Die Aufgabe der Erfindung ist es,
ein verbessertes fluidisches Mikrosystem bereitzustellen, mit dem
den Nachteilen herkömmlicher
Mikrosysteme begegnet wird. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere,
ein Mikrosystem mit einem vereinfachten Aufbau, insbesondere einer
vereinfachten Elektrodenanordnung und einer ' vereinfachten Kontaktierung, einer
erhöhten
Funktionssicherheit und einem erweiterten Anwendungsbereich, insbesondere
bei der Manipulation biologischer Partikel bereitzustellen. Die
Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Verfahren zur
Feldformung in fluidischen Mikrosystemen, insbesondere zur dielektrophoretischen
Manipulation von Partikeln bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch Mikrosysteme und
Verfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 und
13 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine Grundidee der Erfindung ist
es, ein fluidisches Mikrosystem mit mindestens einem von einer Partikelsuspension
durchströmbaren
Kanal, an dessen Kanalwänden
Elektrodeneinrichtungen zur Erzeugung elektrischer Wechselspannungsfelder
im Kanal angeordnet sind, von denen eine erste Elektrodeneinrichtung
zur Feldformung mit einer Strukturierung ausgestattet und eine zweite
Elektrodeneinrichtung flächig,
unstrukturiert mit einer Passivierungsschicht gebildet ist, dahingehend
weiterzuentwickeln, dass die Strukturierung der ersten Elektrodeneinrichtung
charakteristische Dimensionen kleiner als die flächige Elektrodenschicht der
zweiten Elektrodeneinrichtung besitzt und die Passivierungsschicht
der zweiten Elektrodeneinrichtung eine geschlossene, die Elektrodenfläche der
zweiten Elektrodeneinrichtung vollständig bedeckende Schicht ist.
Durch diese Merkmale wird der Aufbau des Mikrosystems erheblich
vereinfacht, da lediglich die erste Elektrodeneinrichtung, die bspw.
eine untere Elektrodeneinrichtung auf der in Betriebsposition unteren
Chipebene oder Bodenfläche
ist, zur Feldformung strukturiert sein muss, während vorteilhafterweise als
zweite Elektrodeneinrichtung, insbesondere als eine obere Elektrodeneinrichtung
an der oberen Chipebene oder Deckfläche des Kanals einfach eine
flächige,
vollständig passivierte
Elektrodenschicht vorgesehen sein kann, die lediglich eine einzige
Anschlussleitung zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung oder,
falls die zweite Elektrodeneinrichtung potentialfrei betrieben wird,
keine Anschlussleitung erfordert. Die flächige zweite Elektrodeneinrichtung
kann ohne komplizierte Maskierungsschritte bei der Waferprozessierung
hergestellt werden. Durch die geschlossene Passivierungsschicht
auf der zweiten Elektrodeneinrichtung werden unerwünschte Elektrodenprozesse vollständig vermieden.
Die Anordnung der ersten Elektrodeneinrichtung an der unteren Chipebene
und der zweiten Elektrodeneinrichtung an der oberen Chipebene ist
kein zwingendes Merkmal der Erfindung, sondern kann insbesondere
umgekehrt vorgesehen sein. Allgemein können die ersten und zweiten Elektrodeneinrichtungen
an verschiedenen Kanalwänden
vorgesehen sein, die die Deckflächen,
Bodenflächen
und/oder Seitenflächen
bilden. Ein weiterer Vorteil der Kombination einerseits einer strukturierten
Elektrodeneinrichtung (vorzugsweise auf der Bodenfläche) und
einer nicht-strukturierten, flächigen Elektrodeneinrichtung
(vorzugsweise auf der Deckelfläche)
besteht in der Möglichkeit,
die ver schiedensten Elektrodenanordnungen und Systemfunktionen zu
realisieren, wie im Folgenden dargestellt wird.
So kann gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung die erste Elektrodeneinrichtung mindestens eine strukturierte
Elektrodenschicht mit einzelnen Teilelektroden aufweisen, die in
ihrer Gesamtheit die Strukturierung oder mindestens ein erstes Strukturelement
bilden, wie es an sich von herkömmlichen
Mikroelektrodenanordnungen bekannt ist. Die Bereitstellung einer
Vielzahl von Teilelektroden kann im Bezug auf eine separate Ansteuerbarkeit
jeder Teilelektrode vorteilhaft sein. Die separate Ansteuerbarkeit
ist bspw. wichtig, wenn die Felder im Kanal in Abhängigkeit
von bestimmten äußeren Einflüssen oder
Messergebnissen variiert werden sollen. Die Teilelektroden umfassen
vorzugsweise einzeln ansteuerbare Elektrodenstreifen, also Mikroelektroden
mit einer langgestreckten Linienform mit einer typischen Breite
im Bereich von 50 nm bis 100 μm
und einer typischen Länge
von bis zu 5 mm. Die Teilelektroden können Passivierungsschichten
tragen, die ggf. eine definierte Öffnung entsprechend der Position
der Teilelektroden tragen.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften
Ausführungsform
kann die erste Elektrodeneinrichtung ebenfalls durch eine flächige Elektrodenschicht
mit einer geschlossenen Passivierungsschicht gebildet werden, wobei
diese zur Bildung der Strukturierung der ersten Elektrodeneinrichtung
Schichtstrukturen aufweist, an denen eine Modifizierung des Felddurchgriffs
von der Elektrodenschicht in den Kanal im Vergleich zu den umgebenden
Bereichen der Passivierungsschicht gegeben ist. Vorteilhafterweise
kann dadurch der Aufbau des Mikrosystems weiter vereinfacht werden,
da die einander gegenüberliegenden Elektrodeneinrichtungen
beide jeweils eine flächige, vollständig passivierte
Elektrodenschicht umfassen. Die Schichtstrukturen in der ersten
Passivierungsschicht der ersten (z. B. unteren) Elektrodeneinrichtung
ermöglichen
die Aneinanderreihung einer Vielzahl von Funktionselementen im Kanal verlauf.
Diese können
zwar im Unterschied zu der oben genannten ersten Ausführungsform
nicht einzeln angesteuert werden, ermöglichen jedoch ebenfalls eine
Gestaltung und Anpassung an eine bestimmte Manipulationsaufgabe.
Gemäß dritten und vierten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Mikrosystems
kann die zweite Passivierungsschicht der zweiten, (vorzugsweise)
oberen Elektrodeneinrichtung ihrerseits Schichtstrukturen zur Feldformung
im Kanal aufweisen. Diese Strukturierung der zweiten Passivierungsschicht
kann mit einer strukturierten Elektrodenschicht (mehrere Teilelektroden)
gemäß der ersten Ausführungsform
oder mit einer flächigen
Elektrodenschicht mit einer strukturierten Passivierung gemäß der zweiten
Ausführungsform
kombiniert werden. Die Strukturierung der zweiten Passivierungsschicht
kann Vorteile in Bezug auf die Feldformung im Kanal besitzen.
Die Schichtstrukturen, an denen eine
Modulierung des Felddurchgriffs in den Kanal erfolgt, werden bspw.
durch Bereiche veränderter
(verminderter oder erhöhter
Dicke) in der Passivierungsschicht gebildet. Vorteilhafterweise
können
diese abgesenkten oder hervortretenden Schichtstrukturen durch einen einfachen Ätzprozess
erzeugt werden. Die Form der Schichtstrukturen kann durch eine Maskierung
eingestellt werden. Hervortretende Schichtstrukturen werden insbesondere
bei Bildung der Passivierungsschicht mit Materialien mit relativ
hoher DK bevorzugt. Alternativ können
die Schichtstrukturen Bereiche umfassen, die mindestens ein anderes
Material als die umgebende Passivierungsschicht aufweisen, das sich
insbesondere durch eine veränderte
Dielektrizitätskonstante
auszeichnet. Beide Formen der Schichtstrukturen, also die Dickenvariation
und die Materialvariation können
in Kombination vorgesehen sein. Des Weiteren können die Passivierungsschichten
aus verschiedenen Schichtmaterialien mehrschichtig gebildet sein.
Weitere Vorteile können sich
für die
Gestaltung des Mikrosystems ergeben, wenn Passivierungsschichten
zumindest teilweise durch Schichtmaterialien gebildet sind, deren
dielektrische Eigenschaften reversibel oder irreversibel veränderlich sind
(„smart
isolation"). Die
Schichtmaterialien werden beispielsweise durch eine Laserbehandlung
zwischen verschiedenen Modifikationen (z. B. kristallin ↔ amorph)
umgestellt, die sich durch verschiedene DK-Werte auszeichnen. Derartig
veränderbare
Materialien sind beispielsweise von beschreibaren oder wiederbeschreibaren
optischen Speichern (CD) bekannt. Alternativ können als veränderliche
Schichtmaterialien Polymere verwendet werden, deren Leitfähigkeit
wenigstens einmalig wie bei einem Direkt-Laserschreibverfahren durch
Laserbestrahlung geändert
werden kann. Vorteilhafterweise können mit dieser Ausführungsform
besonders günstig
spezifische Prototypen (z.B. für
ein „rapid
prototyping") hergestellt
werden.
