Name: micro-masonry for 3d additive micromanufacturing
Uploaded: 2014-08-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 45 s
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This work was supported by the NSF (CMMI-1351370).

1. Design-Masken für die Herstellung von Donor-Substrat <ol><li> Entwerfen Sie eine Maske mit der gewünschten Geometrie. Bis 100 um x 100 um ² Silizium einzelnen Einheiten herzustellen, ziehen eine Reihe von 100 um · 100 um Quadraten. </li><li> Entwerfen Sie eine zweite Maske mit identischer Geometrie, mit jeder Seite, die sich eine zusätzliche 15 um. Für das Array mit 100 um · 100 um Plätze, ziehen eine Reihe von 130 um x 130 um Quadrate, die die Plätze in Schritt 1.1 abdecken kann. </li><li> Entwerfen Sie die Ankergeometrie. Zeichnen Sie vier 20 um x 40 um Rechtecke, die jeweils entlang einer Kante eines Quadrats zentriert. Zeigen der Strukturen, so daß die ersten 15 &amp;mgr; m umfasst die Vorlage 100 &amp;mgr; m × 100 &amp;mgr; m im Quadrat in Schritt 1.1 und die restlichen 25 &amp;mgr; m erstreckt sich nach außen (wie in Fig. 2 gezeigt). Hinweis: Alle Formen und Abmessungen können verwendet werden, solange wie die Ankerkontakte sowohl die strukturierte Material und dem Substrat. Ein Ende des Ankers erstreckt sich die Herkunftal Geometrie in Schritt 1.1 und das andere Ende sollte erstrecken sich die Geometrie in Schritt 1.2. </li></ol> 2. Bereiten Retrievable Donorsubstrats <ol><li> Vorbereitung einer p-dotierten Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer mit 3 &amp;mgr; m Schichtdicke Vorrichtung mit Schichtwiderstand von 1-20 Ω • cm und Feld-Oxidschicht einer Dicke von 1 &amp;mgr; m. HINWEIS: Für verschiedene Anwendungen können diese Parameter verändert werden. </li><li> Spin Mantel Fotolack (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und bringen Sie die in Schritt Maske 1.1 konzipiert. </li><li> Verwendung eines reaktiven Ionenätzens (RIE) Instrument Muster der Bauteilschicht des SOI-Wafers und die Photoresistmaske zu entfernen. Nach diesem Schritt wurde die RIE-geätzten Bereich der Oxidschicht Feld (2A) ausgesetzt ist. </li><li> Spin Mantel Fotolack (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und Muster mit Maske in Schritt 1.2 konzipiert. </li><li> Erhitzen des Wafers bei 125 º C für 90 sec auf eine heiße Platte. </li><li> Tauchen Sie die Wafer in49% HF für 50 Sekunden ausgesetzt, um das Feld-Oxid-Schicht aus Schritt 2.3 ätzen. Nach dem vollständigen Trocknen, entfernen Sie die Maskierung Photoresist (2B). </li><li> Spin Mantel (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und die Verankerungsmuster-Design von Schritt 1.3. </li><li> Erhitzen des Wafers bei 125 º C für 90 sec auf eine heiße Platte. </li><li> Tauchen Sie ein in 49% HF für 50 min. Dieser Schritt ätzt das unterhalb des verbleibenden gemusterten Siliciumbauelementschicht verbleibenden Feld-Oxidschicht, wodurch suspendiert Silizium individuellen Einheiten auf dem Photolack (Fig. 2C). </li></ol> 3. Design-Masken für eine Microtip Stamp <ol><li> Entwerfen Sie eine Maske mit einer einzigen 100 um x 100 um im Quadrat. </li><li> Entwerfen Sie eine Maske mit mehreren 12 um x 12 um Plätze in einem 100 um · 100 um Bereich. </li></ol> 4. Machen Sie die Form für eine Microtip Stamp <ol><li> Reinigen eines Silizium-Wafers mit Kristallorientierung von &lt;1-0-0&gt;, Depositzen 100 nm Siliziumnitrid mit Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD) Ausrüstung. </li><li> Spin Mantel Fotolack (AZ5214, 3.000 rpm für 30 sec, 1,5 um dick) und Muster mit Maske in Schritt 3.2 konzipiert. </li><li> Muster der Siliziumnitrid-Schicht mit 10.01 Buffered Oxide Ätzmittel (BOE). </li><li> Man löst 80 g Kaliumhydroxid (KOH) in 170 ml entionisiertem Wasser und 40 