Anwendung und Analyse der Impedanzspektroskopie in Electrowetting-Lab-on-Chip Systemen

Stefan Clara

Anwendung und Analyse der Impedanzspektroskopie in Electrowetting-Lab-on-Chip Systemen

Stefan Clara

Institute of Microelectronics and Microsensors

Research output: Thesis › Master's / Diploma thesis

Abstract

The thesis describes a Lab on Chip (LOC) System. This is the attempt to miniaturise the functionality of a chemistry laboratory and to integrate it on a chip. With this reduction in size similar advantages as with the semiconductor IC are to be expected, this means: -> Cheaper fabrication because of mass production. -> Cost reduction through less reagents. -> Time savings with the help of parallelisation. Additionally, completely new opportunities are possible through miniaturisation because of the replacement of the volume forces by the surface forces. The physical laws behind this can be illustrated easily: If L is the characteristic length of a system, then the volume forces FV are proportional to L^3, the surface forces FO on the other hand are proportional to L^2. For small values of L the surface forces dominate. Because of these changes the LOC systems also allow other application areas like disposable analysers, mobile test devices and quicker tests. The thesis is divided into four sections: -> The first and second part refers to electrowetting systems (EWOD), that is, the movement of droplets on special electrodes. In The first part: In this section a digital microfluidic concept that operates with electrostatic forces is presented. The basic operations like moving, creating, dividing and mixing have to work reliably to get flexible electrowetting systems. With these operations it is possible to handle many chemical processes on a miniaturised scale. -> Section three shows how to get information about the composition of a fluid using impedance spectroscopy (IS). IS is a relative new measurement method which analyses the complex impedance over a defined frequency range. Certain quantifiable electrical characteristics can be calculated out of this data. IS can be used very flexibly. Some possible uses are for example: the measurement of corrosion [12], cell detection in biochemical systems [11] or the capacity fade of lithium-ion batteries [13].

Original language	German (Austria)
Publication status	Published - Nov 2010

Fields of science

203017 Micromechanics
202019 High frequency engineering
202028 Microelectronics
202039 Theoretical electrical engineering
202037 Signal processing
202027 Mechatronics
202036 Sensor systems

JKU Focus areas

Mechatronics and Information Processing

Cite this

@mastersthesis{94eb39cddacc4ae78947bd8ac17390bb,

title = "Anwendung und Analyse der Impedanzspektroskopie in Electrowetting-Lab-on-Chip Systemen",

abstract = "Die Diplomarbeit befasst sich mit einem sogenannten Lab on Chip (LOC) System. Dabei handelt es sich um den Versuch, die Funktionalit{\"a}t eines Chemielabors zu miniaturisieren und auf einem Chip unterzubringen. Durch diese Verkleinerung sind {\"a}hnliche Vorteile wie bei den Halbleiter ICs erreichbar. Konkret hei{\ss}t das: -> G{\"u}nstige Produktion durch Massenfertigung. -> Kostenersparnis durch geringe Mengen an Reagenzfl{\"u}ssigkeiten. -> Zeitersparnis durch hohe Parallelisierbarkeit. Die Miniaturisierung er{\"o}ffnen ganz neue M{\"o}glichkeiten, die erst durch die {\"A}nderung der Kr{\"a}ftedominanz von den Volumenkr{\"a}ften hin zu den Oberfl{\"a}chenkr{\"a}ften, erm{\"o}glicht werden. Die physikalischen Gesetzm{\"a}{\ss}igkeiten lassen sich sehr einfach veranschaulichen: Stellt L die charakteristische L{\"a}nge eines Systems dar, so sind die Volumenkr{\"a}fte FV proportional zu L\textasciicircum{}3, die Oberfl{\"a}chenkr{\"a}fte FO hingegen proportional zu L\textasciicircum{}2. F{\"u}r kleine Werte von L dominieren somit die Oberfl{\"a}chenkr{\"a}fte. Durch all diese Ver{\"a}nderungen erlauben LOC-Systeme auch andere Einsatzbereiche wie z.B. Einweganalyseger{\"a}te, mobile Testsysteme und instantane Tests. Der behandelte Problembereich der LOC-Systeme wird in vier Teilbereiche unterteilt. -> Die ersten beiden Abschnitte befassen sich mit dem Electrowetting (EWOD). Darunter wird das Bewegen von Fl{\"u}ssigkeitstr{\"o}pfchen auf speziellen Elektrodengeometrien verstanden. Es handelt sich dabei um ein digitales Mikrofluidik-Konzept, das mit Hilfe von elektrostatischen Kr{\"a}ften arbeitet. Um ein flexibles Electrowetting System zu erhalten, m{\"u}ssen Grundoperationen, wie bewegen, erzeugen, teilen und mischen, effizient und zuverl{\"a}ssig funktionieren. Mit diesen Operationen l{\"a}sst sich eine sehr breite Palette an chemischen Vorg{\"a}ngen im miniaturisierten Ma{\ss}stab abarbeiten. -> Im dritten Abschnitt geht es darum, mit Hilfe der Impedanzspektroskopie (IS), Informationen {\"u}ber die Zusammensetzung einer Fl{\"u}ssigkeit zu erhalten.",

author = "Stefan Clara",

year = "2010",

month = nov,

language = "Deutsch ({\"O}sterreich)",

}

TY - THES

T1 - Anwendung und Analyse der Impedanzspektroskopie in Electrowetting-Lab-on-Chip Systemen

AU - Clara, Stefan

PY - 2010/11

Y1 - 2010/11

N2 - Die Diplomarbeit befasst sich mit einem sogenannten Lab on Chip (LOC) System. Dabei handelt es sich um den Versuch, die Funktionalität eines Chemielabors zu miniaturisieren und auf einem Chip unterzubringen. Durch diese Verkleinerung sind ähnliche Vorteile wie bei den Halbleiter ICs erreichbar. Konkret heißt das: -> Günstige Produktion durch Massenfertigung. -> Kostenersparnis durch geringe Mengen an Reagenzflüssigkeiten. -> Zeitersparnis durch hohe Parallelisierbarkeit. Die Miniaturisierung eröffnen ganz neue Möglichkeiten, die erst durch die Änderung der Kräftedominanz von den Volumenkräften hin zu den Oberflächenkräften, ermöglicht werden. Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten lassen sich sehr einfach veranschaulichen: Stellt L die charakteristische Länge eines Systems dar, so sind die Volumenkräfte FV proportional zu L^3, die Oberflächenkräfte FO hingegen proportional zu L^2. Für kleine Werte von L dominieren somit die Oberflächenkräfte. Durch all diese Veränderungen erlauben LOC-Systeme auch andere Einsatzbereiche wie z.B. Einweganalysegeräte, mobile Testsysteme und instantane Tests. Der behandelte Problembereich der LOC-Systeme wird in vier Teilbereiche unterteilt. -> Die ersten beiden Abschnitte befassen sich mit dem Electrowetting (EWOD). Darunter wird das Bewegen von Flüssigkeitströpfchen auf speziellen Elektrodengeometrien verstanden. Es handelt sich dabei um ein digitales Mikrofluidik-Konzept, das mit Hilfe von elektrostatischen Kräften arbeitet. Um ein flexibles Electrowetting System zu erhalten, müssen Grundoperationen, wie bewegen, erzeugen, teilen und mischen, effizient und zuverlässig funktionieren. Mit diesen Operationen lässt sich eine sehr breite Palette an chemischen Vorgängen im miniaturisierten Maßstab abarbeiten. -> Im dritten Abschnitt geht es darum, mit Hilfe der Impedanzspektroskopie (IS), Informationen über die Zusammensetzung einer Flüssigkeit zu erhalten.

AB - Die Diplomarbeit befasst sich mit einem sogenannten Lab on Chip (LOC) System. Dabei handelt es sich um den Versuch, die Funktionalität eines Chemielabors zu miniaturisieren und auf einem Chip unterzubringen. Durch diese Verkleinerung sind ähnliche Vorteile wie bei den Halbleiter ICs erreichbar. Konkret heißt das: -> Günstige Produktion durch Massenfertigung. -> Kostenersparnis durch geringe Mengen an Reagenzflüssigkeiten. -> Zeitersparnis durch hohe Parallelisierbarkeit. Die Miniaturisierung eröffnen ganz neue Möglichkeiten, die erst durch die Änderung der Kräftedominanz von den Volumenkräften hin zu den Oberflächenkräften, ermöglicht werden. Die physikalischen Gesetzmäßigkeiten lassen sich sehr einfach veranschaulichen: Stellt L die charakteristische Länge eines Systems dar, so sind die Volumenkräfte FV proportional zu L^3, die Oberflächenkräfte FO hingegen proportional zu L^2. Für kleine Werte von L dominieren somit die Oberflächenkräfte. Durch all diese Veränderungen erlauben LOC-Systeme auch andere Einsatzbereiche wie z.B. Einweganalysegeräte, mobile Testsysteme und instantane Tests. Der behandelte Problembereich der LOC-Systeme wird in vier Teilbereiche unterteilt. -> Die ersten beiden Abschnitte befassen sich mit dem Electrowetting (EWOD). Darunter wird das Bewegen von Flüssigkeitströpfchen auf speziellen Elektrodengeometrien verstanden. Es handelt sich dabei um ein digitales Mikrofluidik-Konzept, das mit Hilfe von elektrostatischen Kräften arbeitet. Um ein flexibles Electrowetting System zu erhalten, müssen Grundoperationen, wie bewegen, erzeugen, teilen und mischen, effizient und zuverlässig funktionieren. Mit diesen Operationen lässt sich eine sehr breite Palette an chemischen Vorgängen im miniaturisierten Maßstab abarbeiten. -> Im dritten Abschnitt geht es darum, mit Hilfe der Impedanzspektroskopie (IS), Informationen über die Zusammensetzung einer Flüssigkeit zu erhalten.

M3 - Master-/Diplomarbeit

ER -