DE102014222680A1 - LIQUID SCREENING DEVICE AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mikroakustik und betrifft eine Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung, wie sie beispielsweise im medizinischen Bereich für die Inhalation zum Einsatz kommen kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, mit der unter Einsatz von akustischen Oberflächenwellen eine sichere, reproduzierbare und gleichmäßige Zerstäubung von Flüssigkeiten gewährleistet werden kann. Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung, bestehend aus einem piezoelektrischen Substrat mit mindestens einem Interdigitalwandler und auf dem Substrat ein oder mehrere mittels fotolithografischer Verfahren aufgebrachte Strukturen aus Polymermaterial mit Mikrokanälen vorhanden sind, die teilweise außerhalb des Ausbreitungsbereichs der akustischen Welle angeordnet sind, und mindestens eine Öffnung der Mikrokanäle an der Position angeordnet ist, an der die akustische Welle einen nachweislichen Anstieg der Amplitude der akustischen Welle aufweist. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren gelöst, bei dem Polymermaterial fotolithographisch aufgebracht und strukturiert belichtet wird.The invention relates to the field of microacoustics and relates to a device for liquid atomization, as it can be used for example in the medical field for inhalation. Object of the present invention is to provide a device with the use of surface acoustic waves, a safe, reproducible and uniform atomization of liquids can be guaranteed. The object is achieved by a device consisting of a piezoelectric substrate with at least one interdigital transducer and on the substrate one or more applied by photolithographic processes structures of polymer material with microchannels are present, which are arranged partially outside the propagation range of the acoustic wave, and at least one Opening the microchannels is disposed at the position at which the acoustic wave has a detectable increase in the amplitude of the acoustic wave. The object is further achieved by a method in which polymer material is applied photolithographically and exposed in a structured manner.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mikroakustik und betrifft eine Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung, wie sie beispielsweise im medizinischen Bereich für die Inhalation oder im technischen Bereich für Kühlung oder die Kontrolle atmosphärischer Bedingungen, aber auch zur Brennstoffinjektion oder Duftverteilung oder für Mikrodruckverfahren zum Einsatz kommen kann, und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.The invention relates to the field of microacoustics and relates to a device for liquid atomization, as it can be used for example in the medical field for inhalation or in the technical field for cooling or the control of atmospheric conditions, but also for fuel injection or fragrance distribution or for micro-printing , and a method for its production.
Die Anwendung von Oberflächenwellen (engl. surface acoustic waves, kurz SAW) für die Flüssigkeitszerstäubung ist seit 1995 bekannt (
Als Bauteile wurden dafür piezoelektrische Substrate mit Interdigitalwandlern (engl. Interdigital transducer, kurz IDT) mit Aperturen von 1–10 mm (Überlappungsbereich der Fingerelektroden) bei Frequenzen zwischen 1 und 200 MHz eingesetzt. Als Substrate wurden Lithiumniobat, Aluminiumnitrid oder Zinkoxid eingesetzt. Als Flüssigkeiten wurden beispielsweise Wasser, Alkohole, Glycerol, Öle, Mikro- und Nanopartikellösungen, Zelllösungen oder Proteinlösungen zerstäubt. Die elektrische Ansteuerung erfolgt über Frequenzgeneratoren und Verstärker, kontinuierlich oder im Pulsbetrieb. Piezoelectric substrates with interdigital transducers (IDT) with apertures of 1-10 mm (overlapping area of the finger electrodes) were used as components at frequencies between 1 and 200 MHz. The substrates used were lithium niobate, aluminum nitride or zinc oxide. As liquids, for example, water, alcohols, glycerol, oils, micro and nanoparticle solutions, cell solutions or protein solutions were atomized. The electrical control is carried out by frequency generators and amplifiers, continuously or in pulsed mode.
Als Verfahren für die Flüssigkeitszufuhr für die Flüssigkeitszerstäubung mit SAW sind drei verschiedene Prinzipien bekannt.
- 1. Die Flüssigkeit wird in Form einzelner Tropfen auf die Substratoberfläche aufgebracht (
A. Qi, et al: Physics of Fluids 20, 1 (2008) - 2. Die Flüssigkeit wird mit Hilfe von flüssigkeitsgetränkten Geweben/Vliesen, welche in Kontakt mit der Substratoberfläche stehen, in den Schallpfad gebracht (
D. Taller, et al: Phys. Rev. E 87, 053004 (2013) - 3. Die Flüssigkeit wird durch einen Kapillarspalt zugeführt (
M. Kurosawa et al: IEEE Proceedings, 25 (1995)
- 1. The liquid is applied in the form of individual drops on the substrate surface (
Qi, et al: Physics of Fluids 20, 1 (2008) - 2. The liquid is brought into the sound path with the aid of liquid-soaked fabrics / nonwovens, which are in contact with the substrate surface (
Taller, et al: Phys. Rev. E 87, 053004 (2013) - 3. The liquid is fed through a capillary gap (
M. Kurosawa et al: IEEE Proceedings, 25 (1995)
Bezüglich des Ortes der Flüssigkeitszufuhr auf der Substratoberfläche ist bisher nur ein einziger Ort beschrieben worden: Die Flüssigkeit wird im Bereich der maximalen Amplitude der Teilchenoszillation zugeführt, so dass die laufende akustische Welle zentral auf die Flüssigkeit trifft (
Weiterhin sind Lösungen bekannt, bei denen Polymere zur Herstellung von dreidimensionalen Strukturen wie Mikrokanälen unter Anwendung von fotolithografischen Verfahren zum Einsatz kommen (
Nachteilig bei der Verwendung von Graustufenmasken sind zum einen der große Aufwand, inklusive der höheren Kosten, bei der Herstellung der Masken sowie die unscharf abgebildeten Übergänge von Kanalwand zu Kanaldeckel bei kleinen Abmessungen und Aspektverhältnissen. Disadvantages of using grayscale masks are, on the one hand, the great expense, including the higher costs, of producing the masks and the blurred transitions from duct wall to manhole cover with small dimensions and aspect ratios.
Es ist eine Lösung bekannt, bei der ein transparentes Glassubstrat verwendet wurde, um Kanalstrukturen im Fotolack zu erzeugen (S
Für die in (
Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die verfügbaren Werte für das Tempern des Lackes und Dosis während der Belichtung können wegen der speziellen Eigenschaften (Verspannung, Doppelbrechung, Reflexion) des Substrates in Verbindung mit dem Lack nicht für andere Materialkombinationen übernommen werden können und erst jeweils angepasst werden müssen.The disadvantage of this method is that the available values for the tempering of the lacquer and the dose during the exposure can not be adopted for other material combinations because of the special properties (tension, birefringence, reflection) of the substrate in connection with the lacquer and only adapted in each case Need to become.
Nachteilig bei den bekannten Lösungen insgesamt ist, dass entsprechende Mikrokanäle nicht im industriellen Maßstab herstellbar sind und eine sichere und gleichmäßige Zerstäubung von Flüssigkeiten nicht gewährleistet werden kann.A disadvantage of the known solutions as a whole is that corresponding microchannels can not be produced on an industrial scale and reliable and uniform atomization of liquids can not be guaranteed.
Bekannt ist die Anordnung von Mikrokanälen auf einem SAW-Bauelement, welche mittels fotolithografischer Verfahren hergestellt worden sind und deren Auslass an der Grenze der akustischen Welle positioniert ist und direkt auf das Zentrum der akustischen Welle zeigt (
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung anzugeben, mit der unter Einsatz von akustischen Oberflächenwellen eine sichere, reproduzierbare und gleichmäßige Zerstäubung von Flüssigkeiten gewährleistet werden kann, und weiterhin ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, welches einfach reproduzierbar und im industriellen Maßstab anwendbar ist.Object of the present invention is to provide a device for liquid atomization, with the use of surface acoustic waves, a safe, reproducible and uniform atomization of liquids can be guaranteed, and further to provide a method for their preparation, which is easily reproducible and applicable on an industrial scale is.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung besteht aus einem piezoelektrischen Substrat oder aus einem mit einer piezoelektrischen Schicht beschichteten Substrat oder aus einem mit einem piezoelektrischen Substrat über ein Koppelmedium verbundenen nichtpiezoelektrischen Substrat, wobei auf dem piezoelektrischen Substrat oder auf dem mit einer piezoelektrischen Schicht beschichteten Substrat mindestens ein Interdigitalwandler mit Elektroden aufgebracht ist, und weiterhin auf dem piezoelektrischen Substrat oder auf dem mit einer piezoelektrischen Schicht beschichteten Substrat oder auf dem mit dem piezoelektrischen Substrat über ein Koppelmedium verbundenen nichtpiezoelektrischen Substrat ein oder mehrere mittels fotolithografischer Verfahren aufgebrachte Strukturen aus Polymermaterial mit Mikrokanälen vorhanden sind, die mindestens teilweise außerhalb des Ausbreitungsbereichs der von dem mindestens einen Interdigitalwandler angeregten akustischen Welle oder Wellen angeordnet sind, und die Mikrokanäle mindestens zwei Öffnungen aufweisen und mindestens eine der Öffnungen der Mikrokanäle in Richtung der akustischen Welle oder Wellen angeordnet sind, und diese mindestens eine Öffnung der Mikrokanäle an der Position angeordnet ist, an der die akustische Welle oder Wellen einen nachweislichen Anstieg der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen aufweisen, und die mindestens eine Öffnung der Mikrokanäle, die nicht in Richtung der akustischen Welle angeordnet ist, mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden ist. The liquid atomizing device according to the invention consists of a piezoelectric substrate or of a substrate coated with a piezoelectric layer or of a non-piezoelectric substrate connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium, wherein at least one interdigital transducer is provided on the piezoelectric substrate or on the substrate coated with a piezoelectric layer is applied with electrodes, and further on the piezoelectric substrate or on the substrate coated with a piezoelectric layer or on the coupled to the piezoelectric substrate via a coupling medium non-piezoelectric substrate one or more applied by photolithographic processes structures of polymer material with microchannels are present at least partially outside the propagation range of the acoustic wave or wave excited by the at least one interdigital transducer len, and the microchannels have at least two openings and at least one of the openings of the microchannels are arranged in the direction of the acoustic wave or waves, and this at least one opening of the microchannels is arranged at the position at which the acoustic wave or waves demonstrably Increase in the amplitude of the acoustic wave or waves, and the at least one opening of the microchannels, which is not arranged in the direction of the acoustic wave, is connected to a liquid reservoir.
Vorteilhafterweise besteht das piezoelektrische Substrat aus einkristallinem SiO2, Lithiumniobat (LiNbO3), Lithiumtantalat (LiTaO3), Langasit (La3Ga5SiO14), Ca3TaGa3Si2O14, Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Blei-Magnesium-Niobat (PMN), Galliumorthophosphat (GaPO4) oder aus einem mit einer piezoelektrischen Schicht beschichteten nichtpiezoelektrischen Substrat aus Polymer, Glas, Keramik oder Metall.Advantageously, the piezoelectric substrate consists of monocrystalline SiO 2 , lithium niobate (LiNbO 3 ), lithium tantalate (LiTaO 3 ), langasite (La 3 Ga 5 SiO 14 ), Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 , aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO) Lead zirconate titanate (PZT), lead magnesium niobate (PMN), gallium orthophosphate (GaPO 4 ) or a piezoelectric layer coated non-piezoelectric substrate of polymer, glass, ceramic or metal.
Weiterhin vorteilhafterweise besteht das über ein Koppelmedium mit einem piezoelektrischen Substrat verbundene nichtpiezoelektrische Substrat aus Polymer, Glas, Keramik oder Metall.Furthermore advantageously, the non-piezoelectric substrate connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium consists of polymer, glass, ceramic or metal.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist das Substrat, auf dem sich die Strukturen aus Polymermaterial befinden, optisch transparent.Also advantageously, the substrate on which the structures of polymeric material are optically transparent.
Und auch vorteilhafterweise ist ein Mikrokanal vorhanden, dessen eine Öffnung an der Position angeordnet ist, bei der die Amplitude der akustischen Welle oder Wellen 5–30 %, noch vorteilhafterweise 5–5% der maximalen Amplitude der Welle oder Wellen beträgt.And also advantageously there is a microchannel, one opening of which is located at the position at which the amplitude of the acoustic wave or waves is 5-30%, more advantageously 5-5% of the maximum amplitude of the wave or waves is.
Vorteilhaft ist es auch, wenn zwei Mikrokanäle vorhanden sind, von denen mindestens eine Öffnung an der Position angeordnet ist, bei der die Amplitude der akustischen Welle oder Wellen 5–30 %, noch vorteilhafterweise 5–15 %, der maximalen Amplitude der Welle oder Wellen beträgt, wobei die Mikrokanäle an gegenüberliegenden Seiten der akustischen Welle auf dem Substrat angeordnet sind.It is also advantageous if two microchannels are present, of which at least one opening is arranged at the position at which the amplitude of the acoustic wave or waves 5-30%, more preferably 5-15%, the maximum amplitude of the wave or waves is, wherein the microchannels are arranged on opposite sides of the acoustic wave on the substrate.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn eine Vielzahl an Mikrokanälen vorhanden sind, deren mindestens eine Öffnung auf einer oder auf beiden Seiten der akustischen Welle oder Wellen angeordnet sind.It is also advantageous if a plurality of microchannels are present, whose at least one opening is arranged on one or both sides of the acoustic wave or waves.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das Polymermaterial der Mikrokanäle aus Epoxy-basiertem polymeren Fotolack, oder Novolak-basiertem polymeren Fotolack oder Acryl-basiertem polymeren Fotolack besteht.It is furthermore advantageous if the polymer material of the microchannels consists of epoxy-based polymeric photoresist, or novolak-based polymeric photoresist or acrylic-based polymeric photoresist.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Querschnitte der Mikrokanäle rechteckig, quadratisch, halbrund oder halboval sind, und/oder ein Bereich des Umfangs der Mikrokanäle vom Substrat und/oder auf dem Substrat befindlichen Schichten gebildet ist.It is also advantageous if the cross sections of the microchannels are rectangular, square, semicircular or semi-oval, and / or a region of the circumference of the microchannels is formed by the substrate and / or layers located on the substrate.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Innenwände der Mikrokanäle mit Einzelschichten oder Mehrlagenschichten aus Metallmaterial, Silanverbindungen, Polymermaterial, Keramikmaterial oder Glasmaterial beschichtet sind.It is also advantageous if the inner walls of the microchannels are coated with single layers or multi-layer layers of metal material, silane compounds, polymer material, ceramic material or glass material.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn mindestens eine Öffnung eines Mikrokanals an der Position angeordnet ist, an der der Anstieg der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen 10–4...10 nm/mm, vorteilhafterweise 10–3...5 nm/mm, beträgt.It is furthermore advantageous if at least one opening of a microchannel is arranged at the position at which the increase in the amplitude of the acoustic wave or waves 10 -4 ... 10 nm / mm, advantageously 10 -3 ... 5 nm / mm, is.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn als Interdigitalwandler Chirped IDT oder slanted finger IDT zum Einsatz kommen. It is likewise advantageous if Chirped IDT or slanted finger IDT are used as interdigital transducers.
Und auch von Vorteil ist es, wenn zwischen dem Substrat und dem Polymermaterial der Strukturen eine oder mehrere Funktionsschichten vorhanden sind. And it is also advantageous if one or more functional layers are present between the substrate and the polymer material of the structures.
Ebenso von Vorteil ist es, wenn der Kontaktwinkel der Flüssigkeit zur Substratoberfläche oder zu einer auf der Substratoberfläche befindlichen Funktionsschicht kleiner oder gleich dem Winkel der Wellenabstrahlung in die Flüssigkeit (Rayleigh-Winkel) ist.It is likewise advantageous if the contact angle of the liquid to the substrate surface or to a functional layer located on the substrate surface is less than or equal to the angle of the wave radiation into the liquid (Rayleigh angle).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung wird auf ein piezoelektrisches Substrat oder auf ein mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtetes Substrat oder auf ein mit einem piezoelektrischen Substrat über ein Koppelmedium verbundenes Substrat mindestens ein Interdigitalwandler aufgebracht, nachfolgend wird fotolithographisch strukturierbares Polymermaterial aufgebracht und die strukturierte Belichtung des Polymermaterials zur Herstellung von einem oder mehreren Mikrokanälen mit mindestens zwei Öffnungen durchgeführt, wobei durch die Strukturierung jeweils eine der Öffnungen der Mikrokanäle in Richtung der akustischen Welle oder Wellen an der Position angeordnet wird, an der die akustische Welle oder Wellen einen nachweislichen Anstiegs der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen aufweisen, und nach der strukturierten Belichtung und Aushärtung wird das unvernetzten Polymermaterial entfernt.In the method according to the invention for producing a device for liquid atomization, at least one interdigital transducer is applied to a piezoelectric substrate or to a substrate coated with a piezoelectric layer or to a substrate connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium; subsequently, photolithographically patternable polymer material is applied and the patterned Exposure of the polymer material for producing one or more microchannels is carried out with at least two openings, wherein the structuring each one of the openings of the microchannels in the direction of the acoustic wave or waves is disposed at the position at which the acoustic wave or waves a demonstrable increase in the Amplitude of the acoustic wave or waves, and after the structured exposure and curing, the uncrosslinked polymer material is removed.
Vorteilhafterweise wird fotolithographisch strukturierbares Polymermaterial mit wellenlängenabhängiger Lichtabsorption aufgebracht und zur Strukturierung der Mikrokanäle zuerst mit Licht einer Wellenlänge 1 zur Belichtung der Mikrokanalwände belichtet und nachfolgend mit Licht einer Wellenlänge 2 zur Belichtung der Mikrokanalabdeckung belichtet.Advantageously, photolithographically patternable polymer material with wavelength-dependent light absorption is applied and, to pattern the microchannels, first exposed to light of wavelength 1 for exposure of the microchannel walls and subsequently exposed to light of wavelength 2 for exposure of the microchannel cover.
Weiterhin vorteilhafterweise werden funktionelle Schicht/en auf das Substrat aufgebracht.Further advantageously, functional layer (s) are applied to the substrate.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden Schichten aus dielektrischem oder passivierendem Material, wie Schichten aus SiO2, Al2O3, TiO2 und/oder metallische Schichten wie Al, Ti, Cr, Au, Pt, Pd aufgebracht.Also advantageously, layers of dielectric or passivating material, such as layers of SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 and / or metallic layers such as Al, Ti, Cr, Au, Pt, Pd applied.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmals möglich eine Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung anzugeben, mit der unter Einsatz von akustischen Oberflächenwellen eine sichere, reproduzierbare und gleichmäßige Zerstäubung von Flüssigkeiten gewährleistet werden kann, und weiterhin ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, welches einfach reproduzierbar und im industriellen Maßstab anwendbar ist.With the solution according to the invention it is now possible to provide a device for liquid atomization, with the use of surface acoustic waves, a safe, reproducible and uniform atomization of liquids can be guaranteed, and further to provide a method for their preparation, which is easily reproducible and on an industrial scale is applicable.
Erreicht wird dies mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Flüssigkeitszerstäubung, welche im Wesentlichen ein SAW-Bauelement mit einem polymeren, lithographisch hergestellten Bauelement verbindet und die Eigenschaften einer akustischen Welle für die Flüssigkeitszerstäubung ausnutzt.This is achieved with the inventive device for liquid atomization, which essentially connects a SAW component with a polymeric, lithographically produced component and exploits the properties of an acoustic wave for the liquid atomization.
Die Vorrichtung besteht dabei aus einem Substrat, welches für ein SAW-Bauelement einsetzbar ist. Dies sind piezoelektrische Substrate oder mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtete Substrate oder aus einem mit einem piezoelektrischen Substrat über ein Koppelmedium verbundenen Substrat. Letztgenannte Substrate werden im Bereich der SAW-Flüssigkeitsaktorik als Superstrates oder Übersubstrate bezeichnet. Dies können beispielsweise nichtpiezoelektrische Glas-, Keramik-, Metall- oder Polymerplatten sein, die mit einem Koppelmedium an ein piezoelektrisches Substrat akustisch angekoppelt sind.The device consists of a substrate which can be used for a SAW component. These are piezoelectric substrates or substrates coated with a piezoelectric layer or a substrate connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium. The latter substrates are referred to in the field of SAW fluid actuators as superstrates or over substrates. This can be, for example non-piezoelectric glass, ceramic, metal or polymer plates, which are acoustically coupled with a coupling medium to a piezoelectric substrate.
Als piezoelektrische Substrate können alle bekannten piezoelektrischen Substratmaterialien, die auch für SAW-Bauelemente bekannt sind und die Anregung von Rayleigh- oder Plattenwellen ermöglichen, eingesetzt werden, wie einkristallines SiO2, oder LiNbO3 (insbesondere 128°YX-LiNbO3), LiTaO3, La3Ga5SiO14, Ca3TaGa3Si2O14, AlN, ZnO, Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), Blei-Magnesium-Niobat (PMN), Galliumorthophosphat (GaPO4) oder beschichtetes Polymer, Glas, Keramik oder Metall.As piezoelectric substrates, it is possible to use all known piezoelectric substrate materials which are also known for SAW components and which enable excitation of Rayleigh or plate waves, such as monocrystalline SiO 2 , or LiNbO 3 (in particular 128 ° YX-LiNbO 3 ), LiTaO 3 , La 3 Ga 5 SiO 14 , Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 , AlN, ZnO, lead zirconate titanate (PZT), lead magnesium niobate (PMN), gallium orthophosphate (GaPO 4 ) or coated polymer, glass, Ceramic or metal.
Auf die erfindungsgemäß einsetzbaren Substrate, die entweder piezoelektrische Substrate sind oder mit einem Piezomaterial beschichtete Substrate sind, wird mindestens ein Interdigitalwandler mit Elektroden aufgebracht. Dies erfolgt ebenfalls mit bekannten Verfahren und Materialien aus der SAW-Technologie, wie beispielsweise Lift-Off-Strukturierungsverfahren und Materialien wie Aluminium oder Titan. Vorteilhafterweise wird für eine Flüssigkeitszerstäubung nur ein Interdigitalwandler auf das Substrat aufgebracht, es können aber auch zwei oder mehr Interdigitalwandler für eine Flüssigkeitszerstäubung aufgebracht werden, wenn stehende Wellenfelder oder Wellenfelder mit spezieller räumlicher Struktur oder Amplitudenverteilung angeregt werden sollen. At least one interdigital transducer with electrodes is applied to the substrates which can be used according to the invention, which are either piezoelectric substrates or are substrates coated with a piezo material. This is also done with known methods and materials from SAW technology, such as lift-off patterning methods and materials such as aluminum or titanium. Advantageously, only one interdigital transducer is applied to the substrate for a liquid atomization, but it is also possible to apply two or more interdigital transducers for a liquid atomization when standing wave fields or wave fields with a specific spatial structure or amplitude distribution are to be excited.