ml Isopropylalkohol (IPA)-Gemisch ein Becherglas. </li><li> Erhitzen Sie das KOH, IPA, und Wasser-Gemisch bei 80 ° C auf einer Heizplatte. </li><li> Kant auf die vorbereitete Wafer in das Becherglas mit KOH Mischung auf die freiliegende Silizium im Kristallstruktur zu ätzen (Ätzrate etwa 1 &amp;mgr; m / min). </li><li> Nach dem freigelegten Silizium vollständig geätzt ist, entfernen Sie den Wafer von KOH Mischung, wegätzen die Siliziumnitrid mit HF und führen RCA 1 und 2 Cinch-Reinigung (3A). </li><li> Spin Mantel mit SU-8-100 und Muster mit den vorbereiteten Maske von Schritt 3.1 mit folgendem Rezept: 3.000 UUhr für 1 min, weich backen bei 65 ° C für 10 min und 95 ° C für 30 min, entlarven mit 550 mJ / cm 2, und nach backen bei 65 ° C für 1 min und 95 ° C für 10 min (3B ). </li><li> Nach der SU-8 100 vollständig ausgehärtet ist, gelten eine Monoschicht (Tridecafluor-1 ,1,2,3-Tetrahydro-octyl)-1-Trichlorsilan durch Fallen 3-5 Tropfen (Tridecafluor-1, 1,2,3 - Tetrahydro octyl)-1-Trichlorsilan in einem Vakuumgefäß und Platzieren der Wafer in der Glas-und Anlegen des Vakuums. </li></ol> 5. Duplizieren einer Microtip Stempel unter Verwendung einer Form <ol><li> Mischen Polydimethylsiloxan (PDMS)-Basis und Härter mit dem Verhältnis von 5:1. </li><li> Entgasen Sie die Mischung, indem Sie es in einem Vakuumgefäß. </li><li> Gießen Sie einen kleinen Teil der entgasten PDMS-Gemisch auf der Form und lassen Sie die PDMS-Reflow auf eine flache Oberfläche (3C) zu erreichen. </li><li> Plaziere die Form mit PDMS im Ofen bei 70 ° C für 2 Stunden, um die PDMS vollständig auszuhärten. </li><li> Entfernen Sie die Form aus demBackofen und schälen Sie die PDMS aus (3D). </li></ol> 6. Abrufen Tinte aus dem Spender und Substrat-und Print auf der Zielbereich <ol><li> Platzieren der Spendersubstrat auf motorisierte Dreh und x, y-Positionierer mit einem Mikroskop ausgestattet. </li><li> Befestigen Sie den Mikro Stempel zu einem unabhängigen vertikalen Translations Bühne. </li><li> Unter dem Mikroskop ausrichten Mikromarke mit dem Si-Tinte auf dem Donator-Substrat mit Translations-und Rotationsschritte. Weiterhin müssen die Neigungsausrichtung zwischen der Mikrospitze und der Oberfläche Si Tinte durch Einstellen eines Neigungsstufe. Danach bringen die Mikro Stempel auf Kontakt. </li><li> Langsam weiter nach unten bringen die Mikro Stempel nach dem ersten Kontakt, so dass kleine Tipps sind komplett zusammengebrochen und in Kontakt mit der Si-Tinte auf Donor-Substrat die gesamte Oberfläche ist. </li><li> Erhöhen Sie schnell die z Bühne, brechen die Anker aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen der Mikrospitze Tempel und der Si-Tinte, retrieve der Si-Tinte von der Donor-Substrat und befestigen es an der Mikrospitze Marke. HINWEIS: Wenn die Mikrotempel ist frei von Stress, stellt die Druckmikrospitze zu seiner ursprünglichen Pyramidenform, so minimalen Kontakt mit der abgerufenen Si Tinte. </li><li> Stellen Sie den Empfänger Substrat auf eine x, y-Verschiebetisch und ausrichten abgerufen Si Tinte unter der Mikrospitze Stempel an der gewünschten Stelle. </li><li> Abfahrt auf der Bühne, bis die z abgerufen Si Tinte macht kaum Kontakt mit dem Empfängersubstrat. </li><li> Nach Kontaktaufnahme, langsam erhöhen die z-Bühne, um die Si-Tinte zu lösen, Druck auf die gewünschte Stelle. </li></ol> 7. Bonding-Prozess <ol><li> Programm ein schnelles thermisches Wärmebehandlungsofen zu Zyklus von RT bis 950 ° C in 90 sec, bleiben bei 950 ° C für 10 min und Abkühlen auf Raumtemperatur (durch Entfernen von Wärmezufuhr im Ofen). </li><li> Legen des bedruckten Empfangssubstrats in den Ofen in einer Luftumgebung und Tempern bei 950 °C für 10 min für Si-Si-Bindung oder bei 360 ° C für 30 min für Si-Au-Bindung. </li></ol>

