2. Contextualización teórica (a) (b)
2.3 Tecnologías de fabricación para microfluídica
2.3.2 Tecnologías de microfabricación en silicio
Las tecnologías microelectrónicas han sido indispensables para el desarrollo de la microfluídica [25] y son necesarias para el desarrollo de la nanofluídica [48]. Como se ha comentado con anterioridad, su implementación en la microfluídica hizo realidad la disminución del tamaño de los dispositivos fabricados. Además ofrecen la posibilidad de integrar en el dispositivo elementos de detección como sensores para realizar medidas electroquímicas de las muestras que circulan dentro del microcanal [58].
El micromecanizado en silicio puede dividirse en dos categorías: Bulk micromachining o micromecanizado en volumen donde las estructuras se definen directamente grabando la oblea de silicio mientras que en surface micromachining o micromecanizado en superficie se depositan, sobre la superficie de la oblea, capas de diferentes materiales que son grabadas selectivamente. Los grabados de la oblea se clasifican en ataques secos o ataques húmedos dependiendo de la fase en la que se encuentra el atacante o en isotrópicos y anisótropos, dependiendo de los planos cristalográficos del silicio.
2. Contextualización teórica
En los ataques isotrópicos no hay una dirección preferencial de ataque, el silicio se ataca en todas las direcciones mientras que en los ataques anisotrópicos hay una dirección preferencial en la que la oblea se graba con mayor velocidad. La Figura 2.15 muestra un esquema explicativo de estos dos tipos de ataques.
(a) (b)
Figura 2.15: Sección transversal de una oblea después de (a) un grabado anisótropo donde hay una dirección preferencial o (b) un grabado isotrópico donde se graban más o menos a la misma velocidad todas las direcciones.
Los ataques húmedos implican sumergir la oblea en un reactivo para realizar el grabado mientras que para los grabados secos (Reactive-Ion Etching, RIE), la oblea es colocada en un reactor donde se introducen diferentes gases. Con una fuente de radiofrecuencia se genera un plasma donde se forman iones y radicales libres que grabaran la oblea expuesta. Para conseguir grabados de elevada profundidad manteniendo las paredes verticales, se utiliza el grabado seco profundo (Deep Reactive-Ion Etching, DRIE). Pero para realizar el grabado, antes hay que transferir la forma que se quiere grabar a la oblea. Esto se consigue mediante una etapa de fotolitografía. En esta etapa se transfiere los motivos deseados a una capa de fotoresina depositada sobre la oblea. Después de irradiar la resina y eliminar la parte no deseada, la fotoresina endurecida ejercerá de máscara para transferir los motivos a la oblea.
Los microcanales fabricados en silicio para microfluidica se suelen sellar con una cobertura de vidrio utilizando soldadura anódica para sellar la unión y evitar fugas. Debido a la transparencia del vidrio, esta técnica de soldadura es adecuada para aplicaciones biomédicas y biológicas, donde en ocasiones se requiere disponer de una visión óptica para la manipulación y evaluación de los fluidos. En microelectrónica, la soldadura se suele realizar sobre una placa calefactora. Las temperaturas suelen estar alrededor de 400ºC. La Figura 2.16a muestra una imagen del montaje realizado para una soldadura anódica. Se colocan en contacto directo las superficies pulidas del vidrio y de la oblea de silicio.
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Sobre la oblea de vidrio se coloca el cátodo porque la placa calefactora hace a la vez función de ánodo. Al alcanzar la temperatura de 400ºC se aplica un voltaje cuyo valor depende del tamaño de la oblea y de la posible existencia de material aislante como el óxido de silicio. Para obleas de vidrio Pyrex de 1 mm de grosor el voltaje aplicado suele estar entre 200-1000 V. Los iones de sodio Na+ del vidrio se mueven hacia la superficie donde se ha aplicado un potencial negativo, creándose de esta manera un exceso de iones oxigeno en la interfase vidrio-silicio. Estos iones difunden hacia el silicio reaccionando con él y creando un enlace químico irreversible. El esquema de este proceso se muestra en la Figura 2.16b.
(a) (b)
Figura 2.16: (a) Imagen del montaje para realizar una soldadura anódica y (b) esquema del proceso de soldadura anódica [59]
Las microtecnologías y los procesos de fabricación por lote intentan minimizar el montaje, empaquetado y conexionado final de un dispositivo. En el caso de los sistemas microfluídicos sigue siendo necesario para cubrir los microcanales fabricados y realizar la conexión con equipos de bombeo o de medida. De hecho la comercialización de los dispositivos microfluídicos es difícil debido al cuello de botella que se encuentra en el proceso de fabricación en la etapa de montaje y empaquetado del dispositivo [11, 60].
Normalmente un dispositivo microfluídico necesita ser conectado a un sistema de para bombear líquido en su interior, para suministrar energía al dispositivo o para obtener información del sistema. Características como la obtención de bajos volúmenes muertos, amplio rango de presión o amplia resistividad a reactivos químicos son de difícil combinación con diseños simples y baratos. Fredrickson et al. ofrecen un recopilatorio de los sistemas de conexión utilizados [61].
2. Contextualización teórica
En general, los sistemas de conexión pueden clasificarse dependiendo de la manera que tienen de acoplarse por presión o por el uso de adhesivos, es decir, en extraíbles o permanentes. Los primeros utilizan elementos como juntas o anillos (Figura 2.17a) para acoplar y sellar presionando los tubos a los accesos a los microcanales. Son adecuados para trabajar a bajas presiones debido a las pocas fuerzas adhesivas que presentan. Los segundos (Figura 2.17b) conectan los tubos sobre o en el interior de los orificios de entrada y después añaden adhesivo para sellar la unión. Este hecho limita por un lado la distancia entre conexiones cuando el tubo está sobre el orificio de entrada o puede producir que el adhesivo por capilaridad entre y obstruya el canal.
(a) (b)
Figura 2.17: (a) Imagen de los elementos en forma de anillo utilizados para las conexiones por presión y (b) utilizando adhesivos para fijar el tubo sobre o dentro del orificio de entrada [62].
Snakenborg et al. [62] presentan una manera rápida de establecer conexiones evitando el uso de adhesivos, pero está dirigida a dispositivos con una superficie plana en la zona de unión entre los tubos y el dispositivo microfluídico. Gray et al. [63] y Pan et al. [64] utilizan unas estructuras intermedias fabricadas con DRIE donde se acoplan los capilares o tubos para realizar las conexiones. Estas conexiones son mostradas en la Figura 2.18. Ninguna de estas estructuras está integrada monolíticamente al sistema microfluídico.
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(a) (b)
Figura 2.18: Conexiones fluídicas fabricadas por Gray et al. [63] y Pan et al. [64] con DRIE.