Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Микроперфорацией литографии для генерации микро-и субмикронных структур на полимерные подложки

Published: July 2, 2012 doi: 10.3791/3725
Automatic Translation
1, 1, 1
1Mechanical and Aerospace Engineering, University of Texas at Arlington

Summary

Микроперфорацией литографии подход разработан для создания микро-и субмикронных структур на верхней, боковой стенки и нижней поверхностях полимерных подложках. Он преодолевает препятствия структурирование проводящих полимеров и создание боковины моделей. Этот метод позволяет быстро изготовление нескольких функций и не содержит агрессивных химии.

Abstract

Проведение полимеров привлекли большое внимание с момента открытия высокой проводимости в легированных полиацетилена в 1977 году 1. Они предлагают преимущества малый вес, легко пошив свойствами и широким спектром применения 2,3. Из-за чувствительности проводящих полимеров к условиям окружающей среды (например, воздуха, кислорода, влаги, высоких температур и химических растворов), литографии представляют значительные технические проблемы при работе с этими материалами 4. Например, текущий фотолитографии методы, такие как ультрафиолетовое (УФ), непригодны для структурирования проводящих полимеров в связи с участием мокрой и / или сухой травления в этих методов. Кроме того, текущий микро / наносистем в основном имеют плоскую форму 5,6. Один слой структур построена на верхней поверхности один слой готовых функций. Несколько слоев этих структур складываются вместе, образуя многочисленные устройстваобщей подложке. На боковине поверхности микроструктур не были использованы при построении устройств. С другой стороны, боковины модели могут быть использованы, например, для создания 3-D схем, изменение жидкостных каналов и прямой горизонтальный рост нанопроводов и нанотрубок.

Macropunching метод был применен в обрабатывающей промышленности для создания macropatterns в листового металла на протяжении более ста лет. Руководствуясь этим подходом, мы разработали метод литографии микроперфорацией (MPL), чтобы преодолеть препятствия структурирование проводящих полимеров и создание боковины моделей. Как macropunching метод, MPL также включает в себя две операции (рис. 1): (I) резки, и (II), рисунок. «Нарезки» операции был применен шаблон три проводящих полимеров 4 полипиррол (PPy), поли (3,4-ethylenedioxythiophen)-поли (4-styrenesulphonate) (PEDOT) и полианилина (ПАНИ). Он также используется для создания Аль микроструктур 7. Сфабриковано микроструктур проводящих полимеров были использованы в качестве влажность 8, химической 8 и глюкозы датчиков 9. Комбинированные микроструктуры алюминия и проводящих полимеров были использованы для изготовления конденсаторов и различных гетеропереходов 9,10,11. «Нарезки» операция была применена для создания субмикронного-модели, такие как 100 - и 500-нм широкий PPy линий, а также 100 нм широкий Au проводов. "Рисунок" операции был использован для двух случаях: (I) Au боковины производят узоры на полиэтилен высокой плотности (HDPE) каналов, которые могут быть использованы для создания 3D-микросистем 12,13,14, и (II) изготовить полидиметилсилоксана (PDMS) micropillars на подложках из HDPE увеличить угол контакта канала 15.

Protocol

А. Схемы MPL

Macropunching метод включает в себя «нарезки» и «рисование» операций. «Нарезки» принимает работа пресс-форм с острыми краями структуры выпуклых и включает в себя три основных этапа (рис. 1 (a1-a3)). Во-первых, поместите лист металла на жесткой подложке (рис. 1 (a1)). Во-вторых, привести форму кремния и подложки в физическом контакте высокой силы. Во время этого второго шага, часть металла непосредственно под выпуклой формы структуры сначала отрезаны от соседних металла выпуклой структуры формы, а затем толкнул вниз по вогнутой модели в субстрате (рис. 1 (а2) ). И наконец, отделить форму и подложку, завершив структурирование листового металла (рис. 1 (a3)). "Рисунок" операция используется аналогичный процесс изготовления. Тем не менее, она принимает формы из округлый выпуклый структуры (рис. 1 (В1)). Кроме того,приложенная сила вставки и скорость намного меньше и меньше, чем их коллеги из «нарезки» операции. Эти различия снижения напряжения в настоящее время часть из листового металла при выпуклых структур. Следовательно, эта часть листовой металл просто толкнул вниз, но не отрезать в "рисунок" (Рис. 1 (b2-b3)).

