An alternating current electroosmotic micro pumping device has been designed, experimentally tested and theoretically analyzed using an electrohydrodynamic theoretical model applied to a computer simulation model. The device SP-1 is a microelectrode array which uses the principal of AC electroosmosis (EO), ions driven along microelectrode surfaces by coulomb forces produced by tangential electric fields. These ions, when driven, induce a net fluid motion due to viscous drag forces. Three submerged microelectrode wires were deposited on a substrate using microfabrication techniques such that a square spiral geometry was formed. Device SP-1 received asymmetrically applied AC signals creating a travelling wave of potential and resulted in a net fluid flow across the microelectrode array. Microsphere tracer particles were suspended in ethanol to measure the fluid velocity to determine pumping performance and the experimental operating frequency at which maximum fluid velocity is achieved. The experimental results were reviewed and at an AC signal frequency of 125 Hz, device SP-1 was capable of pumping ethanol at a fluid velocity of approximately 270 μm/s. The experimental results were in good agreement with the theoretical predictions produced using the computer simulation model. In addition, the computer simulation model predicted a similar flow profile to those previously predicted and experimentally observed. Overall, novel micropumping device SP-1 was found to produce a net flow comparable to previously tested devices and a computer simulation framework capable of analyzing future micropump design concepts was developed. / Thesis (Master, Mechanical and Materials Engineering) -- Queen's University, 2011-04-01 17:12:02.908

L'utilisation de systèmes électromécaniques microstructurés pour analyser et manipuler des solutions biologiques ou des cellules vivantes (bio-MEMS) a pris un essor considérable ces dernières années. Dans ce genre de dispositifs, l'utilisation de champs électriques est fréquente, que ce soit pour percer les membranes des cellules et effectuer une transfection de gènes par exemple (électroporation), pour les déplacer ((di )électrophorèse) ou agir sur le milieu dans lequel elles baignent (électro-hydrodynamique). La modélisation des phénomènes induits par ces champs électriques dans les solutions aqueuses est un problème multi-physique et multi-échelle. Au déplacement des électrons s'ajoute en effet la migration des ions présents dans la solution. Ceux-ci se concentrent en particulier aux abords des électrodes formant des couches minces dont les paramètres évoluent de façon encore mal connue en fonction notamment des conditions d'alimentation. La thèse se concentre sur les applications électro-hydrodynamiques dans lesquelles une solution saline est mise en mouvement par des forces électriques agissant sur ses ions, concentrés dans des couches de charges minces, au voisinage des électrodes. Sont d'abord présentés les résultats expérimentaux et des modèles simples du problème électromécanique dans le cas de structures 2D à électrodes coplanaires. Devant l’importance des écarts entre les résultats théoriques et expérimentaux, des modèles plus complets sont alors proposés et évalués. Malgré les améliorations fournies par ces modèles, des écarts importants subsistent entre théorie et expérimentation, et une étude totalement découplée des aspects électriques et mécaniques est alors réalisée sur une structure 1D. Cette étude permet de mieux cerner les dépendances de certains paramètres physiques vis-à-vis des conditions d’alimentation avec une comparaison systématique des résultats expérimentaux et des résultats de modèles circuits linéaires et non linéaires, au travers d’une approche fréquentielle par diagrammes de Bode et d’une approche temporelle par figures de Lissajous. Il a ainsi pu être mis en évidence l’importance pratique potentielle de certains phénomènes rarement pris en compte dans des modèles globaux : saturation des couches minces, permittivité non constante, effets de bords,… Des applications pratiques ont pu être dégagées et testées expérimentalement, dans le domaine des micro-mélangeurs. Outre ces développements, une brève étude est décrite, portant sur la modélisation des cellules et de leurs membranes extrêmement fines en regard des autres dimensions caractéristiques du système, dans la perspective par exemple d'applications en électroporation. Une autre étude est faite portant sur l’utilisation potentielle de méthodes numériques dites « sans maillage » pour ce type d’applications, l’accent étant mis sur la résolution du problème de Poisson dans des systèmes 2D. / Analysis and manipulation of biological solutions or cells in micro-electromechanical systems has considerably improved during last years. In such systems, it is common to use electric fields, in order e.g. to increase cells membrane porosity, which is known as electroporation, and thus allow for gene transfection. Electric fields can also generate the motion of cells in a solution by (di-)electrophoresis effects or induce the movement of the solution itself, through electro-hydrodynamic effects. Finding theoretical models for those phenomena requires a multi-physic and multi-scale approach. The ions present in the saline solution react mechanically to the electrical excitation of the system. They migrate to the regions close to the electrodes, in very thin layers whose parameters vary in non-obvious ways, depending namely on the power supply conditions. The text focuses on electro-hydrodynamic applications in which a flow is generated by electric forces acting on the ions present in the solution, mostly in thin charge layers near the electrodes. Experimental results and simple existing models are first presented for 2D coplanar electrodes systems. Regarding the important differences between models and experimentation, more complete models are then proposed and tested. In spite of the improvements of those new models, some important differences remain, so that a fully decoupled approach of electrical and mechanical aspects is needed, which is pursued on a 1D structure. This new study allows for a better understanding of the dependences of some physical parameters with regard to supply conditions, with a systematic comparison of experimental results and non-linear circuit models results. A frequency approach with Bode diagrams is used, as well as a time approach with Lissajous figures. It has been shown that some phenomena are of practical and fundamental importance, which are not always taken into account in more general and global models : saturation phenomena, non constant physical parameters, border effects,… Practical applications have been deduced and tested experimentally, in the case of micro-mixing. A brief study is also mentioned, concerning the modeling of cells with extremely thin membranes compared to the other characteristic dimensions of the system, in the perspective e.g. of electroporation applications. Another short study is performed about the potential use of « meshless » numerical methods for the solving of this kind of applications, focusing more specifically on the solving of a Poisson problem in 2D.

L'utilisation de systemes électromécaniques microstructures pour analyser et manipuler des solutions biologiques ou des cellules vivantes (bio-MEMS) à pris un essor considérable ces dernières années. Dans ce genre de dispositifs, I'utilisation de champs électriques est frequente que ce soit pour percer les membranes des cellules et effectuer une transfection de gènes par exemple (électroporation), pour les déplacer ((di )électrophorèse) ou agir sur Ie milieu dans lequel elles baignent (électro-hydrodynamique). La modélisation des phénomènes induits par ces champs électriques dans les solutions aqueuses est un probleme multi-physique et multi-échelle. Au deplacement des électrons s'ajoute en effet la migration des ions présents dans la solution. Ceux-ci se concentrent en particulier aux abords des électrodes formant des couche minces dont les paramètres évoluent de façon encore mal connue en fonction notamment des conditions d'alimentation. La thèse se concentre sur les applications électro-hydrodynamiques dans lesquelles une solution saline est mise en mouvement par des forces électriques agissant sur ses ions, concentrés dans des couches de charges minces, au voisinage des électrodes. Sont d'abord presentés les resultats experimentaux et des modèles simples du problème électromécanique dans Ie cas de structures 2D à électrodes coplanaires. Devant I'importance des écarts entre les résultats théoriques et expérimentaux, des modèles plus complets sont alors proposés et évalués. Malgré les ameliorations fournies par ces modèles, des écarts importants subsistent entre théorie et expérimentation, et une étude totalement découplée des aspects électriques et mécaniques est alors réalisée sur une structure 1D. Cette étude permet de mieux cerner Ies dependances de certains paramètres physiques vis-a-vis des conditions d'alimentation avec une comparaison systématique des résultats expérimentaux et des résultats de modèles circuits Iinéaires et non linéaires, au travers d'une approche fréquentielle par diagrammes de Bode et d'une approche temporelle par figures de Lissajous. II a ainsi pu être mis en évidence I'importance pratique potentielle de certains phénomènes rarement pris en compte dans des modèles globaux : saturation des couches minces, permittivité non constante, effets de bords, ... Des applications pratiques ont pu etre dégagées et testées experimentalement, dans Ie domaine des micro-mélangeurs. Outre ces développements, une brève étude est décrite, portant sur la modélisation des cellules et de leurs membranes extrêmement fines en regard des autres dimensions caractéristiques du systeme, dans la perspective par exemple d'applications en électroporation. Une autre étude est faite portant sur I'utilisation potentielle de méthodes numériques dites " sans maillage " pour ce type d'applications, I'accent étant mis sur Ia résolution du problème de Poisson dans des systèmes 2D.

The present work is aimed at investigating the mechanisms of nanowire growth from aqueous solutions through a physical and chemical modeling. Based on this modeling, deriving an optimized process control is intended. The work considers two methods of nanowire growth. The first is the dielectrophoretic nanowire assembly from neutral molecules or metal clusters. Secondly, in the directed electrochemical nanowire assembly metal-containing ions are reduced in an AC electric field in the vicinity of the nanowire tip and afterwards deposited at the nanowire surface. To describe the transport and growth processes, continuum models are employed. Furthermore, it has been necessary to consider electro-kinetic fluid flows to match the experimental observations. The occurring partial differential equations are solved numerically by means of finite element method (FEM). The effect of the process parameters on the nanowire growth are analyzed by comparing experimental results to a parameter study. The evaluation has yielded that an AC electro-osmotic fluid flow has a major influence on the dielectrophoretic nanowire assembly regarding the growth velocity and morphology. In the case of directed electrochemical nanowire assembly, the nanowire morphology can be controlled by the applied AC signal shape. Based on the nanowire growth model, an optimized AC signal has been designed, whose parametrization allows to adjust to the chemical precursor and the desired nanowire diameter. / Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels physikalischer und chemischer Modelle die Mechanismen des Nanodrahtwachstums aus wässrigen Lösungen zu erforschen und daraus eine optimierte Prozesskontrolle abzuleiten. Dabei werden zwei Verfahren des Nanodrahtwachstums näher betrachtet: Dies sind die dielektrophoretische Assemblierung von neutralen Molekülen oder Metallclustern sowie die gerichtete elektrochemische Nanodrahtabscheidung (engl. directed electrochemical nanowire assembly), bei der metallhaltige Ionen im elektrischen Wechselfeld an der Nanodrahtspitze zunächst reduziert und anschließend als Metallatome abgeschieden werden. Zur Beschreibung der Transport- und Wachstumsprozesse werden Kontinuumsmodelle eingesetzt. Darüber hinaus hat es sich als notwendig erwiesen, elektrokinetische Fluidströmungen zu berücksichtigen, um die experimentellen Beobachtungen zu reproduzieren. Die auftretenden partiellen Differenzialgleichungen werden mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) numerisch gelöst. Die Auswirkungen der Prozessparameter auf das Nanodrahtwachstum werden durch den Vergleich von experimentellen Ergebnissen mit Parameterstudien analysiert. Die Auswertung hat ergeben, dass für das dielektrophoretische Wachstum ein durch Wechselfeldelektroosmose (engl. AC electro-osmosis) angetriebener Fluidstrom die Drahtwachstumsgeschwindigkeit und -morphologie maßgeblich beeinflusst. Im Falle der gerichteten elektrochemischen Nanodrahtabscheidung lässt sich die Drahtmorphologie über das angelegte elektrische Wechselsignal steuern. Unter Verwendung des Wachstumsmodells ist ein optimiertes Signal generiert worden, dessen Parametrisierung eine gezielte Anpassung auf den chemischen Ausgangsstoff und den gewünschten Drahtdurchmesser erlaubt.

Cette thèse porte sur le développement d’un capteur plasmonique intégrant une fonction d’actuation des objets visés. L’objectif est de passer outre la limite de diffusion rencontrée à basse concentration en piégeant les particules sur la surface de détection. La stratégie adoptée est de structurer le film d’or servant à la détection de manière à pouvoir l’utiliser pour mettre en mouvement le fluide et les molécules par le biais de champs électriques. Le transfert de masse est réalisé par diélectrophorèse et électroosmose, deux effets électrocinétiques mis en oeuvre par des électrodes servant à la fois d’actuateur et de capteur plasmonique. Un état de l’art exhaustif et des simulations multiphysiques ont permis de concevoir un prototype de capteur intégré constitué d’électrodes interdigitées en or permettant la détection plasmonique. Le dispositif proposé a été obtenu par microfabrication en salle blanche puis caractérisé avant l’étude de ses performances. Une première phase de tests sur un système modèle, des billes de polystyrène dans de l’eau, a permis d’apporter la preuve de concept du fonctionnement du capteur, qui est effectivement capable de piéger rapidement les objets visés à sa surface afin de les détecter. Les mécanismes de transfert de masse ont été expliqués et la preuve de l’amélioration de la limite de détection par un facteur supérieur à 100 a été apportée. Dans un second temps, les performances du capteur appliqué à des objets biologiques ont été évaluées. Celui-ci piège efficacement des levures et des protéines, mais aucune amélioration n’a été observée dans le cas de la détection spécifique de l’hybridation entre deux brins d’acide désoxyribonucléique (ADN). Les causes de ce résultat ont été discutées et comprises et deux solutions différentes ont été explorées : l’adaptation de la fréquence d’opération et l’optimisation de la géométrie des électrodes. Ainsi, cette étude a permis de souligner la problématique de la mise en oeuvre d’effets électrocinétiques dans