DE102016013023A1

DE102016013023A1 - Elektrofluidische Vorrichtung sowie zugehöriges Herstellungs- und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102016013023A1
Application number: DE102016013023.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schuladen; Daniel Kopp; Hans Zappe
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2016-11-02
Filing date: 2016-11-02
Publication date: 2018-05-03
Also published as: WO2018082802A1

Abstract

Zur Erhöhung der mechanischen aber auch der elektrischen Zuverlässigkeit einer elektrofluidischen Vorrichtung (1) wird vorgeschlagen ein elektrisches Feld durch einen dünn ausgestalteten Gehäuseabschnitt (10) hindurch in einen von einem Gehäuse (2) gebildeten Innenraum (3) einzukoppeln, sodass das Feld mit einer Flüssigkeit (4) wechselwirken kann, die von dem Gehäuse (2) hermetisch eingekapselt ist. Durch diesen Ansatz kann auf elektrische Durchführungen durch das Gehäuse (2) weitgehend verzichtet werden, sodass ein Entweichen der Flüssigkeit (4) aus dem Gehäuse (2) vermieden werden kann. Insbesondere können mit der Erfindung Grenzflächen (8) des Gehäuses (2), welche bei der Verkapselung der Flüssigkeit (4) miteinander hermetisch dicht verbunden werden müssen, kontaktdurchführungsfrei ausgestaltet werden. Mögliche Einsatzgebiete der Erfindung sind optofluidische Systeme wie durchstimmbare Linsen, Blenden, Spiegel oder Prismen, aber auch mikrofluidische Vorrichtungen (1), bei denen Flüssigkeiten innerhalb eines von einer Elektrode (5) abgetrennten Innenraums (3) elektrisch aktuiert oder manipuliert werden sollen (vgl.) .

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrofluidische Vorrichtung mit einem Gehäuse, das einen nach außen dicht abgeschlossenen Innenraum ausbildet, wobei mindestens eine elektrisch aktuierbare Flüssigkeit von dem Innenraum aufgenommen ist, und mit mindestens einer Elektrode, mit welcher ein elektrisches Feld erzeugbar ist, welches mit der mindestens einen Flüssigkeit wechselwirkt und somit diese aktuiert.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer elektrofluidischen Vorrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren zum Betrieb einer solchen Vorrichtung.
Elektrofluidische Vorrichtungen wie eingangs erwähnt werden im Stand der Technik beispielsweise in optofluidischen Systemen, wie durchstimmbaren fluidischen Linsen, Blenden, insbesondere Irisblenden oder Verschlussblenden, Spiegeln, Prismen, Displays oder Routern, aber auch in mikrofluidischen Systemen, beispielsweise Lab-on-a-chip-Systemen, eingesetzt. Elektrofluidische Vorrichtungen können dadurch charakterisiert werden, dass eine Flüssigkeit mittels eines von einer Elektrode erzeugten elektrischen Feldes oder mittels von der Elektrode bereit gestellter Ladungen aktuiert wird. Hierbei kann „aktuieren“ bedeuten, dass aufgrund der Einwirkung des elektrischen Feldes physikalische Eigenschaften der Flüssigkeit (Brechungsindex, Polarisation, Transmission / Absorption von Strahlung, etc.) verändert werden, was als statische Aktuierung verstanden werden kann, oder dass ein Flüssigkeitsvolumen in seiner Form verändert und/oder bewegt wird, was als dynamische Aktuierung bezeichnet werden kann. Neben elektrooptischen und elektrodynamischen Effekten kann die Aktuierung auch elektroakustische Effekte betreffen. Letztere werden beispielsweise in der Mikrofluidik für Pumpen, Mischer, oder für surface-acoustic-wave(SAW)-Aktoren verwendet oder in der Optik für durchstimmbare Linsen eingesetzt.
Obwohl eine Vielzahl an elektrofluidischen Vorrichtungen in den letzten Jahren entwickelt worden sind, stellt die Bereitstellung eines zuverlässigen und langzeitstabilen Gehäuses weiterhin eine wesentliche Hürde für deren Kommerzialisierung dar. Speziell besteht eine wesentliche Herausforderung darin, ein Gehäuse bereitzustellen, welches die verwendeten Flüssigkeiten von der Außenwelt abschirmt und ein Entweichen der Flüssigkeiten (insbesondere durch Diffusion über längere Zeiträume) aus einem von dem Gehäuse gebildeten Innenraum wirksam verhindert. Hierbei muss die Dichtheit des Gehäuses typischerweise über einen Temperaturbereich von mehr als 100 Kelvin gewährleistet werden.
In einigen Anwendungen, beispielsweise bei optofluidischen Systemen für tragbare elektronische Geräte wie smart phones, sind die Anforderungen an die Zuverlässigkeit des Gehäuses so hoch, dass diese nur durch eine hermetische Ausgestaltung desselben erreicht werden können. Unter einem hermetischen Gehäuse kann hier ein Gehäuse verstanden werden, welches typische Industriestandards in Bezug auf hermetische Dichtheit des Gehäuses, beispielsweise MIL-STD-883 oder MIL-STD-750, erfüllt.
Aufgrund der vergleichsweise großen thermischen Expansion der Flüssigkeiten bei Temperaturschwankungen kann sich im Innenraum der elektrofluidischen Vorrichtung ein hoher Druck aufbauen. Dies ist häufig problematisch für die Zuverlässigkeit des Gehäuses, da der Innendruck zur Ausbildung von Rissen im Gehäuse führen kann.
Weit verbreitet in elektrofluidischen Vorrichtungen ist die elektrische Aktuierung einer Flüssigkeit mittels electrowetting-on-dielectrics (EWOD) oder mittels Dielektrophorese (DEP). Gerade in optofluidischen Vorrichtungen werden hierzu oftmals zwei nicht mischbare Flüssigkeiten in einem Innenraum eines Gehäuses angeordnet. Die Geometrie der flüssigen Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten wird durch speziell geformte Aktuierungselektroden manipuliert, was für eine Vielzahl an optischen Funktionen genutzt werden kann (Linsen, Spiegel, Prismen, Blenden, optische Schalter, etc.).
Bei bisher im Stand der Technik bekannten elektrofluidischen Systemen werden die Aktuierungselektroden typischerweise in einem die Flüssigkeit aufnehmenden Innenraum der Vorrichtung angeordnet, wobei die Elektroden oftmals durch dünne dielektrische Beschichtungen von der Flüssigkeit elektrisch isoliert werden. Gerade wenn eine Vielzahl an filigranen Aktuierungselektroden benötigt wird, werden diese oftmals in Form von Dünnschichtelektroden auf planen Substraten hergestellt, wobei typischerweise Prozesse der Mikrosystemtechnik wie Filmabscheidung und Strukturierung über Ätzen oder Lift-Off zum Einsatz kommen.
Insbesondere bei hermetisch auszulegenden Gehäusen besteht ein bisher nicht zufriedenstellend gelöstes Problem darin, die Aktuierungselektroden im Innern der Vorrichtung elektrisch zu kontaktieren und gleichzeitig eine hohe Dichtheit des Gehäuses zu gewährleisten. Mit anderen Worten besteht oftmals das Dilemma, entweder über eine Technologie zu verfügen, die ein hermetisches Gehäuse jedoch keine elektrische Kontaktierung ermöglicht, oder aber elektrische Kontaktierungen durch das Gehäuse auszugestalten mit dem Kompromiss, die Dichtheit des Gehäuses in diesem Fall nur noch unzureichend gewährleisten zu können.
Ein häufig in elektrofluidischen Vorrichtungen verwendeter Ansatz sind sogenannte elektrische in-plane Kontaktierungen (vgl. 1). Hierbei werden typischerweise Leiterbahnen auf der Oberfläche eines Trägersubstrats in das Innere eines Gehäuses geführt, um dort elektrische Spannung und/oder Strom zur Aktuierung einer Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen.
Allerdings kann mittels in-plane Kontaktierungen in den allermeisten Fällen keine hermetische Kapselung erreicht werden, da die hierfür benötigten Hochtemperaturprozesse bei einer mit Flüssigkeiten befüllten Vorrichtung nicht realisierbar sind, da die Flüssigkeiten schlicht verdampfen oder einen immensen Druck im Innern der Vorrichtung aufbauen würden. Zudem umfassen elektrofluidische Vorrichtungen vielfach hydrophobe Polymere, die die für eine hermetische Verkapselung typischerweise benötigten Temperaturen von mehr als 400°C nicht überstehen. Fertigungsprozesse mit einem lokal fokussierten Wärmeeintrag, beispielsweise Laserschweißen, scheiden bei in-plane Kontaktierungen alleine schon deshalb aus, weil der Schweißprozess die dünnen Kontaktierungen zerstören würde.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine langzeitstabile Kapselung von Flüssigkeiten in einem Gehäuse einer elektrofluidischen Vorrichtung zu ermöglichen, wobei mindestens eine Flüssigkeit im Innern des Gehäuse mittels einer Elektrode aktuiert werden soll. Die Erfindung hat ferner zum Ziel, ein zugehöriges Verfahren zur Fertigung einer derartigen Vorrichtung bereitzustellen, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Insgesamt soll mittels der Erfindung die Zuverlässigkeit einer elektrofluidischen Vorrichtung durch vergleichsweise einfache und kostengünstige Maßnahmen soweit erhöht werden, dass diese typischen Produkt-Anforderungen, insbesondere im Consumer-Bereich, gerecht wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß bei einer elektrofluidischen Vorrichtung die Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einer elektrofluidischen Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, dass die mindestens eine Elektrode außerhalb des Innenraums in oder an dem Gehäuse angeordnet ist. Die mindestens eine Elektrode kann somit insbesondere an einer Außenseite des Gehäuses angeordnet sein. Eine erfindungsgemäße Elektrode kann somit nicht wie im Stand der Technik üblich lediglich durch eine Beschichtung von der zu aktuierenden Flüssigkeit getrennt sein, sondern durch einen, bevorzugt eine Ruheform aufweisenden, insbesondere nicht leitenden, Gehäuseabschnitt, wobei der Gehäuseabschnitt den Innenraum dicht nach außen abschließt. Die mindestens eine Elektrode kann somit insbesondere in Bezug auf den Innenraum als eine Außenelektrode aufgefasst werden. Unter einer Elektrode kann erfindungsgemäß jede Vorrichtung verstanden werden, mit Hilfe derer ein elektrisches Feld in den Innenraum der Vorrichtung einkoppelbar ist, also insbesondere Dünnschicht-Elektroden aber auch leitfähige Volumenkörper wie Metallteile.
Eine elektrofluidische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten elektrofluidischen Vorrichtungen den Vorteil, dass weitgehend oder sogar vollständig auf elektrische Durchführungen durch das Gehäuse verzichtet werden kann und dennoch eine elektrische Aktuierung der Flüssigkeit möglich ist. Zudem wird durch die Anordnung der Elektrode außerhalb des Innenraums eine hermetische Ausgestaltung des zwischen Elektrode und Innenraum angeordneten Gehäuses wesentlich vereinfacht, wie noch im Detail auszuführen sein wird.
Bei allen im Folgenden diskutierten Ausgestaltungen der Erfindung ist es bevorzugt, wenn die elektrofluidische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 mit einem hermetisch dichten Gehäuse ausgebildet wird. Denn dadurch lassen sich beispielsweise die eingangs erwähnten Normen MIL-STD-883 oder MIL-STD-750 erfüllen, was die Einsatzmöglichkeiten der elektrofluidischen Vorrichtung wesentlich erweitert.
Zur Vermeidung von elektrischen Überschlägen ist es erfindungsgemäß von Vorteil, wenn die mindestens eine Elektrode außenseitig durch eine Beschichtung oder dergleichen elektrisch isoliert ist.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sind alternativ oder ergänzend die Merkmale des zweiten nebengeordneten Anspruchs auf eine elektrofluidische Vorrichtung vorgesehen. Insbesondere wird somit bei einer elektrofluidischen Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß zur Lösung der genannten Aufgabe vorgeschlagen, dass mindestens ein elektrischer Kontakt mittels eines elektrisch leitfähigen Vias, welches in einem elektrisch isolierenden Substrat ausgebildet ist, in den Innenraum geführt ist. Hierbei kann der mindestens eine Kontakt insbesondere eine in dem Innenraum angeordnete Elektrode mit Strom und/oder Spannung versorgen, sodass mit dieser die mindestens eine Flüssigkeit aktuiert werden kann.
Im Stand der Technik sind elektrische Durchkontaktierungen in Form metallischer Vias bekannt, beispielsweise bei Glas-Wafern, die unter dem Handelsnamen SCHOTT HermeS^® vertrieben werden. Aufbauend auf der Erkenntnis, dass derartige Vias hochdicht, insbesondere hermetisch ausgestaltet werden können, schlägt die Erfindung die Verwendung solcher Vias für elektrofluidische Vorrichtungen vor. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von Vias in einer elektrofluidischen Vorrichtung kann eine hervorragende Abdichtung des Innenraums erreicht werden, wobei gleichzeitig eine Aktuierung der Flüssigkeit, wie zuvor beschrieben, ermöglicht wird.
Die Erfindung schlägt daher insbesondere vor, elektrisch isolierende Substrate, insbesondere Glassubstrate, mit leitfähig, vorzugsweise hermetisch, ausgestalteten Vias, zu verwenden, um mindestens einen elektrischen Kontakt in den Innenraum der elektrofluidischen Vorrichtung zu führen.
Erfindungsgemäß kann die Aufgabe auch durch weitere vorteilhafte Ausführungen der Unteransprüche gelöst werden.
Beispielsweise kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Gehäuse einen elektrisch isolierenden Gehäuseabschnitt aufweist, welcher den Innenraum begrenzt. Der elektrisch isolierende Gehäuseabschnitt kann insbesondere in Form eines Trägersubstrats, beispielsweise hergestellt aus einem Wafer, ausgebildet sein. Hierbei kann die mindestens eine Elektrode insbesondere auf einer Außenseite des Gehäuseabschnitts beziehungsweise des Trägersubstrats angeordnet sein.
Durch die Verwendung eines Gehäuseabschnitts, welcher elektrisch isolierend wirkt, kann eine effiziente kapazitive Kopplung zwischen der Elektrode und der zu aktuierenden Flüssigkeit im Innenraum erreicht werden. Durch diese Kopplung wird es möglich, auf aufwändige und teure elektrische Durchführungen von elektrischen Kontakten in den Innenraum weitgehend zu verzichten.
Um eine möglichst effiziente Einkopplung des Feldes in den Innenraum zu ermöglichen kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Gehäuseabschnitt, insbesondere das Trägersubstrat, planar und/oder aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist. Der Gehäuseabschnitt beziehungsweise das Trägersubstrat kann also erfindungsgemäß als Dielektrikum dienen.
Das erfindungsgemäße Vorsehen eines dünnen, flächigen Trägersubstrats in Verbindung mit darauf aufgebrachten ausgedehnten Elektroden ermöglicht ausgedehnte Wechselwirkungsflächen im Bereich derer elektrische Felder eine Flüssigkeit im Innenraum aktuieren können. Dies ist insbesondere für mikrofluidische Anwendungen vorteilhaft, bei denen typischerweise Oberflächeneffekte für die Funktionsweise dominant sind.
Die Verwendung eines Trägersubstrats hat den weiteren entscheidenden Vorteil, dass sich dieses mit Prozessen der Mikrosystemtechnik aus Wafern fertigen lässt, sodass mittels Photolithographie eine Vielzahl an Elektroden mit mikroskopischen Abmessungen auf dem Substrat strukturiert werden können. Das Trägersubstrat kann beispielsweise so charakterisiert werden, dass es innenseitig die mindestens eine Flüssigkeit und außenseitig die mindestens eine Elektrode trägt. Dabei kann die Flüssigkeit insbesondere in mittelbarem oder unmittelbarem Kontakt mit der Innenseite des Trägersubstrats stehen, wobei das Trägersubstrat sowohl innenseitig als auch außenseitig zusätzliche Beschichtungen aufweisen kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrofluidische Vorrichtung einen formstabilen Rahmen aufweist, auf welchem der elektrisch isolierende Gehäuseabschnitt, das heißt insbesondere das Trägersubstrat, aufgespannt ist. Durch diese Ausgestaltung wird es möglich, den Gehäuseabschnitt beziehungsweise das Trägersubstrat sehr dünn und insbesondere flexibel auszugestalten, da der Rahmen die notwendige Stabilität liefert und insbesondere Kräfte aufnehmen kann, die bei einer Verwölbung des Trägersubstrats auftreten.
Gemäß der Erfindung kann es besonders bevorzugt sein, wenn der Rahmen eine kreisrunde Öffnung aufweist, über die der elektrisch isolierende Gehäuseabschnitt, also insbesondere das Trägersubstrat, aufgespannt ist. Denn eine solch kreisrunde Geometrie der Rahmenöffnung resultiert in einer zumindest näherungsweise sphärischen Verformung des Gehäuseabschnitts bei Druckschwankungen. Ist der Gehäuseabschnitt beispielsweise als transparentes Trägersubstrat ausgebildet, so lässt sich der durch die Verformung verursachte optische Effekt einfach durch eine vor- oder nachgelagerte Fokussiereinheit ausgleichen.
Erfindungsgemäß ist es für das Ausbilden einer hermetischen Kapselung der Flüssigkeiten von großem Vorteil, wenn die Vorrichtung eine abdichtende Verbindungsnaht aufweist, die eine geschlossene Linie beschreibt. Bevorzugt ist diese Verbindungsnaht frei von elektrischen Durchführungen ausgestaltet. Durch diese Ausgestaltungen kann erreicht werden, dass der Innenraum der Vorrichtung und die in ihm befindlichen Flüssigkeiten in einem einzigen finalen Fertigungsschritt, welcher die in sich geschlossene Verbindungsnaht ausbildet, von der Außenwelt hermetisch abgeschlossen werden.
Bevorzugt weist die Vorrichtung hierzu eine ringförmige Grenzfläche auf, in welcher die abdichtende Verbindungsnaht ausgebildet ist. Durch die in sich geschlossene, vorzugsweise ringförmige und besonders bevorzugt homogene Ausgestaltung der Grenzfläche kann eine hermetische Kapselung des Innenraums erreicht werden, insbesondere durch Verbindung mit einer Grenzfläche eines Gehäuseteils, welches seinerseits hermetisch nach außen abdichtet. Die Verbindung der Grenzflächen kann dabei mittels verschiedener Verfahren hergestellt werden, wie noch genauer auszuführen sein wird.
Eine besonders einfach zu fertigende Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der oder ein die mindestens eine Elektrode außenseitig tragender Gehäuseabschnitt, also insbesondere ein oder das Trägersubstrat, aus einem Dünnglas gefertigt ist. Für optische Anwendungen ist die Verwendung von Glassubstraten als Trägersubstrate für Elektroden weit verbreitet. Die Erfindung hat jedoch erkannt, dass bei Verwendung sehr dünner Gläser deren ausgezeichnete elektrische Isolatoreigenschaften für eine Aktuierung von Flüssigkeiten ausgenutzt werden können. Somit kann erfindungsgemäß ein Trägersubstrat aus einem Dünnglas insbesondere als ein elektrisch hochdurchbruchsfestes Dielektrikum verwendet werden. Von großem Vorteil insbesondere für Anwendungen die EWOD nutzen ist dabei, dass dünnes Glas im Gegensatz zu gängigen Polymeren typischerweise sehr viel weniger Fehlstellen aufweist. Durch das Dünnglas hindurch kann ein von der mindestens einen Elektrode erzeugtes Feld auch bei Verwendung von hohen Spannungen mit der mindestens einen Flüssigkeit wechselwirken, ohne dass es zu einem elektrischen Durchbruch kommt. Damit wird ein ganz wesentliches Problem gelöst, welches oftmals die elektrische Zuverlässigkeit von elektrofluidischen Vorrichtungen begrenzt und nicht selten in der Zerstörung der optofluidischen Vorrichtung mündet.
Hierbei kann ergänzend oder alternativ vorgesehen sein, dass der Gehäuseabschnitt beziehungsweise das Trägersubstrat mindestens im Bereich der mindestens einen Elektrode eine Dicke von weniger als 100 µm, vorzugsweise von weniger als 50 µm, besonders bevorzugt von weniger als 30 µm aufweist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Flüssigkeit im Innenraum mittels EWOD oder DEP aktuiert werden soll. Denn eine solch dünne Ausgestaltung des Trägersubstrats führt zu einer für derartige Aktuierungsmechanismen ausreichend hohen elektrischen Kapazität des Trägersubstrats. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass in vielen realen Anwendungen die für eine Aktuierung zur Verfügung stehende elektrische Spannung oftmals auf 200 V oder weniger begrenzt ist, sodass oftmals für eine erfolgreiche Aktuierung eine Mindestkapazität pro Fläche benötigt wird. Die Erfindung hat somit erkannt, dass Dünnglas, wie es im Stand der Technik mit Dicken bis hinunter zu 25 µm bereits beispielsweise für Touch Displays eingesetzt wird, eine derartige Mindestkapazität pro Fläche ermöglicht. Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit zur Erhöhung der elektrischen Kapazität besteht in der Verwendung keramischer Materialien mit hoher Permittivität für das Trägersubstrat.
Die erfindungsgemäße Verwendung von Glassubstraten als Trägersubstrat ist insbesondere für optofluidische Vorrichtungen bevorzugt, bei denen oftmals der Wunsch besteht, einen optischen Pfad durch einen Gehäuseabschnitt zu führen. Hierzu kann erfindungsgemäß beispielsweise vorgesehen sein, dass die mindestens eine Elektrode in einem optischen Pfad liegt und/oder transparent ausgestaltet ist. Ferner kann auch vorgesehen sein, dass ein optischer Pfad durch den die Elektrode außenseitig tragenden Gehäuseabschnitt, insbesondere das Trägersubstrat und/oder die mindestens eine Flüssigkeit verläuft.
Erfindungsgemäß sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass das Gehäuse ein Gehäuseteil aufweist mit dem der oder ein die mindestens eine Elektrode außenseitig tragender Gehäuseabschnitt durch eine Grenzfläche verbunden ist. Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Grenzfläche eine geschlossene Linie beschreibt und/oder frei von elektrischen Durchführungen ausgestaltet ist. Der die mindestens eine Elektrode außenseitig tragende Gehäuseabschnitt kann dabei insbesondere durch ein oder das Trägersubstrat gebildet sein. Durch diese technischen Merkmale wird es möglich, die Verbindung zwischen dem Gehäuseabschnitt, beziehungsweise dem Trägersubstrat, und dem Gehäuseteil besonders dicht, insbesondere hermetisch dicht, auszugestalten, da das Vorsehen einer derartigen Grenzfläche die Ausbildung einer abdichtenden Verbindungsnaht begünstigt.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn sowohl der oder ein die mindestens eine Elektrode außenseitig tragender Gehäuseabschnitt, insbesondere das Trägersubstrat, als auch das Gehäuseteil im Bereich der Grenzfläche homogen ausgebildet sind. Homogen kann hier so verstanden werden, dass das Trägersubstrat als auch das Gehäuseteil, zumindest im Bereich der Grenzfläche, jeweils aus einem Material gefertigt sind. Von Vorteil ist dabei, dass sich hochdichte Verbindungen mit gängigen wohl etablierten Verbindungstechniken wie Bonden oder Schweißen, insbesondere Laserschweißen, besonders einfach herstellen lassen, da ein einziger Satz an Prozessparametern und/oder eine einzige, homogene, vermittelnde Verbindungsschicht ausreicht, um eine nach außen dichte Verbindung des Gehäuseabschnitts mit dem Gehäuseteil zu gewährleisten.
Für eine vereinfachte Fertigung der elektrofluidischen Vorrichtung kann es erfindungsgemäß von Vorteil sein, wenn der oder ein die mindestens eine Elektrode außenseitig tragender Gehäuseabschnitt, insbesondere das Trägersubstrat, in mindestens einem Bereich, insbesondere im Bereich der zuvor diskutierten Grenzfläche, transparent ausgestaltet ist. Durch diese Ausgestaltung wird es möglich, mittels Strahlung Energie durch den Gehäuseabschnitt beziehungsweise das Trägersubstrat zu transportieren, insbesondere bis in die Grenzfläche hinein. Diese Energie kann die Ausbildung einer hermetischen Verbindung ermöglichen oder unterstützen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Qualität einer innerhalb des Gehäuses ausgebildeten Verbindungsnaht optisch untersucht werden kann, was insbesondere für die Prozessentwicklung und -kontrolle vorteilhaft ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Gehäuseabschnitt, insbesondere der oder ein die mindestens eine Elektrode außenseitig tragender Gehäuseabschnitt, vorzugsweise das Trägersubstrat, flexibel ausgestaltet ist. Insbesondere kann der Gehäuseabschnitt beziehungsweise das Trägersubstrat so ausgestaltet werden, dass er/es zum Ausgleich eines Relativdrucks zwischen dem Innenraum und der Außenwelt geeignet ist. Die Verwendung besonders dünner Substrate hat hier den Vorteil, dass mit abnehmender Dicke des Substrats dessen Steifigkeit überproportional abnimmt. Damit kann ein insgesamt steifes Gehäuse ausgebildet werden, dass dennoch Schwankungen des Relativdrucks zwischen Innen- und Außenseite durch Verwölbung des Gehäuseabschnitts beziehungsweise des Trägersubstrats kompensieren kann. Somit kann im Betrieb eine hohe Zuverlässigkeit der elektrofluidischen Vorrichtung gewährleistet werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn hierbei ein erfindungsgemäßer Rahmen, wie bereits zuvor beschrieben, verwendet wird.
Erfindungsgemäß kann alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass der Innenraum ein Luftreservoir aufweist. Damit kann eine Volumenexpansion der Flüssigkeiten, durch eine Kompression der Luft in dem Luftreservoir teilweise aufgefangen werden, sodass sich der thermomechanische Stress auf das Gehäuse reduzieren lässt.
Bei einigen elektrofluidischen Vorrichtungen, beispielsweise solchen, die eine Flüssigkeit mittels EWOD aktuieren, ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine Flüssigkeit im Innenraum direkt elektrisch kontaktiert ist, also beispielsweise durch einen Ohmschen Kontakt. Hierzu kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass mindestens ein elektrischer Kontakt mittels des Gehäuses, insbesondere mittels eines Gehäuseteils oder eines sonstigen Gehäuseabschnitts, in den Innenraum geführt ist. Beispielsweise kann in einem an sich elektrisch isolierenden Gehäuseteil, das zunächst separat von dem Trägersubstrat auch unter Verwendung von Hochtemperaturprozessen vorgefertigt werden kann, eine elektrisch leitende Durchführung vorgesehen sein, die den innenseitigen Kontakt bereitstellt.
Alternativ oder ergänzend kann mindestens ein elektrischer Kontakt mittels des oder eines die mindestens eine Elektrode außenseitig tragenden Gehäuseabschnitts, insbesondere mittels des Trägersubstrats, in den Innenraum geführt sein. Ist das Trägersubstrat elektrisch isolierend ausgebildet so kann dies insbesondere mittels eines oder mehrerer leitfähiger Vias erfolgen, wie bereits zuvor beschrieben.
Erfindungsgemäß kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn die mindestens eine Flüssigkeit, die von der außerhalb des Innenraums angeordneten Elektrode aktuiert wird, von dem mindestens einen elektrischen Kontakt kontaktiert ist. Denn damit kann die mindestens eine Flüssigkeit auf ein vorgegebenes Potential, beispielsweise Masse, gesetzt werden, was eine effiziente Aktuierung ermöglicht. Auch für Anwendungen, bei denen Ladungen im Bereich des von der Elektrode erzeugten elektrischen Feldes in der Flüssigkeit induziert werden sollen, kann eine derartige Ausgestaltung vorteilhaft sein, da die Ladungen über den elektrischen Kontakt schnell zufließen können, insbesondere bei Vorrichtungen die mit Wechselspannung betrieben werden.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß zur Lösung der Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung einer elektrofluidischen Vorrichtung, insbesondere nach einem der auf eine elektrofluidische Vorrichtung gerichteten Ansprüche, mit einem mehrteiligen Gehäuse vorgeschlagen, dass ein durch das Gehäuse gebildeter Innenraum mit mindestens einer elektrisch aktuierbaren Flüssigkeit befüllt wird und dass der Innenraum nachfolgend durch lokales Einbringen von Energie in eine Grenzfläche des Gehäuses nach außen dicht abgeschlossen wird. Das dichte Abschließen kann dabei erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass in der Grenzfläche eine abdichtende Verbindungsnaht geschaffen wird, die eine geschlossene Linie beschreibt und die frei von elektrischen Durchführungen ausgestaltet ist. Erfindungsgemäß befindet sich demnach die Flüssigkeit während des Einbringens der Energie in die Grenzfläche bereits in dem Innenraum der Vorrichtung.
Damit ist ein Verfahren beschrieben mit Hilfe dessen eine elektrofluidische Vorrichtung hermetisch dicht ausgebildet werden kann, wobei gleichzeitig eine elektrische Aktuierung der Flüssigkeit im Innenraum ermöglicht wird. Entscheidend hierfür ist das erfindungsgemäße Einbringen der Flüssigkeit vor dem Verkapseln derselben, wodurch auf Zuleitungen und Entlüftungskanäle sowie ein komplexes Befüllen der Vorrichtung verzichtet werden kann.
Das ununterbrochene Ausgestalten der Verbindungsnaht, frei von sie durchkreuzenden elektrischen Durchführungen, ist für eine besonders dichte Ausgestaltung der Verbindungsnaht und damit des gesamten Gehäuses von zentraler Bedeutung. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass ein Gehäuse stets nur so dicht sein kann, wie der am wenigsten dichte Bereich des Gehäuses, was bei elektrofluidischen Vorrichtungen typischerweise der zuletzt ausgeführten Verbindung zweier Teile des Gehäuses entspricht.
Die Begrenzung der eingebrachten Energie auf eine lokal eng begrenzte Fläche oder ein eng begrenztes Volumen ist von Vorteil, da damit der Wärmeeintrag in den Innenraum der Vorrichtung begrenzt werden kann. Damit werden thermomechanische Spannungen im Gehäuse vermieden, die aufgrund der hohen thermischen Ausdehnung der Flüssigkeiten bei zu hohem Wärmeeintrag auftreten können.
Das Einbringen von Energie in die Grenzfläche kann erfindungsgemäß beispielsweise mittels, insbesondere gerichtetem, Ultraschall, mittels lokalem, insbesondere resistivem Beheizen, beispielsweise unter Verwendung lokal aufgebrachter Widerstände als Heizelemente, mittels eines Heizstempels, oder durch Bestrahlung erfolgen. Ferner können sowohl Glaslote als auch metallische Lote als Verbindungsschicht verwendet werden, die die Verbindung der beiden Gehäuseteile an der Grenzfläche vermittelt.
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens ist vorgesehen, dass zur Aktuierung der mindestens einen Flüssigkeit mindestens eine Elektrode außerhalb des Innenraums, in oder an dem Gehäuse ausgebildet wird. Hierzu kann die mindestens eine Elektrode beispielsweise auf einem zum Gehäuse gehörenden Trägersubstrat ausgebildet werden oder auf oder an oder in einem Gehäuseabschnitt. Erfindungsgemäß kann das Ausbilden der Elektrode dabei vor oder nach dem Abschließen des Innenraums erfolgen.
Erfindungsgemäß muss die mindestens eine Elektrode jedoch nicht notwendigerweise in oder an dem Gehäuse ausgebildet werden. Vielmehr kann die Elektrode erfindungsgemäß beispielsweise auch auf der Oberfläche eines vom Gehäuse der Vorrichtung separaten Substrats ausgebildet sein. Für den Betrieb der elektrofluidischen Vorrichtung genügt es in diesem Fall, wenn das Gehäuse in Kontakt mit der Elektrode oder zumindest in deren Nähe gebracht wird, sodass ein von der Elektrode erzeugtes elektrisches Feld in den Innenraum eindringen kann, um mit der Flüssigkeit zu wechselwirken.
Dieser Ansatz ist beispielsweise interessant für mikrofluidische Anwendungen, bei denen eine oder mehrere vorgegebene Anordnungen von Aktuierungselektroden auf einem Substrat mit mehreren austauschbaren erfindungsgemäßen Gehäusen im Sinne einer erfindungsgemäßen elektrofluidischen Vorrichtung verwendet werden soll. Dieser Ansatz ermöglicht auch eine Sandwich-Bauweise der Vorrichtung, wie noch näher anhand der Figuren beschrieben werden soll.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann vorgesehen sein, dass ein die mindestens eine Elektrode außenseitig tragender Gehäuseabschnitt, insbesondere ein Trägersubstrat, durch lokales Einbringen von Energie in eine Grenzfläche mit einem Gehäuseteil des Gehäuses verbunden wird. Zu diesem Zweck kann erfindungsgemäß in der Grenzfläche eine abdichtende Verbindungsnaht geschaffen werden, die eine geschlossene Linie beschreibt und die frei von elektrischen Durchführungen ausgestaltet ist. Durch diese Ausgestaltung werden die zuvor bereits erläuterten Vorteile insbesondere für die für die Zuverlässigkeit der Vorrichtung kritische Verbindung zwischen dem die Elektrode tragenden Gehäuseabschnitt, also insbesondere dem Trägersubstrat, und dem restlichen Gehäuse erzielt.
Eine erfindungsgemäß besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Gehäuseteil im Bereich der Grenzfläche aus Silizium ausgebildet ist. Denn diese Ausgestaltung erlaubt eine besonders robuste Verbindung des Gehäuseteils mit einem Trägersubstrat aus Dünnglas, beispielsweise mittels Laserschweißen.
Erfindungsgemäß kann die Verbindung des die Elektrode tragenden Gehäuseabschnitts, insbesondere des Trägersubstrats, mit dem Gehäuseteil insbesondere vor dem Einbringen der mindestens einen Flüssigkeit in den Innenraum erfolgen. In diesem Fall kann die Verbindung zwischen Gehäuseabschnitt beziehungsweise Trägersubstrat und Gehäuseteil durch Prozesse erfolgen, bei denen Energie global eingebracht wird, beispielsweise Bonden oder vergleichbare Hochtemperaturprozesse, da die Flüssigkeit erst nachfolgend in den Innenraum eingebracht wird. Die finale Kapselung der Flüssigkeit kann dann in einem sich anschließenden Fertigungsschritt erfolgen.
Ein erfindungsgemäß bevorzugtes Fertigungsverfahren sieht vor, dass die Energie mittels eines Laserstrahls lokal in die Grenzfläche eingebracht wird. Hierbei kann alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass die oder eine Verbindungsnaht als eine Schweißnaht ausgestaltet wird.
Laserschweißen als Fertigungstechnik ist erfindungsgemäß bevorzugt, da hierdurch der lokale Wärmeeintrag sehr gut kontrolliert und begrenzt werden kann, sodass sich die Flüssigkeit im Innern nur vernachlässigbar aufheizt. Mittels Laserschweißen können zudem hermetische Verbindungen wie eingangs beschrieben geschaffen werden, die höchsten Anforderungen an Dichtheit, auch bei typischen geforderten Temperaturschwankungen von 100 Kelvin und mehr (beispielsweise von -40°C bis zu +80°C), genügen. Die Verwendung eines Laserstrahls hat den speziellen Vorteil, dass dieser auf eine Grenzfläche des Gehäuses fokussiert werden kann, sodass eine hochdichte und zuverlässige Schweißnaht mit minimaler Ausdehnung erzielt werden kann, was für eine kompakte Bauweise der Vorrichtung von Vorteil sein kann.
Erfindungsgemäß kann somit insbesondere der Innenraum in einem finalen Fertigungsschritt mittels eines Laserschweißprozesses nach außen dicht abgeschlossen werden, vorzugsweise mittels einer eine geschlossene Linie beschreibenden Schweißnaht. Bevorzugt verläuft die Schweißnaht dabei in einer kontaktdurchführungsfrei ausgebildeten Grenzfläche des Gehäuses.
Erfindungsgemäß kann die elektrofluidische Vorrichtung während des Laserprozesses in einer zweiten Flüssigkeit eingetaucht sein oder bleiben. Hiebei kann insbesondere die zweite Flüssigkeit den Innenraum der Vorrichtung teilweise ausfüllen. Beispielsweise kann die zweite Flüssigkeit als Umgebungsflüssigkeit zu der elektrisch aktuierbaren Flüssigkeit im Innenraum dienen. Von Vorteil ist bei diesem speziellen Verfahren, dass ein luftblasenfreies Verschließen des Innenraums erleichtert wird. Zudem kann die zweite Flüssigkeit Wärme von der Außenseite der Vorrichtung während des Verschweißens abführen und somit den Wärmeeintrag in den Innenraum der Vorrichtung weiter reduzieren.
Bei allen bisher vorgestellten erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren ist es besonders günstig, wenn diese zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrofluidischen Vorrichtung, insbesondere wie zuvor beschrieben oder nach einem der auf eine elektrofluidische Vorrichtung gerichteten Schutzansprüche, verwendet werden.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sind ferner die Merkmale des nebengeordneten, auf ein Verfahren zum Betrieb einer elektrofluidischen Vorrichtung gerichteten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine elektrofluidische Vorrichtung, insbesondere wie zuvor beschrieben und/oder nach einem der auf eine elektrofluidische Vorrichtung gerichteten Ansprüche, derart verwendet wird, dass eine elektrisch aktuierbare Flüssigkeit, in einem von einem Gehäuse gebildeten und dicht abgeschlossenen Innenraum angeordnet wird und mit wenigstens einer außerhalb des Innenraums angeordneten Elektrode durch das Gehäuse hindurch aktuiert wird. Hierbei ist es bevorzugt, wenn ein von der Elektrode erzeugtes elektrisches Feld durch das Gehäuse hindurch mit der mindestens einen Flüssigkeit wechselwirkt und diese aktuiert. Mittels dieses Ansatzes kann eine hermetisch gekapselte Flüssigkeit zuverlässig und effizient elektrisch aktuiert werden, und somit ein langzeitstabiler Betrieb der elektrofluidischen Vorrichtung gewährleistet werden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen des jeweiligen Ausführungsbeispiels. Insbesondere können somit Ausbildungen der Erfindung aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der allgemeinen Beschreibung, den Ansprüchen sowie den Zeichnungen gewonnen werden.
Es zeigt:

1 den Aufbau einer aus dem Stand der Technik bekannten optofluidischen Mikro-Iris mit in-plane-Kontaktierungen in Querschnittsansicht,
2 eine erfindungsgemäße Verwendung von leitfähigen Vias bei einer elektrofluidischen Vorrichtung,
3 eine Querschnittsansicht durch eine erfindungsgemäße elektrofluidische Vorrichtung mit Aktuierungselektroden außerhalb eines zwei Flüssigkeiten aufnehmenden Innenraums,
4 eine Illustration der erfindungsgemäßen Ausnutzung eines flexiblen Gehäuseabschnitts zur Kompensation von thermisch induzierten Druckschwankungen,
5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße elektrofluidische Vorrichtung,
6 drei Teile eines Gehäuses vor dem Verbinden zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7 eine Illustration des Verbindens eines erfindungsgemäßen Trägersubstrats mit einem Gehäuseteil mittels Laserschweißen,
8 eine Illustration des Abschließens eines Innenraums einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels Laserschweißen,
9 eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Ergebnis der Fertigungsschritte der 6 bis 8,
10 drei Teile eines Gehäuses sowie ein Substrat mit Elektroden vor dem Verbinden zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
11 eine Illustration des Verbindens eines erfindungsgemäßen Trägersubstrats mit einem Gehäuseteil mittels Laserschweißen,
12 eine Illustration des Abschließens eines Innenraums einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels Laserschweißen,
13 eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Ergebnis der Fertigungsschritte der 10 bis 12,
14 drei Teile eines Gehäuses vor dem Verbinden zu einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
15 eine Illustration des Verbindens eines erfindungsgemäßen Gehäuseabschnitts mit einem Gehäuseteil mittels Laserschweißen,
16 eine Illustration des Abschließens eines Innenraums einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels Laserschweißen,
17 eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Ergebnis der Fertigungsschritte der 14 bis 16,

1 zeigt als Beispiel einer elektrofluidischen Vorrichtung 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte optofluidische Irisblende. Diese weist ein Gehäuse 2 auf, welches durch zwei Glassubstrate 12 sowie einen dazwischenliegenden Silizium-Spacer gebildet ist. In dem durch das Gehäuse 2 gebildeten Innenraum 3 befinden sich zwei nicht mischbare Flüssigkeiten 4 und 16. Während die opake Flüssigkeit 4 elektrisch aktuierbar ist, ist die transparente Flüssigkeit 16 elektrisch nichtleitend. Mittels einer innenseitig auf dem unteren Glassubstrat 12 strukturierten hydrophoben Beschichtung 17 ist die erste, opake Flüssigkeit 4 in eine Ringform gezwungen (vgl. dazu auch 5). Die zweite Flüssigkeit 16 füllt den restlichen Innenraum 3 vollständig aus und dient daher als Umgebungsflüssigkeit. Die transparente Flüssigkeit 16 bewegt sich daher lediglich passiv aufgrund einer elektrisch aktuierten Bewegung der Flüssigkeit 4. Hierzu können mittels mehrerer auf der Innenseite des unteren Glassubstrats 12 aufgebrachter, konzentrischer Elektroden 5 (vgl. 5) elektrostatische Kräfte auf die Flüssigkeit 4 ausgeübt werden, sodass sich diese konzentrisch nach innen ausbreitet. Der durch die Flüssigkeit 4 gebildete fluidische Ring kann sich somit aufgrund der Aktuierung zusammenziehen und bildet dadurch die optische Apertur einer durchstimmbaren Irisblende.
Die elektrischen Felder, welche von den einzelnen Aktuierungselektroden 5 erzeugt werden, wechselwirken somit durch die hydrophobe Beschichtung 17 hindurch mit der elektrisch aktuierbaren Flüssigkeit 4. Um dabei elektrische Durchbrüche zu vermeiden, sind die Aktuierungselektroden 5 mittels einer zusätzlichen dielektrischen Schicht 22 von den Flüssigkeiten elektrisch isoliert, mit Ausnahme der äußersten Elektrode, die einen direkten elektrischen Kontakt zur Flüssigkeit 4 herstellt.
Bei der in 1 gezeigten elektrofluidischen Vorrichtung sind somit die Aktuierungselektroden 5 in dem Innenraum angeordnet, welcher durch das Gehäuse 2, also insbesondere durch das untere Glassubstrat 12, begrenzt wird. Um diese innenseitig angeordneten Aktuierungselektroden 5 mit elektrischer Spannung zu versorgen, sind mehrere elektrische Durchführungen 15 ausgebildet, die von einer Außenseite des Gehäuses 2 ausgehend bis in den Innenraum 3 reichen. Diese Durchführungen können dadurch charaketirisiert werden, dass sie das Gehäuse 2 durchstoßen. Beispielsweise versorgt die in der Querschnittsansicht in 1 gezeigte Durchführung 15 die elektrisch aktuierbare Flüssigkeit 4 mit einem elektrischen Potential. Die in 1 gezeigte Durchführung 15 ist dabei als sogenannte in-plane-Kontaktierung ausgebildet, denn sie verläuft entlang einer Grenzfläche 8 zwischen dem unteren Glassubstrat 12 und dem mit 13 bezeichneten Silizium-Spacer.
2 zeigt eine erste erfindungsgemäße elektrofluidische Vorrichtung 1, bei der auf die Ausgestaltung von in-plane-Kontaktierungen 15 verzichtet wurde. Stattdessen werden die in dem Innenraum 3 angeordneten Elektroden 5 durch erfindungsgemäß ausgestaltete Vias mit elektrischer Spannung versorgt. Die Vias sind in Form metallischer Pins ausgestaltet, welche in dem unteren Glassubstrat 12 eingearbeitet sind. Im Unterschied zu in-plane-Kontaktierungen verlaufen die Vias somit nicht entlang einer Grenzfläche zwischen zwei Teilen des Gehäuses 2, sondern durchstoßen einen Gehäuseabschnitt 10. Bei der in 2 gezeigten Vorrichtung entspricht dies dem unteren Glassubstrat 12.
Die in 2 illustrierten Verbindungen zwischen einem metallischen Via 11 und dem elektrisch isolierenden Glassubstrat 12 können dabei jeweils hermetisch ausgebildet werden, da das Glassubstrat 12 bereits vor dem Zusammenbau des Gehäuses 2 entsprechend prozessiert werden kann, insbesondere unter Ausnutzung hoher Temperaturen. Durch die Verwendung der Vias 11 kann das Gehäuse 2 somit insgesamt hermetisch ausgestaltet werden, insbesondere im Bereich der mit 8 bezeichneten Grenzflächen, da diese Grenzflächen nun kontaktdurchführungsfrei ausgestaltbar sind. Das linke Via 11 in 2 bildet einen elektrischen Kontakt 9 aus, der durch das elektrisch isolierende Substrat 12 hindurch in den Innenraum 3 geführt ist, um die Flüssigkeit 4 zu kontaktieren.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren erfindungsgemäßen elektrofluidischen Vorrichtung 1. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird bei der in 3 gezeigten Vorrichtung nicht nur auf in-plane-Kontaktierungen 15 verzichtet, sondern auch auf innenliegende Elektroden. In 3 sind die konzentrischen Elektroden 5 vielmehr auf einer Außenseite eines dünnen Glassubstrats 12 angeordnet, welches den Innenraum 3 begrenzt und somit ein Teil des Gehäuses 2 bildet. Die Aktuierungselektroden 5 sind also außerhalb des Innenraums 3 und an dem Gehäuse 2 angeordnet. Das untere dünne Glassubstrat 12 stellt einen elektrisch isolierenden Gehäuseabschnitt 10 dar, der in Form eines Trägersubstrats 6 ausgebildet ist. Das Trägersubstrat 6, welches außenseitig die Elektroden 5 und innenseitig die hydrophobe Beschichtung 17 trägt, ist auf einem mit 13 bezeichneten Silizium-Spacer aufgespannt, der als formstabiler Rahmen dient. Ein weiterer Gehäuseabschnitt 10 ist in Form eines dünnen Glassubstrats 12 ausgebildet und auf die Oberseite des Rahmens 13 aufgespannt. Das obere Glassubstrat 12 verschließt somit als ein Deckel 19 den Innenraum 3 der Vorrichtung 1.
Wie in 3 zumindest angedeutet ist, ist das Trägersubstrat 6 gleichmäßig dünn ausgebildet, also insbesondere im Bereich der Elektroden 5. Somit kann beispielsweise das von der ganz rechts in 3 angeordneten Elektrode 5 erzeugte elektrische Feld durch das Trägersubstrat 6 hindurch in den Innenraum 3 der Vorrichtung 1 eindringen und dort mit der elektrisch aktuierbaren Flüssigkeit 4 wechselwirken. Breitet sich die Flüssigkeit 4, beispielsweise befördert durch elektrostatische Kräfte, auf der hydrophoben Beschichtung 17 nach innen aus, so besteht die Wechselwirkung zwischen der außenseitig angeordneten Elektrode 5 und der Flüssigkeit 4 durch das Trägersubstrat 6 und durch die hydrophobe Beschichtung 17 hindurch.
In 3 ist ferner angedeutet, dass das Trägersubstrat 6 durch eine Grenzfläche 8 mit einem Gehäuseteil 7 des Gehäuses 2, gebildet durch den Rahmen 13 und den Glasdeckel 19, verbunden ist, wobei in der Grenzfläche 8 eine abdichtende Verbindungsnaht 14 ausgebildet ist.
Wie 3 zeigt, ist mittels des Silizium-Rahmens 13, der ein Gehäuseteil 7 darstellt, ein elektrischer Kontakt 9 in den Innenraum 3 der Vorrichtung 1 geführt, wobei die elektrisch aktuierbare Flüssigkeit 4 diesen elektrischen Kontakt 9 berührt. Aufgrund dieses Merkmals ist es möglich, dass die in 3 gezeigte elektrofludische Vorrichtung vollständig auf elektrische Vias verzichtetn kann, die vergleichsweise aufwendig in einem elektrisch isolierenden Substrat ausgebildet werden müssen.
Zur Isolation der in 3 freiliegenden Außenelektroden 5 kann erfindungsgemäß eine zusätzliche isolierende Schicht vorgesehen sein, welche außenseitig auf dem Gehäuse 2 aufgebracht wird.
4 illustriert eine erfindungsgemäße Ausnutzung von zwei flexiblen Gehäuseabschnitten 10 zur Kompensation von thermisch induzierten Druckschwankungen. Beispielsweise bei Temperaturerhöhung kann es im Innenraum 3 der Vorrichtung 1 aufgrund der thermischen Ausdehnung der Flüssigkeiten 4 und 16 zu einer Volumenexpansion kommen. Wie die untere Abbildung in 4 zeigt, kann diese Volumenexpansion dadurch abgefangen werden, dass sowohl das Trägersubstrat 6 als auch der obere als Glasdeckel 19 ausgeführte Gehäuseabschnitt 10 flexibel ausgestaltet wird. Durch die Verwölbung dieser beiden Glassubstrate 12 können somit thermomechanische Spannungen in dem Gehäuse 2 abgebaut werden, wobei die Formstabilität der Vorrichtung 1 durch den steifen Rahmen 13 gewährleistet bleibt. Durch diese Ausgestaltung wird es insbesondere möglich, einen Relativdruck, der sich bei Temperaturänderung zwischen dem Innenraum 3 und der Außenwelt aufbauen kann, ganz oder zumindest teilweise abzubauen.
5 zeigt eine zur 17 zugehörige Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Die Blickrichtung entspricht dabei dem mit 18 bezeichneten Pfeil in 3, der einen optischen Pfad durch die Vorrichtung 1 wiedergibt. In 5 wird die Grenzfläche 8 gebildet durch die Unterseite des Rahmens 13, auf welcher das Trägersubstrat 6 mit seiner Innenseite aufliegt (vgl. 17). Folgt man der Grenzfläche 8 in der Zeichenebene der 5, so beschreibt diese eine geschlossene Linie, die mit dem Bezugszeichen 14 versehen ist. Diese Linie illustriert eine Verbindungsnaht 14, welche eine hermetische Abdichtung zwischen dem Trägersubstrat 6 und dem Rahmen 13 schafft (vgl. 17). Wie gut in 5 zu erkennen ist, ist sowohl die Grenzfläche 8 als auch die eine geschlossene Linie beschreibende Verbindungsnaht 14 frei von Durchführungen ausgestaltet. Im Bereich der Grenzfläche 8, insbesondere im Bereich der Verbindungsnaht 14, sind sowohl die Unterseite des Rahmens 13, der ein Gehäuseteil 7 darstellt, als auch das Trägersubstrat 6, welches einen eine Elektrode 5 außenseitig tragenden Gehäuseabschnitt 10 darstellt, homogen ausgestaltet. Dadurch lässt sich eine besonders hohe Qualität der Verbindungsnaht erreichen. Durch die transparente Ausgestaltung des Trägersubstrats 6, insbesondere im Bereich der Grenzfläche 8, kann die Verbindungsnaht 14 sehr einfach durch das Gehäuse hindurch optisch inspiziert werden (vgl. Fig).
Die 6 bis 9 illustrieren ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrofluidischen Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Das Gehäuse 2 der herzustellenden und in 9 vollständig gezeigten elektrofluidischen Vorrichtung 1 besteht aus einem oberen Glasdeckel 19, einem Rahmen 13 und einem Trägersubstrat 6, welches ebenfalls aus Glas gefertigt ist. Wie 6 zeigt, können zunächst außenliegende Elektroden 5 und innenliegende hydrophobe Beschichtungen 17 auf dem Trägersubstrat 6 strukturiert werden. Danach kann, wie in 7 gezeigt, mit Hilfe eines Lasers 20 das Trägersubstrat 6 mit dem Rahmen 13 verbunden werden. Damit wird ein halboffener Innenraum 3 geschaffen, in welchen mit Hilfe eines Dispensers 21 eine wohldefinierte Menge einer elektrisch aktuierbaren Flüssigkeit 4 eingebracht werden kann. Aufgrund der hydrophoben Beschichtung 17 richtet sich dabei die Flüssigkeit 4 selbstständig in eine Ringform aus (vgl. 5) .
Wie 8 zeigt, kann anschließend die noch halboffene Vorrichtung mit der bereits dispensierten Flüssigkeit 4 in ein Becken eingebracht werden, welches mit einer zweiten Flüssigkeit 16 befüllt ist, sodass diese zweite Flüssigkeit 16 den verbleibenden Rest des Innenraums 3 vollständig ausfüllt. Der nun vollständig mit Flüssigkeiten befüllte Innenraum 3 wird danach zunächst durch Auflegen des Glasdeckels 19 auf den Rahmen 13 provisorisch verschlossen, wobei dieses Verschließen in vorteilhafter Weise blasenfrei erfolgen kann.
In einem finalen Fertigungsschritt wird dann mit Hilfe des in 8 gezeigten Lasers 20 in der Grenzfläche 8 zwischen dem Rahmen 13 und dem Glasdeckel 19 eine abdichtende Verbindungsnaht 14 geschaffen, indem der Laserstrahl die dafür notwendige Energie lokal fokussiert auf die Grenzfläche 8 einbringt. Diese Schweißnaht 14 schließt den Innenraum 3 hermetisch dicht nach außen ab. Wie bereits anhand der 5 erläutert wurde, ist es erfindungsgemäß bevorzugt, wenn diese Schweißnaht 14 eine geschlossene Linie beschreibt und insbesondere frei von elektrischen Durchführungen ausgestaltet wird, wie dies in 8 als auch in 9 illustriert ist. Wie in 8 gezeigt, kann die elektrofluidische Vorrichtung 1 während des Laserprozesses in der zweiten Flüssigkeit 16 eingetaucht sein.
Die 10 bis 13 zeigen eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, bei dem vor dem Abschließen des Innenraums 3 an dem Gehäuse 2 der Vorrichtung 1 eine Elektrode 5 zur Aktuierung einer Flüssigkeit 4 ausgebildet wird. Wie 10 zeigt, wird das Gehäuse 2 wiederum durch einen Glasdeckel 19, einen Rahmen 13 und ein Trägersubstrat 6 gebildet. Jedoch weist das Trägersubstrat 6 im Unterschied zu dem der 6 lediglich eine hydrophobe Beschichtung 17, jedoch keine Elektrode 5 auf.
Die Aktuierüngselektroden 5 der elektrofluidischen Vorrichtung 1 sind stattdessen auf einem weiteren Glassubstrat 12 ausgebildet, das wesentlich dicker und stabiler als das Trägersubstrat 6 ausgebildet sein kann. Das Trägersubstrat 6 kann beispielsweise durch Verkleben oder Aufbonden mit dem Glassubstrat 12 derart verbunden werden, dass die Aktuierungselektroden 5, wie in 11 dargestellt, in direktem Kontakt mit dem Trägersubstrat 6 stehen. Durch diesen Fertigungsschritt kann also eine erfindungsgemäße Außenelektrode 5 an dem Gehäuse 2, genauer an der Außenseite des Trägersubstrats 6, ausgebildet werden. Zur besseren Kontaktierung der Elektroden 5 können diese auf dem dicken unteren Glassubstrat 12 nach außen geführt sein.
Diese erfindungsgemäße Sandwich-Bauweise führt somit im Ergebnis zu vergrabenen Elektroden 5, die nach außen hin durch das Glassubstrat 12 elektrisch isoliert sind (vgl. 13). Gleichzeitig wird der erfindungsgemäße Vorteil realisiert, dass im Bereich der Elektroden 5 keine elektrischen Durchführungen zur Aktuierung der Flüssigkeit 4 benötigt werden.
Als nächster Fertigungsschritt kann dann, wie in 11 gezeigt, mit Hilfe eines Lasers 20 eine hermetische Verbindung zwischen dem Trägersubstrat 6 und dem Rahmen 13 ausgestaltet werden. Der Laserstrahl bringt dazu Energie in die zwischen dem Trägersubstrat 6 und dem Rahmen 13 gebildete Grenzfläche 8 lokal ein, indem der Laserstrahl auf diese Grenzfläche fokussiert wird. Dadurch kommt es nur lokal zu einem begrenzten Temperaturanstieg in der Vorrichtung 1.
Nach dem Ausgestalten der Verbindung zwischen dem Trägersubstrat 6 und dem Rahmen 13 kann der entstandene halboffene Innenraum 3 mit Hilfe von Dispensern 21 mit den beiden Flüssigkeiten 4 und 16 befüllt werden, wie 11 zeigt. Danach kann, wie in 12 gezeigt, der Glasdeckel 19 mit dem Rahmen 13 verschweißt werden, um den Innenraum 3 hermetisch dicht nach außen abzuschließen. Anhand der 12 ist einsehbar, dass das Verbinden des die Elektroden 5 tragenden Glassubstrats 12 mit dem Trägersubstrat 6 auch erst nach dem in 12 gezeigten Verschließen des Innenraums 3 erfolgen kann. Hierbei kann erfindungsgemäß das Verbinden des Glassubstrats 12 beziehungsweise der Elektroden 5 mit dem Trägersubstrat 6 auch reversibel, beispielsweise lediglich durch Auflegen, erfolgen.
Schließlich illustrieren die 14 bis 17 ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer elektrofluidischen Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch. Im Unterschied zu den bisher diskutierten Fertigungsabläufen wird hier zunächst eine dichte Verbindung zwischen dem Rahmen 13 und dem Glasdeckel 19 mittels Laserschweißen geschaffen, wie in 15 illustriert. Anschließend kann die elektrisch aktuierbare Flüssigkeit 4 auf dem Trägersubstrat 6 dispensiert werden (vgl. 15) . Danach wird das Trägersubstrat 6 zusammen mit der Flüssigkeit 4 in ein Becken gesetzt, welches, wie in 16 gezeigt, mit der zweiten Flüssigkeit 16 befüllt ist. Nach Aufsetzen des Gehäuseteils 7, welches durch den Rahmen 13 und den mit ihm verbundenen Glasdeckel 19 gebildet ist, auf das Trägersubstrat 6, kann der Innenraum 3, wie in 16 gezeigt, mittels Laserschweißen nach außen dicht abgeschlossen werden. Wie in 16 illustriert, wird durch das Schweißen eine Verbindungsnaht 14 geschaffen, die den Rahmen 13 beziehungsweise das Gehäuseteil 7 mit dem Trägersubstrat 6 im Bereich einer Grenzfläche 8 verbindet. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Becken transparent ausgestaltet ist, sodass der Laserstrahl durch das Becken, die zweite Flüssigkeit 16, und das Trägersubstrat 6 bis zur Grenzfläche 8 vordringen kann. Im Ergebnis erhält man die in 17 gezeigte elektrofluidische Vorrichtung 1.
Zusammenfassend wird zur Erhöhung der mechanischen aber auch der elektrischen Zuverlässigkeit einer elektrofluidischen Vorrichtung 1 vorgeschlagen, ein elektrisches Feld durch einen dünn ausgestalteten Gehäuseabschnitt 10 hindurch in einen von einem Gehäuse 2 gebildeten Innenraum 3 einzukoppeln, sodass das Feld mit einer Flüssigkeit 4 wechselwirken kann, die von dem Gehäuse 2 eingekapselt ist.
Durch diesen Ansatz kann auf elektrische Durchführungen durch das Gehäuse 2 weitgehend verzichtet werden, sodass ein Entweichen der Flüssigkeit 4 aus dem Gehäuse 2 vermieden werden kann. Insbesondere können mit der Erfindung Grenzflächen 8 des Gehäuses 2, welche bei der Verkapselung der Flüssigkeit 4 miteinander hermetisch dicht verbunden werden müssen, kontaktdurchführungsfrei ausgestaltet werden. Mögliche Einsatzgebiete der Erfindung sind optofluidische Systeme wie durchstimmbare Linsen, Blenden, Spiegel oder Prismen, aber auch mikrofluidische Vorrichtungen, bei denen Flüssigkeiten innerhalb eines von einer Elektrode 5 abgetrennten Innenraums 3 elektrisch aktuiert oder manipuliert werden sollen.
Bezugszeichenliste

1: elektrofluidische Vorrichtung
2: Gehäuse
3: Innenraum
4: elektrisch aktuierbare Flüssigkeit
5: Elektrode
6: Trägersubstrat
7: Gehäuseteil
8: Grenzfläche
9: elektrischer Kontakt
10: Gehäuseabschnitt
11: Via
12: Substrat
13: Rahmen
14: Verbindungsnaht
15: Durchführung
16: zweite Flüssigkeit
17: hydrophobe Beschichtung
18: optischer Pfad
19: Deckel
20: Laser
21: Dispenser
22: dielektrische Schicht

Claims

Elektrofluidische Vorrichtung (1) mit einem Gehäuse (2), das einen nach außen dicht abgeschlossenen Innenraum (3) ausbildet, wobei mindestens eine elektrisch aktuierbare Flüssigkeit (4) von dem Innenraum (3) aufgenommen ist, und mit mindestens einer Elektrode (5), mit welcher ein elektrisches Feld erzeugbar ist, welches mit der mindestens einen Flüssigkeit (4) wechselwirkt und somit diese aktuiert, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Elektrode (5) außerhalb des Innenraums (3) in oder an dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
Elektrofluidische Vorrichtung (1), insbesondere nach Anspruch 1, mit einem Gehäuse (2), das einen nach außen dicht abgeschlossenen Innenraum (3) ausbildet, wobei mindestens eine elektrisch aktuierbare Flüssigkeit (4) von dem Innenraum (3) aufgenommen ist, und mit mindestens einer Elektrode (5), mit welcher ein elektrisches Feld erzeugbar ist, welches mit der mindestens einen Flüssigkeit (4) wechselwirkt und somit diese aktuiert, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrischer Kontakt (9) mittels eines elektrisch leitfähigen und in einem elektrisch isolierenden Substrat (12) ausgebildeten Vias (11) in den Innenraum (3) geführt ist.
Elektrofluidische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen elektrisch isolierenden Gehäuseabschnitt (10), insbesondere in Form eines Trägersubstrats (6), aufweist, welcher den Innenraum (3) begrenzt und auf dessen Außenseite die mindestens eine Elektrode (5) angeordnet ist.
Elektrofluidische Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen formstabilen Rahmen (13) aufweist, auf welchem der elektrisch isolierende Gehäuseabschnitt (10), insbesondere das Trägersubstrat (6), aufgespannt ist.
Elektrofluidische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine abdichtende Verbindungsnaht (14) aufweist, die eine geschlossene Linie beschreibt und die frei von elektrischen Durchführungen (15) ausgestaltet ist.
Elektrofluidische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder ein die mindestens eine Elektrode (5) außenseitig tragender Gehäuseabschnitt (10), insbesondere das Trägersubstrat (6), aus einem Dünnglas gefertigt ist und/oder mindestens im Bereich der mindestens einen Elektrode (5) eine Dicke von weniger als 100 µm, vorzugsweise von weniger als 50 µm, besonders bevorzugt von weniger als 30 um aufweist.
Elektrofluidische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) ein Gehäuseteil (7) aufweist mit dem der oder ein die mindestens eine Elektrode (5) außenseitig tragender Gehäuseabschnitt (10), insbesondere das Trägersubstrat (6), durch eine Grenzfläche (8) verbunden ist, die eine geschlossene Linie beschreibt und die frei von elektrischen Durchführungen (15) ausgestaltet ist.
Elektrofluidische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der oder ein die mindestens eine Elektrode (5) außenseitig tragender Gehäuseabschnitt (10), insbesondere das Trägersubstrat (6), als auch das Gehäuseteil (7) im Bereich der Grenzfläche (8) homogen ausgebildet sind.
Elektrofluidische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder ein die mindestens eine Elektrode (5) außenseitig tragender Gehäuseabschnitt (10), insbesondere das Trägersubstrat (6), in mindestens einem Bereich, insbesondere im Bereich der Grenzfläche (8), transparent ausgestaltet ist.
Elektrofluidische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuseabschnitt (10), insbesondere der oder ein die mindestens eine Elektrode (5) außenseitig tragender Gehäuseabschnitt (10), vorzugsweise das Trägersubstrat (6), flexibel ausgestaltet ist und/oder zum Ausgleich eines Relativdrucks zwischen dem Innenraum (3) und der Außenwelt geeignet ist.
Elektrofluidische Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein elektrischer Kontakt mittels des Gehäuses (2), insbesondere mittels des Gehäuseteils (7) und/oder mittels des oder eines die mindestens eine Elektrode (5) außenseitig tragenden Gehäuseabschnitts (10), insbesondere des Trägersubstrats (6), in den Innenraum (3) geführt ist, vorzugsweise wobei die mindestens eine Flüssigkeit (4) von dem elektrischen Kontakt (9) kontaktiert ist.
Verfahren zur Herstellung einer elektrofluidischen Vorrichtung (1), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem mehrteiligen Gehäuse (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein durch das Gehäuse (2) gebildeter Innenraum (3) mit mindestens einer elektrisch aktuierbaren Flüssigkeit (4) befüllt wird und dass der Innenraum (3) nachfolgend durch lokales Einbringen von Energie in eine Grenzfläche (8) des Gehäuses (2) nach außen dicht abgeschlossen wird, indem in der Grenzfläche (8) eine abdichtende Verbindungsnaht (14) geschaffen wird, die eine geschlossene Linie beschreibt und die frei von elektrischen Durchführungen (15) ausgestaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aktuierung der mindestens einen Flüssigkeit (4) mindestens eine Elektrode 5 außerhalb des Innenraums (3), insbesondere vor, während oder nach dem Abschließen des Innenraums (3), in oder an dem Gehäuse (2) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein die mindestens eine Elektrode (5) außenseitig tragender Gehäuseabschnitt (10), insbesondere ein Trägersubstrat (6), durch lokales Einbringen von Energie in eine Grenzfläche (8) mit einem Gehäuseteil (7) des Gehäuses (2) verbunden wird, indem in der Grenzfläche (8) eine abdichtende Verbindungsnaht (14) geschaffen wird, die eine geschlossene Linie beschreibt und die frei von elektrischen Durchführungen (15) ausgestaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie mittels eines Laserstrahls lokal in die Grenzfläche (8) eingebracht wird und/oder dass die oder eine Verbindungsnaht (14) als eine Schweißnaht ausgestaltet wird, vorzugsweise wobei die elektrofluidische Vorrichtung (1) während des Laserprozesses in einer zweiten Flüssigkeit (16) eingetaucht bleibt.
Verfahren zum Betrieb einer elektrofluidischen Vorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrisch aktuierbare Flüssigkeit (4), in einem von einem Gehäuse (2) gebildeten und dicht abgeschlossenen Innenraum (3) angeordnet wird und mit wenigstens einer außerhalb des Innenraums (3) angeordneten Elektrode (5) durch das Gehäuse (2) hindurch aktuiert wird, insbesondere wobei ein von der Elektrode erzeugtes elektrisches Feld durch das Gehäuse (2) hindurch mit der mindestens einen Flüssigkeit (4) wechselwirkt und diese aktuiert.