Es ist bekannt, suspendierte Partikel (z. B. biologische Zel- len, Zellgruppen, Zellbestandteile, Makromoleküle oder synthe- tische Partikel in Suspensionslösungen) in fluidischen Mikro- systemen mit hochfrequenten elektrischen Feldern zu manipulie- ren, die mit Mikroelektroden in Kanälen des Mikrosystems er- zeugt werden (s. z. B. T. Schnelle et al. in"Langmuir". Bd.

12,1996, Seite 801-809). Die berührungslose Partikelmanipula- tion (z. B. Bewegen, Anhalten, Ablenken, Zusammenfügen usw.) basiert auf der negativen Dielektrophorese. Es ist bekannt, die auf Kanalwänden angeordneten Mikroelektroden zumindest teilweise mit einer elektrisch isolierenden dünnen Schicht ab- zudecken, um unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den Mikro- elektroden und dem Suspensionsmedium oder den Partikeln, wie z. B. Ohm'sche Verluste, Elektrolyse, Induktion von Trans- membranpotentialen usw. zu minimieren (Passivierung der Mikro- elektroden).

Typischerweise enthalten die fluidischen Mikrosysteme räumli- che Elektrodenanordnungen. Die Mikroelektroden sind an einan- der gegenüberliegenden, z. B. unteren und oberen Kanalwänden mit typischen Abständen im Bereich von 10 um bis 100 um ange- ordnet (s. T. Müller et al. in"Biosensors & Bioelectronics", Bd. 14,1999, S. 247-256). Zur Erzielung definierter Feldwir- kungen müssen die Mikroelektroden in bestimmter Weise geformt und relativ zueinander angeordnet sein. Bei räumlichen Elekt- rodenanordnungen ist dies mit einem hohen Justieraufwand der Kanalwände (Chipebenen) verbunden. Die Genauigkeit muss besser als 5 um bei typischen Maßen des Mikrosystems im cm-Bereich sein. Des Weiteren ergeben sich Probleme bei der Herstellung des Mikrosystems. Diese erfolgt üblicherweise mit Techniken der Halbleitertechnologie, wobei für die räumliche Elektroden- anordnung mehrere Masken zur Waferprozessierung erforderlich sind. Schließlich besteht ein Problem der räumlichen Elektro- denanordnung mit strukturierten Mikroelektroden auf verschie- denen Kanalwänden in der elektrischen Kontaktierung. In der Regel muss die elektrische Kontaktierung der oberen Kanalwand (obere Chipebene) zu der unteren Kanalwand durchgeführt und von dieser elektrisch getrennt zu einem Steueranschluss ge- führt werden. Insbesondere mit Blick auf einen massenhaften Einsatz fluidischer Mikrosysteme besteht ein Interesse an Mik- rosystemen mit einem vereinfachten Aufbau und einer erhöhten Funktionssicherheit.

Es ist bekannt, elektrisch isolierende Passivierungsschichten zu strukturieren, um eine bestimmte Feldformung zu bewirken (s. DE 198 69 117, DE 198 60 118). Die Strukturierung besteht in der Bildung von Öffnungen oder Durchbrüchen in der Passi- vierungsschicht über einer flächigen Elektrode. Durch die Öff- nungen kann das elektrische Feld von der Elektrode in den Ka- nal durchgreifen und die gewünschte Feldform entsprechend der Form der Öffnung bilden. Die Öffnungen in den Passivierungs- schichten besitzen jedoch den Nachteil, dass ein Kontakt zwi- schen dem Elektrodenmaterial und der Suspensionsflüssigkeit entsteht. Es kann zu ggf. irreversiblen Elektrodenprozessen kommen. Beispielsweise können Partikel unter der Feldwirkung auf die Elektroden gezogen werden und den Kanal verstopfen.

Des Weiteren kann es zu einer Auflösung des Elektrodenmateri- als und damit zu einer Kontamination der Suspensionsflüssig- keit kommen. Diesem Problem wurde bisher dadurch begegnet, dass Suspensionsflüssigkeiten mit einem eher niedrigen Elekt- rolytgehalt verwendet wurden. Dadurch wurde jedoch der Anwen- dungsbereich der Mikrosysteme eingeschränkt. Viele biologische Partikel besitzen nur eine begrenzte Fähigkeit, einen niedri- gen Elektrolytgehalt über längere Zeit zu tolerieren.

Es ist auch bekannt, dass durch die Passivierungsschichten auf Mikroelektroden eine Feldabschirmung bewirkt wird. Dies kann bspw. verwendet werden, um Feldgradienten im Kanal entspre- chend einem bestimmten räumlichen Verlauf zu verstärken oder abzuschwächen (s. z. B. T. Schnelle et al., s. oben und G.

Fuhr et al. in"Sensors and Materials", Bd. 7/2,1995, S. 131- 146). Nachteilig ist jedoch, dass der abschwächende Einfluss der Passivierungsschicht bei den Suspensionsflüssigkeiten mit niedrigem Elektrolytgehalt (niedrige Leitfähigkeit) relativ schwach ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes fluidisches Mikrosystem bereitzustellen, mit dem den Nachteilen herkömmli- cher Mikrosysteme begegnet wird. Die Aufgabe der Erfindung ist es insbesondere, ein Mikrosystem mit einem vereinfachten Auf- bau, insbesondere einer vereinfachten Elektrodenanordnung und einer vereinfachten Kontaktierung, einer erhöhten Funktionssi- cherheit und einem erweiterten Anwendungsbereich, insbesondere bei der Manipulation biologischer Partikel bereitzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein verbessertes Ver- fahren zur Feldformung in fluidischen Mikrosystemen, insbeson- dere zur dielektrophoretischen Manipulation von Partikeln be- reitzustellen.

Diese Aufgaben werden durch Mikrosysteme und Verfahren mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 und 13 gelöst. Vorteil- hafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Eine Grundidee der Erfindung ist es, ein fluidisches Mikrosys- tem mit mindestens einem von einer Partikelsuspension durch- strömbaren Kanal, an dessen Kanalwänden Elektrodeneinrichtun- gen zur Erzeugung elektrischer Wechselspannungsfelder im Kanal angeordnet sind, von denen eine erste Elektrodeneinrichtung zur Feldformung mit einer Strukturierung ausgestattet und eine zweite Elektrodeneinrichtung flächig, unstrukturiert mit einer Passivierungsschicht gebildet ist, dahingehend weiterzuentwi- ckeln, dass die Strukturierung der ersten Elektrodeneinrich- tung charakteristische Dimensionen kleiner als die flächige Elektrodenschicht der zweiten Elektrodeneinrichtung besitzt und die Passivierungsschicht der zweiten Elektrodeneinrichtung eine geschlossene, die Elektrodenfläche der zweiten Elektro- deneinrichtung vollständig bedeckende Schicht ist. Durch diese Merkmale wird der Aufbau des Mikrosystems erheblich verein- facht, da lediglich die erste Elektrodeneinrichtung, die bspw. eine untere Elektrodeneinrichtung auf der in Betriebsposition unteren Chipebene oder Bodenfläche ist, zur Feldformung struk- turiert sein muss, während vorteilhafterweise als zweite E- lektrodeneinrichtung, insbesondere als eine obere Elektroden- einrichtung an der oberen Chipebene oder Deckfläche des Kanals einfach eine flächige, vollständig passivierte Elektroden- schicht vorgesehen sein kann, die lediglich eine einzige An- schlussleitung zur Verbindung mit einer Spannungsversorgung oder, falls die zweite Elektrodeneinrichtung potentialfrei be- trieben wird, keine Anschlussleitung erfordert. Die flächige zweite Elektrodeneinrichtung kann ohne komplizierte Maskie- rungsschritte bei der Waferprozessierung hergestellt werden.

Durch die geschlossene Passivierungsschicht auf der zweiten Elektrodeneinrichtung werden unerwünschte Elektrodenprozesse vollständig vermieden. Die Anordnung der ersten Elektrodenein- richtung an der unteren Chipebene und der zweiten Elektroden- einrichtung an der oberen Chipebene ist kein zwingendes Merk- mal der Erfindung, sondern kann insbesondere umgekehrt vorge- sehen sein. Allgemein können die ersten und zweiten Elektro- deneinrichtungen an verschiedenen Kanalwänden vorgesehen sein, die die Deckflächen, Bodenflächen und/oder Seitenflächen bil- den. Ein weiterer Vorteil der Kombination einerseits einer strukturierten Elektrodeneinrichtung (vorzugsweise auf der Bo- denfläche) und einer nicht-strukturierten, flächigen Elektro- deneinrichtung (vorzugsweise auf der Deckelfläche) besteht in der Möglichkeit, die verschiedensten Elektrodenanordnungen und Systemfunktionen zu realisieren, wie im Folgenden dargestellt wird.

So kann gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung die erste Elektrodeneinrichtung mindestens eine strukturierte Elektrodenschicht mit einzelnen Teilelektroden aufweisen, die in ihrer Gesamtheit die Strukturierung oder mindestens ein erstes Strukturelement bilden, wie es an sich von herkömmli- chen Mikroelektrodenanordnungen bekannt ist. Die Bereitstel- lung einer Vielzahl von Teilelektroden kann im Bezug auf eine separate Ansteuerbarkeit jeder Teilelektrode vorteilhaft sein.

Die separate Ansteuerbarkeit ist bspw. wichtig, wenn die Fel- der im Kanal in Abhängigkeit von bestimmten äußeren Einflüssen oder Messergebnissen variiert werden sollen. Die Teilelektro- den umfassen vorzugsweise einzeln ansteuerbare Elektroden- streifen, also Mikroelektroden mit einer langgestreckten Li- nienform mit einer typischen Breite im Bereich von 50 nm bis 100 um und einer typischen Länge von bis zu 5 mm. Die Teil- elektroden können Passivierungsschichten tragen, die ggf. eine definierte Öffnung entsprechend der Position der Teilelektro- den tragen.

Gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform kann die erste Elektrodeneinrichtung ebenfalls durch eine flächige E- lektrodenschicht mit einer geschlossenen Passivierungsschicht gebildet werden, wobei diese zur Bildung der Strukturierung der ersten Elektrodeneinrichtung Schichtstrukturen aufweist, an denen eine Modifizierung des Felddurchgriffs von der Elekt- rodenschicht in den Kanal im Vergleich zu den umgebenden Be- reichen der Passivierungsschicht gegeben ist. Vorteilhafter- weise kann dadurch der Aufbau des Mikrosystems weiter verein- facht werden, da die einander gegenüberliegenden Elektroden- einrichtungen beide jeweils eine flächige, vollständig passi- vierte Elektrodenschicht umfassen. Die Schichtstrukturen in der ersten Passivierungsschicht der ersten (z. B. unteren) E- lektrodeneinrichtung ermöglichen die Aneinanderreihung einer Vielzahl von Funktionselementen im Kanalverlauf. Diese können zwar im Unterschied zu der oben genannten ersten Ausführungs- form nicht einzeln angesteuert werden, ermöglichen jedoch e- benfalls eine Gestaltung und Anpassung an eine bestimmte Mani- pulationsaufgabe.

Gemäß dritten und vierten Ausführungsformen des erfindungsge- mäßen Mikrosystems kann die zweite Passivierungsschicht der zweiten, (vorzugsweise) oberen Elektrodeneinrichtung ihrer- seits Schichtstrukturen zur Feldformung im Kanal aufweisen.

Diese Strukturierung der zweiten Passivierungsschicht kann mit einer strukturierten Elektrodenschicht (mehrere Teilelektro- den) gemäß der ersten Ausführungsform oder mit einer flächigen Elektrodenschicht mit einer strukturierten Passivierung gemäß der zweiten Ausführungsform kombiniert werden. Die Strukturie- rung der zweiten Passivierungsschicht kann Vorteile in Bezug auf die Feldformung im Kanal besitzen.

Die Schichtstrukturen, an denen eine Modulierung des Feld- durchgriffs in den Kanal erfolgt, werden bspw. durch Bereiche veränderter (verminderter oder erhöhter Dicke) in der Passi- vierungsschicht gebildet. Vorteilhafterweise können diese ab- gesenkten oder hervortretenden Schichtstrukturen durch einen einfachen Ätzprozess erzeugt werden. Die Form der Schicht- strukturen kann durch eine Maskierung eingestellt werden. Her- vortretende Schichtstrukturen werden insbesondere bei Bildung der Passivierungsschicht mit Materialien mit relativ hoher Dielektrizitätskonstante bevorzugt. Alternativ können die Schichtstrukturen Bereiche umfassen, die mindestens ein ande- res Material als die umgebende Passivierungsschicht aufweisen, das sich insbesondere durch eine veränderte Dielektrizi- tätskonstante auszeichnet. Beide Formen der Schichtstrukturen, also die Dickenvariation und die Materialvariation können in Kombination vorgesehen sein. Des Weiteren können die Passivie- rungsschichten aus verschiedenen Schichtmaterialien mehr- schichtig gebildet sein.

Weitere Vorteile können sich für die Gestaltung des Mikrosys- tems ergeben, wenn Passivierungsschichten zumindest teilweise durch Schichtmaterialien gebildet sind, deren dielektrische Eigenschaften reversibel oder irreversibel veränderlich sind ("smart isolation"). Die Schichtmaterialien werden beispiels- weise durch eine Laserbehandlung zwischen verschiedenen Modi- fikationen (z. B. kristallin <-> amorph) umgestellt, die sich durch verschiedene DK-Werte auszeichnen. Derartig veränderbare Materialien sind beispielsweise von beschreibaren oder wieder- beschreibaren optischen Speichern (CD) bekannt. Alternativ können als veränderliche Schichtmaterialien Polymere verwendet werden, deren Leitfähigkeit wenigstens einmalig wie bei einem Direkt-Laserschreib-verfahren durch Laserbestrahlung geändert werden kann. Vorteilhafterweise können mit dieser Ausführungs- form besonders günstig spezifische Prototypen (z. B. für ein "rapid prototyping") hergestellt werden.

Wenn gemäß der o. g. zweiten und vierten Ausführungsformen der Erfindung beide Elektrodeneinrichtungen komplett mit ggf. strukturierten Passivierungsschichten bedeckt sind, so kann dies insbesondere vorteilhaft sein, wenn im Mikrosystem (oder extern am Mikrosystem) zusätzlich eine Elektrodeneinrichtung zur Erzeugung eines Gleichspannungsfeldes vorgesehen ist oder über eine externe Einkoppelung z. B. über Stromschlüssel Gleichspannungsfelder in das System appliziert werden. Gleich- spannungsfelder (statische Felder) werden bspw. zur Elektroos- mose oder zur Elektrophorese gebildet, bei denen ein Flüssig- keitstransport oder ein Partikeltransport unter Wirkung des Gleichspannungsfeldes erfolgt. Alternativ können gepulste Gleichspannungsfelder generiert werden, die bspw. für Elektro- porations-oder Elektrofusionsanwendungen verwendet werden.

Vorteilhafterweise wird der Kanal mit den oben beschriebenen Elektrodeneinrichtungen mit mindestens einem Querkanal ausges- tattet, in dem eine dritte Elektrodeneinrichtung zur Erzeugung elektrischer Gleichspannungsfelder im Querkanal angeordnet ist. Durch die Passivierung der ersten und zweiten Elektroden- einrichtungen bleiben die Transportvorgänge im Querkanal unge- stört.