В «нарезки» работы MPL (рис. 1 (С1-С3)), (я) кремниевой подложке покрыты слоем полимера и промежуточный слой материала для печати нагревается выше температуры стеклования ( T г: температура размягчения) промежуточного полимера и ниже T м (температура плавления) или Т г целевого материала (рис. 1 (С1)), (II), формы и основания были приведены в физический контакт под высоким давлением , с последующим охлаждением (рис. 1 (с2)), и (III), они развелись, когда их температура нижеТ г промежуточного полимера, завершая картину перехода от формы к целевой слой (рис. 1 (С3)). "Розыгрыша" работы MPL (рис. 1 (D1-D3)) имеет изготовления шагов похож на "резка". Тем не менее, «рисование» использует мягкие формы PDMS. Она также включает в себя меньше усилием, ниже вставки скорость и температура выше печати (что снижает вязкость промежуточного полимера и тем самым повышает его мобильность). Таким образом, особенности в верхней поверхности подложки кривой вверх за счет поверхностного натяжения и высокую подвижность промежуточного полимера. Форма Si могут быть очищены и повторно использованы для последовательных шагов тиснением. Форма может быть очищены с помощью ацетона и DI воды и сушат тщательно N 2 перед каждым использованием. В случае, если остатки остаются в microfeatures пресс-формы, он может быть очищен с Nanostrip решение и DI воды и сушат N 2.

Б. Cuфитинга Работа в MPL для генерации металлов и проводящих полимеров Micropatterns

