Summary
여러 가지 방법입니다 미세 장치에 포함 된 비 직사각형 섹션의 채널의 제조에 사용할 수 있습니다. 그들의 대부분을 다단계 제조 하 고 광범위 한 맞춤 포함. 이 문서에서 한 단계 접근입니다 순차적 습식된 에칭에 의해 다른 기하학적 횡단면의 미세 채널 제조에 대 한 보고 됩니다.
Abstract
입니다 (PDMS) 자료는 실질적으로 소프트 리소 그래피 복제 성형 기술을 사용 하 여 미세 장치 조작에 악용 됩니다. 사용자 지정된 채널 레이아웃 디자인은 특정 기능과 수많은 생물 및 화학 응용 프로그램 (예를 들어, 세포 배양, 바이오 센 싱, 화학 종합, 및 액체 처리)에서 미세 장치 통합된 성능 필요 합니다. 감광 레이어 마스터 금형으로 사진 평판에 의해 꽃무늬 실리콘 웨이퍼를 사용 하 여 접근을 성형의 자연 때문 미세 채널 일반적으로 사각형 모양 동일한 높이 일반 크로스 단면도 있다. 일반적으로 채널 여러 높이 또는 다른 기하학적 섹션을 특정 기능을 보유 하 고 다양 한 미세 응용 프로그램에서 수행할 수 설계 되었습니다 (예를 들어, hydrophoresis은 입자를 정렬 및 사용에 대 한 지속적인 흐름에 분리 혈6,7,,89). 따라서, 많은 노력 사진 평판 여러 감광 레이어 및 다른 PDMS 사용 하 여 얇은 시트 처럼 채널 다중 단계 접근법을 통해 다양 한 섹션을 생성 했다. 그럼에도 불구 하 고, 이러한 여러 단계 접근 일반적으로 지루한 절차 및 광범위 한 계측을 포함 한다. 또한, 조작된 장치를 지속적으로 수행 하지 않을 수 있습니다 및 결과 실험 데이터를 예측할 수 있습니다. 여기, 한 단계 접근 계획된 단일 레이어 레이아웃의 채널로 현상 소개 PDMS 순차적 습식된 에칭 프로세스를 통해 다른 기하학적 횡단면 미세 채널의 간단 제작 개발 PDMS 자료에 포함 된. 다른 형상의 PDMS 미세 채널 제조를 위한 기존의 방법에 비해, 개발된 단계 접근 채널 비 직사각형 섹션 또는 다양 한 높이 조작 하는 프로세스를 크게 단순화할 수 있습니다. 따라서, 기술 혁신적인 미세 시스템의 발전을 위한 제작 솔루션을 제공 하는 복잡 한 미세 채널 구축의 방법입니다.
Introduction
미세 기술 다양 한 생물 의학 및 화학 연구 및 응용 프로그램에 대 한 그들의 고유한 이점 때문에 지난 수 십년 동안 관심을 모으고 있다. 미세 칩을 생성 하기 위한 여러 가지 소재 사용 옵션 요즘, 고분자, 세라믹, 및 실리콘 재료 등 사용할 수 있습니다. 우리의 지식, 미세 재료 중의 최고를 PDMS 다양 한 마이크로 연구와 입자, 그것의 광학 및 생물학 호환성을 포함 한 응용 프로그램에 대 한 적절 한 소재 속성 때문에 가장 일반적인 것은 체액, 그리고 매우 작은 생물1,2,3,,45. 또한, PDMS 재료의 표면 화학 및 구조 기계적 특성 같은 고분자 기반 미세 장치10, 를 적용 하 여 microelectromechanical 및 mechanobiological 연구를 촉진 하기 위하여 조정 될 수 있다 11,12. 설계 된 채널 패턴 미세 소자의 제조에 관한 소프트 리소 그래피 복제 성형 방법 일반적으로의 구성 되는 그들의 해당 마스터 금형을 이용 하 여 미세 채널을 만드는 데 적용 됩니다. 포토 리소 그래피 패턴 감광 레이어 및 실리콘 웨이퍼 기판12 성형 포토 레지스트 패턴화 층으로 실리콘 웨이퍼를 사용 하 여 접근의 특성으로 인하여 미세 채널 일반적으로 직사각형 모양 동일한 높이 일반 크로스 단면도 있다.
최근에, 연구는 상당한 진전이 거래, 예를 들어 생물 의학 연구, 정렬 입자 및 hydrophoresis를 사용 하 여, 혈액 플라스마 분리 및 채널 미세 칩을 적용 하 여 백혈구 세포를 풍부 하 게 셀 서로 다른 높이 또는 기하학적 섹션6,7,,89. 이러한 정렬 및 마이크로 생물 의학 응용 프로그램의 기능을 분리 채널 다른 기하학적 섹션을 사용자 지정 하 여 실현 됩니다. 여러 연구 다양 한 높이 또는 비 직사각형 횡단면의 특정 표면 패턴 마스터 금형을 날조 하 여 다른 기하학 특징의 횡단면으로 미세 채널 제조에 헌신 했습니다. 금형 제조에 이러한 연구 다단계 포토 리소 그래피, 포토 레지스트 리플로우, 그리고 그레이 스케일 리소 그래피13,,1415같은 기술을 포함합니다. 필연적으로, 기존 기술이 포함 가늘게 만들어진된 포토 또는 실질적으로 미세 채널의 해당 제조의 복잡성 수준을 향상 시킬 수 있는 여러 단계의 제조 공정에서 정확 하 게 정렬. 지금까지 미세 채널 다양 한 섹션에 대 한 단일 단계 제조 프로세스에 대 한 여러 번 시도 하지만 해당 기술 채널16의 특정 횡단면 모양에 매우 제한 됩니다.
지난 2 년간 PDMS 날조를 위한 성형 방법 이외에 다양 한 섹션, 기하학적 특징을 가진 PDMS 채널 패턴 기법 에칭 미세 채널 되고있다의 다양 한 선택의 제조 미세 응용 프로그램입니다. 예를 들어, PDMS 습식된 에칭은 다층 PDMS 마이크로 재구성된 기관 수준 폐 기능17의 공기 작동 식 개폐 셀 문화 장치를 건설 하기 위한 결합 함께 악용 됩니다. PDMS 습식 에칭 기술은 PDMS 캐스팅 3D PDMS 미세 바늘 어레이18날조를 위한 컴퓨터 제어 시스템에 의해 가공 하는 원통형 microwells에 함께 적용 됩니다. PDMS 드라이 에칭은 마이크로 전기 기계 액추에이터19,20의 부분으로 PDMS 마이크로 구조를 확인 하는 데 사용 됩니다. 다공성 PDMS 막 설계 공 레이아웃은 또한 드라이 에칭 프로세스21를 통해 조작 됩니다. 습식 및 건식 에칭 기술을 지정 된 기 하 도형22PDMS 영화 패턴에 통합 될 수 있습니다.
그러나, PDMS 위한 에칭 기술 채널 구조 모양 적용 되지 않은 일반적으로 미세 제조에 그들의 본질적인 제한 때문에 복잡 한 섹션. 첫째, 다양 한 섹션의 미세 채널을 만들기 위한 화학 물질의 층 류 흐름을 활용 하 여 PDMS 습식된 에칭의 기술을 설립 되어, 이후 채널 섹션 형성은 여전히 제한 기본 특성 때문에 등방성 화학 에칭의23를 처리합니다. 또한, PDMS 드라이 에칭 기법20를 사용 하 여 마이크로 제조에 채널 섹션 형상 제어 하기 위한 합리적인 공간을 것 같다, 비록 필요한 에칭 시간 일반적으로 너무 깁니다 조건 (시간) 수 미세 칩 제조를 위한 실용입니다. 또한, PDMS 자료와 해당 마스크 에칭 선택도 포토 레지스트 층은 일반적으로 낮은 수 있습니다 및 채널에 대 한 결과 에칭된 깊이 없습니다, 따라서, 허용20.
이 문서에서 우리는 PDMS 순차적 습식된 에칭 프로세스 (SWEP 라 함)에 의해 다른 형상 횡단면의 미세 채널을 조작 하는 1 단계 접근 방식을 개발 한다. SWEP 단일 레이어 채널 PDMS 미세 장치로 시작 합니다. 채널의 여러 레이아웃 디자인, 다양 한 종류의 다른 기하학적 섹션 미세 채널 제조는 순차적 에칭 프로세스를 통해 얻을 수 있습니다. 순차 에칭만 PDMS 자료에 포함 된 계획된 단일 레이어 레이아웃의 특정 채널에 도입 되는 현상을 필요 합니다. 기존의 PDMS 제조 프로세스에 비해는 SWEP 그냥 사각형이 아닌 섹션의 미세 채널 조작 하 한 추가 단계 또는 다양 한 높이 필요 합니다. 제안 된 SWEP 크게 앞서 언급 한 방법에 있는 프로세스를 단순화할 수 있는 흐름 방향에 따라 다양 한 섹션으로 미세 채널 날조의 간단 하 고 간단한 방법을 제공 합니다.
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Protocol
1. 단일 레이어 채널 레이아웃 미세 소자의 제작
참고:이 문서에 소프트 리소 그래피 방법3 채널 다양 한 섹션을 제조 하는 방법을 보여 주는, PDMS 재료의 만든 미세 장치 조작에 대 한 채택 된다.
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PDMS 레이어 설계 토폴로지 기능에 대 한 마스터 금형의 창조
- 시퀀스에서 단일 프로세스를 에칭 또는 에칭에 대 한 PDMS 레이어에 채널 레이아웃을 디자인 합니다.
- 컴퓨터 드로잉 프로그램을 사용 하 여 설계 된 PDMS 층의 거꾸로 토폴로지 기능을 스케치 합니다.
- 투명도24에 인쇄 된 채널 레이아웃의 고 정밀도 거꾸로 토폴로지 기능 패턴화 포토 마스크를 포토 리소 그래피 시설 스케치 파일을 제공 합니다.
