Integration von Mikrosensoren in Mikrofluidik L. Georgi, V. Schuldt, M. Blechert, M. Hubl, T. Braun, E. Jung, K.-D. Lang PoC-ID Device USB Port Electronic-fluidic Sensor Package Bio-Sensor Protein target 24.09.2014 metal contact S C 6 EG 4 EG 4 C 6 C 11 C 6 C 6 C 11 C 6 S S S S S S functionalized layer sensitive layer membrane double layer S EG 4 C 6 S C 6 Virus Spiegelmer Linker / Spacer Leopold Georgi Blocking agent
Motivation für mikrofluidische Systeme: Going small..going cost efficient. going anyplace Bildquelle: http://www.bbi-biotech.com Bildquelle: http://www.gene-quantification.de
Sensorintegration für Forschungsanwendungen und Prozessentwicklung in Mikrofluidik 1. Mikrobioproduktionssysteme, Screening und F&E-Geräte Beobachtung und Steuerung häufig komplexer Prozessflüsse Performance und wichtiger als Präzise Kontrolleund undstabilität Regelungkritisch von chemischen Prozessparametern wie Einzelmodulkosten Ionenstärke, ph-wert, aber auch Temperaturkontrolle und Beobachtung von Produktbildung, Zellwachstum, Aufreinigung usw. Häufig Integration in bestehende Systeme Kontinuierliche Messung mit verschiedenen Sensoren (Temperaturregelung für Sensoren und Reaktionskammern) Materialkompatibilitäten sind zu beachten (CTE-Mismatch, Temperaturstabilität, Korrosion, Biokompatibilität, Biofouling etc.) Einbettung in moderne Systemarchitekturen wie IoT / Industrie 4.0 Häufig Einzel- oder Kleinserienfertigung
Drahtbond pad Prozesskontrolle Beispiel Zellfreie Bioproduktion (Aufbau und Integration eines siliziumbasierten ph-sensors mit sensitiver IrO Oberfläche) PCB mit Aussparung IrO Sensor vom Fraunhofer ISIT; Assembly am Fraunhofer IZM Siliziumsensor low loop Drahtbond mit Glob Top Schutz
Prozesskontrolle Beispiel Zellfreie Bioproduktion (Aufbau und Integration eines siliziumbasierten ph-sensors mit sensitiver IrO Oberfläche) Gleichzeitig elektrischer und fluidischer Kontakt ohne Kurzschlüsse und Kontaminationen Aufbau auf PCB mit Drahtbonds und Durchkontaktierung Integration mit UV-Silikon für Dichtigkeit und CTE-Ausgleich 10-faches Autoklavieren möglich Prozess für kleine Stückzahlen geeignet Benötigt relativ komplexe externe Auswerteelektronik IrO Sensor von Fraunhofer ISIT, Assembly am Fraunhofer IZM
Ratio Blau-Wert / Rot-Wert Prozesskontrolle Beispiel Zellfreie Bioproduktion Optische Magnesiummessung LED Kammer Durchlicht Magnesium- Messung Mag-Fura Produkt- Messung (YFP) RGB- Sensor RGB-Messarray Mittelwert Ratio 380/340 7,0 6,5 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 Modell Gleichung Chi-Quadr Reduziert 0 10 20 Magnesiumkonzentration [mm] Asymptotic1 y = a-b*c^x 0,00331 Kor. R-Quadrat 0,99839 Mittelwert Ratio 380/340 Zeilenstatistik von [Book1]Sheet1!Col("1. Ratio(380/340)")[1]:Col("3. Ratio (380/340)")[9] Asymptotic1 Fit Mittelwert Ratio 380/340 Wert Standardfehler a 2,72484 0,0734 b -3,87958 0,07117 c 0,86315 0,00647 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0 1 2 3 Mg 2+ Konzentration [mm] Fluoreszenzfarbstoff Mag-Fura 2 Auslesung mit Standard Fl-Mikroskop Farbmessung nach Farbumschlagsreaktion
Prozesskontrolle Beispiel Zellwachstum Linsenloses Mikroskop Digitale holografische Abbildung direkt im Inkubator mit: Laserdiode Mikrofluidikchip 10 MP CMOS Sensor Vorteil gegenüber Lichtmikroskop: Minimale Baugröße Minimale Kosten 15x größeres Sichtfeld Peltier Kühlung für In-Situ Zell-Mikroskopie Zelltoxizitätstests, Migrationsassays Überwachung des Zellwachstums Verfolgung von Differenzierungs-, Entartungs-, Wundheilungs-Prozessen W. Bishara et al: Holographic opto-fluidic microscopy, Optics Express, Vol. 18, 2010 50 50 µm µm 50 µm 50 50 µm µm
Prozesskontrolle Beispiel Zellwachstum Linsenloses Mikroskop Fotos selbst erstellt, Grafik über M. Hubl Stadien der Zellteilung unter linsenlosem Mikroskop; Skala = 100 µm
Prozesskontrolle Beispiel Zellwachstum Linsenloses Mikroskop
Integration von Biosensoren für PoC-Anwendungen z.b: Pathogen oder Biomarker Detektion mit Biosensoren Kontrolle Kosten sind und wesentlich! Regelung von Trotzdem Temperatur, hohe Anforderung fluidische Aufbereitung an Performance und Führung und Wiederholbarkeit. von Proben und Reagenzien, Umsetzung der Auslesekonzepte Trend zu (nano)elektronischen Mikrosensoren Einsatz effizienter automatisierter Volumenpoduktion (CMOS + Häufig Einwegsysteme im Prozess PoC-ID Device microelectronic packaging) sinnvoll Schutz der sensitiven Oberfläche USB Port Electronic-fluidic Sensor Package Miniaturisierte kostengünstige und nutzerfreundliche Ausleseelektronik nötig möglichst vollelektronisch Modularisierung für schnelle Anpassung an use cases (home, GP, clinic) Bio-Sensor Protein target EG 4 EG 4 EG Vernetzung und Einbindung in IT-Systemarchitekturen 4 (IoT, Telemedizin) Virus C 6 C 6 C 11 C 6 C 6 C 11 C 6 C 6 metal contact S S S S S S S S Spiegelmer functionalized layer C 6 sensitive layer S Linker / Spacer membrane double layer Blocking agent
If Point of Care is the future System integration will be the next challenge
Integration von Biosensoren für PoC-Anwendungen EU-Projekt: Cajal4EU Modul Vorderseite Modul Rückseite 2D x-ray microfluidics electrical connection Quelle: IWLPC-Conference - SILEX Trennung von Mikrofluidik & elektrischer Kontaktierung des Sensor Moduls Silex & NXP & Bosch & IZM
Integration von Biosensoren für PoC-Anwendungen Zukunft large area embedding Hauptaufgabe: Kostengünstiges Bio-Sensorpackaging Extremer Druck bei Kosten und Messzuverlässigkeit und fehlende Standards Auslastung von abgeschriebenen Standardmaschinen aus dem Mikroelektroniksektor ermöglicht Kosteneffizienz! Embedding von aktiven Biosensoren erfordert besonderen Schutz der chemisch / biologisch aktiven Oberfläche oder Funktionalisierung nach Fertigung
FOWLP with PCB based RDL and Through Mold Vias (TMV) Process Flow Beispiel ohne OF-Freistellung Precision die placement on intermediate carrier (6.500-8.000 dies/h with 1 assembly head) Cleaning, Pd activation und Cu plating µvias and TMVs Large area compression molding Molded wafer release from carrier Maskless laser direct imaging (LDI) and Cu layer etching (exposure time 24 x18 : 1 to 2 min) Lamination of RCC both wafer sides UV-laser drilling through RCC to open die pad and through molded wafer for TMVs (min. 500 µvias/s in RCC) Soldermask, UBM, package singulation by sawing 3D module assembly
Eingebettete Sensorchips auf Panelgröße 610 x 456 mm² / 24 x18 Setzen von 5528 Chipsauf 18 x 24 mit 6500 dies/h speed Mold embedding auf 18 x 24 bei 1MN
Eingebettete Sensorchips auf Panelgröße 610 x 456 mm² / 24 x18
Entwicklungskette PoC-Gerät Rezeptorentwicklung Transducerentwicklung Hybrid Packaging (elektronisch (od. optisch) und fluidisch) Systemintegration z.b. Diagnosegerät Studien mit Prototyp Integrierter Biosensor Funktionales, zuverlässiges und kostengünstiges System ist eine wesentliche Voraussetzung für eine sinnvolle Anwendung Bereits beim Komponentendesign sollten alle vorherigen und folgenden Prozesse und Anforderungen beachtet werden frühzeitige Zusammenarbeit aller Beteiligten
Zusammenfassung der Herausforderungen an Systemintegratoren Hybrid (opto)elektronic-fluidic Packaging Fluiddichte Integration der Biosensoren und elektrische Kontaktierung Kosteneffizienz z.b. durch Embedding-Tech. Strukturiertes Aufbringen und Schutz der bioaktiven Oberfläche Niedertemperatur Fügeprozesse Sterilisierbarkeit / thermische Ausdehnung Bioprozesskompatibilität Lagerbarkeit und Langzeitstabilität der Sensoren Schnittstelle zum Auslesegerät Elektrische, mechanische / optische, fluidische Kontaktierung des Systems Signalverarbeitung (Verstärkung / Schirmung / Filter etc.) Einbindung in IT-Architekturen ( Internet of Things ), User-Interface Außerdem: Mangelnde Standardisierung
Danksagung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Wir danken & für die Förderung von Teilen der Arbeiten im Rahmen des Biotechnologie 2020plus Programms und der Fraunhofer Systemforschung Zellfreie Bioproduktion und der Europäischen Union für die Förderung des Projektes Cajal4EU im Rahmen des ENIAC joint technology Programms.