  1. Однослойные микроструктур на подложке: с помощью процедуры показаны на рис. 1 (С1-С3), слой микроструктуры создается на подложке. Во время изготовления, подложка покрыта слоем промежуточного полимера с последующим покрытием слоем из одного материала (проводящего полимера или металла) или слой несколько материалов. Таким образом, после горячего тиснения, слой микроструктуры одного или нескольких материалов производится на подложке. Изготовление подробно описано ниже.
    1. Изготовление пресс-форм Si нужных размеров с помощью обычных УФ-литографии (рис. 2а). Подробности изготовления формы Si представлены в 4. Рис. 2 (А1-А4), показывают, макеты форм Si, используемых для процесса.
    2. Используйте непроводящий ПММА лист размерами 500 мкм х 170 мм х 170 мм в качестве промежуточного слоя, и поместите его на жесткую, плоскую подложку.
      1. Для создания микроструктур из одного материала: спин-слой проводящего полимера (PPy, PEDOT или SPANI) на PMMA листа или депозит Аль использовании термического испарения до толщины 100-500 нм.
      2. Для изготовления микроструктур несколько проведение полимерных материалов: спин-пальто PPy (при 2000 оборотов в минуту), PEDOT (при 2500 оборотах в минуту) и SPANI (при 1500 оборотов в минуту) на различные части листа ПММА. До спина покрытие первый слой проводящего полимера на месте на листе ПММА, покрытие других областях использования клейкой ленты. Для покрытия других проводящих слоев полимера, предыдущие покрытия и пустые места должны быть покрыты липкой лентой. Эта процедура должна быть повторена, чтобы покрыть несколькими слоями на нужные места на подложке. Покрытием PPy, PEDOT и SPANI более 500 нм, 5 мкм и толщиной 200 нм, соответственно.
    4. Рельеф подложки с помощью горячего тиснения-матипе (модель: Hex 01/LT, Jenoptik Mikrotechnik общество) (рис. 2б). Время температура, сила и форма вставки являются 130-160 ° C, N 1500-1800 и 120-200 с, соответственно. Выполните съемом на 80-95 ° С со скоростью 1,5 мм / мин. Результаты однослойные микроструктур из одного материала, показаны на рис. 2 (С1-С3). Результаты однослойные микроструктуры нескольких материалов приведена на рис. 2 (d2-d3).
  2. Применение PPy микропроводов как датчик влажности
    1. Спиновая пальто PPy на 1500 оборотов в минуту, чтобы создать 1 мкм толщины пленки площадью 1 х 1 см 2 и подключить два внешних проводов на противоположных концах пленки с использованием эпоксидных Ag для измерения проводимости.
    2. Спиновая пальто на 1500 оборотов в минуту для создания PPy пленки толщиной 1 мкм. Выполните тиснения с параметрами в шаге 4 для создания PPy микропроводов длиной 5000 мкм и шириной 300 мкм и подключения внешних проводов контакт с двумя конечнымис одной микропровода использованием Ag эпоксидной смолы.
    3. Поместите PPy кино и микропровода датчиков внутри окна герметичные перчатки с метр влажности и увлажнитель воздуха. Увлажнитель позволит контролируемой увеличение уровня влажности внутри перчаток. Установите контакт провода к станции Keithley Зонд для измерения IV для каждого датчика (рис. 2д).
    4. Расчет чувствительности каждого датчика по следующей формуле:
      Уравнение 1
      где R F и R I, конечной и начальной сопротивления пленки и микропровода датчиков, соответственно. Измерьте R я на уровне влажности основания (при комнатной температуре) и R F на каждом уровне влажности для фильма и микропровода датчиков.
    5. Рис. 2f показаны результаты чувствительности (ΔR / R) измерений, проведенных в 8 на 48% до 85% относительной влажности.Было отмечено, что чувствительность датчика PPy микропровода был выше, чем пленка сенсор на 48% до 58%. За 58% чувствительности пленки и микропровода датчики были похожи.
  3. Многослойная микроструктур на подложку: на основе процедуры, показанной на рис. 1 (С1-С3), верхний слой заменяется комбинацией из двух и трех полимеров / слои металла, соответственно, для создания многослойных микроструктур. Устройство расположение показано на рис. 3 (А1-А2). Изготовление подробно описано ниже.
    1. Изготовление форм Si необходимых размеров с помощью обычных УФ-литографии (рис. 3б).
    2. Используйте непроводящий ПММА лист размерами 500 мкм х 170 мм х 170 мм, промежуточный слой и поместите его на жесткую, плоскую подложку.
      1. Для создания двухслойных PPy-PEDOT гетероперехода: (I), спин-пальто на 1000 оборотов в минуту, чтобы получить 10 мкм толщины слоя на PEDOT листа ПММА, (II), испечь подводные лодкиtrate при 80 ° С в течение 1 ч, (III), спин-пальто на 1500 оборотов в минуту для получения 1-мкм толщиной PPy пленки на слой PEDOT, и (IV), выпекать подложке при температуре 80 ° С в течение 5 мин.
      2. Для создания двухслойных Al-PEDOT диоды: (I), спин-пальто на 1000 оборотов в минуту, чтобы получить 10 мкм толщины слоя на PEDOT листа ПММА, (II), испечь подложке при температуре 80 ° С в течение 1 ч, и ( III) слой 200 нм толщиной Аль фильм о PEDOT слоев методом термического испарения.
      3. Для создания трехслойных PEDOT-PMMA-PEDOT конденсаторов: (I) спин-пальто на 1000 оборотов в минуту, чтобы получить 10 мкм толщины слоя на PEDOT листа ПММА, (II), испечь подложке при температуре 80 ° С в течение 1 ч, (III), спин-пальто на 1000 оборотов в минуту несколько раз, чтобы получить пленки ПММА толщиной 15-20 мкм на слой PEDOT, (IV) испечь подложке при температуре 80 ° С в течение 30 мин (у) спин-пальто на 2500 оборотов в минуту получить PEDOT слой толщиной 2-3 мкм на пленке ПММА, и (VI), выпекать подложке при температуре 80 ° С в течение 5 мин.
    3. Рельеф подложки с использованием горячего тиснения матипе. Время температура, сила и форма вставки являются 140-150 ° C, N 1500-2000 и 150-200 с, соответственно. Выполните съемом на 80-95 ° С со скоростью 1,5 мм / мин. Результаты приведены на рис. 3 (см.) 11.
  4. Применение сгенерированный многослойных микроструктур
    1. PPy / PEDOT гетероперехода
      1. Используйте Keithly станции зонд для измерения IV структур гетероперехода, полученные после шага 2.1. Слой PEDOT основана и потенциала смещения (-20 В до 20 В) подается на PPy слоя.
      2. Рис. 3 (g1), показывает, IV характеристик PPy / PEDOT гетероперехода в [9,11], прямого и обратного пробоя напряжением PPy / PEDOT гетероперехода было 5 В и -8 V, соответственно. Исправление соотношение было 24 на 10 В. фактор идеальности составил 8,88.
    2. Al / PEDOT гетероперехода
      1. Используйте Keithly станции зонд для IVизмерений Al / PEDOT структуре гетероперехода, полученной после шага 2.2. Слой Al основана и смещения потенциала (-5 до 5) применяется к слою PEDOT.
      2. Рис. 3 (§ 2) показывает, IV характеристики Al / PEDOT соединения измеряется при комнатной температуре в 11, в прямом и обратном напряжении пробоя было 3 до -2,5 В, соответственно. Устранение отношение Al / PEDOT гетероперехода было 2 в 1 В. идеальности фактором этого перехода был рассчитан как 19.
    3. PEDOT / PMMA / PEDOT конденсатора
      1. Используйте Keithly станции зонд для измерения CV в PEDOT / PMMA / PEDOT конденсатора, полученной после шага 2.3.
      2. Рис. 3 (G3) показывает резюме в PEDOT / PMMA / PEDOT конденсатора измеряется при комнатной температуре в 11. Измеряется емкость конденсатора при низких смещения частота 0,06 пФ, в то время как теоретически рассчитанное количество было 1,38 пФ.

