Design and fabrication of glass-based microchannels and micropillars for microfluidic applications
Mı̇kroakışkan uygulamaları ı̇çı̇n cam bazlı mı̇krokanalların ve mı̇krosütunların tasarımı ve üretı̇mı̇
- Tez No: 932150
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜSEYİN KIZIL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Biotechnology, Electrical and Electronics Engineering, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 197
Özet
Mikroakışkan sistemler, küçük hacimlerde birden fazla fonksiyonu gerçekleştirme yetenekleri sayesinde biyoteknoloji, ilaç, tıp, gıda ve çevre gibi alanlarda giderek daha fazla kullanılmaktadır. Bu sistemler, yüksek verimlilik, hız, hassasiyet ve tekrarlanabilirlik sunarak makro ölçekli ölçüm sistemlerine göre taşınabilirlik, maliyet etkinlik ve erken teşhis için uygunluk gibi avantajlar sağlamaktadır. Bu özellikleri, mikroakışkan sistemleri tıbbi tanı ve biyomarker tespiti için ideal hale getirmektedir. Bu tez, mikroakışkan uygulamalar için cam tabanlı mikrokanallar ve mikrosütunlar tasarlamayı ve üretmeyi hedeflemekte, kanser gibi hastalıkların erken ve doğru tespiti amacıyla sensör çiplerinin geliştirilmesine odaklanmaktadır. Ülkemizde yerli ince cam üretim teknolojisi olarak geliştirilen ve nihai ürünün hızlı bir şekilde sanayileşmesine katkı sağlayacak, 0.5-1.1 mm kalınlığında soda kireç ve borosilikat esaslı ince cam altlıklar, biyouyumlulukları, işlem kolaylıkları ve geleneksel malzemelere kıyasla maliyet etkinlikleri nedeniyle tercih edilmiştir. Parçacık ayrımı için Deterministik Lateral Yer Değiştirme (DLD) prensipleri kullanılarak, mikrokanallar soda kireç ve borosilikat cam altlıklar üzerinde fotolitografi yöntemiyle tasarlanmış ve üretilmiştir. Yüksek kaliteli mikrosütunlar ve mikrokanallar elde etmek amacıyla kuru (ICP-RIE) ve ıslak kimyasal aşındırma yöntemleriyle optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Mikrokanal ve sensör platformları oluşturulacaktır. DLD tasarım tekniği ile pasif ve parçacık boyutuna dayalı parçacık ayrımı mümkündür. L-EDIT programında farklı tasarım parametreleri dikkate alınarak çizilmiş, farklı boyutlarda mikrosütunlar ve mikrokanallardan oluşan bir tasarım elde edilmiştir. Tasarımlardaki mikropaternin oluşturulması için litografi çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Fotolitografi tekniği ile AZ1505, AZ1512 ve AZ4533 foto dirençleri kullanılarak, lazer yazıcı cihazı ile cam altlıklar üzerinde patern oluşturulmuştur. Foto direnç işlemlerinden önce cam altlıklara uygun temizlik protokolleri uygulanmıştır. Cam yüzeylere metal koruyucu katmanlar, e-beam PVD cihazında biriktirme yöntemi ile kaplanmıştır. Litografi adımları olarak, spin kaplama yöntemiyle yüzeye foto direnç kaplanmış, ardından pişirme işlemleri gerçekleştirilmiş ve uygun baskı parametreleri ile lazer yazımı için hazırlanmıştır. Tüm foto direnç tipleri için optimum litografi adımları ve protokoller belirlenmiş ve her biri için optimum patern yazımı parametreleri elde edilmiştir. Her çalışmanın ardından, altlık üzerinde oluşturulan patern optik mikroskop altında incelenmiş ve litografi adımlarının uygunluğu ve kalitesi değerlendirilmiştir. Altlıklar üzerindeki ideal patern boyutlarının korunabildiği örnekler üzerinde, ICP-RIE ile ıslak ve kuru aşındırma çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Kimyasal bir aşındırma yöntemi olan ıslak aşındırma yöntemiyle, aşındırma çözeltisinin camın aşındırma hızına etkisi, maskeleme katmanının türü, maskeleme katmanının cam altlık yüzeyine yapışması, aşındırma geometrisi ve aşındırma derinliği gibi mikrokanal yapısının kalitesini etkileyen kritik faktörler için en uygun aşındırma çözeltisi belirlenmiştir. Cam altlıklar, yüzeyde istenilen mikro yapıları oluşturmak için hidroflorik asit (HF), amonyak (NH3), fosforik asit (H3PO4), hidrojen peroksit (H2O2), hidroklorik asit (HCl) ve/veya amonyum florür (NH4F) içeren aşındırma çözeltilerine daldırılmıştır. Diğer bir aşındırma yöntemi olan ICP-RIE ile kuru aşındırma