- 사용 이소프로필 알콜 (2-프로 판 올 (IPA), ≥ 99.9%), 아세톤 (Propan-2-1, ≥ 99.5%), 그리고 버퍼링 된 산화물 에칭 (BOE, NH4F:HF (v/v) = 6:1) 오차 또는 어떤 먼지 든 지 제거 하 고 오염 방지 4 인치 실리콘 웨이퍼의 표면에.
- 이온된 수의 약 500 mL를 사용 하 여 최종 연마에 대 한 실리콘 웨이퍼를 세척 한 다음 씻어 서 웨이퍼 건조 질소 가스를 적용.
- 웨이퍼에 약 20 g의 부정적인 톤 감광 제를 놓습니다. 다음 스핀 코트 15 s 500 rpm 및 30에 대 한 2000 rpm 웨이퍼 두께에서 약 75 µ m의 포토 레지스트 층을 생산 하는 s.
참고: 다른 감광 제 두께 얻을 수 있습니다 다른 제품 번호와 함께 다른 스핀 코팅, 베이킹, 그리고 개발 조건, 부정적인 톤 감광 제를 사용 하 여 사용자 매뉴얼25,26에 따르면. - 그리고 9 분 동안 95 ° C에서 65 ° c 3 분 열판에서가 열 하 여 웨이퍼를 구워 부드러운.
- 넣고 웨이퍼 패턴된 투명성 함께 포토 마스크 aligner 기계 단계 1.1.3에서에서 마스크로.
- 동기 기 기계에 300 mJ/cm2 투명도 의해 포함 하는 웨이퍼를 노출에서 자외선 (UV)을 적용 합니다.
- UV 빛에 노출, 후 후 노출 빵 (PEB)으로 2 분 동안 65 ° C에서 그리고 7 분 동안 95 ° C에서 열판에 웨이퍼를 놓습니다.
- PEB, 다음 강하게 부정적인 톤 감광 개발자에 웨이퍼를 선동 또는 털된 웨이퍼는 초음파 목욕 (37 kHz, 180 W의 효과적인 힘) 7 분.
- 웨이퍼 표면에 남아 있는 어떤 개발자 든 지 제거 하는 이소프로필 알코올을 다시 전체 웨이퍼를 청소.
- 방지 하기 위해 결합, silanize 6cm는 desiccator에 페 트리 접시에 100 µ L의 97 %silane (1H1H, 2H, 2H-perfluorooctyl-trichlorosilane)와 웨이퍼를 넣어는 웨이퍼의 표면 바라지 않는.
- 진공 펌프는 desiccator 연결 하 고 760 mmHg에서 진공 압력을 설정 합니다.
- 그런 다음 설정 펌프 15 분 스위치 떨어져, 그리고 다음 30 분 동안 desiccator 진공에 두고 나머지 웨이퍼에 대 한.
주의: 증발된 silane는 매우 인간; 따라서, 전체 웨이퍼 표면 패 시 베이 션 증기 두건에서 실행 되어야 한다. - 표면 패 시 베이 션을 진행 했다 silanized 웨이퍼를 가져옵니다. 15 cm 추가 사용 하기 위해 페 트리 접시에에서 웨이퍼를 수정.
참고: 패턴화 웨이퍼 사용할 금형으로 설계 된 채널 레이아웃을 복제 하려면 반대로 PDMS 자료 준비가 되어 있습니다.
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금형에 거꾸로 토폴로지를 복제 하 여 PDMS 채널 레이아웃 제작
- 깨끗 하 고 일회용 플라스틱 컵으로 볼륨의 비율은 10: 1에서 해당 촉매 (경화제) 함께 기본 PDMS (모노 머)을 넣어.
- 전원 교 반기를 사용 하 여 (단계 1.2.1)에서 PDMS 중합체 혼합물을 균질 혼합.
- PDMS 혼합물에서 어떤 덫을 놓은 거품을 제거 하는 60 분 동안 진공 펌프에 연결 된 desiccator에 컵을 넣어.
- (2)에 대 한 20 g 또는 8 g (섹션 3) 디자인된 채널 레이아웃의 거꾸로 토폴로지 기능 마스터 몰드 (단계 1.1에서에서 만든) 위에 PDMS 중합체 혼합물의 붓 다와 t를 사용 하 여 PDMS 자료에 포함 된 모든 가능한 거품 제거 그는 desiccator (60 분)에 대 한.
- 오븐 4 h 실리콘 기반의 액체 중합체 물질 치료를 위한 60 ° C에서 PDMS 혼합물 운반 몰드를 넣어.
- 냉각 후 약 20 분 동안 실내 온도에 PDMS 함께 웨이퍼, 메스와 핀셋 형에서 치료 PDMS 분리 합니다.
- 지역 (약 6 x 6 cm2 섹션 3에 대 한 섹션 2 또는 2 x 7.5 c m2 ) 덮개를 분리 된 PDMS 레이어 메스를 사용 하 여 전체 채널 레이아웃에 맞게.
- 직경에서 1.5 m m의 생 검 펀치를 사용 하 여 채널 액세스 포트 (인 레트 및 출구)를 만듭니다.
참고: 숫자 및 인 레트 및 출구의 위치는 설계 특정 미세 채널 날조를 위한 에칭 프로세스에 따라. - 페 트리 접시에 30g의 PDMS 중합체 혼합물을 부 어 하 고은 desiccator (60 분)에 대 한 사용 하 여 PDMS 자료에 포함 된 모든 가능한 거품을 제거 합니다.
- 이상 4 h 액체 중합체 물질 치료를 위한 60 ° C에서 오븐에서 PDMS 혼합물 운반 페 트리 접시를 넣어.
- 냉각 후 약 20 분 동안 실내 온도에 PDMS와 샬레, 메스와 핀셋 접시에서 치료 PDMS 분리 합니다.
- 메스를 사용 하 여 차원 상기 PDMS 층 (약 6 x 6 cm2 섹션 3에 대 한 섹션 2 또는 2 x 7.5 c m2 )의 그 같은 기능 없이 분리 된 PDMS 레이어 재단사.
- 활성화 (1.2.7 및 1.2.12 단계에서 만든) 레이어 모두 PDMS의 표면 디자인된 채널 레이아웃 기능 없이 40 90 W에 표면 처리 기계에 산소 플라즈마 톱 PDMS 자료를 노출 하 여 s.
- 본드 2 PDMS 레이어 함으로써 산소 플라즈마 표면 활성화 후 바로 치료 그들의 표면 사이 접촉. 그런 다음, 오븐에서 30 분 이상 60 ° C 보 세 PDMS 레이어를 둡니다.
참고: 오븐에 보 세 PDMS 층을 두고 상부 시간 제한이 있다. - 2 보 세 후 PDMS 레이어 냉각, 나중에 실험 설정에 대 한 조작된 장치에서 초과 PDMS 재료를 손질 합니다.
2. 1 단계 접근 방식을 다른 섹션의 PDMS 미세 채널 제조
참고:는 PDMS 하 습식 에칭 속도, 직사각형 모양의 단일 레이어 및 스트레이트 채널 미세 장치는 제안 특정 실험 설정에 해당 하는 특정 에칭 속도 식별 하는 데 악용 될 수 있습니다.
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PDMS의 실험적인 특성 습식 에칭
- 1-메 틸-2-pyrrolidinone (NMP): v의 속도로 tetra-n-butylammonium 불 소 (TBAF, tetrahydrofuran (THF)에서 1 M 솔루션)를 혼합 하 여 현상 솔루션 준비 = 1시 10분.
참고: NMP는 효율적으로 녹이는 화학 오차는 etchants에 의해 유도 된 수 있습니다. 일반적으로 PDMS 자료는 NMP에 의해 간신히 부 고 PDMS 미세 소자 들은 여전히 그들의 모양, 볼륨, 보존 하 고 밀봉 조건에 수 있습니다. - 스테인리스 무딘 바늘 (16 G)에 연결 된 10 mL 주사기에 혼합된 TBAF/NMP etchants를 그립니다.
- 채널에 압력 기반 체액의 컨트롤러로 주사기 펌프를 설정 합니다.
- 상술 간단한 장치의 채널 포트에 현상 솔루션으로 채워진 주사기의 무딘 바늘을 연결 하 고 그림 1에서 보듯이 폐기물 컨테이너 튜빙 콘센트에서 각각 포트를 안내 합니다.
- 주사기 펌프는 PDMS 대상이 150 µ L/min 흐름 속도로 혼합된 TBAF/NMP 현상 솔루션을 포함 하는 주사기를 들고 습식 에칭을 실행 합니다.
- 밝은 분야 현미경 조회를 사용 하 고 흐름 방향 따라 에칭된 채널은 균일 한 폭, 결과적으로 그는 etchants의 비율을 혼합 하는 볼륨을 확인 하 고 현상 유량은 적절 한 있는지 확인 합니다.
- 채널의 시간 시리즈 이미지 캡처 프로세스를 에칭 PDMS 동안 4 배 확대와 거꾸로 현미경 횡단면.
- 습식 에칭 PDMS 자료의 과정 동안 채널 폭에 대 한 숫자의 시간 순서를 수집을 영상 처리 프로그램의 2D 분석의 기본 측정 기능을 적용 하 여 저장 된 이미지를 분석 합니다.
- 그림 2는 채널 폭 변경의 50%를 나누는 방정식을 통해 시계열 에칭 속도 평가 (ΔW / 2) PDMS 에칭 (t)의 기간에 의해.
- 전반적인 예측에 수집 된 데이터 포인트의 선형 회귀를 수행할 특정 볼륨 그림 2와 같이 PDMS 재료 1시 10분의 비율을 혼합 혼합된 TBAF/NMP etchants의 에칭 속도.
- 1-메 틸-2-pyrrolidinone (NMP): v의 속도로 tetra-n-butylammonium 불 소 (TBAF, tetrahydrofuran (THF)에서 1 M 솔루션)를 혼합 하 여 현상 솔루션 준비 = 1시 10분.
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PDMS 순차적 젖은 다른 기하학적 섹션의 미세 채널 날조를 위한 에칭
- 해당 순서로 프로세스를 에칭 특정 채널 유형의 그림 3 에서 같이 다른 횡단면 모양 날조 될 수 있다 그래야 제공 단일 레이어 PDMS 채널 레이아웃에 대 한 현상 후미의 배열을 디자인.
- 2.1.7 PDMS 습식 에칭 방법에 대 한 2.1.1-단계에 설명 된 절차를 따릅니다.
참고: 유량 50 μ/분으로 설정 됩니다. - TBAF/NMP etchants는 흐르는 동안 검사 etchants, etchants, 누설에 의해 유도 된 여러 화학 오차의 남아 있는 거품의 눈에 띄는 금액 등 중요 한 문제 존재 하는 경우 볼 수 현미경 에칭된 채널 또는 경사진 평면에 etchants의 흐름.
- 거꾸로 현미경으로 미세 채널 벽 두께 변화를 관찰 하 고 적절 한 채널 형상 달성 되도록 프로세스를 에칭 젖은 시간.
3. 미세 믹서의 디자인
참고: 효율적으로 2 다른 체액을 혼합 수 있는 미세 믹서의 디자인 다른 섹션 미세 채널의 유리한 응용 프로그램을 보여 여기 증명 됩니다.
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다른 채널 섹션 미세 믹서의 제조
- 소프트 리소 그래피 복제 기술 (제 2) 성형으로 그림 4 에 표시 하는 디자인의 단일 레이어 미세 채널 PDMS 장치를 확인 합니다.
- 단일 레이어 미세 채널 레이아웃에서 단계 포트에서 2.1.1 그림 4에서 20 µ L/min 흐름 속도로 "콘센트"으로 표시에서 설명 하는 절차에 따라 준비 TBAF/NMP 현상 솔루션을 소개 합니다.
- 현미경, 미세 채널 벽 두께 변화를 관찰 하 고 적절 한 채널 형상 그림 5 에 표시 되는 달성을 보장 하기 위해 프로세스를 에칭 젖은 시간.
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미세 믹서의 실험적인 특성
- 섹션 다른 모양 대체 패턴에서의 미세 채널을 실현 후 펌프 2 비슷하지 체액 fluorescein 나트륨의 솔루션을 포함 하 여 50 µ g/mL 농도 데 소금과 20 µ L/분 2 별도 채널에 증류수 흐름 속도입니다.
- 형광 현미경 이미지 채널의에서 A로 표시 된 위치에 평면도, B, C 및 D는 거꾸로 현미경 (4 배 확대) (에칭) 전에 유니폼과 다른 2 믹서에 대 한 기하학적 섹션 (SWEP의 2 시간) 후 각각 ( 그림 6)입니다.
참고: 형광 현미경 이미지 믹서 채널을 통해 혼합의 처음 순간부터 계산 하는 5 분의 시간 지점에서 안정적인 흐름이 발생 하는 동안 찍힌다. - 혼합 혼합 잔여에 의해 정의 되는 효율성 숫자 해당 추정 영상 처리 프로그램을 사용 하 여 캡처된 형광 이미지 분석 (미스터, 0.5 = 순수한, 0 = 완전 혼합) 다음 방정식27, 28:
여기,
t 는 에칭 시간
L 는 관심의 특정 위치에 채널 폭
위치에서 채널을 통해 선 세그먼트는 고
내가 t S 에 형광 광도 분포입니다. - 채널을 통해 S 에 형광 광도 분포를 플롯 A로 표시 된 위치에서 B, C 및 D (에칭) 전에 유니폼과 다른 2 믹서에 대 한 기하학적 섹션 (SWEP의 2 시간) 후, 각각. 그림 6에서 같이 해당 미스터를 견적 한다.
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Representative Results
최근, 연구의 많은 만들어진 다른 섹션의 채널 미세 소자의 제조에 리소 그래피 복제 성형13,,1415 및 PDMS 에칭 기술17 , 18 , 19 , 20 , 21 , 그러나 22., 여전히 존재 하는 모양 패턴의 상당한 한계 및 어려움 제조 작업16,23. 이 논문에서는, SWEP에 의해 다른 형상 섹션의 PDMS 미세 채널 제조 단계 접근 방식을 제안입니다.
그림 1 개요로 표시는 미세 SWEP에 의해 다른 섹션의 PDMS 채널을 만들기 위한 단일-레이어 채널 레이아웃 하 고 관련된 배관 시스템의 실험적인 체제를 표시 합니다. NMP 그림 1a 및 1b와 같이 SWEP 실험을 위해 사용 하는 버퍼입니다. SWEP 실험에서는 에칭 프로세스에 의해 이용 하는 층 류 흐름을 유지 하기 위한 채널에 에칭 제품을 제거 하는 적절 한 용 매를 선택 하는 것이 중요입니다. 따라서, NMP 버퍼 SWEP22,23의 제품을 효과적으로 분해 하는 용 매로 선택 된다.