    С. резки Работа MPL для генерации субмикронных Ppatterns металлов и проводящих полимеров

    На основе процедуры показаны на рис. 1 (С1-С3), Si формы с субмикронной функции используются для создания желаемой формы металлов и проводящих полимеров. Изготовление подробно описано ниже.

    1. Изготовление форм кремния с субмикронных возможности, используя сфокусированный пучок ионов (FIB) литографии. Два различных видов форм Si, шириной 100 и 500 нм, глубина 1 - 1,5 мкм, длиной 20 мкм и шагом 1 мкм, не генерируются.
    2. Подготовка поверхности кремниевой формы перед использованием: (I), промыть формы с DI водой, ацетоном и тщательно Nanostrip решение при комнатной температуре, сушить с азотом и выпекать при температуре 150 ° C в течение 30 мин с последующим охлаждением до комнатной температуры, и (II), если форма не является чистым после этих этапов очистки, подвергать его кислородной плазмы чистым. Рецепт, какследующим образом: плазму мощность 300 Вт, расход кислорода при 80 SCCM и продолжительностью 5 - 7 мин.
      1. Пальто слоя ПММА: спин-пальто ПММА решение (молекулярный вес 495 K в 9% хлорбензола) при 3000 оборотов в минуту, чтобы получить толщиной около 1,2 мкм, выпекать пластины при 150 ° С в течение 1 часа и дайте ему остыть и подвергать PMMA покрытием для кислородной плазмы в течение 3 мин при 300 Вт с 50 SCCM расход кислорода, чтобы сделать его гидрофильным для следующего шага.
        1. Спин-пальто PPy решение (разбавленный 1:2 (V / V) с водой DI) на 3000 оборотов в минуту, чтобы получить толщиной около 75 нм и выпекать подложке при температуре 60 ° С в течение 1 ч вылечить PPy слоя.
        2. Пальто фильм Au толщиной 10-25 нм с использованием распыления осаждения.
      1. Создание PPy провода, выполнив следующие действия.
        1. Выходные данные на 500 нм широкий Si каналов: выполнять печать при 160 ° С со скоростью 1 мм / мин и вставьте продолжительностью 600 с использованием режимаконтроля положения в горячих тиснение машины. Максимальная сила используется 1085 N в этом случае.
        2. Выходные данные 100 нм широкий Si каналов: выполнять печать при 140 ° C со скоростью 1mm/min и вставьте продолжительностью 500 с использованием режима контроля в силу горячего тиснения машины. Закрепите тиснения силу в 2300 Н.
      2. Создание Au нанопроводов помощью формы Si с 100-нм широкие каналы: выполнять печать при 160 ° С со скоростью 1mm/min и вставьте продолжительностью 700 с использованием режима контроля в силу горячего тиснения машины. Закрепите тиснения силу в 2300 Н.
      3. Для шаги 4.1-4.2, выполнить съемом при 95 ° С со скоростью 3 мм / мин. Результаты приведены на рис. 4.

