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Engineering

Design und Entwicklung eines dreidimensional gedruckten Mikroskopmasken-Alignment-Adapters für die Herstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Geräten

doi: 10.3791/61877 Published: January 25, 2021
* These authors contributed equally

Summary

Dieses Projekt ermöglicht es kleinen Laboren, eine einfach zu bedienende Plattform für die Herstellung präziser mehrschichtiger mikrofluidischer Geräte zu entwickeln. Die Plattform besteht aus einem dreidimensional gedruckten Mikroskopmasken-Alignment-Adapter, mit dem mehrschichtige mikrofluidische Geräte mit Ausrichtungsfehlern von <10 μm erreicht wurden.

Abstract

Dieses Projekt zielt darauf ab, eine einfach zu bedienende und kostengünstige Plattform für die Herstellung präziser, mehrschichtiger mikrofluidischer Geräte zu entwickeln, die typischerweise nur mit kostspieligen Geräten in einem Reinraum erreicht werden kann. Der Hauptteil der Plattform ist ein dreidimensional (3D) gedruckter Mikroskopmasken-Alignment-Adapter (MMAA), der mit normalen optischen Mikroskopen und UV-Licht-Belichtungssystemen kompatibel ist. Der gesamte Prozess der Erstellung des Geräts wurde aufgrund der Arbeit zur Optimierung des Gerätedesigns erheblich vereinfacht. Der Prozess beinhaltet die Suche nach den richtigen Abmessungen für die im Labor verfügbaren Geräte und den 3D-Druck der MMAA mit den optimierten Spezifikationen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das optimierte MMAA, das durch den 3D-Druck entwickelt und hergestellt wurde, mit einem gängigen Mikroskop- und Lichtbelichtungssystem gut funktioniert. Mit einer master-form, die von der 3D-gedruckten MMAA hergestellt wird, enthalten die resultierenden mikrofluidischen Geräte mit mehrschichtigen Strukturen Ausrichtungsfehler von <10 μm, was für gängige Mikrochips ausreicht. Obwohl menschliches Versagen durch den Transport des Geräts zum UV-Licht-Expositionssystem größere Herstellungsfehler verursachen kann, sind die minimalen Fehler, die in dieser Studie erzielt wurden, mit Übung und Sorgfalt erreichbar. Darüber hinaus kann die MMAA an jedes Mikroskop- und UV-Belichtungssystem angepasst werden, indem Änderungen an der Modellierungsdatei im 3D-Drucksystem vorgenommen werden. Dieses Projekt bietet kleineren Laboren ein nützliches Forschungsinstrument, da es nur die Verwendung von Geräten erfordert, die normalerweise bereits für Labore verfügbar sind, die mikrofluidische Geräte herstellen und verwenden. Das folgende detaillierte Protokoll beschreibt den Design- und 3D-Druckprozess für die MMAA. Darüber hinaus werden hier auch die Schritte zur Beschaffung eines mehrschichtigen Master-Werkzeugs unter Verwendung der MMAA und zur Herstellung von mikrofluidischen Poly(dimethylsiloxan)-Chips (PDMS) beschrieben.

Introduction

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Ein gut entwickeltes und vielversprechendes Gebiet in der technischen Forschung ist die Mikrofabrikation aufgrund der großen Weite von Anwendungen, die mikrofluidische Plattformen verwenden. Mikrofabrikation ist ein Prozess, bei dem Strukturen mit μm- oder kleineren Merkmalen unter Verwendung verschiedener chemischer Verbindungen hergestellt werden. Mit der Entwicklung der mikrofluidischen Forschung in den letzten 30 Jahren hat sich die weiche Lithographie zur beliebtesten Mikrofabrikationstechnik entwickelt, mit der Mikrochips aus Poly(dimethylsiloxan) (PDMS) oder ähnlichen Substanzen hergestellt werden können. Diese Mikrochips wurden häufig für die Miniaturisierung gängiger Laborpraktiken1,2,3,4 verwendet und sind zu leistungsstarken Forschungswerkzeugen für Ingenieure geworden, um Reaktionsprozesse5,6,7nachzuahmen, Reaktionsmechanismen zu untersuchen und Organe nachzuahmen, die im menschlichen Körper in vitro gefunden werden (z. B. Organ-on-a-Chip)8,9,10. Mit zunehmender Komplexität der Anwendung ist es jedoch typisch, dass ein komplexeres mikrofluidisches Gerätedesign eine bessere Replikation des realen Systems ermöglicht, das es imitieren soll.

Das grundlegende Verfahren der Weichlithographie besteht darin, ein Substrat mit einer Fotolacksubstanz zu beschichten und eine Fotomaske über das beschichtete Substrat zu legen, bevor das Substrat UV-Licht ausgesetzt wird11. Die Fotomaske hat transparente Bereiche, die das gewünschte Muster der mikrofluidischen Gerätekanäle nachahmen. Wenn das beschichtete Substrat UV-Licht ausgesetzt wird, lassen die transparenten Bereiche das UV-Licht durch die Fotomaske eindringen, wodurch der Fotolack vernetzt wird. Nach dem Belichtungsschritt wird der nicht vernetzte Fotolack mit einem Entwickler weggespült, wobei feste Strukturen mit dem beabsichtigten Muster hinterlassen werden. Da die Komplexität der mikrofluidischen Geräte immer größer wird, erfordern sie einen mehrschichtigen Aufbau mit extrem präzisen Abmessungen. Der Prozess der mehrschichtigen Mikrofabrikation ist im Vergleich zur einschichtigen Mikrofabrikation viel schwieriger.

