjami końcowymi i początkowymi odpowiednio czujników foliowych i mikroprzewodowych. Zmierz Ri na podstawowym poziomie wilgotności (w temperaturze pokojowej) i Rf na każdym poziomie wilgotności dla czujników folii i mikroprzewodów.
    5. Na rys. 2f przedstawiono wyniki pomiarów czułości (ΔR/R) wykonanych w8 dla wilgotności względnej od 48% do 85%. Zaobserwowano, że czułość czujnika mikroprzewodowego PPy była wyższa niż czujnika filmowego dla 48% do 58%. Powyżej 58% czułość czujników foliowych i mikroprzewodowych była podobna.
  3. Mikrostruktury wielowarstwowe na podłożu: w oparciu o procedurę pokazaną na rys. 1 (c1-c3), górna warstwa jest zastępowana kombinacją odpowiednio dwóch i trzech warstw polimerów/metalu w celu wytworzenia wielowarstwowych mikrostruktur. Układ urządzenia pokazano na rys. 3(a1-a2). Produkcja jest szczegółowo opisana poniżej.
    1. Wykonać formę Si o wymaganych wymiarach przy użyciu konwencjonalnej litografii UV (rys. 3b).
    2. Jako warstwę pośrednią należy użyć nieprzewodzącego arkusza PMMA o wymiarach 500 μm x 170 mm x 170 mm i ułożyć go na sztywnym, płaskim podłożu.
      1. Aby wygenerować dwuwarstwowe heterozłącze PPy-PEDOT: (i) powlekać wirowo z prędkością 1000 obr./min w celu uzyskania warstwy PEDOT o grubości 10 μm na arkuszu PMMA, (ii) wypalać podłoże w temperaturze 80 °C przez 1 godzinę, (iii) wirować z prędkością 1500 obr./min w celu uzyskania warstwy PPy o grubości 1 μm na warstwie PEDOT oraz (iv) wypalać podłoże w temperaturze 80 °C przez 5 min.
      2. Aby wytworzyć dwuwarstwowe diody Al-PEDOT: (i) powlekanie wirowe z prędkością 1000 obr./min w celu uzyskania warstwy PEDOT o grubości 10 μm na arkuszu PMMA, (ii) wypalanie podłoża w temperaturze 80 °C przez 1 godzinę oraz (iii) powlekanie warstwy PEDOT folią Al o grubości 200 nm przez odparowanie termiczne.
      3. W celu wytworzenia trójwarstwowych kondensatorów PEDOT-PMMA-PEDOT: (i) powlekanie z prędkością 1000 obr./min w celu uzyskania warstwy PEDOT o grubości 10 μm na arkuszu PMMA, (ii) wypalanie podłoża w temperaturze 80 °C przez 1 godzinę, (iii) wielokrotne powlekanie z prędkością 1000 obr./min w celu uzyskania warstwy PMMA o grubości 15-20 μm na warstwie PEDOT, (iv) wypalanie podłoża w temperaturze 80 °C przez 30 min, (v) wirować z prędkością 2500 obr./min w celu uzyskania warstwy PEDOT o grubości 2-3 μm na folii PMMA, oraz (vi) wypalać podłoże w temperaturze 80 °C przez 5 minut.
    3. Wytłaczaj podłoże za pomocą maszyny do wytłaczania na gorąco. Temperatura, siła i czas wkładania formy wynoszą odpowiednio 140-150 °C, 1500-2000 N i 150-200 s. Wyjmowanie z formy należy wykonywać w temperaturze 80-95 °C z prędkością 1,5 mm/min. Wyniki przedstawiono na rys. 3(c-f) 11.
  4. Zastosowania generowanych mikrostruktur wielowarstwowych
    1. Heterozłącze PPy/PEDOT
      1. Użyj stacji sondy Keithly'ego do pomiarów I-V struktur heterozłączowych uzyskanych po kroku 2.1. Warstwa PEDOT jest uziemiona, a do warstwy PPy przykładany jest potencjał polaryzacji (od -20 V do 20 V).
      2. Na rys. 3(g1) przedstawiono charakterystykę I-V heterozłącza PPy/PEDOT w [9,11], napięcia przebicia przewodzenia i cofania heterozłącza PPy/PEDOT wynosiły odpowiednio 5 V i -8 V. Współczynnik prostowania wynosił 24 przy 10 V. Współczynnik idealności wynosił 8,88.
    2. Heterozłącze Al/PEDOT
      1. Użyj stacji sondy Keithly do pomiarów I-V struktury heterozłącza Al/PEDOT uzyskanych po kroku 2.2. Warstwa Al jest uziemiona, a do warstwy PEDOT przykładany jest potencjał polaryzacji (od -5 V do 5 V).
      2. Rys. 3(g2) przedstawia charakterystykę I-V złącza Al/PEDOT mierzoną w temperaturze pokojowej w 11, napięcia przebicia przewodzenia i cofania wynosiły odpowiednio 3 i -2,5 V. Współczynnik prostowania heterozłącza Al/PEDOT wynosił 2 przy napięciu 1 V. Współczynnik idealności dla tego skrzyżowania został obliczony na 19.
    3. Kondensator PEDOT/PMMA/PEDOT
      1. Użyj stacji pomiarowej Keithly do pomiarów C-V kondensatora PEDOT/PMMA/PEDOT uzyskanych po kroku 2.3.
      2. Rys. 3(g3) przedstawia C-V kondensatora PEDOT/PMMA/PEDOT mierzoną w temperaturze pokojowej w 11. Zmierzona pojemność kondensatora przy polaryzacji niskiej częstotliwości wynosiła około 0,06 pF, podczas gdy teoretycznie obliczona wielkość wynosiła 1,38 pF.

