Mikrofluidische Chips für die Elektrophorese in Dünnschicht-Sandwich-Bauweise
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenüber der Ausgangslage vor Beginn des Projektes ist vor allem ein Erfahrungsgewinn in Hinsicht auf die Abformung von sehr breiten Strukturen mit dem Ziel dünner Restschichten zu verzeichnen. Die Vorgehensweise zur Herstellung von Elektrophorese-Chips in Dünnschicht-Sandwich-Bauweise lässt sich in vier unterschiedliche Themengebiete unterteilen, die Stempelherstellung bzw. den Layoutentwurf, die Schichterzeugung, das Prägen und das Bonden. Die Herstellung von Stempeln mittels Photolithographie diente als Mittel zum Zweck das Layout der Kanalstukturen in Hinsicht auf deren optimiertes Prägeverhalten zu gestalten. In den hierzu durchgeführten Untersuchungen stellte sich heraus, dass bei einer kompletten Abformung des Stempels das auf die Kanäle reduzierte Layout optimal ist. Hilfstrukturen parallel zum Funktionskanal ermöglichen bei reduzierter Polymerschicht (Schicht kleiner als Kanalhöhe) eine für den Bondprozess erforderliche homogene Schichthöhe. Letzteres Vorgehen stellte sich vor allem bei Problemen mit Haftung nach der Prägung als probater Weg heraus. Die Schichterzeugung mittels Spincoating ist mit dem Material der Wahl, Poly(venylbuthyral) (PVB) nur unter großem Material- und Zeitaufwand möglich. Daher wurden alternative Schichterzeugungs methoden gesucht und mit Rakelprozessen gefunden. Die zunächst getesteten Drahtrakel wiesen dabei schlechtere Ergebnisse auf als ein eigens konstruierter Messerrakel. Es konnten homogene Schichten der gewünschten Dicke (30 µm – 50 µm) erzielt werden. Das für die Prägungen verwendete Polymer erwies sich aufgrund seiner starken Haftung als sehr problematisch für das thermische Prägen. Anders als bei gewöhnlichen Prägungen musste der Stempel durch Aufbringen einer Rückplatte stabilisiert werden. Dennoch war eine zerstörungsfreie Trennung nach der Prägung nur bei reduzierter Ausgangsschicht möglich. Unter solchen Bedingungen konnten erfolgreiche Prägungen sowohl auf Silizium wie auf Glas durchgeführt werden. In ausführlichen Versuchen zum Bonden wurde ein optimierter Prozess zunächst an Probestücken ermittelt. Der am besten geeignete Prozess sieht vor, die Abdeckung mit einer sehr dünnen PVB- Schicht zu bespinnen (≈ 100 nm) und diese dann unter leichtem Druck (< 200 N) in einer Presse und bei Temperatur zu verbinden. Aufgrund der dennoch zu großen Inhomogenität der um die Kanäle herum erzeugten Schicht war es jedoch trotz erfolgreicher Durchführung der einzelnen Herstellungsschritte nicht möglich den Chip rundum dicht zu verbonden und somit den Chip zu testen. Zur Erfolgreichen Herstellung von Elektrophorese-Chips in Sandwich Bauweise müssen künftige Arbeiten auf veränderten Herstellungstechnologien aufbauen. Aus heutiger Sicht sind dies: (i) Erzeugung der Polymerschichten mittels Folien. (ii) Herstellung der Prägestempel in SiO2 auf Si, gebondet auf einen festen Träger. (iii) Aufbringung einer effektiven Haftschicht für das verwendete Polymermaterial PVB, ohne Beeinträchtigung des Bondverhaltens und der Kanalfunktionalität. (iv) Trennhilfen an Stempel und Substrat. Durch derartige Veränderungen im Herstellungsprozess könnten nach derzeitigen Ergebnissen Elektrophorese-Chips erfolgreich hergestellt werden und im Bereich Lab-on-a-Chip Anwendung finden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- ‚Partial cavity filling in thermal nanoimprint’, Dissertation, Bergische Universität Wuppertal, 2008
N. Bogdanski