    Рисунок D. Работа MPL для генерации Micropatterns на боковые стенки полимерных и кремниевых подложках.

    После процедуры на рис. 1 (D1-D3), «рисование» операцияиспользуется для генерации золота и PDMS micropatterns на боковинах HDPE микроканалов. Соответствующие материалы по HDPE подложки Au или PDMS, которое следует профиля поверхности промежуточного слоя полимера во время импринтинга. Изготовление подробно описано ниже.

    1. Au боковины узоры на HDPE каналов
      1. Спин-пальто на 3000 оборотов в минуту для получения 1-мкм слой положительного фоторезиста (S1813) на 1,5-мм полиэтиленовой пленки (1,5 мм х 40 мм х 40 мм).
      2. Использование УФ-литографии для передачи маски модели S1813 в слое (рис. 5 (AB)). Маска состоит из моделей размером 10 х 10 мкм 2 точек (рис. 7а) и 110 мкм, широкие линии.
      3. Пальто 100 нм толщиной Au пленку на S1813 слой с помощью термического испарителя (рис. 5).
      4. Удалить S1813 с ацетоном промыть, оставляя Au узоры на лист HDPE (рис. 5).
      5. Нагрейте полиэтиленовой пленки до температЮр диапазоне 131-136 ° C на горячей плите, которая несколько выше, чем Т г HDPE (например, 128 ° C), но ниже T м Au (например, 1063 ° C) (рис. 5).
      6. Используйте Si-усиленная форма PDMS 16 до отпечаток Au-узором полиэтиленовой пленки для диапазона 40-120 кПа, в течение 1 ч с последующим охлаждением (рис. 5е).
      7. Отделить форму и полиэтиленовой пленки, когда их температура ниже Т г HDPE, завершая картину перехода от формы PDMS к подложке. Au модели, которые помещаются в полиэтиленовой пленки по форме PDMS, остаются на боковых и нижней поверхностях формируются микроструктуры (рис. 5г). Поскольку прочность сцепления между формой PDMS и Au модели слабее, чем между листом HDPE и Au моделей, Au модели не прилипает к форме PDMS и остаются на поверхности полиэтилена высокой плотности. Результаты этого процесса показана на рис. 7 (до н.э.) 12.
    2. PDMS micropillars на боковые стенки канала HDPE
      1. Спин-пальто на 3000 оборотов в минуту для получения 1-мкм слоем S1813 на СУ-8 форму (рис. 6а). SU-8 форма создается с использованием обычной литографии УФ-17.
      2. Спин-пальто PDMS (соотношение между PDMS и отвердителя 10:1) при 1000 оборотов в минуту на S1813 покрытием SU-8 форму и выпекать образца при 85 ° C в течение 3 ч на горячей плите с последующим охлаждением до комнатной температуре (рис. 6б).
      3. Отпустите тонкая пленка из PDMS SU-8 форму путем травления S1813 с ацетоном, завершив поколения micropillar сформирован PDMS пленки (рис. 6).
      4. Поместите micropillar сформирован PDMS фильма на 1,5-мм полиэтиленовой пленки (рис. 6).
      5. Вставьте форму Al (с закругленными краями) в фильме как PDMS и полиэтиленовой пленки при 140 ° C при давлении 52,5 кПа (рис. 6, д). Печатьвремя 1 час. При 140 ° C, фильм PDMS выталкивается вниз, в мягкий лист HDPE по форме.
      6. После того как образец охлаждается до комнатной температуры с последующим удалением формы Al, канал создается на полиэтиленовой пленки. Часть этой micropillar сформирован фильм PDMS передается на дно и две боковые стенки канала (рис. 6f). Результаты приведены на рис. 7 (д) 15.
      7. Измерьте угол контакта капли воды помещается в верхней части micropillars PDMS внутри HDPE канала. Рис. 7 (GH) показывает средний угол контакта определяется как 145,5 ° 15.

