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Aug 06, 2023

パーフルオロオクチルによる選択的 PDMS (ポリジメチルシロキサン) 結合を使用したマイクロバルブ アレイの作製

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12398 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

宇宙探査用のマイクロ流体分析デバイスの多用途性と堅牢性を向上させるために、プログラム可能なマイクロ流体アレイ (PMA) が実装され、さまざまなミッションをサポートしています。 PMA を設計する場合、相互汚染や漏れを避けるには常閉バルブが有利です。 ただし、これらのバルブが時間の経過とともに固着したり接着したりするのを防ぐには、安定した製造方法が必要です。 この研究では、長期宇宙探査中の PDMS の固着問題を克服するために、化学的不動態化を使用してポリジメチルシロキサン (PDMS) を選択的に結合する方法を示します。 まず、PDMS スタンプ上に、蒸発したパーフルオロオクチルトリクロロシラン (PFTCS) が、-80 kPa、150 °C の条件下で堆積されます。 次に、温度と時間を制御して PFTCS を PDMS またはガラス基板上に転写しました。150 °C で 15 分間で、選択的結合に最適な PFTCS 転写が実現しました。 これらの特性パラメータを使用して、長期の宇宙ミッションをサポートする PMA の製造を実証することに成功しました。 プレス加工された PFTCS の安定性を評価するために、PMA は 3 年間定期的にテストされましたが、スティクションや性能の変化は観察されませんでした。 飛行試験は、Cessaroni L1395 ロケットを使用して高重力加速度および振動試験が行われており、打ち上げおよび着陸条件にさらされた後も PMA の性能に違いはありません。 この成果は、宇宙探査における PMA の安定性と能力を拡張するシンプルかつ堅牢な技術としての期待を示しています。

宇宙探査用のマイクロ流体分析機器は、小さな土壌または粒子サンプルから化学組成を決定するために開発されています1、2、3、4、5。 ただし、より広範なミッションに適合するには、プログラム可能性と耐久性をさらに開発する必要があります。 プログラム可能なマイクロ流体アレイ (PMA) は、引く、押す、混合、流体分配などの自律的な流体操作を高精度で実現するように設計されています。 マイクロバルブの設計と動作パラメータは、所望の分注量と流量を達成するように定義できます。 PMA は、プログラムされたサンプル前処理、蛍光アッセイ、およびバイオセンシングで、常閉マイクロバルブを使用した多用途性を示すことが実証されています 4、6、7、8、9、10、11、12。 一般的な常閉バルブは、作動せずに流れを遮断するために、可撓性膜側またはマイクロチャネル側のいずれかにゲート構造を備えています12、13、14。 これは流体制御にとって優れた側面ではありますが、PMA の製造では、プラズマ暴露後のバルブ固着の問題を最小限に抑えるために、選択的な PDMS 接合手順が必要です 15。 さらに、PDMS は長期間接触するとガラスに弱く結合する可能性があります。 私たちの研究室で製造された PMA からの経験的証拠は、バルブが 6 か月を超えて休止すると、マイクロバルブのゲートがガラスと PDMS 基板に張り付くことを示唆しています。 火星、エウロパ、エンケラドゥスなどの目標惑星に到達するまでの一般的なタイムラインは、それぞれ約 7 か月 16、5 年 17、および 7 年 18 の距離であるため、これらの惑星の探査に PMA を使用するには、マイクロバルブの安定性の問題を解決する必要があります。期待される PMA パフォーマンスを得るために解決されました。

典型的な PMA は、ポリジメチルシロキサン (PDMS) を使用したソフト リソグラフィー技術を使用して製造され 19、20、すべての露出表面を処理する酸素プラズマによってパッケージ化されます 19、21、22。 一部の選択的結合は、不動態化化学物質を手動で塗布するか、領域を手動でブロックするか、未処理の PDMS で表面を処理することで可能です 23,24。 ただし、これらは、長期的な効果や安定性を調査することなく、複雑な微細加工されたスタンプモールドを使用した選択的な結合ではなく、3D 構造の製造に範囲が限定されています23、24。

PDMS マイクロ流体デバイスの表面特性を変更するために、さまざまなシランを使用して化学処理が行われています。 これらの中でも、パーフルオロオクチルトリクロロシラン (PFTCS) は、蒸気圧が低いため表面に堆積しやすいため、超疎水性表面の形成によく使用されます 23,25,26,27,28。 PFTCS はまた、酸素プラズマ処理後の PDMS やガラスの表面など、縮合反応を通じてヒドロキシル化された表面に安定な層を形成します 23,29。 手動による液体塗布など、パターニング方法を使用しない手動 PFTCS パシベーションは、低精度の製造に使用できますが、高精度の作動可能デバイスには、スケーラブルな選択結合方法が必要です。

この研究では、長期宇宙ミッションにおける PMA の安定性を高めるための、選択的 PDMS 結合のための、シンプルで正確、機械的および化学的に弾力性のある技術を紹介します。 私たちは、PDMS スタンプ上に正確な PFTCS 層を得るために、PFTCS 堆積に関連する真空レベル、温度、時間を調査し、時間、温度、基板材料の影響を受けるスタンプと基板間の PFTCS 転写を調査します。 詳細な物理化学的パラメータを決定することにより、固着の問題を引き起こすことなく、完璧な PMA 製造を実証することができました。 この手順で 2 つのデバイス例を製造し、それらをテストして、将来の宇宙探査に向けた使いやすさと長期安定性を実証します。 すべての特性評価結果を踏まえると、この製造方法は、高密度マイクロバルブ アレイ、ウェハ スケールの伸縮性 MEMS デバイス、および長期安定性を備えた選択的接合が必要とされるその他の研究分野向けに、この研究で紹介したデバイスを超えて容易に拡張できます。

図1に示すように、ビニールテープ（コネチカット州トーランドのGerber）から蒸着マスクを切り取り（Roland CAMM-1 Servo GX-24）、ステップのためにバルクPDMS（Stockwell Elastomerics、ペンシルバニア州フィラデルフィア）に貼り付けます。この方法では、300 µm のフィーチャ解像度が可能です。 ただし、フォトリソグラフィーを使用して同様にマスクを作成し、ミクロンスケールのフィーチャを得ることができます。 真空チャンバー (Fisher Scientific、PA) には、スタンプの取り付け位置を提供するために、5 インチのペトリ皿の蓋が両面テープで上部に固定されていました。 スタンプをチャンバー上部の中央に置き、PFTCS (Sigma Aldrich、MO USA) を使用のためにデシケーターから取り出しました。 ヒートブロックは、PFTCS を含むマイクロチューブトップを備えたチャンバー内に配置される前に、少なくとも 2 時間加熱されました。 堆積を開始するために、100 μL の PFTCS をマイクロチューブの上部に追加し、真空を適用します。 チャンバー内の真空レベルを監視し、必要な真空レベルに達したらチャンバーのバルブを閉じてチャンバーを隔離しました。 所望の堆積時間の後、チャンバーの真空を解除して、図 1 のステップ 3 および 4 で説明した PFTCS 堆積スタンプを取得しました。

蒸着とスタンピング手順の概要。 (1) 希望の選択結合パターンに基づいてビニールテープマスクをカットします。 (2) このマスクは、スタンプとして機能する PDMS スラブに適用されます。 (3) PFTCS の堆積は、低コストの真空デシケーターで行われます。 (4) テープマ​​スクがスタンプから除去され、露出領域にのみ PFTCS が残ります。 (5) 熱と力を使用して PFTCS をスタンプから目的の基板に転写します。 (6) 転写後、スタンプには基板への転写の明らかな痕跡が見られ、品質保証チェックが容易になります。

スタンピングは、十字フィーチャーを備えたガラスと PDMS の 2 つの基板上に行われました。 スタンピングの前に、各基板をアセトン (ガラスのみ)、IPA、および脱イオン水 (すべての基板) で洗浄し、その後 N2 ガスで乾燥させました。 次に、治具を使用してスライドガラスの下側に印を付け、PFTCS をスタンプする位置を指定しました。 各基板を、実験に必要な温度に設定したホットプレート上に置き、約 15 分間定常状態の温度に落ち着かせました。 基板をホットプレートから短時間取り外し、スタンプを押しつける前に位置を合わせました。 位置合わせは、ガラス上のマーキングまたは PDMS 十字を基準点として使用して行われました。 これらの基準点は、スタンプ自体の不透明な PFTCS 蒸着と手動で並べられました。 図 1 のステップ 5 に示すように、位置合わせ後、基板とスタンプの組み合わせをホットプレートに戻し、6.5 kPa または圧力に相当する 3 kg の円筒形の重りをその上に置きました。 各時間ステップ (1、15、30、および 60 分) の終了時に、スタンプを基板から取り外し、必要に応じて特徴的な PDMS とともに測定のために保管し、ステップで示した残留 PFTCS パターンをスタンプに残しました。図1の6。

すべての厚さ測定は、Olympus LEXT OLS5000 (Olympus、日本) を使用して完了しました。 PFTCS フィルムの厚さと高さの変動は、オリンパス ソフトウェア ステップ ユーティリティを使用して、プロファイル内の 2 つの対象領域間の平均高さを比較して決定されました。 粗さの測定は、PFTCS 蒸着領域として設定された対象領域全体の高さの変化を取得することで完了しました。 転写の均一性は、ImageJ を使用して PFTCS の転写領域を選択し、可能な転写領域全体と比較して定量化されました。 走査電子顕微鏡 (SEM) 測定は、二次電子検出器を使用する FEI Quanta 600F (オレゴン州、米国) で行われました。 サンプルは、Quanta の低真空モードでの SEM 測定の前に、方法で詳述されているように準備されました。

図 SI1 は、AutoCAD12 での単純な 5 つのマイクロバルブ チップ設計を示しています。 このチップは、選択的結合をテストするためのシンプルなプラットフォームとして設計されました。 設計は 4 つの二方バルブと中央の 4 方バルブで構成されています。 必要な型は、ビニール カッターとビニール テープを使用した従来の透光写真法を使用して製造されました30。 最終デバイスの空気圧層と流体層に対応する、デバイス用の 2 つの金型が必要でした。 弁膜が正しく機能するには流体層を薄くする必要があるため、テープ パターンをシャーレの蓋の上に置き、スピン コーティングを行いました。 この蓋には未硬化の PDMS (10:1) が上から注がれ、200 rpm で回転して約 150 ミクロンの厚さにしました。 空気圧層の厚さは重要ではなかったので、そのパターンをペトリ皿の内側に置き、未硬化の PDMS を約 3 mm の厚さまで注ぎました。 2 つの層を 75 °C で 2 時間硬化させました。 硬化した空気圧層を金型から取り外し、空気圧入口を打ち抜きました。 柔軟なプラスチックシートを PMDS に押し付け、層を型から徐々に剥がすことによって、流体層を型から取り外しました。 ほこりの混入を防ぐために、もう一方の側に 2 枚目のプラスチック シートを置きました。 各モールドには 9 個のチップのフィーチャーがあったため、流体層はハサミで切り離され、空気層はカミソリで切断されました。 流体および空気圧部品は、永久結合のための酸素プラズマ処理の前に、テープで簡単に洗浄されました 22。 簡単に言うと、対応する空気圧要素と流体要素をプラズマ チャンバー内に配置して暴露しました。 露光後、それぞれを N2 ガスで簡単に洗浄して塵を除去し、ゲートをガイドとして使用して位置合わせしてから接触させました。 次に、デバイスを 65 °C に設定したホットプレート上に 30 分間置き、結合を完了しました。 最後に、流体ポートに穴を開け、保管中の汚染を避けるためにチップをラップで包みました。

ゲート バルブ チップに加えて、対応するスタンプ マスクが AutoCAD で設計されました。 マスクには、単純な PMA のマイクロバルブの位置に対応する開口領域がありました。 マスクは前述と同じ方法を使用してカットされ、マスクされていない場所は手動で剪定されました。 次に、厚さ 3 mm、直径 90 mm の PDMS シリンダーを硬化し、マスクをこのシリンダーに移しました。 PDMS を個々のスタンプに切断し、それぞれを堆積まで保管しました。

ボンディング手順は、ガラススタンピングおよび機能付き PDMS デバイスの場合とほぼ同じです。 型押しされたガラスケース内で、ガラスと 4 つの PDMS チップを酸素プラズマ チャンバー内に配置しました。 PFTCS 自体は酸素プラズマ下で安定しており、テストでは、この作業で使用した曝露パラメーターによる厚さの減少が 10% 未満であることがわかりました。 型押しされた PDMS マイクロバルブの場合、4 つの処理済みチップと 1 枚のガラス スライドがチャンバー内に配置されました。 どちらの場合も、ガラスと PDMS を酸素プラズマ (ネバダ州 Plasma Etch の PE-50) で 200mTorr、出力 80% で 30 秒間処理しました。 処理された特徴的な PDMS チップをスライド ガラスに単純に接着し、未処理の PDMS チップを処理されたガラスの下側のマークと位置合わせして、転写された PFTCS と特徴を正確に位置合わせしました。 位置合わせ後、組み立てたチップを 65 °C に設定したホットプレート上に 30 分間置き、結合を完了しました。

まず、各マイクロバルブに真空を適用することによって、単純な PMA の初期作動テストが実行されました。 各マイクロバルブの機能が確認された後、漏れをチェックすることによって移送の均一性が検証されました。 ゲート全体の高さの差が小さいため、移送が不均一になるとバルブのシール不良が発生します。 2 つのマイクロバルブは閉鎖圧力 12 として 50 kPa の窒素源に接続され、他の 2 つは真空に接続されました。 図 5C のデータに基づいて、通常のマイクロバルブ ポンピング動作中のピーク圧力を十分に超える流量 90 μL/min が使用され、これらの条件下で加圧バルブの漏れの兆候が監視されました。

さらに、この方法の別のデモンストレーションとして、伸縮可能なリボン デバイスが作成されました。 まず、蒸着マスクを備えたスタンプを準備しました。マスクは図 SI2 に示されています。 スタンプへの堆積は、ソース温度 115 °C、堆積時間 30 分で前述したように進行しました。 次に、75 × 25 mm の PDMS ストリップを引き伸ばし、スライドガラスに固定しました。 スタンプをチャンバーから取り出し、PDMS ストリップ上に押し付け、150 °C で 30 分間スタンプしました。 最後に、スタンプされた PDMS を図 SI2 に示す PDMS リボン設計に接着し、その後弛緩させます。スタンプされた領域に基づいて分離が観察されました。

25 個の二方弁および四方弁で構成される大規模な PMA は、上で詳述した最適化されたパラメーターを使用して製造され、長期保管後および多数の作動にさらされた後の機能性がテストされました。 簡単に言うと、空気圧層と流体層の両方の SU-8 モールドは、標準的なフォトリソグラフィー プロトコルを使用して製造されました 4,12。 その後、5 バルブ チップについて前述したように製造が進められました。 PDMS をガラス ウェーハに接着する前に、決定された最適化パラメータを使用してスタンプが作成され、適用されました。 ポンプシーケンスを使用して、液体を入口から出口に輸送するためのすべてのマイクロバルブの作動を実証しました。 流量測定は、Sensirion (スイス) SLI-1000 流量モニターを使用して行われ、長期乾燥保管後または長期間の繰り返し作動のいずれかで比較されました。 さらに、PMA は、PFTCS コーティングの安定性を確認するために、ロケット打ち上げで高重力条件とロケット打ち上げによる振動にさらされるという実験が行われました。 飛行パラメータは表 SI1 に含まれており、飛行ビデオを表示するリンクも含まれています。 打ち上げのビデオも補足情報として含まれています。 VB300 (Extech、ニューハンプシャー州ナシュア) G フォース データ ロガーを使用して、この打ち上げ中の加速度と振動を測定しました。

まず、図 SI4 に示すように、液体 PFTCS の蒸発速度を時間に関して調査し、妥当な堆積時間を決定しました。 この最初のテストは、PFTCS の蒸気圧をはるかに超える -80 kPa で行われました。 この圧力レベル下では、PFTCS の蒸発速度は比較的高く (7.73 mg/分) 始まり、指数関数的に低下し、60 分後に蒸発速度の平衡 (2.08 mg/分) に達しました。 これらの初期評価の後、PFTCS の熱力学的特性を考慮して、PDMS スタンプへの実際の PFTCS 堆積を 3 つの異なるパラメーターの 3 つのレベルでテストしました: チャンバー真空 (-5、-37.5、および -80 kPa)、堆積時間 (20、30 kPa) 、40 分）、およびソース温度（85、115、および 145 °C）。 チャンバーの真空については、PFTCS の蒸気圧 (-35 kPa)31 のすぐ上および下の真空レベルと、実験室の設定として妥当な高真空レベルを選択しました。 この時間は、PFTCS 分子がチャンバー内に存在するのに十分な長さであると同時に、定常状態の値の 15% 以内に収まるのに十分な長さであるため、気化実験に基づいて選択されました。 ソース温度は、PDMS に損傷を与えることなく堆積速度を促進し、下限での蒸発を確実にするための PFTCS 蒸発の影響を調査するために選択されました 31。 図ＳＩ４は、これらの制御パラメータの下でのＰＦＴＣＳの堆積を示す。 ANOVA テスト (すべてのパラメーターとレベルに対して n = 3) から、これらのパラメーターの中で最も影響力のあるパラメーターはチャンバーの真空レベル (α = 0.05) であることがわかりました。 時間と温度は、圧力よりも全体的な堆積にはあまり影響を与えませんが、堆積の全体的な安定性に影響を与えます。 したがって、堆積時間が 30 分、ソース温度が 115 °C の場合は、有意な堆積量の標準偏差が最も低くなります。

図 2 に示す PFTCS 蒸着の最適条件を決定するために、さまざまな真空圧を使用してさらなる調査が行われました。 PFTCS 蒸気圧より高い場合、蒸着速度は -73 kPa から -80 kPa の間で指数関数的に増加し、平均 3.6 nm/min 増加します。 ／ｋＰａ（−８０ｋＰａでの３６．５ｎｍ／分の堆積対−７３ｋＰａでの１０．２３ｎｍ／分の堆積）。 ただし、-87 kPa の真空を超えると、真空レベルあたりのこの堆積速度は 0.97 nm/min/kPa 低下します。 PFTCS 蒸気圧より低い場合は、PFTCS 分子が制限されているため、堆積速度はほとんど変化しません。 臨界真空レベルよりも真空を高めると、蒸発した PFTCS 分子がより多くチャンバーを満たすため、PDMS スタンプ表面への堆積がより安定しました。 興味深いことに、堆積速度が -73 kPa から -80 kPa まで指数関数的に増加することが観察されました。 したがって、全体的な堆積速度と一貫性を考慮して、残りの実験には -80 kPa の真空、115 °C のソース温度、および 30 分の堆積時間を使用することを選択しました。

PFTCS の測定された堆積速度は真空レベルに依存します。 すべての実験の測定は、堆積の 30 分後に 3 回実行されました。 73 kPa での急激な増加は PFTCS の蒸気圧によるもので、より低い真空レベルでの堆積は主に PFTCS の揮発性によるものです。

クロスパターンの PDMS への PFTCS 転写を実証するために、円形窓のアレイを備えたシャドウ マスクを PDMS シートに取り付け、上記の最適条件で PFTCS を蒸着して PFTCS スポットのアレイを作成しました。 この PFTCS は、基板温度とスタンピング時間を制御しながら、クロスパターンの PDMS 上に転写されました。 図 3A および B は、接触時間と温度に対する、クロスパターンの PDMS 表面への PFTCS の転写を示しています。 室温の場合を除いて、温度は重要なパラメータである一方、転送量にかかる時間は非常に最小限であることが観察されました。 接触中に温度を上げることにより、十字パターン上の PFTCS の被覆率は均一で薄くなりますが、室温の場合は一貫性のない PFTCS の堆積が示されます。 これは、熱エネルギーがスタンプと基板表面の両方で凝縮反応を促進し、PFTCS が PDMS 表面に結合するためです。 室温の場合には凝縮反応が存在しないため、スタンプと基板表面の両方で PFTCS の厚さに大きな変化が観察されました。

十字パターンへの PDMS-PDMS スタンピングの特性評価。 (A) PFTCS でスタンプした後の十字架の画像が緑色で強調表示されています。 (B) スタンピング時間と温度に関する表面被覆率。 (C) 30 分間スタンプした後の対応するスタンプの画像。 (D) 各スタンプの 3 つの位置にわたる平均 RMS 高さは、転写の均一性を示しています。 挿入画像は、A と C がどこで入手されたかを示しています。 すべての実験は 3 回繰り返して実行されました。

転写領域が重要なのは、転写が斑点状であると、基材の最終用途に応じて、部分的または完全に貼り付いたり、表面が不均一になったりする可能性があるためです。 図 3A および B は、対応する PDMS フィーチャの表面被覆率と、温度とスタンピング時間を制御することによるスタンピングされた表面被覆率を示しています。 図 3A の緑色で示されているように、温度が上昇するにつれて表面被覆率が明らかに増加することがわかります。 温度とスタンピング時間を使用してパラメトリック研究を実行することで、表面被覆率の変化を判断することができました。 図 3B は、室温でスタンピングを行った場合、スタンピング時間を 1 分から 60 分に増やすことで PFTCS の表面被覆率が 17 から 79% に増加し、スタンピング中に基板を加熱すると、時間に関係なく表面被覆率が 95% を超えたことを示しています。おそらく基板の予熱が原因と考えられます。 ただし、温度を 85 ℃ から 150 ℃ に上げても、より低い温度でも完全に均一な転写がすでに可能であったため、被覆率は大幅には改善されませんでした。 図SI5で説明されているスタンピングプロセス中の熱伝達のシミュレーションは、85℃と150℃のホットプレートケースでは、必要な基板の予熱により、PFTCS界面で温度がそれぞれ急速に57℃と92℃を超えることを示しています。場所。 スタンピングウェイトがヒートシンクとして機能するため、温度は 65 °C と 110 °C で安定します。 このヒートシンクの作用により、スタンピング界面を通る継続的な熱流束が発生し、温度と実験結果は、おそらく凝縮反応が発生し、室温の場合に見られる塊ではなく、PFTCS の層が十字に付着することを示しています。

図 3C および D は、各スタンプ上の 3 点にわたる RMS 高さを報告することにより、転写の粗さを定量化しています。 RMS 高さは、転写された PFTCS の厚さの均一性を示すフィルムの高さの標準偏差を報告します。 スタンピング表面の RMS 高さは、25 °C での 1166 ± 459 nm から 85 °C のホット プレート温度での 194 ± 125 nm まで大幅に減少し、均一性の向上が示されていますが、85 °C と 85 °C の間では 20% の変化しかありません。 150 °C での高さは 159.5 ± 37 nm。 ただし、150 °C での RMS 高さの標準偏差はかなり低く、スタンプ表面全体の表面が均一であることを示しています。

ガラス基板を使用してさらなる実証が行われました。 未処理の PDMS と比較した場合、ガラス表面にヒドロキシル基が豊富に存在するため、裸のガラスへの転写は、すべての温度と時間にわたって一貫していました 33,34。 この特性により、表面への PFTCS の付着が促進され、均一な PFTCS 膜が得られます (図 SI6)。 温度に関係なく、スタンプ上には検出可能な量の PFTCS はなく、画像化されたガラス基板は均一な厚さを示し、3 つの画像全体の平均粗さは 350 ± 113 nm でした。

ガラスと特徴的な PDMS について、さらに選択的な結合がテストされました。 実際には、以前の実験で注目の PDMS に転写された十字パターンは、マイクロバルブの不動態化に必要な転写と一致します。 したがって、選択的な結合は、スタンプされたマイクロバルブとスタンプされたガラスに結合されたマイクロバルブの両方をテストすることによって確認されました。 図 4A は、実験と特性評価に使用される 5 つのマイクロバルブ ネットワークを備えた単純なマイクロバルブ アレイを示しています。 マイクロバルブ アレイの製造中に、スタンプの位置ずれ、マイクロバルブの部分的な欠落、またはバルブ固着問題につながるマイクロバルブの接触領域による部分的または完全な故障がいくつか観察されました。 ガラスまたは PDMS 基板上での全体的な成功率を推定しました。 図 4B は、ガラス スタンピング チップの成功率を示しています。 スタンピング温度は室温および 150 °C スタンピングでそれぞれ 92% から 75% まで変化するため、成功率には明らかなパターンはありません。 前述したように、転写の一貫性により、ガラス スタンピング チップは一貫して良好な性能を発揮しました。 しかし、PFTCS の視認性が低いため、スタンプ ガラスとの位置合わせが難しく、マイクロバルブの位置ずれによる失敗が発生しました。 一般に、ガラス上に直接蒸着すると、蒸着された PFTCS の不透明度を利用して位置合わせが簡単になるため、裸のガラス基板へのスタンピングは推奨されません。 図 4C に示す注目の PDMS 基板の場合、より高い転写温度が必要になるという顕著な傾向が見られ、温度が上昇すると 17 ～ 100% の成功率が得られます。 前述したように、低温スタンピングはフィーチャーへの転写不良を引き起こし、チップ全体に広範なスティッキング問題を引き起こしました。 したがって、注目の PDMS のスタンピング中に少なくとも 100 °C を使用して凝縮反応を引き起こし、高い転写均一性とデバイス機能を実現する必要があります。

PDMS スタンプからさまざまな基板への PFTCS の転写の特性評価。 (A) シンプルな 5 マイクロバルブ チップ設計。 (BC) PDMS スタンプから PDMS フィーチャーおよびガラスにそれぞれ転写された PFTCS の成功率。 (B) と (C) の挿入画像は、PDMS (赤) とガラス (青) に対する PFTCS (緑) の位置を示しています。 (D) 最適化された製造パラメーターの下で PFTCS でスタンプされた PDMS ゲートの製造プロセス全体を通して追跡された PFTCS の厚さ。 すべての結果は、(A) に示す 5 マイクロバルブ チップのうち 10 個からのものです。

さらに、マイクロバルブの選択的結合の安定性を理解するために、SEM を使用してさらなる特性評価が行われました。 マイクロバルブのゲートと接触面を検査した結果、PFTCS が両側に存在することがわかりました。 図５１７Ｃに示すように、ＰＦＴＣＳ層が両面に形成され、ＰＦＴＣＳの約半分がゲート上にあり、これによりマイクロバルブが長期間固着の問題なく動作することが可能になる。 図 4D は、単一チップの製造プロセス全体にわたる PFTCS の分布の内訳を示しています。 スタンプ上の PFTCS の約 30% が PDMS マイクロバルブに転写され、この 30% は最終接着ステップの後、マ​​イクロバルブとガラス基板の間で均等に分割されます。

この選択的結合技術の追加の実証として、伸縮性マイクロデバイスが製造され、設計された 3D 構造のアセンブリと品質を観察することによってテストされました。 図５１８に示す伸縮性デバイスを作製するために、薄いＰＤＭＳを一方向に１５％延伸し、マスキングし、ＰＦＴＣＳを堆積させ、次いで弛緩前にＰＦＴＣＳパターンと位置合わせした後、ＰＤＭＳリボンに接着した。 薄い PDMS 基板の伸張を緩和すると、大掛かりな微細加工手順を行わずに、複数のアーチ型 3D 構造が首尾よく形成されました。

図 5 は、複雑な流体操作を実行するために最適化されたパラメーターを使用して製造された、25 個のマイクロバルブを備えた大規模な PMA を示しています。 この PMA は、完全な流体プロセッサのポンプ コンポーネントとして設計されています。 検出システムと組み合わせた場合、この組み合わせは、提示された製造方法で提供される長期安定性を活用して、地球外サンプルの生命痕跡をその場で検出するために使用できます。 たとえば、土星と木星の衛星から採取された氷のサンプルを分析すると、太陽系の生命の兆候が明らかになる可能性があり 35、提示された製造方法で製造された PMA は、必要な処理を行うだけでなく、何年も保管した後でも機能する能力を備えています。飛行中。

提示された製造方法のさまざまな長期安定性テスト。 (A) 流体を引き込み、必要な場所に押し出すポンピング シーケンスの例の図。 図中の数字は、補足情報に記載されている作動シーケンスのバルブ番号を示します。 (B) この PFTCS ベースの方法を使用して製造された複雑なマイクロバルブ ベースのデバイスからの、製造日と 3 年後の流量プロファイルの比較。 挿入図は、ロケットの打ち上げと 2 つの流量プロットの間の衝突の間にこのチップが経験した 1 分間の g フォース プロファイルを示しています。 発射時にはチップに 7.5 g の加速度が継続的にかかり、衝突時の加速度は 25 g にも達しました。 これは、このマイクロコンタクトプリンティング法の寿命能力と回復力を示しています。 (C) 同じタイプのデバイスを数千回の開閉操作で継続的に使用した場合のパフォーマンスの比較。 指定された作動はシーケンス内の 1 つのバルブに対応しており、11 個のバルブのそれぞれがその多くの作動を経験したことを意味します。

したがって、長期の作動、模擬ロケット発射、および長期保管の両方の後に、このコンポーネントの安定性を検証することが重要です。 図 5A は、PMA 設計と、安定性テストで使用したカラー色素を使用したポンピング シーケンスのスナップショットを示しています。 漫画内の番号は、補足情報 (表 SI2) に示されている作動シーケンスのバルブ番号を示しています。 このシーケンスは、周囲の二方バルブの 1 つを開くことによって開始され、次に図 5A1 に示すようにすべてが開くまで内部の四方バルブを順番に開きます。 すべての四方弁が開くと (図 5A2)、入口二方弁が閉じ、出口二方弁が開きます。 最後に、図 5A3 に示すように、内部の四方弁が順番に閉じられ、流体が押し出されます。 このポンピングシーケンスは、さまざまな条件下で次の安定性テストのために繰り返されました。 図 5B と図 5C は、さまざまな保管、力、作動条件後のこのシーケンスの流量と、それぞれの場合のポンピングシーケンスの 1 サイクルあたりの平均体積を示しています。 図 5B は、製造後と 3 年後の流動プロファイルが同一であるため、この方法が 3 年を超える長い休止時間に対して安定していることを示しています。 さらに、図 5B の挿入グラフは、2 つの流量測定の時間の間に、テスト ロケットの飛行と墜落中に特定のチップが経験した g 力プロットを示しています。 打ち上げ時の平均重力加速度は約 7.5 g で、通常の打ち上げ時に予想されるわずかに高い 3 ～ 6 g36 と一致し、チップは衝突時に最大 25 g の力に耐えることができました。 降下と衝突の間、PMA は約 10 秒間 7.5 Hz の振動にもさらされました。 これらの条件に対する PMA の回復力は、PFTCS 選択結合法がロケットの打ち上げ中および打ち上げ後に安定であることを証明しています。 長い休止期間 (> 3 年) を経てテストされた他のチップでは、最初にバルブを再度開くときに応答時間が遅くなることが示されています。 約 10 回の数回のプライミング作動の後、PMA は通常の動作条件に戻ります。 この長期保存は、マイクロバルブ周囲の PDMS とガラスの結合の復元力を示しています。 これは不可逆的な結合であるため、結合の破損は予想されません。 ただし、マイクロバルブ周囲の PDMS とガラスの結合は、バルブが閉じるときに短時間比較的高い圧力にさらされます。 観察中、この領域には破損や変化の形跡はなく、結合の強さが継続していることを示しています。 さらに、図 5C に示されている使用率の高い結果は、反復的なタスクやシーケンスにもかかわらず、PMA の安定性と一貫性を示しています。 測定された各点は、作動の回数に関係なく、同一のプロットを持ちます。 PMA 内のすべてのマイクロバルブを 18 時間一定に作動させた後、PMA のパフォーマンスにはほとんど差がありません。 これらの結果は、PFTCS 支援選択結合法が、マイクロ流体操作で失敗するリスクがなく、待ち時間が長くサイクル操作数が多い宇宙ミッションでも信頼できることを示しています。 熱プロファイルとゼロ g 下の PMA 作動性能を理解するために、さらなる特性評価が進行中です。

プログラム可能なマイクロバルブ アレイを使用した長期宇宙ミッションをサポートするために、PFTCS マイクロ コンタクト プリンティングを使用した選択的 PDMS ボンディング手順が初めて特徴付けられ、実証されました。 スタンプの製造、PFTCS の堆積、およびスタンプの使用が詳細に特徴付けられ、さまざまな基板上で PDMS の選択的結合を達成するために、温度、圧力、堆積とスタンプの負荷条件などの主要なパラメーターが特定されました。 特に、蒸着、高真空レベル、およびスタンピング、高温の両方の主要なパラメーターを決定しました。 テストした他のパラメータ、つまり蒸着時のソース温度と時間、および転写時のスタンピング時間と材料は、データ内のバックグラウンド ノイズに関して影響を及ぼしませんでした。 この原稿で詳述されているプロトコルを使用して、PFTCS を PDMS スタンプ上に堆積し、これを使用して PFTCS をガラスと PDMS の両方に転写し、マイクロバルブ アレイと伸縮可能な 3D リボン デバイスを実証しました。 さらに、この製造方法は、長期間、多数の作動、および高重力にさらされても安定しているため、マイクロバルブの機能を変えることなく、長期の宇宙ミッションに役立ちます。 さらに、提示された選択的接合技術は、高密度マイクロバルブ アレイを備えたより大きなデバイスに簡単に拡張できます。 ここで紹介されているものよりも複雑な PMA は、試薬の保存と希釈、サンプルの混合とラベル付け、ラベル付けされたサンプルの検出システムへの送達が可能であり、太陽系外周でのミッションに必要な長期安定性をすべて備えています。 この仮説的な PMA は、プログラム可能であるため、チップの物理設計を変更せずにプロトコルを変更できるため、さまざまなミッション プロファイルに使用できるでしょう。 追加のテストは、熱膨張による熱応力と包括的な振動を理解して機械的安定性を評価するために、特に熱サイクルにとって有益です。 この種のテストの暫定結果は有望であるにもかかわらず、技術準備レベル (TRL) を高めるためには、より広範な環境テストが依然として必要です。 さらに、提示された製造方法は、PDMS スタンプのフォトレジストベースのマスキングを使用することで改善できます。 これにより、この方法で可能な解像度が大幅に向上し、より複雑な表面処理パターンを作成できるようになります。

この作業中に生成および分析されたデータセットは、特許出願を考慮しているため一般には公開されていませんが、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は主に NASA MatISSE 助成金 80NSSC17K0600 および REDDI 80NSSC21K0447 によって支援されました。 さらに、J. Kim はユタ大学からのこのプロジェクトへの財政的支援を認めています。 著者全員は、安定性試験のためのロケット打ち上げを支援してくれたテキサス工科大学レイダー航空宇宙協会に感謝します。 この研究の一部は、工学部、研究担当副学長室、およびユタ州のユタ科学技術研究（USTAR）イニシアチブの後援を受けたユタ・ナノファブで行われました。 著者らは、この研究を可能にしたスタッフと施設のサポートに感謝します。

ユタ大学機械工学部、ソルトレイクシティ、ユタ州、84112、米国

ザカリー・エスタック & キム・ジョンギュ

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ZE と JK が研究を設計しました。 ZE は調査を実施しました。 ZE と JK はデータを分析しました。 そしてZEとJKが論文を書きました。

キム・ジョンギュさんへの手紙。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Estlack, Z.、Kim, J. 長期宇宙探査のためのパーフルオロオクチル-トリクロロシランパッシベーションによる選択的 PDMS (ポリジメチルシロキサン) 結合を使用したマイクロバルブ アレイの製造。 Sci Rep 12、12398 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16574-9

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受信日: 2022 年 2 月 1 日

受理日: 2022 年 7 月 12 日

公開日: 2022 年 7 月 20 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16574-9

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