Weiterhin sind ein oder mehrere Mikrokanäle auf dem piezoelektrischen Substrate oder auf dem mit einem Piezomaterial beschichteten Substrate oder auf dem über ein Koppelmedium mit einem piezoelektrischen Substrat verbundenem nichtpiezoelektrischen Substrat vorhanden, die mittels fotolithografischer Verfahren hergestellt worden sind. Dabei wird fotolithographisch strukturierbares Polymermaterial aufgebracht und nachfolgend erfolgt eine strukturierte Belichtung des Polymermaterials zur Herstellung von einem oder mehreren Mikrokanälen mit mindestens zwei Öffnungen. Fotolithographisches Polymermaterial sind beispielsweise Epoxy-basierte polymere Fotolacke und/oder Novolak-basierte polymere Fotolacke und/oder Acryl-basierte polymere Fotolacke, wie SU-8, SU-8 50, SU-8-2000, SU-8-3000, KMPR, SPR 220-7, Ordyl P-50100 oder Diaplate 132. Die strukturierte Belichtung des Polymermaterials, im für UV Lithographie üblichen Spektrum, wird einerseits mit chromstrukturierten Masken oder mit graduierten Intensitätsfiltern versehenen Grautonmasken durchgeführt. Mittels einer Grautonmaske kann die strukturierte Belichtung in einem Prozessschritt durchgeführt werden. Hinzu kommt, dass es weitaus schwieriger ist, bei einem einstufigen Belichtungsverfahren nicht-transparente Substratmaterialien zu finden, welche für SAW Anwendungen geeignet sind und zudem die Fotolacke bei der gewählten Wellenlänge für die Intransparenz des Substrates noch dreidimensional strukturierbar sind. Daher ist es vorteilhaft für eine industrielle Verwendung die strukturierte Belichtung wegen der weitaus günstigeren Herstellung von chromstrukturierten Masken in zwei Prozessschritten durchzuführen.Furthermore, one or more microchannels are present on the piezoelectric substrate or on the substrates coated with a piezoelectric material or on the non-piezoelectric substrate which is connected to a piezoelectric substrate via a coupling medium and which have been produced by means of photolithographic processes. In this case, photolithographically structurable polymer material is applied and subsequently there is a structured exposure of the polymer material for the production of one or more microchannels with at least two openings. Photolithographic polymer material are, for example, epoxy-based polymeric photoresists and / or novolak-based polymeric photoresists and / or acrylic-based polymeric photoresists such as SU-8, SU-850, SU-8-2000, SU-8-3000, KMPR, SPR 220-7, Ordyl P-50100 or Diaplate 132. The patterned exposure of the polymer material, in the UV lithography standard spectrum, is accomplished on the one hand with chromium-structured masks or gray-scale masks provided with graduated intensity filters. By means of a gray tone mask, the structured exposure can be carried out in one process step. In addition, it is far more difficult to find non-transparent substrate materials in a single-stage exposure process, which are suitable for SAW applications and, moreover, the photoresists can be structurally structured in three dimensions at the selected wavelength for the intransparency of the substrate. Therefore, it is advantageous for an industrial use to perform the structured exposure because of the far more favorable production of chromium-structured masks in two process steps.
Zu berücksichtigen ist, dass die jeweiligen strukturierten Belichtungen hinsichtlich der Wellenlängen an die optischen Eigenschaften des Substrates und der Polymermaterialien anzupassen sind. Dies sind bekannte Kriterien für fotolithographische Verfahren.It should be noted that the respective structured exposures with respect to the wavelengths are to be adapted to the optical properties of the substrate and of the polymer materials. These are known criteria for photolithographic processes.
Vorteilhaft für einen zweistufigen Belichtungsprozess auf transparenten Substraten sind integrierte Methoden, die ein Rückstreuen von UV Licht von der Substratunterseite oder dem Substrathalter vermindern oder gar ganz verhindern. Dies kann beispielsweise durch eine funktionale Beschichtung mit einem als Bragg-Reflektor wirkendes geeignetes Schichtsystem auf der Substratoberfläche geschehen. Die als Bragg-Reflektor wirkende Schicht würde somit die positiven Reflexionseigenschaften von Si-Substraten imitieren. Advantageous for a two-stage exposure process on transparent substrates are integrated methods that reduce or even completely prevent backscattering of UV light from the underside of the substrate or the substrate holder. This can be done for example by a functional coating with a Bragg reflector acting as a suitable layer system on the substrate surface. The layer acting as a Bragg reflector would thus mimic the positive reflection properties of Si substrates.
Bei einem zweistufigen Belichtungsprozess wird im ersten Prozessschritt das Polymermaterial zur Erzeugung der Mikrokanalwände mit Licht einer Wellenlänge 1 und einer Fotomaske 1 belichtet. Dabei ist von Bedeutung, dass bei dieser gewählten Wellenlänge das Polymermaterial eine höhere Transparenz und damit eine geringere optische Dichte und gleichzeitig das Substrat eine geringere Reflektivität von der Substratunterseite aufweisen, als bei der nachfolgenden Belichtung mit Licht einer Wellenlänge 2. Idealerweise sollte das Substrat bei der Wellenlänge 1 das Licht entweder komplett von Oberfläche reflektieren oder komplett absorbieren. In a two-stage exposure process, in the first process step, the polymer material for producing the microchannel walls is exposed to light of a wavelength 1 and a photomask 1. It is important that at this chosen wavelength, the polymer material have a higher transparency and thus a lower optical density and at the same time the substrate have a lower reflectivity from the substrate bottom than in the subsequent exposure to light of a wavelength 2. Ideally, the substrate in the Wavelength 1 either completely reflects the light from the surface or completely absorbs it.
Bei der erfindungsgemäßen strukturierten Belichtung sollten bei der Herstellung der Mikrokanalwände nur minimale Reflexionen von der Substratunterseite auftreten und damit minimierte sekundäre Belichtungseffekte auftreten. Ermöglicht wird dies durch den Einsatz von Licht bei einer Wellenlänge bei der das Polymermaterial einen Großteil des Lichtes absorbiert, aber dennoch durchbelichtet werden kann. Dadurch gelangt möglichst wenig Licht in das Substrat und folglich kann entsprechend weniger von der Substratunterseite zurückgestreut werden. Im zweiten Prozessschritt wird das bereits teilweise belichtete Polymermaterial erneut belichtet, jedoch mit Licht einer Wellenlänge 2 und einer Fotomaske 2. Die Wellenlänge 2 wird dabei so gewählt, dass das Polymermaterial bei der Belichtung eine hohe Lichtabsorption, also eine höhere optische Dichte gegenüber dem Licht mit der Wellenlänge 1 aufweist. Dadurch wird nicht das gesamte Volumen des Polymers durchbelichtet, sondern nur eine obere Schicht, welche dünner ist als die gesamte Polymerschicht. Mit der zweiten Belichtung sollen die Mikrokanalabdeckungen hergestellt werden. Nach der Belichtung erfolgt die Temperung und damit die Auslösung der gewünschten chemischen Reaktionen zur Vernetzung und Aushärtung des Polymermaterials. Der folgende nasschemische Waschschritt mit einem Lackentwickler entfernt die nicht vernetzen Polymerbereiche und legt somit die Kanalstruktur frei. Zur weiteren Modifizierung beziehungsweise Korrektur der Kanalstruktur können weitere Belichtungsschritte durchgeführt werden.In the case of the structured exposure according to the invention, only minimal reflections from the underside of the substrate should occur in the production of the microchannel walls, and thus minimized secondary exposure effects occur. This is made possible by the use of light at a wavelength at which the polymer material absorbs a large part of the light, but can nevertheless be exposed. As a result, as little light as possible reaches the substrate, and consequently less can be scattered back from the underside of the substrate. In the second process step, the already partially exposed polymer material is exposed again, but with light of a wavelength 2 and a photomask 2. The wavelength 2 is chosen so that the polymer material on exposure a high light absorption, ie a higher optical density compared to the light of wavelength 1. This will not affect the entire volume of the polymer but only an upper layer, which is thinner than the entire polymer layer. The second exposure is intended to produce the microchannel covers. After exposure, the annealing and thus the triggering of the desired chemical reactions for crosslinking and curing of the polymer material takes place. The following wet-chemical washing step with a paint developer removes the non-crosslinked polymer areas and thus exposes the channel structure. For further modification or correction of the channel structure further exposure steps can be carried out.
Während die Wände und der Deckel der Mikrokanäle aus einem Polymermaterial bestehen, besteht der Boden der Mikrokanäle aus dem Substratmaterial oder der obersten der auf das Substratmaterial aufgebrachten Funktionsschichten. Die Innenwände des Mikrokanals können mit verschiedenen Funktionsschichten beschichtet sein, um einen an das verwendete Fluid angepasste Oberflächenspannung zu erzeugen. Eine angepasste Oberflächenspannung kann das Befüllen des Kanals erleichtern.While the walls and the lid of the microchannels are made of a polymeric material, the bottom of the microchannels consists of the substrate material or the uppermost of the functional layers applied to the substrate material. The inner walls of the microchannel may be coated with various functional layers to produce a surface tension adapted to the fluid used. An adjusted surface tension can facilitate the filling of the channel.
Auf das Substrat können (vor Erzeugung der Mikrokanäle aus Polymermaterial) ebenfalls funktionelle Schichten, wie dielektrische Schichten, optisch opaque, reflektierende und/oder absorbierende Schichten oder Schichten zur Einstellung einer gezielten Lichtreflexion oder -absorption beispielsweise aus Al, Cr und Ti als Einzel- oder Mehrfachschichten realisiert werden. Auch auf die Innenwände der Mikrokanäle können nach deren Herstellung funktionelle Schichten aus beispielsweise SiO2, Al3O3, TiO2, Silanverbindungen zur chemischen Funktionalisierung, zur chemischen Passivierung und/oder zur Anpassung der Benetzungseigenschaften der Materialien der Mikrokanäle beispielsweise durch naßchemische Verfahren oder Gasphasenabscheidung aufgebracht werden.Functional layers, such as dielectric layers, optically opaque, reflective and / or absorbing layers or layers for establishing a specific light reflection or absorption, for example of Al, Cr and Ti as single or (also before production of the microchannels of polymer material), may also be applied to the substrate Multiple layers can be realized. Functional layers of, for example, SiO 2 , Al 3 O 3 , TiO 2 , silane compounds for chemical functionalization, chemical passivation and / or adaptation of the wetting properties of the materials of the microchannels can also be applied to the inner walls of the microchannels after their production, for example by wet-chemical processes or gas-phase deposition be applied.
Da die strukturierte Belichtung zur Herstellung von Mikrokanälen mit mindestens zwei Öffnungen durchgeführt wird, befindet sich in dem verbliebenen ausgehärteten Polymermaterial mindestens ein Mikrokanal, beispielsweise mit einem rechteckigen Querschnitt mit Abmessungen von 2000 × 50 × 50 µm3 (Länge × Höhe × Breite). Die Positionierung und Ausrichtung der Mikrokanäle und ihrer Öffnungen wird durch die strukturierte Belichtung und Aushärtung die Polymermaterialien und nachfolgende Entfernung der unausgehärteten Polymermaterialien erreicht.Since the structured exposure is carried out to produce microchannels having at least two openings, the remaining cured polymer material contains at least one microchannel, for example with a rectangular cross section with dimensions of 2000 × 50 × 50 μm 3 (length × height × width). The positioning and alignment of the microchannels and their openings is achieved by patterned exposure and curing of the polymeric materials and subsequent removal of the uncured polymeric materials.
Dabei erfolgt die Anordnung des fotolithographisch strukturierten Polymerblockes mit den Mikrokanäle auf dem Substrat mindestens teilweise außerhalb des Ausbreitungsbereichs der akustischen Welle oder Wellen, wobei die Ausrichtung des Mikrokanals oder der Mikrokanäle und deren mindestens eine Öffnung in Richtung der akustischen Welle oder Wellen erfolgt und an einer Position bezüglich der akustischen Welle oder Wellen realisiert ist, an welcher ein Anstieg der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen nachweisbar ist. The arrangement of the photolithographically structured polymer block with the microchannels on the substrate is at least partially outside the propagation range of the acoustic wave or waves, wherein the alignment of the microchannel or the microchannels and their at least one opening in the direction of the acoustic wave or waves takes place and at a position is realized with respect to the acoustic wave or waves, at which an increase in the amplitude of the acoustic wave or waves is detectable.
Die Positionierung der mindestens einen Öffnung eines Mikrokanals erfolgt besonders vorteilhafterweise an einer Position der Substratoberfläche, an welcher der Anstieg der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen 10–4...10 nm/mm, vorteilhafterweise 10–3...5 nm/mm, mit nm = (Amplitude der Oberflächenoszillation) und mm = (Strecke auf der Substratoberfläche) beträgt. Die Positionierung einer Öffnung eines Mikrokanals am und/oder teilweise im Ausbreitungsbereich der akustischen Welle und an einer Position mit einem nachweisbaren Anstieg der Amplitude der Welle oder Wellen ermöglicht die Interaktion der im Mikrokanal befindlichen Flüssigkeit am Mikrokanalausgang mit der Welle oder den Wellen und damit die Einwirkung einer Kraft auf die Flüssigkeit. Diese Kraftwirkung in Richtung des oder der Amplitudenmaxima führt zur dynamischen Ausbildung und Stabilisierung einer Flüssigkeitsdünnschicht, deren Ausdehnung in Richtung der ansteigenden Amplitude erfolgt und im Amplitudenmaximum zur Zerstäubung der Flüssigkeit führt.The positioning of the at least one opening of a microchannel is particularly advantageously carried out at a position of the substrate surface at which the increase in the amplitude of the acoustic wave or waves 10 -4 ... 10 nm / mm, advantageously 10 -3 ... 5 nm / mm , with nm = (amplitude of the surface oscillation) and mm = (distance on the substrate surface). The positioning of an opening of a microchannel at and / or partially in the propagation region of the acoustic wave and at a position with a detectable increase in the amplitude of the wave or waves allows the interaction of the microchannel fluid at the microchannel exit with the wave or waves and hence the action a force on the liquid. This force action in the direction of the amplitude maxima or leads to the dynamic formation and stabilization of a thin film of liquid, the expansion of which takes place in the direction of the increasing amplitude and leads to the atomization of the liquid in the amplitude maximum.
Weiterhin können auch eine Vielzahl von Mikrokanälen auf einer oder auf beiden Seiten einer oder mehrerer akustischer Wellen angeordnet sein, wobei immer mindestens eine Öffnung eines Mikrokanals an der Position angeordnet ist, bei der die Amplitude der akustischen Welle oder Wellen 5–30 % der maximalen Amplitude der Welle oder Wellen beträgt.Furthermore, a plurality of microchannels may also be arranged on one or both sides of one or more acoustic waves, wherein at least one opening of a microchannel is always arranged at the position at which the amplitude of the acoustic wave or waves is 5-30% of the maximum amplitude the wave or waves is.
Der Anstieg der Amplitude der Welle oder Wellen wird im Rahmen dieser Erfindung so definiert, dass bei Vorliegen einer ausgebildeten Welle oder Wellen auf einem Substrat die Welle oder Wellen über den Querschnitt betrachtet, vom Substrat ausgehend von beiden seitlichen Rändern der Welle aus die Amplitude bis zum Amplitudenmaximum oder mehreren Amplitudenmaxima ansteigt. Sobald ein nachweisbarer Anstieg der Amplitude am Wellenrand vorliegt, ist damit ein Ort für die Positionierung der Öffnung eines Mikrokanals angegeben. Vorteilhafterweise befindet sich dieser Ort an der Position, an der der Anstieg 10–3...5 nm/mm, mit nm = (Amplitude der Oberflächenoszillation) und mm = (Strecke auf der Substratoberfläche) und die Amplitude 5–30 %, vorteilhafterweise 5–15 %, der maximalen Amplitude der Welle oder Wellen beträgt.The increase in the amplitude of the wave or waves is defined in the context of this invention such that in the presence of a trained wave or waves on a substrate, the wave or waves viewed over the cross section, from the substrate from both lateral edges of the wave from the amplitude to Amplitude maximum or more amplitude maxima increases. Once there is a detectable increase in amplitude at the wave edge, this indicates a location for positioning the opening of a microchannel. Advantageously, this location is at the position where the slope is 10 -3 ... 5 nm / mm, with nm = (amplitude of the surface oscillation) and mm = (distance on the substrate surface) and the amplitude 5-30%, advantageously 5-15%, the maximum amplitude of the wave or waves is.
Bei bekannten Daten des SAW-Bauelementes kann dieser Ort berechnet werden. Der Ort kann aber auch durch Messung der Amplitudenverteilung bei gegebenem Aufbau und Eingangssignal, beispielsweise mit Hilfe eines Vibrometers, bestimmt werden. Die Lage der Position kann bei gegebenem Aufbau ebenfalls auf der Substratoberfläche verschoben werden, indem die dem IDT zugeführte Leistung erhöht oder verringert wird, so dass an einer festen Position auf der Substratoberfläche der Betrag des Anstiegs der Amplitude und die Amplitude der akustischen Welle oder Wellen verändert werden kann. For known data of the SAW device, this location can be calculated. However, the location can also be determined by measuring the amplitude distribution given the structure and input signal, for example with the aid of a vibrometer. The position of the position may also be displaced on the substrate surface by increasing or decreasing the power supplied to the IDT, such that at a fixed position on the substrate surface, the magnitude of the amplitude increase and the amplitude of the acoustic wave or waves changes can be.
Die Lage der Position kann bei gegebenem Aufbau ebenfalls auf der Substratoberfläche verschoben werden, indem die dem IDT zugeführte Leistung erhöht oder verringert wird, so dass sich an einer festen Position auf der Substratoberfläche der Betrag des Anstiegs der Amplitude und die Amplitude der akustischen Welle oder Wellen verändert. Weiterhin kann bezüglich einer festen Position auf der Substratoberfläche der Betrag des Anstieges der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen bei Verwendung spezieller IDT, beispielsweise sogenannter Chirped oder slanted-finger IDT durch Veränderung der elektrischen Eingangssignale verändert werden. Bei chirped IDT kann dabei durch Wahl der Frequenz in Kombination mit der wellenlängenabhängigen Beugung und Wellenausbreitung eine Variation des Wellenfeldes, d.h. der räumlichen Amplitudenverteilung, erreicht werden. Bei slanted-finger IDT erfolgt die Anregung der SAW bei einer Frequenz nur in einem Teil der Apertur, wodurch ebenfalls das Wellenfeld entsprechend gesteuert werden kann. The position of the position may also be displaced on the substrate surface by increasing or decreasing the power supplied to the IDT so that at a fixed position on the substrate surface the magnitude of the amplitude increase and the amplitude of the acoustic wave or waves changed. Further, with respect to a fixed position on the substrate surface, the amount of increase in the amplitude of the acoustic wave or waves when using special IDT such as so-called chirped or slanted-finger IDT can be changed by changing the input electrical signals. In chirped IDT, by selecting the frequency in combination with the wavelength-dependent diffraction and wave propagation, a variation of the wave field, i. the spatial amplitude distribution can be achieved. With slanted-finger IDT, the excitation of the SAW occurs at a frequency only in a part of the aperture, whereby the wave field can also be controlled accordingly.
Es ist auch möglich, durch die Veränderung des lokalen Anstiegs der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen über ihre Pfadlänge verschieden Öffnungen von Mikrokanälen entlang des Pfades der akustischen Welle anzusteuern und dann möglicherweise auch unterschiedliche Flüssigkeiten gezielt zu zerstäuben, die durch die unterschiedlichen Mikrokanäle eingebracht werden können.It is also possible, by altering the local increase in the amplitude of the acoustic wave or waves, to control different openings of microchannels along the path of the acoustic wave over its path length and then possibly selectively atomize different liquids that can be introduced through the different microchannels ,
Die mindestens zweite Öffnung der Mikrokanäle, die nicht in Richtung der akustischen Welle angeordnet ist, ist mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden.The at least second opening of the microchannels, which is not arranged in the direction of the acoustic wave, is connected to a liquid reservoir.
Die Mikrokanäle haben vorteilhafterweise eine L-förmige Struktur, wobei der kürzere Schenkel des L in Richtung des Flüssigkeitsreservoirs angeordnet ist. Dort können Pumpen, Schläuche oder Ventile angeschlossen werden, um die Flüssigkeitszufuhr zu gewährleisten. Andere Kanalformen, beispielsweise Mäander, oder Kanäle mit mehreren Kanalöffnungen, oder die Integration von aktiven Komponenten wie Pumpen oder Ventilen in den Mikrokanal sind ebenfalls möglich.The microchannels advantageously have an L-shaped structure, wherein the shorter leg of the L is arranged in the direction of the liquid reservoir. There pumps, hoses or valves can be connected to ensure the supply of liquid. Other channel shapes, such as meanders, or channels with multiple channel openings, or the integration of active components such as pumps or valves into the microchannel are also possible.
Die Dimensionierung der Öffnung in Richtung der akustischen Welle können den Dimensionen der gewünschten Flüssigkeitsschicht (Breite, Höhe) angepasst werden. Wünschenswert ist zudem eine möglichst geringe Breite der Mikrokanalwände im Wechselwirkungsbereich mit der akustischen Welle, um die Wechselwirkungen des Polymermaterials mit der akustischen Welle zu minimieren und die Intensität störender Effekte, wie Polymererwärmung und/oder Polymerdegradation und/oder die Dämpfung der akustischen Welle und/oder die negative Beeinflussung des Wellenfeldes zu verringern. Die Breite der technologisch realisierbaren Kanalwände wird jedoch durch Faktoren wie Haftfestigkeit, mechanische Stabilität und die Grenzen der Lithografie in Polymerschichten limitiert.The dimensioning of the opening in the direction of the acoustic wave can be adapted to the dimensions of the desired liquid layer (width, height). It is also desirable to minimize the width of the microchannel walls in the interaction region with the acoustic wave in order to minimize the interactions of the polymer material with the acoustic wave and the intensity of disturbing effects, such as polymer heating and / or polymer degradation and / or the attenuation of the acoustic wave and / or to reduce the negative influence of the wave field. However, the width of the technologically feasible channel walls is limited by factors such as adhesive strength, mechanical stability and the limits of lithography in polymer layers.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine räumliche Trennung von Flüssigkeitszufuhrposition und Zerstäubungszone realisiert, die durch eine Flüssigkeitsdünnschicht miteinander verbunden sind. Dadurch wird die akustische Welle in ihren Eigenschaften wenig oder gar nicht beeinflusst, sekundäre akustisch-bedingte Effekte im Fluid vermindert und eine bestmögliche Zerstäubung der Flüssigkeit ist möglich. Ebenso wird das Polymermaterial durch die akustische Welle wenig oder gar nicht negativ beeinflusst, was eine geringere Stressbelastung und höhere Lebensdauer und Leistungsbeständigkeit des Polymermaterials zur Folge hat.With the solution according to the invention, a spatial separation of liquid supply position and atomization zone is realized, which are interconnected by a thin film of liquid. As a result, the acoustic wave is little or not affected in its properties, secondary acoustic effects in the fluid reduced and the best possible atomization of the liquid is possible. Likewise, the polymer material is affected by the acoustic wave little or no negative, which results in a lower stress load and longer life and performance resistance of the polymer material.
Die Herstellung der Mikrokanäle mittels fotolithographischer Verfahren ist einfach und kostengünstig und für eine Massenproduktion einfach anwendbar. Es kann auf teure Verfahrensschritte, wie beispielsweise Waferbonden verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gut miniaturisierbar und kann gut mit übergeordneten Fluidsystemen, wie Pumpen, Reservoiren, Ventilen, verbunden werden. Durch Auswahl der Polymermaterialien und einer möglichen Funktionalisierung der Kanalinnenwände kann eine gute Kompatibilität zu vielen Flüssigkeitsklassen oder Dispersionen erreicht werden, ebenso wie eine gute Biokompatibilität. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können kontinuierliche oder diskontinuierliche Flüssigkeitszerstäubungen realisiert werden, sowohl mit nur einer Flüssigkeit als auch mit mehreren verschiedenen Flüssigkeiten, sowie eine gezielte Steuerung der Zerstäubung an verschiedenen Orten durch lokale Änderung des Anstieges der Amplitude der akustischen Welle oder Wellen auf dem Substrat. Ebenso können die Zerstäubungsbedingungen gesteuert und damit die Aerosoleigenschaften konstant gehalten werden, beispielsweise hinsichtlich der Tropfengrößenverteilung, oder auch eine selektive Aerosolbildung oder eine zeitlich variable Aerosolbildung realisiert werden.The fabrication of the microchannels by photolithographic techniques is simple and inexpensive and easily applicable to mass production. It can be dispensed with expensive process steps, such as Waferbonden. The device according to the invention is easily miniaturized and can be well connected to higher-level fluid systems, such as pumps, reservoirs, valves. By selecting the polymer materials and a possible functionalization of the channel inner walls, a good compatibility with many liquid classes or dispersions can be achieved, as well as a good biocompatibility. With the device according to the invention, continuous or discontinuous liquid atomizations can be realized, both with only one liquid and with several different liquids, as well as a targeted control of the atomization at different locations by locally changing the increase of the amplitude of the acoustic wave or waves on the substrate. Likewise, the atomization conditions can be controlled and thus the aerosol properties can be kept constant, for example with regard to the droplet size distribution, or else a selective aerosol formation or a time-variable aerosol formation can be realized.
Unter Flüssigkeiten sollen im Rahmen dieser Erfindung alle Flüssigkeiten und auch Dispersionen und Suspensionen mit Bestandteilen im Nanometerbereich verstanden werden.In the context of this invention, liquids are to be understood as meaning all liquids and also dispersions and suspensions with constituents in the nanometer range.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.
Beispiel example
Auf einem 4-Zoll-Wafer aus piezoelektrischem 128°YX Lithiumniobat (LiNbO3) als Substrat wird ein Interdigitalwandler aus 5nm Titan (als Haftschicht) und aufliegend 295nm Aluminium mittels Lift-Off-Strukturierung hergestellt. Anschließend wird eine 1 µm dicke SiO2-Schicht als Funktionsschicht mittels Kathodenzerstäubung aufgebracht. Die SiO2-Schicht wird anschließend an den Stellen der elektrischen Kontaktierung freigeätzt. Der Interdigitalwandler ist vom Lambda-Viertel-Typ mit Finger- und Leerraumbreiten von jeweils 15 µm und einer Apertur von 2 mm. On a 4-inch wafer of piezoelectric 128 ° YX lithium niobate (LiNbO 3 ) as a substrate, an interdigital transducer made of 5nm titanium (as an adhesive layer) and resting 295nm aluminum by lift-off structuring. Subsequently, a 1 micron thick SiO 2 layer is applied as a functional layer by means of cathode sputtering. The SiO 2 layer is then etched free at the points of electrical contact. The interdigital transducer is of the quarter-wave type with finger and space widths of 15 μm each and an aperture of 2 mm.
Nachfolgend wird die Oberfläche des Substrates mittels Aceton und Isopropylalkohol unter Ultraschall 10 min gereinigt und nachfolgend mit Stickstoff abgeblasen und mit Sauerstoffplasma behandelt. Damit sind alle Partikel und organischen Reste von der Oberfläche entfernt, was die Adhäsion mit dem nachfolgend aufgebrachten Fotolack verbessert.Subsequently, the surface of the substrate is cleaned by means of acetone and isopropyl alcohol under ultrasound for 10 min and subsequently blown off with nitrogen and treated with oxygen plasma. Thus, all particles and organic residues are removed from the surface, which improves the adhesion with the subsequently applied photoresist.
Auf die Mitte des Substrates wird nun 5 ml Fotolack SU-8 50 aufgetropft. Durch Abschleudern bei 1500 rpm wird eine Lackschicht auf der Oberfläche des Substrates von ca. 80 µm Dicke gebildet. Das Substrat mit der Lackschicht wird mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 K/min auf 95 °C erwärmt dort für 30 min gehalten und ebenfalls mit 2 K/min wieder abgekühlt. Damit ist das Lösungsmittel entfernt und Verspannungen sind in der Lackschicht minimiert.5 ml photoresist SU-8 50 is now dropped on the middle of the substrate. By spin-coating at 1500 rpm, a paint layer on the surface of the substrate of about 80 microns thick is formed. The substrate with the lacquer layer is heated at a heating rate of 2 K / min to 95 ° C there held for 30 min and also cooled again at 2 K / min. Thus, the solvent is removed and tensions are minimized in the paint layer.
Nachfolgend findet der Belichtungsprozess statt. Die Belichtung erfolgt in zwei Schritten, wobei im ersten Schritt die Mikrokanalwände und im zweiten Schritt der Mikrokanaldeckel strukturiert werden. Zur Herstellung der Mikrokanalwände wird eine Fotomaske 1 in einer im Kontaktmodus betriebenen Belichtungsanlage eingesetzt. Die Fotomaske 1 weist Strukturen aus Chrom und Leerräume auf. Die Leerräume repräsentieren dabei die zu belichtenden Bereiche und damit die späteren Mikrokanalwände. Die Fotomaske 1 wird in einer Vorrichtung entsprechend ausgerichtet. Bei einer Wellenlänge von 365nm wird der Fotolack mit einer Lichtdosis von 7mW/cm2 für 20 s belichtet. Nachfolgend erfolgt die zweite Belichtung mit der Fotomaske 2 bei einer Wellenlänge von 254 nm mit einer Lichtdosis von 2 mW/cm2 und einer Belichtungszeit von 10 s. Auch diese Fotomaske 2 weist Strukturen aus Chrom und Leerräume auf, wobei die Leerräume die zu belichtenden Bereiche repräsentieren und damit den späteren Kanaldeckel. Auch die Fotomaske 2 entsprechend der zuvor belichteten Strukturen ausgerichtet.Subsequently, the exposure process takes place. The exposure takes place in two steps, with the microchannel walls being structured in the first step and the microchannel cover in the second step. To produce the microchannel walls, a photomask 1 is used in an exposure system operated in contact mode. The photomask 1 has structures of chrome and voids. The voids represent the areas to be exposed and thus the later microchannel walls. The photomask 1 is aligned in a device accordingly. At a wavelength of 365 nm, the photoresist is exposed for a period of 20 s with a light dose of 7 mW / cm 2 . Subsequently, the second exposure is carried out with the photomask 2 at a wavelength of 254 nm with a light dose of 2 mW / cm 2 and an exposure time of 10 s. Also, this photomask 2 has structures of chrome and voids, wherein the voids represent the areas to be exposed and thus the later manhole cover. Also, the photomask 2 aligned according to the previously exposed structures.
Nach den beiden Belichtungsschritten erfolgt wiederum eine Temperung zu den Bedingungen, wie für die Entfernung des Lösungsmittels. Danach erfolgt die Entwicklung des Fotolacks mit einem Lackentwickler mr-DEV 600 pur für 2 Stunden. Nachfolgend wird eine Spülung mit reinem Isopropylalkohol durchgeführt und eine Trocknung an Luft realisiert.After the two exposure steps, in turn, an annealing to the conditions, such as for the removal of the solvent. Thereafter, the development of the photoresist is carried out with a paint developer mr-DEV 600 pure for 2 hours. Subsequently, a rinse with pure isopropyl alcohol is carried out and realized a drying in air.
Nach der Entfernung des ungehärteten Fotolacks vom Substrat verbleibt ein Polymerblock von 3,0 × 3,5 mm2 (Breite × Länge) und einer Höhe von 80 µm. Der L-förmige Mikrokanal im Inneren des Polymerblockes hat die Abmessungen von 1,5 mm Länge und 70 × 100 µm2 (Höhe × Breite) des langen L-Schenkels, der parallel zur Substratoberfläche angeordnet ist und 80µm Länge und 100 × 100 µm2 (Höhe × Breite) des kurzen L-Schenkels, der in einem Winkel von 90° zur Substratoberfläche angeordnet ist. Die Innenwände des Mikrokanals sind zur Verbesserung der Benetzung mit einer 5 nm dicken Hydroxymethyltriethoxysilanschicht beschichtet.After removal of the uncured photoresist from the substrate, a polymer block of 3.0 x 3.5 mm 2 (width x length) and a height of 80 μm remains. Has the L-shaped microchannel in the interior of the polymer block, the dimensions of 1.5 mm in length and 70 x 100 micron 2 (height x width) of the long L-leg which is arranged parallel to the substrate surface and 80 .mu.m in length and 100 X 100 microns 2 (Height x width) of the short L-leg, which is arranged at an angle of 90 ° to the substrate surface. The inner walls of the microchannel are coated with a 5 nm thick hydroxymethyltriethoxysilane layer to improve the wetting.
Der strukturierte Polymerblock befindet sich zum größten Teil außerhalb des Pfades der akustischen Welle, wobei die Öffnung des langen Schenkels des L-förmigen Mikrokanals senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung angeordnet ist. Die Kanalöffnung befindet sich dabei in Ausbreitungsrichtung der Welle in einem Abstand von 3mm vom IDT-Ende und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung in einem Abstand von 1.25mm von der Aperturmitte. An diesem Ort entspricht der Betrag der ansteigenden Amplitude der SAW senkrecht zur Ausbreitungsrichtung ca. 4nm/mm, mit nm (Amplitude) und mm (Strecke auf der Substratoberfläche). Die Amplitude der Welle an der Kanalöffnung beträgt dabei nur ca. 5% des Amplitudenmaximums in dieser Entfernung zum IDT, wodurch ein sehr geringer Energieeintrag in das Polymermaterial gewährleistet wird. The structured polymer block is located for the most part outside the path of the acoustic wave, with the opening of the long leg of the L-shaped microchannel being arranged perpendicular to the wave propagation direction. The channel opening is located in the propagation direction of the shaft at a distance of 3 mm from the IDT end and perpendicular to the propagation direction at a distance of 1.25 mm from the center of the aperture. At this location, the magnitude of the increasing amplitude of the SAW perpendicular to the propagation direction is approximately 4nm / mm, with nm (amplitude) and mm (distance on the substrate surface). The amplitude of the wave at the channel opening is only about 5% of the amplitude maximum at this distance to the IDT, whereby a very low energy input is ensured in the polymer material.
Zur elektrischen Ansteuerung des Interdigitalwandlers dient ein Sinus-Generator, welcher bei der Resonanzfrequenz des Interdigitalwandlers (ca. 64MHz) betrieben wird und an dessen Ausgang ein 10W-Hochfrequenzverstärker angeschlossen ist. An den Ausgang wird der Interdigitalwandler über Bonddrahtbrücken und SMA-Anschlusskabel angeschlossen.For electrical control of the interdigital transducer is a sine-wave generator, which is operated at the resonant frequency of the interdigital transducer (about 64MHz) and at the output of a 10W high-frequency amplifier is connected. The interdigital transducer is connected to the output via bonding wire bridges and SMA connection cables.
Die Öffnung des kurzen Schenkels des L-förmigen Mikrokanals wird über einen Gummiring direkt an eine Andruckplatte mit einem Flüssigkeitsreservoir angeschlossen. Bei Zugabe der Flüssigkeit in das Reservoir füllt diese den Kanal und bildet an der Öffnung des langen Schenkels des L-förmigen Mikrokanals einen Flüssigkeitsmeniskus auf der Substratoberfläche aus. Als Flüssigkeit wird eine 1%ige Kochsalzlösung eingesetzt. Der Kontaktwinkel der Flüssigkeit zum SiO2 ist kleiner als der Rayleigh-Winkel. The opening of the short leg of the L-shaped microchannel is connected via a rubber ring directly to a pressure plate with a liquid reservoir. When the liquid is added to the reservoir, it fills the channel and forms a fluid meniscus on the substrate surface at the opening of the long leg of the L-shaped microchannel. The liquid used is a 1% saline solution. The contact angle of the liquid to the SiO 2 is smaller than the Rayleigh angle.
Bei Anlegen eines Sinus-Signals mit der Resonanzfrequenz des Interdigitalwandlers und 4W elektrischer Leistung wird vom Interdigitalwandler eine akustische Oberflächenwelle vom Rayleigh-Typ ausgesandt. Die akustische Oberflächenwelle erreicht den Ort der Öffnung des langen Schenkels des L-förmigen Mikrokanals mit dem zuvor definierten Amplitudenanstieg. Dadurch wird eine Kraft auf den Flüssigkeitsmeniskus ausgeübt, es bildet sich eine dünne Flüssigkeitsschicht aus und die Flüssigkeit wird in Richtung des Amplitudenmaximums gezogen. Die Zerstäubung der Flüssigkeit erfolgt am Ort des Amplitudenmaximums. Durch eine kontinuierliche Flüssigkeitszufuhr wird eine kontinuierliche, gleichmäßige und sichere Zerstäubung realisiert. When a sine signal having the resonance frequency of the interdigital transducer and 4W electric power is applied, the interdigital transducer emits a Rayleigh-type surface acoustic wave. The surface acoustic wave reaches the location of the opening of the long leg of the L-shaped microchannel with the previously defined amplitude increase. As a result, a force is exerted on the liquid meniscus, it forms a thin layer of liquid and the liquid is drawn in the direction of the amplitude maximum. The atomization of the liquid takes place at the location of the amplitude maximum. A continuous liquid supply ensures continuous, uniform and reliable atomization.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102020108908A1 (en) | 2020-03-31 | 2021-09-30 | Motherson Innovations Company Limited | METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLED PERFUME DIFFUSION IN A VEHICLE USING MICROFLUIDICS |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3017876A1 (en) | 2016-05-11 |
| EP3017876B1 (en) | 2020-04-08 |
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