English China

Passt wie angegossen

Laminationsverfahren für die Optofluidische On-Chip-Absorptionsspektroskopie

Seite: 2/2

Firmen zum Thema

Für die Herstellung muss zunächst ein PDMS-Stempel von einer Masterstruktur abgeformt werden. PDMS (Polydimethylsiloxan) ist ein farbloses, durchsichtiges und ungiftiges additiv vernetzendes Silikon, das aufgrund seiner niedrigen Adhäsionseigenschaften ideal als Stempelmaterial geeignet ist: PDMS geht im Prozessablauf keine feste Verbindung mit den Oberflächen ein und kann sehr leicht wieder entfernt werden. Zur Abformung können Silizium-Master, Glas-Master oder auch Polymer-Master verwendet werden.

Kostengünstige und robuste Herstellung

Aufgrund der Strukturgröße des DFB-Gitters (sub-Mikrometer Bereich) konnten allerdings mit herkömmlichem PDMS keine erfolgversprechenden Abformungsergebnisse erzielt werden. Als Lösung wurde ein Multilayer-Stempel zur Abformung verwendet, bei dem eine dünne Schicht hard-PDMS (h-PDMS) auf die Masterstruktur aufgetragen wurde, die von einer dickeren Schicht PDMS stabilisiert wird. h-PDMS zeichnet sich im ausgehärteten Zustand durch eine wesentlich höhere Steifigkeit aus. Die Herstellung eines solchen Multilayer-Stempels ist in Abbildung 3 schematisch dargestellt. Für die Abformung wurde ein Glas-Master mit einer Gitterperiodizität Λ von 330 nm verwendet.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

Der Multilayer-Stempel wurde anschließend mit einer Schicht UV-aushärtendem Fotolack (Photoresist) im Spincoating-Prozess beschichtet (s. Abb. 4). Hierfür wurde der Photoresist KMPR verwendet, der sich bereits in der Lamination bewährt hatte. Unter einer UV-Lampe erfolgte im nächsten Schritt die Aktivierung des Photoresist. Danach wurde die Lamination des Photoresist auf einen Glasträger durchgeführt. Die Lamination des Photoresist auf den Glasträger erfolgte bei Wärme und Druck auf den Stempel. Nach der Lamination konnte der Stempel vom Photoresist abgezogen werden. Als Resultat erhielt man eine mit dem Glasträger verbundene Photoresist-Schicht mit eingeprägter DFB-Gitterstruktur, die als Grundsubstrat für den organischen Laser diente. Zuletzt wurde der nanostrukturierte Photoresist-Layer mit dem ausgewählten organischen Lasermaterial beschichtet.

Erster Praxistest belegt Eignung des Verfahrens

Mit diesem neuen Verfahren konnte ein organischer DFB-Laser mit einer Laserwellenlänge von 538 nm produziert werden (s. Abb. 5) – mittels eines Prozesses, der im Wesentlichen nur einen Spincoater, eine UV-Lampe und eine Heizplatte benötigt.

Dünne Polymerschichten auf Glas laminieren

Das Laminationsverfahren kann aber noch viel mehr, als nur zuverlässig organische DFB-Laser herzustellen. Die Basis vieler Biosensoren sind mikrofluidische Kanalstrukturen in Glassubstraten. Für mikrofluidische Biosensoren werden immer geringere Mikrostrukturabmessungen gefordert, wodurch immer härtere Anforderungen an die Verfahren zur Herstellung gestellt werden.

In den bisherigen Verfahren werden (Polymer-)Folien direkt mit dem Substrat verklebt oder auf dem Substrat eine Polymerschicht direkt aufgetragen. Ein Problem dieser sehr aufwändigen Herstellungstechnik besteht darin, dass durch das direkte Auftragen der Polymerschicht auf das Glassubstrat die Strukturen im Substrat verstopft oder verengt werden können, und die Schichtstärke des Polymerfilms nicht befriedigend einstellbar ist.

Bei dem hier vorgestellten Verfahren werden die Mikrostrukturen auf dem Glassubstrat nicht beeinträchtigt. Die Laminatschicht wird getrennt vom Substrat hergestellt und erst danach mit dem Glassubstrat durch geringen Anpressdruck und bei niedrigen Temperaturen verbunden. Mit dieser Methode ist auch der Aufbau mehrschichtiger Systeme (Stapel) möglich.

Das Laminat selbst kann mithilfe eines strukturierten Stempels mit einer Funktionsstruktur versehen werden. In Verbindung mit der Verwendung von Glas ist das Verfahren für diagnostische Anwendungen hervorragend geeignet. Durch das neue Verfahren können nicht nur die Nachteile der herkömmlichen Herstellungstechnik eliminiert werden. Die exakt einstellbare Schichtstärke, die strukturierte laminierte Funktionsschicht und die variablen Abdichtungsmöglichkeiten der mikrofluidischen Kanäle (offene und geschlossene Abschnitte) sind vielmehr Vorzüge dieser Technik und werden v.a.in der Mikrofluidik, in der Lab-on-a-Chip-Technik und bei Point-of-Care Sensoren zum Einsatz kommen.

Ziel: Mobiles Gerät mit maßgeschneiderten Chips

Ziel der weiteren Entwicklung ist nun die Integration aller notwendigen Funktionen in ein mobiles Gerät, welches mit auswechselbaren und für den jeweiligen Analyten maßgeschneiderten mikrofluidischen Analysechips universell zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen einsetzbar ist.

* Prof. Dr.-Ing. C. Karnutsch, Dr.-Ing. J. Knyrim: Hochschule Karlsruhe, 76133 Karlsruhe

(ID:46137462)