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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Bewegung sehr kleiner Volumina
von Fluids. In den letzten Jahren gab es ein steigendes Interesse
an der Steuerung der Bewegung von kleinen Volumina von Fluid. Dies
deshalb, weil die Bewegung solcher kleiner Volumina auf dem Gebiet
der Biotechnologie wichtig ist, da einzelne Zellen und das sie umgebende
Fluid manipuliert werden müssen.
Ferner werden derzeit Mikromaschinen zur Verwendung in einer großen Anzahl
von Anwendungsgebieten entwickelt, wie analytische Untersuchungen,
Medikamentenabgabesysteme und chirurgische Instrumente. Um diese
Aufgaben durchzuführen,
ist es notwendig, Fluids zu pumpen, um einen Antriebsmechanismus
bereitzustellen oder um in den Fluids gehaltene Materialien zu bewegen.
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Eine
Anzahl von Verfahren zum Bewegen kleiner Volumina von Fluid wurden
in der Vergangenheit vorgeschlagen. Diese umfassen die Verwendung von
thermischen Gradienten oder elektrischen oder magnetischen Feldern,
sowie die Anwendung von piezoelektrischen Aktuatoren.
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Solche
Systeme sind jedoch häufig
kompliziert herzustellen und können
im Hinblick auf das Niveau der Steuerung, das sie bereitstellen,
unzuverlässig
sein. Weiterhin sind die meisten, wenn nicht alle, in der Lage,
Fluids nur in einer einzigen Richtung zu leiten, was bedeutet, dass,
wenn sie zur Bewegung von Fluid in verschiedenen Richtungen verwendet
werden sollen, es häufig
nötig ist,
die Komponenten zu verdoppeln, was die Komplexität insgesamt und die Kosten
erhöht
und die Zuverlässigkeit
der Vorrichtungen außerdem
verringert.
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Die
vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein Gerät zum Bewegen kleiner Volumina
von Fluid bereitzustellen, welches einige der obigen Probleme überwindet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bewegen kleiner Volumina eines Fluids
bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst:
ein Substrat;
ein
erstes Feld aus elektrisch leitfähigen
Elektroden, gebildet auf dem Substrat; und ein zweites Feld aus elektrisch
leitfähigen
Elektroden, ausgebildet auf dem Substrat, wobei das erste und das
zweite Feld verschachtelt sind und so angeordnet sind, dass jede der
Elektroden in dem zweiten Feld eine Breite in einer Fluidantriebsrichtung
besitzt, die größer als
diejenige jeder der Elektroden in dem ersten Feld ist, und so, dass
die erste und die zweite Feldelektrode so positioniert sind, dass
sich jede der Elektroden des ersten Felds nicht an einer Position äquidistant
von benachbarten Elektroden des zweiten Felds befindet, wobei beide
der Felder aus Elektroden solche Breiten in der Fluidströmungsrichtung
und eine Dicke so ausgewählt
haben, dass, unter Benutzung, durch Variieren des Peak-Werts einer
Wechselsteuerspannung, die daran angelegt ist, die Richtung einer
Strömung eines
Fluids, benachbart zu den Feldern aus Elektroden, gesteuert werden
kann.
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Die
vorliegende Erfindung bietet außerdem eine
Einrichtung zum Bereitstellen einer variablen Wechselspannung zu
dem ersten und dem zweiten Feld aus Elektroden.
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Ein
Isolator kann über
zumindest einen Bereich eines oder beider der Elektrodenfelder vorgesehen
sein.
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Die
Fluidbewegungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann so angeordnet
sein, dass sie Fluid, das darüber
verläuft,
in zwei entgegengesetzten Richtungen antreibt, um einen Mischeffekt
zu erhalten.
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Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann einen dritten Satz von
Elektroden aufweisen, der eine Breite im Wesentlichen identisch
zu derjenigen des ersten Satzes aufweist, mit dem zweiten Satz der
Elektroden verschachtelt ist und von dem ersten Satz durch einen
Isolator getrennt ist.
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Die
vorliegende Erfindung bietet außerdem eine
Vorrichtung zum Bewegen von Fluid durch eine Pfropfenströmung, umfassend
zwei Vorrichtungen des oben definierten Typs, die einander zugewandt sind
und einen Hohlraum zwischen sich definieren.
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Die
vorliegende Erfindung kann außerdem eine
Vorrichtung zum Ziehen von Fluiden aus zwei Quellen, Mischen und
Pumpen, bereitstellen, wobei die Vorrichtung umfasst: eine erste
Vorrichtung des oben beschriebenen Typs; eine zweite Vorrichtung des
oben definierten Typs, aber mit Elektroden, die so angeordnet sind,
dass sie ein Spiegelbild derjenigen der ersten Vorrichtung sind;
und eine dritte Vorrichtung des oben definierten Typs, die an einem Treffpunkt
der ersten und der zweiten Vorrichtung positioniert ist.
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Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann so ausgelegt sein, dass
sie Elemente, wie z. B. Halbleiterbauteile, innerhalb eines Fluids,
das darüber
führt,
bewegt.
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Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um
eine Mikromaschine anzutreiben.
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Die
Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann so angeordnet sein,
dass sie in einem biochemischen Analyseverfahren oder einem Medikamentenherstellungsverfahren,
oder zur Identifikation von Pathogenen, Bakterien oder Viren verwendet
werden kann.
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Ein
entsprechendes Verfahren wird ebenfalls zur Verfügung gestellt.
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Beispiele
der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1A und 1B eine
Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
schematische Darstellung des Fluidströmungsprofils der Vorrichtung
der 1A und 1B im
Gebrauch ist;
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3 eine Kurve ist, welche die theoretische und
tatsächliche
Fluidgeschwindigkeit gegenüber
der Höhe über der
Vorrichtung der 1A und 1B zeigt;
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4 eine Kurve ist, welche die Geschwindigkeitsveränderung
gegenüber
der Antriebsfrequenz für
die Vorrichtung der 1A und 18 zeigt;
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5 eine
Seitenansicht eines zweiten Beispiels der vorliegenden Erfindung
ist;
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6 eine
Draufsicht und seitliche perspektivische Ansicht eines weiteren
Beispiels der Erfindung zeigt;
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7 eine
Draufsicht auf noch ein weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung
ist;
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8A und 8B eine
Draufsicht bzw. Seitenansicht noch eines weiteren Beispiels der
Erfindung sind;
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9 eine
Seitenansicht eines Beispiels der vorliegenden Erfindung ist, welche
relative elektrische Potenziale innerhalb des Beispiels zeigt;
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10 eine
Seitenansicht eines Beispiels der vorliegenden Erfindung ist, die
verwendet wird, um ein Bauteil in einem Fluid zu bewegen;
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11 und 12 schematische
Plandarstellungen einer Diffusionsreaktionskammer sind, welche die
Konzepte der vorliegenden Erfindung anwendet;
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13 und 14 eine
Seitenansicht und eine perspektivische Ansicht eines Beispiels der
vorliegenden Erfindung sind; und
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15 eine
Draufsicht auf eine Mischkammer ist, welche die Konzepte der vorliegenden
Erfindung anwendet.
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Bezug
nehmend auf 1A umfasst ein Flächenfeld 1 aus
leitfähigen
Elektroden 4, 6 einen ersten Satz von größeren Elektroden 6,
die angrenzend an ein Feld von kleineren Elektroden 4 angeordnet sind,
so dass eine Kante jeder der größeren Elektroden 6 einer
Kante jeder der kleineren Elektroden 4 gegenüberliegt.
Die Elektroden 4, 6 sind auf einem Substrat ausgebildet,
das aus einem nicht-leitfähigen Material,
wie Glas, Quarz oder Silizium, geformt ist. Die Elektroden 4, 6 sind
so ausgebildet, dass sie eine Dicke von ungefähr 100 nm in diesem Beispiel
aufweisen und voneinander mit einer Entfernung von ungefähr 2 μm für den kleineren
Abstand beabstandet sind. Die Elektroden 4, 6 sind
normalerweise aus Metal geformt und können durch Techniken wie Lithographie,
Mikrobearbeitung, Drucken, Gummistempeln oder Laserbearbeitung gebildet
werden. Eine Klebeschicht 9 kann vorgesehen sein, um eine
gute Verbindung der Elektroden 4, 6 mit dem Substrat 3 sicherzustellen.
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Im
Gebrauch wird ein elektrisches Potenzial mit niedriger Spannung
(normalerweise unter 5 Volt) an den Elektroden angelegt. Die Spannung
wird mit einer Frequenz gewechselt und so, dass das Potenzial niedrig
genug ist, damit Ionen in einem Fluid 7 über der
Oberfläche
der Elektroden 4, 6 lokal ausgeglichen werden
können.
Die bedeutet normalerweise ein Wechseln der Spannung im kHz-Bereich
bei einer einwertigen Salzlösung.
Bei Anlegen des Spannungspotenzials laden sich die Elektroden 4, 6 in
einer nicht einheitlichen Weise, um einen Potenzialgradienten parallel
zur Oberfläche
der Elektroden zu erzeugen. Dieser Gradient treibt die Ionen in
dem Fluid 7 über
die Oberfläche
der Elektroden 4, 6 und die Ionen reagieren durch
die Reibung mit dem Fluid, um Fluidmoleküle zu ziehen, was ein Nettofluidströmung erzeugt.
Die Nettofluidströmung
wird durch die anisotrope Natur der verbundenen Paare von Elektroden 4, 6 verursacht. 2 zeigt
ein Beispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine Fluidströmung 11 in dem
Fluid erzeugt wird. Die 3 zeigt, wie
eine Beispielkonfiguration des Beispiels der 1A und 1B eine Veränderung der erzeugten Fluidströmungsgeschwindigkeit
mit der Höhe 10 (2) über den
Elektroden 4, 6 aufweist. Wie aus dieser Kurve
ersichtlich ist, verändert
sich die Strömungsrate
nicht linear mit der Höhe
aufgrund der Druckverteilung, die innerhalb der Vorrichtung durch
die Fluidströmung
durch diese hindurch erzeugt wird. Die gerade Linie zeigt, wie die Strömung sich
verändern
würde,
wenn kein Gegendruck vorhanden wäre.
Unter der Annahme einer flächigen
Fluidströmung
sollte die Form der Kurve jedoch bei erhöhten relativen Geschwindigkeiten
der Fluidströmung
die gleiche bleiben.
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4 zeigt, wie eine Veränderung der Frequenz der an
den Elektroden 4, 6 angelegten Spannung die Geschwindigkeit
des Fluids 7 verändern kann,
für eine
Reihe von verschiedenen Werten der angelegten Spannung von 0,2 Vrms
bis 1,2 Vrms. Der Höchstwert
vergrößert sich
und bewegt sich zu niedrigen Werten für die Frequenz, wenn die Amplitude
des angelegten Signals erhöht
wird. Dies deshalb, weil das Potenzial über benachbarten Elektroden 4, 6 bei
niedrigeren Frequenzen größer ist
und bei höherem
Potenzial und niedrigen Frequenzen stärker komprimiert ist.
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5 zeigt
ein Beispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem ein weiterer Satz
von Elektroden 4, 6 auf einem zweiten Substrat 3 über dem
ersten Satz von Elektroden 4, 6 angeordnet ist.
Die zwei Sätze von
Elektroden 4, 6 sind durch einen Abstand 15 getrennt,
der ausreichend klein ist, um ein Pfropfenströmungsprofil für eine Flüssigkeit 12 zu
erzeugen. Der Abstand 15 kann sehr klein sein (in dem Bereich
von 100 μm
oder weniger), bis hinab zum Intervall der Elektrodenpaare, und
wegen der Antriebsart der Kräfte,
die von den Elektroden 4, 6 erzeugt werden, ist
die Viskosität
des Fluids 12 unbeachtlich. Dies deshalb, da die Kraft
von den Seiten des gebildeten Durchgangs erzeugt wird, wodurch die
Flüssigkeit 12 von
den Kanten der Vorrichtung nach vorwärts gezogen wird, anstatt von
der Mitte, wie es der Fall bei einem herkömmlichen Pumpverfahren wäre. Bezugszeichen 14 zeigt
das Geschwindigkeitsprofil der Flüssigkeit 12. Es sei
angemerkt, dass die Konfiguration der 5 weitere
Vorteile im Hinblick auf die Anwendung in bestimmten Bereichen aufweist,
wie die Verwendung in Verbindung mit DNA-Strängen. Bei richtiger Ausrichtung
der oberen und unteren Sätze
der Elektroden 4, 6 ist es z. B. möglich, starke
elektrische Felder zu erzeugen, welche DNA-Stränge in dem Fluid dehnen, um
die DNA-Stränge
in einer gewünschten
Weise zu manipulieren.
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Was
herausgefunden wurde ist, dass durch passende Auswahl der relativen
Abmessungen der Elektroden 4, 6 und der Abstände zwischen
diesen zusammen mit einer klugen Auswahl der Größe des angelegten Spannungspotenzials
und dessen Frequenz, die Strömungsrichtung
des Fluids 7 sich abhängig
von der Frequenz und der Amplitude dieses angelegten Spannungspotenzials ändern kann.
Ein Teil der Diskussion der damit verbundenen Theorie wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf 9 dargelegt.
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Es
wird jedoch angenommen, dass die Erzeugung einer reversiblen Strömung erklärt werden kann,
wenn man berücksichtigt,
dass der elektrische Schaltkreis entsprechend der Elektrodenauflösung ein
Kondensator entsprechend der großen Elektrode, ein Widerstand
und ein zweite Kondensator (entsprechend dem der angrenzenden kleineren
Elektrode) in Reihe ist. Bei einer Doppelschicht über jeder
Elektrode ist, wenn ein Wechselstrom-Potenzial daran angelegt wird,
eine Potenzialspannung in der Doppelschicht über der kleinen Elektrode vorhanden,
die immer größer ist
als die über
der großen
Elektrode, und zwar um einen Betrag gleich dem Verhältnis der
Breiten der zwei Elektroden. Der Grund hierfür ist, dass der Bereich der
kleinen Elektrode k-Mal kleiner ist (unter der Annahme gleicher
Länge der
Elektroden), wodurch eine Kapazität des Kondensators bereitgestellt
wird, die k-Mal kleiner ist. Wenn die Amplitude des Wechselstrom-Potenzials
erhöht
wird, wird auch die Spannung in den Doppelschichten über jeder Elektrode
erhöht.
Schließlich
wird eine Amplitude erreicht, bei der das Potenzial in der Doppelschicht
auf der kleinen Elektrode gleich dem Ionisierungspotenzial des Fluids über der
Elektrode ist. An diesem Punkt beginnt die Kapazität der Doppelschicht
abzureißen
und Ladung fließt
durch sie. Mit anderen Worten, eine Ladung wird in das Fluid über der
kleinen Elektrode eingebracht. Diese Ladung ist entgegengesetzt
zur Ladung auf den Ionen in der Doppelschicht, und somit wird diese
Ladung diese Ionen neutralisieren. Wenn das Fluid z. B. Wasser ist,
wird dadurch Sauerstoff und Wasserstoff erzeugt, aber in ausreichend
geringen Konzentrationen, so dass sie sich einfach auflösen und
weg diffundieren. An der größeren Elektrode
ist der Potenzialabfall in der Doppelschicht nicht groß genug,
um das Wasser zu ionisieren und somit werden die Ionen in der Doppelschicht
gespeichert. Wenn das angelegte Potenzial auf der anderen Hälfte des
angelegten Wechselstromsignals umgedreht wird, bewegen sich die
Ladungen über
der großen
Elektrode entlang der Feldlinien in Richtung zur kleinen Elektrode.
Die Ladungen über
der kleinen Elektrode bewegen sich in Richtung zur großen Elektrode.
Jedoch befinden sich wegen des Neutralisierungsvorgangs viel weniger
Ionen auf der kleinen Elektrode, und somit verläuft der Großteil der Strömung der
Ionen von der großen Elektrode
zur kleinen Elektrode. Die Strömung
der Ionen zieht das Fluid mit sich und verursacht eine Bewegung,
welche das beobachtete Pumpen ist.
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Dementsprechend
ist es bei der Beispielsvorrichtung der 1 und 5 möglich, eine
Steuervorrichtung (nicht gezeigt) aufzuweisen, die damit verbunden
ist, welche die an den Elektroden angelegten Spannungen auswählt, wobei
die Amplitude und die Frequenz derselben abhängig von der gewünschten
Strömungsgröße und Strömungsrichtung verändert wird.
Zum Beispiel erzeugt bei der Konfiguration der 1A und 18 eine Spannung größer als 2,2 Vrms eine umgekehrte
Strömung.
Dies hat den Vorteil, dass Strömungsraten
und -richtung elektronisch gesteuert werden können, ohne die Notwendigkeit
einer Änderung
des Aufbaus der Vorrichtung und mit einer Vorrichtung mit einer
minimalen Anzahl von Bauteilen.
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Um
die Flexibilität
der Vorrichtung zu erhöhen
(im Hinblick auf deren Fähigkeit,
verschiedene Fluids mit verschiedenen Eigenschaften zu steuern und
die Steuerung der Fluidströung
zu erhöhen), können verschiedene
Anpassungen an den oben beschriebenen Beispielen durchgeführt werden.
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6 zeigt
eine Draufsicht und eine perspektivische Seitenansicht eines weiteren
Beispiels der vorliegenden Erfindung, die angeordnet ist, um die
Prinzipien der vorherigen Beispiele zu nutzen, um eine bidirektionale
Fluidantriebsvorrichtung bereitzustellen. In diesem Beispiel sind
kleine Elektroden 17 mit einer elektrisch leitfähigen Platte 16 verbunden, die
mit einer Isolierschicht 18 bedeckt ist. Ein zweite Satz
kleiner Elektroden 19 ist mit einer zweiten leitfähigen Platte 20 verbunden,
wobei der zweite Satz kleiner Elektroden 19 über der
Isolierschicht 18 verläuft.
Ein Satz größerer Elektroden 6 ist
ebenfalls in einer verschachtelten Weise zwischen Paaren von schmalen
Elektroden 17, 19 vorgesehen. Bei diesem Aufbau
kann Fluid in einer von zwei Richtungen bewegt werden, abhängig davon,
welcher Satz kleiner Elektroden 17, 19 aktiviert
ist und mit Wechselspannung, die daran angelegt ist, angetrieben
wird. Wenn ein erster Satz von schmalen Elektroden 17 aktiviert ist,
dann ist die Fluidbewegung in der Richtung von Buchstabe A zu Buchstabe
B, wenn die in Verbindung mit den größeren Elektroden 6 aktiviert
sind. Wenn, in ähnlicher
Weise, die zweiten Elektroden 19 in Kombination mit den
größeren Elektroden 6 aktiviert
sind und der erste Satz von kleinen Elektroden 17 abgeschaltet
ist, ist die Fluidrichtung umgekehrt.
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7 ist
eine Draufsicht auf ein weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung,
die verwendet wird, um Fluid aus zwei Quellen zu ziehen, diese zu mischen
und sie weiter in eine gemeinsame Richtung zu bewegen. Dies wird
durch Vorsehen von zwei Feldern 21, 22, 23 von
verschachtelten kleinen und größeren Elektroden
durchgeführt,
die so ausgelegt sind, dass Fluid von Punkten A und B angezogen werden
kann, an den Treffpunkten der Felder 21, 23 gemischt
wird und dann in der Richtung des Punkts C über das dritte Feld 22 abgezogen
wird. Durch Erhöhen
der Antriebsspannungen in einem beliebigen der drei Felder 21, 22, 23 ist
es möglich,
die Strömungsrichtung
zu ändern,
so dass Fluid vielleicht von den Punkten A und C gezogen und zum
Punkt B bewegt wird.
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8A und 8B zeigen
eine Draufsicht und eine seitliche Querschnittsansicht noch eines
weiteren Beispiels der vorliegenden Erfindung. Wiederum sind verschachtelte
kleine und größere Elektroden 4, 6 auf
einem Substrat 3 ausgebildet. Jedoch sind in diesem Beispiel
Streifen von Isoliermaterial 24 über ausgewählten Bereichen der Elektroden 4, 6 angeordnet.
Der Isolator kann eine Dicke von 10 bis 300 nm aufweisen. Dies ergibt
eine Konfiguration, bei welcher die nicht freigelegten Bereiche
der Elektroden das Fluid in eine Richtung entgegengesetzt zu der
des Fluids über
den Isolierbereichen 24 bewegen, wenn eine passende Antriebsspannung
an den Elektroden 4, 6 bereitgestellt wird. Der
Grund hierfür ist,
dass die Bereiche der Elektroden 4, 6, die von den
Isolierbereichen 24 bedeckt sind, eine höhere Spannung
benötigen,
um den Antrieb des Fluids in der Richtung entsprechend derjenigen,
die von den freigelegten Bereichen erzeugt wird, zu schalten. Dadurch
wird eine Konfiguration bereitgestellt, bei der die unterschiedlichen
Strömungsrichtungen
in der Vorrichtung einen Mischbereich erzeugen. Dementsprechend
könnte
dieses Beispiel am zentralen Bereich des Beispiels der 7 angewandt
werden, um einen erhöhten
Mischungsgrad des Fluids zu ermöglichen.
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In
einer Beispielsvorrichtung mit Elektrodenabmessungen von dem Typ,
der unter Bezugnahme auf die Beispiele der 1A und 1B diskutiert wurde, und mit einer Isolatordicke
in dem oben diskutierten Bereich, ist die Fluidströmung über der
isolierten Elektrode in einer Richtung entgegengesetzt zu der der
nicht isolierten Elektrode, bei Spannungen, die allgemein unter
1 Volt Vrms liegen. Die Bewegungsrichtung des Fluids über den
isolierten Elektroden ändert
sich im Allgemeinen bei Werten größer als 1,2 Vrms, wobei sich
die über
den isolierten Elektroden bei 1,4 Vrms verändert.
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Mit
einem Isolator bedeckte Elektroden bieten viele Vorteile. In der
aktuellen Konstruktion, bei der Elektroden direkt dem Wasser ausgesetzt
sind, ist die maximale Fluidgeschwindigkeit, die erreicht werden
kann, durch die maximale Spannung, die in der Doppelschicht angelegt
werden kann, bevor eine Ionisierung der Lösung auftritt, beschränkt. Diese maximale
Fluidgeschwindigkeit kann erhöht
werden, indem eine Isolierschicht über der Oberfläche der Elektroden
angeordnet wird. Das Folgende ist ein einfaches Modell, welches
den Grund hierfür
erläutert.
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Die
Geschwindigkeit des Fluids über
der Oberfläche
einer Elektrode ist proportional sowohl zur mobilen Ladung in der
Doppelschicht als auch zum Potenzialgradienten oder -feld parallel
zur Elektrodenoberfläche über der
Doppelschicht.
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Diese
zwei Faktoren werden bei einer Spannung unmittelbar vor Beginn der
Ionisierung der Lösung
durch eine Isolierschicht auf der Oberfläche der Elektroden beeinflusst.
Wenn eine Isolierschicht über der
Oberfläche
der Elektroden aufgebracht wird, dann kann eine höhere Spannung
an der Vorrichtung angelegt werden, bevor eine Ionisierung der Lösung auftritt.
Jedoch ist die mobile Ladung in der Doppelschicht, welche den Pumpenmechanismus
erzeugt, immer noch proportional zu der Spannung in der Doppelschicht.
Somit ist die mobile Ladung innerhalb der Doppelschicht unmittelbar
vor der Ionisierung der Lösung
die gleiche, die sie ohne Isolierschicht war.
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Jedoch
ist das Feld über
der Doppelschicht parallel zur Elektrodenoberfläche nicht das gleiche, das
es ohne die Isolierschicht war. Dieses Feld ist proportional zum
Potenzialabfall von der Elektrode zu dem Punkt über der Doppelschicht. In dem
Fall ohne Isolierschicht ist dies einfach durch die Ladung in der
Doppelschicht geteilt durch die Kapazität der Doppelschicht gegeben.
Wenn eine Isolierschicht vorhanden ist, tritt dieser Potenzialabfalls
nun sowohl in der Kapazität
der Doppelschicht als auch der Kapazität der Isolierschicht auf. Da
diese Kapazitäten
in Reihe geschaltet sind, ist ihre kombinierte Kapazität kleiner
als die Kapazität
der Doppelschicht. Der Potenzialabfall ist durch die Ladung in der
Doppelschicht geteilt durch diese Kapazität gegeben und ist somit bei
einer vorgegebenen Ladung in der Doppelschicht größer. Somit
ist, bei der angelegten Spannung unmittelbar vor der Ionisierung
der Lösung,
das Feld über
der Doppelschicht parallel zu den Elektroden größer als in dem Fall, wenn keine
Isolierschicht vorhanden ist. Das größere Feld führt zu einer höheren Fluidgeschwindigkeit
oder einer umgekehrten Strömungsrichtung,
abhängig
von den Voraussetzungen, wie Fluidtyp, angelegte Spannung oder Elektrodenabmessung.
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Aus
dem obigen Modell wird klar, dass gilt: je niedriger die Kapazität der Doppelschicht,
desto größer die
Fluidgeschwindigkeit, die erreicht werden kann. Jedoch führt das
obige Model verschiedene Annäherungen
und Vereinfachungen durch, die eine Obergrenze für die optimale Dicke festlegen.
Die endliche Größe der Elektroden
verringert die maximal mögliche
Geschwindigkeit, wenn die Dicke der Isolierschicht ein wichtiger
Anteil der Elektrodengröße wird.
Die erforderliche Antriebsspannung steigt ebenfalls, wenn die Dicke
der Isolierschicht erhöht wird.
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Theoretisch
wurde gezeigt, dass kleinere Elektrodengrößen höhere Geschwindigkeiten ergeben
sollten.
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9 ist
eine schematische Seitenansicht einer Konfiguration mit einer einzelnen
angrenzenden schmalen und breiteren Elektrode auf einem Substrat 3,
wobei die Längenskala
gezeigt ist. Diese zeigt eine Doppelschicht auf jeder der Elektroden 4, 6 und
die Breite der Elektroden S und L für die schmalen bzw. die breiteren
Elektroden 4, 6. Das Verhältnis zwischen den Elektrodenbreiten
ist durch K=L/S.Xmin und Xmax gegeben
und ist so, dass die breitere Elektrode 6 von einem Ausgangspunkt
O zwischen Xmin✓k und Xmax✓k liegt
und die engere Elektrode 4 von einem Ausgangspunkt O zwischen Xmin/✓k
und Xmax/✓k liegt.
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Die
Frequenz, welche die maximale Durchschnittsgeschwindigkeit ergibt,
ist durch ω0/✓(XminXmax) gegeben.
Somit ist die maximale Geschwindigkeit hauptsächlich eine Funktion der Elektrodengröße und der
zugeführten
Spannung.
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Wir
haben gezeigt, dass eine kleinere Elektrodengröße die Geschwindigkeit um einen
Faktor von ca. 2 erhöht,
indem die Elektrodengröße um den gleichen
Faktor verringert wird. Dies ebnet den Weg für sehr schmale Kanäle, die
mit sehr hohen Geschwindigkeiten pumpen können.
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Die 10 ist
eine schematische Darstellung eines Gegenstands 26, der
in der Strömungsrichtung
des Fluids über
Elektroden 4, 6 aus irgendeinem der obigen Beispiele
gepumpt wird. Bezugszeichen 27 zeigt das Strömungsprofil
des Fluids, wobei die Geschwindigkeit mit der Höhe über den Elektroden 4, 6 abnimmt.
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Der
Gegenstand wird von unten durch die Begrenzungsschicht, die um den
Gegenstand gebildet wird, angetrieben. Da in dieser Erfindung das Strömungsprofil 27 so
ist, dass die Geschwindigkeit mit der Höhe über den Elektroden abnimmt,
bedeutet dies, dass der Druck von dort, wo der Gegenstand schwimmt,
zur Elektrodenoberfläche
abnimmt. Dies hilft dabei, den Gegenstand auf seinem Weg festzuhalten,
da die Druckunterschiede auf den Seiten verursachen könnten, dass
er sich dreht oder seitwärts bewegt.
Man sieht, dass sich der Gegenstand in einer geraden Linie bewegt.
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Wenn
der Gegenstand zur Mitte der in 7 gezeigten
Anordnung getrieben wird, sollte es möglich sein, ihn zu drehen,
wobei die Elektroden 21 und 23 angeschaltet sind
und das Fluid in Elektroden 22 auf einigem Druck gehalten
wird. Die Drehung kann auch mit der in 8(a) gezeigten
Anordnung erreicht werden, bei der der Gegenstand so angeordnet werden
kann, dass er eine Fluidströmung
in zwei entgegengesetzten Richtungen erfährt. Wenn die endgültige Orientierung
der Antriebsvorrichtungen oder der Gegenstände extrem wichtig ist, ist
deren Fähigkeit
zu drehen sehr nützlich,
um die erforderlichen Ergebnisse zu erzielen.
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Da
die Elektroden das Fluid in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung bewegen können, wurde
bemerkt, dass die Gegenstände
sich mit Geschwindigkeiten weit über
100 μm/s
in beiden Richtungen bewegen.
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Ein
weiteres Beispiel der Erfindung, das verwendet werden könnte, um
zwei unterschiedliche chemische oder biologische Substanzen, die
in einem Fluid gelöst
sind, reagieren zu lassen, ist in 11 und 12 gezeigt.
