Optimization of the fabrication processes of microfluidic chips by hot embossing

Abstract

Currently, the advent of microfluidics offers promising tools, especially in life sciences, with applications ranging from biological or chemical sensors to organs on chips. Although, this technology contains various other advantages such as reduction in sample and reagent consumption, decrease in reaction times, and improved accuracy, there are still a few number of commercially available microfluidic devices. One of the reasons hampering commercialization of microfluidics is its fabrication cost. Lithography based techniques are commonly used for microfluidic fabrication owing to the high precision. However in lithography based microfluidic fabrication methods manufacturing lead times are often high. Design-to-device period may reach up to several days. Here, micro scaled conventional methods such as micro milling, micro injection molding, or hot embossing are more prominent. In these methods, the cycle time reduces down to hours or even minutes. This in turn reduces the cost per device considerably. This thesis aims to design and construct a low cost hot embossing press and optimize the process parameters for fabrication of microfluidic chips. The hot embossing press was designed as a low cost device, having material cost as low as 224 TL. For testing purposes, we fabricated a mold made of brass using micro milling process. We proved that, we can obtain 200 m wide channels on polymethylmethacrylate (PMMA) substrates, by applying 240 bars or pressure for 6 min. under 180 oC temperature, total cycle time per one chip is found to be 11 min.

Günümüzde, mikro akışkanlardaki gelişmeler özellikle yaşam bilimleri için, biyolojik veya kimyasal algılayıcılardan çip-üstü-organlara kadar farklı uygulamalarda, ümit verici araçların ortaya çıkmasına neden olmaktadır. Bu teknoloji numune ve reaktif miktarının azaltılması, reaksiyon süresinin azaltılması, hassasiyetin arttırılması gibi diğer birçok avantajı içerse de, mikro akışkan tabanlı ticari ürünler halen daha çok az miktardadır. Mikro akışkanların ticarileşmesinin önündeki engellerden birisi üretim maliyetleridir. Mikro akışkan üretimi için, yüksek hassasiyeti sebebiyle sıklıkla litografi tabanlı yöntemler kullanılmaktadır. Ancak, litografi tabanlı mikro akışkan üretim yöntemlerinde imalat süresi genellikle uzundur. Tasarımdan ürüne kadar geçen süreç günlerce sürebilmektedir. Bu noktada, mikro frezeleme, mikro plastic enjeksiyon ve sıcak baskı gibi mikro ölçekli geleneksel yöntemler öne çıkmaktadır. Bu yöntemlerde imalat döngü süresi birkaç saate ve hatta birkaç dakikaya düşebilmektedir. Bu durum, ürün başına düşen maliyeti önemli miktarda düşürmektedir. vii Bu tez düşük maliyetli bir sıcak baskı presinin tasarımı ve üretimini, ve işlem parametrelerinin mikro akışkan çiplerin üretimi için en iyilenmesini amaçlamaktadır. Sıcak baskı presi, malzeme maliyeti 224 TL olacak şekilde, düşük maliyetli bir cihaz olarak tasarlanmıştır. Test amacıyla, pirinç kullanılarak mikro frezeleme yöntemi ile bir kalıp üretilmiştir. Polimetilmetakrilat (PMMA) altlıklar üzerinde 6 dakika boyunca 180oC sıcaklıkta 240 bar basınç uygulanarak 200 m genişliğinde kanallar elde edilebileceği kanıtlanmıştır. Toplam döngü süresi 11 dakika olarak gözlenmiştir.