AT412039B - Verfahren zur zweidimensionalen manipulation kleiner volumina von flüssigkeiten und festkörpern und aktuator zur ausführung des verfahrens - Google Patents

Description

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   Das erfindungsgemässe Verfahren betrifft die zweidimensionale Manipulation kleiner Volumina von Flüssigkeiten und Festkörpern mittels dia- und paramagnetische Kräfte auf einer glatten Unter- lage. Die Manipulation von Substanzen mit kleinem Volumen, beispielsweise organische Zellver- bände, Biomoleküle oder Mikroorganismen stellt eine wichtige Aufgabe im Bereich der Biotechno- logie, aber auch in vielen anderen Gebieten der Naturwissenschaft und Technik dar. 



   Bekannte Verfahren nutzen dia- oder paramagnetische Kräfte etwa zur Separation magneti- sierbarer Partikel in Flüssigkeiten (beispielsweise WO 00/16905   A1)   oder zur mechanischen Beein- flussung von biologischen Objekten, die an magnetischen Partikeln, sogenannten Beads, anhaften (beispielsweise DE 19525654 A1)Eine genaue Lokalisierung der zu manipulierenden Teilchen ist allerdings in beiden Verfahren nicht möglich. Ferner ist bekannt, durch Leiterstrukturen Magnetfel- der zu erzeugen, die etwa das Barkhausenrauschen in magnetoresistiven Schichten reduzieren, indem dadurch Domänenwand-Verschiebungen unterdrückt werden (beispielsweise JP 4-26908 A). Dadurch wird allerdings kein Umschalten der Magnetisierung in andere Richtungen erreicht.

   Im Gegensatz zu bekannten Verfahren weist die vorliegende Erfindung somit folgende Vorteile auf: 
Zweidimensionale Manipulation der Substanzen auf glatter Fläche; 
Unterscheidungsmöglichkeit von verschiedenen Substanzen; 
Unabhängigkeit von der elektrischen Leitfähigkeit der Substanzen. 



   Das Verfahren macht sich die Eigenschaft der magnetischen Anisotropie zu Nutze. Wenn in kleinen, einheitlich magnetisierten (Eindomänen-)Bereichen die Magnetisierung eine Komponente Mn senkrecht zur Manipulationsebene hat, dann entsteht ein starkes Streufeld Hd, welches eine starke örtliche Variation ¯Hd, aufweist (wenn Mn eines benachbarten Bereiches antiparallel orien- tiert ist, dann erhöht sich die Variation auf bis zu 2 ¯ Hd. 



   Paramagnetische Substanzen werden in dieses Feld hineingezogen, diamagnetische Substan- zen werden hinausgedrängt, wobei die Kraftwirkung proportional der örtlichen Feldänderung ist. 



  Dadurch kommt es zu einer erzwungenen Bewegung der Substanz auf der glatten Manipulations- fläche. Um beispielsweise eine paramagnetische Substanz von Bereich zu Bereich zu transportie- ren ist es wichtig, die Magnetisierung des Bereiches, wo sich die Substanz gerade befindet, in die Manipulationsebene zu drehen und die Magnetisierung eines benachbarten Bereiches, wo die Substanz hinbewegt werden soll, muss aus der Ebene gedreht werden. 



   Diamagnetische Substanzen werden sinngemäss zwischen den Bereichen durch Umschalten der jeweiligen Magnetisierungsrichtung bewegt (vor den Bereichen hergeschoben), wobei die Magnetisierung der Bereiche Zug um Zug gedreht wird. Durch die unterschiedliche Kraftwirkung ist eine einfache Unterscheidbarkeit - etwa durch Ausgestaltung geeigneter Kanäle - von Substanzen mit verschiedenen magnetischen Eigenschaften gegeben. 



   Basierend auf dem erfindungsgemässen Verfahren wird nun der folgende Aktuator zur Durch- führung des Verfahrens beschrieben. Dabei stellt Figur 1 eine magnetische Schicht mit kreisförmi- gen Bereichen dar, in denen die Magnetisierung durch Stromimpulse in einem darunterliegenden Leiternetzwerk gedreht wird. Figur 2 zeigt einen Ausschnitt des Leiternetzwerks unter einem Be- reich. Figur 3 zeigt ein Beispiel des Schichtaufbaus. Sämtliche Darstellungen sind nicht massstabs- getreu. 



   Die Manipulationsebene wird durch eine dünne magnetische Schicht (1) mit senkrechter Ani- sotropie gebildet, deren Energiedichte jener der Formanisotropieenergiedichte der Schicht etwa gleicht. Beispielsweise bildet sich in Mehrfachlagen (2) von abwechselnd ferromagnetischen und nichtferromagnetischen Elementen bzw. Legierungen eine senkrechte Interface-Anisotropie durch Austauschwechselwirkung zwischen den ferromagnetischen Lagen aus. 