    Представитель E. Результаты

    Таким образом, результаты MPL перечислены ниже:

    1. Один слой проводящего полимера и металла micropatterns были сформированы как на рис. 2 (b1-b3, c2-c3).
    2. PPy кино и микропровода влагочувствительных результатыРис. 2d.
    3. Несколько слой проводящего полимера и металла micropatterns были сформированы как на рис. 3 (ср).
    4. Junction характеристика результатов на рис. 3 (g1-g3).
    5. 100 - и 500-нм масштабе провода PPy были сформированы как на рис. 4 (АВ).
    6. 100 нм широкий Au нанопроводов были сформированы как на рис. 4в.
    7. Au модели были получены на 300 мкм широкий и 42 мкм глубоко HDPE каналов, как на рис. 7 (до н.э.).
    8. PDMS micropillars были получены на верхнюю, нижнюю и боковые поверхности 1 мм шириной и 1 мм глубиной HDPE каналов, как на рис. 7 (д).
    9. Вода контакт углы измеряются в ПНД канал на рис. 7 (GH).

    Рисунок 1
    Рисунок 1 «нарезки» процесс создания выпуклых macropatterns в листового металла (сечение схемы). (a1) разместить листового металла в верхней части подложки, (а2) вставить форму в грунт, и (a3) ​​отдельные формы и подложки. "Рисунок" в процессе изготовления macropatterns вогнутые: (b1) место листового металла на подложку, (b2) вставить форму в грунт, и (b3) отдельные формы и подложки. «Нарезки» работы методом MPL для изготовления выпуклых структур (сечение схемы): (c1) тепло подложке (c2) вставить форму в грунт, и (c3) отдельные формы и подложки. "Розыгрыша" работы MPL подход в изготовлении вогнутой конструкции: (d1) тепло подложке (d2) вставить форму в грунт, и (d3) отдельные формы и подложки.

    Рисунок 2
    Рисунок 2 образцов форм Si (вид сверху): (a1) прямых; (а2) квадратных точек; (a3) структуры ферм, а также (a4) серпантин линий..(Б) горячего тиснения машины. СЭМ изображения генерируемых Al: (c1) 10 мкм всей линии; (c2) 20 × 20 мкм 2 точек и (c3) структур фермы. (D1) Схема микроструктур, состоящий из нескольких сооружений; (d2) 300 мкм широкий прямой, (d3) 50 мкм широкий серпантин модели микропровода из PPy, PEDOT и SPANI изготовленный одновременно, используя «нарезки» работы MPL . (Е) влагочувствительных экспериментальной установки, а также (е) влагочувствительных результаты PPy кино и микропровода датчик 4, 7, 8. Нажмите здесь, чтобы увеличить рисунок .

    Рисунок 3
    Рисунок 3. Раскладки: (a1) двух-и (а2) трехслойная устройств (б) расположение формы Si (вид сверху), используемых для изготовления многослойных устройств; (в) СЭМ изображения 300 мкм миру, MICROLINE формы PPy-PEDOT гетероперехода и CLOSE-до SEM виды сечений: (г) PPy-PEDOT гетероперехода (е) Аль-PEDOT диодов, (е) PEDOT-PMMA-PEDOT конденсатор; гетероперехода характеристика результатов: (g1) PPy / PEDOT; (g2 ) Al / PEDOT и (g3) PEDOT / PMMA / PEDOT 9,11.

    Рисунок 4
    Рисунок 4 (а) АСМ сканирование тиснение 500 нм масштабе провода PPy;. СЭМ изображения (б) тиснением 100 нм широкий PPy линий и (с) 100 нм широкий Au провода. Нажмите здесь, чтобы увеличить понять .

    Рисунок 5
    Рисунок 5 Изготовление ПЭ подложки с рисунком Au. (АВ) с помощью маски желаемых функций, выявления и развития S1813 слоя; (CD) месторождения золота и удалить S1813 слоя; (е) оттиском подложках с использованием Si усиленные PDMS форму, и (г) после demolДин, подложки с рисунком боковины, состоящий из функций Au 12.

    Рисунок 6
    Рисунок 6 Изготовление фильм PDMS с micropillars.: (А) изготовление СУ-8 форму, (б) спин-пальто и вылечить слоем PDMS, (в) удалить слой PDMS от SU-8 форма, (г) импринтинга основание с помощью формы Al, а также (е) после распалубки, подложки с рисунком боковины, состоящий из micropillars PDMS, получают 15.

    Рисунок 7
    На рисунке 7 (а) расположение точек Au; СЭМ изображения. (Б) 10 х 10 мкм 2 точек и (в) 110 мкм широкой линии. Размеры каналов генерируется в ПНД составляет 1 см х 300 мкм х 42 мкм (длина х ширина х глубина); PDMS micropillars, образующихся на верхней, нижней и боковой стенке surfaces1 мм широкие каналы HDPE (г) поперечное сечение вканала; СЭМ изображения (е) сверху; (е) нижнем углу канала и (GH) угол контакта результатов измерений на столбах PDMS 12,15. PDMS столбы имеют размеры 10 мкм х 10 мкм х 27 мкм. Размеры каналов в ПНД 20 мм х 1 мм х 1 мм (длина х ширина х высота).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Поиск и устранение неисправностей информация: Критические моменты, касающиеся поколения одно-и многослойных micropatterns проводящих полимеров и металлов с использованием «нарезки» операции: (1) Температура тиснения обеспечивает текучесть слоя промежуточных PMMA, который генерирует оптимальные результаты. Желательно, чтобы начать на нижнем пределе диапазона и повышения температуры постепенно, если желаемый результат не достигнут. Слишком высокая температура может привести к проведению слоя полимера на изменение его химического и / или электрических свойств. (2) Если печать силу слишком высокой, это может вызвать плесень Si взломать во время чеканки, в то время как низкая сила может привести к неправильному заполнению формы и полимерных слоев не может быть отключение. (3) тиснение машины должны быть запрограммированы на запуск запечатлеть только после того, подложка достигла заданного значения температуры. (4) профиль отпечаток зависит от размера элемента, печать силы, температуры и формы вставленыГ время, и может варьироваться от одного с острыми краями для более округлые один. По мере увеличения числа слоев полимера увеличение, профиль, как правило, округлые по краям. (5) Si формы с острыми краями, предпочтительно, чтобы проводящий полимер / металл слои отсечения как хотелось бы. Использование формы Si с наклонными боковыми стенками, не рекомендуется. (6) Использование очень глубоко Si плесень может вызвать stiction между формой и слоя полимера (ов). Если форма слишком мелкой она не сможет достичь «нарезки» из верхнего слоя (ы). (7) Рекомендуется, чтобы анти-stiction фильма (например, тефлон) должны быть покрыты на форму для Si легко отделяя его от подложки в процессе распалубки. (8) Низкое время вставки форма не может привести к «нарезки» и форма профиля могут быть закруглены. Если функция небольшого размера, больше вставки раз требуются, и наоборот. (9) толстый проводящий полимер / металл фильмов более механически сильнее по сравнению с более тонкие. Тем не менее, комкомбинированного толщина верхнего слоя не должна быть больше, чем толщина слоя промежуточного ПММА. (10) распалубки температура должна быть не ниже 105 ° С (Т г PMMA). Высокое значение может привести к подложке быть изогнутым, после распалубки и низкое значение может привести к форме Si придерживаться подложки и развалится.

Критические моменты, касающиеся генерации субмикронных PPy и Au проводов: (1) Перед использованием Si формы в первый раз, не АСМ и СЭМ сканирование формы должны быть выполнены. Это необходимо для поддержания нетронутой поверхности кремниевой формы. (2) агрессивные процедуры очистки, такие как использование NanoStrip решение или кислородной плазме, следует избегать, так как есть возможность увеличения шероховатости поверхности кремниевой формы. Это может вызвать stiction между формой кремния и проводящего полимера слоя. (3), толщина верхнего слоя (проводящего полимера или металла) должна быть не менее глубины формыдля отсечения слоя по краям. Существует нет таких ограничений по толщине изоляционного слоя полимера. (4) шероховатость поверхности кремниевой формы должны быть минимальными. В случае, если на поверхности кремния форме грубой из-за обработки или радиоактивного загрязнения, там не может быть идеального контакта между формой и подложкой, в результате неправильного перевода картины.

Критические моменты, касающиеся поколения micropatterns Au по каналам HDPE: (1) При более высоких температурах тиснения (≥ 136 ° C), Au линии не кривая чтобы следовать поверхность ПНД смягчается. (2) При более высоких форм глубинах (≥ 42 мкм), Au линии может сломаться по краям HDPE каналов из-за стресса 12.

Критические моменты, касающиеся поколения HDPE каналов micropillars PDMS: (1) Если высота micropillars PDMS велик, он может упасть после выхода из SU-8 форму. (2) Высокие пропорции колонн PDMS можетбыть повреждены во время "рисования" Шаг 15.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Нет конфликта интересов объявлены.

Acknowledgments

Эта работа была частично поддержана через NSFDMI-0508454, NSF / LEQSF (2006) Pfund-53, NSF-CMMI-0811888, и NSF-CMMI-0900595 грантов.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
PMMA Sigma-Aldrich 495C9 The solvent is cholorobenzene. Handle PMMA solution under a fume hood with adequate ventilation. Do not breathe the vapor. Refer to MSDS for safe handling instructions.
PPy Sigma-Aldrich -- 5% by weight in water. Used as received.
PEDOT-PSS H. C. Starck Co. Baytron P HC V4 Proprietary solvent. Used as received.
SPANI Sigma-Aldrich -- Water soluble form. Used as received.
Hot embossing machine JenoptikMikrotechnik Co. HEX 01/LT
Sputter machine Cressington Co. 208HR
FIB machine Carl Zeiss, Inc. FIB Crossbeam 1540 XB
Spin coater Headway Research Inc. PWM32-PS-R790 Spinner System
RIE machine Technics MicroRIE Co. --
Photoresist Shipley Co. S1813
PDMS Dow Corning Sylgard 184 Silicone elastomer kit
HDPE sheet US Plastic Corp. --
PMMA sheet Cyro Co. --
Double-sided adhesive tape Scotch Co. --
Single-sided tape Delphon Co. Ultratape # 1310
Glass micropipettes FHC, Inc. 30-30-1
Clip Office Depot Bulldog clip
Humidifier Vicks Co. Filter free humidifier

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Машиностроение выпуск 65 физики микроперфорацией литографии проводящие полимеры нанопроволоки боковины модели microlines
Микроперфорацией литографии для генерации микро-и субмикронных структур на полимерные подложки
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C.… More

Chakraborty, A., Liu, X., Luo, C. Micropunching Lithography for Generating Micro- and Submicron-patterns on Polymer Substrates. J. Vis. Exp. (65), e3725, doi:10.3791/3725 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter