All inkjet printed piezoelectric polymer actuators for microfluidic lab-on-a-chip systems

Pabst, Oliver

Drucktechnologien zur Herstellung elektronischer Komponenten wurden in den vergangenen Jahren verstärkt untersucht, da sie einen besonders kostengünstigen Materialauftrag sowie großflächige Beschichtungen ermöglichen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden die Vorteile dieser Verfahren genutzt um piezoelektrische Aktuatoren zu erzeugen, die sich für die Integration in polymerbasierte Lab-on-a-Chip (LOC) Systeme für Einweg-Applikationen eignen. Ausgehend von analytischen Modellen zum Aktuatorverhalten werden piezoelektrische Polymeraktuatoren auf Basis von P(VDF-TrFE) (Poly(vinylidenfluorid-co-trifluoroethylen)) erstmals vollständig mittels Inkjet Druckverfahren hergestellt und eingehend charakterisiert. Ein signifikanter Einfluss der Wärmebehandlung der gedruckten P(VDF-TrFE) Schichten auf das Aktuatorverhalten und die Morphologie der P(VDF-TrFE) Schichten wird ermittelt. Wärmebehandlungen zwischen 110 und 140 °C führen dabei zu signifikantem piezoelektrischen Verhalten. Die Erkenntnisse werden genutzt, um in einer Membranpumpe mit gedrucktem Aktuator als Demonstrator Pumpraten von bis zu 130 µL/min nachzuweisen, was für den Einsatz in LOC Systemen geeignet ist. Im Vergleich zum gegenwärtigen Stand der Technik sind sowohl der in dieser Arbeit vorgestellte Herstellungsprozess als auch die Untersuchungen zum Verhalten Inkjet gedruckter P(VDF-TrFE) Aktuatoren neuartig. Die direkte und kostengünstige Integration von Aktuatoren in polymerbasierte LOC Systeme stellt einen Vorteil gegenüber lithographie- und vakuumbasierten Prozessen dar. Im Gegensatz zu den meisten gegenwärtigen Mikropumpen entfällt ein Fügeschritt, der nötig wäre um einen separat gefertigten Aktuator auf einer Pumpmembran aufzubringen. Herstellungsprozess und Design sind kompatibel mit Prozessen und Materialien, die in LOC Systemen bereits eingesetzt werden. Sie können daher perspektivisch einen höheren Integrationsgrad und somit intelligentere LOC Systeme erzielen.

Printing technologies for the fabrication of electronic components have emerged in recent years and have attracted interest due to their capabilities of cost-effective material deposition and their suitability for large-area coatings. In this thesis, the benefits of inkjet printing technologies are used to manufacture piezoelectric actuators that are suitable for integration in polymer-based, disposable microfluidic lab-on-a-chip (LOC) systems. Based on analytical models of actuator behavior, piezoelectric actuators with poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) as the active material are inkjet printed and characterized in detail for the first time here. The thermal treatment applied to the P(VDF-TrFE) films exhibits a significant influence on device performance and morphology. Annealing at temperatures between 110 and 140 °C yields distinct piezoelectric behavior. These findings are employed to demonstrate the function of a membrane pump with an inkjet printed actuator with pump rates up to 130 µL/min, which is suitable for applications in LOC systems. Compared to the state-of-the-art, the manufacturing approach introduced here as well as the established knowledge about the behavior of inkjet printed P(VDF-TrFE) actuators are novel. The low processing temperatures and the use of digital printing technologies lead to cost-effective processing compared to conventional, lithography- and vacuum-based manufacturing approaches. Different from most current micropumps, an additional assembly step is not required, which would be necessary when an actuator is manufactured separately and then attached to the pump membrane. Furthermore, the manufacturing approach and design introduced here are compatible with processes and materials that are used in LOC systems. They allow a cost-effective integration of further functionalities, leading to a higher degree of integration and thus smarter systems.

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Pabst, Oliver: All inkjet printed piezoelectric polymer actuators for microfluidic lab-on-a-chip systems. 2015.

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