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Bioengineering

Valved बहुपरत microfluidic उपकरणों के लिए बहु-कदम चर ऊंचाई Photolithography

Published: January 27, 2017 doi: 10.3791/55276
Automatic Translation
*1,2,4, *1,2, 1,2,3,4
1Department of Bioengineering, Stanford University, 2Microfluidic Foundry, Stanford University, 3Department of Genetics, Stanford University, 4Chem-H Institute, Stanford University
* These authors contributed equally

Introduction

पिछले 15 वर्षों के लिए, एक क्षेत्र के रूप में microfluidics माइक्रोमीटर पैमाने पर 1 तरल पदार्थ के हेरफेर को सक्षम करने के लिए नई प्रौद्योगिकियों के एक विस्फोट के साथ, तेजी से विकास हुआ है। सिस्टम microfluidic गीला प्रयोगशाला कार्यक्षमता के लिए आकर्षक प्लेटफार्मों रहे हैं क्योंकि छोटे संस्करणों संभावित वृद्धि की गति और संवेदनशीलता का एहसास करने के लिए है, जबकि एक ही समय में नाटकीय रूप से throughput बढ़ाने और बड़े पैमाने 2, 3 की अर्थव्यवस्थाओं के लाभ से लागत को कम करने। बहुपरत सिस्टम microfluidic ऐसे एकल कोशिका विश्लेषण 4, 5, 6, एक अणु विश्लेषण (जैसे, डिजिटल पीसीआर 7), प्रोटीन क्रि 8, प्रतिलेखन कारक बाध्यकारी assays के रूप में उच्च throughput जैव रासायनिक विश्लेषण अनुप्रयोगों में विशेष रूप से महत्वपूर्ण प्रभाव बना दिया हैएफ "> 9, 10, और सेलुलर स्क्रीनिंग 11।

Microfluidics का केंद्रीय लक्ष्य कुल जैव रासायनिक विश्लेषण 12 के लिए एक ही उपकरण के भीतर जटिल fluidic जोड़तोड़ प्रदर्शन करने में सक्षम उपकरणों "एक चिप पर लैब" का विकास किया गया है। बहु परत नरम लिथोग्राफी तकनीकों के विकास में मदद की है पर चिप वाल्व, मिक्सर के सृजन को सक्षम करने से इस लक्ष्य को एहसास है, और सक्रिय रूप से छोटी मात्रा 13, 14, 15 के भीतर तरल पदार्थ को नियंत्रित करने के लिए पंप। अपने फायदे और प्रदर्शन अनुप्रयोगों के बावजूद, इन microfluidic प्रौद्योगिकियों के कई बड़े पैमाने पर गैर-विशेषज्ञ उपयोगकर्ताओं द्वारा unharnessed रहते हैं। व्यापक अपनाने microfabrication सुविधाओं के लिए सीमित पहुंच के कारण भाग में चुनौतीपूर्ण हो गया है, लेकिन यह भी निर्माण तकनीक की अपर्याप्त संचार के कारण है। इस के लिए विशेष रूप से सच हैआर बहुपरत microfluidic वाल्व या जटिल geometries के लिए संरचनाओं की विशेषता उपकरणों: महत्वपूर्ण डिजाइन मानकों और निर्माण तकनीक के बारे में विस्तृत, व्यावहारिक जानकारी की कमी अक्सर डिजाइन और इन उपकरणों के निर्माण के संबंधित परियोजनाओं पर तैयार की नई शोधकर्ताओं deters।

यह लेख, वाल्व और चर ऊंचाई सुविधाओं के साथ बहुपरत microfluidic उपकरणों बनाने डिजाइन मानकों से शुरू करने और सभी निर्माण कदम के माध्यम से जाने के लिए एक पूरा प्रोटोकॉल पेश करके इस ज्ञान की खाई को संबोधित करने के लिए करना है। निर्माण के प्रारंभिक photolithography कदम पर ध्यान केंद्रित करके, इस प्रोटोकॉल अन्य microfluidics प्रोटोकॉल 16 कि नए नए साँचे से उपकरणों कास्टिंग और विशिष्ट प्रयोगों चलाने का नीचे की ओर कदम का वर्णन पूरक।

अखंड पर चिप वाल्व के साथ microfluidic उपकरणों दो परतों से बना रहे हैं: एक "प्रवाह" परत है, जहां ब्याज की तरल पदार्थ सूक्ष्म में हेरफेर किया गया हैचैनल, और एक "नियंत्रण" परत है, जहां हवा या पानी युक्त microchannels चुनिंदा प्रवाह परत 14 में द्रव का प्रवाह मिलाना कर सकते हैं। इन दो परतों प्रत्येक एक अलग सिलिकॉन मोल्डिंग मास्टर, जो बाद में एक प्रक्रिया बुलाया में polydimethylsiloxane (PDMS) प्रतिकृति ढलाई के लिए प्रयोग किया जाता है पर निर्मित कर रहे हैं "नरम लिथोग्राफी 17।" एक multilayer डिवाइस के लिए फार्म, PDMS परतों में से प्रत्येक उनके संबंधित मोल्डिंग आकाओं पर डाल रहे हैं और फिर एक दूसरे के लिए गठबंधन किया है, जिससे प्रत्येक परत में चैनल के साथ एक समग्र PDMS डिवाइस के गठन। वाल्व स्थानों जहां प्रवाह और नियंत्रण चैनलों को एक दूसरे के पार और केवल एक पतली झिल्ली से अलग हो रहे हैं पर बनते हैं; नियंत्रण चैनल का दबाव प्रवाह चैनल रोक देना इस झिल्ली विक्षेपित और स्थानीय स्तर पर तरल पदार्थ (चित्रा 1) विस्थापित।

एक्टिव पर चिप वाल्व, कई मायनों में गढ़े जा सकता वांछित अंतिम आवेदन के आधार पर। वाल्वमें या तो एक "नीचे धक्का" या "धक्का" ज्यामिति विन्यस्त किया जा सकता है, पर कि क्या नियंत्रण परत के ऊपर या प्रवाह परत के नीचे (चित्रा 1) 15 है निर्भर करता है। "पुश" geometries कम समापन दबावों और delamination के खिलाफ उच्च डिवाइस स्थिरता के लिए अनुमति देते हैं, जबकि "नीचे धक्का" geometries प्रवाह चैनलों बंधुआ सब्सट्रेट के साथ सीधे संपर्क में होने के लिए अनुमति देते हैं, चयनात्मक functionalization या सब्सट्रेट सतह की patterning का लाभ प्रदान बाद में कार्यक्षमता 18, 19 के लिए।

वाल्व भी प्रवाह चैनल के पार के अनुभागीय प्रोफाइल पर निर्भर करता है, या तो जानबूझकर टपकाया "चलनी" वाल्व या पूरी तरह से sealable हो सकता है। चलनी वाल्व मोती, कोशिकाओं या अन्य macroanalytes 1 फँसाने के लिए उपयोगी होते हैं, और ठेठ नकारात्मक photoresists (यानी, SU-8 श्रृंखला), जो हा के उपयोग के माध्यम से निर्मित कर रहे हैंआयताकार प्रोफाइल किया है। एक नियंत्रण चैनल इन वाल्व क्षेत्रों पर दबाव डाला जाता है, नियंत्रण और प्रवाह परत के बीच PDMS झिल्ली, कोनों सील द्रव का प्रवाह की अनुमति देने लेकिन चित्रा (1) मैक्रो पैमाने कणों को फँसाने के बिना वाल्व का आयताकार प्रोफ़ाइल में isotropically विक्षेपित। इसके विपरीत, पूरी तरह से sealable microfluidic वाल्व वाल्व स्थानों पर गोल photoresist के एक छोटे पैच सहित द्वारा गढ़े हैं। इस ज्यामिति के साथ, नियंत्रण चैनल का दबाव पूरी तरह से सील करने के लिए चैनल, द्रव का प्रवाह रोकने गोल प्रवाह परत के खिलाफ झिल्ली विक्षेपित। प्रवाह परत में गोल प्रोफाइल पिघलने और सकारात्मक photoresist (जैसे, AZ50 एक्सटी या एसपीआर 220) की reflow ठेठ photolithography कदम के बाद के माध्यम से उत्पन्न कर रहे हैं। हम पहले से दिखा दिया है कि वाल्व क्षेत्रों के पद-reflow ऊंचाइयों चुना सुविधा आयाम 21 पर निर्भर करते हैं। इस प्रोटोकॉल के साथ दोनों वाल्व geometries के निर्माण को दर्शाता हैएक मनका संश्लेषण डिवाइस में।

आकृति 1
चित्रा 1: बहुपरत Microfluidic वाल्व Geometries। ठेठ चलनी के लिए डिवाइस आर्किटेक्चर और पहले (ऊपर) और बाद (नीचे) के दबाव पूरी तरह से sealable वाल्व "धक्का"। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

उपकरणों को भी ऐसे अराजक मिक्सर 13 प्रतिरोधों 20 है कि एक ही प्रवाह परत के भीतर कई अलग ऊंचाइयों की सुविधाओं की आवश्यकता के रूप में और पर चिप जटिल निष्क्रिय विशेषताओं में शामिल कर सकते हैं। एक चर ऊंचाई प्रवाह परत को प्राप्त करने के लिए, अलग-अलग समूहों में मुद्रित सर्किट बोर्ड नक़्क़ाशी 22, बहुपरत PDMS राहत संरेखण 23, या बहु कदम पी सहित कई तरीकों कार्यरत हैhotolithography 24। हमारे समूह के लिए एक एकल मोल्डिंग मास्टर पर बहु ​​कदम photolithography पाया गया है एक प्रभावी और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य तरीका हो। ऐसा करने के लिए, प्रत्येक परत के आवेदन के बीच में विकास के बिना परतों में नकारात्मक photoresist (जैसे, SU-8 श्रृंखला photoresists) की मोटी चैनलों के निर्माण के लिए एक सरल तकनीक photolithography कार्यरत है। प्रत्येक परत सिलिकॉन मास्टर पर इसकी मोटाई का उपयोग कर निर्माता के निर्देशों के अनुसार 25 नकारात्मक photoresist में घूमती है। इस ऊंचाई की विशेषताएं तो परत एक विशिष्ट पारदर्शिता मुखौटा (चित्रा 2) एक गिलास मुखौटा प्लेट से चिपका और जोखिम से पहले पहले से काता परत के लिए गठबंधन का उपयोग करने पर नमूनों हैं। बहु कदम photolithography में, परतों के बीच सटीक संरेखण एक पूरा चर ऊंचाई प्रवाह चैनल के गठन में महत्वपूर्ण है। संरेखण के बाद, प्रत्येक परत की मोटाई पर निर्भर बाद जोखिम सेंकना के अधीन है। विकास के बिना, अगले परत सिम हैilarly नमूनों। इस रास्ते में, लंबा सुविधाओं तक एक भी प्रवाह वेफर पर परत दर परत कई मुखौटे के उपयोग के माध्यम से बनाया जा सकता है। प्रत्येक चरण के बीच विकास लंघन करके, पिछले photoresist परतों समग्र ऊंचाई सुविधाओं उत्पन्न करने के लिए 24 (यानी, दो 25 माइक्रोन परतें एक 50 माइक्रोन सुविधा कर सकते हैं) का इस्तेमाल किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, ऐसे अराजक मिक्सर herringbone खांचे के रूप में 13 चैनल मंजिल सुविधाओं को पहले से अवगत कराया सुविधाओं के साथ परतों का उपयोग किया जा सकता है। एक अंतिम कदम विकास की प्रक्रिया पूरी होती है, चर ऊंचाई (चित्रा 3) की सुविधाओं के साथ एक एकल प्रवाह वेफर बनाने।

इधर, उस पर चिप वाल्व और कई ऊंचाइयों के साथ प्रवाह चैनलों के निर्माण के लिए आवश्यक सभी प्रक्रियाओं के उदाहरण भी शामिल है बहु कदम फोटोलिथोग्राफी के लिए एक पूर्ण प्रोटोकॉल प्रदान की जाती है। इस निर्माण प्रोटोकॉल एक बहु परत microfluidic मनका सिंथेसाइज़र कि वाल्व और variab की आवश्यकता के संदर्भ में प्रस्तुत किया हैle-ऊंचाई अपनी कार्यक्षमता के लिए सुविधाएँ। इस डिवाइस Poiseuille प्रतिरोध, छोटी बूंद घटकों homogenizing के लिए एक अराजक मिक्सर को नियंत्रित करने के माध्यम से प्रवाह दरों मिलाना, एक तेल म्यान में पानी की बूंदों पैदा करने पर चिप प्रतिरोधों के लिए T-जंक्शनों भी शामिल है, और दोनों पूरी तरह से सील और चलनी वाल्व स्वचालित कई अभिकर्मक शामिल वर्कफ़्लोज़ सक्षम करने के लिए आदानों। बहु कदम photolithography का उपयोग करना, इन सुविधाओं प्रत्येक ऊंचाई या photoresist के अनुसार एक अलग स्तर पर निर्मित कर रहे हैं; निम्नलिखित परतों इस प्रोटोकॉल में निर्माण कर रहे हैं: (1) फ्लो दौर वाल्व परत (55 माइक्रोन, AZ50 एक्सटी) (2) प्रवाह कम परत (55 माइक्रोन, SU-8 2050) (3) प्रवाह उच्च परत (85 माइक्रोन, SU- 8 2025, 30 माइक्रोन एडिटिव ऊंचाई), और (4) Herringbone Grooves (125 माइक्रोन, SU-8 2025, 40 माइक्रोन एडिटिव ऊंचाई) (चित्रा 3)।

हाइड्रोजेल मोती नीचे की ओर assays के लिए चयनात्मक सतह functionalization, दवा encapsulation, रादी सहित आवेदन की एक किस्म के लिए इस्तेमाल किया जा सकताotracing और इमेजिंग assays, और सेल समावेश; हम पहले इन उपकरणों में से एक अधिक जटिल संस्करण इस्तेमाल किया प्रेतसंबंधी इनकोडिंग खूंटी हाइड्रोजेल lanthanide nanophosphors 20 से युक्त मोती उत्पादन के लिए। किसी भी प्रयोगशाला में उनके अनुसंधान के प्रयासों में उपयोग करने के लिए अगर वांछित यहाँ पर चर्चा की डिजाइन अतिरिक्त संसाधन में शामिल किए गए हैं। हम आशा करते हैं कि इस प्रोटोकॉल के विशेषज्ञों और गैर विशेषज्ञों के लिए एक जैसे microfluidics में प्रवेश के लिए बाधा कम और निर्माण सफलता की संभावना बढ़ाने के लिए वाल्व या जटिल geometries के साथ बहु परत microfluidic उपकरणों बनाने में रुचि के लिए एक खुला संसाधन प्रदान करेगा।

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Protocol

1. बहु परत डिवाइस डिजाइन

नोट: विभिन्न ऊंचाइयों और / या photoresists की विशेषताएं अलग निर्माण कदम अंतिम समग्र सुविधाओं बनाने के दौरान वेफर को क्रमिक रूप से जोड़ा जाना चाहिए। इसलिए, प्रत्येक अलग ऊंचाई और photoresist के लिए डिजाइन पर एक वेफर अपने स्वयं मुखौटा (चित्रा 4) पर मुद्रित किया जाना चाहिए शामिल किया जाना है।