   Die Strukturierung der Bereiche (3) erfolgt vorzugsweise durch maskierte Bestrahlung der Schicht mit Elektronen, Atomen oder (vorzugsweise) Ionen, da durch dieses Verfahren die Ober- fläche der Schicht nicht verändert wird. Die Bestrahlung bewirkt eine Störung der Kristallstruktur und damit eine Reduktion bzw. Auslöschung der Interface-Anisotropie. Es sind aber auch andere mikroelektronische Strukturierungsverfahren möglich, beispielsweise selektives Ätzen der Schicht zwischen den Bereichen, allerdings auf Kosten der glatten Oberfläche. Die Stärke der Interface- Anisotropie kann durch Variation der Dicke der einzelnen Lagen oder durch Bestrahlung eingestellt werden. Nach der Strukturierung weisen die Bereiche jedenfalls mindestens zwei aufeinander senkrechte Richtungen (4), parallel und normal zur Schichtebene, auf. 

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   Für die Mehrlagen-Schichten eignen sich beispielsweise Co/Pt und Fe/Pt, aber auch viele an- dere Kombinationen mit hoher spontaner Magnetisierung Ms 1MA/m, etwa einkristalline oder kornorientierte Schichten mit starker kubischer oder uniaxialer Anisotropie wie Granate und man- che Ferrite. Sind die Abmessungen der (beispielsweise kreisförmigen) Bereiche im   pm-Bereich,   dann ist die Magnetisierung stets homogen in einer Richtung minimaler Anisotropieenergiedichte orientiert (Eindomänenbereich). 



   Das Umschalten der Magnetisierungsrichtung der Bereiche erfolgt vorzugsweise mittels kurzen Stromimpulsen im Leitemetzwerk (5). Eine weitere Variante wird realisiert mittels Anlegen eines extemen Magnetfeldes H in der gewünschten Richtung und Erwärmen des Bereiches nahe oder über die Curietemperatur, beispielsweise mittels Laserstrahl, bei der die kritische (Umschalt-) Feldstärke stark reduziert wird bzw. bei deren Überschreiten die spontane Magnetisierung ver- schwindet. Bei der darauffolgenden Abkühlung stellt sich die spontane Magnetisierung dann in der Richtung von H ein. 



   Auch Kombinationen dieser beiden Prozesse führen zur Umschaltung der Magnetisierungsrich- tung. Beispielsweise kann die ohmsche Erwärmung der stromdurchflossenen Leiterbahnen bereits zu der gewünschten Schwächung der spontanen Magnetisierung ausgenützt werden. Dies ist auch durch eine eigene Widerstands-Leiterbahnstruktur, die nur zu diesem Zweck aufgebracht wird, erreichbar.    



  Vorzugsweise ist das Leiternetzwerk (5) folgendermassen ausgeführt : einem Bereich (3)   befindet sich ein Kreuzungspunkt zweier Leiterbahnpaare (6,7). Ist die Stromrichtung in den jewei-   ligen Paaren gleich, dann entsteht ein Magnetfeld parallel zur Schichtebene ; jeweils entgegen-   gesetzter Stromrichtung entsteht ein Feld senkrecht zur Schichtebene. Die Amplitude der Strom- impulse ist derart bemessen, dass nur bei Superposition der Ströme die resultierende Feldstärke über dem Anisotropiefeld bzw. der kritischen Schaltfeldstärke liegt. Dadurch liegt der umzuschal- tende Bereich immer im Kreuzungspunkt der Leiterbahnpaare. Die Stromimpulse werden schliess- lich vorzugsweise von einer Spannungsquelle durch Halbleiterbauelemente ein- und ausgeschaltet. 



   Im folgenden wird anhand eines Beispiels ein möglicher Herstellungsprozess des erfindungs- gemässen Aktuators (in Dünnschichttechnologie, ohne Berücksichtigung allfälliger Passivierungs- schichten, Diffusionssperren oder Haftvermittler) beschrieben. 



   1. Sputtern einer wenige nm dünnen Co-Schicht (1) auf ein (später entfernbares) Substrat (10), auf dem beispielsweise vorher einige Atomlagen Au aufgebracht wurden. 



   2. Sputtem einer wenige nm dünnen Pt-Schicht (1,2). 



   3. Wiederholen der Co/Pt-Schichtfolge (2), beispielsweise sechsmal. 



   4. Strukturierung der Magnetschicht (1) in Bereiche (3), beispielsweise durch maskierte lonenbestrahlung. 



   5. Aufbringen einer dünnen, beispielsweise oxidischen, Isolatorschicht (8). 



   6. Aufbringen einer parallelen Leiterbahnstruktur (6), beispielsweise aus AI, deren Leiter- bahnabstand in der Grössenordnung der Durchmesser der Bereiche (3) liegt; die minima- len Abmessungen dabei derzeit etwa 200 nm, abhängig von der verfügbaren Masken- und Resist-Technologie. 



   7. Aufbringen einer dünnen, beispielsweise oxidischen, Isolatorschicht (9). 



   8. Aufbringen einer parallelen Leiterbahnstruktur (7), deren Leiterbahnabstand in der Grö- &num;enordnung der Durchmesser der Bereiche (3) liegt, aber mit einer Ausrichtung senk- recht zur obigen Leiterstruktur. 



   9. Aufbringen einer dicken Deckschicht (12), die später die Funktion der Unterlage über- nimmt. 



   10. Verbinden des Schichtaufbaus mit der Leiterplatte (13), welche die Schaltungselektronik (14) enthält. Die Deckschicht (12) kann aber auch entfallen und der Träger (13) der 
Schaltung (14) wird in diesem Fall direkt mit dem Schichtaufbau verbunden. 



   11. Verbinden (beispielsweise Bonden) der (verbreiterten) Leiterbahnenden des kreuzweise parallelen Leitemetzwerkes (5) mit der Schaltung. 



   12. Verkleben (16) der Leiterbahnenden mit der Deckschicht (1) bzw. mit dem Schaltungs- träger (13), eventuell auch über die Ränder des Schichtaufbaus hinausgehend, oder 
Vergiessen des gesamten Aufbaus. 



   13. Entfernung des Substrates (10), mechanisch oder durch Ätzen.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur zweidimensionalen Manipulation kleiner Volumina von Flüssigkeiten und Festkörpern durch dia- bzw. paramagnetische Kräfte, gekennzeichnet dadurch, dass die Magnetisierungsrichtung (4) in kleinen inselförmigen Bereichen (3) einer dünnen magneti- schen Schicht (1) zwischen senkrecht und parallel zur Schichtebene mittels eines strom- durchflossenen Leiternetzwerks (5) und/oder externes Magnetfeld unter lokaler Erwär- mung umgeschaltet wird - wobei im senkrechten Fall die Volumina zufolge starker dia- bzw. paramagnetischer Kräfte bewegt werden - und die Magnetisierung einer Balance zwi- schen der Anisotropie senkrecht und parallel zur Schicht auch nach Abschalten der Strö- me im Leiternetzwerk in der jeweiligen Lage stabil bleibt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass paramagnetische Substanzen von einem Bereich mit oberflächenparalleler Magnetisierung zu einem Bereich mit oberflä- chennormaler Magnetisierung transportiert werden und diamagnetische Substanzen zwi- schen oberflächennormal magnetisierten Bereichen transportiert werden, wobei in letzte- rem Fall zumindest ein oberflächenparallel magnetisierter Bereich zwischen den oberflä- chennormal magnetisierten Bereichen liegt, wodurch eine Trennung - beispielsweise durch Leitung in verschiedene Kanäle - von Substanzen mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften realisiert wird.
3. 3. Aktuator gemäss Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass in einer Schicht aus mehrfachen Lagen (2) abwechselnd ferro- bzw. ferrimagnetischer und nichtmagnetischer Elemente oder Legierungen die Interface-Anisotropie durch Bestrahlung mit Teilchen, beispielsweise Elektronen, Atome, oder Ionen, bis auf kleine (beispielsweise kreisförmige) Eindomänenbereiche (3) zerstört wird und die Dicke der Lagen solcherart abgestimmt wird, dass die Interface-Anisotropieenergiedichte in der Schichtebene gleich gross wie die Formanisotropieenergiedichte senkrecht zur Schichtebene wird, wodurch zu- mindest zwei senkrecht aufeinander stehende, gleichwertige leichte Richtungen (4) ent- stehen, zwischen denen die spontane Magnetisierung durch Stromimpulse in einem der Schicht anliegenden Leiterstreifen-Netzwerk (5) umgeschaltet wird.
4. 4. Aktuator nach Ansprüchen 3, gekennzeichnet dadurch, dass unter den Eindomänenbe- reichen Kreuzungspunkte von je zwei parallelen Leiterstreifen (6,7) angeordnet werden und die Amplitude der Stromimpulse derart geregelt wird, dass das resultierende Magnet- feld nur im Kreuzungspunkt ein Umkippen der spontanen Magnetisierung von einer leich- ten Richtung in eine dazu senkrechte erfolgt.
5. 5. Aktuator nach Ansprüchen 3 und 4, gekennzeichnet dadurch, dass das Umschalten in die schichtparallele Richtung durch Stromimpulse gleicher Richtung in den jeweils parallelen Streifenleiterpaaren erfolgt und das Umschalten von der schichtparallelen zur schichtnor- malen Richtung durch Stromimpulse ungleicher Richtung in den jeweils parallelen Streifen- leiterpaaren erfolgt.
6. 6. Aktuator nach Ansprüchen 3 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass das Umschalten der Richtung der spontanen Magnetisierung durch ein extern angelegtes Feld unter zusätzli- cher Erwärmung des umzuschaltenden Bereiches durch Laserstrahl und/oder Wider- standsheizung erfolgt.

   HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN