DE19931952B4

DE19931952B4 - Verfahren zur Mikrodosierung von Flüssigkeiten auf aktornahe Substrate

Info

Publication number: DE19931952B4
Application number: DE1999131952
Authority: DE
Inventors: Claus Maier; Eberhard P Hofer
Original assignee: Hofer Eberhard P Profdr; Maier Claus Dipl-Phys
Current assignee: Hofer Eberhard P Profdr; Maier Claus Dipl-Phys
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2019-07-10
Also published as: DE19931952A1

Abstract

Verfahren zur hochgenauen Mikrodosierung von Flüssigkeiten auf aktornahe Substrate,
wobei zur Mikrodosierung ein Dosierungsaktor verwendet wird, der die Flüssigkeiten als Mikrotropfen in Form eines Haupttropfens mit einem nachgezogenen Flüssigkeitsstrahl ausstößt; dadurch gekennzeichnet, dass
der Dosierungsaktor in einem Abstand zum Substrat positioniert wird, der kleiner ist als das Produkt der Ausstoßgeschwindigkeit des Mikrotropfens und der Zerfallszeit des nachgezogenen Flüssigkeitsstrahls in Satellitentropfen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochgenauen Mikrodosierung von Flüssigkeiten auf aktornahe substrate gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Genauigkeit bei der Mikrodosierung wird vor allem durch der Zerfall des von Dosierungsaktoren ausgestoßenen Flüssigkeitsstrahls in Haupt- und Satellitentropfen verschlechtert. Hierzu wird auf die Veröffentlichung S. Wang, „Aerodynamic Effect on Inkjet Main Drop and Satellite Dot Placement", IS & T's NIP 14, International Conference on Digital Printing Technologies, 1998 verwiesen. Dabei tritt durch Luftströmungen im Zwischenspalt von Substrat und Dosieraktor und durch die Translationsbewegung des Druckkopfes ein Versatz der Satellitentropfen bezüglich des Substrats auf.

Der Strahlzerfall als kontinuierlicher Flüssigkeitsstrahl in Haupt- und Satellitentropfen und die Anwendung zur Realisierung eines kontinuierlich arbeitenden Tintensträhldruckers ist aus der DE 692 03 166 T2 bekannt geworden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit der Flüssigkeitsablage bei der Mikrodosierung auf ein Substrat zu verbessern, wobei ein Verfahren anzugeben ist, welches mit einer Vielzahl von Dosierungsaktoren und für eine große Bandbreite von Flüssigkeiten anwendbar ist.

Diese Aufgabe wird glöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Verwendung gemäß der Ansprüche 5 bis 7.

In der Erfindung wird, wie in den 1 bis 5 ersichtlich, die Dosierungseinrichtung so exakt mit einem Dosierungsaktor-Substratabstand von 200 μm parallel zur Substratebene bewegt, dass die typiche Zerfallszeit für den vom Haupttropfen nachgezogenen Flüssigkeitsstrahl größer ist, als die Zeit, die der gesamte Dosierungsvorgang einnimmt. Daraus resultiert, dass die gesamte zusammenhängende Flüssigkeitssäule in einem einzigen Tropfen auf dem Substrat auftrifft und dort ohne Rückpraller eine durch die Grenzflächenenergie zwischen Substrat und dosierter Flüssigkeit und der Schwerkraft festgelegte Gleichgewichtsform annimmt.

Werden nun weitere Tropfen auf eine so abgelegte Flüssigkeitsmenge dosiert und sind ihre kinetischen Energien und das Oberflächen-Volumenverhältnis (typische Tropfengrößen von einigen 10 μm) so gewählt, dass beim Auftreffen des neu dosierten Mikrotropfens keine Rückpraller auftreten (6 bis 10), so können Mischungen exakter Volumina mit genauer räumlicher Lokalisierung erzeugt werden. Ein durch die Tropfenoberfläche begrenzter Reaktionsraum macht ein zusätzliches Reaktionsgefäß mit Mikrometerabmessungen unnötig.

Eine räumlich strukturierte Anpassung der Oberflächenenergien des Substrats erlaubt es, die Flüssigkeiten auf genau definierten Stellen zu halten. Eine solche Oberflächenmodifikation kann erreicht werden, indem durch photolithographische Maskentechnik nur bestimmte Bereiche des Substrats oberflächenmodifiziert werden (z. B. durch Plasmapolymere oder die Oberflächenabsättigung mit Fluor oder Sauerstoffverbindungen). Die räumliche Auflösung wird durch die verwendete Maskentechnik bestimmt. Durch eine Anwendung in mehreren Schritten sind auf dem Substrat räumliche Gradienten in der Oberflächenenergie möglich. Dies transportiert mikrodosierte Flüssigkeitsvolumina an den Ort mit der geringsten Oberflächenenergie. Somit kann dieses Prinzip zur Aktorik von Mikrofluiden eingesetzt werden. Außerdem können über die Laufzeiten Flüssigkeiten unterschieden oder Flüssigkeitsmischungen getrennt werden. Dies kann außerdem mit weiteren aktorischen Prinzipien, zum Beispiel basierend auf der Kapillarität in Mikrokanälen, verbunden werden.
Oberflächenenergien setzen sich aus einem polaren und dispersen Anteil zusammen. Die wirksame Wechselwirkungsenergie zweier Materialien setzt sich wiederum additiv aus einem polaren und dispersen Anteil zusammen. Hat man nun eine mikrodosierte Flüssigkeitsmischung auf dem Substrat mit Komponenten, die sich in der Gewichtung des jeweiligen polaren und dispersen Anteils unterscheiden, so kann, durch die Anlage sich verzweigender Bahnen mit unterschiedlicher Oberflächenmodifikation, die Mischung im Mikrometerbereich in einzelne Komponenten aufgeteilt werden.
Außerdem können in das Substrat Sensoren- eingesetzt werden, welche die Lage oder das Auftreffen von Mikrotropfen detektieren. Eine Realisierungsmöglichkeit ist ein Feld von in Dünnschichttechnik gefertigten Mikroelektroden, die für Impedanz- oder Kapazitätsmessungen geeignet sind, um darüber befindliche Flüssigkeiten zu detektieren.

Claims

Verfahren zur hochgenauen Mikrodosierung von Flüssigkeiten auf aktornahe Substrate, wobei zur Mikrodosierung ein Dosierungsaktor verwendet wird, der die Flüssigkeiten als Mikrotropfen in Form eines Haupttropfens mit einem nachgezogenen Flüssigkeitsstrahl ausstößt; dadurch gekennzeichnet, dass der Dosierungsaktor in einem Abstand zum Substrat positioniert wird, der kleiner ist als das Produkt der Ausstoßgeschwindigkeit des Mikrotropfens und der Zerfallszeit des nachgezogenen Flüssigkeitsstrahls in Satellitentropfen.
Verfahren zur hochgenauen Mikrodosierung von Flüssigkeiten auf aktornahe Substrate nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit parallel durch ein Feld von Dosierungsaktoren oder sequentiell durch separate Aktoren ausgestoßen wird.
Verfahren zur hochgenauen Mikrodosierung von Flüssigkeiten auf aktornahe Substrate nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgestoßenen Mikrotropfen Volumina aufweisen, die klein genug sind, dass bei deren Aufprall auf feste oder flüssige Grenzflächen keine Tropfenteile zurückprallen.
Verfahren zur hochgenauen Mikrodosierung von Flüssigkeiten auf aktornahe Substrate nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Flüssigkeiten durch die aufeinander folgende Dosierung auf eine Position auf der Substratoberfläche gemischt werden.
Verwendung des Verfahrens zur hochgenauen Mikrodosierung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Ablage eines Mikrotropfens auf einem Substrat mit einer räumlichen Variation der Benetzungseigenschaften der Substratoberfläche.
Verwendung des Verfahrens zur hochgenauen Mikrodosierung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrotropfen auf einem Substrat abgelegt werden, in dessen Substratoberfläche Mikrokanäle eingearbeitet sind.
Verwendung des Verfahrens zur hochgenauen Mikrodosierung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in das Substrat, auf das die Mikrotropfen abgelegt werden, Sensoren eingearbeitet sind, die die Lage und das Auftreffen von Mikrotropfen detektieren.