  1. एक कंप्यूटर की मदद से डिजाइन (सीएडी) ड्राफ्टिंग प्रोग्राम डाउनलोड (जैसे, ऑटोकैड शैक्षिक संस्करण)।
  2. सर्कल "एक 4 ड्राइंग द्वारा वेफर क्षेत्र" 4 को परिभाषित करें। वेफर डिजाइन (चित्रा 4, अतिरिक्त संसाधन) एक उदाहरण के रूप में प्रदान की जाती हैं।
  3. 4 "वेफर रूपरेखा के अंदर, जगह डिवाइस 300 माइक्रोन polyline आयतों का उपयोग सीमाओं। Photolithography दौरान संरेखण के लिए इन डिवाइस सीमाओं का प्रयोग करें।
  4. एक अलग ऊंचाई या photoresist अंतिम डिजाइन के लिए आवश्यक है (यानी, गोल प्रवाह के लिए विभिन्न परतों बनाएँ, कम प्रवाह, उच्च प्रवाह,और डिजाइन में नियंत्रण) परतों पैनल का उपयोग।
    1. इसी परत पर एक विशेष वांछित ऊंचाई के डिजाइन सुविधाएँ। उदाहरण के डिजाइन 4 अलग सक्रिय परतों, अपने स्वयं के रंग के साथ प्रत्येक (चित्रा 4) से पता चलता है।
      नोट: डिवाइस सीमाओं, वैश्विक पाठ, और वेफर रूपरेखा उनकी स्वयं के स्तर पर प्रयास किए जाने चाहिए (यानी, डिजाइन में 1-नकारात्मक), जो बाद में वैश्विक संरेखण के लिए सभी परतों पर दिखाई देगा। अलग photoresist की विशेषताएं (जैसे कि पूरी तरह से sealable वाल्व के रूप में है कि सकारात्मक के साथ निर्मित किया जाना चाहिए विरोध), विभिन्न परतों पर दिखाई देना चाहिए ऊंचाई की परवाह किए बिना।
  5. डिवाइस सीमाओं के भीतर शून्य चौड़ाई polylines, डिजाइन डिवाइस सुविधाओं को बंद कर दिया इस्तेमाल करते हैं।
    1. तालिका 1 में डिजाइन मानकों सफल निर्माण की संभावना में वृद्धि पर विचार करें।
    2. प्रत्येक ऊंचाई के लिए, परतें पैनल में है कि परत का चयन करें और उस ऊंचाई की सभी सुविधाओं को जोड़ने।
  6. तैयारपारदर्शिता फिल्म मुद्रण के लिए डिजाइन बेसिक मास्क फ़ाइल (अतिरिक्त संसाधन) जहां प्रत्येक 4 आयताकार सीमा "वेफर चक्र एक 5 भीतर डाला जाता है" के प्रयोग से। प्रत्येक परत प्रत्येक photoresist परत के अनुक्रमिक इसके लिए एक अलग पारदर्शिता फिल्म पर मुद्रित किया जाएगा।
    नोट: इस बुनियादी मास्क फ़ाइल अंतिम मुद्रण के लिए इस्तेमाल किया डिजाइन का प्रतिनिधित्व करता है।
    1. डिजाइन को पूरा करने के लिए, 1 नकारात्मक और AZ50 एक्सटी वाल्व परत को छोड़कर सभी परतों बंद कर देते हैं। सक्रिय परत (यानी, वाल्व) और वैश्विक सुविधाओं (अर्थात्।, डिवाइस सीमाओं) के साथ पूरे वेफर कॉपी करें।
    2. बेसिक मास्क फ़ाइल को खोलने और आयत हकदार AZ50 एक्सटी वाल्व में इस डिजाइन पेस्ट करें। संरेखण के लिए बाहरी वेफर सीमा का उपयोग करें और बाद में पेस्ट करने के बाद इसे हटा दें।
    3. परतों के आराम के लिए दोहराएँ (जैसे, उदाहरण के डिजाइन में: प्रवाह वर्ग कम, वर्ग उच्च प्रवाह, और नियंत्रण)। उदाहरण पारदर्शिता फ़ाइलें (अतिरिक्त संसाधन) प्रदान की जाती हैं।
    4. एक कॉम के लिए फाइल को भेजेंतौर पर वाणिज्यिक मुद्रण कंपनी (जैसे, Fineline इमेजिंग) पारदर्शिता फिल्म पर मुद्रण के लिए। मुद्रण> 10 माइक्रोन सुविधाओं के लिए और 50,000 डीपीआई अप करने के लिए छोटे सुविधाओं के लिए 32,000 डीपीआई का प्रयोग करें। अगर 7 माइक्रोन से कम सुविधाओं की जरूरत है, एक क्रोम मास्क के बजाय एक पारदर्शिता फिल्म के आदेश।

तालिका 1: डिजाइन मानकों और सुझाव। विचार डिजाइन microfluidic उपकरणों के सीएडी डिजाइन की प्रक्रिया के दौरान आम नुकसान से बचने के लिए। इस तालिका देखने के लिए यहाँ क्लिक करें। (डाउनलोड करने के लिए राइट क्लिक करें।)

2. Photolithography के लिए एक वेफर तैयारी

नोट: ये कदम अतिरिक्त 2 टेबल में मेज-प्रारूप में दिखाई देते हैं।

  1. Cleanroom या नामित साफ क्षेत्र, स्वच्छ और एक 4 "परीक्षण ग्रेड सिलिकॉन वेफर (एकल पक्ष पी निर्जलीकरणolished)।
    1. मेथनॉल के साथ अच्छी तरह से वेफर कुल्ला।
      नोट: आगे कोई सफाई कदम SU-8 आसंजन परत के नीचे वर्णित का उपयोग करता है, तो जरूरत है। अन्य आसंजन परतों कि इस प्रोटोकॉल से विचलित (जैसे।, HMDS) अक्सर ऐसे पिरान्हा नक़्क़ाशी रूप में और अधिक पूरी तरह से सफाई की आवश्यकता होती है।
    2. एन 2 या संपीड़ित हवा के साथ सूखी झटका।
    3. 95 डिग्री सेल्सियस पर एक एल्यूमीनियम hotplate पर सेंकना के लिए 10 मिनट के लिए पूरी तरह से विलायक लुप्त हो जाना।
  2. SU-8 2005 की एक वर्दी 5 माइक्रोन मोटी परत बनाना बाद photoresist परतों के लिए आसंजन में सुधार होगा।
    1. एक स्पिन coater पर साफ वेफर प्लेस, स्पिन चक करने के लिए इसे प्रत्यय करने के लिए वैक्यूम पर बारी है, और एन 2 या संपीड़ित हवा के साथ धूल उड़ा ले।
    2. वेफर और स्पिन के केंद्र में SU-8 2005 नकारात्मक photoresist की 1-2 मिलीलीटर लागू इस प्रकार है: प्रसार: 500 आरपीएम, 10 सेकंड, 133 rpm / s त्वरण; डाली: 3000 rpm, 40 सेकंड, 266 rpm / एस त्वरण।
    3. वेफर हटायेऔर दो हॉट प्लेट 65 डिग्री सेल्सियस पर सेट है और निम्नलिखित कार्यक्रम के अनुसार 95 डिग्री सेल्सियस के बीच वेफर स्विचन द्वारा नरम सेंकना: 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट, 95 डिग्री सेल्सियस: 3 मिनट, 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट।
    4. वेफर आरटी को शांत करने की अनुमति दें।
    5. एक यूवी मुखौटा aligner के चक में वेफर रखें और 124 एमजे की कुल ऊर्जा बयान के लिए एक मुखौटा ( 'बाढ़ जोखिम') बिना बेनकाब (यहाँ, ~ 6.2 मेगावाट / 2 सेमी दीपक तीव्रता में 20 सेकंड)। यदि उपलब्ध है, एक 300 माइक्रोन वेफर प्राप्त करने के लिए कड़ी से संपर्क करें मोड का चयन करें: जुदाई मुखौटा।
    6. 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट, 95 डिग्री सेल्सियस: 4 मिनट, 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट दो हॉट प्लेट 65 डिग्री सेल्सियस पर सेट और 95 डिग्री सेल्सियस के बीच इस प्रकार के रूप वेफर स्विचन द्वारा वेफर और बाद जोखिम सेंकना निकालें।

गोल वाल्व fabricating

  1. वांछित वाल्व आयामों और ऊंचाइयों के लिए स्पिन गति योजना के लिए ऑनलाइन AZ50 एक्सटी वाल्व भविष्यवक्ता संसाधन 26 का प्रयोग करें।
    नोट: निम्न कदम Depo होगावाल्व परिभाषा और reflow गोलाई लिए सकारात्मक photoresist की एक 55 माइक्रोन परत बैठते हैं।
  2. एक स्पिन coater पर वेफर प्लेस, स्पिन चक करने के लिए इसे प्रत्यय करने के लिए वैक्यूम पर बारी है, और एन 2 या संपीड़ित हवा के साथ धूल उड़ा ले।
  3. वेफर के केंद्र के लिए AZ50 एक्सटी सकारात्मक photoresist की 2-3 एमएल लागू करें। स्पिन के रूप में इस प्रकार है: प्रसार: 200 आरपीएम, 10 एस, 133 rpm / एस त्वरण; डाली: 1,200 आरपीएम, 40 सेकंड, 266 rpm / एस त्वरण; स्नैप स्पिन बढ़त मनका दूर करने के लिए: 3,400 आरपीएम, 1 सेकंड, 3400 rpm / एस त्वरण।
  4. एक 5 "पेट्री डिश में, ध्यान से वेफर लेट गया और 20 मिनट के लिए आराम करो।
  5. शीतल सेंकना एक hotplate पर वेफर: 65 डिग्री सेल्सियस - 112 डिग्री सेल्सियस, 22 मिनट, 450 डिग्री सेल्सियस / ज ramping गति।
  6. वेफर निकालें और परिवेश पुनर्जलीकरण के लिए एक पेट्री डिश में आरटी पर रात भर आराम करते हैं।
  7. 5 "कांच की प्लेट नीचे प्रिंट साइड करने के लिए टेप प्रवाह दौर पारदर्शिता मुखौटा (वेफर के लिए निकटतम) और यूवी मुखौटा aligner का मुखौटा positioner में लोड। 6 चक्रों में यूवी की 930 एमजे को वेफर बेनकाब ( 2 सेमी दीपक तीव्रता 25 सेकंड के 6 चक्र, 30 एस इंतजार जोखिम के बीच का समय)।
  8. 3-5 मिनट के लिए या स्नान बैंगनी बदल जाता है और सुविधाओं के उभरने तक 6 "गिलास पकवान में 3 डेवलपर: AZ500k 1 की 25 एमएल की एक उभारा स्नान में डुबो कर तुरंत वेफर का विकास करना।
    1. वेफर निकालें और डि पानी के साथ अच्छी तरह कुल्ला।
    2. पूर्व reflow ऊंचाई एक profilometer (10.5 मिलीग्राम की लेखनी बल) का उपयोग का आकलन करें।
      नोट: प्रोफाइलिंग से पहले वांछित परत पर एक फीचर चैनल के बगल में निर्माता के निर्देशों के अनुसार profilometer काम करते हैं, ध्यान से स्थिति बल लेखनी। गति 200 माइक्रोन / एस, शासन नीचे-ऊपर लेखनी बल 10.5 मिलीग्राम, लंबाई 1,000 मीटर,: इस प्रोटोकॉल भर में इस्तेमाल सेटिंग पीछा कर रहे थे।
  9. मुश्किल reflow वेफर पिघल करने के लिए और गोल वाल्व सुविधाओं सेंकना इस प्रकार है: 65 डिग्री सेल्सियस - 190 डिग्री सेल्सियस, 15 घंटा, 10 डिग्री सेल्सियस / घंटा की गति ramping।
  10. आरटी के लिए वेफर शांत करते हैं। एक PROFI का उपयोग कर आकलन के बाद reflow ऊंचाईlometer (10.5 मिलीग्राम की लेखनी बल)। 55 माइक्रोन ± 2 माइक्रोन की ऊंचाइयों के लिए इस डिवाइस ज्यामिति उम्मीद की जानी चाहिए।

3. Fabricating मिलकर में चर ऊंचाई सुविधाएँ

  1. मनका सिंथेसाइज़र डिजाइन का प्रवाह कम, प्रवाह उच्च और Herringbone मिक्सर transparencies के साथ विकसित वेफर के साथ चर ऊंचाई निर्माण करने के लिए आगे बढ़ें।
  2. डिजाइन के लिए प्रोटोकॉल को समायोजित करने के लिए, निर्माण डाटा शीट 25 का उपयोग जोखिम ऊर्जा, स्पिन गति और सेंकना समय मापदंडों का निर्धारण करने, ± 5% सहिष्णुता के लिए अनुमति देता है।
    नोट: इस प्रोटोकॉल एक 55 माइक्रोन लंबा प्रवाह कम परत SU-8 2050 नकारात्मक photoresist वाल्व सुविधाओं पर काता का उपयोग कर fabricates।
  3. स्पिन coater पर साफ वेफर प्लेस, स्पिन चक करने के लिए इसे प्रत्यय करने के लिए वैक्यूम पर बारी है, और एन 2 या संपीड़ित हवा के साथ धूल उड़ा ले।
    1. इस प्रकार के रूप वेफर और स्पिन के केंद्र के लिए SU-8 2050 नकारात्मक photoresist की 1-2 मिलीलीटर लागू करें: प्रसार: 500 आरपीएम, 10 सेकंड, 133 rpm / सेकंड त्वरण; डाली: 3000 rpm, 40 सेकंड, 266 rpm / सेकंड त्वरण। विकसित वाल्व सुविधाओं से अधिक स्पिन photoresist।
  4. ध्यान से 5 "पेट्री डिश में काता वेफर जगह और सपाट सतह पर या किसी streaking पैटर्न फीका जब तक 20 मिनट के लिए आराम करो।
  5. 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट, 95 डिग्री सेल्सियस: 8 मिनट, 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट दो हॉट प्लेट 65 डिग्री सेल्सियस पर सेट और 95 डिग्री सेल्सियस के रूप में इस पर रखकर वेफर और मुलायम सेंकना निकालें।
  6. वेफर आरटी को शांत करने की अनुमति दें।
  7. टेप एक क्वार्ट्ज 5 "कांच की प्लेट नीचे प्रिंट साइड करने के लिए प्रवाह कम पारदर्शिता मुखौटा (वेफर के लिए निकटतम) और यूवी मुखौटा aligner का मुखौटा positioner में लोड।
  8. यूवी मुखौटा aligner चक में वेफर प्लेस और, माइक्रोस्कोप आईपीस या कैमरे का उपयोग, ध्यान से नए प्रवाह कम परत सुविधाओं संरेखित दौर वाल्व परत सुविधाओं प्रवाह करने के लिए। मुखौटा पर डिवाइस सीमा सुविधाओं के लिए डिवाइस सीमाओं की क्षैतिज, ऊर्ध्वाधर और झुकाव कुल्हाड़ियों संरेखित द्वारा शुरू करो। अगले, क्रॉस-बाल सुविधाओं शर्त संरेखितसमझना परतें। अंत में, कि वाल्व सुविधाओं प्रवाह कम जहां लागू सुविधाएँ एक दूसरे को काटना की पुष्टि करें।
  9. 170 एमजे यूवी बयान (~ में 6.2 मेगावाट / 2 सेमी 28 सेकंड) को बेनकाब।
  10. 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट, 95 डिग्री सेल्सियस: 9 मिनट, 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट दो हॉट प्लेट 65 डिग्री सेल्सियस पर सेट और 95 डिग्री सेल्सियस के रूप में इस प्रकार के बीच स्विच द्वारा वेफर और बाद जोखिम सेंकना निकालें।
  11. विकास के बिना, मे आरटी शांत और प्रवाह उच्च परत का निर्माण करने के लिए आगे बढ़ने के लिए अनुमति देते हैं। इस प्रवाह उच्च परत अविकसित 55 माइक्रोन photoresist परत करने के लिए photoresist की 30 माइक्रोन जोड़ने पहले से unexposed स्थानों में 85 माइक्रोन सुविधाओं उपज के लिए होगा।
  12. प्रसार: दोहराएँ 3.3 3.10 के लिए SU-8 2025 और स्पिन कोट सेटिंग्स के लिए इन संशोधनों के साथ प्रवाह उच्च परत मुखौटा का उपयोग कदम 500 आरपीएम, 10 सेकंड, 133 rpm / एस त्वरण; डाली: 3500 rpm, 40 सेकंड, 266 rpm / सेकंड त्वरण।
    1. 198 एमजे यूवी बयान (~ 6.2 मेगावाट पर 32 एस / 2 सेमी) को बेनकाब।
  13. विकास के बिनापिंग, मे आरटी शांत और अराजक मिक्सर Herringbone परत का निर्माण करने के लिए आगे बढ़ने के लिए अनुमति देते हैं। इस परत में अंतिम सुविधाओं 125 माइक्रोन की कुल ऊंचाई होगा: प्रवाह कम परत से 55 माइक्रोन, फ्लो वर्ग परत से 30 माइक्रोन, और इस अराजक मिक्सर Herringbone परत से 40 माइक्रोन (चित्रा 3 देखें) और 35 माइक्रोन herringbone खांचे में शामिल ।
  14. दोहराएँ का उपयोग कर SU-8 2025 और निम्नलिखित संशोधनों के साथ Herringbone परत मुखौटा, यह सुनिश्चित करना है कि herringbone खांचे पूरी तरह से भीतर प्रवाह उच्च चैनल की रूपरेखा हैं 3.10 करने के लिए 3.3 कदम।
    1. मुलायम सेंकना कार्यक्रम के बाद का उपयोग करें: 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट, 95 डिग्री सेल्सियस: 7 मिनट, 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट।
    2. 148 एमजे यूवी बयान (~ 6.2 मेगावाट से कम 24 एस / 2 सेमी) को बेनकाब।
  15. बाद सभी परतों पूरा हो चुका है, 3.5 मिनट के लिए या जब तक सुविधाओं स्पष्ट रूप से उभरने एक 6 "कांच डिश में SU-8 डेवलपर की 25 मिलीलीटर की एक उभारा स्नान में वेफर डुबो कर विकसित करना। Featur कि चेकतों स्पष्ट परिभाषित फीचर एक त्रिविमदर्शी का उपयोग कर सीमाओं की है।
  16. हार्ड वेफर सेंकना एक गर्म थाली पर सभी photoresist सुविधाओं को स्थिर करने के लिए इस प्रकार है: 65 डिग्री सेल्सियस - 165 डिग्री सेल्सियस, 2 घंटा 30 मिनट, 120 डिग्री सेल्सियस / घंटे की गति ramping।
  17. एक profilometer (10.5 मिलीग्राम की लेखनी बल) का उपयोग करते हुए सभी परतों में सुविधा ऊंचाई का आकलन करें।

4. नियंत्रण निर्माण मे

  1. स्वच्छ, निर्जलीकरण, और धारा 4 के रूप में एक नया 4 "सिलिकॉन वेफर पर एक 5 माइक्रोन आसंजन परत बनाना।
  2. एक 25 माइक्रोन नियंत्रण परत SU-8 2025 नकारात्मक photoresist का उपयोग कर बनाना।
  3. एक स्पिन coater पर वेफर प्लेस, स्पिन चक करने के लिए इसे प्रत्यय करने के लिए वैक्यूम पर बारी है, और एन 2 या संपीड़ित हवा के साथ धूल उड़ा ले।
  4. वेफर और स्पिन के केंद्र में SU-8 2025 नकारात्मक photoresist की 1-2 मिलीलीटर लागू इस प्रकार है: प्रसार: 500 आरपीएम, 10 सेकंड, 133 rpm / एस त्वरण; डाली: 3500 rpm, 40 सेकंड, 266 rpm / सेकंड त्वरण।
  5. के बीच स्विच द्वारा वेफर और मुलायम सेंकना हटायेदो हॉट प्लेट 65 डिग्री सेल्सियस पर सेट और 95 डिग्री सेल्सियस इस प्रकार है: 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट, 95 डिग्री सेल्सियस: 5 मिनट, 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट।
  6. वेफर आरटी को शांत करने की अनुमति दें।
  7. एक 5 "कांच की प्लेट को नियंत्रण पारदर्शिता मुखौटा संरेखित और यूवी मुखौटा aligner में लोड।
  8. यूवी मुखौटा aligner के चक में वेफर रखें और 155 एमजे यूवी बयान (~ 6.2 मेगावाट / 2 सेमी दीपक तीव्रता में 25 सेकंड) को बेनकाब।
  9. 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट, 95 डिग्री सेल्सियस: 6 मिनट, 65 डिग्री सेल्सियस: 2 मिनट दो हॉट प्लेट 65 डिग्री सेल्सियस पर सेट और 95 डिग्री सेल्सियस के रूप में इस प्रकार के बीच स्विच द्वारा वेफर और बाद जोखिम सेंकना निकालें।
  10. 1 मिनट के लिए 6 "कांच डिश में SU-8 डेवलपर की 25 मिलीलीटर की एक उभारा स्नान में वेफर डुबो कर या जब तक सुविधाओं में उभरने का विकास करना। एक त्रिविमदर्शी का उपयोग कर सुविधाओं की जाँच करें।
  11. हार्ड वेफर सेंकना photoresist सुविधाओं को स्थिर करने के लिए इस प्रकार है: 65 डिग्री सेल्सियस - 165 डिग्री सेल्सियस, 2 घंटा 30 मिनट, 120 डिग्री सेल्सियस / घंटा की गति ramping।

आसान PDMS लिफ्ट-ओ के लिए 5. Silane वेफर उपचारएफएफ

  1. वेफर रैक में पूरा वेफर्स एक धूआं हुड पानी या पानी में घुलनशील अभिकर्मकों के मुक्त अंदर एक घंटी के जार निर्वात desiccator के भीतर जगह।
  2. हुड के तहत, एक dropper का उपयोग एक गिलास स्लाइड और desiccator अंदर जगह पर trichloro की 1 बूंद (1 एच 1 एच, 2 एच, 2 एच -perfluorooctyl) silane (PFOTS) लागू करने के लिए।
  3. desiccator ढक्कन बंद और 1 मिनट के लिए वैक्यूम लागू होते हैं।
  4. 1 मिनट के बाद, फिर से दबाव या घंटी जार निकालने के बिना वैक्यूम बंद कर देते हैं।
  5. मिश्रण 10 मिनट जबकि aerosolized PFOTS कोट वेफर की सतह के लिए बैठते हैं।
  6. बेल जार ढक्कन खोलें और चिमटी का उपयोग कर वेफर को हटा दें। PDMS प्रतिकृति ढलाई के लिए एक पेट्री डिश में रखें। उचित खतरनाक कचरे में silane लेपित स्लाइड्स के निपटान के।
    नोट: वेफर्स fluorinated silanes के साथ लेपित फिर से इलाज के बिना हजारों बार करने के लिए सैकड़ों इस्तेमाल किया जा सकता है। 01:10 PDMS की एक बलि परत, वेफर्स पर डाली जा सकता है ठीक हो, और त्याग ई दूर करने के लिए पहले silane उपचार के बादवेफर सतह से Xcess silane समूहों।

6. PDMS प्रतिकृति ढलाई

  1. मौजूदा खुले उपयोग प्रोटोकॉल 16 के अनुसार कांच पर एक "धक्का" ज्यामिति में बहुपरत microfluidic उपकरणों बनाना।
    ध्यान दें: एक विस्तृत प्रोटोकॉल इसके अतिरिक्त वेबसाइट 27 पर पाया जा सकता है।
  2. दृश्य निरीक्षण करके, सुनिश्चित सभी वाल्व लाइनों और (दोनों प्रवाह और नियंत्रण परतों पर) सभी inlets को नियंत्रित करने के लिए ठीक से गठबंधन कर रहे हैं आगे बढ़ने से पहले पूरी तरह से मुक्का मारा जाता है।

