Entwicklung eines hochintegrierten bistabilen thermisch aktuieren Aktorarrays zum Aufbau modularer mikrofluidischer Systeme

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Christiane Richter
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253801162

In Biologie, Chemie und Biotechnologie gewinnt die Mikrofluidik zunehmend an Bedeutung. Dabei sind mitunter komplexe Reaktions- und Analysesysteme zu realisieren, in denen Fluidströme gezielt geschaltet werden müssen. Hierfür kommen Mikroventile zum Einsatz, die immer dichter integriert werden müssen. Neben der Integrierbarkeit werden vor allem Ventile benötigt, die individuell angesteuert und bistabil in der jeweiligen Schaltposition gehalten werden können. Dies ist ein entscheidender Nachteil momentan aus der Literatur bekannter Aktorkonzepte für mikrofluidische Ventile: Entweder sie sind technisch aufwändig herzustellen und dadurch kostenintensiv, oder sie lassen sich (wie z.B. monolithische Silikon-Membranventile) nicht bistabil aktuieren, was eine individuelle Adressierbarkeit erschwert.Das Ziel des beantragten Projektes besteht darin, eine Plattform mit mehreren hundert individuell ansteuerbaren bistabilen Aktoren aufzubauen. Dabei soll ein thermisch aktuierter Aktor zum Einsatz kommen, welcher im Rahmen der Promotion der Antragstellerin entwickelt wurde. Der Aktor beruht auf dem Einsatz eines Phasenübergangmaterials, welches einen unter Druck setzbaren mikrofluidischen Kanal versperren und dadurch eine auslenkbare Membran selektiv blockieren kann. Der Vorteil des Aktors besteht darin, dass die einzige zu steuernde Komponente ein Heizwiderstand ist. Aus Vorarbeiten liegt bereits eine elektronische Plattform inklusive Ansteuerung zur individuellen Adressierung 588 einzelner Heizwiderstände vor.Im Rahmen dieses Projekts soll der Aktor zunächst hinsichtlich seiner Reaktionszeit optimiert und dann in hoher Integrationsdichte auf der bestehenden elektronischen Plattform aufgebaut werden. Die Aktorplattform wird dann in ein modulares Gesamtsystem integriert, in dem die von den einzelnen Aktoren ausgeführten Aktorhübe mittels eines parallelen mikrofluidischen Bussteckers konstruktiv von der Aktorplattform auf ein mikrofluidisches System übertragen werden. Der jeweilige Aktorhub wird innerhalb der mikrofluidischen Anwendung zur Deflektion einer Membran und damit zur Bereitstellung eines Ventils verwendet. Auf diese Weise steht eine generell verwendbare mikrofluidische Aktorplattform bereit, welche sich mit applikationspezifischen Mikrofluidiksystemen verbinden lässt.Zur Validierung sollen zwei mikrofluidische Systeme aufgebaut werden. Das erste Testsystem soll die flexible Generierung von Kanalstrukturen mit Hilfe eines mikrofluidischen Kanalnetzwerkes in Form einer Spalten- und Zeilenmatrix mit Ventilstrukturen zum Separieren der einzelnen Kanalsegmente ermöglichen. Das zweite Testsystem soll eine mikrofluidische Struktur zur Verfügung stellen, die es ermöglicht, einzelne Partikel aus einem Fluidstrom zu separieren und durch gezielte Steuerung des Fluidstroms mittels Einsatz der individuell zu steuernden Mikroventile, einzeln wieder zu extrahieren. Dies soll zunächst durch den Einsatz von Polymerpartikeln demonstriert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen