Entwicklung eines Elektrospray-Chips zur Abscheidung organischer Materialien

Abstract

Das Elektrospray-Verfahren kann für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden und hat sich als Forschungsgebiet dementsprechend stark entwickelt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung, Fertigung, Charakterisierung und Funktionsprüfung eines mikromechanischen Elektrospray-Chips mit dem Fokus auf die Anwendung zur Abscheidung organischer Materialien. Die Anwendung von etablierten Technologien der Mikrosystemtechnik bei der Fertigung erlaubt nicht nur die Miniaturisierung und eine kostengünstige Herstellung von Einzelemittern, sondern bietet auch die Möglichkeit der Realisierung von Emitter-Arrays mit einer hohen Packungsdichte. Auf dem Chip werden die Emitter und die Extraktionselektrode zu einem Gesamtsystem integriert. Der chemisch resistente Negativlack SU-8 wird zum Aufbau von Emitterdüsen verwendet. Im optimierten Design werden mehrere Schichten SU-8 zu 3D-Düsen strukturiert, die aus einer einfachen Kapillare und einem oberen Ring bestehen. Dies sorgt für eine räumliche Beschränkung des Flüssigkeitskegels und somit für einen stabilen Sprühbetrieb. Zwei Varianten des Emitters werden in einem geeigneten Messaufbau mit Ethylenglykol als Testflüssigkeit untersucht, insbesondere im Hinblick auf die zum Einsetzen des stabilen Sprühvorgangs benötigte elektrische Spannung. Die gewonnenen Messdaten zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Simulationsergebnissen aus der halbanalytischen Modellierung des Chips. Die Funktionsprüfung im Hinblick auf die Abscheidung biologischer Moleküle erfolgt mit dem Tripeptid Glutathion, das in kleinen Konzentrationen dem Ethylenglykol beigemischt wird. Die Morphologien der bei verschiedenen Bedingungen abgeschiedenen Filme werden hauptsächlich mit Hilfe von Polarisations- und Niedervakuum-Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert. Dabei konnten sehr interessante komplexe Strukturen festgestellt werden, die offensichtlich durch die starken elektrischen Felder beeinflusst werden.

Electrospraying enjoys numerous applications in the modern world and has evolved tremendously as a field of research. This work focuses on development, fabrication, characterization and on functional tests of a micromachined electrospray chip with deposition of organical materials as the primary target application. The employment of well established MEMS fabrication techniques not only allows for the miniaturization and cost-effective production of single emitters, but also provides the option of realizing high density emitter arrays. Emitter and extraction electrode are integrated on a single chip to form a complete system. The chemically inert negative resist SU-8 is used as structural material for the emitter nozzles. In an optimized design multiple layers of SU-8 are patterned to build 3D nozzles consisting of a capillary and a top ring, restraining the spreading of the liquid cone, thus providing a stable spray operation. Two emitter variations are tested with ethylene glycol as liquid medium in a custom-built measurement set up. A special focus is given on studying the onset voltage for stable spraying. The obtained results were found to be in good agreement with simulation data from a half analytical model of the chip. For validating the functionality in terms of deposition of biological molecules, the tripeptide glutathione is added to ethylene glycol in small concentrations. The films deposited under different parameters were characterized by means of polarization microscopy and by environmental scanning electron microscopy, exhibiting different morphologies. In this study, interesting complex structures were observed, clearly showing to be influenced by the electric field.