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Kapazitiver Sensor zur präzisen Ortsbestimmung von Phasengrenzen in mikrofluidischen Strukturen

Hoffmann, Almuth Margaretha Gabriele :
Kapazitiver Sensor zur präzisen Ortsbestimmung von Phasengrenzen in mikrofluidischen Strukturen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Kapazitiver Sensor zur präzisen Ortsbestimmung von Phasengrenzen in mikrofluidischen Strukturen
Language: German
Abstract:

Das Ziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung eines Sensors zur Überwachung der Flüssigkeitsbewegung in mikrofluidischen Analysegeräten. Je nach Position der Probenflüssigkeit im Mikrokanal müssen z.B. Mischer und Ventile angesteuert werden, um ein richtiges Ablaufen der hochkomplexen chemischen und biologischen Prozesse in dem Analysegerät zu ermöglichen. Zum Zweck der präzisen Positionsbestimmung wird in dieser Arbeit eine einfache, planare Elektrodenstruktur zur kontaktfreien, kapazitiven Messung von flüssig/gas Grenzflächen vorgestellt. Der Sensor liegt außerhalb der Einwegkartusche und zeichnet sich, gegenüber den bisher eingesetzten Lichtschranken, zum einen durch seine Unempfindlichkeit gegenüber Benetzungen der Kanalwände aus und zum anderen ist er einfacher am Kanal anzubringen. Der Moving Plug Sensor (MPS) arbeitet auf Basis der kapazitiv gekoppelten, kontaktfreien Leitfähigkeitsmessung, kurz C 4 D (engl. Contactless Capacitively Coupled Conductivity Detection). Außerhalb des Kanals angebracht, detektiert der MPS eine vorbeifließende Phasengrenze zweier Stoffe durch den Unterschied der Permittivität beider Medien. Von gängigen Füllstandsensoren unterscheidet sich der MPS durch ein System von drei kapazitiv gekoppelten Elektroden. Zwei rechteckige Messelektroden werden von einer rahmenförmigen Schirmelektrode umgeben. Dieses System dreier kapazitiv gekoppelter Elektroden erzeugt ein charakteristisches Signal gekennzeichnet durch zwei Extrema. Das von Kondensatoren bekannte Stufensignal weist einen Unter- gefolgt von einem Überschwinger auf. Die Extrema treten auf, wenn sich die Phasengrenze an zwei spezifischen Punkten im Bereich des Sensors befindet. Dadurch ermöglicht der Sensor eine sehr präzise Positionsbestimmung der Phasengrenze an zwei Stellen und dadurch auch die Bestimmung der Flussrate mit nur einem Sensor. Die Vorteile der neuen Sensorgeometrie gegenüber den bisher verwendeten Lichtschrankensystemen werden sowohl durch Simulationen wie auch durch Messungen bestätigt, die sowohl die Geometrieparameter der Elektroden, als auch die Lage des Sensors zum Kanal und die elektrischen Materialeigenschaften der Flüssigkeit betrachten. Die Signalcharakteristik ist für die kontaktfreie, präzise Positionsbestimmung von Flüssigkeitssäulen in Mikrokanälen optimiert und der Sensor ist für ein breites Spektrum permittiver und gering leitfähiger Flüssigkeiten einsetzbar. Zusammenfassend stellt diese Dissertation eine robuste und präzise messende elektrische Sensorkonfiguration vor, die im Vergleich zu herkömmlichen Messverfahren wie Lichtschranken oder in der Kartusche integrierten Elektroden einige Vorteile aufweist: minimierter Platzbedarf unter der Kartusche, berührungslose Messung, geeignet für opake Kartuschen, kombinierte und präzise Messung der Fluidposition (±50μm) und Geschwindigkeit (< 2%), kostengünstige Fertigung, Kalibrierung basierend auf Geometriefaktoren und dadurch eine einfache Montage. Darüber hinaus lässt sich die Messgenauigkeit durch Geometrieparameter der Elektrodenanordnung an die Lage des Sensors zur Kartusche anpassen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The aim of this dissertation is the development and characterization of a sensor for monitoring fluid movement in microfluidic analyzers. Real-time detection of fluid plugs is of fundamental interest for process control in biomedical and microfluidic applications. The chemical or biological processes running in those analyzers are highly complex; For this purpose, a precise activation of e.g. mixers and valves is crucial to guarantee the whole sample to be processed. This dissertation presents a simple, planar electrode configuration for contactless measurement of fluid/gas interfaces and their velocity in microfluidic devises. As part of the development, it was important to ensure that the sensor is a reusable component of the analysis unit and is not integrated into the channel. On the other hand, the sensor had to be insensitive to wetting of the channel walls and simply to be attached to the channel in order to offer an advantage over the light barriers used up to now. A capacitive sensor meets these requirements. The Moving Plug Sensor (MPS) operates on the basis of the capacitively coupled contactless conductivity detection, C 4 D. The contactless setup guarantees non-interacting detection inside of the – often disposable – microfluidic cartridge while beeing reusable. The C 4 D detects the phase boundary of two substances by the difference of the permittivity of both media. Compared to currently used capacitive sensors, the C 4 D consists of a system of three capacitively coupled electrodes. Two rectangular measuring electrodes are surrounded by a frame-shaped guarding electrode. This system of three capacitively coupled electrodes generates a characteristic signal. The step signal known from classic plate capacitors overlaps with a characteristic minimum followed by a maximum in capacity. Those characteristics occur when the phase boundary has reached specific points in the detection region of the sensor and show a spatial relationship between the position of the fluid front and the signal shape. Thereby one MPS allows a very precise detection of the position of the fluid front at two points and thus also the calculation of the flow rate. This new sensor principle is theoretically validated with simulations and its feasibility is experimentally confirmed for various liquids, sensor configurations and distances to the fluid plug front. The signals characteristics could be optimized for the contactless, precise position determination of liquid columns in microchannels. In summary, this dissertation presents a robust and highly accurate electrical sensor configuration with major advantages compared to common plug detection systems such as light barriers or integrated electrodes: minimized footprint on cartridge, contactless detection, combined and highly accurate measurement of plug position (±50μm) and velocity (< 2%), low cost fabrication, calibration based on geometric factors, easy mounting, wide range of operability, and applicability for opaque materials. In addition, it can be used for a wide range of permittive and low conductivity fluids.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 05 Department of Physics
Date Deposited: 16 Mar 2018 13:51
Last Modified: 16 Mar 2018 13:53
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-72651
Referees: Hardt, Prof. Dr. Steffen and Baßler, Dr. Michael
Refereed: 14 February 2018
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7265
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