Open Access

Thomas Frommelt

• Im Gegensatz zur Mikroelektronik erlebt die Entwicklung mechanischer Mikrobauteile (MEMS) erst seit Mitte der achtziger Jahre einen Aufschwung. Ein Teil der MEMS-Gemeinde wendet die Vorteile der Miniaturisierung auf Laboranwendungen an und konstruiert sog. Labs-on-a-chip bzw. µTAS (Micro total analysis systems). Die Mikrowelt hält jedoch einige Überraschungen bereit, die neuer Konzepte bedürfen. Die Verkleinerung erhöht das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen drastisch und damit den Einfluss der Reibungskräfte. Eine Technik zur Bewegung von Flüssigkeiten muss also ausreichend Leistung aufbringen und dabei kostengünstig herzustellen und einfach zu steuern sein. Eine solche Methode ist das Acoustic Streaming, bei dem durch Schallwellen eine Strömung im Wasser induziert wird. Auf einem piezoelektrischen Substrat, z.B. LiNbO3, kann mit Hilfe eines Schallwandlers (IDT) eine Oberflächenwelle (SAW) erzeugt werden [White65], wie sie von Lord Rayleigh 1885 theoretisch beschrieben wurdeIm Gegensatz zur Mikroelektronik erlebt die Entwicklung mechanischer Mikrobauteile (MEMS) erst seit Mitte der achtziger Jahre einen Aufschwung. Ein Teil der MEMS-Gemeinde wendet die Vorteile der Miniaturisierung auf Laboranwendungen an und konstruiert sog. Labs-on-a-chip bzw. µTAS (Micro total analysis systems). Die Mikrowelt hält jedoch einige Überraschungen bereit, die neuer Konzepte bedürfen. Die Verkleinerung erhöht das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen drastisch und damit den Einfluss der Reibungskräfte. Eine Technik zur Bewegung von Flüssigkeiten muss also ausreichend Leistung aufbringen und dabei kostengünstig herzustellen und einfach zu steuern sein. Eine solche Methode ist das Acoustic Streaming, bei dem durch Schallwellen eine Strömung im Wasser induziert wird. Auf einem piezoelektrischen Substrat, z.B. LiNbO3, kann mit Hilfe eines Schallwandlers (IDT) eine Oberflächenwelle (SAW) erzeugt werden [White65], wie sie von Lord Rayleigh 1885 theoretisch beschrieben wurde [Rayleigh85]. In der Makrowelt kennt man solche Rayleigh-Wellen als Erdbeben. Wird auf das Substrat nun eine Flüssigkeit abgesetzt, so wird diese periodisch durch die SAW angeregt. Die entstehende Schallwelle in der Flüssigkeit bewirkt Acoustic Streaming, das zum Transport innerhalb der Flüssigkeit, aber auch des Fluidvolumens selbst verwendet werden kann. In den letzten Jahren wurde eine breite Palette von Anwendungen erschlossen. Die vorliegende Arbeit führt diese Entwicklungen auf theoretischer und experimenteller Ebene fort. Dazu wird in Kapitel 2 eine Einführung in die Theorie akustischer Wellen im Festkörper gegeben. In Kapitel 3 stellen wir den Cantilever-Pin-Probenhalter vor, auf dem unsere Mikrofluidik-Chips temperaturgeregelt und frei zugänglich unter dem Auflichtmikroskop betrieben werden. Ferner werden die Steuerungssoftware zur Ausführung benutzerdefinierter Mikrofluidik-Programme und die Design-Anwendungen zur Herstellung von SAW-Mikrofluidik-Chips beschrieben. In Kapitel 4 erörtern wir die SAW-Fluidik als theoretisch anspruchsvolles und interessantes Multiskalenproblem: Die Periodendauer der Schallwelle beträgt etwa 1E-8 s, das Acoustic Streaming ist aber ein zeitgemittelter Fluidik-Effekt auf der Skala von Sekunden. Auch die Längenskalen unterscheiden sich enorm. So bewegt sich die SAW-Amplitude zwischen 1E-10 m und 1E-9 m, die Wellenlänge ist etwa 1E-5 m und die Ausdehnung der Flüssigkeit erreicht bis zu 1E-3 m. Diese Problematik führt die aktuelle Simulationstechnik an ihre Grenzen. Wir legen dar, dass die FEM-Simulation des Acoustic Streaming durch Zeitmittelung der zeitabhängigen Lösung der kompressiblen Navier-Stokes-Gleichung nur in 2d Geometrien effizient ist [Köster06A]. In experimentell relevanten 3d Gebieten übersteigt die FEM-Simulation der Akustik die Speicherkapazität moderner Rechner bei weitem und würde Rechenzeiten von mehreren Monaten erfordern. Für unsere 3d