DE102004062874A1

DE102004062874A1 - Elektrokinetische Mikroleistungszelle, die einen Mikrofluidchip des Mehrfachkanaltyps verwendet

Info

Publication number: DE102004062874A1
Application number: DE102004062874A
Authority: DE
Inventors: Myung-Suk Chun; Nak Won Choi
Original assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Korea Institute of Science and Technology KIST
Current assignee: Korea Advanced Institute of Science and Technology KAIST; Korea Institute of Science and Technology KIST
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2024-12-22
Also published as: KR100763568B1; DE102004062874B4; KR20060034610A; US7674545B2; US20060083661A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine neue Mikroleistungszelle, die den Mikrofluidchip vom Mehrfachkanaltyp anwendet. Das Strömungspotential ist der Hauptschub, der durch das elektrokinetische Prinzip von Helmholtz-Soluchowski erzeugt wird, wenn eine Elektrolytlösung durch einen Mikrokanal strömt. Der Mikrofluidchip umfasst eine Einströmöffnung (10), einen Verteiler (20), einen Mehrfachkanal (30), eine Sammeleinrichtung (40), eine Ausströmöffnung (50) und ein Paar von Elektroden (60). Die vorliegende Erfindung könnte auf eine neue Stromquelle für saubere Energie angewendet werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikroleistungszelle mit einem Mikrofluidchip, der durch das Strömungspotential von Fluid, das durch Mikrokanäle strömt, elektrische Energie erzeugen kann.

Wenn Fluid durch einen Druckgradienten durch einen geladenen Kanal strömt, wird die Dichte von Gegenionen, deren Ladung zu jener der Wandoberfläche entgegengesetzt ist, nahe der Oberfläche der Kanalwand höher, was zum Aufbau der elektrischen Doppelschicht (der sogenannten Debye-Schicht) führt. Die Gegenionen in der elektrischen Doppelschicht erzeugen den Strömungsstrom durch die Strömung in Richtung des Druckgradienten. Aufgrund der Potentialdifferenz, die durch den Verteilungsgradienten zwischen den Mitionen und den Gegenionen verursacht wird, wird das Strömungspotential zwischen der Einlass- und der Auslassseite des Kanals erzeugt. Da die Gegenionen stromabwärts angesammelt werden, bewegen sich die Gegenionen zur entgegengesetzten Richtung des Druckgradienten (d. h. der entgegengesetzten Richtung der Fluidströmung) durch den Rückdiffusionseffekt, weshalb Leitungsströme induziert werden. Es ist zu beachten, dass die Summierung des Strömungsstroms und des Leitungsstroms im stationären Zustand Null ist, was die Bewahrung eines Nettostroms im Kanal bedeutet.

Wenn eine Elektrolytlösung, die mit willkürlicher Ionenkonzentration (d. h. Ionenstärke) hergestellt wird, innerhalb des geraden zylindrischen Kanals mit einem wohldefinierten kreisförmigen Querschnitt strömt, ist die Beziehung zwischen dem Zeta-Potential ζ und dem Strömungspotential E durch Gleichung 1 gegeben, die als Helmholtz-Smoluchowski-Gleichung (H-S-Gleichung) bezeichnet wird. [Gleichung 1]

wobei

E: das durch den elektrokinetischen Effekt induzierte Potential, d. h. das Strömungspotential, bedeutet,
ΔP: die zwischen beiden Enden des Kanals ausgeübte Druckdifferenz bedeutet,
ε₀: die Dielektrizitätskonstante im Vakuum oder die absolute Dielektrizitätskonstante im Vakuum bedeutet,
ε_r: die relative Dielektrizitätskonstante der Elektrolytlösung bedeutet,
λ₀: die elektrische Leitfähigkeit der Elektrolytlösung bedeutet, und
η: die Viskosität der Elektrolytlösung bedeutet.

Für entweder eine hohe Ionenkonzentration der Elektrolytlösung oder ein niedriges Oberflächenpotential stimmt das durch Messungen erhaltene Zeta-Potential ziemlich genau mit dem durch Gleichung 1 abgeschätzten überein.

Viele Forscher haben versucht, die elektrokinetischen Phänomene zu verstehen und das im Mikrokanal mit einem Durchmesser von weniger als einigen Hundert Mikrometern fließende Fluid und das Strömungspotential gemäß diesem zu analysieren.

Vor etwa 40 Jahren wandten sich Rice und Whitehead einem Korrekturfaktor für die analytische Lösung der Poisson-Boltzmann-Gleichung (P-B-Gleichung), der auf den Fall der Verwendung der H-S-Gleichung (d. h. Gleichung 1) angewendet werden sollte, im Dokument [C.L. Rice, R. Whitehead, "Electrokinetic flow in a narrow cylindrical capillary", J. Phys. Chem., 69, 4017-4024, 1965] zu.

Die obige Forschung ist jedoch auf die Elektrolytlösung vom 1:1-Typ mit niedrigem Oberflächenpotential begrenzt, da die Debye-Hückel-Näherung angewendet wird.

Levine u. a. präsentierten eine analytische Lösung der P-B-Gleichung, die auf eine einwertige symmetrische Elektrolytlösung mit denselben Beweglichkeiten für einen vollen Bereich des Oberflächenpotentials anwendbar ist, im Dokument [S. Levine, J.R. Marriott, Gl. Neale, N. Epstein, "Theory of electrokinetic flow in fine cylindrical capillaries at high zeta-potentials", J. Colloid Interface Sci., 52, 136-149, 1975].

Das Strömungspotential, das ein zur Elektroosmose entgegengesetzter Mechanismus ist, ist eines der elektrokinetischen Phänomene. Das Strömungspotential wurde als nützliches Verfahren zum Bestimmen des unbekannten Zeta-Potentials entsprechend dem Oberflächenpotential von geladenem Material betrachtet. Aus Untersuchungen an der Filtration mit einer porösen Membran, die im Dokument von Causserand u. a. [C. Causserand, M. Nyström, P. Aimar, "Study of streaming potentials of clean and fouled ultrafiltration membranes", J. Membr. Sci., 88, 211-222, 1994] und im Dokument von Szymczyk u. a. [A. Szymczyk, B. Aoubiza, P. Fievet, J. Pagetti, "Electrokinetic phenomena in homogenous cylindrical pores", J. Colloid Interface Sci. 216, 285-296, 1999] offenbart sind, kann bekannt sein, dass die Messung des elektrokinetischen Strömungspotentials effektiv zur Ladungscharakterisierung der Pore und der Oberfläche von porösem Material beiträgt.

Wie im Dokument von Sung u. a. [J.H. Sung, M.-S. Chun, H.J. Choi, "On the behavior of electrokinetic streaming potential during protein filtration with fully and partially retentive nanopores", J. Collid Interface Sci. 264, 195-202, 2003] oder im US-Patent von Chun u. a. [M.-S. Chun, J.-J. Kim, S.-Y. Lee, "Equipment and method of local streaming potential measurement for monitoring the process of membrane fouling in hollowfiber membrane filtration", US-Patent Nr. 6 277 099, B2, 2004] offenbart, kann eine wichtige Information über die Abscheidung von kolloidalen Teilchen auf der Oberfläche der porösen Membran durch Überwachen des dynamischen Verhaltens der elektrokinetischen Strömungspotentiale mit dem Zeitverlauf erhalten werden.

Die physikalische Bedeutung der obigen Gleichung 1 besteht darin, dass, wenn die Elektrolytlösung in einem geladenen Kanal mit einem Druckgradienten ΔP strömt, die Potentialdifferenz ΔE zwischen den Enden des Kanals auftritt. Folglich schafft das Verbinden der externen Schaltung, an die ein geeigneter Widerstand angelegt ist, die elektrische Energie, die vom elektrischen Strom und Potential angetroffen wird. In letzter Zeit wurde eine Forschung an der Möglichkeit des Strömungspotentials, das durch das elektrische Prinzip erzeugt wird, als Energiequelle dargestellt. Im Dokument von Daniel Kwok [J. Yang, F.L. Larry, W. Kostiuk, D.Y. Kwok, "Electrokinetic microchannel battery by means of electrokinetic and microfluidic phenomena", J. Micromech. Microeng., 13, 963-970, 2003] wurde berichtet, dass, wenn das Leitungswasser durch die Druckdifferenz in einem mikroporösen Glasfilter (Durchmesser 2 cm, Dicke 3 mm, Schott-Duran, Mainz), der mit ungeordneten Poren mit einer Porengröße von 10-16 μm und maximaler Porosität von 60% strukturiert ist, fließt, der Maximalwert des Strömungspotentials von 10 V und der maximale Strom von einigen μA erhalten werden konnte.

Eine für das Strömungspotential relevante Leistungszelle, die für den praktischen Betrieb gelten könnte, wurde jedoch bis jetzt nicht entwickelt.

Sowohl der MEMS-Prozess als auch Mikrobearbeitungstechnologien ermöglichen uns, Mikrokanäle mit gewünschter Kanalabmessung herzustellen. Unter Verwendung des Verfahrens für ein Labor auf einem Chip auf der Basis dieser Technologien können das gesamte Mikroanalysesystem (μ-TAS) sowie das System mit hohem Durchsatz (HTS) realisiert werden. Wie in der Forschung von Shoji und Esashi [S. Shoji, M. Esashi, "Microflow devices and systems" J. Micromech. Microeng., 4, 157-171, 1994] gezeigt, entwickelten die frühen Forscher von den 80-er Jahren bis zur Mitte der 90-er Jahre hauptsächlich die Mikrofluidvorrichtungen mittels der Mikrobearbeitung auf Siliciumbasis.

Da die Instrumente in der Halbleiterindustrie fortgeschritten sind, wurde das Paradigma der Herstellungstechnologie hinsichtlich Mikrofluidvorrichtungen auch verändert. Nach der Mitte der 90-er Jahre wurde eine Mikrobearbeitungstechnologie für die wegwerfbaren Kunststoffmaterialien, die leicht massenweise reproduzierbar sind, entwickelt. Die Originalform für die Vervielfältigung kann durch die herkömmliche Mikrobearbeitungstechnologie auf Siliciumbasis hergestellt werden. Wie die Untersuchung von Jo u. a. [B.-H. Jo, L.M. van Lerberghe, K.M. Motsegood, D.J. Beebe, "Three-dimensional micro-channel fabrication in polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer", J. Microelectromech. Sys., 9(1), 76-81, 2000], ist ein Verfahren unter Verwendung von Photoresist SU8 und Polydimethylsiloxan (PDMS) als einfache und kostengünstige Technologie umfangreich bekannt.

Da PDMS im Bereich von sichtbarem oder nahem UV-Licht tatsächlich inert und transparent ist, hat es Vorzüge als Material für eine Mikrofluidvorrichtung. Um den Mikrokanal herzustellen, wird eine Originalform, die der Mikrokanalform entspricht, auf dem Siliciumwafer ausgebildet. Flüssiges PDMS-Prepolymer wird über die Form gegossen und dann gehärtet. Anschließend wird die PDMS-Kopie von der Originalform abgelöst und die Kopie wird mit einem Deckglas versiegelt, um die Kanäle einzuschließen.

