表面弾性波駆動型アコースティック·逆流マイクロフルイディクスで製作、操作と流れの可視化

要約

このビデオでは、第1の弾性表面波（SAW）音響向装置の製作および操作手順を説明する。我々はその後、質的流れの可視化とSAWポンプ装置内の複雑な流れの定量分析の両方を可能にした実験のセットアップを示しています。

要約

表面弾性波（弾性表面波）が音響逆流現象を介して携帯型マイクロ流体チップ内の液体を駆動するために使用することができる。このビデオでは、多層SAW音響向装置の製造プロトコルを提示します。デバイスは、2つのすだれ状電極（IDTの）及び適切なマーカーがパターニングされ、その上にニオブ酸リチウム（LN）基板から出発して製造される。 SU8マスターモールド上にキャストポリジメチルシロキサン（PDMS）チャネルは、最終的にパターニングされた基板上に接合されている。製作手順に続いて、我々はPDMSチャネルグリッドを通して流体をポンプするために、音響向デバイスの特性評価と動作を可能な技術を示しています。我々は最終的にチャネル内の液体の流れを可視化する手順を紹介します。プロトコルは、そのような層流と渦と粒子の蓄積ドメインによって特徴付けられる、より複雑なダイナミクス異なるフローレジームの下で圧送流体チップ上で表示するために使用される。

概要

マイクロ流体のコミュニティが直面している継続的な課題の一つは、真にポータブルマイクロトータル分析システム（μTASの）への統合のために小型化することができる効率的なポンプ機構を持っている必要がある。チャネルサイズはミクロン範囲まで低下させるか、または以下のように標準的な巨視的なポンプシステムは、単に体積流量の不利なスケーリングにより、μTASのために必要な移植性を提供することができない。それどころか、のこぎりは、流体作動機構として関心の高まりを得て、これらの問題の^1,2のうちのいくつかのソリューションのための有望な手段として表示されます。

弾性表面波は、流体³へのエネルギー輸送の非常に効率的なメカニズムを提供することが示された。圧電基板、 例えばニオブ酸リチウム（LN） ​​の上にSAWの伝播は、波はレイリー角_θR =罪として知られている角度でそのパスに任意の流体に放射されたとき722、図1（c _F / C _秒 ）、基板内の音速度の不一致、C _s、および流体C _fに起因。流体中への放射線の漏洩これは、流体の音響流を駆動する圧力波を生じさせる。デバイスに適用されたデバイスの形状とパワーに応じて、このメカニズムは、オンチップなどの流体混合、粒子ソーティングなどのプロセス、噴霧、及びポンプ^1,4の様々を作動させることが示された。 SAWとmicrofluidsを作動させるのシンプルさと有効性にもかかわらず、これまでに実証されているマイクロ流体ポンプ機構を駆動SAWのほんのいくつかあります。最初のデモは、圧電基板³上のSAW伝搬路に配置された無料の滴の簡単な翻訳だった。この新規な方法は、マイクロ流体作動方法として、弾性表面波を使用する際に大きな関心を生成し、一方の流体が依然として必要であった同封のチャネル·より難しいタスクを介して駆動される。タンらは、レーザーは、圧電基板に直接アブレーションれたマイクロチャネル内にポンプを実証した。チャネルとIDT寸法に関して幾何修飾により、彼らは一様と流れを混合⁵の両方を示すことができた。グラスらは、最近人気のあるラボ·オン·-CDのコンセプト^6,7の真の小型化のデモンストレーションとして、遠心マイクロフルイディクスとSAW作動回転を組み合わせることにより、マイクロチャネル及びマイクロ流体コンポーネントを介して流体を移動させる方法を示した。しかし、実証されているだけで完全に囲まれたSAW駆動ポンプ機構はなりチェッキーニらのSAW主導音響向⁸このビデオの焦点に残っている。それは伝搬方向に対向する方向に密閉流路を介して圧送する流体の霧化と合一を利用するcoustic波。このシステムは、マイクロチャネル内で驚くべきことに、複雑なフローを生じさせることができる。また、デバイスの幾何学的形状によっては、層流から渦と粒子蓄積領域によって特徴付けられる、より複雑なレジームに、フロースキームの範囲を提供することができる。簡単に装置内の流動特性に影響を与える能力は、高度なオンチップ粒子操作のための機会を示している。

デバイス製造、実験操作、および流れの可視化：このプロトコルでは、実用的なSAWベースのマイクロ流体の主要な側面を明確にしたい。我々は明示的にSAW主導音響向装置の製造及び操作のためにこれらの手順を記述しているが、これらのセクションは簡単にSAW駆動型マイクロ流体制度の範囲への応用のために変更することができます。

プロトコル

1。デバイス製造

1. デザインつのフォトマスクをパターニングするための第1の弾性表面波（SAW）層、およびポリジメチルシロキサン（PDMS）マイクロモールドする第。
   1. 第1のフォトマスクは、すだれ状電極（IDTの）は、SAWディレイラインおよびチャネル·アライメント顕微鏡との間の空間参照のためのマーカーとして知られている一対の対向している。私達の標準的なデバイスでは、指の幅で、単極のIDTを持つpは= 10ミクロン、750ミクロン、25まっすぐ指ペアの開口。結果IDTは128で波長λ= 4 P動作周波数に対応した= 40μmのfは_O = Cλ/ _SAW≈100 MHzの°YXニオブ酸リチウム（LN） ​​と弾性表面波を生成します。各IDT幅層を接合しながら、任意の位置ずれの影響を低減するためにマイクロチャネル幅の2倍を超えるべきである。 IDTの設計パラメータはCOMPRを議論するehensivelyいくつかの書籍で^9-11。我々は一IDTは、（チャネル出口に配置された）、音響向流中のチャンネルに流体を駆動する必要があるが、パターニング完全な遅延線は、デバイスのテストを支援することをマーキングする。
   2. 第二は、チ​​ャネル入口を形成するマイクロチャンバと、SAW遅延線に沿って整列させるための単純なマイクロチャネル構造を有している。我々の典型的なデバイスにおいて、チャネルは、幅w = 300ミリメートル5mmの長さを有する。一般的なルールとして、チャネル幅はマイクロチャネル内のSAW伝播中に回折効果を避けるために、少なくとも10λでなければなりません、しかし、我々のテストで我々は〜7λの幅が大幅にチャネル内のSAWの伝搬に影響を与えないことがわかった。
2. LNウェーハを切断2センチメートルサンプルを2 CMに始まる。透過顕微鏡法を実行するためには、両面研磨されたウェーハを使用する必要がある。 LNは、その生体適合性のための標準であり、SAWあることに注意してください長軸に沿って偏光および高い圧電結合係数は、しかし、他の圧電材料は、適切な設計上の考慮事項で使用することができる。
3. 2 - プロパノール、アセトンですすぎ、窒素銃で乾燥することにより、基板をクリーニングします。
4. 1分間4,000 rpmでシプリーS1818とコートサンプルをスピン。
5. 90でソフトベーク℃のホットプレート上で1分間。
6. マスクアライナを用いたSAWのレイヤーマスクでサンプルを合わせ、55 MJ / cm ^2とで紫外線にさらされている。注意をLN基板の長軸に沿ってIDT方向を揃えるために取られるべきである。
7. 未露光レジストを除去するために30秒間Microposit MF319現像液にサンプルを洗浄します。
8. 脱イオン水でサンプルをすすぐことによって、開発を停止し、窒素銃でそれを乾燥させます。
9. 熱蒸発によって厚さ100nmの金層、続いて10nmの厚さのチタン接着層を堆積させる。
10. Sを超音波処理することによりリフトオフ行うアセトンで十分、その後窒素ガンで2 - プロパノールとドライでそれをすすいでください。
11. マイクロチャネル領域¹²で、それが疎水性にするために、デバイスの表面をSilanize。
    1. メーカーのデータシートに記載の光リソグラフィによりAR-N-4340ネガ型フォトレジストでマイクロチャンバー領域をマスク。
    2. 約450のバイアス電圧を与える0.14ミリバールの圧力と100 W電源の2分酸素プラズマ（Gambetti Kenologia SRL、コリブリ）で試料表面をアクティブV.
    3. 35ミリリットルヘキサデカン、15ミリリットル四塩化炭素（ _四塩化炭素）、及びヒュームフード内部のビーカーに20μlのオクタデシルトリクロロシラン（OTS）を混ぜる。溶液中のデバイスを配置し、二時間のために覆われたまま。
    4. 2 - プロパノールでデバイスをすすぎ、窒素銃でそれを乾燥させます。
    5. 表面の水の接触角が90°を超えていることを確認する。接触角が不十分な場合は、サンプルをきれいにし、1.11の手順を再実行してください。
    6. 削除する残差は、アセトン、2 - プロパノール中でリンスし、窒素ガンで乾燥させることによって試料上のレジスト。
12. 無線周波数波路と標準同軸コネクタ（RF-PCB）を有するプリント回路基板上に試料をマウントした後、試料の縁に音響吸収体（ファーストコンタクトポリマー）を貼り付け、ワイヤボンディングやポゴ·コネクタを使用して、IDTに接続します。
13. チャネル層の母型は、標準的なフォトリソグラフィを用いて光学シリコン（Si）のウエハの小片上にSU-8を用いてパターニングされる。 SU-8型フォトリソグラフィレシピが必要な最終的なPDMS内部チャネルの高さに依存することになる。
14. 金型にPDMSをキャスト
    1. 午前10時01分の割合で硬化剤とPDMSを混ぜる。
    2. 脱気のための1,320×gで2分間PDMSを遠心分離。
    3. 1ミリメートルのオーダーの合計PDMSの高さにシャーレにSU-8鋳型の上にそっとPDMSを注ぐ。開いたペトリ皿をオードで約30分間真空デシケーター内に配置することができるさらにドガPDMSへえー。
    4. 一度脱気し、オーブン中で1時間80°Cに加熱することによりPDMSを治す。焼成時間および温度はPDMSの機械的特性に影響を与えることができることに留意されたい。
15. 固体PDMS層を準備
    1. 、外科刃を使用してチャネルの周りカットSU8マスターを傷つけないように注意しながら、オフそれはがし。
    2. レプリカエッジはその後洗練され、少なくとも2ミリメートルチャネルの側面に隙間、チャネル出口のないクリアランスを（右カットスルー）を残しカミソリの刃を使ってまっすぐにしている。
    3. 流体ローディング入口を形成するために、ハリスunicoreにパンチャーを使ってマイクロチャンバーに穴を開ける。
16. シンプルなフォーマルボンディングによってLN基板とPDMSチャネル結合。可逆ままこのように債券は、流体試験段階にわたって開催します。
    1. 両面を圧縮窒素空気で余分なゴミを吹き飛ばすことで入社前に清掃されます。それはcパターン化されたアライメントマークによるLNの長軸とのチャネルを整列させる部分を結合するときritical。
17. 完全なデバイスの概略図を図1に示されている。使用するまでクリーンな環境で完成したデバイスに格納します。

