Geometrical metrology at micro scale: new approach and application to microfluidic devices

About 30 years ago, in the industry for the production of semiconductors, started the race for the reduction of the dimensions of several electronic components. The trend followed the well-known Moore’s law and the dimensions of the chips halved every 18 months. The effect of reduction of the dimensions of products and components involved other scientific and technological fields. Products with micrometric dimensions, i.e. with one fundamental dimension in the range of micrometres, are presents in different domains including mechanics, biology, physics and medicine. The micro engineering concerns with the design, the realization and the industrialization of these products with micrometric dimensions. A fundamental phase of micro engineering is product/process quality control and related measurements. The metrology at micro scale is part of the manufacturing chain of micro products during the design, with the definition of the specifications, during the manufacturing, for the control of the process and in the final phase for the verification of specifications. The measurement of the dimensions and geometries at micrometric level is nowadays in evolution: several aspects, including the development of instruments and measurement techniques, need more studies. The thesis here presented wants to contribute increasing the knowledge in the field of micro metrology and to provide useful solutions to improve the dimensional and geometrical characterization of micro products. Although, the research has been developed to be valid in general, it is included as an integral part of the European project “CellDiaSp”. The project, in collaboration with international partners, provides for the realization of a microfluidic platform for cells analysis. The metrological activities, required by the project, are needed to characterize the dimensions and the geometry of prototypes, mould inserts, masters and finite products, in order to guarantee the respect of the specifications and the functionality of the final product. The first phase of the research deals with the study of the state of the art of metrology and of the relevant measurement techniques that can be used at micro scale. Successively the application of some of these techniques to the replication processes has been studied. These processes, such as micro injection moulding, are used to obtain mass production and a cost reduction. It has been considered the possibility to measure the components presents in the process of replication, that is the inserts and the replicated parts and to evaluate the quality of the replication process through the calculation of single parameters such as parameters used in the measurement of surfaces. It resulted that this is possible only in few specific cases and that it is preferable to perform a complete three dimensional characterization of the dimensions and geometries of the product of replication. It has been decided to focus the attention on two typologies of instruments: the scanning probe microscopes and the optical profilometers. These instruments are adapted to the measurement of the parts to be investigated within the project and, moreover, they are the best candidates to be implemented as coordinate measuring instruments, even if they were originally developed as surface measurement instruments. The problem of “drift”, an effect that reduces the accuracy of the measurements performed through atomic force microscopes, has been treated. The causes of the phenomenon have been identified and solutions to the reduction of this error have been provided. In order to obtain coordinate measurements from the atomic force microscopes and from the optical profilometer, a new technique for the data analysis has been developed. The new methodology is presented applied to a case study of a microfluidic channel measured through optical profilometry. The technique is inspired by the international standards in the field of geometrical product specification and verification, with particular reference to coordinate metrology. However, these standards can’t be directly applied to product with micrometric dimensions and they require new solutions for the analysis of the data. A dedicated software has been developed to treat the data, acquired through a confocal microscope, both as image and as point cloud, taking advantage of both approaches and related representation. Specific procedures of filtration and thresholding have been developed to perform the extraction of the points and the association of the geometrical features for the evaluation of dimensions and geometries of the sample. The developed software provides a semi-automatic and repeatable way for the coordinate measurement of micrometric components. Finally, the developed technique has been validated using a case study: the measurements of microfluidic channels with cylindrical section used in the realization of peristaltic pumps.

Circa 30 anni fa, nell’industria per la produzione di semiconduttori, iniziò la corsa alla riduzione delle dimensioni di vari componenti elettronici. L’andamento seguì la famosa legge di Moore ed è stato possibile assistere, ogni 18 mesi circa, ad un dimezzamento delle dimensioni dei chip. L’effetto di riduzione della dimensione di prodotti e componenti ha coinvolto, sebbene in modo meno evidente, anche altri campi scientifici e tecnologici. Prodotti di dimensioni micrometriche, cioè in cui una dimensione fondamentale del prodotto è mille volte inferiore rispetto ad un millimetro, sono presenti nella meccanica, nella biologia, nella fisica e in ambito medico. La microingegneria si occupa della progettazione, realizzazione e industrializzazione di questi prodotti di dimensioni micrometriche. Una fase fondamentale della microingegneria è il controllo di qualità. La metrologia in ambito micrometrico entra nella catena produttiva dei microprodotti durante la progettazione, con la definizione delle specifiche, durante la produzione, per il controllo del processo, e nella fase finale, per la verifica del rispetto delle specifiche. La misura delle dimensioni e delle geometrie a livello micrometrico è tuttora in evoluzione: numerosi aspetti, tra cui lo sviluppo di strumenti e tecniche di misura adeguate, necessitano di approfondimento. Il lavoro di tesi di seguito presentato vuole contribuire all’aumento delle conoscenze in ambito metrologico micrometrico e vuole fornire soluzioni utili a migliorare la caratterizzazione dimensionale e geometrica dei prodotti. Sebbene la ricerca sia stata sviluppata per essere valida a livello generale, essa rientra nell’ambito del progetto europeo “CellDiaSp”. Il progetto prevede, in collaborazione con partner internazionali, la realizzazione di una piattaforma microfluidica per l’analisi cellulare. Le attività metrologiche richieste dal progetto servono per caratterizzare le dimensioni e la geometria dei prototipi, degli inserti di stampi e dei prodotti finiti, garantendo il rispetto delle specifiche e quindi la funzionalità del prodotto finito. La prima fase della ricerca ha riguardato lo studio dello stato dell’arte della metrologia e delle principali tecniche di misura applicabili a livello micrometrico, delle loro caratteristiche e dei loro limiti. Successivamente è stata studiata l’applicazione di alcune di queste tecniche ai processi di replicazione. Tali processi, come ad esempio il microstampaggio ad iniezione, sono necessari per ottenere una produzione di massa dei prodotti e ridurne quindi il costo. È stata considerata la possibilità di misurare le varie parti presenti nel processo di replicazione, ovvero gli inserti degli stampi e i prodotti replicati, e di valutare la qualità del processo tramite singoli parametri, come ad esempio parametri di misura della superficie. Dallo studio è emerso che questo è possibile solo in alcuni casi specifici e che è preferibile avere una caratterizzazione tridimensionale completa delle varie dimensioni e geometrie del prodotto replicato. Si è quindi deciso di concentrare l’attenzione su due tipologie di strumenti: i microscopi a scansione di sonda e i profilometri ottici. Questi strumenti sono adatti alla misura dei componenti previsti dal progetto e sono inoltre i candidati migliori per essere sviluppati nell’ambito della misura a coordinate, sebbene nascano per la misura delle superfici. È stato trattato il problema della “deriva”, un effetto che riduce l’accuratezza delle misure effettuate con microscopi a forza atomica. Sono state indagate le cause di questo fenomeno in diverse configurazioni commerciali di strumenti e sono state fornite le soluzioni per la riduzione di questo errore. Al fine di ottenere misure a coordinate dai microscopi a forza atomica e dai profilometri ottici, è stata sviluppata una nuova tecnica di analisi dei dati di misura. La nuova metodologia viene presentata applicata al caso studio di un canale microfluidico misurato con profilometria ottica. La tecnica prende ispirazione da quanto previsto dalle norme internazionali in ambito di metrologia a coordinate. Tali norme, tuttavia, non possono essere direttamente applicate a prodotti di dimensioni micrometriche e richiedono accorgimenti nel trattamento dei dati. È stato quindi creato un codice di calcolo, che sfruttando la natura dei dati di misura ottenuti, ad esempio da un microscopio confocale, li tratta sia come immagine sia come nuvola di punti. Sono state sviluppate procedure specifiche di filtraggio e sogliatura, al fine di effettuare l’estrazione dei punti e l’associazione con elementi geometrici per la valutazione delle dimensioni e della geometria del campione in oggetto. Il codice di calcolo realizzato fornisce un modo semi automatico e ripetibile per la misura di componenti micrometrici. Infine, la tecnica sviluppata è stata utilizzata per la misura delle dimensioni di canali microfluidici a sezione cilindrica utilizzati nella realizzazione di pompe peristaltiche.