Wie in der Untersuchung von McDonald und Whitesides [J.C. McDonald, G.M. Whitesides, "Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic devices", Acc. Chem. Res., 35(7), 491-498, 2002] offenbart, ist das obige Verfahren hinsichtlich des Prozesses leichter und hinsichtlich der Kosten niedriger als das herkömmliche Verfahren zum Ätzen des Glas- oder Siliciumwafers angesichts der Massenproduktion eines Mikrofluidchips.

Die Erfindung wird vorgestellt, um zum Strömungspotential an einer elektrischen Stromquelle zu gelangen. Die elektrokinetischen Phänomene führen zu einer Erzeugung eines Strömungspotentials, wenn die Elektrolytlösung in Mikrokanälen strömt, wodurch eine elektrokinetische Mikroleistungszelle implementiert werden kann. Bei der Herstellung der Strömungspotentialzelle wird die Mikrofluid-Chipvorrichtung vom Mehrfachkanaltyp mittels des MEMS-Prozesses und einer Mikrobearbeitung auf der Basis des Kopieformens (REM) gestaltet und hergestellt.

Eine erfindungsgemäße elektrokinetische Mikroleistungszelle kann effizient elektrische Energie erhalten, da das Strömungspotential und der Strömungsstrom offensichtlich maximal erzeugt wurden.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Mikroleistungszelle zu schaffen, die einen Mikrofluidchip des Mehrfachkanaltyps verwendet und elektrische Energie aus dem Strömungspotential von Fluid, das in Mikrokanälen strömt, erzeugen kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung betrifft einen Mikrofluidchip, in dem ein Mehrfachkanal dazu ausgelegt ist, die elektrische Energie durch das Strömungspotential zu erzeugen, sowie eine Mikroleistungszelle, die den Mikrofluidchip verwendet.

Der erfindungsgemäße Mikrofluidchip umfasst:
eine Einströmöffnung, in die Fluid eingeleitet wird,
einen Verteiler, der sich zwischen der Einströmöffnung und dem Mehrfachkanal befindet, bei dem das zugeführte Fluid durch die Einströmöffnung in den Mehrfachkanal fließt,
einen Mehrfachkanal, in dem alle Mikrokanäle parallel zueinander angeordnet sind und in dem eine elektrische Potentialdifferenz zwischen beiden Enden eines Einlasses und eines Auslasses des Mikrokanals durch das Strömungspotential auftritt, wenn das Fluid durch den Mikrokanal strömt,
eine Sammeleinrichtung, die Fluid sammelt, das durch den Mehrfachkanal ausströmt,
eine Ausströmöffnung, aus der das Fluid von der Sammeleinrichtung ausströmt, und
ein Paar Elektroden, die jeweils im Verteiler und in der Sammeleinrichtung angeordnet sind und die mit der externen Schaltung verbunden werden können.

Vorzugsweise liegt die Einströmöffnung gemäß der Erfindung auf der Einlassseite des Mikrokanals, die sich auf der einen Seite des Mehrfachkanals befindet, während die Ausströmöffnung auf der Auslassseite des Mikrokanals liegt, die sich auf der anderen Seite des Mehrfachkanals befindet.

Es wird bevorzugt, dass der Verteiler und die Sammeleinrichtung eine Trapezform besitzen. Mit anderen Worten, die Querschnittsfläche des Verteilers nimmt von der einen Seite, die sich an der Einströmöffnung befindet, zur anderen Seite ab. Ferner nimmt die Querschnittsfläche der Sammeleinrichtung auch von der einen Seite, die sich an der Ausströmöffnung befindet, zur anderen Seite ab.

In der Erfindung ist die Mikrokanalbreite mit etwa 10 bis 200 μm, vorzugsweise 20 bis 100 μm ausgebildet. Die Mikrokanaltiefe ist mit etwa 10 bis 200 μm, vorzugsweise 50 bis 100 μm ausgebildet. Die Mikrokanallänge ist mit etwa 500 μm bis 1 cm, vorzugsweise 1 mm bis 3 mm ausgebildet.

Der Abstand zwischen den Mikrokanälen ist mit etwa 10 bis 200 μm, vorzugsweise 50 bis 200 μm ausgebildet, was zur Mikrokanaltiefe ähnlich ist.

Im erfindungsgemäßen Mikrofluidchip ist die Anzahl von Mikrokanälen mit etwa 20 bis 200, vorzugsweise 50 bis 150 ausgebildet.

Der erfindungsgemäße Mikrofluidchip umfasst ein oberes Substrat und ein unteres Substrat. Das obere Substrat umfasst:
den Verteiler, den Mehrfachkanal und die Sammeleinrichtung, die in einer gegebenen Höhe von der unteren Oberfläche ausgebildet sind, damit das Fluid strömen kann; und
die Einströmöffnung und die Ausströmöffnung, die mit dem Verteiler bzw. der Sammeleinrichtung verbunden sind.

Als oberes Substrat kann ein transparenter Kunststoff wie z. B. PDMS verwendet werden. Als unteres Substrat kann ein Deckglas verwendet werden.

Die Elektroden befinden sich im Verteiler und in der Sammeleinrichtung. Es wird bevorzugt, dass Löcher zum Verlängern der Elektroden zur externen Schaltung am Verteiler und Löcher zum Verlängern der Elektrode zur externen Schaltung an der Sammeleinrichtung im oberen Substrat ausgebildet sind.

Ein Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Mikrofluidchip umfasst die folgenden Schritte:
Abscheiden von Photoresist auf dem Siliciumwafer;
Ausbilden eines Maskenmusters und dann Strukturieren durch Belichten des auf dem Wafer abgeschiedenen Photoresists mit dem UV-Licht durch das Maskenmuster hindurch;
Herstellen einer Originalform durch Entwickeln des Wafers; Formen von PDMS auf der Originalform und dann Ablösen desselben von der Originalform;
Ultraschallwaschen des PDMS und des Deckglases und dann Versiegeln des PDMS mit dem Deckglas durch reaktives Ionenätzen (RIE); und
Einsetzen der Elektroden in den Verteiler sowie in die Sammeleinrichtung aus PDMS.

Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser ersichtlich, in denen:
1 eine Anordnung einer Photomaske zur Herstellung eines Mikrofluidchips vom Mehrfachkanaltyp darstellt.
2 einen Prozessablaufplan zur Herstellung des Mikrofluidchips vom Mehrfachkanaltyp darstellt.
3a-3e Querschnittsansichten zur Herstellung des Mikrofluidchips vom Mehrfachkanaltyp darstellen.
4a-4c eine perspektivische Ansicht und Querschnittsansichten des Mikrofluidchips vom Mehrfachkanaltyp darstellen.
5 ein Systemblockdiagramm für eine elektrokinetische Mikroleistungszelle gemäß der Erfindung darstellt.
6 ein Bild einer Originalform darstellt, die bei der Herstellung des PDMS-Glas-Mikrofluidchips mit verschiedenen Größen der Kanalbreite, Kanallänge und des Abstandes zwischen den Kanälen verwendet wird.
7 eine Mikrophotographie eines in der Originalform ausgebildeten Mehrfachkanals darstellt.
8 ein Bild der Strömungspotentialzelle darstellt, in dem der Mikrofluidchip, in den Ag/AgCl-Elektroden eingesetzt sind, auf der Leiterplatte (PCB) montiert ist.
9 ein Ergebnis der Messung von Strömungspotentialen als Funktion der Kanalbreiten darstellt, wenn deionisiertes Wasser, Elektrolytlösungen von 0,1 mM KCl und 1,0 mM KCl durch den Mehrfachkanal des erfindungsgemäßen Mikrofluidchips strömen.
10 ein Ergebnis der Messung von Strömungspotentialkoeffizienten als Funktion der Kanalbreiten darstellt, wenn deionisiertes Wasser, Elektrolytlösungen von 0,1 mM KCl und 1,0 mM KCl durch den Mehrfachkanal des erfindungsgemäßen Mikrofluidchips strömen.
11 die Ergebnisse der Strömungspotentialmessungen für die Kanalbreiten von 20 μm, 30 μm, 50 μm und 100 μm als Funktion der Ionenkonzentration der Elektrolytlösung zeigt.
Nachstehend wird die erfindungsgemäße Mikroleistungszelle konkret mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die Erfindung wird jedoch nicht durch diese nachstehenden Ausführungsformen eingeschränkt.
[AUSFÜHRUNGSFORM 1]
HERSTELLUNG DER ORIGINALFORM ZUR HERSTELLUNG EINER MIKROFLUIDCHIPVORRICHTUNG VOM MEHRFACHKANALTYP GEMÄSS DER ERFINDUNG
1 stellt eine Photomaskenzeichnung dar, die mit AutoCAD^® 2002 als ersten Schritt zur Herstellung des erfindungsgemäßen Mikrofluidchips entworfen wurde. Der Chip umfasst die Einströmöffnung 10, den Verteiler 20, den Mehrfachkanal 30, die Sammeleinrichtung 40 und die Ausströmöffnung 50.
In den Verteiler 20 und in die Sammeleinrichtung 40 sollten Ag/AgCl-Elektroden eingesetzt werden. Daher sollten der Verteiler 20 und die Sammeleinrichtung 40 mit einer ausreichenden Tiefe ausgebildet werden, um die Elektroden in diesen anzuordnen. Ebenso sollte der aus 100 Mikrokanälen bestehende Mehrfachkanal 30 mit derselben Tiefe wie der Verteiler 20 und die Sammeleinrichtung 40 ausgebildet werden. Da der Durchmesser von herkömmlichen Elektroden etwa 100 μm beträgt, ist es optimal, die Mikrokanaltiefe mit etwa 100 μm auszubilden.
Der Durchmesser der Einströmöffnung 10, in die Fluid strömt, und der Ausströmöffnung 50, aus der Fluid ausströmt, kann so bestimmt werden, dass die Einströmöffnung 10 und die Ausströmöffnung 50 zweckmäßig mit externen Rohren verbunden werden. In der Ausführungsform weisen die externen Rohre einen Durchmesser von 1/16 Inch auf, der Durchmesser der Einströmöffnung 10 und der Ausströmöffnung 50 wird auf 1,6 mm festgelegt.
Um die Elektroden auf der Eingangsseite sowie der Ausgangsseite des Mehrfachkanals anzuordnen, wird der Elektrodeneinsetzraum 70 ausgebildet. Die Breite des Elektrodeneinsetzraums wird so ausgelegt, dass sie geeignet ist, um die Elektroden in diesen einzusetzen, welche in dieser Ausführungsform auf 300 μm festgelegt ist. Die eingesetzte Elektrode ist in dieser Ausführungsform ein Ag-Draht mit einem Durchmesser von 100 μm und seine Oberfläche ist mit AgCl beschichtet, eine Raumtoleranz von 200% zum Durchmesser des Ag-Drahts wird reserviert.
Der Verteiler 20, in dem das Fluid, das durch die Einströmöffnung 10 zugeführt wird, gleichmäßig in den Mehrfachkanal strömt, und die Sammeleinrichtung 40, die das aus dem Mehrfachkanal ausgeströmte Fluid sammelt, nehmen vorzugsweise eine Trapezform an. Die Querschnittsfläche des Verteilers 20 nimmt von der einen Seite 32, die sich an der Einströmöffnung befindet, zur entgegengesetzten Seite 34 ab. Die Querschnittsfläche der Sammeleinrichtung 40 nimmt auch von der einen Seite 34, die sich an der Ausströmöffnung befindet, zur entgegengesetzten Seite 32 ab.