des milieux biologiques et de réfléchir aux pistes pertinentes pour sa résolution. / This thesis focuses on the development of an integrated plasmonic sensor capable to perform mass transport on targeted objects. The goal is to overcome the diffusion limit by trapping particules directly on the sensing surface. The adopted strategy was to structure the gold layer used for plasmonic detection in order to use the sofabricated structures to set the fluid and the molecules in motion by applying electric fields in the fluid. The mass transfer is realized through dielectrophoresis and electroosmosis, those two electrokinetic effects being operated by electrodes acting as sensor and actuator at the same time. An exhaustive state of the art as well as multiphysical simulations allowed us for designing a prototype for an integrated sensor consisting in gold interdigitated electrodes enabling plasmoninc sensing. The proposed device was obtained through microfabrication in clean room facilities and was characterized before the study of its performances. A first sequence of tests on a model system – polystyrene microbeads in water – brought the proof of concept we needed to validate the correct operation of the sensor, which is indeed capable of quickly trapping targeted objects on its surface and detecting them. The mass transfer mechanisms were explained and we showed the enhancement of the limit of detection by a factor greater than 100. In a second phase, performances of the sensor applied to biological objects were evaluated. It can effectively trap yeasts and proteins but no enhancement has been observed while detecting DNA hybridization events. Causes for this result were discussed and understood and two different solutions were explored: the adaptation of the operating frequency and the optimization of the electrodes geometry. Thus, this study highlighted the problematic of operating electrokinetic effects in biological media and suggested relevant leads towards its resolution.

The present work is aimed at investigating the mechanisms of nanowire growth from aqueous solutions through a physical and chemical modeling. Based on this modeling, deriving an optimized process control is intended. The work considers two methods of nanowire growth. The first is the dielectrophoretic nanowire assembly from neutral molecules or metal clusters. Secondly, in the directed electrochemical nanowire assembly metal-containing ions are reduced in an AC electric field in the vicinity of the nanowire tip and afterwards deposited at the nanowire surface. To describe the transport and growth processes, continuum models are employed. Furthermore, it has been necessary to consider electro-kinetic fluid flows to match the experimental observations. The occurring partial differential equations are solved numerically by means of finite element method (FEM). The effect of the process parameters on the nanowire growth are analyzed by comparing experimental results to a parameter study. The evaluation has yielded that an AC electro-osmotic fluid flow has a major influence on the dielectrophoretic nanowire assembly regarding the growth velocity and morphology. In the case of directed electrochemical nanowire assembly, the nanowire morphology can be controlled by the applied AC signal shape. Based on the nanowire growth model, an optimized AC signal has been designed, whose parametrization allows to adjust to the chemical precursor and the desired nanowire diameter. / Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, mittels physikalischer und chemischer Modelle die Mechanismen des Nanodrahtwachstums aus wässrigen Lösungen zu erforschen und daraus eine optimierte Prozesskontrolle abzuleiten. Dabei werden zwei Verfahren des Nanodrahtwachstums näher betrachtet: Dies sind die dielektrophoretische Assemblierung von neutralen Molekülen oder Metallclustern sowie die gerichtete elektrochemische Nanodrahtabscheidung (engl. directed electrochemical nanowire assembly), bei der metallhaltige Ionen im elektrischen Wechselfeld an der Nanodrahtspitze zunächst reduziert und anschließend als Metallatome abgeschieden werden. Zur Beschreibung der Transport- und Wachstumsprozesse werden Kontinuumsmodelle eingesetzt. Darüber hinaus hat es sich als notwendig erwiesen, elektrokinetische Fluidströmungen zu berücksichtigen, um die experimentellen Beobachtungen zu reproduzieren. Die auftretenden partiellen Differenzialgleichungen werden mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) numerisch gelöst. Die Auswirkungen der Prozessparameter auf das Nanodrahtwachstum werden durch den Vergleich von experimentellen Ergebnissen mit Parameterstudien analysiert. Die Auswertung hat ergeben, dass für das dielektrophoretische Wachstum ein durch Wechselfeldelektroosmose (engl. AC electro-osmosis) angetriebener Fluidstrom die Drahtwachstumsgeschwindigkeit und -morphologie maßgeblich beeinflusst. Im Falle der gerichteten elektrochemischen Nanodrahtabscheidung lässt sich die Drahtmorphologie über das angelegte elektrische Wechselsignal steuern. Unter Verwendung des Wachstumsmodells ist ein optimiertes Signal generiert worden, dessen Parametrisierung eine gezielte Anpassung auf den chemischen Ausgangsstoff und den gewünschten Drahtdurchmesser erlaubt.