Ein Vorteil von Passivierungsschichten im Vergleich zu blanken Elektroden besteht darin, dass sich der Widerstand blanker E- lektroden schon durch Auflagerung von Monolayern um Größenord- nungen ändern kann. Dies kann relativ leicht während der Chip- herstellung oder im Betrieb passieren und gefährdet insbeson- dere dann die Funktion dielektrischer Elemente, wenn die Schichten nicht homogen sind. Zur Vermeidung dieses Problems mussten bisher zusätzliche Maßnahmen (Plasmaätzen etc. ) reali- siert werden. Zusätzliche Schichten auf Passivierungsschichten haben dagegen einen wesentlich weniger störenden Effekt. Die Funktionssicherheit der Mikrosysteme wird dadurch verbessert.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur dielektrophoretischen Manipulation von suspendierten Partikeln in fluidischen Mikrosystemen durch Feldformung mittels latera- len Strukturen in Passivierungsschichten auf Elektroden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersicht- lich. Es zeigen : Fign. lA-lE : schematische Ansichten verschiedener Ausfüh- rungsbeispiele erfindungsgemäßer Mikrosysteme (Ausschnitte), Fig. 2 : eine weitere schematische Illustration einer Elektrodeneinrichtung mit einer strukturierten Passivierungsschicht, Fign. 3A-3D : Kurvendarstellungen zur Illustration der Feld- wirkung der erfindungsgemäß vorgesehenen Passi- vierungsschichten, Fign. 4A, B : ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Gradientenstruktur in der Passivierungsschicht, Fig. 5 : ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfin- dungsgemäß gebildeten Elektrodenanordnung, Fig. 6 : eine erfindungsgemäß gebildete Feldbarriere, Fign. 7A, 7B : schematische Illustrationen eines weiteren Aus- führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen flui- dischen Mikrosystems, und Fig. 8 : ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen fluidischen Mikrosystems.

In Figur 1A ist in schematischer Perspektivansicht ein Teil eines erfindungsgemäßen fluidischen Mikrosystems 100 gezeigt.

Das Mikrosystem 100 enthält mindestens einen Kanal 10, der zwischen zwei plattenförmigen Chipelementen, nämlich dem Bo- denelement oder Substrat 20 und dem Deckelement 30 gebildet ist. Weitere Teile des Mikrosystems, insbesondere seitliche Wänden, Spacer und dgl. sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht gezeigt. Das Substrat 20 bildet eine erste (untere) Ka- nalwand mit einer zum Kanal 10 weisenden Bodenfläche 21, auf der eine erste Elektrodeneinrichtung, ggf. mit einer ersten Passivierungsschicht (siehe unten) angeordnet ist. Das Deck- element 30 bildet die zweite (obere) Kanalwand mit einer zum Kanal 10 weisenden Deckfläche 31, auf der entsprechend die zweite Elektrodeneinrichtung (siehe unten) angeordnet ist.

Mindestens einer der Elektrodeneinrichtungen ist zur Felder- zeugung im Kanal 10 mit einer Wechselspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden. Auf mindestens einer der Elektroden- einrichtungen ist erfindungsgemäß die Passivierungsschicht vorgesehen.

Der Kanal 10 wird durch einen Freiraum zwischen den Chipele- menten 20,30 gebildet. Er ist von einer Flüssigkeit, insbe- sondere einer Partikelsuspension durchströmbar und besitzt ei- ne Höhe bspw. im Bereich von 5 um bis 1 mm und anwendungsab- hängig gewählte Quer-und Längendimensionen im um-bis cm- Bereich. Die Chipelemente 20,30 bestehen typischerweise aus Glas, Silizium oder einem elektrisch nicht leitenden Polymer.

Der Schichtaufbau aus Elektrodeneinrichtungen und Passivie- rungsschicht ist im rechten, vergrößerten Ausschnitt von Figur 1A gezeigt. Beispielsweise auf der Bodenfläche 21 des Sub- strats 20 befindet sich die erste Elektrodeneinrichtung 40 und eine erste Passivierungsschicht 50 (siehe z. B. Figur 1C). Der Schichtaufbau wird mit an sich bekannter Planartechnologie durch Deposition der gewünschten Materialien auf dem Substrat gebildet. Die Elektrodeneinrichtung besteht aus einem elekt- risch leitfähigen Material, z. B. einem Metall oder leitfähi- gen Oxid, z. B. Sn doped In203, (ITO), Indium-Cadmium-Oxid (In, Cdi_0), Cd2Sn04, oder einem leitfähigen Polymer (z. B. Po- lyanilin, Polypyrrol, Polythiophen). Die Dicke der Elektroden- einrichtung liegt bspw. im Bereich von 50 nm bis 2 um. Die Passivierungsschicht 50 ist eine dielektrische Isolations- schicht mit einer Dicke im Bereich von 0. 1 um bis 10 um. Sie besteht bspw. aus Polyimid oder einem elektrisch isolierenden Oxid, z. B. Siliziumoxid, Siliziumnitrid.

In den Figuren 1B bis 1E sind die o. g. vier bevorzugten Aus- führungsformen der Erfindung mit schematischen Draufsichten auf die ersten (unteren) und zweiten (oberen) Kanalwände 21, 31 illustriert.

Gemäß Figur 1B ist die erste Elektrodeneinrichtung 40 zur Feldformung im Kanal strukturiert gebildet. Sie ist allgemein mit mindestens einem ersten Strukturelement ausgestattet, das im dargestellten Beispiel vier Elektrodenelemente oder Teil- elektroden 41 umfasst, die in an sich bekannter Weise in Streifenform auf der Bodenfläche 21 gebildet sind. Die Teil- elektroden 41 können mit einer Passivierungsschicht (nicht ge- zeigt) bedeckt sein, die ggf. an den Flächen der Teilelektro- den 41 in an sich bekannter Weise Durchbrüche aufweist.

