Elektromagnetische Mikroaktoren für Lab-on-Chip-Anwendungen - Stephanus Büttgenbach, Ala'aldeen Al-Halhouli, Stefanie Demming, Andreas Waldschik ...
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Institut für Mikrotechnik Elektromagnetische Mikroaktoren für Lab-on-Chip-Anwendungen Stephanus Büttgenbach, Ala‘aldeen Al-Halhouli, Stefanie Demming, Andreas Waldschik, 25. September 2012
Lab-on-Chip
Integration eines oder mehrerer Laborprozesse auf einem Chip mit
Abmessungen von wenigen Quadratzentimetern
Mikrofluidische Systeme auf Basis unterschiedlicher Mikrofluidik-Plattformen
Anwendungen in der Medizin, Umwelttechnik, Biotechnologie, Pharmazie,
Lebensmitteltechnologie, (Bio)chemie
5 mm
QCM zum Proteinnachweis
Sensors & Transducers 127 (2011) 102
System zum optischen Zell-Screening Mikrobioreaktor für
Nature Protocols 6 (2011) 1642 Fermentationsexperimente
Biomicrofluidics 5 (2011) 014104
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Motivation
Druckgetriebene Mikrofluidik-Plattformen:
Flüssigkeitstransport durch Druckgradienten
Erzeugung der Druckgradienten hauptsächlich durch (externe) Pumpen
Vorteile integrierbarer Mikropumpen:
Verbesserung der Portabilität
Kompatibilität mit dem zu handhabendem Flüssigkeitsvolumen
Aktorprinzipien für Mikropumpen:
Übliche Prinzipien: piezoelektrische, elektrostatische, thermopneumatische Antriebe
Integrierte elektromagnetische Antriebe:
• Vorteile: große Stellkräfte und Stellwege, niedrige Betriebsspannungen, robustes
Verhalten unter rauen Betriebsbedingungen, lange Erfahrung in der Entwicklung
elektromagnetischer Kleinantriebe
• Technologische Schwierigkeiten (Integration magnetischer Strukturen), daher in der
Mikroaktorik zunächst nicht favorisiert
• Diese Situation hat sich infolge technologischer Entwicklungen dramatisch geändert
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 3
Gliederung
Einleitung
Grundlagen elektromagnetischer Mikroaktoren
• Komponenten elektromagnetischer Mikroaktoren
• UV-Tiefenlithographie
• Polymergebundene Permanentmagnete
Elektromagnetische Mikroaktoren als integrierte Antriebe
• Tauchspulaktor
• Synchronmotor (Zahnradpumpe, Spiralpumpe, Mikrorührreaktor)
• Mikro-Stepper-Pumpe
Zusammenfassung
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Grundlagen elektromagnetischer Mikroaktoren
Elektro-magneto-mechanisches Wirkprinzip (Reluktanzkraft)
Normalkraft Tangentialkraft
anziehend zentrierend
BL2 BL2
FN l b FT s b
2 0 2 0
Elektrodynamisches Wirkprinzip (Lorentzkraft)
F I (l B )
• bidirektional
• anziehende und
abstoßende Kräfte
Elektromagnetische Mikroaktoren – Konzepte, Herstellung,
Charakterisierung und Anwendungen, Shaker Verlag, 2010
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Komponenten für elektromagnetische Mikroaktoren:
Mikrospulen
Fluss parallel zum Substrat
Vertikale
Helixspule
Mäanderspule
Fluss senkrecht zum Substrat
Design and Manufacturing
of Active Microsystems,
Springer, 2011
Spiralspule Horizontale Induktive Mikrosysteme:
Mäanderspule Technologieentwicklung
und Anwendung, Shaker
Verlag, 2003
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UV-Tiefenlithographie (1)
AZ9260
Positivresist basierend auf DNQ/
Novolak
Hohe Auflösung in dicken Schichten
bei Aspektverhältnissen bis 13:1
Flankenwinkel 87,9°
Schichtdicken bis 90 µm durch
Mehrfachbelackung erreichbar und
strukturierbar
Gute planarisierende Wirkung
Gute Eignung für Galvanoformung,
da leichte Entfernbarkeit
Technologien und Applikationen der UV-Tiefenlithographie:
Mikroaktorik, Mikrosensorik und Mikrofluidik, Shaker Verlag,
2007
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 7
UV-Tiefenlithographie (2)
Epon SU-8
Negativresist basierend auf
Epoxidharz
Hohe Auflösung in dicken Schichten
bei Aspektverhältnissen von 60:1
und mehr
Flankenwinkel 90,2°
Schichtdicken bis 1000 µm durch
Mehrfachbelackung erreichbar und
strukturierbar
Gute planarisierende Wirkung
Gute Eignung als strukturierte
elektrische Isolationsschicht
Vorteilhafte Materialeigenschaften
für diverse Anwendungen
Technologien und Applikationen der UV-Tiefenlithographie:
Mikroaktorik, Mikrosensorik und Mikrofluidik, Shaker Verlag,
2007
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 8
Linearer Reluktanzschrittmotor
imt Stator
System 1 System 2 System 3
3 mm Läufer
Magne-
tischer Statorpole Läuferpole
Fluss 3D Mäanderspule
IEEE Transactions on Magnetics 43 (2007) 2567
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Komponenten für elektromagnetische Mikroaktoren:
Polymermagnete
Hartmagnetische Pulver eingebettet
in Polymermatrizen
• Hartferrite, Seltene Erden
• Konzentration bis zu 90 Gew.-%
• Partikelgröße 0,8 – 9 µm
Strukturierungsmethoden
• Direkt
• Indirekt (Resistformen,
Abformung mit PDMS)
Isotrope Mikromagneten
• Remanenzmagnetisierungen bis
zu 300 mT
• Strukturhöhen bis zu 600 µm
IEEE Transactions on Magnetics 43 (2007) 3891
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 10Tauchspulaktor
Anwendung:
elektromagnetische Membranpumpe
Auslenkung des
Polymermagneten:
2-30 µm Proc. SPIE 6799, 2007
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 11Herstellung des Tauchspulaktors
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 12Synchronmotor
Doppellagige Spule zur
Flusserzeugung
Permanentmagnete im Rotor
• Polymermagnete
• Gesinterte Magnete
Rotordurchmesser: 1 - 5,5 mm
Führungsring aus SU-8
Sensors & Transducers, Special Issue 3 (2008) 3
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 13Synchronmikromotor als integrierter Antrieb für
mikrofluidische Komponenten
Zahnradpumpe Spiralpumpe Mikrorührer
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 14Zahnradpumpe
Pumpkammer:
Länge: 7,5 – 10 mm; Höhe: 300 µm
Zahnräder:
Anzahl der Zähne: 6, 8, 10
Modul: 0,4 – 0,5
Strom: 100 – 120 mA
Pumprate: 150 µL/min (H2O) bei 150 Umdrehungen
pro Minute
Microsys. Technol. 16 (2010) 1581
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 15Spiralpumpe
Spiralförmiger Kanal
Rotierende Scheibe: 4,5 mm
Kanal:
• Breite 400 µm, Höhe 800 µm Stator
• Innerer Radius 1090 µm Rotor
• Äußerer Radius 1770 µm
Strom: 50 mA
2 mm
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 16Mikrorührreaktor
Ziel 3 mm
Suspensionskultivierung zur
Bestimmung von
Reaktionskinetiken
Design / Herstellung
Mikrorührreaktor mit
integriertem Mikrorührer:
Rotor = Polymermagnet
Stator = Spulen
Reaktor = PDMS-Deckel
Anwendung
Kontinuierliche Kultivierung in
Suspension von S. cerevisiae Formfaktor
Vergleich der Morphologie: q
Ohne Mit Agitation
l
Planktonisches Wachstum Agitation q/l = 0.85
q/l = 0.5
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 17Mikro-Stepper-Pumpe (1)
Fließkanal
• Äußerer 8,55 mm, Innerer 5,55 mm
• Höhe 813 µm
Spulen
• Zweilagig, 35 Windg./Lage
• Leiterbreite 15 µm, Abstand 30 µm
J. Micromech. Microeng. 22 (2012) 06502
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 18Mikro-Stepper-Pumpe (2)
Analytische und numerische (CFD) Analyse
der Scherspannungen
Maximale Scherspannungen sind weit
unterhalb der lytischen Spannungen
für Blut
Bewegung der Magnete im Fließkanal
ist programmierbar
Multifunktionale programmier-
bare Lab-on-Chip-Systeme Nano- / Microscale Thermophys. Eng. 15 (2011) 1
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 19Zusammenfassung
UV-Tiefenlithographie, Mikrogalvanik und Mikro-
verbundwerkstoffe ermöglichen die Realisierung
elektromagnetischer Mikroaktoren
Beispiele: Tauchspulaktor, Synchronmotor
Elektromagnetische Mikroaktoren finden Anwen-
dung als integrierte Antriebe aktiver mikrofluidi-
scher Komponenten
Beispiele: Membranpumpe, Zahnradpumpe,
Spiralpumpe, Mikrorührreaktor
In der Mikro-Stepper-Pumpe treten nur geringe
Scherkräfte auf, daher geeignet für Flüssigkeiten,
die scherempfindliche Partikel enthalten
Ausblick: Multifunktionale programmierbare Lab-
on-Chip-Systeme
25.09.2012 | S. Büttgenbach et al. | Elektromagnetische Mikroaktoren | Seite 20Institut für Mikrotechnik
Die Arbeiten wurden durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert:
SFB „Konstruktion und Fertigung aktiver Mikrosysteme“
Forschergruppe „Mikrosysteme für partikuläre Life-Science-Produkte“
Projekt „Development of an Integrated Electromagnetic Micropump for Biomedical Applications“
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Elektromagnetische Mikroaktoren
für Lab-on-Chip-Anwendungen
Stephanus Büttgenbach, Ala‘aldeen Al-Halhouli, Stefanie Demming, Andreas Waldschik,
25. September 2012Sie können auch lesen
