Mikro- und Nanofluidik auf piezoelektrischen Substraten

Die Verwendung akustischer Oberflächenwellen (OFW) zum Transport
kleinster Flüssigkeitsmengen stellt eine besonders elegante Methode
dar ein mikrofluidisches System zu realisieren. Der Transport
kleinster Flüssigkeitsmengen durch eine OFW bringt große Vorteile
mit sich. Das System besitzt keine beweglichen Bauteile, ist von
außen leicht zugänglich und wird ausschließlich durch
Planartechnologie hergestellt. Ein wesentlicher Bestandteil zur
Anfertigung dieser Arbeit war die Untersuchung akustisch
induzierter Mischvorgänge. Die Fluidik im flüssigkeitsgefüllten
Spalt und speziell der Mischvorgang in einem engen Spalt wurde
betrachtet. Mit diesen Betrachtungen erhielt man die Möglichkeit,
die Wirkung des elektrischen Feldes der OFW, das bei Ausbreitung
einer OFW auf einem piezoelektrischen Substrat vorhanden ist, zu
untersuchen. Durch die Verringerung des mechanischen Einfluss' auf
die Flüssigkeit ergab sich die Möglichkeit die Wirkung des
elektrischen Feldes der OFW auf eine im Spalt befindliche
Nanotubelösung zu beobachten. Füllte man eine Nanotubelösung in den
Spalt, erfuhren die Nanotubes Kräfte durch die Fluidik und das
elektrische Feld. Das Zusammenspiel der beiden Kräfte bietet die
Möglichkeit Nanotubes auszurichten. Wie Nanotubes wurden auch
Flüssigkristallmoleküle ausgerichtet und der dazu notwendige Aufbau
in eine geeignete Optik integriert. Bei den Untersuchungen erwiesen
sich Scherwellenbauteile als geeignete Testsysteme die Ergebnisse
einer weiteren Prüfung zu unterziehen. Mit Untersuchung der
Eigenschaften der Scherwellenbauteile, zeigte sich ihre
Einsatzmöglichkeit in der Mikrofluidik für Aktorik und Sensorik.
Mit Verwendung der Scherwellenbauteile bot sich im weiteren an
Volumenmoden und Modenkonversion zu studieren. Es zeigte sich, dass
Volumenmoden in der akustisch getriebenen Fluidik sehr vorteilhaft
eingesetzt werden können, um kleinste Mengen Flüssigkeiten zu
mischen. Dazu zeigte sich die Möglichkeit auf, die Technik der
akustisch getriebenen Fluidik auf beliebige Materialien zu
erweitern und für Mischeraufbauten zu nutzen. Neben dem Mischen
verschiedener Bestandteile ist die Trennung verschiedener Inhalte
einer Flüssigkeit betrachtet worden. Unter Verwendung elektrischer
Felder wurde Separation eines elektrophoretisch beweglichen
Farbstoffs aus einem akustisch getriebenen Fluss in einem
kontinuierlich fließenden System betrachtet. Bei diesen
Untersuchungen wurde auch die Verwendbarkeit planarer Elektroden
gezeigt und die Übertragbarkeit der Ergebnisse von Wasser auf
Elektrolyte. Mit den Erfahrungen dieser Untersuchungen wurde zum
Abschluss eine Gelelektrophorese für einen Chip mit akustisch
getriebener Fluidik entwickelt. Das System lies sich ohne
Technologiebruch in ein Gesamtsystem integrieren. Dieses Beispiel
für eine Anwendung des Systems zeigt die Verwendbarkeit für
Alltagsprobleme wie der Analyse.