Die zweite Elektrodeneinrichtung 60 auf der Deckfläche 31 um- fasst eine flächige Elektrodenschicht 61 (gestrichelt gezeigt) mit einer geschlossenen zweiten Elektrodenfläche, die von ei- ner zweiten Passivierungsschicht 70 vollständig bedeckt ist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die ersten Strukturele- mente 41 der ersten Elektrodeneinrichtung 40 eine kleinere wirksame Elektrodenfläche als die zweite Elektrodenfläche 61 der zweiten Elektrodeneinrichtung 60 bilden (die Summe der einzelnen Flächen der ersten Elektrodeneinrichtung 40 ist kleiner als die zweite Elektrodenfläche 61). Dadurch entstehen bei Beaufschlagung der Elektrodeneinrichtungen 40,60 mit e- lektrischen Spannungen Feldlinienverläufe, die sich auf der Bodenfläche 21 an den Teilelektroden 41 mit vergrößerter Feld- liniendichte vereinigen und auf der Deckfläche 31 in der E- lektrodenschicht 61 enden. Das elektrische Feld im Kanal ist entsprechend der Gestalt der Teilelektroden geformt. Es wird bspw. eine Feldbarriere oder ein Feldkäfig gebildet, mit denen die Bewegung von Partikeln im Kanal beeinflusst oder Partikel festgehalten werden können.

Die Elektrodenschicht 61 der zweiten Elektrodeneinrichtung 60 kann gemäß einem ersten Betriebsmodus über eine Anschlusslei- tung mit einer Steuereinrichtung verbunden sein. Im Unter- schied zu herkömmlichen Elektrodenanordnungen ist vorteilhaft- erweise nur eine Anschlussleitung zur Bildung der Gegenelekt- rode zum Beispiel für einen Feldkäfig mit einer Barriereform entsprechend den Teilelektroden 41 ausreichend. Gemäß einem zweiten Betriebsmodus kann die zweite Elektrodeneinrichtung ohne Verbindung mit einer Steuereinrichtung auf der Deckfläche 31 angeordnet sein. In diesem sog."floatenden"Zustand bildet sich das Potential der zweiten Elektrodeneinrichtung automa- tisch in Abhängigkeit von den umgebenden Potentialverhältnis- sen. In der Elektrodenschicht wird jeweils eine Ladungsvertei- lung gebildet, die das im Kanal auftretende Feld im Innern der Elektrodenschicht ausgleicht. In diesem Fall kann vorteilhaft- erweise auf eine Kontaktierung vollständig verzichtet werden.

Figur 1C illustriert ein Beispiel der o. g. zweiten Ausfüh- rungsform der Erfindung, bei der beide Elektrodeneinrichtungen 40,60 durch flächige, geschlossene Elektrodenschichten 42,61 gebildet werden, die jeweils durch geschlossene Passivierungs- schichten 50,60 abgedeckt sind. Die erste (untere) Elektro- deneinrichtung 40 ist mit mindestens einem Strukturelement ausgestattet, das bei dieser Ausführungsform durch eine Struk- tur in der ersten Passivierungsschicht 50 gebildet wird. Die Schichtstruktur in der ersten Passivierungsschicht 50 umfasst Bereiche 51 mit z. B. verminderter Dicke und/oder im Vergleich zur restlichen Passivierungsschicht variierten Materialien.

Die Bereiche 51 besitzen lateral in der Schichtebene eine geo- metrische Form entsprechend den herkömmlich gebildeten Mikro- elektroden, also bspw. eine Streifenform. Die zweite Elektro- deneinrichtung 60 ist gemäß Figur 1C wie bei Figur 1B durch eine Elektrodenschicht mit geschlossener, unstrukturierter Passivierungsschicht 70 gebildet.

Durch die Verwendung der strukturierten Passivierungsschicht 50 auf der flächigen Elektrodenschicht 42 wird die geometri- sche Form des Durchtritts des elektrischen Feldes von der E- lektrodenschicht 42 in den Kanal entsprechend der Form der Be- reiche 51 in vorbestimmter Weise eingestellt. Die Bereiche 51 können bspw. ein Aufreihelement mit einer trichterförmigen Feldbarriere (Figur 1C) bilden. Alternativ können in einer Passivierungsschicht, die eine geschlossene Elektrodenschicht abdeckt, mehrere strukturierte Bereiche (Feldstrukturierungs- elemente) realisiert sein. Dies besitzt den Vorteil, dass ein fluidisches Mikrosystem, z. B. ein Sortiersystem mit mehreren funktionalen Elementen mit nur zwei, an gegenüberliegenden Ka- nalwänden und mit strukturierten Passivierungen versehenen E- lektroden aufgebaut ist, wobei ggf. nur eine Elektrode mit ei- ner hochfrequenten Spannung angesteuert und die andere Elekt- rode im floatenden Zustand gelassen wird.

Gemäß Figur 1D kann das Prinzip dahingehend abgewandelt wer- den, dass die erste Elektrodeneinrichtung auf der Bodenfläche 21 mit mehreren Teilelektroden 41 wie in Figur 1B aufgebaut ist, während die zweite Elektrodeneinrichtung 60 mit einer strukturierten Passivierungsschicht 70 gedeckt ist. Die struk- turierten Bereiche 71 in der Passivierungsschicht 70 besitzen bspw. eine geometrische Form entsprechend der Ausrichtung der gegenüberliegenden Teilelektroden 41 zur Bildung des Feldkä- figs.

Schließlich kann gemäß der o. g. vierten Ausführungsform (Figur 1E) die Strukturierung an beiden Passivierungsschichten, also sowohl an der Bodenfläche als auch an der Deckfläche vorgese- hen sein.

Figur 2 illustriert einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung mit strukturierter Passivierungsschicht in vergrößerter, auseinandergezogener Perspektivansicht. Auf dem Substrat 20 befindet sich die Elektrodenschicht 40 mit ei- ner darauf prozessierten dielektrischen Isolationsschicht-o- der Passivierungsschicht 50 mit einem strukturierten Bereich 51. Die Dicke dp der Passivierungsschicht 50 beträgt bspw. 600 nm. Am strukturierten Bereich 51 ist die Dicke ds auf einen Wert von z. B. 200 nm reduziert oder mit einer veränderten Zu- sammensetzung gebildet, die andere elektrische Eigenschaften, eine veränderte Dielektrizitätskonstante oder einer veränderte spezifisch elektrische Leitfähigkeit besitzt.

Die Strukturierung der Passivierungsschicht 50 kann bspw. durch Photolithographie erfolgen. Wenn die erste und/oder zweite Passivierungsschicht zumindest teilweise durch ein Schichtmaterial gebildet ist, dessen dielektrischen Eigen- schaften reversibel oder irreversibel veränderlich sind, kann die Strukturierung beispielsweise durch eine Laserbestrahlung entsprechend der Geometrie der gewünschten Strukturen erfol- gen.

Die Figuren 3A bis 3D illustrieren die Wirkung der erfindungs- gemäß strukturierten Passivierungsschichten anhand der Ergeb- nisse von Modellrechnungen. Der Aufbau der zwei Elektrodenein- richtungen an Kanalwänden mit dem suspensionsdurchströmten Ka- nal wird durch einen flüssigkeitsgefüllten Plattenkondensator unter der Annahme unendlich großer Kondensatorplatten model- liert, bei dem bspw. eine Elektrode mit einer Passivierungs- schicht versehen ist. Die Feldstärke im Inneren des Kanals (o- der des Plattenkondensators) hängt sowohl von der Frequenz als auch von den dielektrischen und geometrischen Verhältnissen ab. Die Model- lierung erfolgt mit den folgenden Parametern : Dielektrizi- tätskonstante der Suspension oder Lösung zwischen den Konden- satorplatten : 80, Dielektrizitätskonstante der Passivierungs- schicht : 5 und Leitfähigkeit der Passivierungsschicht : 10-5 S/m.

Figur 3A illustriert die relative Feldstärke Ere1 (Feldstärke mit Passivierungsschicht/Feldstärke ohne Passivierungsschicht) im Kanal in Abhängigkeit von der Frequenz f bei verschiedenen Leitfähigkeiten der wässrigen Suspension im Kanal. Die Dicke der Passivierungsschicht beträgt 1 % des Abstandes der Elekt- rodeneinrichtung. Figur 3A zeigt, dass die Feldeinkopplung in den Kanal von der Leitfähigkeit der Suspension und der Fre- quenz abhängig ist. Überraschenderweise zeigt sich, dass die Isolationswirkung der Passivierungsschicht von der Frequenz abhängig ist und mit steigendem Elektrolytgehalt immer stärker wird.

Figur 3B zeigt mit den gleichen Parametern wie bei Figur 3A die Phasenlage (in rad) des elektrischen Feldes. Auch die Phasenlage ist mit zunehmender Leitfähigkeit stark fre- quenzabhängig. Entsprechend den in den Figuren 3A und 3B ge- zeigten Ergebnissen können elektrische Feldgradienten im Kanal in Bezug auf die Phase und die Amplitude mit homogenen Elekt- roden realisiert werden. Dies kann bspw. dazu benutzt werden, einen Oktupolkäfig, der herkömmlich acht Elektroden erforder- te, mit lediglich vier Elektroden zu realisieren, wobei jede Elektrode über einer geeignete Passivierung zwei jeweils um rd. 90° phasenverschobene Signale liefert.

Figur 3C zeigt die relative Feldstärke Erelim Kanal in Abhän- gigkeit von der Frequenz bei verschiedenen Dicken der Passi- vierungsschicht, die jeweils als %-Anteil relativ zum Elektro- denabstand angegeben ist. Die Modellierung erfolgt mit einem wassergefüllten Kanal (Leitfähigkeit : 0.3 S/m). Es zeigt sich, dass der Felddurchgriff mit zunehmender Dicke der Passivie- rungsschicht erheblich reduziert wird und das dieser Effekt frequenzabhängig ist. Entsprechend dem in Figur 3C illustrier- ten Ergebnis können lokal an den strukturierten Bereichen (z.

B. 51 in Figur 1C, E) durch eine Dickenreduzierung eine Erhö- hung der Feldstärke im Kanal erzielt werden. Diese Wirkung ist von der Frequenz abhängig. Dies bedeutet, dass ein Funktions- element im fluidischen Mikrosystem je nach der Frequenz akti- viert oder unwirksam sein kann.

