Fabrication, simulation and integration of embedded su8 microcantilevers for microfluidic control in lab-on-a-chip devices

Resumen

The present thesis deals with the fabrication, characterization, simulation and application of SU8 microcantilevers embedded in microchannels. The aim is to investigate the possibilities offered by cantilevered structures, from first principles down to their application for microfluidic control devices. The research is conducted under the European Project Optolabcard, which is aimed at mass produced optical diagnostic labcards based on micro and nano SU8 layers. The first objective is to create new techniques that allow the fabrication of cantilevers embedded in microchannels. These cantilevers can be patterned together with a microfluidic network in a single photolithographic step and can be subsequently released from the substrate. Then, the whole device is sealed at wafer level using another layer of SU8, rendering a closed network with integrated moving parts. The fabrication techniques investigated allow control over the thickness of the clearances between the embedding channel and the cantilever, providing flexibility for different applications' requirements. These fabrication techniques have filled the gap in the literature for truly integrated moving parts. The second objective is to determine the range of applicability of the structures, which is a basic classification parameter for a given application. To this end, a mechanical characterization protocol has been devised, which renders curves of the response of the structures for a defined set of pressures. Thus, the structures can be discriminated according to their mobility, which is a direct consequence of their geometry. From this, a number of design features have been identified, which can be used to tune the mobility to the required behaviour. The next objective is to understand the interaction between the cantilevers' geometry and their mobility within a microfluidic channel. The explanation of the physics behind this phenomenon has led to the creation of a simulation tool to estimate the behaviour observed in the mechanical characterization. The flow conditions have been modeled using potential theory, which shows to be well suited to represent low Reynold's number's microflows. The model has been satisfactorily applied to straight designs, although its extention to all the geometries studied in the thesis is also envisaged. Finally, two microfluidic control applications based on cantilevers have been proven. The first is a diaphragm micropump capable of delivering flowrates in the 11-170ml/min range. In this application, the cantilevers act like flood gates, synchronously moving to direct the flow from one reservoir into another. The device shows good repeatability together with bubble and particle resistance and self-priming capabilities. The second application is an electrochemical valve, which is actuated by means of a bubble generated in-situ. This low-footprint, low dead-volume device shows promising capabilities for lab-on-a-chip applications, particularly to pressurize reaction chambers such as PCR. LABURPENA Doktore tesi honetan SU8 erretxinaz egindako mikrohegal txertatuen ekoizpena, karakterizazioa, simulazioa eta aplikazioa ikertu dira. Azkeneko helburua mikrohegalek eskaintzen dituzten aukerak aztertzea da, lehendabiziko printzipiotik hasita mikroisuriak kontrolatzeko aplikazioak garatu arte. Ikerlan hau, Optlabcard izeneko Europar Proiektuaren barnean kokatzen da, haren helburua SU8-zko mikro eta nanokapetan oinarrituriko diagnostiko optikozko txartxelen masako ekoizpena izanik. Lehendabiziko helburua mikrohegalak ekoizteko teknologia berriak sortzea da. Hegal hauek zirkuitu mikrofluidikoarekin batera pausu fotolitografiko bakar batean definitu eta geroago oinarritik aska daitezke. Bukatzeko, mikrotxip osoa SU8 geruza batez estaltzen da oblea mailan, zati mugikorrak integratzen dituzten mikrokanalen zirkuituak lortuaz. Ikertutako ekoizpen teknologiek hegal eta kanalen arteko tarteak definitzeko aukera ematen dute, hainbat aplikazioen eskakizunetara egokituz. Honako ekoizpen teknologiek, literaturan zegoen hutsunea osatu dute, zati mugikor integratuena, alegia. Bigarren helburua egituren aplikazio tartea zehaztea da, hau edozein aplikaziotarako oinarrizko sailkapen parametroa delako. Horretarako, karakterizazio mekanikorako protokoloa sortu da, egituren presiopeko erantzunen irudikapenak ematen dituena. Honi esker, egiturak mugikortasunaren arabera sailka daitezke, zein beraien geometriaren ondorio zuzena den. Prozedura honen ondorioz, diseinu ezaugarri batzuk identifikatu dira, beharrezko mugikortasuna lortzeko alda daitezkeenak. Hurrengo helburua hegalen geometria eta mugikortasunen arteko interakzioa ulertzea da. Gertakari honen fisika azaltzearekin batera simulazio tresna bat garatu da, karakterizazio mekanikoan ikusitako emaitzak iragartzeko. Isuriaren baldintzak teoria potentziala erabiliz modelatu dira, Reynolds' zenbaki baxuko mikroisurien ezaugarriak adierazteko. Emaitzek, isuri abiadura txikitan biskositate efektuak garrantzi handikoak direla azaltzen dute, aurreko ikerketen ondorioekin bat etorriaz. Modeloa diseinu zuzenetara egokitu den arren, tesi honetan ikertu diren beste hainbat geometrietara egokitzea aurreikusten da. Bukatzeko, hegaletan oinarrituz mikroisuriak kontrolatzeko bi aplikazio frogatu dira. Lehen aplikazioa, 11-170¿l/min emaridun diafragma-mikroponparena da. Aplikazio honetan hegalak uhateak balira bezala eragiten dira, mugimendu sinkronoaz baliatuz isuria gordailu batetik bestera zuzentzeko. Ponpak, emari jarraia eta burbuila eta partikulen kontrako erresistentzia erakusten ditu. Bigarren aplikazioa txipean bertan sorturiko burbuila batez eragindako balbula elektrokimiko bat da. Aztarna eta bolumen-hil baxuko gailua da eta lab-on-a-chip aplikazioetarako gaitasun handikoa, PCR erreakzio ganbarak presurizatzeko esate baterako. RESUMEN La presente tesis doctoral aborda la fabricación, caracterización, simulación y aplicación de microvoladizos de SU8 embebidos en microcanales. Su finalidad última es determinar las posibilidades que ofrecen las estructuras en voladizo para aplicaciones de control microfluídico. Este trabajo de investigación se enmarca dentro del Proyecto Europeo Optolabcard, centrado en la producción en masa de tarjetas de diagnótico óptico basadas en micro y nano-capas de SU8. El primer objetivo es la creación de nuevas técnicas de fabricación de voladizos embebidos en microcanales. Dichos voladizos pueden ser definidos junto con una red microfluídica en un único paso fotolitográfico y finalmente ser liberados del substrato. Los dispositivos pueden ser sellados a oblea completa usando otra capa de SU8, dando como resultado una red cerrada de canales con estructuras móviles integradas. Las técnicas de fabricación investigadas permiten controlar la tolerancia entre la estructura y el canal que la rodea, acomodándose así a variaciones en los requerimientos de cada dispositivo. Estas técnicas de fabricación llenan el vacío existente en la literatura sobre estructuras móviles integradas. El segundo objetivo es determinar el rango de trabajo de las estructuras que constituye un parámetro básico de cada aplicación. Para ello se ha creado un protocolo de caracterización mecánica que proporciona curvas de respuesta para una serie definida de presiones. De este modo, las estructuras pueden ser discriminadas de acuerdo a su movilidad, la cual está estrechamente ligada a su geometría. Dicho proceso ha permitido identificar un número de características que pueden ser combinadas para lograr el comportamiento deseado. El siguiente objetivo es entender la interacción entre la geometría de los voladizos y su movilidad dentro del canal. La explicación del fenómeno físico ha dado lugar a una herramienta de simulación que permite predecir el comportamiento observado durante la caracterización mecánica. Las condiciones de flujo han sido modelizadas usando teoría potencial, la cual ha mostrado su idoneidad para representar microflujos a números de Reynold bajos. El modelo ha sido aplicado satisfactoriamente a geometrías rectas, aunque se prevé su extensión a todas las geometrías estudiadas en esta tesis. Finalmente, se han demostrado dos aplicaciones de control microfluídico basadas en voladizos. La primera aplicación es una bomba de diafragma en el rango de los 11-170ml/min. En esta aplicación, los voladizos funcionan como compuertas, moviéndose sincronizadamente para dirigir el flujo de un reservorio a otro. El dispositivo es auto-purgante y muestra buena repetibilidad, además de resistencia a burbujas y partículas. La segunda aplicación es una válvula electroquímica, actuada por medio de una burbuja generada in-situ. El dispositivo, que ocupa poca superficie y un volumen muerto en torno a los 86nl, es compatible con aplicaciones lab-on-a-chip, como por ejemplo, la presurización de cámaras de reacción tipo PCR.