tekniğiyle camların aşındırılmasında CF4, C4F8 ve SF6 gibi farklı gazlar kullanılmıştır. Bu yöntem için ICP gücü, altlık gücü, gaz akış hızları, işlem basıncı, altlık sıcaklığı, ICP-altlık mesafesi gibi işlem parametreleri üzerinde çalışmalar yapılmış ve aşındırma için optimum koşullar belirlenmiştir. Her aşındırma işleminden sonra, cam altlıklar üzerindeki mikrokanalların yan duvar geometrileri, aşındırma hızı ve aşındırılmış cam yüzeylerinin pürüzlülüğü; profilometre, SEM-EDS ve optik mikroskop cihazları ile karakterize edilmiş ve her cam türü için optimum aşındırma koşulları tespit edilmiştir. Bu çalışmada, cam altlıklar üzerinde mikrokanal ve mikrosütun yapılarının oluşturulması için hem kimyasal hem de kuru aşındırma yöntemlerinin uygulanabilirliği araştırılmıştır. Çalışma kapsamında, soda kireç cam ve borosilikat cam gibi farklı cam türlerinde çeşitli kimyasal ve kuru aşındırma işlemleri optimize edilmiştir. Kimyasal aşındırma çalışmaları kapsamında, soda kireç camda HF:HCl:HNO3 (50:5:1) çözeltisi ile 3 dakikalık işlem süresi sonunda yaklaşık 65μm aşındırma derinliği ve 0.013μm yüzey pürüzlülüğü ile optimum aşındırma koşulları elde edilmiştir. Bu çözeltinin soda kireç cam için uygun olduğu belirlenmiştir. Borosilikat camda ise HF'nin en uygun kimyasal aşındırma yöntemi olduğu saptanmış ve %48 HF ile 20 dakika ve %40 HF ile 30 dakika işlem süresi sonunda 50μm'nin üzerinde aşındırma derinlikleri elde edilmiştir. Soda kireç camın aşındırma işlemleri sırasında oluşan uçucu olmayan bileşikler, aşındırma derinliğini sınırlamış ve maksimum 12μm aşındırma derinliği elde edilmiştir. Bu nedenle, kuru aşındırma çalışmaları borosilikat cam ile devam ettirilmiştir. Borosilikat camda, C4F8 + O2 ikili gaz karışımıyla 150 dakikalık işlem sonunda 50μm'luk bir üst sınır aşındırma derinliğine ulaşılmış ve bu koşullar optimum kuru aşındırma parametreleri olarak seçilmiştir. İşlem basıncının azaltılmasının, yüzey pürüzlülüğünün iyileştirilmesinde etkili olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, C4F8 + SF6 + O2 + Ar gaz karışımıyla yapılan çalışmalarda, RF Bias gücünün azaltılmasının koruyucu metal katmanlarının dayanıklılığını artırdığı tespit edilmiştir. Soda kireç camda, optimum koşullarda 65μm derinlik ve düşük yüzey pürüzlülüğü değerleri elde edilmiştir. Borosilikat camlarda, hedeflenen 20-50μm aşındırma derinliği üst sınırına, C4F8 + O2 ikili gaz karışımı ile 150 dakikalık aşındırma işlemi sonrasında, işlem koşulları olarak ICP gücü 2000W, RF Bias gücü 300W, işlem basıncı 10mTorr, C4F8 gaz akışı 40sccm ve O2 gaz akışı 20sccm altında ulaşılmıştır. Borosilikat camda kuru aşındırma ile elde edilen yüzey pürüzlülüğü değerleri, cam yüzeyinin sensör platformları için uygun olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, cam alt tabakalar üzerinde mikrokanal ve mikropilar yapılarının oluşumunda hem kimyasal hem de kuru aşındırma yöntemlerinin uygulanabilir olduğunu göstermiştir. Optimum koşullarda elde edilen yüzey pürüzlülüğü ve derinlik değerleri, bu yapıların sensör platformlarında alt tabaka malzemesi olarak kullanımını desteklemektedir. Bu araştırma, hassas ve homojen mikrokanal yapılarıyla gelişmiş cam tabanlı mikroakışkan platformların geliştirilmesine katkı sağlamaktadır. Bu platformlara sensör sistemlerinin entegrasyonu, biyomedikal tanı uygulamalarını artıracaktır. Gelecekteki çalışmalar, alternatif malzemelerin, yenilikçi aşındırma yöntemlerinin ve süreç optimizasyonunun araştırılmasını hedeflemelidir. Bu mikroakışkan platformların ticarileştirilmesi, sağlık teknolojilerinde ilerlemeler vaat eden uzun vadeli bir hedef olarak belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Microfluidic systems are increasingly utilized across biotechnology, pharmaceuticals, medicine, food, and environmental fields due to their ability to perform multiple functions within small volumes, delivering highly efficient, rapid, precise, and reproducible results. Their advantages over macro-scale measurement systems, including portability, cost-effectiveness, and suitability for early diagnosis, make them ideal for medical diagnostics and biomarker detection. This thesis aims to design and fabricate glass-based microchannels and micropillars for microfluidic applications, focusing on the development of sensor chips intended for early and accurate detection of diseases such as cancer. Soda lime and borosilicate based thin glass substrates with a thickness of 0.5-1.1 mm, which are developed as a domestic thin glass production technology in our country and will contribute to the rapid industrialization of the final product, were selected due to their biocompatibility, ease of processing and cost effectiveness compared to traditional materials. Using Deterministic Lateral Displacement (DLD) principles for particle separation, microchannels were designed and produced on soda lime and borosilicate glass substrates by photolithography. Optimization studies were carried out to obtain high quality micropillars and microchannels using dry (ICP-RIE) and wet chemical etching methods. Microchannel and sensor platforms will be created. With the DLD design technique, passive and particle size-based particle separation is possible. A design consisting of micropillars and microchannels of different sizes, drawn in the L-EDIT program, was obtained by considering different design parameters. Lithography studies were carried out to obtain the micropattern in the designs. With the photolithography technique, the pattern was created on glass substrates with a laser writer device using AZ1505, AZ1512 and AZ4533 photoresists. Appropriate cleaning protocols were applied to the glass substrates before the photoresist. Metal protective layers were coated on the glass surfaces with the deposition method in the e-beam PVD device. As lithography steps, the photoresists were coated on the surface with spin coating, baking processes were performed and leaving them for laser writing with appropriate printing parameters were performed. Optimum lithography steps and protocols were determined for all three photoresist types and optimum pattern writing parameters were obtained for each. After each study, the pattern created on the substrate was examined under an optical microscope and the suitability and quality of the lithography steps were evaluated. Wet and dry etching studies with ICP-RIE were carried out on samples where ideal pattern dimensions could be preserved on the substrates. With the wet etching method, which is a chemical etching method, the most suitable etching solution was determined for the critical factors affecting the quality of the microchannel structure such as the effect of the etching solution on the etching speed of the glass, the type of masking layer, the adhesion of the masking layer to the glass substrate surface, the etching geometry, and the etching depth. Glass substrates were immersed in hydrofluoric acid (HF), ammonia (NH3), phosphoric acid (H3PO4), hydrogen peroxide (H2O2), hydrochloric acid (HCl), and/or ammonium fluoride (NH4F) etching solutions to create the desired microstructures on the substrate surface. In etching glasses with the dry etching technique with ICP-RIE, another etching method, different gases such as CF4, C4F8, and SF6 were used. Studies were conducted on process parameters such as ICP power, substrate power, gas flow rates, process pressure, substrate temperature, ICP-substrate distance, and optimum conditions for etching were determined. After each etching process, the side wall geometries of microchannels in glass substrates, etching speed, and roughness of etched glass surfaces were characterized with profilometer, SEM-EDS, and optical microscope devices, and optimum etching conditions were determined for each type of glass. In this study, the applicability of both chemical and dry etching methods for the formation of microchannel and micropillar structures on glass substrates was investigated. Within the scope of the study, various