Actieve microfluïdische componenten met halfgeleidertechnologie compatibele materialen en methoden

Lab-on-chip en micro-totaal-analyse-systemen hebben de afgelopen 30 jaar grote belangstelling gekregen van zowel de onderzoeksgemeenschap als de commerciële sector na de eerste introductie van microfluïdica als een individueel onderwerp in de jaren tachtig. Een typisch geïntegreerd actief lab-on-chipapparaat bestaat uit vloeistofonderdelen met microkleppen en micropompen om de routing, timing en menging van vloeistoffen nauwkeurig aan te drijven en te regelen, en uit niet-vloeibare onderdelen met elektrische en optische componenten voor apparaatbesturing en extra functionaliteiten. De eerste chips met silicium gebaseerde micro-elektromechanische systemen zijn in de loop der jaren voortdurend verbeterd met oog op de complexiteit en energieefficiëntie voor actieve microfluïdische apparaten. Afgezien van de hoge kosten per oppervlakte-eenheid, heeft de op silicium gebaseerde technologieroute echter minder de voorkeur wanneer een grote trillingsamplitude nodig is voor zinvolle microfluïdische operaties. Polydimethylsiloxaan (PDMS)-achtige materialen, die al tientallen jaren zijn ontwikkeld, en de bijbehorende zachte-lithografiemethode hebben snelle prototyping mogelijk gemaakt en hebben het mogelijk gemaakt de activeringsamplitude met grootte ordes te verbeteren in vergelijking met de silicium gebaseerde apparaten. Niettemin is de integratie van PDMS-achtige polymeren in industriële halfgeleideromgevingen ongewenst voor middelgrote en grootschalige productie.

In dit proefschrift evalueren we mogelijke oplossingen om de industrialisatie van microfluïdica te verbeteren. In het bijzonder richten we ons op de ontwikkeling van twee onmisbare actieve microfluïdische componenten, namelijk de geïntegreerde actieve micropomp en de actieve microklep, met halfgeleidertechnologie-compatibele materialen en fabricagemethoden. Twee verschillende polymeren van halfgeleiderkwaliteit, polyimide en een op polyisopreen gebaseerd elastomeer, worden gebruikt om membraan gebaseerde actieve microfluïdische componenten op te bouwen. Op basis van drie aansturingsmethoden worden piëzo-elektrische, pneumatische en elektrostatische actuatoren vervaardigd op glassubstraten met behulp van standaard cleanroomfaciliteiten.

Specifiek is een piëzo-elektrisch aangedreven actieve micropomp ontwikkeld met polyimide als vibrerend membraan. We onderzoeken de integratiemethode voor het aanbrengen van een dunne laag polyimide op een microfluïdische laag met behulp van verschillende laserbronnen, evenals de ontwerpregels van efficiënte micropompgeometrieën, met name de mondstuk/diffusorelementen met vaste geometrie die worden gebruikt als de vloeistofgelijkrichter om de stroomrichting te reguleren.

Om het hoofd te bieden aan de noodzaak om een 30 μm diep microfluïdisch kanaal af te knijpen, worden verschillende elastomeerkandidaten met een lage Young-modulus (MPa) gescreend, met speciale aandacht voor de chemische compatibiliteit met verschillende zuren en oplosmiddelen om lithografie gebaseerde metaalpatronering mogelijk te maken. Naast het ontwikkelen van de route om de dunne elastomeren te integreren in een microfluïdische kanaal, onderzoeken we de directe metallisatiemogelijkheid van het elastomeer met behulp van conventionele fysieke dampafzetting en op lithografie gebaseerde patroonvormingsmethoden door te kijken naar de theoretische en experimentele optimalisatie van een metaal/polymeer dubbelle laag. Een hybride elektrostatisch-pneumatische actieve microklepconfiguratie wordt voorgesteld en ontwikkeld.

Door zorgvuldig de juiste aandrijfmechanismen te kiezen, hetzij geïntegreerde elektromechanische koppelingen zoals piëzo-elektrische of elektrostatische aandrijfmethoden, hetzij externe aandrijfkracht zoals een pneumatische bron, hebben we met succes proof-of-concept-apparaten gedemonstreerd voor drie soorten actieve microfluïdische transducers die zijn vervaardigd in een standaard cleanroom-omgeving. De ultieme compatibiliteit van de voorgestelde materialen en verwerkingsmethoden met de halfgeleider en beeldscherm industrie maakt de weg vrij voor toekomstige industrialisatie van complexe lab-on-chip-systemen met een hoge mate van integratie en de mogelijkheid voor massaproductie.