Feasibility study of EWOD-based pumping mechanism for on-chip valvaless microfluidic applications

Abstract

When faced with the miniaturization challenges that mechanical micropumps pose, the current state of the art does not offer a fabrication flow that is CMOS compatible with reasonable sample yield (more then 50pc of the working devices after the fabrication flow) nor compatible with high ionic concentration liquids. To fulfill this gap, this thesis aims at studying the possible use of electrowetting on dielectric (EWOD) as the pumping mechanism behind a valveless on-chip micropump. To achieve this goal, the role of ion concentration in EWOD performance was studied by testing phosphate buffer saline (PBS), com-monly used in place of bodily fluids in testing in terms of ion concentration and molarity, and de-ionized water (DIW) through contact angle (CA) measurements, as well as impedance spectroscopy (IS) tests. Simulation algorithms were created to both simulate the frequency-dependance of EWOD performance of the droplets, and to study the influence of design parameters in final pump performance. Microchips were fabricated in a cleanroom environment and assembled to experimentally test the feasibility of the chosen pumping mechanism. The EWOD performance studies revealed that the higher the ion concentration of the droplet, the higher the achieved CA change when applying the same voltage, and the broader the usable frequency range before reaching its cutoff. The testing of the microchips with an optical microscope was successful in proving the possibility of using EWOD as a flow generation method, with electric actuation resulting in a 15 µm oscillatory motion at the outlet’s liquid-air interface. The main focuses of future studies for this project should be the improvement of the fabrication process and the introduction of an element that stimulates directional flow to the device, effectively turning into a micropump.

Ao enfrentar os desafios de miniaturização que microbombas mecânicas apresentam, o panorama atual de microfluídica não oferece um fluxo de fabricação compatível com CMOS com um rendimento razoável de amostras (mais de 50% dos dispositivos funcionais após o fluxo de fabricação) nem compatível com líquidos de alta concentração iónica. Para preencher esta lacuna, esta tese visa estudar o possível uso de electrowetting em dielétrico (EWOD) como o mecanismo de bombeamento por trás de uma microbom-ba on-chip sem válvulas. Para alcançar este objetivo, o papel da concentração iónica no desempenho de EWOD foi estudado testando tampão fosfato-salino (PBS), comumente usado em vez de fluidos corporais em testes em termos de concentração iónica e molaridade, e água desionizada (DIW), através de medições de ângulo de contato (CA), bem como testes de espectroscopia de impedância (IS). Foram criados algorit-mos de simulação para simular a dependência do desempenho de EWOD das gotas na frequência aplicada, e para estudar a influência dos parâmetros de design no desempenho final da bomba. Microchips foram fabricados em ambiente de sala limpa e montados para testar experimentalmente a viabilidade do mecanis-mo de bombeamento escolhido. Os estudos de desempenho de EWOD revelaram que, quanto maior a concentração iónica da gota, maior a mudança de CA alcançada ao aplicar a mesma voltagem, e mais ampla a gama de frequências uti-lizável antes de atingir o seu corte. Os testes de microchips com um microscópio óptico foram efetivos em provar a possibilidade de usar EWOD como um método de geração de fluxo, com a atuação elétrica re-sultando num movimento oscilatório de 15 µm na interface líquido-ar da saída do dispositivo. Os principais focos de estudos futuros para este projeto devem ser a melhoria do processo de fabricação e a introdução de um elemento que estimule o fluxo direcional para o dispositivo.