Im Fall einer solchen Konstruktion kann das Fluid, wenn das Fluid durch 100 der Mikrokanäle strömt, fast gleichzeitig aus dem Auslass des Mehrfachkanals ausströmen, wie vorstehend beschrieben. Wenn der Verteiler mit einer gleichmäßigen Breite wie der rechteckigen Form konstruiert ist, strömt das Fluid, das in den Mikrokanal 32 strömt, der sich auf der Seite befindet, auf der die Einströmöffnung 20 vorhanden ist, möglicherweise zur Sammeleinrichtung 40 aus, bevor das Fluid in den auf der entgegengesetzten Seite befindlichen Mikrokanal 34 strömt. In diesem Fall wird die elektrische Energie nicht regelmäßig erzeugt, da die elektrische Potentialdifferenz extrem abnimmt.
Im Verteiler 20 und in der Sammeleinrichtung 40, die eine Trapezform annehmen, wird die Abnahmerate der Breite r in Abhängigkeit von der Gesamtlänge L abgeschätzt, die durch die Kanalbreite x, den Abstand y zwischen den Mikrokanälen und die Anzahl von Mikrokanälen N bestimmt ist. Wenn die Länge der längeren Seite und jene der kürzeren Seite im Trapez a bzw. b bedeuten, ist die Abnahmerate der Breite r durch Gleichung 2 definiert.
[Gleichung 2]
In der Maskenkonstruktion gemäß dieser Ausführungsform sind die Parameter folgendermaßen: die Länge a der längeren Seite beträgt 800 μm, die Länge b der kürzeren Seite beträgt 300 μm, die Kanalbreite x beträgt 20 μm, der Abstand zwischen den Mikrokanälen beträgt 100 μm und die Anzahl von Kanälen ist 100. In diesem Fall ist die Abnahmerate r der Breite 0,042.
2 stellt einen Prozessablaufplan zur Herstellung des Mikrofluidchips vom Mehrfachkanaltyp dar. 3a bis 3e stellen Querschnittsansichten zur Herstellung des Mikrofluidchips dar.
Zuerst wird die Maske entworfen, wie vorstehend erläutert (S10, 1).
Die Oberfläche des Siliciumwafers wird mit Piranhalösung gewaschen, die durch Vermischen von H₂SO₄ und H₂O₂ im Verhältnis 1:4 hergestellt wird. Dann wird ein Photoresist SU8-50 (MicroChem Co., MA) 200 auf den Siliciumwafer 100 durch Schleuderbeschichten geschichtet (S20, 3a). Damit die Mikrokanaltiefe 100 μm ist, wird der Photoresist mit einer Dicke von 100 μm angereichert, wie vorstehend beschrieben. Die Beschichtungsdicke variiert in Abhängigkeit von der Umdrehungsrate der Schleuderbeschichtung. SU8-50 breitet sich auf dem Wafer bei einer Umdrehung von 500 min^–1 für 10 Sekunden und dann mit einer Beschleunigung von 300 min^–1/s und einer Umdrehung von 1000 min^–1 für 30 Sekunden gleichmäßig aus, um die Dicke von 100 μm anzunehmen.
Dann wird der beschichtete Wafer auf einer heißen Platte für 10 Minuten bei 65°C und für 30 Minuten bei 95°C vorgehärtet (S30). Da der Photoresist SU8-50 gegen Wärme empfindlich ist, wird daher die Temperatur langsam von der Raumtemperatur auf 65°C und 95°C ohne abrupte Erwärmung erhöht.
Der vorgehärtete Wafer wird durch Belichten mit der i-Linie (365 nm Wellenlänge des UV-Bereichs) mit einer MA6-Maskenjustier- und -belichtungsanlage strukturiert (S40). Wenn er für 60 Sekunden mit der Energiedichte von 17 mW/cm² durch die in Schritt S10 hergestellte Photomaske hindurch belichtet wird, wird der belichtete Photoresist vernetzt.
Der belichtete SU8-50 wird durch das Nachhärten (S50) straffer am Wafer 100 befestigt.
Dann wird durch die Entwicklungsprozedur durch Rühren mit einem Magnetstab ein Teil von SU8-50 200, der nicht belichtet wurde, durch Schmelzen im Entwickler beseitigt, um die Originalform auszubilden (S60, 3b). Tränken für zu lange Zeit schafft unerwünschte Trennungen von irgendeinem Teil des belichteten SU8-50 200 vom Wafer. Daher ist in diesem Schritt Aufmerksamkeit erforderlich.
6 stellt ein Bild der hergestellten Originalform dar. Der Photoresist SU8-50 wird mit einer Dicke von 100 μm auf einem Siliciumwafer mit einem Durchmesser von 4 Inch strukturiert. Die Originalform wurde in der Abmessung und Geometrie des Mikrokanals verschiedenartig entworfen.
Im Bild von 6 zeigen die rechte halbe Seite und die linke halbe Seite jede Form mit einem Abstand von 100 μm bzw. 50 μm zwischen den Mikrokanälen.
Außerdem zeigen die obere halbe Seite und die untere halbe Seite jede Form mit einer Mikrokanallänge von 1 mm bzw. 3 mm. Wenn man vom Zentrum weggelangt, nimmt die Kanalbreite auf 20 μm, 30 μm, 40 μm und 50 μm zu. Sowohl ganz links als auch ganz rechts im Bild befinden sich Formen mit einer Kanalbreite von 100 μm.
7 ist eine Mikrophotographie von Mikrokanälen mit einer Breite von 20 μm, einer Länge von 1 mm und einem Abstand von 100 μm zwischen den Mikrokanälen, die durch ein Mikroskop mit einer 20fachen Vergrößerung der in 6 dargestellten Originalform aufgenommen wird.
Vorläufige Rohre 15, 55 mit einem Durchmesser von 1/16 Inch werden schwach an die entsprechenden Positionen der Einströmöffnung 10 bzw. der Ausströmöffnung 50 in der Originalform geklebt und stehen in diesen (S70, 3c).
PDMS-Prepolymer (Sylgard 184 Elastomer, Dow Corning Corp., MI) wird mit einem Härtungsmittel in einem Verhältnis von 10:1 auf das Gewicht vermischt und dann wird das Gemisch über die Originalform gegossen. Es wird in einem Vakuumofen entgast, wobei in dem Ofen ein Vakuum über 3 oder 4 Schritte für 15-20 Minuten pro jeweiligem Schritt hergestellt wird. Wenn alle Luftblasen beseitigt sind, wird die Originalform mit PDMS für 2 Stunden auf 80°C in einem Konvektionsofen bei Atmosphärendruck erhitzt und dann wird sie langsam für etwa 6 Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt, um das PDMS 300 zu härten (S80, 3d).
Dann werden die vorläufigen Rohre beseitigt und das gehärtete PDMS 300 wird von der Originalform abgelöst. Das PDMS 300 wird durch Ultrabeschallung zusammen mit dem Deckglas 400 unter Verwendung von Methanol für 1 Stunde gewaschen.
Dann wird die Oberfläche des PDMS und des Deckglases, die miteinander versiegelt werden sollen, mit O₂-Plasma durch eine RF-Leistung für 10 Sekunden behandelt. Das O₂-Plasma wird im voraus unter Verwendung einer RIE-Vorrichtung so eingestellt, dass es einen Partialdruck von 50% aufweist.
Das oberflächenaktivierte PDMS 300 wird so schnell wie möglich an das Deckglas 400 geklebt, um den Mikrofluidchip auszubilden (S90, 3e). Der Mikrofluidchip kann zwischen beiden Enden des Mikrokanals bis zu etwa 5 bar standhalten.
Dann werden die Elektroden 60 in den Elektrodeneinsetzraum 70 an beiden Enden der Mikrokanäle des Chips eingesetzt (S100). Nach Beseitigen der vorläufigen Rohre werden dauerhafte Rohre 150, 151 (4a) eingesetzt und durch ein Epoxidharz und einen Klebstoff für Silikonkautschuk befestigt (S110).
4a ist eine perspektivische Ansicht des durch das obige Verfahren hergestellten Mikrofluidchips. 4b und 4c stellen eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A' bzw. der Linie B-B' in 4a dar.
[Ausführungsform 2]
HERSTELLUNG EINER STRÖMUNGSPOTENTIALZELLE
Vor dem Einsetzen der Elektroden wird ein Ag-Draht (Aldrich Chemical Co., WI) mit einem Durchmesser von 100 μm zur Verwendung als Elektrode in einer 3M HNO₃-Lösung für 5 Minuten gewaschen. Dann wird die Anode (rote Farbe) einer Stromversorgung mit dem Ag-Draht verbunden und die Katode (schwarze Farbe) wird mit einem Pt-Draht in einer 0,1 M HCl-Lösung verbunden und dann wird ein statischer Strom von 4 mA/cm² für 20 Minuten zum Anodisieren angelegt. AgCl überzieht die Oberfläche des Ag-Drahts und dann kann eine Ag/AgCl-Elektrode hergestellt werden.
Die Ag/AgCl-Elektroden werden in den Elektrodeneinsetzraum 70 des Mikrofluidchips der Erfindung eingesetzt.
Das Schneiden beider Enden der PDMS-Kopie, die von der Originalform abgelöst wurde, ergibt die Ausbildung von Löchern an beiden Enden des Elektrodeneinsetzraums mit einer Breite von 300 μm und einer Tiefe von 100 μm. Danach wird eine Elektrode in das Loch eingesetzt und die Elektrode wird außerhalb beider Enden des Elektrodeneinsetzraums hervorragen lassen. Dann wird die Ag/AgCl-Elektrode mit einem externen Ag-Draht mit einem Durchmesser von 250 μm durch Ag-Löten an die PCB verbunden. Der externe Ag-Draht verbindet mit einem digitalen Multimeter über einen Verbindungsstecker.
Die dauerhaften Rohre 150, 151 werden an der Einströmöffnung 10 und der Ausströmöffnung 50 installiert. Die vom Chip erzeugte elektrische Energie ist durch Installieren des Mikrofluidchips auf der PCB erhältlich.
In einem Ein-Kanal-Chip ist der Bereich des ertragbaren Drucks relativ hoch, da der mit einem Deckglas versiegelte PDMS-Teil groß ist. Im Chip mit dem Mehrfachkanal sollte jedoch der Abstand zwischen den Kanälen so eingestellt werden, dass der geeignete ertragbare Druck erhalten wird.