Dies ist ein Aufbau mit acht Anschlüssen, der auf Siliziumdioxid
hergestellt ist, der die oberste Schicht eines CMOS-Chips sein könnte. Die
zentrale Reaktionskammer 30 kann verschiedene Formen annehmen,
wie z. B. zwei Sätze Elektroden,
die angeordnet sind, um Fluid mit verschiedenen Geschwindigkeiten,
aber seitlich beabstandet um ein paar Mikron, mit der Strömung in
entgegengesetzten Richtungen auf jeder Seite des Spalts, zu pumpen.
Ein Reaktant mit kleinen Markermolekülen, die sich z. B. mit dem
zu identifizierenden Protein verbinden, wird in der Lösung von
Anschluss B zu Anschluss C mit einer ziemlich hohen Geschwindigkeit
gepumpt, während
Proteine von Anschluss F zu Anschluss E langsamer gepumpt werden.
Nach einiger Zeit (Beendigung der Reaktion) werden die Reaktanten
von A nach C gepumpt, wobei die Strömung in den Armen B, C, E,
F abgeschaltet ist. Dieser Vorgang wird dann wiederholt, um kurze
Bereiche von Reaktanten im Arm D, getrennt durch Bereiche ohne Reaktanten,
zu erzeugen. Die Reaktantenmischung wird dann zu einer zweiten Kammer
bewegt, wo sauberes Fluid hinter die Mischelektroden G und H gepumpt
wird. Die kleineren fluoreszierenden Moleküle, die sich nicht mit den
größeren Proteinen
verbunden haben, diffundieren in diesen Strömungsbereich und werden weggenommen. Die
Geometrie dieser Reaktionskammern ist derart, dass die kleineren
fluoreszierenden Moleküle
Zeit haben, um über
die Reaktionskammer 30 zu diffundieren, aber nur ein kleiner
Prozentsatz der größeren Moleküle diffundiert
von einer Seite zur anderen. Diese Technik beruht darauf, dass die
großen
Zielmoleküle
langsamer diffundieren als die kleineren fluoreszierenden Marker.
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Nach
einiger Zeit kann man beobachten, dass die entstehenden Reaktanten
sehen, dass die Proteine Marker aufwiesen, die in den Bereichen
befestigt waren, in denen die Strömungen zusammengebracht wurden.
Der zentrale Bereich 30 weist zwei Sätze von Elektroden auf, die
Fluids durch die Steuerung ihrer Antriebsspannungen, in der oben
erwähnten
Weise, mit verschiedenen Geschwindigkeiten in der gleichen oder
entgegengesetzten Richtung pumpen können. Die kleineren Moleküle können dann
von einem Strömungsbereich
zum nächsten diffundieren,
während
die größeren Proteine
keine Zeit haben, in der entgegengesetzten Richtung zu diffundieren.
Dadurch kann sichergestellt werden, dass genügend der kleineren Marker zugeführt werden,
um vollständig
mit den größeren Molekülen zu reagieren.
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Es
könnte
sein, dass die kleineren Moleküle fluoreszieren
und sich an die größeren Proteinmoleküle binden
(welche Proteine sein könnten),
so dass sie unter W-Licht leuchten. Wir können dann beobachten, wenn
die Proteine fluoreszieren.
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Wenn
ein Anwender versucht, kleinere Moleküle oder Teilchen wie z. B.
einen Virus zu identifizieren, dann kann der Virus mit einem größeren Molekül oder Kolloidteilichen
verbunden werden, bevor die Zielsubstanz den fluoreszierenden Markern
ausgesetzt wird.
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Anstatt
einen Beobachter die Fluoreszenz identifizieren zu lassen, wie es
derzeit üblicherweise durchgeführt wird,
beleuchtet die W-Lichtquelle 31 die entstehenden Produkte
und den Strom in einer Photodiode 32, die unter den Reaktanten
auf dem gleichen Chip beobachtet werden. Die Photodiode 23 weist
ein Filter 33 auf, das nur Licht mit der Wellenlänge der
fluoreszierenden Moleküle
hindurch lässt. Die
Diode 32 kann z. B. eine Siliziumdiode sein, die definiert
ist, um die Halbleiterverarbeitung direkt unter den Elektroden,
welche das Pumpen durchführen, zu
verwenden. Die Elektroden können
auch so definiert sein, dass sie die Siliziumchip-Technologie anwenden
und könnten
aus TiN (Titannitrid), oder Al oder Ti oder Tu hergestellt sein.
Der Filter 33 wird unter Verwendung von Schichten aus dünnem halbtransparentem
Metall (TiN) hergestellt, mit einem transparenten Isolator (Siliziumnitrid
oder Siliziumdioxid) dazwischen, in der Art eines Fabry Perot Interferometers.
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Der
in der Diode 32 erzeugte Strom ist von der Menge der fluoreszierenden
Marker abhängig, welche
von der Anzahl der größeren Moleküle abhängt. Das
Schaltschema in dem Chip unter den Elektroden ist konzipiert, um
diesen Strom zu erfassen und ein elektrisches Signal aus dem Chip
auszugeben, um die Menge der vorhandenen Zielmoleküle anzuzeigen.
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Beim
obigen Aufbau können
Pumpenelektroden an der Oberseite und der Unterseite vorhanden sein,
getrennt durch einen Abstandshalter mit 100 Mikron. Die Kanäle können ca.