Experimente entwickeln wir einen Raytracing-Algorithmus und ein Kraftmodell, dessen Proportionalitäten und eingehende Konstanten aus Experiment und Literatur abgeleitet werden. Die entwickelten Module simulieren das 3d Acoustic Streaming dann schnell und umfassend von der Anregung der SAW bis zur Fluidik. Kapitel 5 beschäftigt sich mit Mischen in der SAW-Fluidik. Für Lab-on-a-chip-Reaktionen ist eine homogene Durchmischung notwendig, die innerhalb kurzer Zeit mit geringem Energieaufwand erzielt werden muss. In der Mikrofluidik stellt Mischen eine komplexe Aufgabe dar, da in den laminaren Strömungen scheinbar nur die Diffusion zur Durchmischung führen kann. Damit dies in akzeptabler Zeit stattfindet, benötigt man Geometrien, deren Ausdehnungen senkrecht zur Flussrichtung wenige Mikrometer groß sind. In beliebig geformten Geometrien tut demnach ein alternatives Konzept Not. Das von Hassan Aref theoretisch erforschte Prinzip der chaotischen Advektion [Aref84] wurde bereits in Kanalströmungen zur Mischung herangezogen [Stroock02]. Wir führen die chaotische Advektion in einem zylindrischen Wasservolumen herbei, in dem weder Turbulenzen noch Diffusion eine Rolle spielen. Zu verschiedenen Antriebskonfigurationen werden die optimalen Betriebsparameter in Experiment und Simulation ermittelt. Dazu berechnen wir in beiden Fällen den inversen Variationskoeffizient auf einer systemrelevanten Skala als Maß für die Mischungsqualität. Den Abschluss der Arbeit bildet in Kapitel 6 eine Machbarkeitsstudie über Sortiermechanismen. Der erste Teil beschäftigt sich mit gezielter Migration von Teilchen durch Dielektrophorese. Mit dem Effekt der negativen Dielektrophorese wird so eine Umleitung von Teilchen in Mikrofluidik-Kanälen realisiert. Die positive Dielektrophorese dient zur Abscheidung von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren aus der Strömung. Die Optimalfrequenz zur Abscheidung bestimmen wir durch Messung der Impedanzänderung mit einem Richtkoppler. Im zweiten Teil stellen wir eine Methode zur größenselektiven Akkumulation von Teilchen in Wirbeln vor.…
• The development of micro-electromechanical devices (MEMS) has boomed significantly since the mid eighties. Hereby, parts of the community apply the advantages of miniaturization on lab applications resulting in so-called Labs-on-a-chip or µTAS (Micro total analysis systems). However, the micro-world also has several surprises in store which demand for new concepts. Reducing the system size increases the surface to volume ratio dramatically and likewise the influence of friction. Therefore, a technique for actuate fluids must offer enough power. At the same time, production and control mechanisms must be cheap and easy. As the amount of fluid is typically in the range of nanoliters to few microliters, a pumping system must work without dead volume. A method combining these properties is Acoustic Streaming, where sound waves induce a flow in water. On a piezoelectric substrate like LiNbO3, a surface acoustic wave (SAW) can be excited by means of an interdigital transducer (IDT)The development of micro-electromechanical devices (MEMS) has boomed significantly since the mid eighties. Hereby, parts of the community apply the advantages of miniaturization on lab applications resulting in so-called Labs-on-a-chip or µTAS (Micro total analysis systems). However, the micro-world also has several surprises in store which demand for new concepts. Reducing the system size increases the surface to volume ratio dramatically and likewise the influence of friction. Therefore, a technique for actuate fluids must offer enough power. At the same time, production and control mechanisms must be cheap and easy. As the amount of fluid is typically in the range of nanoliters to few microliters, a pumping system must work without dead volume. A method combining these properties is Acoustic Streaming, where sound waves induce a flow in water. On a piezoelectric substrate like LiNbO3, a