Die mehrschichtige Mikrofabrikation erfordert eine präzise Ausrichtung der Merkmale der ersten Schicht mit den Designs auf der zweiten Maske. Normalerweise wird dieser Prozess mit einem kommerziellen Mask aligner durchgeführt, was teuer ist und eine Schulung zur Bedienung der Maschinen erfordert. Daher ist der Prozess der mehrschichtigen Mikrofabrikation für kleinere Labore, denen die Mittel oder die Zeit für solche Bemühungen fehlen, in der Regel unerreichbar. Während mehrere andere kundenspezifische Mask aligner entwickelt wurden, erfordern diese Systeme oft den Kauf und die Montage vieler verschiedener Teile und können immer noch ziemlich komplex sein12,13,14. Dies ist nicht nur für kleinere Labore teuer, sondern erfordert auch Zeit und Training, um das System zu erstellen, zu verstehen und zu verwenden. Der in diesem Artikel beschriebene Mask Aligner versuchte, diese Probleme zu lindern, da keine zusätzliche Ausrüstung erforderlich ist, sondern nur Geräte erforderlich sind, die typischerweise bereits in Labors vorhanden sind, die mikrofluidische Geräte herstellen und verwenden. Darüber hinaus wird der Mask Aligner durch 3D-Druck hergestellt, der mit der jüngsten Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie für die meisten Labore und Universitäten zu erschwinglichen Kosten leicht verfügbar geworden ist.

Das in diesem Dokument beschriebene Protokoll zielt darauf ab, einen kostengünstigen und einfach zu bedienenden alternativen Mask aligner zu schaffen. Der hier beschriebene Mask Aligner kann die mehrschichtige Mikrofabrikation für Forschungslabore ohne konventionelle Fertigungseinrichtungen ermöglichen. Mit dem Mikroskopmasken-Alignment-Adapter (MMAA) können funktionelle Mikrochips mit komplexen Merkmalen mit einer normalen UV-Lichtquelle, einem optischen Mikroskop und gängigen Laborgeräten erreicht werden. Die Ergebnisse zeigen, dass das MMAA mit einem Beispielsystem mit einem aufrechten Mikroskop und einer UV-Licht-Belichtungsbox gut funktioniert. Das im 3D-Druckverfahren hergestellte MMAA wurde verwendet, um eine zweischichtige Masterform eines mikrofluidischen Fischgrätengeräts mit minimalen Ausrichtungsfehlern zu erhalten. Mit der Masterform, die mit einem 3D-gedruckten MMAA hergestellt wurde, wurden mikrofluidische Geräte mit mehrschichtigen Strukturen mit Ausrichtungsfehlern von <10 μm hergestellt. Der Ausrichtungsfehler von <10 μm ist minimal genug, um die Anwendung des mikrofluidischen Geräts nicht zu behindern.

Darüber hinaus wurde die erfolgreiche Ausrichtung einer mit dem MMAA hergestellten vierschichtigen Masterform bestätigt und Ausrichtungsfehler auf <10 μm festgestellt. Die Funktionalität des mikrofluidischen Geräts und minimale Ausrichtungsfehler bestätigen die erfolgreiche Anwendung der MMAA bei der Erstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Geräten. Die MMAA kann an jedes Mikroskop- und UV-Belichtungssystem angepasst werden, indem geringfügige Änderungen an der Datei im 3D-Drucker vorgenommen werden. Das folgende Protokoll beschreibt die Schritte, die erforderlich sind, um die MMAA an die in jedem Labor verfügbaren Geräte anzupassen und die MMAA mit den erforderlichen Spezifikationen in 3D zu drucken. Darüber hinaus beschreibt das Protokoll, wie eine mehrschichtige Master-Form mit dem System entwickelt und anschließend PDMS-Mikrofluidik-Geräte mit der Master-Form hergestellt werden. Die Generierung der Masterform und der mikrofluidischen Chips ermöglicht es dem Benutzer, die Wirksamkeit des Systems zu testen.

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Protocol

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1. Entwerfen der MMAA

  1. Die Abmessungen des Trays des verfügbaren UV-Lichtemissionssystems sind die obere Grenze für die Abmessungen des Waferhalters (oder der UV-Belichtungseinheit) in Abbildung 1. Wie in Abbildung 2Adargestellt, messen Sie den Durchmesser (d) des inneren kreisförmigen Randes, die innere Höhe (h) des Trays des UV-Lichtemissionssystems, die Gesamtbreite (w) und die Länge (l) des Trays.
    HINWEIS: Als Beispiel hatte das verfügbare UV-Lichtbelichtungssystem Innenabmessungen von 5 Zoll (") x 5" x 0,25" mit einem kreisförmigen 4" Ausschnitt. Die Abmessungen der MMAA wurden dann so konzipiert, dass sie nicht größer sind als die Abmessungen des innenfachen Fachs, um richtig zu passen und flach in das Fach des Systems zu passen, wie in Abbildung 2Bdargestellt. Siehe Abbildung 3 für die 3D-gedruckten Teile des MMAA: fotolackbeschichteter Siliziumwafer und ein Verschluss zur Befestigung des Aufbaus am Mikroskop.
  2. Messen Sie die Länge zwischen den Schrauben auf dem verfügbaren aufrechten Mikroskopbühne, die den Objektträgerhalter an Ort und Stelle halten. Messen Sie zusätzlich die Breite der Schrauben. Wenden Sie diese Abmessungen an, um den Magnethalter (Abbildung 1) an das verfügbare Mikroskop anzupassen, um eine einfache und präzise Fixierung des MMAA am Mikroskop zu ermöglichen (Abbildung 4A).
  3. Passen Sie mithilfe einer verfügbaren Computerdesign-Anwendung den Waferhalter und den Magnetmikroskopverschluss an die gemessenen Abmessungen an. Legen Sie die Höhe, Breite und Länge des Waferhalters so aus, dass sie nicht größer sind als die Höhe (h), breite (w) und Länge (l) des Trays des UV-Lichtemissionssystems. Fügen Sie zusätzlich den kreisförmigen Ausschnitt an der Unterseite des Waferhalters mit dem gleichen Durchmesser (d) wie das Tray des UV-Lichtemissionssystems hinzu. Generieren Sie STL- oder CAD-Dateien für die beiden TEILE der MMAA, die für den 3D-Druck des Geräts verwendet werden sollen (siehe Ergänzendes Material).

2.3D Drucken der MMAA

  1. Laden Sie die generierten STL- oder CAD-Dateien in die verfügbare 3D-Drucksoftware hoch. 3D-Druck der beiden Teile der MMAA, indem Sie das entsprechende Verfahren für den verwendeten 3D-Prozess und Drucker befolgen. Vervollständigen Sie die Teile, indem Sie alle erforderlichen Schritte nach dem Drucken befolgen (z. B. Entfernen von Trägermaterial, Entfernen von nicht ausgehärtetem Harz, zusätzliche Wasch- oder Aushärtungsschritte). Alternativ können Sie eine verfügbare 3D-Druckfunktion verwenden, um die entworfenen Teile an anderer Stelle drucken und vervollständigen zu lassen.
  2. Stellen Sie sicher, dass der Waferhalter gut sitzt und flach in das Fach des verfügbaren UV-Lichtbelichtungssystems sitzt (Abbildung 2B). Stellen Sie außerdem sicher, dass der Mikroskopverschluss am Mikroskoptakt befestigt ist und mit den Knöpfen, die die x- und y-Positionen des Mikroskopstadiums steuern, leicht bewegt werden kann (Abbildung 4A).
  3. Sobald die Teile fertig sind, setzen Sie die Magnete ein und fixieren Sie sie mit Sekundenkleber oder einer anderen Fixiersubstanz in den Waferhalter und den Mikroskopverschluss (Abbildung 3A). Lassen Sie den Kleber trocknen, bevor Sie das System testen.
    HINWEIS: Falls gewünscht, kann ein Protype-Stück zuerst mit einem 3D-Drucker (Fused Deposition Modeling) gedruckt werden, um Ressourcen und Geld zu sparen15. Dieser Protyp kann dann auf seine genaue Anpassung an die verfügbare Ausrüstung beurteilt werden, und das Design kann dann bei Bedarf geändert werden. Das endgültige Gerät kann dann mit einem genaueren Verfahren (z. B. Stereolithographie) für eine bessere Präzision gedruckt werden. Das endgültige Gerät kann auch mit einer transluzenten Oberfläche für eine optimale Verwendung unter dem Mikroskop gedruckt werden.

3. Experimentelle Prüfung der MMAA

  1. Design und Druck der mikrofluidischen Geräte-Fotomasken mit Ausrichtungsmarkern
    1. Verwenden Sie eine Computerdesignanwendung, um Fotomasken für das gewünschte mikrofluidische Doppelschichtgerät zu entwerfen.
    2. Fügen Sie zusätzliche Strukturen an der Seite der mikrofluidischen Gerätekanalstrukturen hinzu, die als Ausrichtungsmarkierungen fungieren (näher am Rand der Fotomaske/Masterform), wie in Abbildung 5A, Bdargestellt . Stellen Sie sicher, dass sich auf jeder Seite des mikrofluidischen Geräts ein Ausrichtungsmarker befindet (insgesamt mindestens vier). Stellen Sie außerdem sicher, dass die Fotomaske eine gerade Kante enthält, die sich perfekt an der geraden Kante des Siliziumwafers ausrichten kann.
      HINWEIS: Die höhere Komplexität der Ausrichtungsmarkerstruktur ermöglicht eine höhere Ausrichtungsgenauigkeit der zusätzlichen Ebenen. Zumindest sollte eine einfache Querstruktur mit Maßen von 1 mm x 1 mm verwendet werden (Abbildung 6A). Ein Beispiel für die Ausrichtungsmarkierungen ist in den Ecken und am unteren Mittelrand von Abbildung 5A, Bzu sehen, die die Fotomasken der ersten und zweiten Ebene darstellen, die zum Generieren einer Doppelschicht-Masterform verwendet werden.
    3. Drucken Sie die Fotomasken entweder über einen kommerziellen Anbieter oder über andere zugängliche Einrichtungen
  2. Erstellung der Doppelschicht-Masterform mittels MMAA (Photolithographie)
    1. Erstellen Sie mit Standard-Fotolithographietechniken und den Anweisungen des Fotolackherstellers die erste Schicht der Master-Form mit der ersten Schicht-Fotomaske16. Verwenden Sie einen 4"-Siliziumwafer mit dem entsprechenden Fotolack (z.B. SU-8), um die gewünschte Schichtdicke zu erzeugen. Stellen Sie sicher, dass die dicke der ersten Schicht größer ist als die der nachfolgenden Schichten, um die Ausrichtungsmarkierungen leicht zu identifizieren.
    2. Verwenden Sie einen hellen Markerstift (z. B. Gold), um die Ausrichtungsmarkierungen der ersten Ebene auf allen vier Seiten einzufärben.
    3. Initiieren Sie die zweite Schicht der Masterform, indem Sie den Fotolack auf die Waffel aufspinnen und das Softbacken16 durchführen. Setzen Sie den beschichteten Wafer in den Waferhalter der MMAA ein (Abbildung 3B) und befestigen Sie den beschichteten Wafer mit Klebeband an der MMAA.
    4. Befestigen Sie den Waferhalter mit dem Magnetmikroskopverschluss am verfügbaren aufrechten Mikroskop (Abbildung 4A). Bewegen Sie die Position des MMAA mit den x- und y-Richtungsknöpfen des Mikroskopetappens, bis einer der farbigen Ausrichtungsmarker auf dem Wafer durch die Mikroskoplinse sichtbar ist.
    5. Setzen Sie die Fotomaske der zweiten Schicht in den Waferhalter auf dem beschichteten Wafer ein (Abbildung 3C). Stellen Sie sicher, dass die farbigen Ausrichtungsmarken der ersten Ebene teilweise durch die Ausrichtungsmarken auf der Fotomaske sichtbar sind.
    6. Befestigen Sie die Fotomaske an einer Scherenhebebühne (auch als Stützbuchse bezeichnet) durch einen der seitlichen Ausschnitte (Abbildung 4B) mit Klebeband. Verwenden Sie den Scherenlift, um die z-Richtungsposition der Fotomaske einzustellen, bis sie direkt über dem beschichteten Wafer liegt (Abbildung 3C).
      HINWEIS: Der Scherenlift ermöglicht eine Feineinstellung der Z-Position der Fotomaske, da mit dem Scherenlift die Position der angebrachten Fotomaske in z-Richtung verschoben werden kann.
    7. Während Sie die Fotomaske still halten, schauen Sie durch die Mikroskoplinse und identifizieren Sie die farbigen Ausrichtungsmarker der ersten Schicht unter den Ausrichtungsmarkern der Fotomaske. Verwenden Sie die x- und y-Richtungsknöpfe des Mikroskopstandes, um die Position der MMAA zu verschieben (Abbildung 4D). Passen Sie die Position der MMAA an, bis der Ausrichtungsmarker auf der Fotomaske mit dem farbigen Ausrichtungsmarker auf der ersten Ebene (Abbildung 6A, B ) überlagertist,indem Sie die Position der Ausrichtungsmarker durch die Mikroskoplinse beobachten.
    8. Tragen Sie vorsichtig eine leichte Kraft auf die Fotomaske auf und verwenden Sie Klebeband, um die Fotomaske auf dem beschichteten Wafer zu befestigen. Lösen Sie die Fotomaske vom Scherenlift. Stellen Sie sicher, dass alle vier Ausrichtungsmarken auf der Fotomaske mit den vier Ausrichtungsmarken auf der ersten Ebene ausgerichtet sind.
    9. Sobald die Ausrichtung erreicht ist, nehmen Sie den Waferhalter vorsichtig vom Mikroskopstand ab. Setzen Sie die Glasoberplatte auf den Wafer und die Fotomaske ein, um den Abstand zwischen den beiden Teilen zu verringern (Abbildung 1). Setzen Sie den gesamten Waferhalter in das verfügbare UV-Licht-Belichtungssystem ein, wie in Abbildung 4E dargestellt. Belichten Sie die zweite Schicht für die entsprechende Zeit und Lichtintensität, wie in den Anweisungen des Fotolackherstellers16beschrieben.
    10. Entfernen Sie den Waferhalter aus dem UV-Licht-Belichtungssystem. Entfernen Sie den beschichteten Wafer aus dem Waferhalter und lösen Sie die Fotomaske vom Wafer. Schließen Sie die Verarbeitung der zweiten Schicht (z. B. Nachbacken, Entwickeln und Spülen und Trocknen) gemäß den Anweisungen des Fotolackherstellers16ab.
      HINWEIS: Die genauen Spin-Coating-, Soft-Baking-, Belichtungs-, Nachback- und Entwicklungsbedingungen (Zeit, Temperatur) variieren je nach verwendeten Fotolack und der gewünschten Schichtdicke. Die tatsächlichen Bedingungen und das genaue Photolithographieverfahren sollten auf den Anweisungen des Fotolackherstellers basieren.
  3. Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung mit der Masterform (Weichlithographie)
    1. Holen Sie die Masterform und befestigen Sie sie in der Mitte einer 150 mm x 15 mm Kunststoff-Petrischale mit Klebeband.
    2. Bereiten Sie ~ 15-20 g PDMS basierend auf den Anweisungen des Herstellers vor. Legen Sie das PDMS in eine Vakuumkammer oder lassen Sie es ruhen, bis es frei von Blasen ist. Gießen Sie das PDMS in die Petrischale, die die Masterform enthält.
    3. Lassen Sie die Petrischale mit der Masterform auf der Arbeitsplatte ruhen, bis das PDMS frei von Blasen ist. Stellen Sie die Petrischale bei 65 °C in einen Ofen, bis das PDMS vollständig ausgehärtet ist (mindestens 3 h).
    4. Schneiden Sie das PDMS aus, um die Mikrokanalstrukturen freizulegen. Schneiden Sie das PDMS um die Mikrokanalstrukturen in separate Mikrochips und erstellen Sie die Ein- und Auslasslöcher für das mikrofluidische Gerät. Verwenden Sie Klebeband, um kleine Partikel, die auf der PDMS-Oberfläche liegen können, vorsichtig zu entfernen.
    5. Schließen Sie die Mikrochip-Herstellung ab, indem Sie den PDMS-Chip mit dem PDMS oder einem Objektträger durch Plasmabehandlung des PDMS-Chips und des zusätzlichen Substrats verbinden.
  4. Ermittlung des Ausrichtungsfehlers
    1. Rufen Sie die Masterform ab und verwenden Sie das aufrechte Mikroskop, um den Spaltabstand (Ausrichtungsfehler) zwischen der ersten und der zweiten Schicht zu bestimmen. Dazu messen Sie einfach den Abstand, um den die zweite Schicht von der ersten Schicht auf den Mikrokanalstrukturen verschoben und falsch ausgerichtet wird (siehe Abbildung 5D für ein Beispiel für einen gemessenen Spaltabstand).
    2. Verwenden Sie das aufrechte Mikroskop, um festzustellen, ob der PDMS-Chip Gerade mit klaren Gerätekanten Kanalwände enthält. Überprüfen Sie außerdem den PDMS-Chip auf mögliche Defekte, die die Gerätefunktionalität behindern können.
      HINWEIS: Die Master-Formfertigung (Abschnitte 3.2 und 3.3) muss möglicherweise wiederholt werden, um einen geringeren Ausrichtungsfehler zu erzielen. Wiederholtes Üben mit der MMAA wird gezeigt, um die Fähigkeit des Benutzers zu verbessern, eine gut ausgerichtete Masterform zu erstellen. Darüber hinaus können Bilder mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) (Abbildung 7) gewonnen werden, um den Ausrichtungsfehler zu bestätigen.

