设计和开发用于制造多层微流体设备的三维打印显微镜面膜对齐适配器

摘要

该项目允许小型实验室开发一个易于使用的平台，用于制造精确的多层微流体设备。该平台由三维打印显微镜面罩对齐适配器组成，使用该适配器实现了多层微流体设备，对齐误差为 <10 μm。

摘要

该项目旨在开发一个易于使用且经济高效的平台，用于制造精确的多层微流体设备，通常只能在洁净室环境中使用昂贵的设备才能实现。平台的关键部分是三维（3D）打印显微镜面罩对齐适配器（MMAA），与常规光学显微镜和紫外线（UV）光照射系统兼容。由于为优化设备设计所做的工作，创建设备的整体过程已大大简化。这个过程需要为实验室中可用的设备找到合适的尺寸，并使用优化的规格对MMAA进行3D打印。实验结果表明，3D打印设计制造的优化MMAA在普通显微镜和光照系统下表现良好。使用由 3D 打印 MMAA 制备的主模具，生成的具有多层结构的微流体设备包含 10 μm <对齐误差，这足以满足普通微芯片的需求。虽然通过将设备转移到紫外线照射系统的人为错误会导致更大的制造错误，但通过实践和小心，本研究中实现的最小错误是可以实现的。此外，可以通过更改 3D 打印系统中的建模文件来定制 MMAA 以适应任何显微镜和紫外线照射系统。该项目为较小的实验室提供了有用的研究工具，因为它只需要使用通常已经为生产和使用微流体设备的实验室提供的设备。以下详细协议概述了 MMAA 的设计和 3D 打印过程。此外，还介绍了使用MMAA采购多层主模具和生产聚（二甲基硅氧烷）（PDMS）微流体芯片的步骤。

引言

由于采用微流体平台的应用广泛，工程研究领域发展良好，前景广阔，因此微制造领域前景广阔。微制造是一种使用不同化合物产生具有 μm 或较小功能的结构的过程。随着微流体研究在过去30年的发展，软平板学已成为最流行的微制造技术，用来生产由聚（二甲基硅氧烷）或类似物质制成的微芯片。这些微芯片已广泛应用于普通实验室实践^{1、2、3、4}的小型化^，并已成为工程师模仿反应过程^5、6、7、研究反应机制、模仿人体体外器官（例如芯片上的器官^{）8、9、10}的有力研究工具。但是，随着应用程序的复杂性增加，通常更复杂的微流体设备设计能够更好地复制它要模仿的真实系统。

基本的软平板摄影程序包括用光复剂物质涂覆基板，并在涂层基板上放置光罩，然后让基板受到紫外线^照射11。光面罩具有透明区域，可模仿微流体设备通道所需的模式。当涂层基板受到紫外线照射时，透明区域允许紫外线光线穿透光幕，导致光电逆向。曝光步骤后，未交叉链接的光电逆光师使用开发人员冲走，留下具有预期图案的坚固结构。随着微流体设备的复杂性越来越大，它们需要具有极其精确尺寸的多层结构。与单层微制造相比，多层微制造过程要困难得多。

多层微制造需要将第一层特征与第二层面膜的设计精确对齐。通常，此过程使用商业面膜对齐器执行，成本高昂，需要培训才能操作机器。因此，对于缺乏资金或时间进行这种努力的小型实验室来说，多层微制造过程通常无法实现。虽然其他几个定制的口罩对齐器已经开发，这些系统往往需要购买和组装许多不同的零件，仍然可以相当复杂的12，13，14。这不仅对较小的实验室来说成本高昂，而且需要时间和培训来构建、理解和使用系统。本文详细介绍的口罩对齐器旨在缓解这些问题，因为无需购买其他设备，只需要生产和使用微流体设备的实验室中通常已经存在的设备。此外，口罩对齐器由 3D 打印制造，随着 3D 打印技术的最新进步，大多数实验室和大学都以负担得起的成本随时可用。

本文详细介绍的协议旨在创建一个经济高效且操作方便的替代面膜对齐器。此处详细介绍的面膜对齐器可使没有传统制造设施的研究实验室的多层微制造变得可行。使用显微镜面膜对齐适配器 （MMAA），可使用常规紫外光源、光学显微镜和通用实验室设备实现具有复杂功能的功能微芯片。结果表明，使用直立显微镜和紫外线光照射盒的示例系统MMAA性能良好。使用 3D 打印工艺生产的 MMAA 用于获得鱼骨微流体设备的双层主模具，对齐误差极小。使用 3D 打印 MMAA 制造的主模具，用多层结构制备了微流体设备，其中包含 10 μm <对齐错误。<10 μm 的对齐误差极小，不会妨碍微流体设备的应用。

此外，还确认了使用 MMAA 生产的四层主模具的成功对齐，并确定对齐误差为 < 10 μm。微流体设备的功能和最小的对齐错误验证了MMAA在创建多层微流体设备方面的成功应用。可以通过对 3D 打印机中的文件进行细微更改来定制以适应任何显微镜和紫外线照射系统。以下协议概述了微调 MMAA 以适应每个实验室可用设备和 3D 打印符合所需规格的 MMAA 所需的步骤。此外，协议详细说明了如何使用该系统开发多层主模具，然后使用主模具生产 PDMS 微流体设备。然后，生成主模具和微流体芯片，使用户能够测试系统的有效性。

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研究方案

1. 设计MMAA

1. 获取可用紫外线发射系统的托盘尺寸，作为 图 1中显示的晶圆支架（或紫外线照射单元）尺寸的上界面。如图 2A所示，测量内圆形边缘的直径 （d）、紫外线发射系统托盘的内部高度 （h）、托盘的总宽度 （w） 和长度 （l）。
   注:例如，可用的紫外线照射系统具有 5 英寸（"） x 5" x 0.25 英寸的内托盘尺寸，并带有 4 英寸圆形切口。然后，MMAA 的尺寸被设计为不超过内部托盘尺寸，以正确适合并平放在系统托盘内，如图 2B所示。有关 MMAA 的 3D 打印件，请参阅 图 3: 光照器涂层硅晶片和紧固件，以将设置固定到显微镜上。
2. 测量可放置滑动支架的可用直立显微镜台上的螺丝之间的长度。此外，测量螺丝的宽度。应用这些尺寸定制磁架（图1），以适应可用的显微镜，使MMAA轻松和精确固定到显微镜（图4A）。
3. 使用可用的计算机设计应用程序，定制晶圆支架和磁显微镜紧固件，以适应测量的尺寸。设计晶圆支架的高度、宽度和长度不大于紫外线发射系统托盘的高度（h）、宽度（w）和长度（l）。此外，还包括与紫外线发射系统托盘直径 （d） 相同的晶圆支架底部的圆形切口。生成用于设备 3D 打印的 MMAA 的两件 STL 或 CAD 文件（参见 补充材料）。

2.3D 打印 MMAA

1. 将生成的 STL 或 CAD 文件上传到可用的 3D 打印软件。3D 打印 MMAA 的两个部分，遵循使用的 3D 过程和打印机的适当程序。通过遵循任何所需的打印后步骤（例如，去除支撑材料、去除未治愈的树脂、额外的清洗或固化步骤）完成这些件。或者，使用可用的 3D 打印设施将设计的作品打印并在其他地方完成。
2. 确保晶圆支架适合，并平放在可用紫外线照射系统的托盘内（图2B）。此外，确保显微镜紧固件连接到显微镜阶段，并可以轻松地使用控制显微镜阶段的 x 和 y 位置的旋钮移动 （图 4A）。
3. 一旦碎片完成，插入和修复磁铁到晶圆支架和显微镜紧固件（图3A），使用超级胶水或任何其他固定物质。在测试系统之前，请让胶水干燥。
   注:如果需要，可以首先使用融合沉积建模（FDM）3D打印机打印原型件，以节省资源和资金^15。然后，可以评估此原型以准确适合现有设备，然后根据需要可以修改设计。然后，可以使用更精确的工艺（例如立体刻版）打印最终设备，以获得更高的精度。最终设备也可以用半透明的光洁度打印，以便在显微镜下最佳使用。

3. MMAA的实验测试

1. 设计和打印带有对齐标记的微流体设备光罩
   1. 使用计算机设计应用程序为所需的双层微流体设备设计光罩。
   2. 包括微流体设备通道结构侧面的其他结构，这些结构将充当对齐标记（接近光面罩/主模具的边缘）， 如图 5AB所示。确保微流体设备的每一侧都有一个对齐标记（总共至少四个）。此外，确保光面罩包含一个直边，可以与硅晶圆的直边缘完美对齐。
      注:对齐标记结构的复杂程度越高，将允许增加的层的对齐精度更高。至少，应该使用测量为 1 mm x 1 mm 的简单交叉结构（图 6A）。在 图 5AB的角和下中边缘可以看到对齐标记示例，该标记描绘了用于生成双层主模具的第一层和第二层光罩。
   3. 通过商业供应商或其他无障碍设施打印光罩
2. 使用 MMAA 创建双层主模具（光刻）
   1. 使用标准光刻技术和光刻制造商的说明，使用第一层光面罩¹⁶创建主模具的第一层。使用带有适当光电（即 SU-8）的 4" 硅晶片来创建所需的层厚度。确保第一层厚度大于后续层，以便轻松识别对齐标记。
   2. 使用浅色标记笔（例如黄金）为第一层的对齐标记着色。"金"是四面的颜色。
   3. 使用光修复师制造商的说明，启动主模具的第二层，通过旋转涂层的光修复器到晶圆上，并执行软烘烤^16。将涂层晶圆插入 MMAA 的晶圆支架（图 3B），然后用胶带将涂层晶圆固定到 MMAA 中。
   4. 使用磁性显微镜紧固件（图4A）将晶圆支架连接到可用的直立显微镜上。使用显微镜阶段的 x 方向和 y 方向旋钮移动 MMAA 的位置，直到通过显微镜镜头查看晶圆上的彩色对齐标记之一。
   5. 将第二层光罩插入晶圆支架，在涂层晶圆（图3C）上。确保通过光遮罩上的对齐标记部分看到第一层的彩色对齐标记。
   6. 将光遮罩连接到剪刀升降机（也称为支撑千斤顶），通过侧切口（图4B）与胶带之一。使用剪刀升降机调整光面罩的 Z 方向位置，直到它位于涂层晶圆（图 3C）上方。
      注:剪刀升降机允许对光面罩的 Z 位置进行微调，因为剪刀升降机可用于移动 Z 方向上所附光面像的位置。
   7. 在保持光罩静止的同时，通过显微镜镜头查看，在光标对齐标记下识别第一层的彩色对齐标记。使用显微镜阶段的 x 方向和 y 方向旋钮移动 MMAA 的位置（图4D）。通过显微镜透镜观察对齐标记的位置，调整 MMAA 的位置，直到光面罩上的对齐标记与第一层（图 6A，B）上的彩色对齐标记叠加。
   8. 小心地对光层进行轻微的强制，并使用胶带将光面罩固定在涂层晶圆的顶部。将光衣从剪刀升降机上分离。确保光面罩上的所有四个对齐标记都与第一层的四个对齐标记对齐。
   9. 实现对齐后，小心地将晶圆支架从显微镜阶段分离。将玻璃顶板插入晶圆和光面罩顶部，以缩小两块之间的间隙（图1）。将整个晶圆支架放入可用的紫外线照射系统，如图 4E所示。暴露第二层适当的时间和光强度，如光照器制造商的说明¹⁶所述。
   10. 从紫外线照射系统中取出晶圆支架。从晶圆支架上取下涂层晶圆，将光面罩从晶圆中分离。根据光照resist制造商的说明¹⁶完成第二层（例如烘烤后、开发、冲洗和干燥）的处理。
       注:确切的旋转涂层、软烘焙、暴露、烘焙后和发育条件（时间、温度）会因使用的光修复剂和所需的层厚度而异。实际情况和精确的光刻程序应基于光刻制造商的说明。
3. 使用主模具（软平版印刷）制备微流体设备
   1. 取回主模具，用胶带将其固定在 150 mm x 15 mm 塑料 Petri 盘的中间。
   2. 根据制造商的说明准备 +15-20 克 PDMS。将 PDMS 放在真空室中，或让它休息，直到没有任何气泡。将 PDMS 倒入包含主模具的培养皿中。
   3. 让带主模具的培养皿放在台面上，直到PDMS没有任何气泡。将培养皿放在 65 °C 的烤箱中，直到 PDMS 完全治愈（至少 3 小时）。
   4. 切断PDMS以揭示微通道结构。将微通道结构周围的 PDMS 切成单独的微芯片，为微流体设备创建入口和出口孔。使用胶带轻轻去除 PDMS 表面上可能存在的任何小颗粒物。
   5. 通过将 PDMS 芯片粘结到 PDMS 或通过等离子处理 PDMS 芯片和其他基材实现显微芯片的制作。
4. 确定对齐错误
   1. 检索主模具并使用直立显微镜确定第一层和第二层之间的间隙距离（对齐误差）。只需测量微通道结构上第一层第二层的移动距离并错位（请参阅 图 5D， 以测量间隙距离为例）。
   2. 使用直立显微镜确定 PDMS 芯片是否包含直线清晰设备边缘的通道壁。此外，检查 PDMS 芯片是否有可能妨碍设备功能的缺陷。
      注:主模具制造（第 3.2 和 3.3 节）可能需要重复才能实现较低的对齐误差。使用 MMAA 的重复实践可增强用户创建对齐良好的主模具的能力。此外，图像可以通过扫描电子显微镜（SEM）（图7）来确认对齐误差。

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结果

通过优化和使用MMAA（图1），制造了对齐误差最小的多层主模具。最后的MMAA是使用融合的灯丝制造（FFF）3D打印工艺（图2）制造的。FFF 流程提高了所需设备尺寸的准确性。MMAA由两个主要部分（图3）:底片和定制紧固件。基件由紫外线照射单元组成，该单元充当晶圆支架。紫外线照射装置允许光面罩和涂层硅晶片正确对齐。第二件...

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讨论

上述协议概述了 3D 打印 MMAA 并利用系统创建精确、多层、微流体设备主模具的程序。虽然设备易于使用，但协议中仍有关键步骤需要实践和注意，以确保主模具层的正确对齐。第一个关键步骤是MMAA的设计。在设计 MMAA 时，确定设备的精确测量结果至关重要，因为该测量结果将允许在紫外线照射系统内进行适当的安装。设备错位会导致不均匀的紫外线照射，从而造成主模具特征的畸形。第二个关?...

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材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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