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

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.