注：すべての製 ​​造工程は、使用する前に、装置の汚染を避けるためにクリーンルーム環境で行われることが重要である。

注：光リソグラフィ工程の任意の好適な方法は、ユーザによって置換されてもよい。

注：シラン化手順は、好ましい疎水性コーティング法¹³に代えることができる。

2。 RFデバイスのテスト

1. あなたのRF-PCB上のオープン/ショート導波路とのネットワークやスペクトラムアナライザのキャリブレーションを行います。
2. スペクトラム·アナライザのポートにSAW遅延線を接続した散乱行列を測定するデバイス。単一の電極トランスデューサのペアの送信は、IDTの動作周波数を中心とするシンク関数の絶対値のようになります。反射スペクトルではディップ（最小）同じ周波数^9-11で観測される。長径代表値に沿って100 MHzの動作周波数で我々のデバイスでは-15 S11とS22のためのdBで、S _12（PDMSチャネルなし）のための-10 dBである。

3。マイクロフルイディクスとパーティクルフローダイナミクス可視化実験と解析

1. 顕微鏡下でサンプルを置きます。特定の光学セットアップが観察されるようにSAWのマイクロ流体現象に依存します。例えば、4X客観的かつ30 fpsのビデオカメラを搭載したシンプルな反射顕微鏡は、流体充填力学を研究するのに適したようになります。より複雑な微粒子のダイナミクスを調べるためには、対物レンズ20Xと100のfps以上のビデオカメラを備えた顕微鏡を使用する必要があるかもしれない。それはimportanですが対物レンズとフレームレートの両方は、任意の空間的及び時間的に重要な流れ特性を捕捉するのに十分高いことトン。
2. RF信号発生器にチャネル出口の目の前でIDTを接続し、散乱行列測定で観測された共鳴周波数でそれを操作する。音響逆流実験における標準動作電力は20 dBmです。必要であれば、UHFハイパワーアンプを使用する。低い電力でデバイスを実行中に音響ストリーミングと微粒化現象は音響逆流せずに観察されています：一般的にアコースティックストリーミング再循環は0 dBmで始まり、霧化は、上記の14 dBmに発生します。
3. マイクロピペットでマイクロチャンバーに流体60μlのをロードします。流体は、受動的マイクロチャンバ内に拡散する。必要であれば、静かにマイクロチャンバーの充填を支持するために、マイクロチャンバー表面に押し込みます。
   1. 流れを可視化するためには、流体にマイクロビーズを追加する必要がある。順番に粒子CLUSTを避けるために注意してくださいering、実験前に粒子懸濁液を超音波処理。ロード中に、基板上の粒子の付着を回避するには、デバイスに0 dBmの信号を印加。
4. 顕微鏡でビデオの録画を開始し、音響逆流を観察するために、動作電力を増加させる。異なる流れ方式は、入力電力、チップ設計と粒径によって決定される。
   1. 定性的にダイナミクスをキャプチャするためには、流体の流れは、空間基準としてマーカーを用いて充填通路のさまざまな段階でメニスカスと入口の近傍で記録されなければならない。
   2. ミクロ粒子画像流速^{（μPIV）14,15}又は時空間画像相関分光法^{（STICS）16,17}によって粒子ダイナミクスの定量的測定を行うために、流体の流れは、ビューの固定フィールドに関心のある地点で記録されなければならない粒子力学に​​よって課さフレームレートで少なくとも100フレームである。
5. 画像処理ソフトウェアを使用してビデオを分析する。使用するソフトウェアの選択は、関心のある現象に依存します。例えば、霧状の液滴は、粒子の蓄積の空間的周期性、又は希釈された粒子、例えばフィジーなどの単純なフリー画像解析ソフトウェアのマニュアルトラッキングのサイズ分布を定量化するためには^、18好適であるために取得するのに対し合理化速度場測定は、mPIV、カスタマイズ¹⁹またはSTICS ²⁰のコードが必要になります。我々の分析でカスタマイズSTICSコードはMATLABで書かれている、しかし、言語のコーディング好ましい代替も同様に許容できるかもしれません。

結果

それぞれ）典型的なS ₁₁とS ₁₂スペクトル）パネルで報告されており、B：図2はマイクロチャネル層にLN層を接着する前に撮影されたデバイスのRFテストの代表的な結果を示しています。 S ₁₁スペクトルの中心周波数での谷の深さでRF電力の変換効率に関係していると、機械力を見ました。従って、IDTフィンガ対の固定数のため、谷の?...

ディスカッション

マイクロ流体コミュニティが直面する最大の課題の一つは、真の携帯ポイントオブケア·デバイスの作動プラットフォームの実現である。提案された統合されたマイクロポンプ²³のうち、表面弾性波（SAWの）に基づくものが原因で流体混合、霧化粒子濃度および分離⁴におけるそれらの関連付けられた機能に特に魅力的である。本稿ではまずチェッキーニらによって説明?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Double side polished 128° YX lithium niobate wafer	Crystal Technology, LLC
Silicon wafer	Siegert Wafers		We use <100>
IDT Optical lithography mask with alignment marks (positive)	Any vendor
Channel Optical lithography mask (negative)	Any vendor
Positive photoresist	Shipley	S1818
Positive photoresist developer	Microposit	MF319
Negative tone photoresist	Allresist	AR-N-4340
Negative tone photoresist developer	Allresist	AR 300-475
SU8 thick negative tone photoresist	Microchem	SU-8 2000 Series
SU8 thick negative tone photoresist developer	Microchem	SU-8 developer
Hexadecane	Sigma-Aldrich	H6703
Carbon tetrachloride (CCl4)	Sigma-Aldrich	107344
Octadecyltrichlorosilane (OTS)	Sigma-Aldrich	104817
Acetone CMOS grade	Sigma-Aldrich	40289
2-propanol CMOS grade	Sigma-Aldrich	40301
Titanium	Any vendor	99.9% purity
Gold	Any vendor	99.9% purity
PDMS	Dow Corning	Sylgard 184 silicone elastomer kit with curing agent
Petri dish	Any vendor
5 mm ID Harris Uni-Core multi-purpose coring tool	Sigma-Aldrich	Z708895	Any diameter greater than 2 mm is suitable
Acoustic absorber	Photonic Cleaning Technologies	First Contact regular kit
RF-PCB	Any vendor
Spinner	Laurell technologies corporation	WS-400-6NPP	Any spinner can be used
UV Mask aligner	Karl Suss	MJB 4	Any aligner can be used
Thermal evaporator	Kurt J. Lesker	Nano 38	Any thermal, e-beam evaporator or sputtering system can be used
Oxygen plasma asher	Gambetti Kenologia Srl	Colibrì	Any plasma asher or RIE machine can be used
Centrifuge	Eppendorf	5810 R	Any centrifuge can be used
Wire bonder	Kulicke Soffa	4523AD	Any wire bonder can be used if the PCB is used without pogo connectors
Contact Angle Meter	KSV	CAM 101	Any contact angle meter can be used
Spectrum analyzer	Anristu	56100A	Any spectrum or network analyzer can be used
RF signal generator	Anristu	MG3694A	Any RF signal generator can be used
RF high power amplifier	Mini Circuits	ZHL-5W-1	Any RF high power amplifier can be used
Microbeads suspension	Sigma-Aldrich	L3280	Depending on the experimental purpose different suspension of different diameter and different material properties can be used
Optical microscope	Nikon	Ti-Eclipse	Any optical microscope with spatial resolution satisfying experimental purposes can be used
Video camera	Basler	A602-f	Any video camera that has enough frame rate and sensitivity satisfying experimental purposes can be used
Camera acquisition software	Advanced technologies	Motion Box	Any software enabling high and controlled frame rate acquisition can be used