1 mm breit sein. Diese Abmessungen können kleiner sein, aber auch
größere Werte,
um die Kosten der Herstellung niedrig zu halten.
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12 ist
eine schematische Ansicht der Reaktionskammer 30, in der
unterschiedliche Fluids in der gleichen oder unterschiedlichen Richtungen aneinander
vorbei gepumpt werden können.
Elektroden 41 und 42 werden verwendet, um Fluid
von links nach rechts in dem oberen Teil des Diagramms zu bewegen,
während
Elektroden 43 und 44 verwendet werden, um das
untere Fluid konstant zu halten oder das Fluid von rechts nach links
zu bewegen. Wenn die Reaktion beendet ist, werden die Ziehspannungen
und Frequenzen eingestellt, um das Fluid weg nach rechts zu bewegen,
mit der gleichen Geschwindigkeit in der oberen Hälfte und der unteren Hälfte des
Diagramms. Andere Elektroden links oder rechts davon werden in dieser
Phase aktiviert, um die Reaktantenmischung zur nächsten Stufe zu bewegen.
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Da
die Erfindung nicht verwendet werden kann, um Fluid in einen Bereich
einzuleiten, der ein Gas enthält,
müssen
wir den Chip vorbereiten, indem wir ihn in einer ionischen Lösung eintauchen,
die nicht mit den Reaktanten reagiert. Für viele Beispiele ist eine
leicht salzige Wasserlösung
akzeptabel.
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Dieser
Eintauchvorgang wird in einem Ultraschallbad durchgeführt, um
sicherzustellen, dass keine Blasen zurückbleiben. Die Oberseite der
Vorrichtung weist dann eine abnehmbare, flexible Folie auf, der über den
Löchern
aufgeklebt wird, um den Chip sauber zu halten, bis er benötigt wird.
Um den Aufbau eines Gegendrucks auf die gepumpten Fluids zu vermeiden,
muss sichergestellt werden, dass das Volumen der Behälter über den
Löchern
im Vergleich zum Volumen der Reaktionskammern und Kanäle (zehnfache
Nanoliter) groß ist.
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13 ist
eine Seitenansicht der Vorrichtung. Die obere Schicht 50 ist
aus Kunststoffmaterial und weist Löcher 51 auf, die in
die Schicht geätzt sind,
um Behälter
vorzusehen, in denen die Testflüssigkeiten
gelagert werden. Die Schicht 52 unter dieser ist aus Glas
und weist Löcher
mit z. B. 0,3 Mikron auf, die durch diese gebohrt sind, um es dem
Fluid zu ermöglichen,
in die Kanäle
darunter zu tropfen. Die Glasschicht hat gemusterte Elektroden auf
der Unterseite, welche verwendet werden, um die obere Schicht des
Fluids in den Kanälen
darunter anzutreiben. Unter dieser Glasschicht liegt eine (z. B.
100 Mikron dicke) Abstandsschicht 53, die z. B. 200 Mikron breite
Kanäle
aufweist, die aus dieser herausgeschnitten sind. Unter dieser liegen
die gemusterten Elektroden, die das Pumpen von unten ermöglichen. Kontaktflächen zur
Verbindung der unteren Elektrode sind an jedem Ende angeordnet,
während
Kontaktflächen
zum Antreiben der oberen Elektrode auf der Unterseite des Glases 52 angeordnet
sind, wo es an den Seiten des unteren Chips 54 überhängt.
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Eine
stärker
integrierte Lösung
(in 14 gezeigt) verwendet Chipwafer-Verbindungstechniken,
um die oberen Elektroden mit dem unteren Chip zu verbinden. Metallbohrungen 60 stellen
einen elektrischen Kontakt von dem unteren Chip her, der die Elektronik
zum Antreiben sowohl der oberen als auch der unteren Elektroden
enthält.
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Die
Erfindung kann ein Mischen in mikroskopischem Maßstab bereitstellen. Dies ist
mit den Vorrichtungen des Standes der Technik sehr schwer zu erreichen,
aber die Erfindung kann angewandt werden, um dies bei sehr kleinem
Längenmaßstab von einigen
wenigen Zehnfachen von Mikron durchzuführen. Dies ermöglicht die
Beschleunigung vieler Reaktionen, die im Moment durch die Diffusion
beschränkt sind.
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Eine
Technik zum Mischen verwendet vier Paare von Elektroden, die angeordnet
sind, um Flüssigkeit
in vier unterschiedlichen Richtungen in rechten Winkeln zueinander
zu pumpen. Eine solche Anordnung ist in 15 gezeigt.
Elektroden in der gezeigten Form pumpen Fluids in einem Kreis herum, um
diese zu mischen. Andere Elektroden können vorgesehen sein, die angeordnet
sind, um Fluids in diesen Bereich hinein und nach dem Mischen aus diesem
heraus zu pumpen.
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Die
Elektroden sind grau markiert und die Pfeile zeigen die Fluidströmung über jedem
Bereich, wenn sie alle mit der gleichen Wechselspannung betrieben
werden, die über
die Paare von Elektroden angelegt ist.