surface acoustic wave (SAW) can be excited by means of an interdigital transducer (IDT) [White65]. These waves were described theoretically by Lord Rayleigh in 1885 [Rayleigh85] and are well known as earthquakes in the macroscopic world. A liquid deposited on the substrate is then stimulated periodically by the SAW underneath. The emerging sound wave causes Acoustic Streaming, used for transport within the liquid or of the liquid volume itself. Since 2000, a diversity of applications has been explored. This thesis continues the successful research in theoretical and experimental respects. For this, chapter 2 contains a short introduction to the theory of acoustic waves in solids. In chapter 3, we present the cantilever-pin specimen holder, on which our freely accessible microfluidic chips are operated at controlled temperatures below a microscope. Moreover, further elements are described, like the software controlling the execution of user-defined microfluidic programs or the applications for designing and producing SAW-microfluidic-chips. In chapter 4 we discuss SAW-fluidics as theoretically challenging and interesting multi-scale problem: Acoustic Streaming is a time-averaged nonlinear fluidic effect on the scale of seconds but it is caused by acoustic waves with periodic times around 1E-8s. Length scales also differ seriously. The SAW-amplitude ranges between 1E-10m and 1E-9m, the wave length is about 1E-5m and the extensions of the fluid reach 1E-3m. These difficulties show the limitations of actual simulation techniques. We point out that the FEM-simulation of Acoustic Streaming by time-averaging the time-dependent solution of the compressible Navier-Stokes-equation is only efficient in 2d geometries [Köster06A]. In relevant experimental 3d geometries, the FEM-simulation of acoustics surpasses the RAM-capacity of modern computers by far and calculations would take several months. Hence, we derived a force model in combination with a ray tracing algorithm to handle 3d geometries. All contained proportionalities and constants could be derived from experiments and literature. Now, the developed modules are able to simulate 3d Acoustic Streaming fast and comprehensive from the excitation of the SAW to the fluidics of the incompressible Navier-Stokes-equation. Chapter 5 deals with mixing in SAW-fluidics. In order to accelerate Lab-on-a-chip reactions, a homogeneous composition is necessary and must be achieved quickly and with the least amount of energy. In microfluidics, mixing is a complex task, as occurring flows are laminar. So turbulences are negligible and diffusion seems to be the only remaining mixing effect. However, within an acceptable time diffusive homogenization happens only in geometries, whose extensions perpendicular to the flow direction have been reduced to several microns. In arbitrary shaped geometries, an alternative concept is necessary. The method of chaotic advection [Aref84], examined theoretically by Hassan Aref, has already been used in duct flows [Stroock02]. We induce chaotic advection in a cylindrical water volume, where neither diffusion nor turbulences play a role. For different actuation schemes the optimal parameters of operation are determined in simulations and experiments. This is enabled by introducing the inverse coefficient of variation as a measure of mixing quality on relevant system scales. The thesis is concluded by feasibility studies on sorting mechanisms in chapter 6. The first part covers manipulation of particles via dielectrophoresis. By negative dielectrophoresis, beads and vesicles are redirected between microfluidic channels. The positive dielectrophoresis was utilized for depositing single-wall carbon nanotubes from the flow. The optimum frequency for the deposition was investigated by measuring the impedance variation with a directional coupler. In the second part, we present a novel method for size-dependent accumulation of particles in vortices.…