Hochintegrierte Mikrofluidik-Prozessoren auf Basis intrinsisch aktiver Polymere
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt beschäftigte sich mit den Grundlagen hochintegrierter mikrofluidischer Schaltkreise und rekonfigurierbarer Schaltkreise auf Basis temperatursensitiver Hydrogele. Als materielle Basis konnten zwei PNIPAAm-Derivate, PNIPAAm-co-NA und PNIPAAm-als fotopolymerisierbare Hydrogelsysteme entwickelt und implementiert werden. Beide sind temperatursensitive Hydrogele der 2. Generation, welche bezüglich des Hompolymers PNIPAAm drastisch verbesserte aktorische Eigenschaften aufweisen und damit den Spielraum für die Bauelementegestaltung bedeutend erweitern. Darüber hinaus wurde eine durchgängige Prozesskette zur Fertigung hydrogelbasierter integrierter mikrofluidischer Schaltkreise inklusive Mikrostrukturierung der aktiven Hydrogelschicht, der Kanalstrukturträger, der Bauelementeintegration und Packaging sowie eines ITO-basierten resistiven elektrothermischen Controllers entwickelt, sodass die Fertigungsbasis für die hydrogelbasierte IC-Technologie vorliegt. Zudem existiert ein elektrothermisches Controllerprinzip, welches mit den aktuellen Rasterparametern prinzipiell einen Adressraum von 40.000 steuern kann. Zudem wurde ein Design-Konzept entwickelt, welches es erlaubt, planaren Bauelementen, insbesondere Schaltventilen und chemofluidischen Transistoren, definierte Eigenschaften (Schaltpunkt und Schwellwert, Druckresistenz, preferiertes Zeitverhalten für Öffnungs- und Schließvorgänge) zuzuweisen. Darüber hinaus konnte erfolgreich eine weitere essenzielle Voraussetzung einer IC-Technologie implementiert werden, die mikrofluidische Designautomatisierung MDA. Es liegt ein durchgängiger Workflow von der Schaltungseingabe über die funktionelle Verifikation (Simulation), die Layoutsynthese bis hin zur Ausgabe der Layermasken vor. Zudem ist ein Design-Rule Check implementiert. Grundlage bilden Bauelementemodelle, welche aktuell ca. 20 Material-, Design-, Technologie- und Betriebsparameter umfassen. Die MDA erlaubte es, sehr gut funktionierende Bauelemente und Grundschaltungen zu entwerfen und zu realisieren. Es liegt erstmals ein MDA für eine aktiv-Material-Plattform analog zur Mikroelektronik vor, mit der komplizierte Multilayer-Chiparchitekturen sehr einfach entwerfbar sind. Die Fertigungstechnologie wurde für den TK 250 qualifiziert und lässt sich ohne Methodenänderung bis TK 50 skalieren. Obwohl der von uns realisierte Demonstrator streng genommen nur einen mittleren Integrationsgrad aufweist, können wir aufgrund der erreichten Integrationsdichte von 180 Bauelementen pro cm² die Eignung für die Hochintegration schlussfolgern. Aufgrund starker Designähnlichkeiten bilden unsere Arbeiten die geeignete Basis sowohl für hochintegrierte, hydrogelbasierte MEMS-Schaltkreise als auch für die transistorbasierte, chemische Information verarbeitende Mikrofluidik. Ein hochparalleler Inkubationschip diente zum Nachweis der Biokompatibilität des Systems. Anhand verschiedener Untersuchungen an der Mikroalge Chlamydomonas reinhardtii konnte die Eignung des Systemkonzepts für biologische Anwendungen verifiziert werden. Für das Konzept der frei programmierbaren mikrofluidischen Schaltkreise konnte der Nachweis erbracht werden, dass mit Schaltkreisplattformen auf Basis unstrukturierter homogener Hydrogelschichten rekonfigurierbare mikrofluidische Schaltkreise mit Adressräumen im LSI-Bereich realisierbar sind. Diese ICs sind sowohl kanallos-dynamisch analog zu anderen frei programmierbaren Plattformen wie EWOD als auch statisch durch Feldprogrammierung von komplexen Kanalnetzwerken mit aktiven fluidischen Bauelementen betreibbar. Als besondere Eigenart lassen sich sehr gut Partikel manipulieren. Der erreichte Adressraum von 4.800 bei einem Rastermaß von 500 µm bildet eine geeignete Grundlage für die Realisierung komplexer mikrofluidischer Prozesse. Es wurden grundlegende fluidische Funktionsstrukturen in Form von Grundelementen (fluidische Leiter und Widerstände als Kanäle mit definierter Geometrie, Schaltventile sowie dynamische Kavitäten als Transportelemente) sowie darauf aufbauend als fluidische Grundfunktionen (volumetrische Mischer, Dosierer, Splitter und verschiedene T- und Y-Strukturen) realisiert. Als kritisch ist das Zeitverhalten der rekonfigurierbaren Plattform anzusehen, welches sich mit aktuellen Beschreibzeiten im Bereich von ca. 2 Minuten noch auf einem Niveau von ausschließlich akademischem Interesse bewegt. Jedoch zeigte sich, dass die Plattform Impulsgeber für die Realisierung neuartiger mikrofluidischer Ansätze speziell im Bereich chemofluidischer Systeme ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Mikrofluidik-Prozessor“, DE 10 2006 020 716, Anmeldetag 04/05/2006, erteilt am 21.10.2011
A. Richter, T. Wage, S. Klatt
- Fluidic microchemomechanical integrated circuits processing chemical information. Lab Chip 12 (2012) 23, 5034 – 5044
R. Greiner, M. Allerdißen, A. Voigt, A. Richter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1039/c2lc40617a) - Hydrogel-based microfluidic systems. Adv. Sci. Technol. 81 (2013), 90-95
S. Klatt, M. Allerdißen, R. Körbitz, B. Voit, K.-F. Arndt, A. Richter
- Microfluidic microchemomechanical systems. Adv. Sci. Technol. 81 (2013), 84 - 89
M. Allerdißen, R. Greiner, A. Richter
- Multimodal, high-resolution imaging system based on stimuli-responsive polymers. Adv. Sci. Technol. 82 (2013), 44-49
G. Paschew, R. Körbitz, A. Richter
- Verfahren und Vorrichtung zur gezielten Prozessführung in einem Mikrofluidik- Prozessor mit integrierten aktiven Elementen, DE 10 2012 206 042 B4, Anmeldetag 13.04.2012, Erteilungstag 7.11.2013
A. Richter, R. Greiner, M. Allerdißen
- “Towards computation with microchemomechanical systems”. Int. J. Foundations Computer Science 24 (2014) 4, 507 - 523
A. Voigt, R. Greiner, M. Allerdißen, A. Richter, S. Henker, M. Völp
(Siehe online unter https://doi.org/10.1142/S0129054114400085) - Autonomous chemical oscillator circuit based on bidirectional chemical-microfluidic coupling, Adv. Mater. Technol. 1 (2016), 1600005
G. Paschew, J. Schreiter, A. Voigt, C. Pini, J. P. Chávez, M. Allerdißen, U. Marschner, S. Siegmund, R. Schüffny, F. Jülicher, A. Richter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/admt.201600005)