C. Operacja cięcia MPL do generowania submikronowych wzorców metalu i polimeru przewodzącego

Na podstawie procedury zilustrowanej na rys. 1(c1-c3), formy Si o cechach submikronowych są używane do generowania pożądanych wzorów metalu i polimerów przewodzących. Produkcja jest szczegółowo opisana poniżej.

  1. Wyprodukuj formę silikonową o cechach submikronowych za pomocą litografii z skupioną wiązką jonów (FIB). Generowane są dwa różne typy form krzemowych, o szerokościach 100 i 500 nm, głębokości 1 - 1,5 μm, długości 20 μm i podziałce 1 μm.
  2. Przygotowanie powierzchni formy silikonowej przed użyciem: (i) dokładnie spłukać formę wodą DI, acetonem i roztworem Nanostrip w temperaturze pokojowej, wysuszyć suszarką gazowym azotem i piec w temperaturze 150 °C przez 30 minut, a następnie schłodzić do temperatury pokojowej, oraz (ii) jeśli forma nie jest czysta po wykonaniu powyższych etapów czyszczenia, Poddaj go działaniu plazmy tlenowej. Przepis jest następujący: moc plazmy na poziomie 300 watów, natężenie przepływu tlenu na poziomie 80 sccm i czas trwania 5 - 7 minut.
    1. Pokryj warstwę PMMA: powlekaj roztwór PMMA (masa cząsteczkowa 495 K w 9% chlorobenzenie) przy 3000 obr./min, aby uzyskać grubość około 1,2 μm, wypalaj wafel w temperaturze 150 °C przez 1 godzinę i pozwól mu ostygnąć, a następnie wystawij powierzchnię pokrytą PMMA na działanie plazmy tlenowej przez 3 minuty przy 300 W z natężeniem przepływu tlenu 50 sccm, aby uczynić go hydrofilowym do następnego etapu.
      1. Wirować roztwór PPy (rozcieńczony w stosunku 1:2 (V/V) wodą DI) z prędkością 3000 obr./min do uzyskania grubości około 75 nm i wypalać podłoże w temperaturze 60 °C przez 1 godzinę w celu utwardzenia warstwy PPy.
      2. Pokryć folię Au o grubości 10-25 nm za pomocą napylania.
    1. Wygeneruj przewody PPy, wykonując następujące czynności.
      1. Nadruk w kanałach Si o szerokości 500 nm: wykonać nadruk w temperaturze 160 °C z prędkością 1 mm/min i czasem wkładania 600 s w trybie kontroli położenia w maszynie do tłoczenia na gorąco. Maksymalna użyta siła wynosi w tym przypadku 1085 N.
      2. Nadruk w kanałach Si o szerokości 100 nm: wykonać nadruk w temperaturze 140 °C z prędkością 1 mm/min i czasem wkładania 500 s w trybie kontroli siły w maszynie do tłoczenia na gorąco. Ustal siłę wytłaczania na 2300 N.
    2. Generowanie nanodrutów Au za pomocą formy Si z kanałami o szerokości 100 nm: wykonaj nadruk w temperaturze 160 °C z prędkością 1 mm/min i czasem wkładania 700 s przy użyciu trybu kontroli siły w maszynie do tłoczenia na gorąco. Ustal siłę wytłaczania na 2300 N.
    3. Dla stopni 4.1-4.2 wyjmowanie z formy należy wykonać w temperaturze 95 °C z prędkością 3 mm/min. Wyniki przedstawiono na rys. 4.

