I ricercatori si sono orientati principalmente verso polimeri come il PDMS per realizzare i loro dispositivi microfluidici. Tuttavia, è proprio con il vetro e il silicio che sono stati creati i primi dispositivi microfluidici, ad esempio per la cromatografia liquida e gascromatografia. Questi materiali offrono numerosi vantaggi per un'ampia gamma di applicazioni.
Confronteremo 3 processi di microfabbricazione che consentono di trasformare questi materiali in dispositivi microfluidici: micromachining di superficie, tecniche a canali sepolti e micromachining di volume.
Micromachining di superficie
La tecnica del micromachining di superficie consiste nell'impiego di uno strato sacrificabile sagomato per definire i canali fluidici desiderati; successivamente viene depositato uno strato strutturale e infine lo strato sacrificabile viene rimosso mediante attacco chimico. Va notato che, sebbene il micromachining di superficie offra un maggiore potenziale per la fabbricazione di dispositivi multistrato rispetto al micromachining di volume, esso comporta tuttavia un numero maggiore di fasi di processo per strato. Diversi dispositivi microfluidici promettenti realizzati con questa tecnica sono stati descritti in letteratura [James CD et al. 2006 J Micromech Microeng]. Il micromachining di superficie risulta particolarmente interessante per la fabbricazione di nanocanali. In effetti, lo spessore dello strato sacrificabile, che corrisponde all'altezza finale del canale, può essere facilmente controllato con precisione nanometrica. Il micromachining di volume, d'altra parte, non è in grado di offrire un tale controllo sull'altezza del canale a causa delle variazioni spaziali della velocità di attacco.
Tecnologia a canali sotterrati
Nella tecnologia a canali sotterrati, l'obiettivo è creare una trincea di accesso profonda mediante incisione ionica reattiva profonda (DRIE) anisotropica diretta del silicio. Le pareti laterali sono passivate tramite deposizione chimica da fase vapore (CVD) e successivamente viene inciso isotopicamente un canale circolare, con il fondo della trincea di accesso posizionato centralmente [Paick SJ et al. Sens Actuators A]. Inoltre, questa tecnologia risulta efficace quando si impiegano elementi di accesso molto profondi e stretti, il che richiede una litografia su scala micrometrica e una DRIE ad alto rapporto d'aspetto.
È inoltre ampiamente utilizzata una variante di questa tecnica: il metodo isotropico della DRIE viene impiegato per incidere il silicio bulk sotto una maschera perforata di nitruro di silicio. Successivamente, la tecnica CVD viene utilizzata per sigillare i fori di accesso nella maschera [Dijksta M et al. 2007 J Micromech Microeng]. Lo svantaggio di questo metodo riguarda la stabilità meccanica del tetto a film sottile, che rappresenta una limitazione in alcune applicazioni.
Microfabbricazione in bulk
L'approccio di produzione ancora oggi più diffuso è senza dubbio la microfabbricazione in bulk. In questo metodo, i canali microfluidici e nanofluidici vengono formati rimuovendo il materiale in eccesso da un wafer e facendolo aderire o incollandolo a un altro wafer per incapsulare i canali.
Nella tabella sottostante troverete i protocolli che consentono di scegliere diverse opzioni di microfabbricazione in base alla vostra applicazione, utilizzando vetro e/o silicio. Per approfondire, la tabella fornisce anche informazioni sui diversi processi coinvolti nella microfabbricazione, come i metodi di bonding o le connessioni fluide.
Fase | Selezione da effettuare | Percorso A | Percorso B |
1 | Materiali coinvolti nel processo di microfabbricazione | – Vetro/Vetro (seguire questo percorso se l'applicazione richiede la trasparenza ottica del dispositivo) | – Vetro/Silicio (un percorso più comune e consolidato) |
2 | Metodo di patterning: Microcanali | – Incisione a umido (wet etching) in HF/HCl* -Incisione a secco (consigliata solo se sono richieste pareti verticali o strutture ad alto rapporto d'aspetto) | – Incisione a secco (dry etching) del silicio -Per dispositivi microfluidici complessi che richiedono molteplici strati di canali, il wafer di silicio può essere sottoposto a patterning su entrambi i lati e i fori passanti possono essere incisi attraverso il wafer per collegarli; in alternativa, è possibile eseguire il patterning sia sul vetro (tramite incisione a umido) sia sul silicio |
2 | Metodo di patterning: Fori passanti per porte fluidiche | – Incisione a umido (wet etching) – Sabbiatura (sand-blasting) – Foratura meccanica | – Incisione a secco (dry etching) – Foratura laser – Sabbiatura (sand-blasting) |
| 3 | Metodo di bonding: Nessun collegamento elettrico e il dispositivo opera a una temperatura superiore a 200 °C | –Fusion bonding -Anodic bonding con strato metallico o a:Si | – Anodic bonding |
| 3 | Metodo di bonding: Nessun collegamento elettrico e il dispositivo opera a una temperatura inferiore a 200 °C | –Adhesive bonding -Anodic bonding con strato metallico o a:Si -Fusion bonding | – Anodic bonding – Adhesive bonding |
| 3 | Metodo di bonding: con collegamento elettrico e il dispositivo opera a una temperatura superiore a 200 °C | – Anodic bonding (lo spessore dello strato metallico può essere critico) -Bonding tramite strato intermedio | – Anodic bonding (lo spessore dello strato metallico può essere critico) |
| 3 | Metodo di bonding: con collegamento elettrico e il dispositivo opera a una temperatura inferiore a 200 °C | –Adhesive bonding -Anodic bonding (lo spessore dello strato metallico può essere critico) |
– Adhesive bonding – Anodic bonding (lo spessore dello strato metallico può essere critico) |
| 4 | Connessioni fluidiche | – Permanenti: inserimento a pressione del tube nelle porte in polimero (opzionalmente fissato con colla o PDMS) – Ferrule fissato permanentemente con capillare rimovibile (es. Nanoport) – Temporanee: inserimento a pressione del capillary tube nel dispositivo in PDMS (permanente se il PDMS è trattato al plasma) – Supporto per chip bloccato meccanicamente |
Permanenti: inserimento a pressione del tube nelle porte in polimero (opzionalmente fissato con colla o PDMS) – Ferrule fissato permanentemente con capillare rimovibile (es. Nanoport) – Temporanee: inserimento a pressione del capillary tube nel dispositivo in PDMS (permanente se il PDMS è trattato al plasma) – Supporto per chip bloccato meccanicamente |
* HF/HCl: soluzione di acido fluoridrico e acido cloridrico
Tabella 1: Selezione del processo di fabbricazione in base ai requisiti dell'applicazione (ottici, geometrici, elettrici e termici). Le opzioni di processo preferite sono mostrate in grassetto. Tratto da Iliescu et al. 2012 Biomicrofluidics
