Onderzoekers hebben zich bij het vervaardigen van hun microfluïdische apparaten voornamelijk gericht op polymeren zoals PDMS. De eerste microfluïdische apparaten werden echter wel degelijk vervaardigd uit glas en silicium, namelijk voor vloeistof- en gaschromatografie. Deze materialen bieden talrijke voordelen voor een breed scala aan toepassingen.
We zullen drie microfabricageprocessen met elkaar vergelijken waarmee deze materialen kunnen worden omgezet in microfluïdische apparaten: oppervlaktemicromachinering, technieken met verborgen kanalen en bulkmicromachinering.
Microbewerking aan het oppervlak
De techniek van oppervlaktemicromachinering bestaat uit het gebruik van een offerlaag die zo wordt gevormd dat de gewenste vloeistofkanalen worden gedefinieerd; vervolgens wordt een structurele laag aangebracht en ten slotte wordt de offerlaag weggeëtst. Opgemerkt moet worden dat oppervlaktemicromachinering weliswaar meer mogelijkheden biedt voor de fabricage van meerlaagse apparaten dan massamicromachinering, maar dat er niettemin meer processtappen per laag bij komen kijken. Er is verslag gedaan van een aantal veelbelovende microfluïdische apparaten die met behulp van oppervlaktemicromachinering zijn vervaardigd [James CD et al. 2006 J Micromech Microeng]. Oppervlaktemicromachining is met name interessant voor de fabricage van nanokanalen. De dikte van de offerlaag, die overeenkomt met de uiteindelijke hoogte van het kanaal, kan namelijk eenvoudig tot op de nanometer nauwkeurig worden geregeld. Bulkmicromachining biedt daarentegen geen dergelijke controle over de kanaalhoogte vanwege ruimtelijke variaties in de etssnelheid.
Technologie voor ondergrondse kabelkanalen
Bij de ‘buried channel’-technologie is het de bedoeling om een diepe toegangssleuf te creëren door middel van directe anisotrope diepe reactieve ionenetsing (DRIE) van silicium. De zijwanden worden gepassiveerd door middel van chemische dampafzetting (CVD), waarna een cirkelvormig kanaal isotroop wordt geëtst, waarbij de bodem van de toegangssleuf centraal is geplaatst [Paick SJ et al. Sens Actuators A]. Bovendien levert deze technologie goede resultaten op bij het gebruik van zeer diepe en smalle toegangsstructuren. Hiervoor is lithografie op micronschaal en DRIE met een hoge aspectverhouding vereist.
Ook een variant van deze techniek wordt op grote schaal toegepast: de isotrope DRIE-methode wordt gebruikt om bulk-silicium te etsen onder een geperforeerd siliciumnitridemasker. Vervolgens wordt de CVD-techniek gebruikt om de toegangsgaten in het masker af te dichten [Dijksta M et al. 2007 J Micromech Microeng]. Het nadeel van deze methode is de mechanische stabiliteit van de dunne-filmlaag, wat bij sommige toepassingen een beperking vormt.
Microbewerking in grote hoeveelheden
De productiemethode die vandaag de dag nog steeds het meest wordt toegepast, is ongetwijfeld massale microbewerking. Bij deze methode worden micro- en nanofluïdische kanalen gevormd door overtollig materiaal van een wafer te verwijderen en deze vervolgens aan een andere wafer te hechten of te verlijmen om de kanalen in te kapselen.
In de onderstaande tabel vindt u protocollen waarmee u, afhankelijk van uw toepassing, kunt kiezen uit verschillende opties voor microfabricage met glas en/of silicium. Daarnaast biedt deze tabel ook informatie over de verschillende processen die bij microfabricage een rol spelen, zoals verbindingsmethoden of vloeistofaansluitingen.
Stap | Te maken keuze | Route A | Route B |
1 | Materialen die bij het microfabricageproces worden gebruikt | –Glas/glas(kies deze optie als de toepassing optische transparantie van het apparaat vereist) | –Glas/silicium(een veelgebruikte en beproefde methode) |
2 | Patroonvormingsmethode: microkanalen | –Nat etsenin HF/HCl* -Droogetsen (alleen aanbevolen als verticale wanden of structuren met een hoge aspectverhouding vereist zijn) | –Droogetsenvan het silicium -Bij complexe microfluïdische apparaten waarvoor meerdere kanaallagen nodig zijn, kan de siliciumwafer aan beide zijden worden gestructureerd en kunnen er via-gaten door de wafer worden geëtst om deze met elkaar te verbinden; als alternatief kan zowel het glas (door middel van nat etsen) als het silicium worden gestructureerd |
2 | Patronvormingsmethode: Doorgaande gaten voor vloeistofpoorten | –Natetsen –Zandstralen – Boren | –Droogetsen – Laserboren – Zandstralen |
| 3 | Verbindingsmethode: geen elektrische aansluiting en het apparaat werkt bij temperaturen boven 200 °C | –Fusielassen -Anodische hechting met een metaal- of a:Si-laag | –Anodische hechting |
| 3 | Verbindingsmethode: geen elektrische aansluiting en het apparaat werkt bij temperaturen onder de 200 °C | –Lijmen -Anodische hechting met een metaal- of a:Si-laag -Fusielassen | –Anodische hechting – Lijmen |
| 3 | Verbindingsmethode: met elektrische aansluiting; het apparaat werkt bij temperaturen boven 200 °C | –Anodische hechting(de dikte van de metaallaag kan van cruciaal belang zijn) -Verlijming met behulp van een tussenlaag | –Anodische hechting(de dikte van de metaallaag kan van cruciaal belang zijn) |
| 3 | Verbindingsmethode: met elektrische aansluiting; het apparaat werkt bij temperaturen onder de 200 °C | –Lijmen -Anodische hechting (de dikte van de metaallaag kan van cruciaal belang zijn) |
–Lijmen – Bij anodische hechting kan de dikte van de metaallaag van cruciaal belang zijn) |
| 4 | Vloeistofaansluitingen | – Permanent: steek de tube -elementen in de polymeerpoorten (eventueel vastzetten met lijm of PDMS) – Vast gemonteerde ferrule met afneembare capillair (bijv. Nanoport) – Tijdelijk: capillair tube atie met klikverbinding in het PDMS-apparaat (permanent indien het PDMS met plasma is behandeld) – Mechanisch vastgeklemde spaanhouder |
Permanent: steek de tube -elementen in de polymeerpoorten (eventueel vastzetten met lijm of PDMS) – Vast gemonteerde huls met afneembare capillair (bijv. Nanoport) – Tijdelijk: capillair tube atie met klikverbinding in het PDMS-apparaat (permanent indien het PDMS met plasma is behandeld) – Mechanisch vastgeklemde spaanhouder |
* HF/HCl: oplossing van waterstoffluoride en waterstofchloride
Tabel 1: Keuze van het fabricageproces op basis van de eisen van de toepassing (optisch, geometrisch, elektrisch en thermisch). De voorkeursopties zijn vetgedrukt weergegeven. Ontleend aan Iliescu et al. 2012 Biomicrofluidics