chemical and dry etching processes were optimized in different glass types such as soda lime glass and borosilicate glass. Within the scope of chemical etching studies, optimum etching conditions were obtained in soda lime glass with approximately 65μm etching depth and 0.013μm surface roughness at the end of 3 minutes of treatment time with HF:HCl:HNO3 (50:5:1) solution. It was determined that this solution was suitable for soda lime glass. In borosilicate glass, HF was determined as the most suitable chemical etching method, and etching depths of over 50μm were achieved with 48% HF for 20 minutes and 40% HF for 30 minutes. Non-volatile compounds formed during the etching processes of soda lime glass limited the etching depth and a maximum etching depth of 12μm was achieved. Therefore, dry etching studies were continued with borosilicate glass. In borosilicate glass, an upper limit etching depth of 50μm was reached at the end of the 150-minute process with the C4F8 + O2 binary gas mixture and these conditions were selected as the optimum dry etching parameters. It has been observed that reducing the process pressure is effective in improving the surface roughness. In addition, in studies conducted with C4F8 + SF6 + O2 + Ar gas mixture, reducing the RF Bias power increased the durability of the protective metal layers. In soda lime glass, 65μm depth and low surface roughness values were obtained under optimum conditions. The upper limit of the targeted etching depth of 20-50μm was reached after 150 minutes of etching on borosilicate glasses with C4F8 + O2 binary gas mixture under process conditions of ICP power 2000W, RF Bias power 300W, process pressure 10mTorr, C4F8 gas flow 40sccm and O2 gas flow 20sccm. In borosilicate glass, surface roughness values obtained by dry etching indicate that the glass surface is suitable for sensor platforms. This study has shown that both chemical and dry etching methods are applicable in the formation of microchannel and micropillar structures on glass substrates. The surface roughness and depth values obtained under optimum conditions support the use of these structures as substrate materials in sensor platforms. This research contributes to the development of advanced glass-based microfluidic platforms with precise and homogenous microchannel structures. The integration of sensor systems into these platforms will enhance their application in biomedical diagnostics. Future studies should explore alternative materials, innovative etching methods, and process optimization to scale these technologies from laboratory to industrial production. The commercialization of these microfluidic platforms is identified as a long-term goal, promising advancements in health technologies.
Benzer Tezler
- Mems based resonant mass sensors with feedthrough current elimination for in-liquid cell detection applications
Sıvı ortamda hücre tespiti uygulamaları için kaçak akımı eleyen mems tabanlı resonant kütle sensörleri
MUSTAFA KANGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
- Design and fabrication of magnetically actuated cell sorter
Manyetik olarak kontrol edilebilen hücre siniflandirici tasarimi ve üretimi
MERVE GÜLLE
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN
- Fabrication of low temperature co-fired ceramic (LTCC)-based sensor and micro-fluidic structures
Başlık çevirisi yok
HANSU BİROL
- Development of a resonant mass sensor for MEMS based cell detection applications
MEMS tabanlı hücre algılama uygulamaları için rezonant kütle sensörü geliştirilmesi
DENİZ EROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
BiyoteknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH
- Assessment of changes in the dielectric properties of multidrug resistant cancer cells by electrorotation technique
Çoklu ilaç dirençliliği geliştirmiş kanser hücrelerinin dielektrik özelliklerinin elektrorotasyon tekniği ile belirlenmesi
GARSHA BAHRIEH
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALUK KÜLAH