In der obigen Ausführungsform ist der Abstand zwischen den Mikrokanälen mit 100 μm konstruiert, wobei das Strukturieren im UV-Belichtungsprozess ohne jegliches Problem durchgeführt werden könnte. Wenn jedoch der Abstand zu klein ist (beispielsweise unterhalb 50 μm), kann das Strukturieren unvollständig durchgeführt werden.
Der Teil des PDMS, der mit einem Abstand von 100 μm zwischen den Kanälen hergestellt wird, wird durch das O₂-Plasma aktiviert und soll an das Deckglas geklebt werden. Um etwa 5 bar standzuhalten, sollte dieser Teil des PDMS zwischen den Kanälen, die parallel zueinander angeordnet sind, eng an ein Deckglas gebunden werden. Wenn eine Kanaltiefe 100 μm beträgt, kann der Abstand zwischen den Kanälen vorzugsweise größer als 100 μm sein. Daher sollte das Seitenverhältnis des Abstandes zwischen den Kanälen und der Kanaltiefe vorzugsweise als 1:1 konstruiert werden.
8 stellt eine Strömungspotentialzelle dar, in der ein Mikrofluidchip auf einer PCB installiert ist. Im Mikrofluidchip sind externe Rohre, die aus Polyethylethylketon (PEEK) bestehen, unter Verwendung eines Epoxyharzes und eines Klebstoffes eingesetzt, und Ag/AgCl-Elektroden sind unter Verwendung eines Epoxyharzes eingesetzt und befestigt.
[AUSFÜHRUNGSFORM 3]
MESSEXPERIMENTE FÜR DAS ELEKTRISCHE POTENTIAL BEI EINER MIKROLEISTUNGSZELLE GEMÄSS DER ERFINDUNG
Wie in 5 gezeigt, besteht eine Strömungspotentialzelle aus einer elektrokinetischen Mikroleistungszelle. In 5 wird das Fluid, das die in einem Behälter enthaltene Elektrolytlösung ist, durch eine Dosierpumpe mit hoher Präzision (SD-200, Rainin, CA) in die Einströmöffnung 10 zugeführt und wird nach dem Strömen durch den Mehrfachkanal 30 zur Ausströmöffnung 50 abgeführt. Die Druckdifferenz ΔP zwischen beiden Enden der Mikrokanäle 30 wird durch ein präzises Druckmessgerät gemessen. Die Strömungspotentialdifferenz ΔE zwischen beiden Enden von Kanälen wird durch ein digitales Multimeter (HP34970A, Hewlett-Packard Co., CA) über die Ag/AgCl-Elektroden 60, die jeweils am oberen und unteren Teil der Kanäle angeordnet sind, gemessen. Indem eine Elektrolytlösung mit verschiedenen Ionenkonzentrationen strömen lassen wird, wird das Strömungspotential gemessen.
9 stellt die Ergebnisse des erzeugten Strömungspotentials in Abhängigkeit von der Kanalbreite für das deionisierte Wasser mit einer Ionenkonzentration von 10^–4 mM, die Elektrolytlösungen von 0,1 mM und 1,0 mM KCl dar. In der erfindungsgemäßen Mikroleistungszelle ist die Anzahl der Mikrokanäle 100, der Abstand zwischen den Kanälen ist gleichmäßig 100 μm und die Durchflussrate der Lösung ist auf 10 ml/min eingestellt.
In der obigen 9 wird im Fall des deionisierten Wassers das Strömungspotential von bis zu 700 mV bei einer Kanalbreite von 20 μm erzeugt.
10 stellt die Ergebnisse von Strömungspotentialkoeffizienten, gemessen durch den mittleren Druck, der an beiden Enden des Mikrokanals ausgeübt wird, in Abhängigkeit von der Kanalbreite für das deionisierte Wasser, die Elektrolytlösungen von 0,1 mM und 1,0 mM KCl dar. Wenn die Kanalbreite zunimmt, nimmt die Dicke der elektrischen Doppelschicht relativ gleichmäßig in derselben Ionenkonzentration ab. Somit nimmt der Wert des Strömungspotentials ab.
11 zeigt die Ergebnisse des Strömungspotentials in Abhängigkeit von der Ionenkonzentration der Elektrolytlösung. Wie in 11 dargestellt, nimmt, wenn die Ionenkonzentration zunimmt, die Dicke der elektrischen Doppelschicht ab. Selbst wenn die Kanalbreite dieselbe ist, nimmt daher der Wert des Strömungspotentials mit zunehmender Ionenkonzentration ab.
Die Erfindung betrifft eine elektrokinetische Mikroleistungszelle, die den Mikrofluidchip vom Mehrfachkanaltyp anwendet und als neue Stromquelle für saubere Energie verwendet werden könnte.
Insbesondere da sie als Stromversorgung oder selbstangetriebener Chip wirkt, könnte sie bei der Elektrophorese, in optischen Versuchseinrichtungen, Vorrichtungen mit ultrakleinem Maßstab für einen MEMS-Prozess wie z. B. eine Mikropumpe, und zum Aufladen von kleinen elektronischen Vorrichtungen wie z. B. einem Laptopcomputer oder einem Mobiltelephon verwendet werden.

