Mikrofluidik auf der Basis von CVD-Diamant

Abstract

Das zentrale Thema der vorliegenden Arbeit ist der Einsatz von polykristallinem Diamant als neuartiger Werkstoff in der Mikrofluidik. Ein besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Entwicklung einer Diamanttechnologie gelegt, die es ermöglicht chemisch, thermisch und mechanisch stabile, planar integrierbare Mikrofluidiksysteme mit aktiven Komponenten herzustellen. Dies ist insbesondere in Hinblick auf den Einsatz von Diamant in monolytischen lab-on-a-chip-Systemen wichtig, die autonom nicht nur milde Substanzen aus der Biochemie sondern auch aggressive Säuren, Laugen und Lösungsmittel verarbeiten können. Um die vorteilhaften Materialeigenschaften von Diamant für die Mikrofluidik nutzen zu können, musste in einem ersten Schritt eine geeignete Herstellungstechnologie identifiziert werden. Die zuerst entwickelte monolytische SiO2-Opferschichttechnologie für Diamantoberflächenmikrofluidik machte es erstmals möglich, planar integrierbare Diamantkapillaren herzustellen, bei denen die flüssigkeitsführenden Teile vollständig aus Diamant bestanden. Da sich zeigte, dass die durch das SiO2 bedingte maximale Kapillarhöhe von 5 µm zu gering war, wurde nach einem neuen Opferschichtmaterial gesucht, das sich in Dicken zwischen 30 µm und 50 µm aufbringen und strukturieren lässt. Dieses Material wurde mit Kupfer gefunden. Um Kupfer mit Diamant überwachsen zu können, war weiterhin die Entwicklung einer Diffusionsbarriere zwischen der siliziumbasierten Bekeimungsschicht und der Kupferschicht notwendig. Mit dem so modifizierten Opferschichtprozess wurden vollständig aus Diamant bestehende Kapillaren mit Höhen von bis zu 30 µm hergestellt. Beide Opferschichttechnologien können natürlich mit aktiven Elementen kombiniert werden. Dass sich auf diese Weise Teilelemente mikrofluidischer Systeme realisieren lassen, wurde an zwei Beispielen gezeigt.