다층 미세 유체 장치의 제조를 위한 입체 인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터의 설계 및 개발
Summary
이 프로젝트를 통해 소규모 실험실에서는 정밀다층 미세 유체 장치를 제조하기 위한 사용하기 쉬운 플랫폼을 개발할 수 있습니다. 플랫폼은 <10 μm의 정렬 오차가 있는 다층 미세 유체 장치를 사용하여 3차원인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터로 구성됩니다.
Abstract
이 프로젝트는 일반적으로 깨끗한 실내 환경에서 비용이 많이 드는 장비를 사용하여 달성 할 수있는 정밀한 다층 미세 유체 장치의 제조를위한 사용하기 쉽고 비용 효율적인 플랫폼을 개발하는 것을 목표로합니다. 플랫폼의 핵심 부분은 일반 광학 현미경 및 자외선 (UV) 광 노출 시스템과 호환되는 3차원 (3D) 인쇄 현미경 마스크 정렬 어댑터 (MMAA)입니다. 장치 설계를 최적화하기 위해 수행된 작업으로 인해 장치를 만드는 전체 프로세스가 크게 간소화되었습니다. 이 프로세스는 실험실에서 사용할 수 있는 장비에 적합한 치수를 찾고 최적화된 사양으로 MMAA를 3D 프린팅하는 것을 수반합니다. 실험 결과에 따르면 3D 프린팅에 의해 설계및 제조된 최적화된 MMAA는 일반적인 현미경 및 광 노출 시스템과 잘 어울림합니다. 3D 프릭 MMAA에서 제조한 마스터 몰드를 사용하여 다층 구조가 있는 생성된 미세 유체 장치는 일반적인 마이크로칩에 충분한 <10 μm의 정렬 오류를 포함합니다. 장치의 수송을 통해 UV 광 노출 시스템으로의 인간의 오류는 더 큰 제조 오류를 일으킬 수 있지만,이 연구에서 달성 된 최소한의 오류는 연습과 주의로 달성 할 수 있습니다. 또한 MMAA는 3D 프린팅 시스템의 모델링 파일을 변경하여 모든 현미경 및 UV 노출 시스템에 맞게 사용자 지정할 수 있습니다. 이 프로젝트는 미세 유체 장치를 생산하고 사용하는 실험실에서 이미 사용할 수 있는 장비만 사용해야 하기 때문에 소규모 실험실에 유용한 연구 도구만 제공합니다. 다음 세부 프로토콜은 MMAA의 설계 및 3D 프린팅 프로세스를 간략하게 설명합니다. 또한, MMAA를 이용하여 다층 마스터 몰드를 조달하고 폴리(디메틸실록산) (PDMS) 미세유체 칩을 생산하는 단계도 본원에 설명되어 있다.
Introduction
엔지니어링 연구에서 잘 발달되고 유망한 분야는 미세 유체 플랫폼을 사용하는 광범위한 응용 분야로 인해 미세 제조입니다. 미세 제조는 서로 다른 화학 화합물을 사용하여 μm 또는 작은 크기의 피처로 구조물이 생산되는 공정이다. 지난 30년 동안 미세유체 연구가 발전함에 따라 소프트 리소그래피는 폴리(디메틸실록산) 또는 이와 유사한 물질로 만든 마이크로칩을 생산하는 가장 인기 있는 미세 제조 기술이 되었습니다. 이러한 마이크로칩은 일반적인 실험실 관행1,2,3,4의 소형화에 널리 사용되어 왔으며, 엔지니어들이 반응 과정5,6,7,연구 반응 메커니즘을 모방하고 체외에서 인체에서 발견되는 장기를 모방하는 강력한 연구 도구가 되었다(예를 들어, 장기-온-칩)8,9,10. 그러나, 응용 프로그램의 복잡성이 증가함에 따라, 보다 복잡한 미세 유체 장치 설계가 실제 시스템을 더 잘 복제할 수 있도록 하는 것이 일반적이다.
기본 소프트 리소그래피 절차는자외선(11)에기판을 적용하기 전에 포토레지스트 물질로 기판을 코팅하고 코팅된 기판 위에 포토마스크를 배치하는 것을 포함한다. 포토마스크에는 미세유체 장치 채널의 원하는 패턴을 모방하는 투명 영역이 있습니다. 코팅된 기판을 UV 광으로 적용할 때 투명 영역은 자외선이 포토마스크를 통해 침투할 수 있게 하여 포토레지스트가 교차연결될 수 있도록 합니다. 노출 단계 후, 교차되지 않은 포토레지스트는 개발자를 사용하여 씻어 내고 의도된 패턴으로 고체 구조를 남깁니다. 미세 유체 장치의 복잡성이 커짐에 따라 매우 정확한 치수로 다층 구조가 필요합니다. 다층 미세 제조 과정은 단일 층 미세 제조에 비해 훨씬 더 어렵습니다.
다층 미세 제조는 두 번째 마스크의 설계와 첫 번째 층 피처의 정확한 정렬이 필요합니다. 일반적으로 이 프로세스는 상업용 마스크 정렬기를 사용하여 수행되며, 이는 비용이 많이 들고 기계 작업을 위한 교육이 필요합니다. 따라서, 다층 미세 제조 의 과정은 일반적으로 이러한 노력에 대한 자금이나 시간이 부족한 작은 실험실에 대해 달성 할 수 없습니다. 여러 개의 다른 맞춤형 마스크 정렬기를 개발했지만, 이러한 시스템은 종종 많은 다른 부품의 구매 및 조립이 필요하며 여전히 매우 복잡한12,13,14일수 있습니다. 이는 소규모 실험실에 비용이 많이 들 뿐만 아니라 시스템을 구축, 이해 및 사용하기 위한 시간과 교육이 필요합니다. 이 백서에 자세히 설명된 마스크 정렬기는 추가 장비를 구입할 필요가 없으므로 이러한 문제를 완화하기 위해 노력했으며, 일반적으로 미세 유체 장치를 생산하고 사용하는 실험실에 이미 존재하는 장비만 요구합니다. 또한, 마스크 얼라이너는 3D 프린팅 기술로 제작되었으며, 최근 3D 프린팅 기술이 발전하면서 대부분의 실험실 및 대학에서 저렴한 비용으로 쉽게 사용할 수 있게 되었습니다.
이 백서에 자세히 설명된 프로토콜은 비용 효율적이고 조작이 용이한 대체 마스크 리정렬기를 만드는 것을 목표로 합니다. 본 명세서에 상세한 마스크 정렬기는 기존의 제조 시설없이 연구 실험실에 대한 다층 미세 제조를 가능하게 할 수 있습니다. 현미경 마스크 정렬 어댑터(MMAA)를 사용하여 복잡한 기능을 갖춘 기능성 마이크로칩은 일반 UV 광원, 광학 현미경 및 일반적인 실험실 장비를 사용하여 달성할 수 있습니다. 결과는 MMAA가 똑바로 현미경 및 UV 광 노출 상자를 사용하여 예 시스템과 잘 수행한다는 것을 보여줍니다. 3D 프린팅 공정을 사용하여 생산된 MMAA는 최소한의 정렬 오차를 가진 헤링본 미세 유체 장치의 이중 레이어 마스터 몰드를 획득하는 데 사용되었습니다. 3D 프릭 MMAA로 제작된 마스터 몰드를 사용하여 <10 μm의 정렬 오류를 포함하는 다층 구조로 미세 유체 장치를 제조하였다. <10 μm의 정렬 오차는 미세 유체 장치의 적용을 방해하지 않을 만큼 최소화됩니다.
또한, MMAA를 이용하여 생산된 4층 마스터 몰드의 성공적인 정렬이 확인되었고, 정렬 오차는 <10 μm으로 결정되었다. 미세 유체 장치의 기능과 최소 정렬 오류는 다층 미세 유체 장치를 만드는 데 MMAA의 성공적인 적용을 검증합니다. MMAA는 3D 프린터의 파일을 약간 변경하여 현미경 및 UV 노출 시스템에 맞게 사용자 지정할 수 있습니다. 다음 프로토콜은 각 실험실에서 사용할 수 있는 장비에 맞게 MMAA를 미세 조정하고 MMAA에 필요한 사양을 3D 인쇄하는 데 필요한 단계를 간략하게 설명합니다. 또한, 프로토콜은 시스템을 이용하여 다층 마스터 몰드를 개발하고 이후에 마스터 몰드를 사용하여 PDMS 미세 유체 장치를 생성하는 방법을 자세히 설명한다. 마스터 몰드와 미세 유체 칩의 생성은 사용자가 시스템의 효과를 테스트 할 수 있습니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
앞서 언급한 프로토콜은 MMAA를 3D 프린팅하고 시스템을 사용하여 정밀하고 다층적인 미세 유체 장치 마스터 몰드를 만드는 절차를 간략하게 설명합니다. 이 장치는 사용하기 쉽지만 마스터 금형 레이어의 적절한 정렬을 보장하기 위해 연습과 주의가 필요한 프로토콜 내에서 중요한 단계가 있습니다. 첫 번째 중요한 단계는 MMAA의 설계입니다. MMAA를 설계하여 UV 광 노출 시스템 내부에 적절한 적합?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
저자는이 프로젝트에 대한 자금을 제공하기위한 텍사스 기술 대학에서 변형 학부 경험센터를 인정하고 싶습니다. 저자는 또한 텍사스 공과 대학의 화학 공학 과의 지원을 인정하고 싶습니다.
Materials
| 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 |
Riferimenti
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