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	<li>Stix, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toward+&#8220;Point+one.">Toward &#8220;Point one.</a> Sci Am. Feb. , 90-95 (1995).</li><li>Appenzeler, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Man+Who+Dared+to+Think+Small.">The Man Who Dared to Think Small.</a> Science. 254, 1300-1301 (1991).</li><li>Madou, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fundamentals+of+Microfabrications+The+Science+of+Miniaturization.">Fundamentals of Microfabrications The Science of Miniaturization.</a> , (2002).</li><li>Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soft+Lithography.">Soft Lithography.</a> Angew Chem Int Ed. 38, 551-575 (1998).</li><li>Judy, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microelectromechanical+systems+(MEMS)+fabrication,+design+and+applications.">Microelectromechanical systems (MEMS) fabrication, design and applications.</a> Smart Mater Struct. 10, 1134-1154 (2001).</li><li>Jain, V. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Micromanufacturing Process. , (2012).</li><li>Keum, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+micro-masonry+using+elastomeric+stamps+for+three-dimensional+microfabrication.">Silicon micro-masonry using elastomeric stamps for three-dimensional microfabrication.</a> J Micromech Microeng. 22, 55018 (2012).</li><li>Keum, H., Chung, H., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+Contact+at+The+Interface+between+Silicon+and+Transfer-Printed+Gold+Films+by+Eutectic+Joining.">Electrical Contact at The Interface between Silicon and Transfer-Printed Gold Films by Eutectic Joining.</a> ACS Appl Mater Interfaces. 5, 6061 (2013).</li><li>Keum, H., Seong, M., Sinha, S., Kim, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrostatically+Driven+Collapsible+Au+Thin+Films+Assembled+Using+Transfer+Printing+for+Thermal+Switching.">Electrostatically Driven Collapsible Au Thin Films Assembled Using Transfer Printing for Thermal Switching.</a> Appl Phys Lett. 100, 211904 (2012).</li><li>Klaassen, E. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+fusion+bonding+and+deep+reactive+ion+etching:+a+new+technology+for+microstructures.">Silicon fusion bonding and deep reactive ion etching: a new technology for microstructures.</a> Sens Actuators A. 52, 132-139 (1996).</li><li>Barth, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon+fusion+bonding+for+fabrication+of+sensors+actuators+and+microstructures.">Silicon fusion bonding for fabrication of sensors actuators and microstructures.</a> Sens Actuators. A21 - A23, 919-926 (1990).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Mikromauerwerk, in 4 dargestellt, beinhaltet Siliziumschmelzverbindungsmaterial in einem Verbindungsschritt. Silizium-Fusionsbonden, indem die Probe in einem schnellen thermischen Ofen (RTA-Ofen) und Erhitzen der Probe bei 950 ° C für 10 min erreicht. Dieses Glühen Bedingung ist sowohl Herrenlose zwischen Si - Si-und Si - SiO 2-Bindung 10,11. Alternativ kann die Au mit einer Si Streifen gebunden, wie in 5C gefunden annimmt eutektisches Bonden, und daher ist die ...

Mikroelektromechanische Systeme (MEMS), wie beispielsweise die Miniaturisierung von großen 3D gewöhnlichen Maschinen sind für die Förderung der modernen Technologien durch Leistungsverbesserungen und Fertigungskostenreduzierung 1,2 unverzichtbar. Allerdings kann die aktuelle Rate des technologischen Fortschritts in der MEMS nicht ohne kontinuierliche Innovationen im Fertigungstechnologien 6.3 beibehalten werden. Gemeinsamen monolithischen Mikro beruht primär auf der Schicht-für-Schicht-Prozesse für die Herstellung von integrierten Schaltungen (IC) entwickelt. Diese Methode ist sehr erfolgreich bei eine Massenproduktion von Hochleistungs MEMS-Geräte gewesen. Jedoch aufgrund seiner komplexen Schicht-für-Schicht und elektrochemisch subtraktiven Natur, die Herstellung von unterschiedlich geformten 3D-MEMS-Strukturen und Einrichtungen, während in der Makrowelt einfach, ist sehr anspruchsvoll mit diesem monolithischen Mikro zu erreichen. Um mehr flexible 3D-Mikrofabrikation mit weniger Prozesskomplexität ermöglichen, Ent wirwickelt eine 3D-additive Mikrofertigung Strategie (als &quot;Mikro / Nano-Mauerwerk&quot;), die eine Transferdruck-basierte Montage von Mikro / nanoskaligen Materialien in Verbindung mit Rapid Thermal Annealing-fähigen Material Verbindungstechniken beinhaltet. Transferdruck ist eine Methode zur Fest mikroskaligen Materialien (dh &#39;solid Farben&#39;) von einem Substrat, wo sie durch die Verwendung kontrollierter Trockenhaftung von elastomeren Stempel erzeugt werden oder in ein anderes Substrat aufgewachsen zu übertragen. Die typische Vorgehensweise von Mikro-Mauerwerk beginnt mit Transferdruck. Fertig feste Tinten sind Transfer gedruckt mit einer Mikrobriefmarke, die eine fortgeschrittene Form von elastomeren Stempel und die gedruckten Strukturen werden anschließend mit Rapid Thermal Annealing (RTA), Tinte-Tusche und Tinte-Substrat-Haftung zu verbessern geglüht ist. Dieses Herstellungs Ansatz ermöglicht die Konstruktion von Mikrostrukturen und ungewöhnliche Geräte, die nicht mit anderen bestehenden metho gebracht werden könnends 7. Micro-Mauerwerk bietet mehrere nicht in anderen Verfahren weisen attraktive Merkmale: (a) die Fähigkeit, funktionelle und strukturelle feste Tinten unterschiedlicher Materialien zu integrieren, um MEMS-Sensoren und Aktoren montieren alle innerhalb des 3D-Struktur integriert; (B) die Schnittstellen von zusammen feste Tinten kann als elektrische und thermische Kontakte funktionieren 9,10; (C) die Anordnung räumlicher Auflösung hohe (~ 1 um) durch Verwendung von hoch skalierbaren und gut verstanden lithographischen Verfahren zur Erzeugung fester Tinte und hochpräzise mechanische Stufen für den Transferdruck 7 ist; und (d) Funktions-und Struktur feste Tinten auf beiden starren und flexiblen Substraten in ebene oder gekrümmte Geometrien integriert werden.

<table><tbody><tr><td>Az 5214</td><td>Clariant</td><td></td><td>1.5 mm thick Photoresist</td></tr><tr><td>Su8-100</td><td>Microchem</td><td></td><td>100 mm Photoresist used in mold</td></tr><tr><td>Sylgard 184</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>PDMS mixed to fabricate stamp</td></tr><tr><td>Hydrofluoric acid</td><td>Honeywell</td><td></td><td>Acid to etch silicon oxide layer</td></tr><tr><td>Silicon on insulator</td><td>Ultrasil</td><td></td><td>Donor substrate was fabricated</td></tr><tr><td>Trichlorosilane</td><td>Sigma-Aldrich</td><td></td><td>Chemical used to help pealing of PDMS from mold</td></tr></tbody></table>

micro-masonry for 3d additive micromanufacturing

Transferdruck ist eine Methode zur Fest micro / nanoskaligen Materialien (hier als &#39;Farben&#39;) von einem Substrat, wo sie zu einem anderen Substrat durch die Nutzung elastomeren Stempel erzeugt werden, zu übertragen. Transferdruck ermöglicht die Integration von heterogenen Materialien, um beispiellose Strukturen oder funktionellen Systemen, die in den letzten fortschrittliche Geräte, wie flexible und dehnbare Solarzellen und LED-Arrays gefunden werden, herzustellen. Während Transferdruck aufweist einzigartigen Eigenschaften der Materialanordnung Fähigkeit, die Verwendung von Klebeschichten oder die Oberflächenmodifizierung, wie Abscheidung von selbstorganisierten Monoschicht (SAM) auf Substraten zur Verbesserung der Druckprozesse behindert seine breite Anpassung in Mikromontage von mikroelektromechanischen System (MEMS)-Strukturen und Vorrichtungen. Um diesen Nachteil zu überwinden, einen erweiterten Modus von Transferdruck, die deterministisch versammelt einzelnen Mikro Objekte allein durch Steuern Oberflächenkontaktbereich entwickelten wirohne Veränderung der Oberfläche. Die Abwesenheit einer Klebstoffschicht oder einer anderen Modifikation und die nachfolgende Materialverbindungsverfahren sorgen nicht nur mechanische Verbindung, sondern auch thermische und elektrische Verbindung zwischen den zusammengesetzten Materialien, die weiter öffnet verschiedene Anwendungen in Anpassung an den Aufbau ungewöhnliche MEMS-Vorrichtungen.

Micro-Mauerwerk ermöglicht heterogenes Material Integration in MEMS-Strukturen, die sehr herausfordernd oder unmöglich, von monolithischen Mikrofabrikationsprozesse erreichen zu generieren. Um seine Fähigkeiten zu demonstrieren, wird eine Struktur (eine so genannte &quot;Mikro Teekanne &#39;) allein durch Mikro-Mauerwerk hergestellt. 4A ist eine optische Mikroskopbild hergestellt Si-Tinten auf einer Donor-Substrat. Die Tinten sind entworfen Discs mit verschiedenen Dimensionen der einkristallinen Sili...

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Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Dieses Papier stellt eine 3D-additive Mikrofertigung Strategie (sog. &quot;Mikromauerwerk &#39;) für die flexible Fertigung von mikroelektromechanisches System (MEMS)-Strukturen und Geräte. Dieser Ansatz beinhaltet Transferdruck-basierte Montage von Mikro / nanoskaligen Materialien in Verbindung mit Rapid Thermal Annealing-fähigen Material Verbindungstechniken.

Micro-Mauerwerk für 3D-Additive Mikroproduktion

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to ...

micro-masonry-for-3d-additive-micromanufacturing

Universidad de Cartagena UDEC

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10.3K Aufrufe.  University of Illinois at Urbana-Champaign.  Dieses Papier stellt eine 3D-additive Mikrofertigung Strategie (sog. "Mikromauerwerk ') für die flexible Fertigung von mikroelektromechanisches System (MEMS)-Strukturen und Geräte. Dieser Ansatz beinhaltet Transferdruck-basierte Montage von Mikro / nanoskaligen Materialien in Verbindung mit Rapid Thermal Annealing-fähigen Material Verbindungstechniken. 

Serie: Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Manufacturing of Three-dimensionally Microstructured Nanocomposites through Microfluidic Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite in&#64257;ltration of 3D interconnected microfluidic networks. The manufacturing of the reinforced beams begins with the fabrication of microfluidic networks, which involves layer-by-layer deposition of fugitive ink filaments using a dispensing robot, filling the empty space between filaments using a low viscosity resin, curing the resin and finally removing the ink.&#160;Self-supported 3D structures with other geometries and many layers (e.g.&#160;a few hundreds layers) could be built using this method. The resulting tubular micro&#64258;uidic networks are then infiltrated with thermosetting nanocomposite suspensions containing nanofillers (e.g.&#160;single-walled carbon nanotubes), and subsequently cured. The infiltration is done by applying a pressure gradient between two ends of the empty network (either by applying a vacuum or vacuum-assisted microinjection). Prior to the infiltration, the nanocomposite suspensions are prepared by dispersing nanofillers into polymer matrices using ultrasonication and three-roll mixing methods. The nanocomposites (i.e.&#160;materials infiltrated) are then solidified under UV exposure/heat cure, resulting in a 3D-reinforced composite structure. The technique presented here enables the design of functional nanocomposite macroscopic products for microengineering applications such as actuators and sensors.

Three-dimensional (3D) microstructured composite beams are fabricated through the directed and localized infiltration of nanocomposites into 3D porous microfluidic networks. The flexibility of this manufacturing method enables the utilization of different thermosetting materials and nanofillers in order to achieve a variety of functional 3D reinforced nanocomposite macroscopic products.

Herstellung von dreidimensional Mikrostrukturierte Nanokomposite durch Mikrofluidik-Infiltration

Microstructured composite beams reinforced with complex three-dimensionally (3D) patterned nanocomposite microfilaments are fabricated via nanocomposite ...

Forschung

Chemie

Microfabrication of Chip-sized Scaffolds for Three-dimensional Cell cultivation

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell cultivation. These technologies offer a wide spectrum of advantages not only for manufacturing but also for different applications. The size and shape of formed cell clusters can be influenced by the exact and reproducible architecture of the microfabricated scaffold and, therefore, the diffusion path length of nutrients and gases can be controlled.1 This is unquestionably a useful tool to prevent apoptosis and necrosis of cells due to an insufficient nutrient and gas supply or removal of cellular metabolites.
Our polymer chip, called CellChip, has the outer dimensions of 2 x 2 cm with a central microstructured area. This area is subdivided into an array of up to 1156 microcontainers with a typical dimension of 300 m edge length for the cubic design (cp- or cf-chip) or of 300 m diameter and depth for the round design (r-chip).2
So far, hot embossing or micro injection moulding (in combination with subsequent laborious machining of the parts) was used for the fabrication of the microstructured chips. Basically, micro injection moulding is one of the only polymer based replication techniques that, up to now, is capable for mass production of polymer microstructures.3 However, both techniques have certain unwanted limitations due to the processing of a viscous polymer melt with the generation of very thin walls or integrated through holes. In case of the CellChip, thin bottom layers are necessary to perforate the polymer and provide small pores of defined size to supply cells with culture medium e.g. by microfluidic perfusion of the containers.
In order to overcome these limitations and to reduce the manufacturing costs we have developed a new microtechnical approach on the basis of a down-scaled thermoforming process. For the manufacturing of highly porous and thin walled polymer chips, we use a combination of heavy ion irradiation, microthermoforming and track etching. In this so called "SMART" process (Substrate Modification And Replication by Thermoforming) thin polymer films are irradiated with energetic heavy projectiles of several hundred MeV introducing so-called "latent tracks" Subsequently, the film in a rubber elastic state is formed into three dimensional parts without modifying or annealing the tracks. After the forming process, selective chemical etching finally converts the tracks into cylindrical pores of adjustable diameter.

We present two processes for the microfabrication of porous polymer chips for three-dimensional cell cultivation. The first one is hot embossing combined with a solvent vapour welding process. The second one uses a recently developed microthermoforming process combined with ion track technology leading to a significant simplification of manufacture.

Microfabrication der Chip-Größe Gerüste für die dreidimensionale Kultivierung der Zellen

Using microfabrication technologies is a prerequisite to create scaffolds of reproducible geometry and constant quality for three-dimensional cell ...

Biologie

A Soft Tooling Process Chain for Injection Molding of a 3D Component with Micro Pillars

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection molding inserts with micro surface features. The Soft Tooling inserts are manufactured by Digital Light Processing (vat photo polymerization) using a photopolymer that can withstand relatively high temperaturea. The part manufactured here has four tines with an angle of 60&#176;. Micro pillars (&#216;200 &#181;m, aspect ratio of 1) are arranged on the surfaces by two rows. Polyethylene (PE) injection molding with the soft tooling inserts is used to fabricate the final parts. This method demonstrates that it is feasible to obtain injection-molded parts with microstructures on complex geometry by additive manufactured inserts. The machining time and cost is reduced significantly compared to conventional tooling processes based on computer numerical control (CNC) machining. The dimensions of the micro features are influenced by the applied additive manufacturing process. The lifetime of the inserts determines that this process is more suitable for pilot production. The precision of the inserts production is limited by the additive manufacturing process as well.

A protocol for fabricating injection molding inserts for complex geometry with micro features on surfaces employing Additive Manufacturing (AM) is presented.

Eine weiche Werkzeuge Prozesskette für das Spritzgießen von ein 3D-Bauteil mit Micro Säulen

The purpose of this paper is to present the method of a soft tooling process chain employing Additive Manufacturing (AM) for fabrication of injection ...

Ingenieurwesen

Multi-material Ceramic-Based Components &#8211; Additive Manufacturing of Black-and-white Zirconia Components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM - T3DP)

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three dimensions for the geometry and one degree of freedom concerning the material properties at each position) the Thermoplastic 3D-Printing (CerAM -&#160;T3DP) was developed. It is a direct AM technology which allows the AM of multi-material components. To demonstrate the advantages of this technology black-and-white zirconia components were additively manufactured and co-sintered defect-free.
Two different pairs of black and white zirconia powders were used to prepare different thermoplastic suspensions. Appropriate dispensing parameters were investigated to manufacture single-material test components and adjusted for the additive manufacturing of multi-color zirconia components.

Here we describe a protocol for additively manufacturing black-and-white zirconia components by Thermoplastic 3D-Printing (CerAM -&#160;T3DP) and co-sintering defect-free.

-Multimaterial Keramik-basierte Komponenten – Additive Fertigung von schwarz-weiß-Zirkonia-Komponenten von thermoplastischen 3D-Druck (CerAM - T3DP)

To combine the benefits of Additive Manufacturing (AM) with the benefits of Functionally Graded Materials (FGM) to ceramic-based 4D components (three ...

Additive Manufacturing of Functionally Graded Ceramic Materials by Stereolithography

An additive manufacturing technology is applied to obtain functionally graded ceramic parts. This technology, based on digital light processing/stereolithography, is developed within the scope of the CerAMfacturing European research project. A three-dimensional (3-D) hemi-maxillary bone-like structure is 3-D printed using custom aluminum oxide polymeric mixtures. The powders and mixtures are fully analyzed in terms of rheological behavior in order to ensure proper material handling during the printing process. The possibility to print functionally graded materials using the Admaflex technology is explained in this document. Field-emission scanning electron microscopy (FESEM) show that the sintered aluminum oxide ceramic part has a porosity lower than 1% and no remainder of the original layered structure is found after analysis.

