Tehnologii de fabricare, e tanșa re și conectare în microfluidica [619271]

Capitolul 2.
Tehnologii de fabricare, e tanșa re și conectare în microfluidica

Dispozitivele de tip Lab -on-a-chip (LOC) sunt utilizate în general pentru cercetarea
științelor vieții , ingineriei biomedicale dar și a diagnosticării și reprezintă un câmp de dezvoltar e
foarte rapid. Dispozitivele LOC sunt proiectate, prototipate și asamblate utilizând numeroase
strategii și materiale, dar unele tendințe fundamentale sunt c a aceste dispozitive în mod tipic să
fie:
– sigilate și etanșate ,
– umplute cu lichide, reactivi și /sau probe
– interconectate cu componente microelectronice.
În general, etanșarea și conectarea acestor laboratoare în miniatură la dispozitive
exter ne a rămân e o provocare, indiferent de tipul de aplicație urmărită. După cum urmeaz ă, o
să face m o analiză asupra metod elor și tehnologiilor de fabricație, sigilare /etanșare și conectare
a dispozitivelor LOC utilizând abordări standard, dar si urmărind metode recente , de ultimă
generație . Această trecere în revista procedee lor și abordări lor folosite ne oferă ex emple ușor
de înțeles și vizează înțelegerea proceselor și constrângerilor întalnite în cercetarea, crearea și
implementarea acstor dispozitive LOC .

Acest capitol este împărțit în patru subcapitole care se concentrează asupra :
– notiunii de Lab -on-chip și î nțelegerea constr ângerilor în tehnologia de fabricare;
– tehnicilor si metodelor de etanșare și încapsul are;
– tehnicilor de efectuare a conexiunilor fluidice;
– tehnicilor de efectuare a conexiunilor electrice;
dezvoltate pentru dispozitivele Lab -On-Chip.

Primul subcapitol este dedicat unui scurt istoric dar și înțelegerii constrângerilor apărute
în procesele de proiectare și fabricare.
Al doi-lea subcapitol se referă la metodele de creare și etanșare și conține diverse metode
de lipire bazate pe metode clasi ce (PDMS), lipirea polimerilor non -conformați (polimeri,
materiale plastice), lipirea/sudarea materiale lor dure precum sticlă și siliciu , straturi adezive
intermediare, vedem tehnologii le de prototipare recent apărute dar explică și tehnicile de
etanșare reversibile.

Al trei -lea subcapitol se referă la conexiunile fluidice și oferă o prezentare detaliată și
exemple recente de interfețe fluidice reversibile (pe bază de con ector i), permanente (pe bază de
adeziv) și monolitice integrate.
Al patru -lea subcapit ol se referă la conexiunile electrice , vedem conectorii utilizați în
mod obișnuit ( mufe și contacte cu arc), unele dintre tehnicile de încapsulare avansate ,
dezvoltate pentru integrarea CMOS / microfluidică hibridă și tehnicile de interconectare
emergente.

2.1.Despre „Lab -on-Chip”
Tehnicile de miniaturizare modelează continuu tehnologia microelectronică și abilitatea
acesteia de a produce dispozitive pentru o gamă largă de aplicații. La sfârșitul anilor '50, au fost
introduse procese "planare" pentru fabricare a circuitelor integrate. În timp, reducerea
dimensiunilor tranzistorilor a fost riguros urmărită în industrie, pentru a satisface cererea tot
mai mare de sisteme electronice cu dimensiuni cât mai mici, mai rapide și mai eficiente din
punct de vedere energe tic [1 2]. În plus față de procesele convenționale utilizate în
microelectronică, s -au dezvoltat noi tehnici de fabricare a structurilor de tip „high -aspect ratio”
și a anulat metodele planare , astfel sau deschis noi posibilități, în special pentru aplicați ile de
detectare .
La începutul anilor 1970, a fost posibilă fabricarea microsenzorilor pe fragmente de
siliciu . Odată cu progresul tehnologiilor de procesare și integrare a materialelor
neconvenționale ( meteriale care nu au la bază siliciu l), a apărut un n ou domeniu numit sisteme
micro -electro -mecanice (MEMS) [ 13]. După exemplele timpurii ale senzorilor de presiune pe
bază de siliciu și ale accelerometrelor la mijlocul anilor 1970, s -au dezvoltat matrice le de duze
pentru tipărirea cu jet de cerneală utilizâ nd gravarea anizotropă a siliciului [ 14]. Primele
implementări ale capurilor de imprima re cu jet de cerneală au demonstrat că pot fi manipulate
cantități minime de lichide în canalele micro fluidice . Următoarele studii au demonstrat, de
asemenea, ca este po sibilă manipularea unor volume mici de lichide și a fost lucrarea de
pionierat a lui Manz și colab oratorii, astfel în 1990 s-a stabilit a fost introdus și conceptul de
sisteme de analiză chimică totală miniaturizată ( μTAS) [ 13,15]. Curând după aceea, au fo st
înființate companii pentru a utiliza aceste sisteme pentru aplicațiile în domeniul medical .
Prototiparea rapidă și replicarea pe baza polimerilor ca alternativă la procesarea cu
siliciu au stimulat cercetarea academică și au apărut noi terminologii pre cum "microfluidic a" și
"lab-on-a-chip" (LOC) (aici o să folosim ambii termeni interschimbabil) .

În ultimii 20 de ani, dispozitivele LOC și -au demonstrat potențialul și beneficiile pentru
multe aplicații, inclusiv diagnosticarea „point -of-care” , cercetarea genomică și proteomică,
chimia analitică, monitorizarea mediului și detectarea pericolelor biologice.
Aceste sisteme miniaturizate oferă numeroase avantaje în comparație cu instrumentele
analitice clasice, si anume:
– sprijină controlul precis al lichidelo r care curg în mod obișnuit sub regim laminar;
– minimizează consumul de reactivi și probe;
– favori zează timpii scurți de reacție;
– permit analiza paralelă și multiplexată ;
– necesită mai puțină enerie pentru a funcționa;
– sunt portabile;
– au potențial datorită co sturilor scăzute de producție.
În prezent , structurile pot fi fabricate cu o precizie nanometrică, iar fluxul de lichide
poate fi asigurat și controlat precis prin folosi rea unor pompe și supape integrate sau a unor
pompe si supape externe , iar detectarea cantitativă a diferi ților anali ți poate fi realizată bazat pe
tehnici cu o sensibilitate ridicată prin utiliz area unor sisteme optice, electrice /electronice sau
magnetice.
Două provocări practice importante pe care le avem de luat in vedere asupra modului de
construcție sunt : sigilarea și interfața rea dispozitivelor LOC. Aceste provocări sunt comune la
aproape toate dispozitivele LOC și afectează modul în care sunt concepute și realizate aceste
dispozitive. În prezent, dispozitivele microfluidice și microel ectronice nu respectă aceleași
reguli de scalare și de fabricare: microfluidi ca încorporează un set foarte divers de materiale și
tehnici de fabricație și poate cuprinde n umeroase elemente funcționale diferite , cu toate acestea,
ambele tipuri de dispozitiv e împart o provocare comună si anume procesul de miniaturizare.
Atât dispozitivele microfluidice cât și dispozitivele microelectronice necesită interfețe
fiabile, ieftine și convenabile pentru conectarea la dispozitivele exterioar e dar și o împachetare
adecvat ă pentru o funcționare eficientă .
Industria microelectronică se confruntă deja cu problema interconectării, deoarece
viteza de funcționare eficientă a sistemelor a început să fie limitată de metodele de
interconectare “on-chip” și ”off-chip”, care ant erior au fost limitate de tranzistor i sau de
dispozitiv în sine. Cantitatea de căldură care poate fi scoasă din încapsulare a început, de
asemenea, să limiteze performanțele circuitelor, ceea ce face ca tehnicile de lipire și materialele
utilizate la împac hetare să fie mai importante decât oricând.

Cercetătorii au căutat o schimbare în paradigma modului în care sunt amplasate și
conectate blocurile funcționale. De e xemplu, interconexiunile optice /electrice hibride și
circuitele prin intermediul siliciului s e dezvoltă ca soluții promițătoare pentru înlocuirea
conexiunilor convenționale de cupru și a cablurilor. În mod simila r, complexitatea I / O (intrare /
ieșire) a sistemelor microfluidice a crescut de -a lungul anilor, deoarece multe aplicații necesită
acum interconexiuni fluide și / sau electrice de înaltă densitate.
Există și alte provocări legate de împachetare și încapsulare , care putem zice că sunt
unice pentru s istemele LOC si anume p lăcile de tip microfluidic au adesea nevoie de man ipulare
manuală și conectare a de către operator, ceea ce provoacă constrângeri suplimentare asupra
modului de împachetare și încapsulare finală din motive practice. În plus, spre deosebire de
majoritatea sistemelor electronice, reutilizabilitatea sau disponibilitatea sunt es ențiale pentru
unele aplicații LOC. Acest lucru necesită interconectări care să fie fiabile, eficiente din punct
de vedere al costurilor de fabricare și care pot fi conectate în mod reversibil la dispozitivele
LOC. Dezvoltarea și cercetarea asupra acesto r dispozitive a demonstrat îmbunătățiri
semnificative în ceea ce privește performanța dispozitiv elor dar și creare a de noi me tode de
detectare, dar totuși se poate spune că metodele de încapsulare în microfluidica și metodele de
interfaț are rămân o provoca re tehnică semnificativă pentru comercializarea și utilizarea pe scară
largă a dispozitivelor microfluidic e.
În figura 2.1 .se ilustrează un dispozitiv microfluidic etanș care are conexiuni fluidice și
electrice iar în mod obișnuit, după fabricarea structu rilor microfluidice și a electrozilor, sunt
necesare diferite procese „back -end” pentru a realiza un dispozitiv complet funcțional [15].

Figura 2.1. Exemplu de dispozitiv LOC, aceste dispozitive microfluidice trebuie sigilate,
conectate la periferice de p ompare și au adesea conexiuni electrice. Cu alte cuvinte,
"conectarea" și "închiderea" acestor mici laboratoare este o provocare generală . [15]

Luând exemplul din figura 2.1, structurile microfluidice pot fi :
– sigilate (etanșate) cu un strat de acoperire, care este gravat sau modelat astfel încât să
se
creeze orificii pentr u interfețele fluidice si/sau electrice ;
– tratate chimic pentru reglarea proprietăților de umect are a suprafețelor și modularea
interacțiunilor proteine -suprafață;
– indentată sau complet c ubată pentru a produce cipuri individuale ;
– conectate la dispozitive periferice, cum ar fi pompele și supapele, utilizând or ificiile de
admisie / evacuare.
Deși aceste procese back -end sunt , uneori , neglijate în procesul de proiectare a
dispozitivelor micro fluidic e, ele au un impact mare asupra costurilor de producție și a
performanțelor dispozitivelor.

2.2.Metode de creare, etanșare și încapsulare
Dispozitivele LOC sunt în mod tipic etanșate pentru a :
– limita solvenții, probele și reactivii în volume diferite față de cele definite,
– împiedica răspândirea necontrolată a lichidelor de -a lungul zonelor umede,
– reduce contaminarea și pericolele biologice,
– minimaliz a evaporarea probelor și a reactivilor
– proteja structurile sau moleculele sensibile și fragile , de praf sau de impactu l
fizic.
În funcție de materiale le și de constrângerile impuse de către aplicați e, sunt disponibile
multe tehnici de lipire

2.2.1. Încapsularea și e tanșarea prin utilizarea metodelor clasice

PDMS -ul (Polidimetilsiloxan) a devenit de departe c el mai popular material deoarece
este ieftin și procedeele de fabricație sunt facile, prin replicarea matrițelor realizate folosind
prototipuri rapide sau alte tehnici, flexibil, transparent optic, biocompatibil și tehnologia de
fabrica ție nu necesită inv estiții de capital ridicate și condiții pentru încăperi sterile .
Tehnici le adoptate pentru fabricarea structurilor microfluidice în PDMS, sunt: gravura
umedă și uscată, modelarea fotolitografică a unui PDMS fotosensibil , gravarea laser [16] și nu
numai . Totuși tehnicile "litografice moi" introduse de Whitesides și colab.[17 ], au permis

utilizarea pe scară largă a PDMS și au deschis epoca microfluidicii bazate pe PDMS la sfârșitul
anilor 1990.
Tehnologia replicării prin turnare (matriță) , care se face prin turnarea prepolimerului
peste o matriță și generarea unei replici în PDMS, a devenit o tehnică standard de fabricare
disponibilă în aproape toate laboratoarele de cercetare.
În prezent, multe instrumente dedicate acestui scop sunt disponibile și pot fi
achiziționate ca set complet (de exemplu, SoftLithoBox f urnizat de Elveflow (SUA) [ 18]), în
plus, companii precum FlowJEM [ 19], și Microfluidic Innovations (SUA) [ 20] furnizează
servicii rapide de prototipare pentru dispozitive LOC bazate pe PDMS. Pe lângă utilizare a
ușoară și rapidă, una dintre proprietățile cheie ale PDMS este că poate fi etanșat pe sine sau pe
alte substraturi atât în mod reversibil, cât și ireversibil, fără un adeziv. Acest contact conformant
spontan pe care PDMS îl stabilește cu substr aturi și cu el însuși a făcut acest elastomer un
material utilizat pe scară largă pentru etanșarea c ip-urilor microfluidice.
La mijlocul anilor 1990, Kim și colab oratorii au folosit proprietatea de etanșare
reversibilă a PDMS la structuri cu materiale pol imerice de dimensiuni submicrometrice [21].
Metoda a fost denumită MIMIC (micro -molding in capil laries) și sa bazat pe umplerea capilară
a prepolimerilor prin canalele închise între substrat și stratul microfluidic PDMS, așa cum este
ilustrat în figura 2 .2. Un strat PDMS care este expus la diferite tratamente de suprafață poate fi
utilizat pentru etanșarea permanentă.

Figura 2.2. Etanșarea prin turnare de polimeri într -un elastomer PDMS modelat (matriță)
[21]
Curând după aceea, Delamarche și c olaboratorii au introdus conceptul de rețele
microfluidice detașabile ( μFN) pentru modelarea simultană a diferite biomolecule pe suprafețe
și pentru teste biologice miniaturizate (Fig ura 2.3) [22].

Figura 2.3. Rețele microfluidice [22]
Rețelele microfluidice comple xe, supapele și pompele au fost fabricate folosind o auto –
etanșare ireversibilă a PDMS. Quake și colab oratorii au introdus pentru prima dată supape
pneumatice integrate și pompe bazate pe integrarea multistrat a elastomerilor [ 23]. Această
metodă a permis integrarea pe scară largă a miilor de valve și a camerelor microfluidice
adresabile individual în dispozitivele LOC și a furnizat conceptul de "procesoare
microfluidice".
Ulterior, alte c ip-uri microfluidice bazate pe PDMS au fost fabric ate pentru numeroa se
aplicații, iar î ntr-un flux normal de proces are, straturile fabricate cu ajutorul matriț ei sunt
expuse pe o plasmă O 2 și plasate în contact , apoi, lipirea permanentă este realizată prin aplicarea
căldurii într -un cuptor sau pe o placă fierbinte. Folosin d acea stă tehnică, Chang -Yen și
colaboratorii au fabricat un microspotter având o matrice 4 x 12 cu orificii de spumare formate
din 5 straturi de PDMS iar m ai recent, Juncker și colaboratorii au dezvoltat circuite complexe
și elemente capilare în PDMS [24 ]. În plus, s -au utilizat metode de transfer -transfer pentru
rețelele microfluidice 3D având straturi multiple de PDMS conectate prin intermediul
microfluidic ii.
Straturile de PDMS fie ca sunt structurate sau plate pot etanșa și alte substraturi plane,
cum ar fi siliciul, sticla sau materialele plastice. Această abordare a fost larg ad optată, în special
pentru testarea ușoară și rapidă a dispozitivelor LOC, în special a celor care au electrozi metalici
pe substraturile lor. Deoarece PDMS poate fi turnat în aproape orice formă și deschiderile pot
fi perforate sau tăiate după întărire, este ușor de realizat modelarea deschiderilor pentru
conexiunile fluidice și electrice. Ca un prim exemplu de dispozitive LOC cu electrozi integrați,
Fujii și colab. a lipit pol imetacrilat de metil (PMMA) și substraturi de sticlă cu un strat
microfluidic de PDMS [ 25]. Ulterior, legarea permanentă a PDMS și a materialelor plastice a

devenit, de asemenea, atractivă, Lee și colaboratorii au utiliza t organofunctional silanes pentru
a lega o membrană din PDMS într -un strat microfluid ic din policarbonat (PC) [ 26] iar
Vlachopoulou și colaboratorii au demonstrat legătura ireversibilă (rezistență de lipire de până
la 1 MP a) între PDMS și PMMA modificat chimic, polistiren, SU -8, și substrat uri cu bandă
epoxidică [ 27]. Un promotor de aderență pe suprafață pe bază de siloxan a fost introdus de Cai
și colaboratorii pentru a obține o etanșare ireversibilă între PDMS și o placă de circuite
imprimate pe bază de FR4 (PCB), ca substrat rentabil pent ru aplicațiile LOC [ 28]. Baraket și
colab. au format grupuri de silanol pe PDMS și pe substraturile polimerice și au raportat canale
microfluidice flexibile lipite fără aplicarea presiunii și căldurii [ 29]. Ca un exemplu notabil
legat de dispozitive flexib ile, Jamal și colab. a creat un dispozitiv microfluidic SU -8 / PDMS
auto-asamblat hibrid (figura 2.4) [30]. În tehnica lor, suporții diferențiali SU-8 foto-reticulați
au fost folosiți pentru a curba spontan rețelele microflidice PDMS în căile de curgere ci lindrice,
permițând noi posibilități pentru dispozitivele LOC bazate pe PDMS.

Figura 2.3. Exemplu de microfluidica flexibila auto -asamblată [47].

2.2.2. Lipirea polimerilor non -conformați
PDMS este un material excelent pentru prototipuri rapide și sigilare uș oară a multor
dispozitive LOC , dar cu toate acestea, există unele dezavantaje, cum ar fi adsorbția moleculelor
hidrofobe, stabilitatea pe termen scurt după tratamentul de suprafață, umflarea solvenților
organici, permeabilitatea la apă și incompatibilitate a cu operați unile la presiun i foarte înalt e în
plus, P DMS nu este un material de ales pentru fabricarea pe scară largă, deoarece are nevoie de
matrițe, un timp semnificativ pentru întărire și necesită destulă forță pentru a se dezlipi din
matriță după întă rire. Din aceste motive, PDMS nu a câștigat aceeași popularitate în industrie
ca și în mediul academic și în cercetare .

Materialele termoplastice au fost preferate ca variante alternative la PDMS, precum și
ca variante alternative la siliciu și sticlă. Mul te companii utilizează în prezent materiale
termoplastice în produsele lor comerciale de tip LOC de exemplu companii cum ar fi Acamp
(Canada) [ 31], , ALine (SUA) [ 32], și Microfluidic ChipShop (Germania) [ 33], oferă servicii
de producție. Materialele t ermoplast ice prezintă o mare varietate de proprietăți materiale care
sunt atractive pentru aplicațiile LOC , multe dintre proprietățile lor, inclusiv elasticitatea,
rezistența mecanică, transparența optică, autofluorescența, stabilitatea chimică și
biocompatib ilitatea, pot fi adaptate în funcție de constrângerile impuse de procesul de fabricație
și de aplicație. Modelarea structurilor cu dimensiuni micrometrice poate fi realizată utilizând
diverse metode, printre care gravarea la cald și turnarea prin injecție sunt cele mai utilizate pe
scară largă pentru producția de serie .
Strategiile majore de etanșare dezvoltate pentru termoplastice [ 34] sunt:
– lipirea prin fuziune termică ;
– lipirea cu solvenți ;
– sudarea cu ultrasunete;
– lipirea după modificarea suprafeței.
Îmbinarea termică prin fuziune implică aplicarea simultană a presiunii și a căldurii.
Substraturile sunt încălzite la temperaturi apropiate sau superioare temperaturii de tranziție
vitroasă (Tg) a unuia sau a ambelor materiale de substrat. Această tehnică es te simplă, poate fi
aplicată multor materiale termoplastice și of eră rezistențe relativ mari după lipire; totuși,
temperaturile și presiunile ne -optimizate sau utilizarea materialelor cu Tg diferite pot duce la
deformarea și colapsul canalului microfluidic . Tehnicile de lipire bazate pe solvenți promit să
relaxeze constrângerile asupra temperaturii și timpului de lipire. Un solvent compatibil poate fi
aplicat pe substraturi în fază lichidă sau vapori înainte de a fi îmbinate sub presiune. Mair și
colab. au dezvoltat cipuri rezistente la presiuni de până la 34,6 MPa, folosind lipirea la
temperatura camerei , pe bază de solvenți , a substraturilor copolimerului olefinic ciclic
(COC)[ 35].
O altă tehnică de lipire la temperatură joasă frecvent utilizată este sudar ea localizată.
Sudarea se poate face prin aplicarea la nivel local a unui fascicul laser sau a microunde, dar
aceste tehnici necesită de obicei un strat absorbant la interfață , în schimb, sudarea cu
ultrasunete, care implică aplicarea unei energii cu ultra sunete pentru a suda suprafețele
elementelor termoplastice, a apărut ca fiind o soluție mai convenabilă. Truckenmüller și colab.
folosesc sudarea pieselor polimerice pentru o pompă cu micro -membrană și cu acționare piezo –

electrică [ 36]. Ulterior, Luo și co lab. folosesc sudura multistratificată a PMMA utilizând un
instrument comercial de lipire cu ultrasunete (Figura 2.4) [37].

Figura 2. 4. Exemplu de sudura între straturi polimerice pentru fabricarea microfluidelor ,
bazat ă pe lipirea ultrasonică asistată termic sau solvent [37]
Alternativ, sunt disponibile diferite tehnici de modificare a suprafeței, cum ar fi
tratamente cu plasmă, UV sau UV/ ozon. Kettner și colab. a comparat legarea substraturilor
PMMA -PMMA și COC -COC după tratamentele cu plasmă ale difer itelor gaze (O2, N2, H2,
He și Ar) [ 38] și au raportat o rezistență de legare de 100 Pa la o temperatură de lipire de 50 °
C aplicată după tratamentul cu plasmă O2.
Saharil și colab. a dezvoltat o tehnică de lipire uscată și biocompatibilă, pe substraturil e
de siliciu, la temperaturi sub 37 ° C [ 39]. Straturile fine de înveliș din termoplastic au devenit
din ce în ce mai atractive în producerea LOC, în special pentru dispozitive microfluidice
flexibile , și anume "Lab -on-a-Foil". Ca un exemplu recent în aces t context, Miserere și colab .
au folosit un proces simplu de laminare pentru a crea cip -uri flexibile în COC (Fig ura 2.5 ) [39].

Figura 2. 5. Cip-uri microfluidice flexibile obținute prin procesul de laminare [37]

Metodele de gravare și de etanșare la cald au permis soluții mai at ractive din punct de
vedere comercial si financiar , în special pentru aplicațiile biologice unde sunt necesare cip -uri
de unică folosință. Proprietățile termoplastice ale polimerilor au permis, de asemenea, utilizarea
tehnologiei d e micro -termo -formare 3D pentru fabricarea canalelor microfluidice complexe cu
micro – sau nano -structuri , iar Chen și colab. a u introdus conceptul de "Shrinky -Dink"
microfluidics ca o metodă alternativă de prototipare rapidă în favoarea tehnicilor mențion ate
mai sus. În această tehnică, ei au folosit proprietățile de contracție ale peliculelor termoplastice
pretensionate biaxial și suprapunerea straturilor pentru fabricarea ușoară și rapidă a canalelor
3D pentru c ip-urile microfluidice (Fig ura.2.6) [41].

Figura 2. 6. Lipirea la temperaturi înalte a peliculelor termoplastice pretensionate biaxial
[41].

2.2.3. Sudarea/lipirea materialelor dure, cum ar fi siliciul și sticla
Primele exemple de dispozitive LOC au fost fabricate în special pe substraturi de sticlă
și siliciu, utilizând tehnologia derivată din microelectronică. Deși PDMS și materialele
termoplastice domină domeniul în zilele noastre, micro fabricarea pe bază de siliciu și sticlă este
încă atractivă pentru unele aplicații care pot necesita structuri rob uste, stabile din punct de
vedere chimic (de exemplu compatibile cu solvenții) și structuri microfluidice reproductibile,
potențial având structurile cu electrozi de înaltă rezoluție și / senzori integrați.
Cea mai obișnuită tehnică pentru fabricarea cana lelor este gravarea substraturilor.
Gravarea umedă anizotropă a siliciului a fost deja cunoscută în anii 1950, însă invenția de
gravare pe baza ionilor reactivi de profunzime (DRIE) (cunoscută sub numele de "Procesul
Bosch") la mijlocul anilor 1990 a revol uționa t întregul domeniu microelectronic / MEMS [42 ].

Această tehnologie a făcut posibilă gravarea foarte adâncă și cu rezoluție ridicată în
structuril e pe bază de siliciu. În primele zile ale acestei tehnologii, a fost posibilă fabricarea
microstructurilo r pe mai multe nivel e, structuri cu pereți laterali verticali , utilizând combinații
de gravură dură și mo ale cu ajutorul DRIE. În prezent, multe cip -uri microfluidice care au
structuri extrem de precise, și la adânci mi de câteva sute de micrometri, pot fi fabricate cu viteze
de gravare care variază de obicei de la 5 la 10 μm / min).
Au fost adoptate tehnici de lipire directă pentru a etanșa structurile microfluidice , de
exemplu, sudura prin fuzionarea siliciu -siliciu permite o rezistență foarte bună la lipi re, cu toate
acestea, nu este cea mai preferată tehnică pentru producția dispozitivel or LOC, deoarece
transparența optică este dorită pentru multe aplicații sau pentru inspecți e vizuală în general , în
schimb, lipirea anodică a siliciului și a sticlei permi te atât o lipire de înaltă calitate, cât și un
strat transparent. De exemplu, în 1999, Gray și colab. au fabricat structuri microfluidice
complexe utilizând o combinație intre lipirea prin fuziune și lipirea anodică , iar m ai recent,
Lovchik și colab. au utilizat DRIE și lipirea anodică pentru fabricarea capetelor de sondă
microfluidică multistrat și verticale pentru chimi a localizată la suprafață. Figura 2.7 reprezintă
proces ul de lipire și un instrument de lipire anodică . În mod similar, versatilitatea teh nicilor de
lipire DRIE și lipire anodică a fost utilizată de Lopez -Martinez și colab. pentru tehnologi a de
producție a unei micropipete [43 ].

Figura 2. 7. Dispozitiv microfluidic sigilat permanent produs prin lipirea anodică a unei
pelicule de siliciu cu o placă de sticlă [43].
Alternativ, sudarea prin fuziune a sticlei cu sticla a fost, de asemenea, studiată intens
deoarece siliciul este un material relativ scump , iar sticla este disponibilă în gamă largă de
formate și grosimi (chiar și pelicule flexibile) , iar compoziția chimică poate fi adaptată în
funcție de aplicație. Canalele microfluidice și orificiile pentru conexiunile fluidice / electrice

pot fi structurate utilizând gravarea cu laser, găurirea , sablarea cu nisip, tăiere a și procesele de
gravare um edă / uscată, deși vitezele de gravare și rezoluția gravurii sunt în mod obișnuit mai
mici decât la cele obținute prin prelucrarea siliciului. Aplicațiile pe bază de sticlă sunt, de
asemenea, compatibile cu multe instrumente dezvoltate pentru microelectron ică, prin urmare,
electrozii pot fi modelați pe substraturi din sticlă plană sau structurată cu rezoluție micrometri că
utilizând procedee standard prin depunere metalică și fotolitografie. De exemplu, figura 2.8
prezintă un dispoz itiv microfluidic din stic lă etanșat prin fuziune a a doua straturi de sticlă,
având toți electrozi inter conectați pentru o pompă electroosmotică[ 44].

Figura 2. 8. Dispozitiv microfluidic sigilat permanent, etanșat prin fuziunea unei pelicule de
sticlă cu o placă de sticlă [44].
Tehnicile de lipire a sticlei cu sticla și a sticlei cu siliciu l, necesită, în general, suprafețe
extrem de curate, condiții de mediu steril, și evita rea contaminării cu particulele de praf care
afectează randamentul, uneltele specializate și etape și proce duri de lipire sau recoacere la
temperaturi ridicate (de regulă peste 500° C). Pentru a ușura aceste condiții s -au introdus diferite
abordări de lipire la temperaturi scăzute (sub 200 C), cum ar fi sudarea prin fuziune asistată de
HF și lipirea prin fuziun e la presiune ridicată . Zhi-Jian și colab. a u dezvoltat o tehnică de lipire
la temperatura camerei prin aducerea suprafețelor curățate ale substraturilor din sticlă în contact
strâns în timpul curgerii unui flux continuu de apă demineralizată , Howlader și colab. a u
raportat rezistențe la lipire de până la 20 MPa prin tratarea substraturilor printr -un proces
secvențial cu activare cu plasma în pași (O2, RIE și tratament cu azot) înainte de lipirea la
temperatura camerei . Recent, tratamentul cu plasmă O2 / CF 4 și lipirea asistată cu silicat de
sodiu au fost folosite pentru lipirea substraturilor din sticlă la temperaturi joase [45].
Sticla și siliciul asigură proprietăți de suprafață bine caracterizate , etanșare de înaltă
calitate și randament ridicat pentru d ispozitivele LOC; cu toate acestea, ele nu sunt la fel de
atractive ca PDMS și materialele termoplastice, datorită costu rilor si investițiilor ridicate.