에칭된 채널 장치 내부에 미세 채널 섹션의 진화를 설명 하기 위해 파란색 음식 염료도 가득 합니다. 그림 3에서 같이 설계 된 단일 레이어 채널 패턴의 현상만 정렬 하 여 다른 종류의 다양 한 형상 기능 미세 채널 섹션은 SWEP 통해 얻이 있습니다.
에칭, 단일 층으로 미세 장치 젖은 PDMS의 특성 및 직사각형 모양의 스트레이트 채널은 전반적으로 식별 하는 데 악용 혼합된 TBAF/NMP etchants는 PDMS에 대 한 특정 볼륨 혼합 비율의 에칭 속도 재료입니다. 채널 폭 유사 특정 에칭 시간, 전체에 대해 수집 된 데이터 포인트의 선형 회귀 현상 솔루션의 에칭 속도 실험적으로 2.714 µ m/min (그림 2)로 추정.
일정 한 횡단면으로 미세 채널, 주로 체액 억제 물질 입자; 사이의 임의의 연락처 채널 벽을 따라 흐름 따라서, 보급에 의해 구동 유체 혼합 일반적으로 특히 긴 채널을 통해 달성 된다. 그 결과, 다른 기하학적 섹션의 미세 채널 채널 섹션에 측면 유체 움직임의 도움으로 유체 혼합을 촉진 하기 위하여 예상 됩니다. 이 연구에서 두 개의 서로 다른 유체는 혼합 효율적으로 미세 믹서 (그림 4)의 디자인은 여기 제시 미세 채널의 유리한 응용 프로그램 다른 섹션에 대 한 설명 했다. 그림 5 0 h, 0.25 h, 0.40 h, 0.55 h, h는 0.70, 1.00 h 및 2.00 h 단계 순서로 에칭에서 상위 뷰에서 PDMS 재료를 사용 하 여 미세 믹서 채널은 SWEP에 의해 조작의 시간 시리즈 이미지를 선물 한다.
미세 후 채널 섹션 다른 모양 대체 패턴에서의 실현 및 fluorescein 나트륨 소금, 소 주 물의 솔루션을 포함 하 여 두 개의 서로 다른 체액은 이후에 두 개의 별도 채널, 형광으로 펌핑 상위 뷰 (그림 6) A, B, C 및 D 캡처됩니다 (에칭) 전에 유니폼와 다른 기하학적 섹션 두 믹서에 대 한 거꾸로 현미경 (SWEP의 2 시간) 후 각각으로 표시 된 위치에 있는 채널의 현미경 이미지. 이러한 이미지 믹서 채널을 통해 혼합의 처음 순간부터 계산 하는 5 분의 시간 지점에서 안정적인 흐름이 발생 하는 동안 촬영. 그런 다음 이러한 형광 현미경 이미지 믹서의 혼합 효율을 나타내는 해당 미스터 숫자를 추출 하는이 연구에서 개발 하는 자동화 된 프로그램으로 전달 됩니다.
에칭 과정을 하기 전에 뱀 채널 레이아웃 믹서의 채널 직사각형 모양의 동일 횡단면을 했다. 때문에 충분 한 채널 길이 확산 메커니즘에 필요한, 미세 믹서는 필수적인 혼합 효율 0.4607, 0.3403, 0.2450, 및 A에서 0.1940 미스터 숫자 표현, B, C, 그리고 D 위치, 각각. 원래 하나에 동일한 전반적인 채널 길이 SWEP의 2 시간 후 미세 믹서 대체 패턴에 다른 형태의 채널 섹션 있다. 그것은 다른 채널 섹션 믹서 표시 된 증가 제공 한다 중요 한 효율성, 눈에 띄게 감소 하는 미스터 수의 0.3875, 0.1915, 0.1336, 및 0.0680에서, 나타내는 혼합에 B, C, 그리고 D 위치, 각각, 측면 액체 때문에 advection 확산 메커니즘 이외에 지도 한 동의 게다가, 위치 B-D에서에서 채널 섹션 결과 분명 하 고 균일 한 발생 같은 advection 메커니즘 믹서는 SWEP에 의해 조작의 믹싱 효율성 증가.
그림 1: 순차 습식된 에칭 프로세스 (SWEP) 다른 기하학적 횡단면의 PDMS 채널을 만들기 위한 미세 단일 레이어 채널 레이아웃에 배관 설치. (한)이이 회로도가 보여줍니다 단일 레이어 채널 미세 장치. 상위 계층은 젖은 현상 입구 준비에 대 한 여러 채널 디자인의 PDMS를 사용 하 여 조작. 레이어는 PDMS의 빈 패턴으로 이루어집니다. (상단: 하나의 현상 입구; 중간: 2 개의 현상만.) 하단은 상위 레이어 제조에 대 한 형 이다. (b) 이러한 패널 다른 섹션의 채널의 제작 조립된 장치를 표시합니다. 벽의 두께 채널의 폭은 50 µ m, 100 µ m, 각각. (c)이이 패널은 SWEP에 대 한 미세 단일 레이어 채널 레이아웃에 튜브 설정의 실험적인 사진을 보여. (맨 위 행: 한 현상 입구; 아래쪽 행: 두 현상만.) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2: PDMS의 습식 에칭. 이 그림 수집된 반 채널의 선형 회귀 계산 전반적인 에칭 시간에 관하여 폭 변경 PDMS 자료에 대 한 특정 볼륨 혼합 비율로 혼합된 TBAF/NMP etchants의 에칭 속도. [인세트는 습식 에칭 PDMS 재료의 특성화에 대 한 간단 하 고 직선 채널 패턴의 단면 형상의 회로도입니다. 전체 TBAF/NMP의 에칭 속도 (v: v = 1시 10분) 2.714 µ m/min 이며 해당 R2 (결정 계수) 0.9913.] 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3: 순차 PDMS 습식된 에칭에 의해 다른 형상 부분의 미세 채널 조작. 이러한 패널 보기 단일 레이어 PDMS 채널 레이아웃 조작 (는) 같은 다른 횡단면 모양의 특정 채널 형식에 대 한 순서로 프로세스를 에칭 하는 해당 서비스에 대 한 현상만 다양 한 준비 십자가 모양의 (b) 아령 모양, 및 (c) 종 모양의 단면 형상. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4: 미세 믹서 채널 다른 섹션을 이용 하 여 조작. (한)이이 패널은 디자인의 다른 섹션으로 채널을 이용 하 여 미세 믹서 제조에 대 한 단일 레이어 채널 레이아웃의 드로잉. 하단의 단일 레이어 채널 제작에 대 한 금형을 보여줍니다. (b) 이러한 패널 표시 타일 스캔 전체 믹서 채널의 현미경 이미지 젖은 PDMS의 1, 2 h 전후 에칭. (c)이이 패널 보기 실험 밝은 분야 이미지 믹서의 젖은 PDMS의 1, 2 h에 의해 조작 되는 채널 섹션 상단에 에칭 x따라 흐름 방향에 수직으로 절단 보기에서 보기 (맨 윗줄)-축 (에서 두 번째는 위), (맨 위)에서 3 A-A 컷과 B B에서 섹션 보기에서 잘라 (아래쪽 행) 위치. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5: PDMS 자료의 순차 습식된 에칭에 의해 조작 하는 다른 섹션의 미세 믹서 채널의 시간 시리즈 이미지. (한)이이 패널 회로도 보여준다는 다른 채널 섹션 미세 믹서의 제조에 대 한 단일 레이어 채널 레이아웃의. (b) 이러한 패널 쇼 현미경 이미지 상단에 믹서 채널의 순서로 각 에칭 단계에서 볼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6: 미세 믹서 순차적 PDMS 습식된 에칭에 의해 조작의. (한)이이 패널 보기 형광 현미경 이미지 믹서 채널 A로 표시 된 위치에서의 B, C, D과 2 h etchants를 도입 하기 전에 젖은 PDMS 소재의 에칭. (b) 이러한 패널 믹서 채널 (위)에 전에 A, B, C 및 D 위치에 및 PDMS 습식된 에칭 (가운데)의 2 시간에 걸쳐 정규화 된 좌표에 제시 하는 측정된 형광 강도 필드를 표시 합니다. 그것은 또한 분석 된 미스터 믹서의 혼합 효율을 나타내는 보여줍니다 (0.5: 순수한, 0: 완전 혼합) 전에 에칭 (아래)의 2 h의 다양 한 채널 위치에서. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
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Discussion
지난 수 십년 동안 마이크로 유망한 의미는 화학 및 생물 의학 연구를 위한 실험 플랫폼 수 건설1,2,,34, 체계적으로 제공 하고있다 5. 플랫폼도 체 외에서 세포 연구6,7, 를 통해 생리 적 microenvironment 조건에서 여러 가지 세포 기능 비보 를 조사 하 고 자신의 능력을 제시 8 , 9. 실험 연구 및 관련된 응용 프로그램, 채널의 대부분 횡단면 미세의 디바이스는 균일 하 고 사각형. 이러한 미세 장치에서 채널 구조 microenvironment 조건에서 중요 한 역할을. 예를 들어 약물 전달에 대 한 장치로 마이크로 사용 하 여 이러한 화학 전송을 통해 수동 제어 표준 단면 형상29의 사각형 채널에서 유량을 조정 하 여 변조입니다. 흐름 방향 따라 채널을 통해 물질 전송의 원하는 유량 분배를 위해 전체 체적 흐름 속도 설정에 따라 다른 기하학적 섹션 미세 채널 필요할 수 있습니다. 연구의 상당한 수 원하는 채널 다양 한 높이 또는 비-사각형 크로스의 특정 표면 패턴 마스터 금형의 건설을 포함 한 다른 섹션을 같은 칩을 날조 하는 것 몇 가지 중요 한 조치를 취해 섹션13,,1415 및 PDMS 표면 형상 기능17,18,,1920 제작 기법 에칭 , 21 , 22. 이러한 노력 뿐만 아니라 복잡 한 제조 프로세스를 포함 하지만, 또한 채널16,23의 특정 횡단면 모양에 제한 됩니다.
이 논문에서는, 다양 한 섹션으로 PDMS 채널을 만드는 단계 접근은 간단 하 고 일관 된 방식으로 PDMS 자료에 포함 된 계획된 단일 레이어 레이아웃의 특정 채널에 etchant를 도입 하 여 고급. 또한, 다른 횡단면 모양으로 채널 형성의 순차적 등방성 습식된 에칭 프로세스는 반복 숫자 계산30을 사용 하 여 확인 됩니다. 분명히, 날카로운 각도와 채널 섹션 형상 순차적 습식 에칭 프로세스 동안 PDMS 재질의 등방성 제거 때문에 조작 하기가 어렵습니다. 실용적인 응용 프로그램에서 정밀 하 게 제어할 미세 채널의 조작된 섹션 형상 PDMS 습식 에칭 속도의 정확한 특성화 및 관련된 배관 시스템 설정의 주의 깊은 준비 필요합니다. 다른 형상의 PDMS 미세 채널 제조를 위한 기존의 방법에 비해, 개발된 단계 접근 채널 비 직사각형 섹션 또는 다양 한 높이와 날조의 프로세스를 크게 단순화할 수 있습니다. 따라서, 개발된 기술은 다양 한 응용 프로그램에 대 한 혁신적인 미세 시스템의 발전으로 이어질 수 있는 복잡 한 미세 채널을 구성 하는 방법을 제공 합니다.
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Disclosures
저자는 선언할 수 없다.
Acknowledgments
저자 기꺼이 인정으로 국민 건강 연구 학회 (NHRI) 혁신적인 연구 그랜트 (IRG) (EX106-10523EI), 대만 사역의 과학 및 기술에서 대만에서 제공 하는 지원 (가장 104-2218-E-032-004, 104-2221- E-001-015-MY3, 105-2221-E-001-002-MY2, 105-2221-E-032-006, 106-2221-E-032-018-MY2), 그리고 학계 Sinica 경력 개발 상. 저자는 Heng 화 수의 원고를 교정 하는 것을 감사 하 고 싶습니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1-Methyl-2-Pyrrolidinone | Tedia, Fairfield, OH | ME-1962 | NMP |
| 10 ml Syringe | Becton-Dickinson, Franklin Lakes, NJ | 302151 | |
| 150 mm Petri dish | Dogger Science | DP-43151 | |
| 1H,1H,2H,2H- Perfluorooctyltrichlorosilane | Alfa Aesar, Ward Hill, MA | L16606 | 97 % silane |
| 4'' Silicon Dummy Wafer | Wollemi Technical, Taoyuan, Taiwan | - | |
| Acetone | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | AH3102-000000-72EC | |
| AG Double Expose Mask Aligner | M&R Nano Technology, Taoyuan, Taiwan | AG500-4D-D-V-S-H | |
| Biopsy Punch | Miltex, Plainsboro, NJ | 33-31 | |
| Blunt Needle | Jensen Global, Santa Barbara, CA | Gauge 16 | |
| Buffered Oxide Etch | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | PH3101-000000-72EC | |
| Desicattor | A-VAC Industries, Anaheim, CA | 35.10001.01 | |
| Fluorescein Sodium Salt Water | Sigma-Aldrich Co., St Louis, MO | F6300 | |
| ImageJ | National Institutes of Health, Bethesda, MD | Ver. 1.51 | Imaging Processing Program |
| Inverted Fluorescence Microscope | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | DMI 6000 B | |
| Isopropyl Alcohol (IPA) | ECHO Chemical, Miaoli, Taiwan | CMOS112-00000-72EC | |
| Leica Application Suite | Leica Microsystems GmbH | LAS X | |
| MATLAB | MathWorks, Natick, MA | R2015b | Programming for MR evaluation |
| Mechanical Convention Oven | ThermoFisher Scientific,Waltham, MA | Lindberg Blue M MO1450C | |
| Plasma Tretment System | Nordson MARCH, Concord CA | PX-250 | Oxygen plasma surface treatment |
| Polydimehtylsiloxane (PDMS) | Dow Corning, Midland, MI | SYLGARD 184 | |
| Polyethylene Tubing | Becton-Dickinson and Company, Sparks, MD | 427446 | PE 205, 10' |
| Spin Coater | ELS Technology, Hsinchu, Taiwan | ELS 306MA | |
| Negative Tone Photoresist | MicroChem, Westborough, MA | SU-8 2050 | |
| Negative Tone Photoresist Developer | MicroChem, Westborough, MA | Y020100 | SU-8 Developer |
| Surgical Blade | Feather, Osaka, Japan | 5005093 | PDMS cutting |
| Syringe Pump | Chemyx, Houston, TX | Fusion 400 | |
| Tetra-n-butylammonium Fluoride (TBAF) | Alfa Aesar, Ward Hill, MA | A10588 |
References
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