This manuscript describes the processing of single multifunctional ceramic components (e.g., combinations of dense-porous structures) additively manufactured by stereolithography.

Additive Manufacturing funktional abgestufte keramischer Werkstoffe durch Stereolithographie

An additive manufacturing technology is applied to obtain functionally graded ceramic parts. This technology, based on digital light ...

Negative Additive Manufacturing of Complex Shaped Boron Carbides

Boron carbide (B4C) is one of the hardest materials in existence. However, this attractive property also limits its machineability into complex shapes for high wear, high hardness, and lightweight material applications such as armors. To overcome this challenge, negative additive manufacturing (AM) is employed to produce complex geometries of boron carbides at various length scales. Negative AM first involves gelcasting a suspension into a 3D-printed plastic mold. The mold is then dissolved away, leaving behind a green body as a negative copy. Resorcinol-formaldehyde (RF) is used as a novel gelling agent because unlike traditional hydrogels, there is little to no shrinkage, which allows for extremely complex molds to be used. Furthermore, this gelling agent can be pyrolyzed to leave behind ~50 wt% carbon, which is a highly effective sintering aid for B4C. Due to this highly homogenous distribution of in situ carbon within the B4C matrix, less than 2% porosity can be achieved after sintering. This protocol highlights in detail the methodology for creating near fully dense boron carbide parts with highly complex geometries.

A method called negative additive manufacturing is used to produce near fully dense complex shaped boron carbide parts of various length scales. This technique is possible via the formulation of a novel suspension involving resorcinol-formaldehyde as a unique gelling agent that leaves behind a homogenous carbon sintering aid after pyrolysis.

Negative Additive Manufacturing komplex geformte Bor Karbide

Boron carbide (B4C) is one of the hardest materials in existence. However, this attractive property also limits its machineability into complex shapes for ...

Micropatterning and Assembly of 3D Microvessels

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass based substrates, and hydrogel-based tube formation assays. These assays, while informative, do not recapitulate lumen geometry, proper extracellular matrix, and multi-cellular proximity, which play key roles in modulating vascular function. This manuscript describes an injection molding method to generate engineered vessels with diameters on the order of 100 &#181;m. Microvessels are fabricated by seeding endothelial cells in a microfluidic channel embedded within a native type I collagen hydrogel. By incorporating parenchymal cells within the collagen matrix prior to channel formation, specific tissue microenvironments can be modeled and studied. Additional modulations of hydrodynamic properties and media composition allow for control of complex vascular function within the desired microenvironment. This platform allows for the study of perivascular cell recruitment, blood-endothelium interactions, flow response, and tissue-microvascular interactions. Engineered microvessels offer the ability to isolate the influence from individual components of a vascular niche and precisely control its chemical, mechanical, and biological properties to study vascular biology in both health and disease.

This manuscript presents an injection molding method to engineer microvessels that recapitulate physiological properties of endothelium. The microfluidic-based process creates patent 3D vascular networks with tailorable conditions, such as flow, cellular composition, geometry, and biochemical gradients. The fabrication process and examples of potential applications are described.

Mikrostrukturierung und Montage von 3D-Micro-Ader

In vitro platforms to study endothelial cells and vascular biology are largely limited to 2D endothelial cell culture, flow chambers with polymer or glass ...

Biotechnik

Design and Development of a Three-Dimensionally Printed Microscope Mask Alignment Adapter for the Fabrication of Multilayer Microfluidic Devices

This project aims to develop an easy-to-use and cost-effective platform for the fabrication of precise, multilayer microfluidic devices, which typically can only be achieved using costly equipment in a clean room setting. The key part of the platform is a three dimensionally (3D) printed microscope mask alignment adapter (MMAA) compatible with regular optical microscopes and ultraviolet (UV) light exposure systems. The overall process of creating the device has been vastly simplified because of the work done to optimize the device design. The process entails finding the proper dimensions for the equipment available in the laboratory and 3D-printing the MMAA with the optimized specifications. Experimental results show that the optimized MMAA designed and manufactured by 3D printing performs well with a common microscope and light exposure system. Using a master mold prepared by the 3D-printed MMAA, the resulting microfluidic devices with multilayered structures contain alignment errors of &lt;10 &#181;m, which is sufficient for common microchips. Although human error through transportation of the device to the UV light exposure system can cause larger fabrication errors, the minimal errors achieved in this study are attainable with practice and care. Furthermore, the MMAA can be customized to fit any microscope and UV exposure system by making changes to the modeling file in the 3D printing system. This project provides smaller laboratories with a useful research tool as it only requires the use of equipment that is typically already available to laboratories that produce and use microfluidic devices. The following detailed protocol outlines the design and 3D printing process for the MMAA. In addition, the steps for procuring a multilayer master mold using the MMAA and producing poly(dimethylsiloxane) (PDMS) microfluidic chips is also described herein.

This project allows small laboratories to develop an easy-to-use platform for the fabrication of precise multilayer microfluidic devices. The platform consists of a three-dimensionally printed microscope mask alignment adapter using which multilayer microfluidic devices with alignment errors of &lt;10 &#181;m were achieved.

Design und Entwicklung eines dreidimensional gedruckten Mikroskopmasken-Alignment-Adapters für die Herstellung von mehrschichtigen mikrofluidischen Geräten

This project aims to develop an easy-to-use and cost-effective platform for the fabrication of precise, multilayer microfluidic devices, which typically ...

Computer Numerical Control Micromilling of a Microfluidic Acrylic Device with a Staggered Restriction for Magnetic Nanoparticle-Based Immunoassays

Microfluidic systems have greatly improved immunoassay techniques. However, many microfabrication techniques require specialized, expensive, or complicated equipment, making fabrication costly and incompatible with mass production, which is one of the most important preconditions for point-of-care tests (POCT) to be adopted in low-resource settings. This work describes the fabrication process of an acrylic (polymethylmethacrylate, PMMA) device for nanoparticle-conjugated enzymatic immunoassay testing using the computer numerical control (CNC) micromilling technique. The functioning of the microfluidic device is shown by performing an immunoassay to detect a commercial antibody using lysozyme as a model antigen conjugated to 100 nm magnetic nanoparticles. This device integrates a physical staggered restriction of only 5 &#181;m in height, used to capture magnetic microparticles that make up a magnetic trap by placing an external magnet. In this way, the magnetic force on the immunosupport of conjugated nanoparticles is enough to capture them and resist flow drag. This microfluidic device is particularly suitable for low-cost mass production without the loss of precision for immunoassay performance.

Microfluidics is a powerful tool for the development of diagnostic tests. However, expensive equipment and materials, as well as laborious fabrication and handling techniques, are often required. Here, we detail the fabrication protocol of an acrylic microfluidic device for magnetic micro- and nanoparticle-based immunoassays in a low-cost and simple-to-use setting.

Computer Numerical Control Micromilling of a Microfluidic Acrylic Device with a Staggered Restriction for Magnetic Nanoparticle-based Immunoassays

Microfluidic systems have greatly improved immunoassay techniques. However, many microfabrication techniques require specialized, expensive, or ...

An Additive Manufacturing Technique for the Facile and Rapid Fabrication of Hydrogel-based Micromachines with Magnetically Responsive Components

Polyethylene glycol (PEG)-based hydrogels are biocompatible hydrogels that have been approved for use in humans by the FDA. Typical PEG-based hydrogels have simple monolithic architectures and often function as scaffolding materials for tissue engineering applications. More sophisticated structures typically take a long time to fabricate and do not contain moving components. This protocol describes a photolithography method that allows for facile and rapid microfabrication of PEG structures and devices. This strategy involves an in-house developed fabrication stage that allows for the rapid fabrication of 3D structures by building upwards in a layer-by-layer fashion. Independent moving components can also be aligned and assembled onto support structures to form integrated devices. These independent components are doped with superparamagnetic iron oxide nanoparticles that are sensitive to magnetic actuation. In this manner, the fabricated devices can be actuated using external magnets to yield movement of the components within. Hence, this technique allows for the fabrication of sophisticated MEMS-like devices (micromachines) that are composed entirely out of a biocompatible hydrogel, able to function without an onboard power source, and respond to a contact-less method of actuation. This manuscript describes the fabrication of both the fabrication set-up as well as the step-by-step method for the microfabrication of these hydrogels-based MEMS-like devices.

An additive manufacturing strategy for processing UV-crosslinkable hydrogels has been developed. This strategy allows for the layer-by-layer assembly of microfabricated hydrogel structures as well as the assembly of independent components, yielding integrated devices containing moving components that are responsive to magnetic actuation.

Zusatzstoff Herstellungstechnik für die einfache und schnelle Herstellung von Hydrogel-basierte Micromachines mit magnetisch reagieren Komponenten

Polyethylene glycol (PEG)-based hydrogels are biocompatible hydrogels that have been approved for use in humans by the FDA. Typical PEG-based hydrogels ...