7. बूंदों से हाइड्रोजेल मोती का उत्पादन

  1. ट्यूबिंग कनेक्ट (जैसे, Tygon) एक प्रवाह नियंत्रण प्रणाली के लिए पानी के साथ भरी हुई है (जैसे, सिरिंज पंप, fluidic नियंत्रकों, या जलाशयों 28 के साथ एक खुला स्रोत solenoid वाल्व सरणी)।
  2. ट्यूबिंग के लिए धातु पिन कनेक्ट और नियंत्रण रेखा पर inlets डिवाइस बंदरगाहों से कनेक्ट। प्रवाह शेष भाग की स्थापना करके डिवाइस नियंत्रण रेखा पर दबावप्रत्येक पंक्ति के लिए 25 साई के लिए पसंद की ROL प्रणाली। सुनिश्चित करें कि वाल्व बंद और फिर से खोलने माइक्रोस्कोप के तहत निरीक्षण के द्वारा।
    नोट: चुनाव के प्रवाह को नियंत्रित प्रणाली के लिए निर्माता के निर्देशों का पालन करें। इस काम में, एक कस्टम सॉफ्टवेयर नियंत्रित वायवीय प्रणाली solenoid वाल्व कि 25 साई संपीड़ित हवा (दबाव) और (depressurized) वायुमंडलीय दबाव के बीच टॉगल का उपयोग कर प्रत्येक लाइन के लिए दबाव लागू होता है। इस सिस्टम पर विवरण चर्चा में पाया जा सकता है।
  3. अभिकर्मक और तेल लोड करने के लिए कस्टम microfluidic दबाव वाहिकाओं तैयार करें।
    1. एक धक्का-पिन का उपयोग करना, एक क्रायोजेनिक शीशी ट्यूब के शीर्ष में दो छेद पंच एक छेद में डालने केशिका तिरछी ट्यूबिंग, और एक धातु दूसरे छेद में ट्यूबिंग से जुड़े पिन डालें।
    2. epoxy के साथ जगह में ट्यूबिंग सील। 1 घंटे के लिए सूखी।
  4. इंतजार करते हुए, एक microcentrifuge ट्यूब में, डि पानी के 100 μl में एलएपी photoinitiator की 3.9 मिलीग्राम निलंबित photoinitiator तैयार करने के लिए ([एलएपी] 39 मिलीग्राम / मिलीलीटर =)समाधान बूंदों polymerizing मोती हाइड्रोजेल करने के लिए इस्तेमाल किया। लाइट से बचाएँ।
  5. एक दूसरे microcentrifuge ट्यूब में, हाइड्रोजेल छोटी बूंद समाधान बनाने के लिए 132 μl डि पानी, 172 μL खूंटी diacrylate, 12 μl एलएपी समाधान है, और 85 μL HEPES बफर जोड़ें।
  6. पूरा क्रायोजेनिक ट्यूब पोत को हाइड्रोजेल छोटी बूंद समाधान स्थानांतरण।
    नोट: इस तरह के nanocrystals, चुंबकीय कणों या जैविक अणुओं के रूप में अन्य अनुप्रयोगों के लिए Additives HEPES घटक में शामिल किया जा सकता है।
  7. एक चलाया दबाव स्रोत के लिए क्रायोजेनिक ट्यूब पोत के ट्यूबिंग कनेक्ट और डिवाइस अभिकर्मक प्रवेश करने के लिए तिरछी ट्यूबिंग कनेक्ट।
  8. 2% वी / वी nonionic surfactant के साथ प्रकाश खनिज तेल के 10 एमएल तैयार (जैसे, स्पैन 80) तेल छोटी बूंद पायस के लिए और 0.05% EM90। फ़िल्टर 0.22 सुक्ष्ममापी सिरिंज फिल्टर और लोड 1 मिलीलीटर एक दूसरे क्रायोजेनिक ट्यूब बर्तन में इस्तेमाल करते हैं।
  9. बूंदों के संग्रह के लिए डिवाइस आउटलेट पर तिरछी ट्यूबिंग डालें।
  10. हवा bubbl हटायेतेल, पानी, या खूंटी मिश्रण inlets (4 साई परिचालन दबाव) दबाव से डिवाइस से तों। सभी वाल्व चालू करें। क्रमिक रूप से बंद 1 मिनट के बाद या जब तक हवा के बुलबुले PDMS डिवाइस के माध्यम से रिस चुका है एक तरल पदार्थ मार्ग में प्रत्येक वाल्व बारी है। उदाहरण के लिए, डी-बुलबुले के लिए herringbone मिक्सर, वाल्व पर बारी इनलेट 1, मिक्स 1 बाहर है, और मिक्स अपशिष्ट। फिर, depressurize इनलेट 1 1 बाहर मिक्स, और मिक्स अपशिष्ट जब तक सभी बुलबुले चले गए हैं।
  11. डिवाइस debubbling के बाद repressurized जाता है, depressurize RO1 तेल वाल्व और 10 साई करने के लिए सेट तेल के दबाव।
  12. 9 साई खूंटी मिश्रण दबाव सेट नदी के ऊपर वाल्व depressure (इनलेट 1, गिरता 1) और वांछित आकार की बूंदों का उत्पादन करने के लिए आवश्यक के रूप में समायोजित करें। बूंद आकार 50 एफपीएस या उच्चतर के साथ एक कैमरे का उपयोग माइक्रोस्कोपी के माध्यम से निर्धारित किया जा सकता है।
  13. जब बूंदों स्थिर है, एक यूवी प्रकाश स्रोत से एक 5 मिमी मौके की स्थिति (जैसे, तरल प्रकाश गाइड (LLG) या एक केंद्रित यूवी एलईडी के साथ एक स्पॉट यूवी इलाज प्रणाली) डी के polymerization क्षेत्र परevice और यूवी स्रोत से 100 मेगावाट / 2 सेमी यूवी (365 एनएम) लागू होते हैं।
  14. दबाव मनका चलनी वाल्व देखना polymerized मोती को इकट्ठा करने और यह सुनिश्चित करें कि बूंदों मोतियों में कठोर है। पूर्ण polymerization प्राप्त करने के लिए आवश्यक के रूप में LLG समायोजित करें।
  15. मनका चलनी वाल्व depressurize और आउटलेट तिरछी ट्यूबिंग के माध्यम से ट्यूब में मोती को इकट्ठा।

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Representative Results

यहाँ, हम बूंदों से पाली एथिलीन ग्लाइकोल (खूंटी) हाइड्रोजेल मोती पैदा करने में सक्षम उपकरणों बनाकर valved, चर ऊंचाई बहुपरत microfluidic molds के निर्माण का प्रदर्शन (चित्रा 2)। पूरा निर्माण की प्रक्रिया का अवलोकन चित्रा 3. पिछले काम से डिजाइन तत्वों का प्रयोग में शामिल है, मनका सिंथेसाइज़र सहित (1) गोल लामिना का प्रवाह मॉडुलन (55 माइक्रोन) (2) के प्रवाह के लिए AZ50 एक्सटी वाल्व उसके प्रवाह परत में 4 ऊंचाइयों को रोजगार उच्च प्रतिरोध (55 माइक्रोन) में अभिकर्मकों शुरू करने के लिए कम चैनल (3) के आउटलेट और मिक्सर (85 माइक्रोन) के लिए कम प्रतिरोध पर प्रवाह निर्देशन के लिए उच्च चैनलों का प्रवाह है, और (4) खूंटी मिश्रण के लिए एक herringbone advection मिक्सर (125 माइक्रोन) और एक समरूप समाधान में crosslinker (आंकड़े -4 ए और 4 बी)। इस निर्माण में इस्तेमाल किया डिजाइन मानकों और सुझाव डिजाइन की कमी की एक तालिकाडिजाइन तालिका 1. डिजाइन फ़ाइलों और मुखौटा हस्तांतरण फ़ाइलों में शामिल है सामग्री तालिका में शामिल किए गए हैं।

इस प्रोटोकॉल के प्रवाह वाल्व गोलाई और प्रत्येक चरण (तालिका 2) के बीच विकास के बिना मिलकर photolithographic कदम के माध्यम से एक ही प्रवाह वेफर पर कई ऊंचाइयों के निर्माण को दर्शाता है। एक ठेठ बाद reflow वाल्व एक profilometer और हमारे वाल्व के बाद reflow की त्रिविमदर्शी छवियों से प्रोफ़ाइल गोलाई आंकड़े 5 ए और 5 ब में दिखाया जाता है। हमारे बहु ऊंचाई photolithography से परिणामी मापा निर्माण ऊंचाइयों तालिका 3. हाइट्स एक भी प्रवाह वेफर में सभी उपकरणों भर में प्रत्येक परत प्रति 10 स्थानों पर मापा गया में सूचीबद्ध हैं, दोनों युक्ति करने वाली डिवाइस और वेफर भर में भिन्नता का आकलन। सभी सुविधाओं वेफर भर में 2% सीवी मनाया <। निर्माता photoresist डाटा शीट ठेठ ऊंचाई का सुझाव± 5% के रूपांतरों जब बहु परत सुविधाओं का निर्माण, तो यह सहिष्णुता खाते में यदि इस प्रोटोकॉल एक अलग डिजाइन के लिए निकाला जाता है लिया जाना चाहिए।

किसी भी निर्माण की प्रक्रिया के साथ के रूप में, त्रुटियों हर कदम पर परिणाम कर सकते हैं, तो इस तरह के स्पिन गति या जोखिम के रूप में निर्माण मानकों को वांछित पैटर्न ऊंचाई और ज्यामिति के लिए अनुकूलित नहीं कर रहे हैं। कई संसाधनों उचित जोखिम और विकास बार समस्या निवारण, एक वेबसाइट हमारी सुविधा 27 रखता सहित के लिए उपलब्ध हैं। सुझाव नरम और हार्ड सेंकना बार, तापमान, और रैंप दरों से विचलन दरारें, बुलबुले या अधूरी सुविधाओं उत्पन्न हो सकता है। इसके अतिरिक्त, AZ50 एक्सटी सकारात्मक photoresist जोखिम से पहले का पुनर्जलीकरण महत्वपूर्ण है। उचित पुनर्जलीकरण बिना वेफर्स फटा या वाल्व क्षेत्रों के भीतर बुलबुले शामिल प्रकट हो सकता है। यदि ऐसा होता है, Wafe घर के लिए एक 'गीला' बॉक्स (विआयनीकृत पानी युक्त एक डिश के साथ एक बंद बॉक्स) का उपयोगरात भर पुनर्जलीकरण के लिए रुपये में मदद कर सकता है। छोटे पुनर्जलीकरण बार (~ 5-6 घंटा) इसी तरह के परिणाम के साथ 50 माइक्रोन के तहत AZ50 एक्सटी सुविधाओं के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, लेकिन लम्बे सुविधाओं रात भर पुनर्जलीकरण की आवश्यकता जोखिम और विकास के दौरान सुविधा हानि की संभावना को कम करने के लिए। नई सकारात्मक विकल्प (जैसे, AZ40XT) रातोंरात पुनर्जलीकरण की आवश्यकता को समाप्त कर सकते हैं विरोध; हालांकि, हम इन योगों परीक्षण नहीं किया है।

एक सबूत की अवधारणा के रूप में, खूंटी diacrylate हाइड्रोजेल बूंदों मनका सिंथेसाइज़र डिवाइस (चित्रा 6A) से तैयार किए गए। जब दबाव और वाल्व depressurizing आंकड़े 5C और 5 डी डिवाइस पर वाल्व आपरेशन और बंद होने के प्रतिनिधि छवियों को दिखाने के। वाल्व दबाव के लिए सामान्य त्रुटि मोड में शामिल हैं: अपर्याप्त दबाव के उपयोग (वाल्व पूरी तरह से बंद नहीं है, जो बहने भोजन डाई द्वारा जाँच की जा सकती है), इनलेट ट्यूबिंग प्रविष्टि (प्रवाह करता है, तो हिचकते हो जाएगाट्यूबिंग या धातु पिन (चैनलों occluded जा सकता है या डिवाइस delaminate सकता है) निर्माण की प्रक्रिया के दौरान नीचे बहुत दूर धकेल रहे हैं और डिवाइस delamination परिणाम हो सकता है), और धूल या फाइबर का समावेश। इन त्रुटि मोड के निवारण के लिए, उपयोगकर्ताओं को निर्माण के दौरान साफ ​​कमरे की स्थिति बनाए रखना चाहिए और व्यवस्थित ढंग से एक डिवाइस को चलाने के लिए आगे बढ़ने से पहले प्रत्येक वाल्व का परीक्षण करें। डिवाइस delamination प्रयोगों में एक आम समस्या के रूप में प्रस्तुत करता है, तो यह कम दबाव (<15 साई) या कम करने silanization समय पर या तो चल उपकरणों के द्वारा remedied किया जा सकता है।

चित्रा 6A ऑपरेशन में मनका सिंथेसाइज़र डिवाइस टी जंक्शन छोटी बूंद जनरेटर में एक तेल पायस में हाइड्रोजेल बूंदों के उत्पादन से पता चलता है और चित्रा 6B पर चिप चलनी वाल्व से फंस मोतियों से पता चलता है। अगर polymerization सफल नहीं है, मोती एक चलनी के वाल्व के माध्यम से समाप्त हो जाएगी। यदि ऐसा होता है, यूवी स्रोत तीव्रता और डिवाइस से ऊंचाई आधुनिक जा सकती है polymerization में सुधार करने के लिए वर्गीकृत। हाइड्रोजेल मोती 10 साई (तेल) और 9 साई (अभिकर्मक मिश्रण) का प्रवाह दरों पर तैयार किए गए एक polymerization क्षेत्र से अधिक का उपयोग कर ~ 100 मेगावाट / 2 सेमी बिजली व्यास में 5 मिमी (आंकड़े 6C और 6D)। परिणामी मोती मापा 52.6 ± 1.6 माइक्रोन (एसटीडी ± मतलब है)। आकार 2992 एक Hough ± 3 एसटीडी की एक लगाया आकार फिल्टर के साथ उज्ज्वल क्षेत्र छवियों (आंकड़े 6C और 6D) में (MATLAB) रूपांतरण (28 outliers, मोतियों की 0.94%) का उपयोग मोती के लिए विश्लेषण किया गया। छोटी बूंद उत्पादन के लिए हमारे पूरे हार्डवेयर सेटअप चित्रा 7 में दिखाया गया है।

तालिका 2: बहु कदम Photolithography पैरामीटर। photolithography के सभी की एक तालिका प्रारूप स्पिन गति, मुलायम सेंकना बार, जोखिम ऊर्जा और कड़ी सेंकना बार सहित लागू मानकों के साथ कदम। 2.xlsx "लक्ष्य =" _blank "> इस तालिका देखने के लिए यहाँ क्लिक करें। (डाउनलोड करने के लिए राइट क्लिक करें।)

2 ">
प्रवाह लेयर फ़ीचर फ़ीचर ऊंचाई
गोल वाल्व (प्रवाह दौर) 54.43 मीटर (1.05 माइक्रोन एसटीडी।, 1.9% सीवी)
प्रवाह चैनल (प्रवाह कम) 84.22 मीटर (0.91 माइक्रोन एसटीडी।, 1.1% सीवी)
प्रवाह चैनल (प्रवाह उच्च) 54.10 मीटर (1.24 माइक्रोन एसटीडी।, 2.3% सीवी)
Herringbone Grooves (मिक्सर) 124.19 मीटर (1.89 माइक्रोन एसटीडी।, 1.5% सीवी)

तालिका 3: profilometer हाइट्स पोस्ट-निर्माण। कुल सुविधा ऊंचाई परतों बहु कदम photolithography के माध्यम से गढ़े से प्रत्येक के लिए पोस्ट-निर्माण।

चित्र 2
चित्रा 2: निर्माण की प्रक्रिया का अवलोकन। एक योजनाबद्ध डिजाइन से डिवाइस का परीक्षण करने के लिए बहुपरत उपकरण निर्माण में शामिल कदम का संकेत है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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चित्रा 3: बहु कदम photolithography के योजनाबद्ध। वाल्व गोलाई और एक multilayer microfluidic युक्ति के सृजन के लिए फोटोलिथोग्राफी में चर ऊंचाई सुविधा निर्माण का अवलोकन। यहां मनका सिंथेसाइज़र डिवाइस के निर्माण के लिए कदम शामिल हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4: मनका सिंथेसाइज़र डिवाइस डिजाइन और छवियों। अलग अलग रंग से संकेत दिया परतों के साथ मनका सिंथेसाइज़र डिवाइस के (ए) सीएडी डिजाइन। (बी) PDMS बहुपरत मनका सिंथेसाइज़र डिवाइस की छवि। नियंत्रण रेखा नारंगी में दिखाई देते हैं, प्रवाह चैनलों नीले और हरे रंग में दिखाई देते हैं।जेपीजी "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
चित्रा 5: वाल्व प्रोफाइल और छवियों। (ए) प्रतिनिधि वाल्व ऊंचाई प्रोफ़ाइल के रूप में एक profilometer द्वारा मूल्यांकन। (बी) के वाल्व के प्रतिनिधि छवियाँ और सिलिकॉन मोल्डिंग मास्टर प्रवाह वेफर में आसपास के चैनलों। (सी, डी) बहुपरत PDMS डिवाइस पर अंतिम वाल्व आपरेशन की छवियाँ। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 6
चित्रा 6: खूंटी-diacrylate हाइड्रोजेल बूंदों का उत्पादन। (ए) हाइड्रोजेल छोटी बूंद ठेस की छविटी जंक्शन छोटी बूंद जनरेटर पर uction। (बी) के मोतियों के बाद polymerization चलनी वाल्व में फंस जब वाल्व दबाव है की छवि। हाइड्रोजेल मनका सिंथेसाइज़र (4X) में उत्पादित मोतियों की (सी) brightfield छवि। (डी) हाइड्रोजेल मोती के आकार के वितरण। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 7
चित्रा 7: डिवाइस ऑपरेशन सेटअप। सभी हार्डवेयर डिवाइस संचालन के लिए आवश्यक का एनोटेशन के साथ छवि। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

इस काम के वाल्व और चर ऊंचाई ज्यामिति के साथ एक multilayer microfluidic युक्ति है कि हमारे ऑनलाइन उपकरण 26 और निर्माता के निर्देशों के आधार पर 25 निर्माण मानकों को सरल करने के लिए संशोधनों के साथ किसी भी आवेदन के लिए देखते जा सकता है के लिए एक पूर्ण बहु कदम photolithography प्रोटोकॉल को दर्शाता है। इस प्रोटोकॉल सरल, निष्क्रिय एक परत नए नए साँचे से परे microfluidic उपकरणों का निर्माण करने के लिए बधाई देने के शोधकर्ताओं के लिए बहुपरत photolithography रहस्यमय नहीं रखना करने का इरादा है।

बहुपरत microfluidic उपकरणों एकल कोशिका विश्लेषण से उच्च throughput जैव रासायनिक assays 1 से लेकर अनुप्रयोगों 'चिप पर प्रयोगशाला' के लिए एक एकल मुलायम बहुलक डिवाइस के भीतर उन्नत कार्यक्षमता का पीछा करने के लिए सक्षम। मनका सिंथेसाइज़र डिवाइस यहाँ का निर्माण एक ही प्रवाह परत और दोनों पूरी तरह से sealable और चलनी वाल्व geometries के साथ कई ऊंचाइयों को दर्शाता है हाइड्रोजेल बूंदों कि सी का उत्पादन करने के लिएएक बहुलक मोती polymerized किया। वाल्व की उपस्थिति आसानी से किसी भी पटकथा भाषा के साथ लागू किया जा सकता है कि चिप समारोह की स्वचालित, प्रोग्राम नियंत्रण के लिए अनुमति देता है (यानी, MATLAB, LABVIEW, या अजगर) है कि एक प्रयोगशाला के प्रवाह नियंत्रण मॉड्यूल (यानी, सिरिंज पंप और / या दबाव नियामकों के साथ इंटरफेस )। इस प्रदर्शन, कस्टम MATLAB सॉफ्टवेयर (संदर्भ 28 में प्रदान की कोड) में साथ Modbus नियंत्रित एक कस्टम वायवीय सेटअप 28 और एक एमएफसी प्रवाह नियंत्रण प्रणाली डिवाइस पर दबाव डालने के लिए तरल पदार्थ है, लेकिन कई अन्य विकल्पों के प्रवाह पर नियंत्रण के लिए में solenoid वाल्व सरणियों व्यावसायिक संचार हैं उपलब्ध। डिजाइन और अतिरिक्त सुझाव पहली बार microfluidic इंजीनियरों के लिए सफलता को अधिकतम मदद करने के लिए शामिल किए गए हैं।

यहाँ दिखाए निर्माण कदम आम तौर पर microfluidic उपकरणों के लिए photolithographic patterning की एक विस्तृत सरणी के लिए अनुकूल साबित करना चाहिए। कदम (प्रवाह उच्च) में से एक, 30 मेंमाइक्रोन सुविधाओं 85 माइक्रोन की एक समग्र ऊंचाई बनाने के लिए कम photoresist परत (प्रवाह कम 55 माइक्रोन) को जोड़ा गया है। यह कदम अधिक चिपचिपा photoresists (जो अधिक के साथ काम करने के लिए मुश्किल हो जाता है) के लिए आवश्यकता के बिना मोटी सुविधाओं बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। एक और कदम (Herringbone) में, सुविधाओं एक पहले से crosslinked चैनल के शीर्ष पर निर्मित किया गया है, एक microchannel के तल पर नमूनों खांचे बनाते समय प्रतिकृति PDMS में ढाला। यह कदम, अच्छी तरह से भीतर अच्छी तरह से आर्किटेक्चर सहित जटिल geometries बनाने के लिए अगर वांछित उपयोगकर्ताओं द्वारा रूपांतरित किया जा सकता है।

इस निर्माण की प्रक्रिया की सफलता मनका सिंथेसाइज़र डिवाइस का उपयोग कर खूंटी diacrylate बूंदों से बहुलक मोती उत्पादन करने के द्वारा प्रदर्शन किया है। विभिन्न प्रवाह के दबाव तलाश छोटी बूंद शासन विभिन्न आकार के मोती उत्पादन करने के लिए मिलाना कर सकते हैं। इसके अलावा, योजक बहुलक मिश्रण के भीतर आसानी से जा सकते हैं। ये हाइड्रोजेल मोती सहित विभिन्न उद्देश्यों के लिए इस्तेमाल किया जा सकता हैसतह functionalization के माध्यम से फ्लोरोसेंट या luminescent फोस्फोरस, दवा वितरण, या सेलुलर assays के समावेश के माध्यम से वर्णक्रम एन्कोडिंग।

इस प्रोटोकॉल यहाँ प्रस्तुत मनका सिंथेसाइज़र तुलना में एक अलग microfluidic युक्ति का निर्माण करने के लिए अपनाया जाता है, यह ध्यान दिया जाना चाहिए कुछ कदम पहले निर्माण प्रयास पर सफलता का एक उच्च मौका हासिल करने के लिए महत्वपूर्ण हैं। हम और दूसरों को देखा है कि मुलायम सेंकना तापमान, अवधि, अनुकूलन और दर रैंप परत के गठन के माध्यम से फिल्म का विरोध में अवशिष्ट विलायक की अवधारण 29 (जो प्रदर्शन के दौरान फंस नाइट्रोजन गैस की बुदबुदाती करने के लिए नेतृत्व कर सकते हैं) को रोकने के लिए महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, एक रात में पुनर्जलीकरण कदम जोखिम मोटी AZ50 एक्सटी परतों के लिए आवश्यक समय की reproducibility में सुधार और वेफर भर में विकास की दर में स्थानिक परिवर्तनशीलता कम कर देता है। अंत में, एक लंबे समय तक (14-15 घंटा) एक धीमी रैंप के साथ जोखिम सेंकना पोस्ट आयताकार photoresist सुविधाओं दौर VA के लिए फार्मपरीक्षण किया photoresist मोटाई की एक विस्तृत विविधता के लिए वाल्व geometries deforming बिना lves।

यहाँ नकारात्मक photoresist से परतों fabricating के लिए प्रस्तुत प्रक्रियाओं के कई निर्माता निर्देश से छोटे मतभेदों शामिल हैं। हम एक तीन कदम नरम सेंकना प्रक्रिया है कि गर्म प्लेटें 65 डिग्री सेल्सियस, 95 डिग्री सेल्सियस पर सेट के बीच वेफर्स चालें सुझाव देते हैं, और 65 डिग्री सेल्सियस। हमने पाया है कि वेफर्स के क्रमिक वार्मिंग गैस बुलबुले मुलायम पाक के दौरान एक "परत" के गठन के माध्यम से photoresist के अंदर फंस का टूटना से उत्पन्न प्रदर्शन के दौरान दोष की उपस्थिति कम कर देता है। इसके विपरीत, मुलायम पाक के बाद वेफर्स के क्रमिक ठंडा photoresist खुर कम कर सकते हैं। अंत में, हमने पाया है कि बढ़ती photoresist छूट बार करने के लिए ~ 20 मिनट वेफर भर में ऊंचाई विरोध में छोटे बदलाव को कम कर देता है।

इस निर्माण प्रोटोकॉल के लचीलेपन के कारण, हम उम्मीद करते हैं कि यह disciplin भर में विभिन्न उपकरणों के लिए व्यापक उपयोगिता होगातों। ऐसी 3 डी प्रिंटिंग, कांच नक़्क़ाशी और उभार के रूप में विकल्प भी microfluidic निर्माण को प्राप्त कर सकते हैं, lithographic patterning ऐसे valving के रूप में, और अधिक जटिल कार्यक्षमता को प्राप्त कर सकते हैं, कि अन्य तरीकों अभी तक बड़े पैमाने पर हासिल नहीं किया है। इस प्रोटोकॉल के प्रमुख सीमा डिजाइन करने वाली परीक्षा का समय है, जो ~ 3 दिन (मुख्य रूप से गोल वाल्व निर्माण करने के लिए आवश्यक कदम की वजह से) लेता है।

हमें उम्मीद है कि microfluidics में प्रोटोकॉल के खुले प्रसार, विशेष रूप से जटिल photolithography कदम से संबंधित है, इस सबूत की अवधारणा प्रदर्शन के क्षेत्र में और कहा कि निरंतर नवाचार को प्रोत्साहित उपयोगकर्ताओं निर्माण समस्याओं का निवारण करने में मदद करने में सहायता करेगा।

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Materials

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 photoinitator  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.

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References

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Valved बहुपरत microfluidic उपकरणों के लिए बहु-कदम चर ऊंचाई Photolithography
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Brower, K., White, A. K., Fordyce,… More

Brower, K., White, A. K., Fordyce, P. M. Multi-step Variable Height Photolithography for Valved Multilayer Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (119), e55276, doi:10.3791/55276 (2017).

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