Claims

Elektrokinetische Mikroleistungszelle, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Mikrofluidchip des Mehrfachkanaltyps umfasst und aufgrund des Strömungspotentials von durch die Mikrokanäle strömendem Fluid elektrische Energie erzeugt.
Mikrofluidchip, gekennzeichnet durch eine Einströmöffnung (10), der Fluid zugeführt wird, einen Mehrfachkanal (30), in dem alle Mikrokanäle (32) parallel zueinander angeordnet sind und in dem zwischen beiden Enden eines Einlasses und eines Auslasses des Mikrokanals auf Grund eines Strömungspotentials elektrische Potentiale auftreten, wenn das Fluid durch den Mikrokanal strömt, einen Verteiler (20), der sich zwischen der Einströmöffnung (10) und dem Mehrfachkanal (30) befindet und in dem das zugeführte Fluid durch die Einströmöffnung in den Mehrfachkanal strömt, eine Sammeleinrichtung (40), die Fluid sammelt, das durch den Mehrfachkanal (30) ausströmt, eine Ausströmöffnung (50), aus der das Fluid in der Sammeleinrichtung (40) ausströmt, und ein Paar Elektroden (60), die jeweils im Verteiler (20) und in der Sammeleinrichtung (40) angeordnet sind und die mit der externen Schaltung verbunden werden können, um das elektrische Potential an der Außenseite zu verwenden.
Mikrofluidchip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnung (10) auf der Einlassseite des Mikrokanals (32), die auf der einen Seite des Mehrfachkanals angeordnet ist, liegt, und die Ausströmöffnung (50) auf der Auslassseite des Mikrokanals (32), die auf der anderen Seite des Mehrfachkanals angeordnet ist, liegt.
Mikrofluidchip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Verteilers (20) von der einen Seite, die sich an der Einströmöffnung (10) befindet, zur anderen Seite abnimmt, und die Querschnittsfläche der Sammeleinrichtung (40) auch von der einen Seite, die sich an der Ausströmöffnung (50) befindet, zur anderen Seite abnimmt.
Mikrofluidchip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanalbreite 20 bis 100 μm beträgt, die Mikrokanaltiefe 50 bis 100 μm beträgt, die Mikrokanallänge 1 bis 3 mm beträgt, der Abstand zwischen den Mikrokanälen 50 bis 200 μm beträgt und die Anzahl von Mikrokanälen 50 bis 150 ist.
Mikrofluidchip nach Anspruch 3 mit einem oberen Substrat und einem unteren Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Substrat den Verteiler (20), den Mehrfachkanal (30) und die Sammeleinrichtung (40) umfasst, die in einer gegebenen Höhe von der unteren Oberfläche ausgebildet sind, damit das Fluid darin strömen kann; und die Einströmöffnung (10) und die Ausströmöffnung (50) mit dem Verteiler(20) bzw. der Sammeleinrichtung (40) verbunden sind.
Mikrofluidchip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Substrat PDMS umfasst und das untere Substrat ein Deckglas (400) umfasst.
Mikrofluidchip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Substrat ein Loch zum Verlängern einer der Elektroden (60) im Verteiler (20) zur externen Schaltung, und ein weiteres Loch zum Verlängern der anderen Elektrode (60) in der Sammeleinrichtung (40) zur externen Schaltung ausgebildet sind.
Elektrokinetische Mikroleistungszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrofluidchip umfasst: eine Einströmöffnung (10), zu der Fluid zugeführt wird, einen Mehrfachkanal (30), in dem alle Mikrokanäle (32) parallel zueinander angeordnet sind und in dem zwischen beiden Enden eines Einlasses und eines Auslasses des Mikrokanals auf Grund eines Strömungspotentials elektrische Potentiale auftreten, wenn das Fluid durch den Mikrokanal strömt, einen Verteiler (20), der sich zwischen der Einströmöffnung (10) und dem Mehrfachkanal (30) befindet, in dem das zugeführte Fluid durch die Einströmöffnung in den Mehrfachkanal strömt, eine Sammeleinrichtung (40), die Fluid sammelt, das durch den Mehrfachkanal ausströmt, eine Ausströmöffnung (50), aus der das Fluid in der Sammeleinrichtung ausströmt, und ein Paar Elektroden (60), die jeweils im Verteiler (20) und in der Sammeleinrichtung (40) angeordnet sind und die mit der externen Schaltung verbunden werden können, um das elektrische Potential an der Außenseite zu verwenden.
Elektrokinetische Mikroleistungszelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnung (10) auf der Einlassseite des Mikrokanals (32), die auf der einen Seite des Mehrfachkanals (30) angeordnet ist, liegt, und die Ausströmöffnung (50) auf der Auslassseite des Mikrokanals (32), die auf der anderen Seite des Mehrfachkanals (30) angeordnet ist, liegt.
Elektrokinetische Mikroleistungszelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Verteilers (20) von der einen Seite, die sich an der Einströmöffnung (10) befindet, zur anderen Seite abnimmt, und die Querschnittsfläche der Sammeleinrichtung (40) auch von der einen Seite, die sich an der Ausströmöffnung (50) befindet, zur anderen Seite abnimmt.
Elektrokinetische Mikroleistungszelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokanalbreite 20 bis 100 μm beträgt, die Mikrokanaltiefe 50 bis 100 μm beträgt, die Mikrokanallänge 1 bis 3 mm beträgt, der Abstand zwischen den Mikrokanälen 50 bis 200 μm beträgt und die Anzahl von Mikrokanälen 50 bis 150 ist.
Elektrokinetische Mikroleistungszelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrofluidchip ein oberes Substrat und ein unteres Substrat umfasst, das obere Substrat den Verteiler (20), den Mehrfachkanal (30) und die Sammeleinrichtung (40) umfasst, die in einer gegebenen Höhe von der unteren Oberfläche ausgebildet sind, damit das Fluid darin strömen kann; und die Einströmöffnung (10) und die Ausströmöffnung (50) mit dem Verteiler (20) bzw. der Sammeleinrichtung (40) verbunden sind.
Elektrokinetische Mikroleistungszelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Substrat aus PDMS besteht und das untere Substrat ein Deckglas (400) ist.
Elektrokinetische Mikroleistungszelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Substrat ein Loch zum Verlängern von einer der Elektroden (60) im Verteiler zur externen Schaltung und ein weiteres Loch zum Verlängern der anderen Elektrode (60) in der Sammeleinrichtung zur externen Schaltung ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung des Mikrofluidchips nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Abscheiden von Photoresist auf dem Siliciumwafer; Strukturieren durch Belichten des Wafers, auf dem Photoresist abgeschieden ist, mit UV-Licht durch ein Maskenmuster hindurch; Herstellen einer Originalform durch Entwickeln des Wafers; Formen von PDMS auf der Originalform und dann Ablösen des PDMS von der Originalform; Ultraschallwaschen des PDMS und des Deckglases und dann Verkleben des PDMS mit dem Deckglas; und Einsetzen von Elektroden in sowohl den Verteiler als auch die Sammeleinrichtung aus PDMS.