Ein entsprechendes Ergebnis zeigt sich bei Strukturierungen der Passivierungsschicht durch Einbringung von Bereichen mit veränderter Dielektrizitätskonstante. Bei einer Suspensions- leitfähigkeit von 0.3 S/m und einer Dicke der Passivierungs- schicht von 1% des Elektrodenabstandes ergibt sich gemäß Figur 3D mit zunehmender Dielektrizitätskonstante ein zunehmender Felddurchgriff auch bei geringeren Frequenzen.

Die Ergebnisse gemäß Figur 3 zeigen einen besonderen Vorteil der Erfindung dahingehend, dass die Modulation des Feldes im Kanal durch die strukturierte Passivierung bei geringeren Leitfähigkeiten der Suspension im Kanal besonders wirksam ist.

Bei der Manipulation künstlicher Partikel, insbesondere aus Kunststoff, z. B. Latex-Beads, besteht ein Interesse an einer Verwendung niedriger Leitfähigkeiten. Bei einem Salz-Anteil von 1 mM ergibt sich bspw. eine Leitfähigkeit von rd. 14 mS/m.

Biologische Zellen werden häufig in Medien mit einer Leitfä- higkeit um 1 S/m gehandhabt. Eine kurzzeitige (bis zu 10 min) dielektrische Manipulation in niedriger Leitfähigkeit bis zu 1 mS/m wird gut vertragen. Für die dielektrische Manipulation werden typischerweise 0.05-0. 3 S/m eingesetzt.

Gemäß einem besonderen Vorteil der Erfindung bilden die struk- turierten Passivierungsschichten Frequenzfilter. Bestimmte Feldanteile mit bestimmten Frequenzen werden aufgrund eines hohen Felddurchgriffs an den strukturierten Bereichen (z. B. 51) durchgelassen, während andere Frequenzanteile ge- dämpft werden (s. Figur 3). Diese Wirkung hängt von der Dicke und/oder Zusammensetzung der strukturierten Bereiche der Pas- sivierungsschicht ab. Wenn die Elektrodeneinrichtungen mit hochfrequenten Spannungssignalen mit einer z. B. recht- eckigen Signalform angesteuert werden, die entsprechend eine Überlagerung einer Vielzahl von Frequenzen darstellt, kann durch die Passivierungsschicht die Frequenzzusammensetzung im Kanal moduliert werden. Da die dielektrophoretische Wirkung der elektrischen Felder insbesondere frequenzabhängig ist, kann die Funktion der jeweiligen Elektrodeneinrichtung über die Frequenz der Steuerspannung eingestellt werden.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Strukturierung der Passivierungsschicht in sich inhomogen ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein Bereich 51 vermin- derter Dicke in der Passivierungsschicht 50 gemäß Figur 4A in sich einen Dickengradient aufweisen. An einem Ende 51a mit ei- ner größeren Dicke ist der Felddurchgriff niedriger als am entgegengesetzten Ende 51b mit der geringeren Dicke. Auf die- ser Grundlage kann allein durch eine streifenförmige Passivie- rungsstruktur gemäß Figur 4B ein Filter für verschiedene Par- tikelarten oder-größen gebildet werden. Ein in Pfeilrichtung in einem Teilkanal einströmendes Partikelgemisch trifft auf die Feldbarriere, die an dem strukturierten Bereich 51 gebil- det ist. Die kleinen Teilchen, die durch ein starkes Feld re- lativ wenig beeinflusst werden, können die Feldbarriere am Be- reich 51 ohne Ablenkung passieren, während die größeren Teil- chen zunächst in einen Bereich mit vermindertem Felddurchgriff abgelenkt werden. Entsprechend folgen nach Passage des Berei- ches 51 die Teilchen verschiedener Größe verschiedenen Wegen im Kanal.

Figur 5 zeigt mit weiteren Einzelheiten ein erfindungsgemäßes dielektrisches Filterelement, bei dem die erste Elektrodenein- richtung 40 an der oberen Chipebene vorgesehen ist. Das Boden- element 20 und das Deckelelement 30 werden durch Glassubstrate gebildet, die mit Abstand voneinander übereinander montiert sind und die obere und untere Begrenzung des Kanals 10 bilden.

Der Abstand h liegt bspw. im Bereich von 5 um bis 100 um. An der oberen Deckfläche 31 ist ein Elektrodenstreifen 41 mit ei- ner Passivierungsschicht 50 vorgesehen. Der Elektrodenstreifen 41 ist über eine Anschlussleitung 43 mit einer Spannungsver- sorgung (nicht dargestellt) verbunden. Die Passivierungs- schicht 50 ist über dem Elektrodenstreifen 41 geöffnet.

Auf dem Bodenteil 20 ist als zweite Elektrodeneinrichtung eine unstrukturierte Elektrodenschicht 61 und auf dieser eine strukturierte Passivierungsschicht 70 angebracht. Im Bereich 71 ist die Passivierungsschicht 70 in ihrer Dicke vermindert und/oder Zusammensetzung variiert. Bei einer Dicke der Passi- vierungsschicht im Bereich 71 von 10 % vom Elektrodenabstand (z. B. 400 nm bis 600 nm) steigt im Kanal über dem struktu- rierten Bereich 71 die relative Feldstärke bei einer Frequenz von 1 MHz von 0.1 auf 0.7 (s. Figur 3C). Dadurch kann zwischen den Elektroden lokal ein ausreichend hoher Feldgradient in der Strömung, die den Kanal 10 durchsetzt, erzeugt werden. Durch den Feldgradienten wird eine Feldbarriere gebildet, die bei- spielsweise große Partikel zurückhält und kleine Partikel durchlässt. Vorteilhafterweise kann dabei ausgenutzt werden, dass die wirkende Rückhaltekraft quadratisch mit der Feldstär- ke skaliert.

Die Simulationsdarstellung in Figur 6 zeigt die Verteilung der Feldstärkequadrate, d. h. der Potentiale für dielektrische Kraftwirkung, bei einem Ausführungsbeispiel mit zwei streifen- förmigen Elektrodenstrukturen 40,60 (Abstand h = 40 um), die jeweils eine Passivierungsschicht (nicht gezeigt) mit einer Dicke von 5 um tragen. In jeder Passivierungsschicht sind zwei Streifen mit einer Breite von 50 um gebildet, die jeweils eine Substanz mit einer erhöhten Dielektrizitätskonstante (DK = 100, z. B. TiO, höhere Werte der DK von bis 12000 sind bei Ti- tanaten wie BaTiO, SrTiO, CaTiO, PbTiO möglich) enthalten, während die übrige Passivierungsschicht jeweils Polyimid (DK = 3.5) oder SiNxOyumfasst. Der Kanal 10 ist mit Wasser bei 10 mS/m gefüllt. Die Elektroden werden mit Sinussignalen mit ei- ner Frequenz von 10 MHz beaufschlagt. Zwischen den gegenüber- liegenden Elektrodeneinrichtungen 40,60 bilden sich konzent- rierte Feldlinienverläufe aus, die zwei Feldbarrieren für die im Kanal 10 strömenden Partikel bilden.

Die Figuren 7A und 7B illustrieren jeweils vom Kanal 10 aus betrachtete schematische Draufsichten auf die obere (A) und untere (B) Kanalwand eines erfindungsgemäßen fluidischen Sys- tems 100 mit dem Kanal 10, der sich in zwei Teilkanäle 11,12 aufspaltet. Im Kanal 10 sind als dielektrische Funktionsele- mente 80 zwei Deflektoren 81,82, ein Haken 83 und ein Schal- ter (Weiche) 84 angeordnet, wie es an sich aus der fluidischen Mikrosystemtechnik bekannt ist. Des Weiteren können Messein- richtungen, z. B. Partikeldetektoren vorgesehen sein.

Die untere Chipebene (Figur 7B) ist analog zu Figur 1D in an sich bekannter Weise mit einzeln ansteuerbaren Teilelektroden aufgebaut. Die Teilelektroden z. B. 41 mit verschiedenen geo- metrischen Gestaltungen besitzen jeweils eine Anschlussleitung 43, die zu Anschlussstellen (Bondpads) 44 führen. Die für die dielektrische Manipulation der Partikel nicht benötigten E- lektrodenbereiche sind vollständig passiviert. Über den akti- ven Elektrodenbereichen ist die Passivierung geöffnet (siehe z. B bei 52).

Die obere Chipebene (Figur 7A) ist einfacher aufgebaut. Es ist analog zu Figur 1D eine einzelne Elektrodenschicht (nicht ge- zeigt) mit einer geschlossenen Elektrodenfläche vorgesehen, auf der eine Passivierungsschicht (nicht gezeigt) mit struktu- rierten Bereichen 71 gebildet ist. Für die Ausbildung eines elektrischen Feldes zwischen den Elektrodenpaaren der oberen und unteren Chipebenen werden lediglich die Elektrodenschicht der oberen Ebene und die Teilelektroden der unteren Ebene mit einer Spannungsversorgung (Generator) verbunden.

Die feldformenden Strukturen (Teilelektroden und Strukturen in Passivierungsschicht) können in Kanalrichtung versetzt ange- ordnet sein, um ein in Kanalrichtung vorantreibendes Feld zu bilden.

Die Partikel werden in Pfeilrichtung in den Kanal 10 einge- strömt und an den Teilelektroden den elektrischen Feldbarrie- ren ausgesetzt. Je nach der gewünschten Funktion können ein- zelne Teilelektroden ein-oder ausgeschaltet werden. Für eine störungsfreie Trennung der einzelnen Funktionselemente wird vorzugsweise ein lateraler Elektrodenabstand (in Kanalrich- tung) eingestellt, der größer als die Kanalhöhe ist.

Figur 8 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikrosys- tems 100, bei dem sowohl die untere als auch die obere Elekt- rodeneinrichtung komplett mit ggf. strukturierten Passivie- rungsschichten bedeckt ist und zusätzlich ein vom Kanal 10 senkrecht oder schräg abzweigender Querkanal 13 mit einer dritten Elektrodeneinrichtung 90 zur Erzeugung eines Gleich- spannungsfeldes vorgesehen ist. Im Querkanal 13 kann zwischen den Elektroden 91,92 durch Elektroosmose oder Elektrophorese ein Flüssigkeits-oder Partikeltransport unter Wirkung des Gleichspannungsfeldes erfolgen (siehe Doppelpfeil), der durch die Passivierung der ersten und zweiten Elektrodeneinrichtun- gen ungestört bleibt. Beispielsweise ist vorgesehen, in Abhän- gigkeit vom Signal eines Partikeldetektors einen Partikel in den Querkanal 13 abzulenken. Des Weiteren können beim Vorbei- tritt am Querkanal 13 bei Anwendung gepulster Gleichspannungen Elektroporations-oder Elektrofusionsvorgänge ausgelöst wer- den.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Er- findung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.