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Representative Results

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Durch die Optimierung und den Einsatz des MMAA (Abbildung 1) wurden mehrschichtige Masterformen mit minimalem Ausrichtungsfehler hergestellt. Die endgültige MMAA wurde im FFF-3D-Druckverfahren (Fused Filament Fabrication) hergestellt(Abbildung 2). Das FFF-Verfahren bietet eine erhöhte Genauigkeit für die gewünschten Geräteabmessungen. Die MMAA besteht aus zwei Hauptteilen(Abbildung 3):dem Basisstück und dem kundenspezifischen Verschluss. Das Grundstück besteht aus der UV-Belichtungseinheit, die als Waferhalter fungiert. Die UV-Belichtungseinheit ermöglicht die korrekte Ausrichtung der Fotomaske und des beschichteten Siliziumwafers. Das zweite Stück ist der kundenspezifische Verschluss, der den Waferhalter mit Magneten an der Plattform des Mikroskops befestigt. Das gesamte Setup, das zur Unterstützung der Ausrichtung der oberen und unteren Schichten der Doppelschicht-Masterform verwendet wird, ist in Abbildung 4 dargestellt. Dieses System und das beschriebene Protokoll wurden für die Ausrichtung der Marker auf der Fotomaske mit den Markern auf der Anfangsschicht der Masterform verwendet (Abbildung 6). Die doppellagige SU-8-Masterform für ein mikrofluidisches Gerät mit Fischgrätenmuster wurde dann hergestellt und es wurde gezeigt, dass sie einen Spaltabstand von <5 μm zwischen den beiden Schichten aufweist (Abbildung 5).

Die zweischichtige Masterform (Abbildung 7A) wurde dann verwendet, um PDMS-Mikrochips herzustellen, die in Abbildung 7D zusehen sind. Die REM-Bilder in Abbildung 7B,C zeigen, dass das mikrofluidische Gerät mit dem Fischgrätenmuster klare Kanten, gerade Kanalwände und gut ausgerichtete Schichten enthält, die für die ordnungsgemäße Gerätefunktionalität unerlässlich sind. Zusätzlich wurde mit der MMAA eine vierlagige Masterform mit einfachen kreisförmigen Merkmalen (Abbildung 8A) erstellt, um die erfolgreiche Ausrichtung einer mehrschichtigen Masterform zu zeigen. Profilometerdaten (Abbildung 8B) bestätigen die vier verschiedenen Schichten der Masterform. Messungen des Ausrichtungsfehlers, die für mehrere Vierschicht-Features mit unterschiedlicher Geometrie erhalten wurden, bestätigen, dass der Ausrichtungsfehler nicht größer als 5 % des geplanten Abstands zwischen den Schichten ist. Aus den Bildern des endgültigen Geräts geht hervor, dass menschliches Versagen bei der Fixierung der Maske auf das MMAA vor der UV-Belichtung der zweiten Schicht den Spaltabstand zwischen den beiden Geräteschichten vergrößert und eine Fehlausrichtung verursacht hat. Wenn sich der Anwender jedoch mit dem Verfahren vertraut macht, kann das endgültige Gerät mit einem resultierenden Ausrichtungsfehler von <10 μm hergestellt werden, wie die dargestellten Ergebnisse bestätigen.

Figure 1
Abbildung 1: Entwurf einer 3D-druckbaren MMAA für die mehrschichtige Mikrofabrikation. Die Abbildung zeigt die beiden Teile des MMAA: die UV-Belichtungseinheit und den kundenspezifischen Mikroskopverschluss. Die UV-Belichtungseinheit beherbergt in absteigender Reihenfolge die Glasoberplatte, die die Fotomaske gegen den Wafer hält; die Fotomaske; und der fotolackbeschichtete Wafer. Die UV-Belichtungseinheit wird dann magnetisch an den kundenspezifischen Mikroskopverschluss befestigt, der am Mikroskoptisch befestigt ist, und ermöglicht dann die korrekte Ausrichtung der Fotomaske und des Wafers. Abkürzungen: MMAA = Mikroskopmasken-Alignment-Adapter; UV = ultraviolett. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Anpassung und 3D-Druck eines MMAA und Nachbearbeitung für ein vollständig ausgehärtetes Gerät. (A) Foto des Fachs des verfügbaren UV-Lichtemissionssystems, das die notwendigen Messungen zeigt, die zur Anpassung der MMAA erforderlich sind. Der Benutzer sollte den Durchmesser (d) des inneren kreisförmigen Randes, die innere Höhe (h), die Gesamtbreite (w) und die Länge (l) des Trays messen. (B) Nach der Anpassung sollte die MMAA dann flach im Fach sitzen, wie hier gezeigt. (C) Illustration des FFF-3D-Druckverfahrens. Das FFF-Verfahren erzeugt Strukturen, indem das 3D-gedruckte Filament geschichtet wird. Das Filament wird in dünnen Schichten abgeschieden, eine auf der anderen, bis das endgültige 3D-gedruckte Stück hergestellt ist. (D) Die Aushärtung des endgültigen 3D-gedruckten MMAA in der UV-Härtungskammer im Rahmen des Post-Printing-Prozesses. Abkürzungen: MMAA = Mikroskopmasken-Alignment-Adapter; UV = ultraviolett; FFF = Fused Filament Fabrication. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: 3D-gedruckte Teile eines MMAA. (A) Zwei Teile wurden durch Magnete verbunden (gekennzeichnet durch ein rot gestricheltes Rechteck). (B) MMAA, das einen Siliciumwafer enthält, der mit einer dünnen Schicht Fotolack (SU-8) beschichtet ist. (C) MMAA mit einer Fotomaske über dem beschichteten Siliziumwafer zur Vorbereitung des Ausrichtungsprozesses. Abkürzung: MMAA = Microscope Mask Alignment Adapter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Verfahren zur Verwendung eines 3D-gedruckten MMAA für die Ausrichtung der Fotomaske. (A) Nachdem das MMAA mit dem fotolackbeschichteten Siliziumwafer beladen wurde, wird das MMAA auf die Bühne eines aufrechten Mikroskopsystems gelegt und mit dem Magnetmikroskopverschluss wie im Bild gezeigt auf der Bühne befestigt. (B) Die Fotomaske wird dann in die MMAA eingeführt und an der Z-Richtungsverstellplattform, auch bekannt als Scherenhebebühne, durch eine der Seiten der MMAA befestigt, wie im Bild gezeigt. (C) Die Höhe der Scherenhubbühne wird dann so lange eingestellt, bis die Fotomaske direkt über dem beschichteten Siliziumwafer liegt, wie im Bild gezeigt. Ab diesem Zeitpunkt wird die Fotomaske erst verschoben, wenn die Ausrichtung abgeschlossen ist. (D) Um eine perfekte Ausrichtung zu erreichen, wird dann die Position des MMAA und damit des Siliziumwafers auf dem Mikroskoptisch mit den im Bild gezeigten Knöpfen des Mikroskops in x- und y-Richtung eingestellt. Die x- und y-Positionen des Siliziumwafers werden fein eingestellt, während der Anwender durch die Mikroskoplinse beobachtet, bis die Ausrichtungsmarker auf dem Siliziumwafer und die Fotomaske überlagert sind. Ist dies erreicht, kann die Fotomaske am Wafer befestigt werden. (E) Nach erreichener Ausrichtung wird die MMAA vorsichtig vom Mikroskopstand gelöst und in die Schale des UV-Lichtbelichtungssystems gelegt. Das Fach kann geschlossen werden, so dass der Wafer UV-Bestrahlung ausgesetzt werden kann, um den Fotolack auszuhärten. Abkürzung: MMAA = Microscope Mask Alignment Adapter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5:Doppelschichtige Kanalstruktur, die mit der MMAA erstellt wurde. Das Doppelschicht-Master-Werkzeug ist für die Herstellung von fischgräten-mikrofluidischen Geräten mit vier parallelen Kanälen konzipiert. (A) Bild des Fotomaskendesigns der ersten Schicht, das den Umriss für die Kanäle enthält und den hohlen Boden der mikrofluidischen Vorrichtung erzeugt. (B) Bild des Fotomaskendesigns der zweiten Schicht, das das Fischgrätenmuster in den Kanälen enthält, die das Dach der mikrofluidischen Vorrichtung auskleiden. (C) Die Einlassstruktur der doppellagigen Masterform, die durch rot gestrichelte Rechtecke in (A) und (B) gekennzeichnet ist . Das Bild zeigt einen minimalen Spaltabstand zwischen den beiden Ebenen. (D) Ein Abschnitt der doppellagigen Masterform, der eine Biegung in dem Kanal zeigt, der durch grün gestrichelte Rechtecke in (A) und (B) gekennzeichnet ist . Der Spaltabstand zwischen den beiden Pfeilen beträgt 5 μm. Maßstabsbalken = 100 μm. Abkürzung: MMAA = Microscope Mask Alignment Adapter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: Mikrofabrikationsergebnisse mit der MMAA. (A) und (B) zeigen die Ausrichtung der Marker auf der Fotomaske. Maßstabsbalken = 200 μm. (C) und (D) sind die entsprechenden Bilder der Marker auf dem Wafer nach der Belichtung. Maßstabsbalken = 100 μm. Abkürzung: MMAA = Microscope Mask Alignment Adapter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: Die mit der MMAA vorbereitete Masterform und die resultierende PDMS-Vorrichtung aus der Masterform. (A) Doppelschicht-Masterform aus fischgrätenmikroskopischer Vorrichtung, die mit der MMAA hergestellt wurde, um die Ausrichtung der Schichten zu erreichen. (B) und (C) sind REM-Bilder der Fischgrätenvorrichtung in verschiedenen Skalen, wobei die roten Pfeile auf die untere Schicht zeigen. (D) PDMS mikrofluidische Vorrichtung mit Fischgrätenmuster unter Verwendung der doppelschichtigen Masterform in (A). Abkürzungen: MMAA = Mikroskopmasken-Alignment-Adapter; PDMS = Poly(dimethylsiloxan); REM = Rasterelektronenmikroskopie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 8
Abbildung 8: Bild- und Profilometerdaten einer vierschichtigen Masterform, die mit der MMAA erstellt wurde. (A) Bild einer vierschichtigen Masterform, die mit der MMAA erstellt wurde und die erfolgreiche Ausrichtung der Schichten zeigt. Einfache kreisförmige Features in absteigender Größe wurden ausgewählt, um die Ausrichtungsfähigkeit der MMAA zu demonstrieren. Maßstabsbalken = 1.250 μm. (B) Profilometerdaten derselben kreisförmigen vierschichtigen Masterform, die das Vorhandensein der vier verschiedenen Schichten bestätigen. Abkürzungen: MMAA = Microscope Mask Alignment Adapter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Geschmeidiges Material. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

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Das oben genannte Protokoll beschreibt das Verfahren für den 3D-Druck einer MMAA und die Verwendung des Systems, um eine präzise, mehrschichtige, mikrofluidische Geräte-Masterform zu erstellen. Obwohl das Gerät einfach zu bedienen ist, gibt es kritische Schritte innerhalb des Protokolls, die Übung und Sorgfalt erfordern, um eine ordnungsgemäße Ausrichtung der Master-Mold-Schichten sicherzustellen. Der erste kritische Schritt ist das Design der MMAA. Bei der Entwicklung der MMAA ist es wichtig, die genauen Messungen für das Gerät zu bestimmen, die eine ordnungsgemäße Anpassung an das UV-Lichtbelichtungssystem ermöglichen. Eine Fehlausrichtung des Geräts kann zu einer ungleichmäßigen UV-Lichteinwirkung führen, die zu Verformungen der Master-Mold-Merkmale führen kann. Der zweite kritische Schritt besteht darin, bei der Ausrichtung der ersten und zweiten Schicht der Masterform bei verwendung der MMAA vorsichtig zu sein. Nach dem Ausrichten der Fotomaske der zweiten Ebene mit den Ausrichtungsmarkern der ersten Ebene ist es unerlässlich, dass der Benutzer bei der Fixierung der Fotomaske auf dem Wafer und mmAA sehr vorsichtig ist. Die mikrometergroßen Merkmale bedeuten, dass jede kleine Fehlausrichtung aufgrund der Bewegung der Fotomaske während der Fixierung ausrichtungsfehler verursachen kann, die das endgültige PDMS-Gerät unbrauchbar machen können. Daher erfordert dieser Schritt genauigkeit, die mit der MMAA in der Praxis entwickelt werden kann. Der letzte kritische Schritt besteht darin, sicherzustellen, dass zwischen der Fotomaske und dem beschichteten Wafer keine Lücke besteht, um eine gleichmäßige UV-Lichteinwirkung zu gewährleisten. Diese Technik bei der Verwendung der MMAA zur Erstellung von mehrschichtigen Master-Formen ist durch die Liebe zum Detail und die Sorgfalt des Benutzers bei der Einhaltung des angegebenen Protokolls begrenzt, da die oben genannten kritischen Schritte befolgt werden müssen, um gut ausgerichtete Schichten zu gewährleisten.

Multilayer-Mikrofluidik-Geräte sind in der Regel mit wenig Fehlern schwer herzustellen, es sei denn, herkömmliche Ausrichtungsgeräte sind verfügbar. Diese Ausrüstung ist teuer und erfordert aufgrund ihrer Empfindlichkeit eine spezielle Schulung und typischerweise eine Reinraumumgebung, die kleineren Labors nicht immer zur Verfügung steht. Darüber hinaus erfordern zuvor veröffentlichte maßgeschneiderte Mask aligner in der Regel den Kauf und die Montage vieler verschiedener Teile, was die Plattformen immer noch teuer in der Herstellung und schwierig zu bedienen machen kann12,13,14. Die Bedeutung des MMAA besteht darin, dass es eine einfach herzustellende und kostengünstige Alternative zu Standardgeräten ist, die für die Herstellung von mikrofluidischen Mehrschichtgeräten verwendet werden. Darüber hinaus erfordert die MMAA keine spezielle Ausbildung für ihre Verwendung, da ihre Anwendung ziemlich einfach ist und Standardlaborgeräte verwendet, die bereits in Labors vorhanden sind, die regelmäßig mikrofluidische Geräte herstellen und verwenden. Dies ermöglicht es kleinen und ressourcenbegrenten Laboren, mehrschichtige mikrofluidische Geräte mit verbesserter Funktionalität herzustellen.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preiszugeben.

Acknowledgments

Die Autoren möchten dem Center for Transformative Undergraduate Experiences der Texas Tech University für die Finanzierung dieses Projekts danken. Die Autoren möchten auch die Unterstützung des Chemical Engineering Department der Texas Tech University anerkennen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), 3D Printing Filament Provided by the Texas Tech University 3D printing facility
BX53, Upright Microscope Olympus
Form 2, Stereolithography 3D printer Formlabs
Advanced Hot Plate Stirrer VWR 97042-642
Isoproyl Alcohol, 70% (v/v) VWR BDH7999-4
Light Colored Marker Sharpie
Magnets, 3 mm x 3 mm WOTOY ASIN #: B075PLVW8W
SYLGARD 184 Silicone Elastomer Kit DOW 4019862
Petri Dish, 150 mm x 15 mm VWR 25384-326
Printed Photomasks CAD/Art Services, Inc.
Aluminum Support Jack - 8" x 8", Scissor Lift VWR 12620-904
Silicon Wafer University Wafer 452
Sodium Hydroxide VWR
Sonication Bath Branson CPX3800H
Spin Coater Laurell Technologies Corporation Model WS-650MZ-23NPPB
STRATASYS SR-30 MakerBot Industries, LLC SR-30 Dissolvable support material for 3D printing
Stratasys uPrint SE 3D Printer Computer Aided Technology, LLC
SU-8 50 Kayaku Y131269 0500L1GL
SU-8 100 Kayaku Y131273 0500L1GL
SU-8 Developer Kayaku Y020100 4000L1PE
Super glue Gorilla Glue
Trichloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl)silane Sigma-Aldrich 448931-10G
Tape Scotch
Form Cure, UV Curing Chamber Formlabs FH-CU-01
UV-KUB2, UV Light-Exposure Box Kloe UV-KUB2

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References

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Design und Entwicklung eines dreidimensional gedruckten Mikroskopmasken-Alignment-Adapters für die Herstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Geräten
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Garcia, C. R., Ding, Z., Garza, H. C., Li, W. Design and Development of a Three-Dimensionally Printed Microscope Mask Alignment Adapter for the Fabrication of Multilayer Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (167), e61877, doi:10.3791/61877 (2021).More

Garcia, C. R., Ding, Z., Garza, H. C., Li, W. Design and Development of a Three-Dimensionally Printed Microscope Mask Alignment Adapter for the Fabrication of Multilayer Microfluidic Devices. J. Vis. Exp. (167), e61877, doi:10.3791/61877 (2021).

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