Elektrobenetzung mit Atomlagenabscheidung (EWALD)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Holger Vogt
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 325152037

Im Rahmen des Projektes sollen hydrophobe Oberflächenstrukturen am Beispiel des Elektrowettings mit Dielektrikum (engl. Electrowetting on Dielectrics, EWOD) untersucht werden. Hydrophobe Oberflächen sind so geschaffen, dass sich Flüssigkeiten mit einem niedrigen Fließwiderstand durch Kapillare bewegen können, wodurch eine Pfropfenströmung mit hohem Volumenfluss möglich wird. Man erhält die Hydrophobizität z. B. durch eine spezifisch gewählte Oberflächenstruktur. Außerdem wird sie durch die Materialwahl an der Grenzfläche beeinflusst. Mit Elektrowetting lässt sie sich schließlich gezielt einstellen und regeln. Die Steuerwirkung erfolgt dabei durch ein elektrisches Feld zwischen einer Elektrode direkt unter der Oberfläche und dem Flüssigkeitstropfen. In diesem Projekt werden Oberflächenstrukturen untersucht, die diese drei Methoden kombiniert nutzen und so eine ideale, steuerbare Oberfläche bilden. Die Oberflächen-strukturen sollen mit Hilfe eines Opferschichtverfahrens erstellt werden, wobei die einzeln kontaktierbaren Elektroden, mit Atomic-Layer-Deposition (ALD) abgeschieden, in ebenfalls mit ALD hergestellten ultradünnen, isolierenden Schichten eingebettet sind. Durch das Auftragen einer weiteren dünnen dielektrischen Schicht auf der Elektrode kann das Benetzungsverhalten zur Flüssigkeit zusätzlich beeinflusst werden. Das EWOD-Verfahren ermöglicht dann die Steuerung der Benetzbarkeit der Oberfläche mit einer wegen der dünnen Schichten niedrigen elektrischen Spannung bei nahezu idealer hydrophober Oberfläche. In einem Mikrofluidik-System aus mehreren Elektroden können mit einer gezielten Modulation Flüssigkeitstropfen zweidimensional generiert, bewegt und geteilt werden.In diesem Projekt wird dieses neue Konzept entwickelt. Anhand von Prototypen soll gezeigt werden, dass die zur Bewegung der Flüssigkeitstropfen benötigte elektrische Spannung deutlich reduziert werden kann. Das Auftragen des Dielektrikums auf die Elektrode mit ALD ergibt sehr dünne Schichten (1 Monolage bis wenige Nanometer). Dadurch reduziert sich die Steuerspannung von aktuell ca. 40V auf wenige Volt. Zusätzlich können in Kombination mit Opferschichtverfahren beliebige Oberflächenstrukturen hergestellt werden zur Erhöhung der Hydrophobizität. Diese Strukturen sind CMOS-kompatibel. Damit schafft das Projekt die Grundlagen für effiziente steuerbare Mikrofluidik-Chips mit integrierter Steuerelektronik für komplexe Lab-On-Chip-Anwendungen.Die Arbeitspakete des Projekts reichen von der Modellbildung der Strukturdefinition, mit der zugehörigen Layout-Erstellung, der Materialauswahl und der Simulation des Elektrowetting-Verfahrens bis hin zur Fertigung und Charakterisierung der Strukturen. Darüber hinaus gehört der Aufbau von Messständen für die messtechnische Evaluierung der Prototypen zu den geplanten Aufgaben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortliche: Erik Verheyen; Dr.-Ing. Reinhard Viga