Forscher haben sich bei der Herstellung ihrer mikrofluidischen Chips hauptsächlich an Polymeren wie PDMS orientiert. Die ersten mikrofluidischen Systeme wurden jedoch tatsächlich aus Glas und Silizium gefertigt, namentlich für die Flüssigkeits- und Gaschromatographie. Diese Werkstoffe bieten zahlreiche Vorteile für ein breites Anwendungsspektrum.
Wir vergleichen 3 Mikrofabrikationsverfahren, mit denen sich diese Materialien in mikrofluidische Chips überführen lassen: Oberflächenmikromechanik, vergrabene Kanalsysteme und Volumenmikromechanik (Bulk-Mikromachining).
Oberflächenmikromechanik
Die Technik der Oberflächenmikromechanik basiert auf einer Opferschicht, die so strukturiert wird, dass sie die gewünschten Fluidkanäle definiert. Anschließend wird eine Strukturschicht abgeschieden und schließlich die Opferschicht herausgeätzt. Es ist anzumerken, dass die Oberflächenmikromechanik zwar ein größeres Potenzial für die Fertigung mehrschichtiger Systeme im Vergleich zur Volumenmikromechanik bietet, jedoch auch mehr Prozessschritte pro Schicht erfordert. Zahlreiche vielversprechende mikrofluidische Bauteile auf Basis der Oberflächenmikromechanik wurden beschrieben [James CD et al. 2006 J Micromech Microeng]. Die Oberflächenmikromechanik ist insbesondere für die Herstellung von Nanokanälen von Interesse. So lässt sich die Dicke der Opferschicht, welche der finalen Kanalhöhe entspricht, präzise auf den Nanometer genau kontrollieren. Die Volumenmikromechanik hingegen kann eine derartige Kontrolle der Kanalhöhe aufgrund räumlicher Schwankungen der Etzrate nicht bieten.
Technologie der vergrabenen Kanäle
Bei der Technologie der vergrabenen Kanäle besteht der Ansatz darin, durch direktes, anisotropes Deep Reactive Ion Etching (DRIE) von Silizium einen tiefen Zugangstraben zu erzeugen. Die Seitenwände werden mittels Chemical Vapour Deposition (CVD) passiviert, und anschließend wird ein runder Kanal isotrop geätzt, wobei der Boden des Zugangstrabens mittig liegt [Paick SJ et al. Sens Actuators A]. Darüber hinaus ist diese Technologie erfolgreich, wenn sehr tiefe und schmale Zugangsstrukturen verwendet werden. Dies erfordert eine Lithographie im Mikrometerbereich und ein DRIE mit hohem Aspektverhältnis.
Eine Variante dieser Technik ist ebenfalls weit verbreitet: Die isotrope Methode des DRIE wird genutzt, um das Volumen-Silizium unter einer perforierten Siliziumnitridmaske zu ätzen. Danach wird die CVD-Technik eingesetzt, um die Zugangsöffnungen in der Maske zu verschließen [Dijkstra M et al. 2007 J Micromech Microeng]. Der Nachteil dieser Methode ist die mechanische Stabilität der Dünnschichtabdeckung, was bei einigen Anwendungen eine Einschränkung darstellt.
Volumenmikromechanik
Das nach wie vor am häufigsten genutzte Herstellungsverfahren ist zweifellos die Volumenmikromechanik (Bulk-Mikromachining). Bei dieser Methode werden Mikro- und Nanofluidikkanäle geformt, indem überschüssiges Material von einem Wafer abgetragen und dieser mit einem anderen Wafer gebondet oder verklebt wird, um die Kanäle zu verkapseln.
In der folgenden Tabelle finden Sie Protokolle, die Ihnen helfen, je nach Anwendung verschiedene Mikrofabrikationsoptionen für Glas und/oder Silizium auszuwählen. Darüber hinaus bietet diese Tabelle weiterführende Informationen zu den verschiedenen Prozessschritten der Mikrofabrikation, wie etwa Bonding-Verfahren oder Fluidikanschlüsse.
Schritt | Treffende Auswahl | Pfad A | Pfad B |
1 | Materialien im Mikrofabrikationsprozess | – Glas/Glas (wählen Sie diesen Pfad, wenn die Anwendung eine optische Transparenz des Chips erfordert) | – Glas/Silizium (ein gängigerer und etablierter Pfad) |
2 | Strukturierungsverfahren: Mikrokanäle | –Nassätzen in HF/HCl* -Trockenätzen (nur empfohlen, wenn vertikale Wände oder Strukturen mit hohem Aspektverhältnis erforderlich sind) | –Trockenätzen des Siliziums -Für komplexe mikrofluidische Chips, die mehrere Kanalschichten erfordern, kann der Siliziumwafer auf beiden Seiten strukturiert und Durchgangslöcher (Vias) durch den Wafer geätzt werden, um diese zu verbinden; alternativ kann sowohl das Glas (durch Nassätzen) als auch das Silizium strukturiert werden |
2 | Strukturierungsverfahren: Durchgangslöcher für Fluidikports | – Nassätzen – Sandstrahlen – Bohren | – Trockenätzen – Laserbohren – Sandstrahlen |
| 3 | Bonding-Verfahren: Keine elektrische Verbindung und das Bauteil wird bei über 200 °C betrieben | –Fusionsbonding -Anodisches Bonding mit metallischer oder a:Si-Schicht | – Anodisches Bonding |
| 3 | Bonding-Verfahren: Keine elektrische Verbindung und das Bauteil wird bei unter 200 °C betrieben | –Klebebonding -Anodisches Bonding mit metallischer oder a:Si-Schicht -Fusionsbonding | – Anodisches Bonding – Klebebonding |
| 3 | Bonding-Verfahren: Mit elektrischer Verbindung und das Bauteil wird bei über 200 °C betrieben | – Anodisches Bonding (die Dicke der Metallschicht kann kritisch sein) -Bonding unter Verwendung einer Zwischenschicht | – Anodisches Bonding (die Dicke der Metallschicht kann kritisch sein) |
| 3 | Bonding-Verfahren: Mit elektrischer Verbindung und das Bauteil wird bei unter 200 °C betrieben | –Klebebonding -Anodisches Bonding (die Dicke der Metallschicht kann kritisch sein) |
– Klebebonding – Anodisches Bonding (die Dicke der Metallschicht kann kritisch sein) |
| 4 | Fluidikanschlüsse | – Permanent: Einstecken von tube in Polymeranschlüsse (optional mit Klebstoff oder PDMS fixieren) – Permanent angebrachte Schneidringverbindung mit abnehmbarer Kapillare (z. B. Nanoport) – Temporär: Einstecken von Kapillartube in das PDMS-Bauteil (permanent, wenn das PDMS plasmabehandelt ist) – Mechanisch geklemmter Chip-Halter |
Permanent: Einpressen von tube in Polymeranschlüsse (optional mit Klebstoff oder PDMS fixieren) – Permanent angebrachte Schmierhülse mit abnehmbarer Kapillare (z. B. Nanoport) – Temporär: Einstecken von Kapillartube in das PDMS-Bauteil (permanent, wenn das PDMS plasmabehandelt ist) – Mechanisch geklemmter Chip-Halter |
* HF/HCl : Fluorwasserstoff- und Salzsäurelösung
Tabelle 1 : Auswahl des Herstellungsverfahrens gemäß den Anforderungen der Anwendung (optisch, geometrisch, elektrisch und thermisch). Bevorzugte Prozessoptionen sind fett gedruckt. Entnommen aus Iliescu et al. 2012 Biomicrofluidics
