Ventilli Katmanlı mikroakışkan Cihazlar için çok adımlı Değişken Yükseklik Fotolitografi

Bu video protokolün genel amacı, herhangi bir uygulama için ayarlanabilen, yonga üstü valflere ve farklı yükseklik özelliklerine sahip mikroakışkan ana kalıpların eksiksiz çok adımlı fotolitografisini göstermektir. Bu yöntem, mikroakışkan cihazlar için yonga üstü membran valfler dahil olmak üzere karmaşık geometrilere sahip ana kalıpların nasıl üretileceğine dair kapsamlı bir genel bakış sunmaktadır. Bu tekniğin temel avantajı, biyolojik uygulamalarda mikroakışkanlara girişteki önemli bir engeli aşarak, mikroakışkan cihazlarda akışın kolayca kontrol edilmesini mümkün kılmasıdır.

Fotolitografi adımlarının yeni başlayanlar tarafından ustalıkla uygulanması genellikle zor olduğundan, bu tekniğin görselle anlatımı kritik öneme sahiptir. Doğru hizalama, geliştirme ve pozlama; görsel ipuçlarına ve temiz oda deneyimine dayanır. Başlamak için cihazınızı tasarlayın ve çok katmanlı geometriler için bireysel fotomaskeleri hazırlayın.

Ek olarak, beş mikron kalınlığında SU-8 2050 negatif fotoresist tabakasına sahip yaklaşık dört wafer hazırlayın ve beraberindeki metin protokolünde açıklandığı şekilde flood ekspoz uygulayın. Kaplı wafer'ı bir spin coater üzerine yerleştirin ve spin chuck'a sabitlemek için vakumu açın. Yüzeydeki tozları temizlemek için azot veya basınçlı hava kullanın.

Ardından, gofretin merkezine iki ila üç mililitre AZ 50XT pozitif fotorezist uygulayın. 55 mikronluk bir katman oluşturmak için fotorezisti spin kaplama yöntemiyle yayın. Kaplama işlemi tamamlandıktan sonra gofreti dikkatlice beş inçlik bir Petri kabına yerleştirin ve 20 dakika boyunca dinlenmeye bırakın.

Ardından, sıcaklığı saatte 450 °C hızla 65 °C'den 112 °C'ye yükseltirken, gofretle 22 dakika boyunca sıcak plakada yumuşak pişirme işlemi yapın. Daha sonra gofreti çıkarın ve ortam rehidrasyonu için bir Petri kabı içinde oda sıcaklığında gece boyu dinlenmeye bırakın. Akış yuvarlak şeffaf maskeyi, baskı yüzeyi gofrete en yakın olacak şekilde beş inçlik cam plakaya bantlayın ve UV maske hizalayıcının maske konumlandırıcısına yerleştirin.

Wafer'ı altı döngüde 930 milliJoules UV ışığına maruz bırakın. Wafer'ı, banyo morlaşana ve desenler ortaya çıkana kadar veya üç ila beş dakika boyunca karıştırılan bir developer banyosuna daldırarak hemen geliştirin. Geliştirme işlemi tamamlandıktan sonra wafer'ı çıkarın ve deiyonize su ile iyice durulayın.

Ardından, valf özelliklerini eritmek ve yuvarlatmak için wafer'a sert pişirme (hard bake) işlemi uygulayın. Sıcaklığı 15 saat boyunca, saatte 10 °C hızla 65'ten 190 °C'ye yükseltin. İşlem tamamlandığında, ısıtıcıyı kapatın ve wafer'ın oda sıcaklığına soğumasını bekleyin.

Wafer üzerindeki özellikler artık yuvarlatılmıştır. Bu sert pişirme işlemi, dikdörtgen valf özelliklerinin yuvarlatılmış valf profillerine düzgün şekilde yeniden akması için kritiktir. Daha kısa süreler, çatlamaya veya istikrarsızlığa neden olabilir.

Değişken yükseklikteki özelliklere sahip bir cihaz üretmek için, temizlenmiş gofretle daha önce gösterildiği gibi bir spin coater üzerine yerleştirin. Gofretin merkezine bir ila iki mililitre SU-8 2050 negatif fotoresist uygulayın ve fotoresistle geliştirilen valf özelliklerinin üzerini kaplayacak şekilde döndürün. Ardından, döndürülmüş gofreti dikkatlice beş inçlik bir Petri kabına yerleştirin ve düz bir yüzey üzerinde 20 dakika boyunca veya tüm çizgi desenleri kaybolana kadar dinlendirin.

Ardından, iki ısıtıcı plakayı 65 °C ve 95 °C'ye önceden ısıtın; ardından wafer'ı yumuşak pişirme (soft bake) işlemi için sırasıyla iki dakika boyunca 65 °C'lik plakaya, sekiz dakika boyunca 95 °C'lik plakaya ve tekrar iki dakika boyunca 65 °C'lik plakaya yerleştirin. Wafer oda sıcaklığına soğuduğunda, baskı tarafı wafer'a en yakın olacak şekilde düşük şeffaflıklı akış maskesini beş inçlik bir kuvars cam plakaya bantlayın ve UV maska hizalayıcının maska konumlandırıcısına yerleştirin. Daha sonra, wafer'ı UV maska hizalayıcı mandrenine yerleştirin ve mikroskop okuleri veya kamerayı kullanarak, yeni akış düşük katman özelliklerini akış yuvarlak valf katman özelliklerine dikkatlice hizalayın.

Cihaz sınırlarının yatay, dikey ve eğim eksenlerini maske üzerindeki cihaz sınırı özellikleriyle hizalayarak başlayın. Ardından, katmanlar arasındaki kılavuz çizgisi özelliklerini hizalayın. Son olarak, valf özelliklerinin istenen noktalarda akış düşük özellikleriyle kesiştiğini doğrulayın.

Ardından, wafer'ı 170 milliJoule UV biriktirmesine maruz bırakın. İşlem tamamlandığında wafer'ı çıkarın ve 65 degrees Celsius ile 95 degrees Celsius'ye ayarlanmış iki sıcak plaka arasında geçiş yaparak pozlama sonrası pişirme işlemini gerçekleştirin. Wafer'ı geliştirmeden oda sıcaklığına kadar soğumasını bekleyin ve ardından ekteki metin protokolünde açıklandığı şekilde SU-8 2025 kullanarak sırasıyla yüksek akış katmanını ve ardından kaotik karıştırıcı herringbone katmanını ekleyin.

Tüm katmanlar tamamlandıktan sonra, wafer'ı 25 mililitre SU-8 geliştirici içeren karıştırılmış bir banyoya 3,5 dakika boyunca veya desenler net bir şekilde ortaya çıkana kadar daldırarak desenleri geliştirin. Desenlerin net ve tanımlanmış sınırlara sahip olduğunu doğrulamak için bir stereoskop kullanın. Geliştirme işlemi sırasında, desenlerin tamamen tanımlandığından ve direncin temizlendiğinden emin olmak için her 20 saniyede bir kontrol yapın.

Aşırı geliştirme, özellikle karmaşık kalıp tasarımlarında özelliklerin zarar görmesine neden olabilir. Ardından, tüm fotorezist özelliklerini sabitlemek için wafer'ı sert pişirmeye (hard bake) tabi tutun. Sonrasında, beraberindeki metin protokolünde açıklandığı şekilde kontrol katmanını oluşturun.

Mevcut açık erişimli protokollere uygun olarak cam üzerinde pushup geometrisinde çok katmanlı mikroakışkan cihazlar üretin ve işleme devam etmeden önce, tüm valflerin kontrol hatlarıyla düzgün şekilde hizalandığından ve tüm girişlerin tamamen delindiğinden görsel inceleme ile emin olun. Su yüklü Tygon boruları; şırınga pompası, akışkan kontrolörleri veya rezervuarlı açık kaynaklı bir solenoid valf dizisi gibi bir akış kontrol sistemine bağlayın. Ardından, metal pinleri borulara ve metal pinleri kontrol hattı girişlerindeki cihaz portlarına bağlayın.