Wenn gemäß der o. g. zweiten und vierten Ausführungsformen
der Erfindung beide Elektrodeneinrichtungen komplett mit ggf. strukturierten
Passivierungsschichten bedeckt sind, so kann dies insbesondere vorteilhaft
sein, wenn im Mikrosystem (oder extern am Mikrosystem) zusätzlich eine
Elektrodeneinrichtung zur Erzeugung eines Gleichspannungsfeldes
vorgesehen ist oder über
eine externe Einkoppelung z.B. über
Stromschlüssel
Gleichspannungsfelder in das System appliziert werden. Gleichspannungsfelder
(statische Felder) werden bspw. zur Elektroosmose oder zur Elektrophorese
gebildet, bei denen ein Flüssigkeitstransport
oder ein Partikeltransport unter Wirkung des Gleichspannungsfeldes erfolgt.
Vorteilhafterweise wird der Kanal mit den oben beschriebenen Elektrodeneinrichtungen
mit mindestens einem Querkanal ausgestattet, in dem eine dritte
Elektrodeneinrichtung zur Erzeugung elektrischer Gleichspannungsfelder
im Querkanal angeordnet ist. Durch die Passivierung der ersten und zweiten
Elektrodeneinrichtungen bleiben die Transportvorgänge im Querkanal
ungestört.
Ein Vorteil von Passivierungsschichten
im Vergleich zu blanken Elektroden besteht darin, dass sich der
Widerstand blanker Elektroden schon durch Auflagerung von Monolayern
um Größenordnungen ändern kann.
Dies kann relativ leicht während
der Chipherstellung oder im Betrieb passieren und gefährdet insbesondere
dann die Funktion dielektrischer Elemente, wenn die Schichten nicht
homogen sind. Zur Vermeidung dieses Problems mussten bisher zusätzliche
Maßnahmen
(Plasmaätzen
etc.) realisiert werden. Zusätzliche
Schichten auf Passivierungsschichten haben dagegen einen wesentlich
weniger störenden
Effekt. Die Funktionssicherheit der Mikrosysteme wird dadurch verbessert.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung
ist ein Verfahren zur dielektrophoretischen Manipulation von suspendierten
Partikeln in fluidischen Mikrosystemen durch Feldformung mittels
lateralen Strukturen in Passivierungsschichten auf Elektroden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen
ersichtlich. Es zeigen:
1A–1E: schematische Ansichten
verschiedener Ausführungsbeispiele
erfindungsgemäßer Mikrosysteme
(Ausschnitte),
2:
eine weitere schematische Illustration einer Elektrodeneinrichtung
mit einer strukturierten Passivierungsschicht,
3A–3D: Kurvendarstellungen zur
Illustration der Feldwirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen Passivierungsschichten,
4A, B: ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
mit einer Gradientenstruktur in der Passivierungsschicht,
5:
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäß gebildeten
Elektrodenanordnung,
6:
eine erfindungsgemäß gebildete Feldbarriere,
7A, 7B: schematische Illustrationen
eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen fluidischen
Mikrosystems, und
8:
ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen fluidischen
Mikrosystems.
In 1A ist
in schematischer Perspektivansicht ein Teil eines erfindungsgemäßen fluidischen Mikrosystems 100 gezeigt.
Das Mikrosystem 100 enthält mindestens einen Kanal 10,
der zwischen zwei plattenförmigen
Chipelementen, nämlich
dem Bodenelement oder Substrat 20 und dem Deckelement 30 gebildet
ist. Weitere Teile des Mikrosystems, insbesondere seitliche Wänden, Spacer
und dgl. sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht
gezeigt. Das Substrat 20 bildet eine erste (untere) Kanalwand
mit einer zum Kanal 10 weisenden Bodenfläche 21,
auf der eine erste Elektrodeneinrichtung, ggf. mit einer ersten
Passivierungsschicht (siehe unten) angeordnet ist. Das Deckelement 30 bildet
die zweite (obere) Kanalwand mit einer zum Kanal 10 weisenden
Deckfläche 31,
auf der entsprechend die zweite Elektrodeneinrichtung (siehe unten)
angeordnet ist. Mindestens einer der Elektrodeneinrichtungen ist
zur Felderzeugung im Kanal 10 mit einer Wechselspannungsquelle
(nicht dargestellt) verbunden. Ruf mindestens einer der Elektrodeneinrichtungen
ist erfindungsgemäß die Passivierungsschicht
vorgesehen.
Der Kanal 10 wird durch
einen Freiraum zwischen den Chipelementen 20, 30 gebildet.
Er ist von einer Flüssigkeit,
insbesondere einer Partikelsuspension durchströmbar und besitzt eine Höhe bspw.
im Bereich von 5 μm
bis 1 mm und anwendungsabhängig
gewählte
Quer- und Längendimensionen
im μm- bis
cm-Bereich. Die Chipelemente 20, 30 bestehen typischerweise
aus Glas, Silizium oder einem elektrisch nicht leitenden Polymer.
Der Schichtaufbau aus Elektrodeneinrichtungen
und Passivierungsschicht ist im rechten, vergrößerten Ausschnitt von 1A gezeigt. Beispielsweise
auf der Bodenfläche 21 des
Substrats 20 befindet sich die erste Elektrodeneinrichtung 40 und
eine erste Passivierungsschicht 50 (siehe z. B. 1C). Der Schichtaufbau wird
mit an sich bekannter Planartechnologie durch Deposition der gewünschten
Materialien auf dem Substrat gebildet. Die Elektrodeneinrichtung
besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material, z. B. einem
Metall oder leitfähigen
Oxid, z. B. ITO, Indium-Cadmium-Oxid oder einem leitfähigen Polymer.
Die Dicke der Elektrodeneinrichtung liegt bspw. im Bereich von 50
nm bis 2 um. Die Passivierungsschicht 50 ist eine dielektrische
Isolationsschicht mit einer Dicke im Bereich von 0.1 μm bis 10 μm. Sie besteht
bspw. aus Polyimid oder einem elektrisch isolierenden Oxid.
In den 1B bis 1E sind die o. g. vier bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung mit schematischen Draufsichten auf die ersten (unteren)
und zweiten (oberen) Kanalwände 21, 31 illustriert.
Gemäß 1B ist die erste Elektrodeneinrichtung 40 zur
Feldformung im Kanal strukturiert gebildet. Sie ist allgemein mit
mindestens einem ersten Strukturelement ausgestattet, das im dargestellten Beispiel
vier Elektrodenelemente oder Teilelektroden 41 umfasst,
die in an sich bekannter Weise in Streifenform auf der Bodenfläche 21 gebildet
sind. Die Teilelektroden 41 können mit einer Passivierungsschicht
(nicht gezeigt) bedeckt sein, die ggf. an den Flächen der Teilelektroden 41 in
an sich bekannter Weise Durchbrüche
aufweist.
Die zweite Elektrodeneinrichtung 60 auf
der Deckfläche 31 umfasst
eine flächige
Elektrodenschicht 61 (gestrichelt gezeigt) mit einer geschlossenen
zweiten Elektrodenfläche,
die von einer zweiten Passivierungsschicht 70 vollständig bedeckt
ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die ersten
Strukturelemente 41 der ersten Elektrodeneinrichtung 40 eine
kleinere wirksame Elektrodenfläche als
die zweite Elektrodenfläche 61 der
zweiten Elektrodeneinrichtung 60 bilden (die Summe der
einzelnen Flächen
der ersten Elektrodeneinrichtung 40 ist kleiner als die
zweite Elektrodenfläche 61).
Dadurch entstehen bei Beaufschlagung der Elektrodeneinrichtungen 40, 60 mit
elektrischen Spannungen Feldlinienverläufe, die sich auf der Bodenfläche 21 an
den Teilelektroden 41 mit vergrößerter Feldliniendichte vereinigen
und auf der Deckfläche 31 in
der Elektrodenschicht 61 enden. Das elektrische Feld im
Kanal ist entsprechend der Gestalt der Teilelektroden geformt. Es
wird bspw. eine Feldbarriere oder ein Feldkäfig gebildet, mit denen die
Bewegung von Partikeln im Kanal beeinflusst oder Partikel festgehalten
werden können.
Die Elektrodenschicht 61 der
zweiten Elektrodeneinrichtung 60 kann gemäß einem
ersten Betriebsmodus über
eine Anschlussleitung mit einer Steuereinrichtung verbunden sein.
Im Unterschied zu herkömmlichen
Elektrodenanordnungen ist vorteilhafterweise nur eine Anschlussleitung
zur Bildung der Gegenelektrode zum Beispiel für einen Feldkäfig mit
einer Barriereform entsprechend den Teilelektroden 41 ausreichend.
Gemäß einem
zweiten Betriebsmodus kann die zweite Elektrodeneinrichtung ohne Verbindung
mit einer Steuereinrichtung auf der Deckfläche 31 angeordnet
sein. In diesem sog. „floatenden" Zustand bildet sich
das Potential der zweiten Elektrodeneinrichtung automatisch in Abhängigkeit von
den umgebenden Potentialverhältnissen.
In der Elektrodenschicht wird jeweils eine Ladungsverteilung gebildet,
die das im Kanal auftretende Feld im Innern der Elektrodenschicht
aus gleicht. In diesem Fall kann vorteilhafterweise auf eine Kontaktierung vollständig verzichtet
werden.
1C illustriert
ein Beispiel der o. g. zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei
der beide Elektrodeneinrichtungen 40, 60 durch
flächige,
geschlossene Elektrodenschichten 42, 61 gebildet
werden, die jeweils durch geschlossene Passivierungsschichten 50, 60 abgedeckt
sind. Die erste (untere) Elektrodeneinrichtung 40 ist mit
mindestens einem Strukturelement ausgestattet, das bei dieser Ausführungsform
durch eine Struktur in der ersten Passivierungsschicht 50 gebildet
wird. Die Schichtstruktur in der ersten Passivierungsschicht 50 umfasst
Bereiche 51 mit z. B. verminderter Dicke und/oder im Vergleich zur
restlichen Passivierungsschicht variierten Materialien. Die Bereiche 51 besitzen
lateral in der Schichtebene eine geometrische Form entsprechend
den herkömmlich
gebildeten Mikroelektroden, also bspw. eine Streifenform. Die zweite
Elektrodeneinrichtung 60 ist gemäß 1C wie bei 1B durch
eine Elektrodenschicht mit geschlossener, unstrukturierter Passivierungsschicht 70 gebildet.
Durch die Verwendung der strukturierten Passivierungsschicht 50 auf
der flächigen
Elektrodenschicht 42 wird die geometrische Form des Durchtritts
des elektrischen Feldes von der Elektrodenschicht 42 in
den Kanal entsprechend der Form der Bereiche 51 in vorbestimmter
Weise eingestellt. Die Bereiche 51 können bspw. ein Aufreihelement
mit einer trichterförmigen
Feldbarriere ( 1C) bilden. Alternativ
können
in einer Passivierungsschicht, die eine geschlossene Elektrodenschicht
abdeckt, mehrere strukturierte Bereiche (Feldstrukturierungselemente)
realisiert sein. Dies besitzt den Vorteil, dass ein fluidisches
Mikrosystem, z. B. ein Sortiersystem mit mehreren funktionalen Elementen
mit nur zwei, an gegenüberliegenden
Kanalwänden
und mit strukturierten Passivierungen versehenen Elektroden aufgebaut
ist, wobei ggf. nur eine Elektrode mit einer hochfrequenten Spannung
angesteuert und die andere Elektrode im floatenden Zustand gelassen
wird.
Gemäß 1D kann das Prinzip dahingehend abgewandelt
werden, dass die erste Elektrodeneinrichtung auf der Bodenfläche 21 mit
mehreren Teilelektroden 41 wie in 1B aufgebaut ist, während die zweite Elektrodeneinrichtung 60 mit
einer strukturierten Passivierungsschicht 70 gedeckt ist. Die
strukturierten Bereiche 71 in der Passivierungsschicht 70 besitzen
bspw. eine geometrische Form entsprechend der Ausrichtung der gegenüberliegenden
Teilelektroden 41 zur Bildung des Feldkäfigs.
Schließlich kann gemäß der o.g.
vierten Ausführungsform
(1E) die Strukturierung
an beiden Passivierungsschichten, also sowohl an der Bodenfläche als
auch an der Deckfläche
vorgesehen sein.
2 illustriert
einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung mit
strukturierter Passivierungsschicht in vergrößerter, auseinandergezogener
Perspektivansicht. Auf dem Substrat 20 befindet sich die
Elektrodenschicht 40 mit einer darauf prozessierten dielektrischen
Isolationsschicht- oder Passivierungsschicht 50 mit einem
strukturierten Bereich 51. Die Dicke dP der
Passivierungsschicht 50 beträgt bspw. 600 nm. Am strukturierten Bereich 51 ist
die Dicke dS auf einen Wert von z. B. 200
nm reduziert oder mit einer veränderten
Zusammensetzung gebildet, die andere elektrische Eigenschaften,
eine veränderte
Dielektrizitätskonstante oder
einer veränderte
spezifisch elektrische Leitfähigkeit
besitzt.
Die Strukturierung der Passivierungsschicht 50 kann
bspw, durch Photolithographie erfolgen. Wenn die erste und/oder
zweite Passivierungsschicht zumindest teilweise durch ein Schichtmaterial gebildet
ist, dessen dielektrischen Eigenschaften reversibel oder irreversibel
veränderlich
sind, kann die Strukturierung beispielsweise durch eine Laserbestrahlung
entsprechend der Geometrie der gewünschten Strukturen erfolgen.
Die 3A bis 3D illustrieren die Wirkung der
erfindungsgemäß strukturierten
Passivierungsschichten anhand der Ergebnisse von Modellrechnungen.
Der Aufbau der zwei Elektrodeneinrichtungen an Kanalwänden mit
dem suspensionsdurchströmten
Kanal wird durch einen flüssigkeitsgefüllten Plattenkondensator
unter der Annahme unendlich großer
Kondensatorplatten modelliert, bei dem bspw. eine Elektrode mit
einer Passivierungsschicht versehen ist. Die Feldstärke im Inneren
des Kanals (oder des Plattenkondensators) hängt sowohl von der Frequenz
als auch von den dielektrischen und geometrischen Verhältnissen
ab. Die Modellierung erfolgt mit den folgenden Parametern: Dielektrizitätskonstante der
Suspension oder Lösung
zwischen den Kondensatorplatten: 80, Dielektrizitätskonstante
der Passivierungsschicht: 5 und Leitfähigkeit der Passivierungsschicht:
10–5 S/m.
3A illustriert
die relative Feldstärke
Erel (Feldstärke mit Passivierungsschicht/Feldstärke ohne
Passivierungsschicht) im Kanal in Abhängigkeit von der Frequenz f
bei verschiedenen Leitfähigkeiten der
wässrigen
Suspension im Kanal. Die Dicke der Passivierungsschicht beträgt 1 % des
Abstandes der Elektrodeneinrichtung. 3A zeigt,
dass die Feldeinkopplung in den Kanal von der Leitfähigkeit
der Suspension und der Frequenz abhängig ist. Überraschenderweise zeigt sich,
dass die Isolationswirkung der Passivierungsschicht von der Frequenz
abhängig ist
und mit steigendem Elektrolytgehalt immer stärker wird.
3B zeigt
mit den gleichen Parametern wie bei 3A die
Phasenlage Φ (in
rad) des elektrischen Feldes. Auch die Phasenlage Φ ist mit
zunehmender Leitfähigkeit
stark frequenzabhängig.
Entsprechend den in den 3A und 38 gezeigten Ergebnissen können elektrische
Feldgradienten im Kanal in Bezug auf die Phase und die Amplitude
mit homogenen Elektroden realisiert werden. Dies kann bspw. dazu
benutzt werden, einen Oktupolkäfig,
der herkömmlich
acht Elektroden erforderte, mit lediglich vier Elektroden zu realisieren,
wobei jede Elektrode über
einer geeignete Passivierung zwei jeweils um rd. 90° phasenverschobene
Signale liefert.
3C zeigt
die relative Feldstärke
Erel im Kanal in Abhängigkeit von der Frequenz bei
verschiedenen Dicken der Passivierungsschicht, die jeweils als %-Anteil
relativ zum Elektrodenabstand angegeben ist. Die Modellierung erfolgt
mit einem wassergefüllten
Kanal (Leitfähigkeit:
0.3 S/m). Es zeigt sich, dass der Felddurchgriff mit zunehmender
Dicke der Passivierungsschicht erheblich reduziert wird und das
dieser Effekt frequenzabhängig
ist. Entsprechend dem in 3C illustrierten
Ergebnis können lokal
an den strukturierten Bereichen (z. B. 51 in 1C, E) durch
eine Dickenreduzierung eine Erhöhung
der Feldstärke
im Kanal erzielt werden. Diese Wirkung ist von der Frequenz abhängig. Dies
bedeutet, dass ein Funktionselement im fluidischen Mikrosystem je
nach der Frequenz aktiviert oder unwirksam sein kann.
Ein entsprechendes Ergebnis zeigt
sich bei Strukturierungen der Passivierungsschicht durch Einbringung
von Bereichen mit veränderter
Dielektrizitätskonstante.
Bei einer Suspensionsleitfähigkeit von
0.3 S/m und einer Dicke der Passivierungsschicht von 1% des Elektrodenabstandes
ergibt sich gemäß 3D mit zunehmender Dielektrizitätskonstante
ein zunehmender Felddurchgriff auch bei geringeren Frequenzen.
Die Ergebnisse gemäß 3 zeigen einen besonderen
Vorteil der Erfindung dahingehend, dass die Modulation des Feldes
im Kanal durch die strukturierte Passivierung bei geringeren Leitfähigkeiten der
Suspension im Kanal besonders wirksam ist. Bei der Manipulation
künstlicher
Partikel, insbesondere aus Kunststoff, z. B. Latex-Beads, besteht
ein Interesse an einer Verwendung niedriger Leitfähigkeiten. Bei
einem Salz-Anteil von 1 mM ergibt sich bspw. eine Leitfähigkeit
von rd. 14 mS/m. Biologische Zel len werden häufig in Medien mit einer Leitfähigkeit um
1 S/m gehandhabt. Eine kurzzeitige (bis zu 10 min) dielektrische
Manipulation in niedriger Leitfähigkeit
bis zu 1 mS/m wird gut vertragen. Für die dielektrische Manipulation
werden typischerweise 0.05–0.3 S/m
eingesetzt.
Gemäß einem besonderen Vorteil
der Erfindung bilden die strukturierten Passivierungsschichten Frequenzfilter.
Bestimmte Feldanteile mit bestimmten Frequenzen werden aufgrund
eines hohen Felddurchgriffs an den strukturierten Bereichen (z.
B. 51) durchgelassen, während
andere Frequenzanteile gedämpft
werden (s. 3). Diese
Wirkung hängt von
der Dicke und/oder Zusammensetzung der strukturierten Bereiche der
Passivierungsschicht ab. Wenn die Elektrodeneinrichtungen mit hochfrequenten
Spannungssignalen mit einer z. B. rechteckigen Signalform angesteuert
werden, die entsprechend eine Überlagerung
einer Vielzahl von Frequenzen darstellt, kann durch die Passivierungsschicht
die Frequenzzusammensetzung im Kanal moduliert werden. Da die dielektrophoretische
Wirkung der elektrischen Felder insbesondere frequenzabhängig ist, kann
die Funktion der jeweiligen Elektrodeneinrichtung über die
Frequenz der Steuerspannung eingestellt werden.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform der
Erfindung kann die Strukturierung der Passivierungsschicht in sich
inhomogen ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Bereich 51 verminderter
Dicke in der Passivierungsschicht 50 gemäß 4A in sich einen Dickengradient
aufweisen. An einem Ende 51a mit einer größeren Dicke
ist der Felddurchgriff niedriger als am entgegengesetzten Ende 51b mit der
geringeren Dicke. Auf dieser Grundlage kann allein durch eine streifenförmige Passivierungsstruktur gemäß 4B ein Filter für verschiedene
Partikelarten oder -größen gebildet
werden. Ein in Pfeilrichtung in einem Teilkanal einströmendes Partikelgemisch trifft
auf die Feldbarriere, die an dem strukturierten Bereich 51 gebildet
ist. Die kleinen Teil chen, die durch ein starkes Feld relativ wenig
beeinflusst werden, können
die Feldbarriere am Bereich 51 ohne Ablenkung passieren,
während
die größeren Teilchen
zunächst
in einen Bereich mit vermindertem Felddurchgriff abgelenkt werden.
Entsprechend folgen nach Passage des Bereiches 51 die Teilchen verschiedener
Größe verschiedenen
Wegen im Kanal.
5 zeigt
mit weiteren Einzelheiten ein erfindungsgemäßes dielektrisches Filterelement,
bei dem die erste Elektrodeneinrichtung 40 an der oberen
Chipebene vorgesehen ist. Das Bodenelement 20 und das Deckelelement 30 werden
durch Glassubstrate gebildet, die mit Abstand voneinander übereinander
montiert sind und die obere und untere Begrenzung des Kanals 10 bilden.
Der Abstand h liegt bspw. im Bereich von 5 μm bis 100 μm. An der oberen Deckfläche 31 ist
ein Elektrodenstreifen 41 mit einer Passivierungsschicht 50 vorgesehen.
Der Elektrodenstreifen 41 ist über eine Anschlussleitung 43 mit
einer Spannungsversorgung (nicht dargestellt) verbunden. Die Passivierungsschicht 50 ist über dem Elektrodenstreifen 41 geöffnet.
Auf dem Bodenteil 20 ist
als zweite Elektrodeneinrichtung eine unstrukturierte Elektrodenschicht 61 und
auf dieser eine strukturierte Passivierungsschicht 70 angebracht.
Im Bereich 71 ist die Passivierungsschicht 70 in
ihrer Dicke vermindert und/oder Zusammensetzung variiert. Bei einer
Dicke der Passivierungsschicht im Bereich 71 von 10 % vom
Elektrodenabstand (z. B. 400 nm bis 600 nm) steigt im Kanal über dem
strukturierten Bereich 71 die relative Feldstärke bei
einer Frequenz von 1 MHz von 0.1 auf 0.7 (s. 3C). Dadurch kann zwischen den Elektroden
lokal ein ausreichend hoher Feldgradient in der Strömung, die
den Kanal 10 durchsetzt, erzeugt werden. Durch den Feldgradienten
wird eine Feldbarriere gebildet, die beispielsweise große Partikel
zurückhält und kleine
Partikel durchlässt.
Vorteilhafterweise kann dabei ausgenutzt werden, dass die wirkende
Rückhaltekraft
quadratisch mit der Feldstärke
skaliert.
Die Simulationsdarstellung in 6 zeigt die Verteilung der
Feldstärkequadrate,
d. h. der Potentiale für
dielektrische Kraftwirkung, bei einem Ausführungsbeispiel mit zwei streifenförmigen Elektrodenstrukturen 40, 60 (Abstand
h = 40 μm),
die jeweils eine Passivierungsschicht (nicht gezeigt) mit einer Dicke
von 5 μm
tragen. In jeder Passivierungsschicht sind zwei Streifen mit einer
Breite von 50 μm
gebildet, die jeweils eine Substanz mit einer erhöhten Dielektrizitätskonstante
(DK = 100, z. B. TiO, höhere
Werte der DK von bis 12000 sind bei Titanaten wie BaTiO, SrTiO,
CaTiO, PbTiO möglich)
enthalten, während die übrige Passivierungsschicht
jeweils Polyimid (DK = 3.5) oder SiNxOy umfasst. Der Kanal 10 ist
mit Wasser bei 10 mS/m gefüllt.
Die Elektroden werden mit Sinussignalen mit einer Frequenz von 10
MHz beaufschlagt. Zwischen den gegenüberliegenden Elektrodeneinrichtungen 40, 60 bilden
sich konzentrierte Feldlinienverläufe aus, die zwei Feldbarrieren
für die im
Kanal 10 strömenden
Partikel bilden.
Die 7A und 7B illustrieren jeweils vom Kanal 10 aus
betrachtete schematische Draufsichten auf die obere (A) und untere
(B) Kanalwand eines erfindungsgemäßen fluidischen Systems 100 mit
dem Kanal 10, der sich in zwei Teilkanäle 11, 12 aufspaltet.
Im Kanal 10 sind als dielektrische Funktionselemente 80 zwei
Deflektoren 81, 82, ein Haken 83 und ein
Schalter (Weiche) 84 angeordnet, wie es an sich aus der
fluidischen Mikrosystemtechnik bekannt ist. Des Weiteren können Messeinrichtungen,
z. B. Partikeldetektoren vorgesehen sein.
Die untere Chipebene (7B) ist analog zu 1D in an sich bekannter
Weise mit einzeln ansteuerbaren Teilelektroden aufgebaut. Die Teilelektroden
z. B. 41 mit verschiedenen geometrischen Gestaltungen besitzen
jeweils eine Anschlussleitung 43, die zu Anschlussstellen
(Bondpads) 44 führen.
Die für
die dielektrische Manipulation der Partikel nicht benötigten Elektro denbereiche
sind vollständig
passiviert. Über
den aktiven Elektrodenbereichen ist die Passivierung geöffnet (siehe
z. B bei 52) .
Die obere Chipebene (7A) ist einfacher aufgebaut. Es ist analog
zu 1D eine einzelne Elektrodenschicht
(nicht gezeigt) mit einer geschlossenen Elektrodenfläche vorgesehen,
auf der eine Passivierungsschicht (nicht gezeigt) mit strukturierten
Bereichen 71 gebildet ist. Für die Ausbildung eines elektrischen
Feldes zwischen den Elektrodenpaaren der oberen und unteren Chipebenen
werden lediglich die Elektrodenschicht der oberen Ebene und die
Teilelektroden der unteren Ebene mit einer Spannungsversorgung (Generator)
verbunden.
Die feldformenden Strukturen (Teilelektroden und
Strukturen in Passivierungsschicht) können in Kanalrichtung versetzt
angeordnet sein, um ein in Kanalrichtung vorantreibendes Feld zu
bilden.
Die Partikel werden in Pfeilrichtung
in den Kanal 10 eingeströmt und an den Teilelektroden
den elektrischen Feldbarrieren ausgesetzt. Je nach der gewünschten
Funktion können
einzelne Teilelektroden ein- oder ausgeschaltet werden. Für eine störungsfreie
Trennung der einzelnen Funktionselemente wird vorzugsweise ein lateraler
Elektrodenabstand (in Kanalrichtung) eingestellt, der größer als
die Kanalhöhe
ist.
8 zeigt
ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikrosystems 100,
bei dem beide Elektrodeneinrichtungen komplett mit ggf. strukturierten Passivierungsschichten
bedeckt sind und zusätzlich ein
vom Kanal 10 senkrecht oder schräg abzweigender Querkanal 13 mit
einer dritten Elektrodeneinrichtung 90 zur Erzeugung eines
Gleichspannungsfeldes vorgesehen ist. Im Querkanal 13 kann
zwischen den Elektroden 91, 92 durch Elektroosmose
oder Elektrophorese ein Flüssigkeits-
oder Partikeltransport unter Wirkung des Gleichspannungsfeldes erfolgen
(siehe Doppelpfeil), der durch die Passivierung der ersten und zweiten
Elektrodeneinrichtungen ungestört bleibt.
Beispielsweise ist vorgesehen, in Abhängigkeit vom Signal eines Partikeldetektors
einen Partikel in den Querkanal 13 abzulenken.
Die in der vorstehenden Beschreibung,
den Zeichnungen und den Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in
Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen
von Bedeutung sein.