Andreas Winkler

SAW-basierte, modulare Mikrofluidiksysteme hoher Flexibilität

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Kurzfassung in Deutsch

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen Konzepts für Herstellung und Handhabung von Mikrofluidiksystemen auf der Basis akustischer Oberflächenwellen (SAW) sowie der Nutzung dieses Konzepts zur Fertigung anwendungsrelevanter Teststrukturen. Schwerpunkte sind dabei unter anderem eine hohe Leistungsbeständigkeit und Lebensdauer der Chipbauelemente und eine hohe technologische Flexibilität bezüglich Herstellung und Einsatz. Ausgehend von einer modularen Betrachtungsweise der Bauelemente wurden vielseitig einsetzbare, elektrisch-optimierte Interdigitalwandler entworfen, verschiedene Herstellungsvarianten für vergrabene Interdigitalwandler hoher Leistungsbeständigkeit auf piezoelektrischen Lithiumniobat-Substraten entwickelt und experimentell verifiziert, ein Sputterverfahren für amorphe SiO2-Dünnschichten hoher Qualität optimiert und eine Federstiftkontakt-Halterung entworfen. Durch Kombination dieser Technologien wurden SAW-Bauelemente für die mikrofluidische Aktorik mit hoher Performance und Reproduzierbarkeit entworfen, charakterisiert und beispielhaft für das elektroakustische Zerstäuben von Fluiden und das Mischen in Mikrokanälen eingesetzt.

weitere Metadaten

Schlagwörter
(Deutsch)
OFW, Oberflächenwellen, Fluidik, Mikrofluidik, Flüssigkeiten, Zerstäuben, SiO2, Dünnschicht, piezoelektrisch, Chiplabor
Schlagwörter
(Englisch)
SAW, surface acoustic wave, fluidics, microfluidics, thin film, piezoelectric, Lab on a Chip
DDC Klassifikation620
RVK KlassifikationUF 4500
Institution(en) 
HochschuleTechnische Universität Dresden
FakultätFakultät Maschinenwesen
BetreuerDr. Hagen Schmidt
Dr. Siegfried Menzel
GutachterProf. Dr.-Ing. habil. Jürgen Eckert
Prof. Dr.-Ing. Andreas Richter
DokumententypDissertation
SpracheDeutsch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)01.06.2011
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung24.11.2011
Veröffentlichungsdatum (online)13.03.2012
persistente URNurn:nbn:de:bsz:14-qucosa-84978
Inhaltsverzeichnisi Kurzzusammenfassung . 5
ii Abstract. 5
iii Inhaltsverzeichnis . 7
iv Abkürzungen und Symbole . 9
1 Überblick . 11
2 Grundlagen und Stand der Technik . 13
2.1 Mikrofluidik . 13
2.1.1 Vom Labor zum Chiplabor . 13
2.1.2 Besonderheiten in miniaturisierten Fluidvolumina . 16
2.2 SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 18
2.2.1 Akustische Oberflächenwellen (SAW) . 18
2.2.2 SAW-Mikrofluidik . 19
2.2.3 SAW-induzierte Strömung ("Acoustic Streaming") . 22
2.2.4 Anforderungen an SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 24
2.2.5 Schädigung SAW-basierter Mikrofluidiksysteme . 26
2.3 Dünnschichten für SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 28
2.3.1 Überblick . 28
2.3.2 Metallisierungssysteme für Interdigitalwandler . 28
2.3.3 Amorphe SiO2-Schichten . 30
2.3.4 Deck- und Funktionsschichten . 32
3 Analysemethoden . 35
4 Technologiekonzept für SAW-basierte Mikrofluidiksysteme . 47
4.1 Modulare Systembeschreibung . 47
4.2 Substratmodul . 50
4.3 Transducermodul . 52
4.3.1 Layout der PSAW-Chipbauelemente . 52
4.3.2 Reinigungsverfahren . 53
4.3.3 Übersicht der untersuchten Herstellungsverfahren . 54
4.3.4 Nasschemisches Ätzverfahren für Al/Ti . 56
4.3.5 Lift-Off Verfahren für Al/Ti . 62
4.3.6 Damaszentechnik für Al2O3/Cu/Ta-Si-N . 65
4.3.7 Vergleich der Herstellungsverfahren . 72
4.4 Funktionsmodul . 75
4.4.1 Hochqualitative SiO2-Schichten . 75
4.4.2 Mikrokanäle . 88
4.4.3 Silanisierung. 88
4.5 Handlingmodul . 90
5 Realisierung und Charakterisierung SAW-basierter Fluidaktoren . 93
5.1 Flexibles Layout für Aktorik-Chipbauelemente . 93
5.2 Chiplayouts für spezielle Anwendungen . 95
5.2.1 Chiplayouts zur IDT-Charakterisierung . 95
5.2.2 Chiplayouts für stehende Wellenfelder . 96
5.2.3 Chiplayouts für "SAW-Stabmixer" . 98
5.2.4 Chiplayouts für tropfenbasierte Fluidik auf Oberflächen . 99
5.3 Wärmeeintrag in Fluide durch "acoustic streaming" . 101
5.4 SAW-basierte Fluidzerstäubung . 104
6 Zusammenfassung & Ausblick . 111
v Literaturverzeichnis . 115
vi Abbildungsverzeichnis . 123
vii Tabellenverzeichnis . 128
viii Selbstständigkeitserklärung . 129
ix Anhang . 131
A1 Bestimmung der Abtragsrate beim Cu-CMP . 131
A2 Ellipsometrie-Modell . 133
A3 "Thin plate spline" Methode für räumlich verteilte Messwerte . 134
A4 Modell des Kammerdrucks . 134
A5 Verzeichnis weiterer Formeln . 136
A6 Visual Basic Programm zur Aerosolcharakterisierung . 138
A7 Visual Basic Programm zur Steppplan-Generierung . 144

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