Ardından, cihaz kontrol hatlarını basınçlandırmak için akış kontrol sistemini her hat için 25 PSI'ye ayarlayın. Vanaların kapandığından ve tekrar açıldığından mikroskop altında inceleme yaparak emin olun. Damlacıkları hidrojel boncuklarına polimerize etmek için kullanılacakle fotobaşlatıcı çözeltisini hazırlamak amacıyla, bir mikrosantrifüj tüpünde 3,9 mg fotobaşlatıcıyı 100 µL DI su içerisinde süspanse edin.

Çözeltiyi ışıktan korumak için üzerini kapatın. İkinci bir mikrosantrifüj tüpüne, hidrojel damlacık çözeltisini hazırlamak için 132 µL deiyonize su, 172 µL PEG diakrilat, 12 µL fotobaşlatıcı çözeltisi ve 85 µL HEPES tamponu ekleyin. Hidrojel damlacık çözeltisini özelleştirilmiş bir kriyojenik tüp kaba aktarın.

Ardından, kriyojenik tüp kabının borusunu kontrol edilebilir bir basınç kaynağına ve PEEK borusunu cihazın reaktif girişine bağlayın. Daha sonra, damlacıkları toplamak için cihaz çıkışına PEEK borusunu yerleştirin. Cihazdaki hava kabarcıklarını giderin, sistemi yeniden basınçlandırın ve ardından RO1 yağ valfini basınçtan arındırıp yağ basıncını 10 PSI olarak ayarlayın.

Ardından, PEG karışımı basıncını 9 PSI'ye ayarlayın, üst akış valflerindeki basıncı tahliye edin ve istenen boyutta damlacıklar üretmek için basıncı gerektiği şekilde düzenleyin. Damlacık boyutunu, 50 FPS veya daha yüksek hıza sahip bir kamera kullanarak mikroskopi yoluyla belirleyin. Damlacıklar stabilize olduğunda, bir UV ışık kaynağını cihazın polimerizasyon bölgesinin üzerine yerleştirin ve kaynaktan 5 mm'lik bir noktaya santimetrekare başına 100 mW 365 nm ışık uygulayın.

Polimerize boncukların toplandığını gözlemlemek ve damlacıkların sertleşerek boncuklara dönüştüğünden emin olmak için boncuk elek valfini basınçlandırın. Son olarak, boncuk elek valfinin basıncını düşürün ve boncukları PEEK çıkış borusu aracılığıyla bir tüpe toplayın. Bu protokol, akış valflerini yuvarlama yönteminin gösterilmesiyle başlar.

Burada, bu yöntem sonucunda ortaya çıkan tipik reflow sonrası vana yuvarlanma profilini belirlemek için bir profilometre kullanılmış ve yaklaşık 55 mikronluk bir yükseklik gösterilmiştir. Soldaki görüntüde vana kapalıdır ve sıvı kanallar üzerinden geçebilir. Vanalara basınç uygulanarak aktive edildiklerinde, bu vanalar üzerinden gerçekleşen akış kesilir.

Burada, T-eklemi damlacık üreteci ile yağ emülsiyonu içerisinde hidrojel damlacıkları üreten boncuk sentezleyici cihaz çalışır halde görülebilir. Bir elek valf kullanılarak akış aşağısı akışın kısmen kapatılmasıyla, sıvı akmaya devam edebilir ancak boncuklar valfin arkasında hapsolur. Bu işlemle üretilen boncukların çapı ortalama 52.6 µm olup standart sapma yalnızca 1.6 µm'dir.

Yaklaşık 3.000 boncuğun içinden, %1'den azı üç standart sapmadan daha fazla farklılık gösterdi. Uzmanlaşıldığında, bu teknik tasarım aşamasından test aşamasına kadar üç günde tamamlanabilir. Bu durum, hızlı tasarım yinelemesine olanak tanır.

Bu prosedürü takip ederek, üretim konusunda az deneyime sahip olan araştırmacılar bile kendi karmaşık mikroakışkan cihazlarını imal edebilir ve bunları kendi biyolojik problemlerine uygulayabilirler. Bu videoyu izledikten sonra, karmaşık değişken yükseklikteki özelliklere veya valflere sahip cihazlar da dahil olmak üzere, herhangi bir karmaşıklık seviyesindeki mikroakışkan cihazları yapmak için gerekli olan fotolitografi adımlarının nasıl gerçekleştirileceği konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız.