WO2004050252A1 - Fluidisches mikrosystem mit feldformenden passivierungsschichten auf mikroelektroden - Google Patents

Fluidisches mikrosystem mit feldformenden passivierungsschichten auf mikroelektroden Download PDF

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WO2004050252A1
WO2004050252A1 PCT/EP2003/013319 EP0313319W WO2004050252A1 WO 2004050252 A1 WO2004050252 A1 WO 2004050252A1 EP 0313319 W EP0313319 W EP 0313319W WO 2004050252 A1 WO2004050252 A1 WO 2004050252A1
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channel
layer
passivation layer
electrode device
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Torsten Müller
Thomas Schnelle
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Evotec Oai Ag
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    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic

Definitions

  • the invention relates to a fluidic microsystem with the features according to the preamble of claim 1 and methods for particle manipulation according to the preamble of claim
  • suspended particles e.g. biological cells, cell groups, cell components, macromolecules or synthetic particles in suspension solutions
  • fluidic microsystems with high-frequency electrical fields that are generated with microelectrodes in channels of the microsystem
  • Non-contact particle manipulation e.g. moving, stopping, deflecting, assembling, etc.
  • Non-contact particle manipulation is based on negative dielectrophoresis. It is known to at least partially cover the microelectrodes arranged on channel walls with an electrically insulating thin layer in order to avoid undesired interactions between the microelectrodes and the suspension medium or the particles, such as, for. B. Ohm 'see losses, electrolysis, induction of transmembrane potentials, etc. to minimize (passivation of the microelectrodes).
  • the fluidic microsystems contain spatial electrode arrangements.
  • the microelectrodes are on opposite, z. B. lower and upper channel walls with typical distances in the range of 10 microns to 100 microns arranged (see T. Müller et al. In “Biosensors &Bioelectronics", Vol. 14, 1999, pp 247-256).
  • the microelectrodes must be shaped in a certain way and arranged relative to one another. tode arrangements this is associated with a high adjustment effort of the channel walls (chip levels). The accuracy must be better than 5 ⁇ m with typical dimensions of the microsystem in the cm range. Furthermore, problems arise in the manufacture of the microsystem.
  • the passivation layers on microelectrodes effect field shielding. This can be used, for example, to amplify or weaken field gradients in the channel according to a certain spatial profile (see BT Schnell et al., See above and G. Fuhr et al. In “Sensors and Materials", Vol. 7/2 , 1995, pp. 131-146)
  • the weakening influence of the passivation layer is relatively weak in the suspension liquids with a low electrolyte content (low conductivity).
  • the object of the invention is to provide an improved fluidic microsystem with which the disadvantages of conventional microsystems are countered.
  • the object of the invention is in particular to provide a microsystem with a simplified structure, in particular a simplified electrode arrangement and a simplified contacting, increased functional reliability and an expanded area of application, in particular in the manipulation of biological particles.
  • the object of the invention is also to provide an improved method for field formation in fluidic microsystems, in particular for dielectrophoretic manipulation of particles.
  • a basic idea of the invention is a fluidic microsystem with at least one channel through which a particle suspension can flow, on the channel walls of which are arranged electrode devices for generating electrical alternating voltage fields in the channel, of which a first electrode device for field formation is structured and a second electrode device is flat, unstructured is formed with a passivation layer in such a way that the structuring of the first electrode device has characteristic dimensions smaller than the flat electrode layer of the second electrode device and the passivation layer of the second electrode device is a closed layer that completely covers the electrode surface of the second electrode device.
  • the first electrode device which is, for example, a lower electrode device on the lower chip level or base surface in the operating position, has to be structured for field formation
  • a second electrode device in particular as one Upper electrode device on the upper chip level or top surface of the channel
  • a flat, completely passivated electrode layer can be provided, which only requires a single connection line for connection to a voltage supply or, if the second electrode device is operated potential-free, no connection line.
  • the flat second electrode device can be produced without complicated masking steps during wafer processing.
  • the closed passivation layer on the second electrode means that undesirable electrode processes completely avoided.
  • first and second electrode devices can be provided on different channel walls, which form the top surfaces, bottom surfaces and / or side surfaces.
  • a structured electrode device preferably on the bottom surface
  • a non-structured, flat electrode device preferably on the cover surface
  • the first electrode device can have at least one structured electrode layer with individual partial electrodes, which in their entirety form the structuring or at least one first structural element, as is known per se from conventional microelectrode arrangements.
  • the provision of a large number of sub-electrodes can be advantageous with respect to the separate controllability of each sub-electrode.
  • the separate controllability is important, for example, if the fields in the channel are to be varied depending on certain external influences or measurement results.
  • the partial electrodes preferably comprise individually controllable electrode strips, that is to say microelectrodes with an elongated line shape with a typical width in the range from 50 nm to 100 ⁇ m and a typical length of up to 5 mm.
  • the partial electrodes can carry passivation layers, which may have a defined opening corresponding to the position of the partial electrodes.
  • the first electrode device can also be formed by a flat electrode layer with a closed passivation layer, which, in order to form the structuring of the first electrode device, has layer structures on which the field penetration from the electrode layer into the channel is modified compared to the surrounding areas of the passivation layer is given.
  • the structure of the microsystem can thereby be further simplified, since the mutually opposite electrode devices each comprise a flat, completely passivated electrode layer.
  • the layer structures in the first passivation layer of the first (for example lower) electrode device enable a plurality of functional elements to be strung together in the channel profile. In contrast to the first embodiment mentioned above, these cannot be controlled individually, but they also enable design and adaptation to a specific manipulation task.
  • the second passivation layer of the second (preferably) upper electrode device can in turn have layer structures for field formation in the channel.
  • This structuring of the second passivation layer can be combined with a structured electrode layer (several partial electrodes) according to the first embodiment or with a flat electrode layer with a structured passivation according to the second embodiment.
  • the structuring of the second passivation layer can have advantages with regard to the field formation in the channel.
  • the layer structures on which the field penetration into the channel is modulated are formed, for example, by regions of changed (reduced or increased thickness) in the passivation layer. These lowered or protruding layer structures can advantageously be produced by a simple etching process.
  • the shape of the layer structures can be adjusted by masking. Protruding layer structures are preferred in particular when forming the passivation layer with materials with a relatively high dielectric constant.
  • the layer structures can comprise regions which have at least one different material than the surrounding passivation layer, which is characterized in particular by a changed dielectric constant. Both forms of the layer structures, that is to say the thickness variation and the material variation, can be provided in combination.
  • the passivation layers can be formed from different layer materials in multiple layers.
  • passivation layers are at least partially formed by layer materials whose dielectric properties are reversibly or irreversibly changeable (“smart isolation”).
  • the layer materials are, for example, between different modifications by a laser treatment (eg crystalline ⁇ -> amorphous), which are characterized by different DK values, such changeable materials are known, for example, from writable or rewritable optical memories (CD), or alternatively polymers can be used as changeable layer materials, the conductivity of which is at least once as in a direct laser writing method can be changed by laser irradiation.
  • specific prototypes (for example for rapid prototyping) can be produced in a particularly favorable manner.
  • both electrode devices are completely covered with possibly structured passivation layers, this can be particularly advantageous if an additional electrode device for generating a DC voltage field is provided in the microsystem (or externally on the microsystem) or via an external coupling e.g. DC fields can be applied to the system using a current key.
  • DC voltage fields static fields
  • pulsed DC voltage fields can be generated, which are used, for example, for electroporation or electrofusion applications.
  • the channel with the above-described electrode devices is advantageously equipped with at least one transverse channel in which a third electrode device for generating electrical DC voltage fields is arranged in the transverse channel. Passivation of the first and second electrode devices means that the transport processes in the transverse channel remain undisturbed.
  • passivation layers in comparison to bare electrodes is that the resistance of bare electrodes can change by orders of magnitude even if monolayers are deposited on them. This can happen relatively easily during chip manufacture or during operation and in particular jeopardizes the function of dielectric elements if the layers are not homogeneous. To avoid this problem, additional measures (plasma etching, etc.) had to be implemented be settled. Additional layers on passivation layers, on the other hand, have a much less disruptive effect. This improves the functional reliability of the microsystems.
  • Another object of the invention is a method for dielectrophoretic manipulation of suspended particles in fluidic microsystems by field formation using lateral structures in passivation layers on electrodes.
  • FIGS. 1A-1E schematic views of various exemplary embodiments of microsystems according to the invention (sections),
  • FIG. 2 another schematic illustration of a
  • Electrode device with a structured passivation layer
  • FIGS. 3A-3D Curve representations to illustrate the field effect of the passivation layers provided according to the invention
  • FIGS. 4A, B an exemplary embodiment of the invention with a gradient structure in the passivation layer
  • FIGS. 7A, 7B schematic illustrations of a further exemplary embodiment of a fluidic microsystem according to the invention.
  • FIG. 1A A part of a fluidic microsystem 100 according to the invention is shown in FIG. 1A in a schematic perspective view.
  • the microsystem 100 contains at least one channel 10, which is formed between two plate-shaped chip elements, namely the bottom element or substrate 20 and the cover element 30. Other parts of the microsystem, in particular side walls, spacers and the like. are not shown for reasons of clarity.
  • the substrate 20 forms a first (lower) channel wall with a bottom surface 21 facing the channel 10, on which a first electrode device, possibly with a first passivation layer (see below), is arranged.
  • the cover element 30 forms the second (upper) channel wall with a cover surface 31 facing the channel 10, on which the second electrode device (see below) is arranged accordingly.
  • At least one of the electrode devices is connected to an AC voltage source (not shown) for field generation in the channel 10.
  • the passivation layer is provided on at least one of the electrode devices.
  • the channel 10 is formed by a free space between the chip elements 20, 30. It can be flowed through by a liquid, in particular a particle suspension, and has a height, for example, in the range from 5 ⁇ m to 1 mm and transverse and length dimensions in ⁇ m to cm, which are selected depending on the application. Area.
  • the chip elements 20, 30 typically consist of glass, silicon or an electrically non-conductive polymer.
  • the layer structure comprising electrode devices and passivation layer is shown in the right, enlarged section of FIG. 1A.
  • the first electrode device 40 and a first passivation layer 50 are located on the bottom surface 21 of the substrate 20 (see, for example, FIG. 1C).
  • the layer structure is formed using known planar technology by deposition of the desired materials on the substrate.
  • the electrode device consists of an electrically conductive material, e.g. B. a metal or conductive oxide, e.g. B. Sn doped ln 2 0 3 , (ITO), indium cadmium oxide (In x Cd ⁇ - x O), Cd 2 Sn0, or a conductive polymer (z. B.
  • the thickness of the electrode device is, for example, in the range from 50 n to 2 ⁇ m.
  • the passivation layer 50 is a dielectric insulation layer with a thickness in the range from 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m. It consists, for example, of polyimide or an electrically insulating oxide, e.g. B. silicon oxide, silicon nitride.
  • the first electrode device 40 for field formation is structured in the channel. It is generally equipped with at least one first structural element, which in the example shown comprises four electrode elements or partial electrodes 41, which are formed in a strip shape on the bottom surface 21 in a manner known per se.
  • the partial electrodes 41 can be provided with a passivation layer (not shows), which may have openings on the surfaces of the partial electrodes 41 in a manner known per se.
  • the second electrode device 60 on the cover surface 31 comprises a flat electrode layer 61 (shown in dashed lines) with a closed second electrode surface which is completely covered by a second passivation layer 70.
  • the first structural elements 41 of the first electrode device 40 form a smaller effective electrode area than the second electrode area 61 of the second electrode device 60 (the sum of the individual areas of the first electrode device 40 is smaller than the second electrode area 61).
  • the electrode devices 40, 60 are subjected to electrical voltages, field line profiles are formed which unite on the bottom surface 21 at the partial electrodes 41 with an increased field line density and end on the top surface 31 in the electrode layer 61.
  • the electrical field in the channel is shaped according to the shape of the partial electrodes. For example, a field barrier or a field cage is formed with which the movement of particles in the channel can be influenced or particles can be retained.
  • the electrode layer 61 of the second electrode device 60 can be connected to a control device via a connecting line.
  • advantageously only one connecting line is sufficient to form the counterelectrode, for example for a field cage with a barrier shape corresponding to the partial electrodes 41.
  • the second electrode device can be connected to a control device on the cover surface 31 be arranged. In this so-called “floating” state, the potential of the second electrode device is formed automatically as a function of the surrounding potential conditions. A charge distribution is formed in each of the electrode layers, which compensates for the field occurring in the channel inside the electrode layer. In this case, advantageously contacting can be completely dispensed with.
  • Figure IC illustrates an example of the above. second embodiment of the invention, in which both electrode devices 40, 60 are formed by flat, closed electrode layers 42, 61, which are each covered by closed passivation layers 50, 60.
  • the first (lower) electrode device 40 is equipped with at least one structure element, which in this embodiment is formed by a structure in the first passivation layer 50.
  • the layer structure in the first passivation layer 50 comprises areas 51 with z. B. reduced thickness and / or different materials compared to the rest of the passivation layer.
  • the areas 51 have a geometric shape laterally in the layer plane corresponding to the conventionally formed microelectrodes, that is to say, for example, a strip shape.
  • the second electrode device 60 is formed, as in FIG. 1B, by an electrode layer with a closed, unstructured passivation layer 70.
  • the geometric shape of the passage of the electric field from the electrode layer 42 into the channel is set in a predetermined manner in accordance with the shape of the regions 51.
  • the areas 51 can, for example, form a line-up element with a funnel-shaped field barrier (FIG. IC).
  • FOG. IC funnel-shaped field barrier
  • several structured areas can be realized in one Passivation layer, which covers a closed electrode layer. This has the advantage that a fluidic microsystem, e.g. B. is a sorting system with several functional elements with only two, on opposite channel walls and provided with structured passivation electrodes, where possibly only one electrode is controlled with a high-frequency voltage and the other electrode is left in the floating state.
  • the principle can be modified such that the first electrode device is constructed on the bottom surface 21 with a plurality of partial electrodes 41 as in FIG. 1B, while the second electrode device 60 is covered with a structured passivation layer 70.
  • the structured areas 71 in the passivation layer 70 have, for example, a geometric shape corresponding to the orientation of the opposing partial electrodes 41 to form the field cage.
  • the structuring can be provided on both passivation layers, that is to say both on the bottom surface and on the top surface.
  • FIG. 2 illustrates a section of an electrode device according to the invention with a structured passivation layer in an enlarged, exploded perspective view.
  • the electrode layer 40 with a dielectric insulation layer or passivation layer 50 processed thereon with a structured area 51.
  • the thickness d P of the passivation layer 50 is, for example, 600 nm.
  • the thickness d s is at the structured area 51 one Value of z. B. 200 nm reduced or formed with a changed composition that has different electrical properties, a changed dielectric constant or a changed specific electrical conductivity.
  • the passivation layer 50 can be structured, for example, by photolithography. If the first and / or second passivation layer is at least partially formed by a layer material whose dielectric properties are reversibly or irreversibly variable, the structuring can be carried out, for example, by laser irradiation in accordance with the geometry of the desired structures.
  • FIGS. 3A to 3D illustrate the effect of the passivation layers structured according to the invention on the basis of the results of model calculations.
  • the structure of the two electrode devices on channel walls with the channel through which the suspension flows is modeled by a liquid-filled plate capacitor assuming infinitely large capacitor plates, in which, for example, an electrode is provided with a passivation layer.
  • the field strength inside the channel (or the plate capacitor) depends on the frequency as well as on the dielectric and geometric conditions.
  • the modeling is carried out with the following parameters: dielectric constant of the suspension or solution between the capacitor plates: 80, dielectric constant of the passivation layer: 5 and conductivity of the passivation layer: 10 ⁇ 5 S / m.
  • FIG. 3A illustrates the relative field strength E re ⁇ (field strength with passivation layer / field strength without passivation layer) in the channel depending on the frequency f with different conductivities of the aqueous suspension in the channel.
  • the thickness of the passivation layer is 1% of the distance between the electrode device.
  • FIG. 3A shows that the field coupling into the channel depends on the conductivity of the suspension and the frequency. Surprisingly, it can be seen that the insulating effect of the passivation layer depends on the frequency and increases with increasing electrolyte content.
  • FIG. 3B shows the phase position ⁇ (in rad) of the electric field with the same parameters as in FIG. 3A.
  • the phase angle ⁇ is also strongly frequency-dependent with increasing conductivity.
  • electrical field gradients in the channel with respect to the phase and the amplitude can be realized with homogeneous electrodes. This can be used, for example, to implement an octupole cage, which conventionally required eight electrodes, with only four electrodes, with each electrode being approx. 90 ° phase-shifted signals.
  • FIG. 3C shows the relative field strength E re ⁇ in the channel as a function of the frequency with different thicknesses of the passivation layer, which is given in each case as a percentage relative to the electrode spacing.
  • the modeling is done with a water-filled channel (conductivity: 0.3 S / m). It shows that the field penetration is considerably reduced with increasing thickness of the passivation layer and that this effect is frequency-dependent.
  • an increase in the field strength in the channel can be achieved locally at the structured areas (eg 51 in FIG. IC, E) by reducing the thickness. This effect is depends on the frequency. This means that a functional element in the fluidic microsystem can be activated or ineffective depending on the frequency.
  • the results according to FIG. 3 show a particular advantage of the invention in that the modulation of the field in the channel by the structured passivation is particularly effective with lower conductivities of the suspension in the channel.
  • artificial particles especially plastic, e.g. B. latex beads
  • low conductivities With a salt content of 1 mM, for example, a conductivity of approx. 14 mS / m.
  • Biological cells are often handled in media with a conductivity around 1 S / m.
  • a short-term (up to 10 min) dielectric manipulation with low conductivity up to 1 mS / m is well tolerated.
  • 0.05-0.3 S / m is used for the dielectric manipulation.
  • the structured passivation layers form frequency filters. Certain field components with certain frequencies are allowed to pass through the structured areas (e.g. 51) due to a high field penetration, while other frequency components are attenuated (see FIG. 3). This effect depends on the thickness and / or composition of the structured areas of the passivation layer. If the electrode devices with high-frequency voltage signals with a z. B. rectangular waveform can be driven, which accordingly represents a superposition of a plurality of frequencies, the frequency composition in the channel can be modulated by the passivation layer. Since the dielectrophoretic effect of the electrical fields is particularly frequency-dependent, the function of the respective electrode device can be set via the frequency of the control voltage.
  • the structuring of the passivation layer can be inhomogeneous.
  • an area 51 of reduced thickness in the passivation layer 50 according to FIG. 4A may have a thickness gradient in it.
  • the field penetration is lower at one end 51a with a greater thickness than at the opposite end 51b with the smaller thickness.
  • a filter for different particle types or sizes can be formed solely by a strip-shaped passivation structure according to FIG. 4B.
  • a particle mixture flowing in the direction of the arrow in a subchannel hits the field barrier which is formed on the structured region 51.
  • the small particles which are influenced relatively little by a strong field, can pass the field barrier at area 51 without deflection, while the larger particles are first deflected into an area with reduced field penetration. Accordingly, after the passage of the area 51, the particles of different sizes follow different paths in the channel.
  • FIG. 5 shows with further details an inventive dielectric filter element in which the first electrode insert direction 40 is provided at the upper chip level.
  • the base element 20 and the cover element 30 are formed by glass substrates which are mounted one above the other at a distance from one another and form the upper and lower limits of the channel 10.
  • the distance h is, for example, in the range from 5 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • An electrode strip 41 with a passivation layer 50 is provided on the upper cover surface 31.
  • the electrode strip 41 is connected to a voltage supply (not shown) via a connecting line 43.
  • the passivation layer 50 is opened above the electrode strip 41.
  • An unstructured electrode layer 61 and a structured passivation layer 70 are attached to the base part 20 as the second electrode device.
  • the passivation layer 70 is reduced in thickness and / or the composition is varied.
  • the relative field strength at a frequency of 1 MHz increases from 0.1 to 0.7 in the channel over the structured area 71 (see FIG. 3C ).
  • a field barrier is formed by the field gradient, which, for example, retains large particles and lets small particles through.
  • the acting restraining force scales quadratically with the field strength.
  • a passivation layer (not shown) with a Wear a thickness of 5 ⁇ m.
  • DK dielectric constant
  • the channel 10 is filled with water at 10 mS / m. Sinusoidal signals with a frequency of 10 MHz are applied to the electrodes. Concentrated field line profiles are formed between the opposite electrode devices 40, 60, which form two field barriers for the particles flowing in the channel 10.
  • FIGS. 7A and 7B each illustrate schematic top views of the upper (A) and lower (B) channel wall of a fluidic system 100 according to the invention with the channel 10, which is split into two sub-channels 11, 12, viewed from the channel 10.
  • Two deflectors 81, 82, a hook 83 and a switch (switch) 84 are arranged in the channel 10 as dielectric functional elements 80, as is known per se from fluidic microsystem technology.
  • measuring devices e.g. B. particle detectors may be provided.
  • the lower chip level (FIG. 7B) is constructed in a manner known per se with individually controllable partial electrodes.
  • the partial electrodes z. B. 41 with different geometric designs each have a connecting line 43 which lead to connection points (bond pads) 44.
  • the electrode areas not required for the dielectric manipulation of the particles are completely passivated.
  • the passivation is open above the active electrode areas (see e.g. at 52).
  • the upper chip level (FIG. 7A) has a simpler structure.
  • a single electrode layer (not shown) with a closed electrode surface is provided, on which a passivation layer (not shown) with structured areas 71 is formed.
  • a voltage supply generator
  • the field-forming structures can be arranged offset in the channel direction in order to form a field driving in the channel direction.
  • a lateral electrode distance (in the channel direction) is preferably set that is greater than the channel height.
  • FIG. 8 shows an example of a microsystem 100 according to the invention, in which both the lower and the upper electrode device are completely covered with passivation layers, which may be structured, and additionally a transverse channel 13 branching perpendicularly or obliquely from the channel 10 is provided with a third electrode device 90 for generating a DC voltage field is.
  • a liquid or particle transport can take place between the electrodes 91, 92 by electro-osmosis or electrophoresis under the action of the direct voltage field (see double arrow), which is caused by the passivation of the first and second electrode devices remains undisturbed.
  • electroporation or electrofusion processes can be triggered when entering the transverse channel 13 when using pulsed direct voltages.

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Abstract

Es wird ein fluidisches Mikrosystem (100) mit mindestens einem Kanal (10) beschrieben, der von einer Partikelsuspension durchströmbar ist, und erste und zweite Elektrodeneinrichtungen (40, 60), die an ersten und zweiten Kanalwänden (21, 31) zur Erzeugung elektrischer Wechselspannungsfelder im Kanal (10) angeordnet sind, wobei die erste Elektrodeneinrichtung (40) zur Feldformung im Kanal mit mindestens einem ersten Strukturelement (41, 51) ausgestattet ist, und die zweite Elektrodeneinrichtung (60) eine flächige Elektrodenschicht (61) mit einer geschlossenen zweiten Elektrodenfläche aufweist, die eine zweite Passivierungsschicht (70) trägt, wobei das mindestens eine erste Strukturelement (41, 51) eine kleinere wirksame Elektrodenfläche als die zweite Elektrodenfläche bildet, und die zweite Passivierungsschicht (70) eine geschlossene Schicht ist, die die zweite Elektrodenschicht (61) vollständig bedeckt.

Description

Fluidisches Mikrosystem mit feldformenden Passivierungsschich- ten auf Mikroelektroden
Die Erfindung betrifft ein fluidisches Mikrosystem mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und Verfahren zur Partikelmanipulation gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
11, insbesondere zur Partikelmanipulation mit hochfrequenten elektrischen Feldern.
Es ist bekannt, suspendierte Partikel (z. B. biologische Zellen, Zellgruppen, Zellbestandteile, Makromoleküle oder synthetische Partikel in Suspensionslösungen) in fluidischen Mikro- systemen mit hochfrequenten elektrischen Feldern zu manipulieren, die mit Mikroelektroden in Kanälen des Mikrosystems erzeugt werden (s. z. B. T. Schnelle et al . in „Langmuir" . Bd.
12, 1996, Seite 801-809) . Die berührungslose Partikelmanipulation (z. B. Bewegen, Anhalten, Ablenken, Zusammenfügen usw.) basiert auf der negativen Dielektrophorese. Es ist bekannt, die auf Kanalwänden angeordneten Mikroelektroden zumindest teilweise mit einer elektrisch isolierenden dünnen Schicht abzudecken, um unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den Mikroelektroden und dem Suspensionsmedium oder den Partikeln, wie z. B. Ohm' sehe Verluste, Elektrolyse, Induktion von Transmembranpotentialen usw. zu minimieren (Passivierung der Mikroelektroden) .
Typischerweise enthalten die fluidischen Mikrosysteme räumliche Elektrodenanordnungen. Die Mikroelektroden sind an einander gegenüberliegenden, z. B. unteren und oberen Kanalwänden mit typischen Abständen im Bereich von 10 μm bis 100 μm angeordnet (s. T. Müller et al. in „Biosensors & Bioelectronics", Bd. 14, 1999, S. 247-256) . Zur Erzielung definierter Feldwirkungen müssen die Mikroelektroden in bestimmter Weise geformt und relativ zueinander angeordnet sein. Bei räumlichen Elekt- rodenanordnungen ist dies mit einem hohen Justieraufwand der Kanalwände (Chipebenen) verbunden. Die Genauigkeit muss besser als 5 μm bei typischen Maßen des Mikrosystems im cm-Bereich sein. Des Weiteren ergeben sich Probleme bei der Herstellung des Mikrosystems. Diese erfolgt üblicherweise mit Techniken der Halbleitertechnologie, wobei für die räumliche Elektrodenanordnung mehrere Masken zur Waferprozessierung erforderlich sind. Schließlich besteht ein Problem der räumlichen Elektrodenanordnung mit strukturierten Mikroelektroden auf verschiedenen Kanalwänden in der elektrischen Kontaktierung. In der Regel muss die elektrische Kontaktierung der oberen Kanalwand (obere Chipebene) zu der unteren Kanalwand durchgeführt und von dieser elektrisch getrennt zu einem Steueranschluss geführt werden. Insbesondere mit Blick auf einen massenhaften Einsatz fluidischer Mikrosysteme besteht ein Interesse an Mik- rosystemen mit einem vereinfachten Aufbau und einer erhöhten Funktionssicherheit .
Es ist bekannt, elektrisch isolierende Passivierungsschichten zu strukturieren, um eine bestimmte Feldformung zu bewirken (s. DE 198 69 117, DE 198 60 118). Die Strukturierung besteht in der Bildung von Öffnungen oder Durchbrüchen in der Passivierungsschicht über einer flächigen Elektrode. Durch die Öffnungen kann das elektrische Feld von der Elektrode in den Kanal durchgreifen und die gewünschte Feldform entsprechend der Form der Öffnung bilden. Die Öffnungen in den Passivierungsschichten besitzen jedoch den Nachteil, dass ein Kontakt zwischen dem Elektrodenmaterial und der Suspensionsflüssigkeit entsteht. Es kann zu ggf. irreversiblen Elektrodenprozessen kommen. Beispielsweise können Partikel unter der Feldwirkung auf die Elektroden gezogen werden und den Kanal verstopfen. Des Weiteren kann es zu einer Auflösung des Elektrodenmaterials und damit zu einer Kontamination der Suspensionsflüssig- keit kommen. Diesem Problem wurde bisher dadurch begegnet, dass Suspensionsflüssigkeiten mit einem eher niedrigen Elektrolytgehalt verwendet wurden. Dadurch wurde jedoch der Anwendungsbereich der Mikrosysteme eingeschränkt. Viele biologische Partikel besitzen nur eine begrenzte Fähigkeit, einen niedrigen Elektrolytgehalt über längere Zeit zu tolerieren.
Es ist auch bekannt, dass durch die Passivierungsschichten auf Mikroelektroden eine Feldabschirmung bewirkt wird. Dies kann bspw. verwendet werden, um Feldgradienten im Kanal entsprechend einem bestimmten räumlichen Verlauf zu verstärken oder abzuschwächen (s. z. B. T. Schnelle et al . , s. oben und G. Fuhr et al . in „Sensors and Materials", Bd. 7/2, 1995, S. 131- 146) . Nachteilig ist jedoch, dass der abschwächende Einfluss der Passivierungsschicht bei den Suspensionsflüssigkeiten mit niedrigem Elektrolytgehalt (niedrige Leitfähigkeit) relativ schwach ist.
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. Vorteil- hafte 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 weiterzuentwi- ckeln, 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 E- lektrodeneinrichtung, 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 verschiedensten 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 E- lektrodenschicht 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 passi- vierte Elektrodenschicht umfassen. Die Schichtstrukturen in der ersten Passivierungsschicht der ersten (z. B. unteren) E- lektrodeneinrichtung ermöglichen die Aneinanderreihung einer Vielzahl von Funktionselementen im Kanalverlauf. Diese können zwar im Unterschied zu der oben genannten ersten Ausführungsform nicht einzeln angesteuert werden, ermöglichen jedoch e- benfalls 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 Dielektrizitätskonstante 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 wieder- beschreibaren optischen Speichern (CD) bekannt. Alternativ können als veränderliche Schichtmaterialien Polymere verwendet werden, deren Leitfähigkeit wenigstens einmalig wie bei einem Direkt-Laserschreib-verfahren durch Laserbestrahlung geändert werden kann. Vorteilhafterweise können mit dieser Ausführungs- form 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 Elektroos- mose oder zur Elektrophorese gebildet, bei denen ein Flüssigkeitstransport oder ein Partikeltransport unter Wirkung des Gleichspannungsfeldes erfolgt. Alternativ können gepulste Gleichspannungsfelder generiert werden, die bspw. für Elektro- porations- oder Elektrofusionsanwendungen verwendet werden. 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 E- lektroden 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.) reali- siert 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:
Fign. 1A-1E: schematische Ansichten verschiedener Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Mikrosysteme (Ausschnitte) ,
Fig. 2: eine weitere schematische Illustration einer
Elektrodeneinrichtung mit einer strukturierten Passivierungsschicht,
Fign. 3A-3D: Kurvendarstellungen zur Illustration der Feldwirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen Passivierungsschichten,
Fign. 4A, B: ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Gradientenstruktur in der Passivierungsschicht,
Fig. 5: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß gebildeten Elektrodenanordnung,
Fig. 6: eine erfindungsgemäß gebildete Feldbarriere, Fign. 7A, 7B: schematische Illustrationen eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen fluidischen Mikrosystems, und
Fig. 8: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen fluidischen Mikrosystems.
In Figur 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. Auf 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 Figur 1A gezeigt. Beispielsweise auf der Bodenfläche 21 des Substrats 20 befindet sich die erste Elektrodeneinrichtung 40 und eine erste Passivierungsschicht 50 (siehe z. B. Figur IC). 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. Sn doped ln203, (ITO) , Indium-Cadmium-Oxid (InxCdι-xO) , Cd2Sn0, oder einem leitfähigen Polymer (z. B. Po- lyanilin, Polypyrrol, Polythiophen) . Die Dicke der Elektrodeneinrichtung liegt bspw. im Bereich von 50 n bis 2 μm. 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, z. B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid.
In den Figuren 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 Figur 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 ge- zeigt) 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 um- fasst 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 e- lektrischen Spannungen Feldlinienverläufe, die sich auf der Bodenfläche 21 an den Teilelektroden 41 mit vergrößerter Feldliniendichte vereinigen und auf der Deckfläche 31 in der E- lektrodenschicht 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 ausgleicht. In diesem Fall kann vorteilhafterweise auf eine Kontaktierung vollständig verzichtet werden.
Figur IC 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 Figur IC wie bei Figur 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 E- lektrodenschicht 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 (Figur IC) bilden. Alternativ können in einer Passivierungsschicht, die eine geschlossene Elektrodenschicht abdeckt, mehrere strukturierte Bereiche (Feldstrukturierungs- elemente) 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 E- lektroden aufgebaut ist, wobei ggf. nur eine Elektrode mit einer hochfrequenten Spannung angesteuert und die andere Elektrode im floatenden Zustand gelassen wird.
Gemäß Figur 1D kann das Prinzip dahingehend abgewandelt werden, dass die erste Elektrodeneinrichtung auf der Bodenfläche 21 mit mehreren Teilelektroden 41 wie in Figur 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 (Figur 1E) die Strukturierung an beiden Passivierungsschichten, also sowohl an der Bodenfläche als auch an der Deckfläche vorgesehen sein.
Figur 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- o- der 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 Figuren 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 (o- der 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.
Figur 3A illustriert die relative Feldstärke Ereι (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. Figur 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.
Figur 3B zeigt mit den gleichen Parametern wie bei Figur 3A die Phasenlage Φ (in rad) des elektrischen Feldes. Auch die Phasenlage Φ ist mit zunehmender Leitfähigkeit stark frequenzabhängig. Entsprechend den in den Figuren 3A und 3B 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.
Figur 3C zeigt die relative Feldstärke Ereι 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 Figur 3C illustrierten Ergebnis können lokal an den strukturierten Bereichen (z. B. 51 in Figur IC, 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 Figur 3D mit zunehmender Dielektrizitätskonstante ein zunehmender Felddurchgriff auch bei geringeren Frequenzen.
Die Ergebnisse gemäß Figur 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 Zellen 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. Figur 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 Figur 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 Passivie- rungsstruktur gemäß Figur 4B ein Filter für verschiedene Partikelarten oder -großen gebildet werden. Ein in Pfeilrichtung in einem Teilkanal einströmendes Partikelgemisch trifft auf die Feldbarriere, die an dem strukturierten Bereich 51 gebildet ist. Die kleinen Teilchen, 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 .
Figur 5 zeigt mit weiteren Einzelheiten ein erfindungsgemäßes dielektrisches Filterelement, bei dem die erste Elektrodenein- richtung 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. Figur 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 durchläset . Vorteilhafterweise kann dabei ausgenutzt werden, dass die wirkende Rückhaltekraft quadratisch mit der Feldstärke skaliert.
Die Simulationsdarstellung in Figur 6 zeigt die Verteilung der Feldstärkequadrate, d. h. der Potentiale für dielektrische Kraftwirkung, bei einem Ausführungsbeispiel mit zwei streifen- förmigen 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 Ti- tanaten 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 Figuren 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 (Figur 7B) ist analog zu Figur 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 E- lektrodenbereiche sind vollständig passiviert. Über den aktiven Elektrodenbereichen ist die Passivierung geöffnet (siehe z. B bei 52) . Die obere Chipebene (Figur 7A) ist einfacher aufgebaut. Es ist analog zu Figur 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.
Figur 8 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikrosystems 100, bei dem sowohl die untere als auch die obere Elektrodeneinrichtung komplett mit ggf. strukturierten Passivierungsschichten bedeckt ist 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. Des Weiteren können beim Vorbeitritt am Querkanal 13 bei Anwendung gepulster Gleichspannungen Elektroporations- oder Elektrofusionsvorgänge ausgelöst werden.
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.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Fluidisches Mikrosystem, das umfasst:
- mindestens einen Kanal (10) , der von einer Partikelsuspension durchströmbar ist, und
- erste und zweite Elektrodeneinrichtungen (40, 60), die an ersten und zweiten Kanalwänden (21, 31) zur Erzeugung elektrischer Wechselspannungsfelder im Kanal (10) angeordnet sind, wobei
- die erste Elektrodeneinrichtung (40) zur Feldformung im Kanal mit mindestens einem ersten Strukturelement (41, 51) ausgestattet ist, und
- die zweite Elektrodeneinrichtung (60) eine flächige zweite Elektrodenschicht (61) mit einer geschlossenen zweiten Elektrodenfläche aufweist, die eine zweite Passivierungsschicht (70) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass
- das mindestens eine erste Strukturelement (41, 51) eine kleinere wirksame Elektrodenfläche als die zweite Elektrodenfläche bildet, und
- die zweite Passivierungsschicht (70) eine geschlossene Schicht ist, die die zweite Elektrodenschicht (61) vollständig bedeckt.
2. Mikrosystem nach Anspruch 1, bei dem die erste Elektrodeneinrichtung (40) mindestens eine strukturierte Teilelektrode (41) aufweist, die das mindestens eine erste Strukturelement bildet.
3. Mikrosystem nach Anspruch 2, bei dem die erste Elektrodeneinrichtung als Teilelektroden (41) einzeln ansteuerbare E- lektrodenstreifen umfasst.
4. Mikrosystem nach Anspruch 1, bei dem die erste Elektrodeneinrichtung (40) eine flächige Elektrodenschicht (42) mit einer geschlossenen ersten Elektrodenfläche aufweist, die eine erste, geschlossene Passivierungsschicht (50) trägt, wobei die erste Passivierungsschicht (50) erste Schichtstrukturen (51) aufweist, die das mindestens eine erste Strukturelement bilden.
5. Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Passivierungsschicht (70) der zweiten Elektrodeneinrichtung (60) mindestens ein zweites Strukturelement zur Feldformung im Kanal (10) aufweist, das durch Schichtstrukturen (71) in der Passivierungsschicht (70) der zweiten Elektrodeneinrichtung (60) gebildet wird.
6. Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die ersten und/oder zweiten Schichtstrukturen Bereiche
(51, 71) veränderter Dicke in der Passivierungsschicht (50, 70) umfassen.
7. Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die ersten und/oder zweiten Schichtstrukturen Bereiche
(51, 71) umfassen, die mindestens ein anderes Material als die übrige umgebende erste und/oder zweite Passivierungsschicht (50, 70) enthalten.
8. Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, bei dem die Bereiche (51, 71) inhomogen mit einem Dickengradienten und/ oder einem Materialgradienten ausgebildet sind.
9. Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste und/oder zweite Passivierungsschicht (50, 70) mehrschichtig gebildet ist.
10. Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste und/oder zweite Passivierungsschicht (50, 70) zumindest teilweise durch ein Schichtmaterial gebildet ist, dessen dielektrischen Eigenschaften reversibel oder irreversibel veränderlich sind.
11. Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine dritte Elektrodeneinrichtung (90) zur Erzeugung e- lektrischer Gleichspannungsfelder oder -pulse im Kanal (10) oder im Querkanal (13) vorgesehen ist, der vom Kanal (10) abzweigt .
12. Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, bei dem eine externe Elektrodeneinrichtung zur Erzeugung elektrischer Gleichspannungsfelder oder -pulse im Kanal (10) oder im Querkanal (13) vorgesehen ist, der vom Kanal (10) abzweigt.
13. Verfahren zur Feldformung in einem Kanal (10) eines fluidischen Mikrosystems (100), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die geometrische Form von e- lektrischen Feldern im Kanal (10) durch die geometrische Form von Schichtstrukturen in Passivierungsschichten (50, 70) bestimmt wird, in denen ein modifizierter Felddurchgriff gegeben ist .
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