D. Rysowanie operacji MPL do generowania mikrowzorów na ściankach bocznych podłoży polimerowych i krzemowych.

Zgodnie z procedurą przedstawioną na rys. 1(d1-d3), operacja "rysowania" jest używana do generowania mikrowzorów Au i PDMS na ściankach bocznych mikrokanałów HDPE. Odpowiednim materiałem na podłożu HDPE jest Au lub PDMS, który podczas nadruku podąża za profilem powierzchni polimeru warstwy pośredniej. Produkcja jest szczegółowo opisana poniżej.

  1. Wzory ścian bocznych Au na kanałach HDPE
    1. Wirowanie z prędkością 3000 obr./min w celu uzyskania warstwy dodatniego fotorezystu (S1813) o grubości 1 μm na arkuszu HDPE o grubości 1,5 mm (1,5 mm x 40 mm x 40 mm).
    2. Wykorzystanie litografii UV do przeniesienia wzorów masek do warstwy S1813 (rys. 5(a-b)). Wzory maski składają się z kropek o wymiarach 10 x 10μm2 (rys. 7a) i linii o szerokości 110 μm.
    3. Pokryj warstwę Au o grubości 100 nm na warstwie S1813 za pomocą parownika termicznego (rys. 5c).
    4. Usuń S1813 za pomocą płukania acetonem, pozostawiając wzory Au na arkuszu HDPE (rys. 5d).
    5. Podgrzej arkusz HDPE do zakresu temperatur 131-136 °C na płycie grzejnej, która jest nieco wyższa niż TG HDPE (tj. 128 °C), ale poniżej TM Au (tj. 1063 °C) (rys. 5e).
    6. Użyj formy PDMS16 wzmocnionej krzemem, aby wydrukować arkusz HDPE z wzorem Au w zakresie nacisku 40-120 KPa, przez 1 godzinę, a następnie schładzać (rys. 5f).
    7. Oddziel formę i arkusz HDPE, gdy ich temperatura jest niższa niż TG HDPE, kończąc przenoszenie wzoru z formy PDMS na podłoże. Wzory Au, które są wtłaczane do arkusza HDPE przez formę PDMS, pozostają na ściankach bocznych i dolnych powierzchniach uformowanych mikrostruktur (rys. 5g). Ponieważ siła wiązania między formą PDMS a wzorami Au jest słabsza niż między arkuszem HDPE a wzorami Au, wzory Au nie przyklejają się do formy PDMS i pozostają na powierzchni HDPE. Wyniki tego procesu przedstawiono na rys. 7(b-c) 12.
  2. Mikrofilary PDMS na ściankach bocznych kanału HDPE
    1. Wirowanie z prędkością 3000 obr./min w celu uzyskania warstwy S1813 o grubości 1 μm na formie SU-8 (rys. 6a). Forma SU-8 jest generowana przy użyciu konwencjonalnej litografii UV17.
    2. Wirować PDMS (stosunek PDMS do jego utwardzacza wynosi 10:1) przy 1000 obr./min na formie SU-8 pokrytej S1813 i wypalać próbkę w temperaturze 85 °C przez 3 godziny na płycie grzejnej, a następnie schłodzić do temperatury pokojowej (rys. 6b).
    3. Uwolnij cienką folię PDMS z formy SU-8, wytrawiając S1813 acetonem, kończąc wytwarzanie folii PDMS uformowanej przez mikrofilary (rys. 6c).
    4. Umieść folię PDMS uformowaną z mikrofilarów na arkuszu HDPE o grubości 1.5 mm (rys. 6d).
    5. Włożyć formę Al (z zaokrąglonymi krawędziami) zarówno do folii PDMS, jak i arkusza HDPE w temperaturze 140 °C pod ciśnieniem 52,5 kPa (rys. 6e). Czas drukowania wynosi 1 godzina. W temperaturze 140 °C folia PDMS jest wciskana przez formę w miękki arkusz HDPE.
    6. Po schłodzeniu próbki do temperatury pokojowej, a następnie usunięciu formy Al, na arkuszu HDPE generowany jest kanał. Część tej utworzonej przez mikrofilary folii PDMS jest przenoszona na dno i dwie boczne ścianki kanału (rys. 6f). Wyniki przedstawiono na rys. 7(d-f)15.
    7. Zmierz kąt zwilżania kropli wody umieszczonej na mikrofilarach PDMS wewnątrz kanału HDPE. Rys. 7(g-h) przedstawia średni kąt działania mierzony jako 145,5°15.

E. Reprezentatywne wyniki

Podsumowując, wyniki MPL są wymienione poniżej:

  1. Utworzono jednowarstwowe mikrowzory przewodzące polimer i metal, jak na rys. 2 (b1-b3, c2-c3).
  2. Wyniki wykrywania wilgotności folii PPy i mikrodrutów na rys. 2d.
  3. Utworzono wielowarstwowe mikrowzory polimerowe i metalowe przewodzące jak na rys. 3(c-f).
  4. Wyniki charakterystyki złącza przedstawiono na rys. 3 (g1-g3).
  5. Druty PPy o szerokości 100 i 500 nm uformowano jak na rys. 4(a-b).
  6. Nanodruty Au o szerokości 100 nm uformowano jak na rys. 4c.
  7. Wzorce Au zostały wygenerowane na kanałach HDPE o szerokości 300 μm i głębokości 42 μm, jak na rys. 7(b-c).
  8. Mikrofilary PDMS wygenerowano na górnej, dolnej i bocznej powierzchni kanałów HDPE o szerokości 1 mm i głębokości 1 mm, jak pokazano na rys. 7(d-f).
  9. Kąty zwilżania wody mierzone wewnątrz kanału HDPE na rys. 7(g-h).

figure-protocol-2
Rysunek 1. Proces "wycinania" w tworzeniu wypukłych makrowzorów w blasze (schematy przekrojów): (a1) umieszczamy blachę na wierzchu podłoża, (a2) wkładamy formę do podłoża, oraz (a3) oddzielamy formę od podłoża. Proces "rysowania" w wytwarzaniu wklęsłych makrowzorów: (b1) umieść blachę na podłożu, (b2) włóż formę do podłoża i (b3) oddziel formę od podłoża. Operacja "cięcia" metodą MPL w wytwarzaniu konstrukcji wypukłych (schematy przekrojów): (c1) podgrzanie podłoża, (c2) włożenie formy do podłoża oraz (c3) oddzielenie formy od podłoża. Operacja "ciągnienia" podejścia MPL w wytwarzaniu konstrukcji wklęsłych: (d1) podgrzanie podłoża, (d2) włożenie formy do podłoża i (d3) oddzielenie formy i podłoża.

figure-protocol-3
Rysunek 2. Projekty form Si (widok z góry): (a1) linie proste; (a2) kropki kwadratowe; (a3) konstrukcje kratownicowe; oraz (A4) linie serpentynowe. (b) Maszyna do wytłaczania na gorąco. Obrazy SEM generowanych struktur Al: (c1) linie o szerokości 10 μm; (c2) 20×20 μm2 kropki; oraz (c3) konstrukcje kratownicowe. (d1) Schemat mikrostruktur składających się z wielu struktur; (d2) prosty o szerokości 300 μm; (d3) Wężkowe wzory mikrodrutów serpentynowych o szerokości 50 μm z PPy, PEDOT i SPANI wytwarzane jednocześnie przy użyciu operacji "cięcia" MPL. e) eksperymentalny układ wykrywania wilgotności; oraz (f) wyniki pomiaru wilgotności za pomocą folii PPy i czujnika mikrodrutowego 4, 7, 8. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

figure-protocol-4
Rysunek 3. Układy: (a1) urządzeń dwu- i (a2) trójwarstwowych; b) układ formy Si (widok z góry) używanej do wytwarzania urządzeń wielowarstwowych; c) Obraz SEM heterozłącza PPY-PEDOT o szerokości 300 μm w kształcie mikrolinii; oraz widoki SEM z bliska przekrojów: (d) heterozłącza PPy-PEDOT; e) dioda Al-PEDOT; (f) Kondensator PEDOT-PMMA-PEDOT; Wyniki charakterystyki heterozłączy: (g1) PPy/PEDOT; (g2) Al/PEDOT; oraz (g3) PEDOT/PMMA/PEDOT 9,11.

figure-protocol-5
Rysunek 4. a) skan AFM wytłoczonych drutów PPy o szerokości 500 nm; Obrazy SEM (b) wytłoczonych linii PPy o szerokości 100 nm i (c) przewodów Au o szerokości 100 nm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą postać.

figure-protocol-6
Rysunek 5. Wykonanie podłoża HDPE z wzorami Au: (a-b) za pomocą maski o pożądanych cechach, odsłonić i rozwinąć warstwę S1813; c-d) osadza Au i usuwa warstwę S1813; e-f) odciskanie podłoży za pomocą formy PDMS wzmocnionej krzemem; oraz g) po wyjęciu z formy, podłoże z wzorami ścian bocznych składającymi się z cech Au 12.

figure-protocol-7
Rysunek 6. Wytwarzanie folii PDMS z mikrofilarami: (a) wytwarzanie formy SU-8; b) powlekanie wirowe i utwardzanie warstwy PDMS; c) usunąć warstwę PDMS z formy SU-8; d) odciskanie podłoża za pomocą formy Al; i (e-f) po wyjęciu z formy otrzymuje się podłoże z wzorami ścian bocznych składającymi się z mikrofilarów PDMS 15.

figure-protocol-8
Rysunek 7. a) układ punktów Au; Obrazy SEM: (b) 10 x 10 μm2 punkty; oraz (c) linie o szerokości 110 μm. Wymiary kanałów generowanych w HDPE to 1 cm x 300 μm x 42 μm (długość x szerokość x głębokość); Mikrofilary PDMS generowane na powierzchni górnej, dolnej i bocznej ścian Kanały HDPE o szerokości 1 mm: (d) widok przekroju poprzecznego kanału; Obrazy SEM (e) u góry; f) dolny narożnik kanału; oraz g-h) wyniki pomiarów kąta działania na słupach PDMS12,15. Słupy PDMS mają wymiary 10 μm x 10 μm x 27 μm. Wymiary kanałów z HDPE to 20 mm x 1 mm x 1 mm (długość x szerokość x wysokość).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Informacje dotyczące rozwiązywania problemów: Punkty krytyczne dotyczące generowania jedno- i wielowarstwowych mikrowzorów przewodzących polimerów i metali za pomocą operacji "cięcia": (1) Temperatura tłoczenia zapewnia płynność pośredniej warstwy PMMA, co pozwala uzyskać optymalne wyniki. Wskazane jest, aby zacząć od dolnej granicy zakresu i stopniowo zwiększać temperaturę, jeśli nie zostaną osiągnięte pożądane rezultaty. Zbyt wysoka temperatura może spowodować, że przewodząca warstwa polimeru zmieni sw...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Acknowledgements

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

Ta praca była częściowo wspierana przez granty NSFDMI-0508454, NSF/LEQSF(2006)-Pfund-53, NSF-CMMI-0811888 i NSF-CMMI-0900595.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
PMMA Sigma-Aldrich495C9Rozpuszczalnikiem jest cholorobenzen. Roztwór PMMA należy obsługiwać pod wyciągiem z odpowiednią wentylacją. Nie wdychać pary. Zapoznaj się z kartą charakterystyki, aby uzyskać instrukcje dotyczące bezpiecznej obsługi.
PPy Sigma-Aldrich-5% wagowo w wodzie. Używane w takiej postaci, w jakiej zostały otrzymane.
PEDOT-PSSH. C. Starck Co.Baytron P HC V4Zastrzeżony rozpuszczalnik. Używane w takiej postaci, w jakiej zostały otrzymane.
SPANISigma-Aldrich-forma rozpuszczalna w wodzie. Używane w takiej postaci, w jakiej zostały otrzymane.
Maszyna do wytłaczania na gorąco JenoptikMikrotechnik Co.Napylarka HEX 01/LT
Cressington Co.Maszyna FIB 208HR
Carl Zeiss, Inc.FIB Belka poprzeczna 1540 XB
Powlekarka wirowaHeadway Research Inc.PWM32-PS-R790 System
obrotowy Maszyna RIETechnics MicroRIE Co.--Fotorost
Shipley Co.S1813
PDMSDow CorningSylgard 184 Zestaw
Arkusz HDPE US Plastic Corp.--
Arkusz PMMACyro Co.--
Dwustronna taśma klejąca Scotch Co.--
Taśma jednostronnaDelphon Co.Ultratape # 1310
Mikropipety szklaneFHC, Inc.30-30-1
KlipsOffice DepotBulldog klips
NawilżaczVicks Co.Nawilżacz bez filtra
elastomerów silikonowych

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Menon, R. Conducting polymers: Nobel Prize in Chemistry, 2000. Current Science. 79, 1632(2000).
  2. Inzelt, G., Pineri, M., Schultze, J. W., Vorotyntsev, M. A. Electron and proton conducting polymers: recent developments and prospects. Electrochimica Acta. 45, 2403(2000).
  3. Adhikari, B., Majumdar, S. Polymers in sensor applications. Progress in Polymer Science. 29, 699(2004).
  4. Chakraborty, A., Liu, X., Parthasarathi, G., Luo, C. An intermediate-layer lithography method for generating multiple microstructures made of different conducting polymers. Microsystem Technologies. 13 (8), 1175(2007).
  5. Madou, M. Fundamentals of Microfabrication. , CRC Press. (1995).
  6. Bustillo, J. M., Howe, R. T., Muller, R. S. Surface micromachining for microelectromechanical systems. Proceedings of the IEEE. 86, 1552(1998).
  7. Liu, X., Luo, C. Intermediate-layer lithography for producing metal micropatterns. Journal of Vacuum Science and Technology B. 25, 677(2007).
  8. Chakraborty, A., Luo, C. Multiple conducting polymer microwire sensors. Microsystem Technologies. 15, 1737(2009).
  9. Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Polypyrrole: A new patterning approach and applications. Polypyrrole: Properties, Performance and Applications. Mason, E. C., Weber, A. P. , Nova Science Publishers, Inc. (2011).
  10. Poddar, R., Luo, C. A novel approach to fabricate a PPy/p-type Si heterojunction. Solid-State Electronics. 50, 1687(2006).
  11. Liu, X., Chakraborty, A., Luo, C. Generation of all-polymeric diodes and capacitors using an innovative intermediate-layer lithography. Progress in Solid State Electronics Research. Martingale, J. P. , Nova Science Publishers, Inc. 127-139 (2008).
  12. Liu, X., Luo, C. Fabrication of Au sidewall micropatterns using a Si-reinforced PDMS mold. Sensors and Actuators A. 152, 96(2009).
  13. Liu, X., Chakraborty, A., Luo, C. Fabrication of micropatterns on the sidewalls of a thermal shape memory polystyreme block. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 095025(2010).
  14. Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Fabrication of micropatterns on channel sidewalls using strain-recovery property of a shape-memory polymer. Sensors and Actuators A. , Accepted (2011).
  15. Liu, X., Luo, C. Fabrication of supe-hydrophobic channels. Journal of Micromechanics and Microengineering. 20, 25029(2010).
  16. Luo, C., Meng, F., Liu, X., Guo, Y. Reinforcement of PDMS master using an oxide-coated silicon plate. Microelectronics Journal. 37, 5(2006).
  17. Luo, C., Garra, J., Schneider, T., White, R., Currie, J., Paranjape, M. Thermal ablation of PMMA for water release using a microheater. Sensors and Actuators A. 114, 123(2004).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Micropunching LithographyPolymer SubstratesConducting PolymersHot EmbossingMicrostructure FabricationSidewall PatterningSubmicron PatternsPolymer CoatingMold EmbossingPolymer Patterning

Related Articles