34
SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan, Carol L. Ashby, and Terry A. Michalske Prepared by Sandia National Laboratories Albuquerque, New Mexico 87185 and Livermore, California 94550 Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company, for the United States Department of Energy’s National Nuclear Security Administration under Contract DE-AC04-94AL85000. Approved for public release; further dissemination unlimited.

MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

  • Upload
    others

  • View
    6

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

SANDIA REPORT

SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels

Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan, Carol L. Ashby, and Terry A. Michalske

Prepared by Sandia National Laboratories Albuquerque, New Mexico 87185 and Livermore, California 94550 Sandia is a multiprogram laboratory operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company, for the United States Department of Energy’s National Nuclear Security Administration under Contract DE-AC04-94AL85000. Approved for public release; further dissemination unlimited.

Page 2: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

Issued by Sandia National Laboratories, operated for the United States Department of Energy by Sandia Corporation.

NOTICE: This report was prepared as an account of work sponsored by an agency of the United States Government. Neither the United States Government, nor any agency thereof, nor any of their employees, nor any of their contractors, subcontractors, or their employees, make any warranty, express or implied, or assume any legal liability or responsibility for the accuracy, completeness, or usefulness of any information, apparatus, product, or process disclosed, or represent that its use would not infringe privately owned rights. Reference herein to any specific commercial product, process, or service by trade name, trademark, manufacturer, or otherwise, does not necessarily constitute or imply its endorsement, recommendation, or favoring by the United States Government, any agency thereof, or any of their contractors or subcontractors. The views and opinions expressed herein do not necessarily state or reflect those of the United States Government, any agency thereof, or any of their contractors. Printed in the United States of America. This report has been reproduced directly from the best available copy. Available to DOE and DOE contractors from

U.S. Department of Energy Office of Scientific and Technical Information P.O. Box 62 Oak Ridge, TN 37831 Telephone: (865)576-8401 Facsimile: (865)576-5728 E-Mail: [email protected] Online ordering: http://www.doe.gov/bridge

Available to the public from

U.S. Department of Commerce National Technical Information Service 5285 Port Royal Rd Springfield, VA 22161 Telephone: (800)553-6847 Facsimile: (703)605-6900 E-Mail: [email protected] Online order: http://www.ntis.gov/help/ordermethods.asp?loc=7-4-0#online

2

Page 3: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

���� ��������� ������ �� ����������� ����� ����

���� �� ��������� �� �����

���� ������� ������ �!������� ��� ����������� �

��� ���"#�$���� ��� �� ������� � ��� %����&����

�� '#������(�� ��� ��)� �� ���� ������ �*���

��� ���+!%��� ����� ���,���! �����

���� ����� �#� ����� &�� %���*����� ���������� �*���

������ ������� ��+�����������'� $�- ��

� +�.���.��/ �� 0�����1

�������������� �������������� �!����� 2�(��3 ���,���� � ��4 � ��� �& ��)���� ���� ��� ���

)������ &���� �& ������� ��� ���������� ������ ������� ��)� ���4� ���� �������� � ����� �)������������ ��� �+ � �� ������ � 4��� ���*� �& ������� �/ +���� ��� �� �� �)�� ���* � +������� �� �� %� ���� �,,�����/ ����� �)�� ��5������ ��, ���� �,���� 5���������� ��������� �����+!� ��������* ���, �- ������� ��**��* ���,� ���� ��� ���� � �� �����)� 4��� ���,�+���� ��������������� � #�! ��� ��*� �� ��� �"��* ���� ��4 ��������� ������ �� ��� �����,������� �&&�������� �"�� �(�� ���������� 4����� ���, �- �����5����� ������ �������������� ����+� ��! �� �����, ��� ���� ����*������ �� ������� ! ������ +! ��� ,��������* �,,������� ������ ��� ��� �� ,��������� �����5����� ������ �� ���� ��,��� ������+�� ������6� 7��� ������������� �& �(�� ������������ �����5����� ���,�/ 4���� 4��� &�+������� +! ���+����*��� �����* ��,�+� ����� �� �(�� ,��������* 4��� ��� �4����,������� ,���� ����*��,��������� &�� &�+�������* �����5����� ������ �� 8� ��)� �-, ���� ������� ����� �)��� ��� ��������� �� ,����)� �(�� ��)���� �� � ��4 �,,����� �� ������ ! ����� 5��� �����,���/ ��� ��)��������&� ! ��������� ��� 5�4 ����� ��� )���������� 4����� �����5����� ������ �� ���������(�� ���������� ��)� � �� +��� �����,������ ���� �����5����� ������ �/ ��� ��� � ������� ��.��������� &�� ��������� �� �.���� ��)� +��� .�����7�� 4��� �� � �*��� �����!� ( ������������ ��������� �� 4���� ��� +��� �����, �����/ ��� � ��)� ������.�� &�� ���������* ��� � ������� ��������)����� ��� +��� ��)������

1

Page 4: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

������� ������

������ �� � �� ��,��*��� �+������! �,������ +! ������ ��,�/ � ���#����������� ���,��!/ &�� ��� ���� ��,������� �& (���*! ����� ������� ��� �(�� ���9������� ���������� ����# ���� �������+� �& ��� �(�� ��� ��)� �� ���� ������ �*��� ��,���������� ��**! �4� �& ��� ',�������� &�� &�+�������� ��,,���/ ��� :���*� $������ �& ���$���� ��� �� ������� � ��� %����&���� ��,������� &�� �� , 4��� +��������� &�������� �"������� 8� � �� ����# ��)�� "�, �4�#� �& ��� ������������� ��� ������������� ��!������,�������/ ��� :���� ��!�� ��� ;��� � ���*���� �� ���� ���)�����! &�� ����� �� �+�������� �� ����*�/ &�+��������/ ��� ������* �& ����*����� �����5����� 5�4 ��������

Page 5: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

��������

� ������������ �

� ���������� ���� ������ ������* 4��� ���� �)��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 0��� �����5����� < �4 ������* � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � 0

� �������� !��������"�#�� �����"�$��% �&1�� <�+�������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

1���� �(�� ����� �)��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��1���� <�������� �"����� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��1���1 ��� �!�� 7 � ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �01���� �� �����* ��� ��!��* � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��1��� %������������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��1���= (-,�������� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��

' (�%%�$� �����"�$��% �� ��) "�%% �*����"% �+��� ���� 8�&��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���� ������ ��� 8�&��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �

+ �"�����%����� ��������� �� �,���% �-

. ��������$��/ ���%�� �&

� 0/����/��1�� ��12��� ��������� �&

- ����"����� ��1���% �&

���� �� ������

� :����� &�+�������� ,������ 5�4� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ��� ����������*��,�� �& ���, � 7��� *��������� ���������� �)��� � � � � � � � � � ��1 ����������*��,�� �& ������ *���������� ���������� �)��� � � � � � � � � � � � �1� ����������*��,�� �& ���, � ������ *��������� ���������� �)��� �� ������ � � �� �(� �& � ������� ����������� �� ����� �)��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �= %����&��������� ����������"����� �& ���������� �)��� � � � � � � � � � � � � � � �=0 ����������*��,�� �& ���, � *� ��,�������� ���������� �)��� � � � � � � � � � � �������* � ������ �����*��,� �& ��� �!�� ��'��� 7 � ������ � � � � � � � � � �99 �������* � ������ �����*��,� �& ��� �!�� 7 � 4��� ��� 4������ ,������>� � � ���� �(� �& ��������,�� ��&���� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � ���� ����������*��,� �& �����5����� ������ ������������� � � � � � � � � � � � � � �1�� ��������� �& ��� �,���� ��5������ ����������� �!���� � � � � � � � � � � � � ���1 �(� �& �������������� , ��� 5�4 ������ � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �=�� ���,���� �& ��� �������������� , ��� � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �0

Page 6: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

� ������ � ����������� ��������� &��.����! � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � �9

=

Page 7: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

� ����������

��� �����&�+�������� ������.��� ��)� �,�� +! ��� ������������� �������! �� ���� ,����������*����� �������� ��)� ���� ������ ! +��� �,, ��� �� ��� ��)� �,���� �& �������� � ���������� ��)���� �� �� ������ �������������� �!����� 2�(��3 ?�/ �@� $������ �& ����� ��� ��"� ��� ��� ���� �>����)����� �& �����&�+��������/ �(�� ��)� ��� ,������� �� ��)� ������"����! ������ �*��� �& �������� �� ������/ ��� ����* 4��,��� ���,������/ �,����/ ��� ���������� ��������� �& � �!,��� �� ��� �"� ���� ,������� &�� ������� ��� +�� �*��� ���������/�(�� ��)���� ���� �,����� �� � �.��� ��)�������� ��� +� �����,������ ���� �����5����������� �/ 4���� ���������� ��4 ��� ��*�� &�� ��)��� ����*� ��� &�+���������

���� ��,��� ������+�� ������6� 7��� ����*������ �& �(�� ���� �����5����� ������ �� �4��!,�� �& ����*����� ������� 4��� �-, ����A������� ! &�������� �"�� ����� �)��� &�� +���� ���� �� ���������/ ��� ������� 5�4 ������� ����* ����� �)�� ��� ����� �� ���� �������������� 8�+�*�� 4��� ���� +��#*����� ��� �����! �� ����� �)���+���� ������� ��������� ��� �����5������ 5�4 ������*� 8� ���� ������� ��� ��)� �,���� �& ����*�����/ ����)� �(�� ����� �)���/4���� 4��� ����������� ����* ��� ������ ��������� ��)� �,���� ��+������!6� 2���6�3 ������* � �)� ,� !�� ���� ���&��� �������������* ,������ ?�@/ ��� ����*����� ���� ��'��� ����7 � ����������� � ?1@ &�+������� �� ������6� ��,���� ������������� �������� ��+������!2 ���3� ���� 4� ��� �� � ������,���� �& ,����)� ����� �)�� ��� ����� ���� �� ���������� ����4��� &�+������� ��� ������ �� * ��� ������ � �� ���� ���)�����!/ &� �4�� +! � �����������& ��� 4��# �� � ����������� ��������� �& �� ���� �(�� �� �.����� 8� 4� ���� � ��� 4������� ���� ����* �����#��

� � ������

��� ������ ��� ��� ���� ��������

������ ������� ��)� ���4� ���� �������� � ����� �)�� ���������� ��� �+ � �� ������ � 4������*� �& ������� �/ +���� ��� �� 2��� ��� ����� ��� ,�������3 �� �)�� ���* � +������� �� � ?�@B?��@� %� ���� �,,�����/ ����� �)�� ��5������ ��, ���� �,���� 5���������� ��������� �����+!� ��������* ���, �- ������� ��**��* ���,� ���� ��� ���� � �� �����)� 4��� ���,�+������������������ %� ���� �& ��� ��������������/ ��� ������������ ��������� ��� ��)� )�� ������������ �& ������ ����� �)�� ��5������ ���� ���* &��� � ����*� �� ���&��� ����*! 4����� ��� �� ��� ������� ! �����+�� �� � &�������� �"�� ����� �)�� ?�@B?9@� ������� ������*������ ��, �!� ��� ����� �)�� �� � �����+� ����A��� ����� �)�� �� �������� �!������ !��� ��� �����+�� �,����� ��� �������� +! � ��������� &��.����! ���&� ?��@B?��@� ��������������� ��� �����! �& ����� ��������� ���������� ��� 4� ���������� �� ��� ���������/ +������*������ �& ���� ��)���� �� �����5����� ������ � ��� ��� +��� ��,������

��� ����������� ��� ��� ���

� ����*� ��������� �����5����� �!����� ��� ��4 �)�� �+ �/ ���� ��� ��� ������� ��� 5�4������� ��+����� 4����� ��� ������ ���4��#�� C��/ ����*����� ��� 5�4 ��� ,�������������� 4� +� ������� &�� &�� ��� ��� !���/ ��� *����� ! �� ������� �����5����� ��)���,��&�������� ��)� �,���� �& �(���+���� ,������� ������� +�*�� �� �91 ?�1@/ ��� ���!

0

Page 8: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

��)� +��� ���� ,������ ! �� ������� ���+� ���� ?��@� (������� ! � �����&�+������� ,�������������� ������� �& � ���� ���,���*� 2���� ! �� ����3 ���� �� ��5����� ����� ,�������� �����5������ �� ������ ,��"�� ������� !/ ,��"��������)� !/ ��,�����)� !/ �� �,���� !� �� ����/����� ������� ��)� � +��� &�+������� �� � ��,����� ��������, ��)��� ���� �� ��+����� �� ��������� � 5�4 ������ ���� �� � 4��� ����� �

8�� � ����� ��� ���! ������������ ���������� &�� ������* 5�4/ �����5�4 ������ ��)� ��,���� ��� +��� ������������ �� ������ ��� ��������� �������� ������ �������������5�4 ������� 2�����������3 ��)� �����)�� +! &�� ��� ���� ��������� +��� �� ��� �������� ��������� ��� 4��� ��������� ��)� �,���� ?�/ �9@� ��� 7��� ������������� ������ 5�4������ 4�� ,�������� �� �90� ?��@/ ��� ��������� ��)� �,���� +�*�� �� ���� �� ��� ! ���9= +! ��!��� ?��@ ��� ;���!4� ?��@� �� 4��� �����,������� �������/ 4��# �� ������������ ��� +��� &������ �� ���������* 5�4� �-����� �� ��� ������/ +�� ��)��� ��)��������*����� ���� �����5����� ������ � ��)� +��� ��)� �,�� ?�1@B?�0@� ��� ������* ,�����, ��& � ������ 5�4������ ��)� )�� ��������* ���,�������� �� �-����� ��� ���� �����&�� ����&��� � ������ � �����/ 4���� ��������� 4��� ���������* 5�4 ����� %� ��� ���, ��� ����*�/ ����� �������)� � ����� �� ������ 4��� �� � ������ �������/ ��� �� ��� �� ���)����)� ! +! 5��������� �)�� ��� � ������ ��� ���������� �& ��� � ����� ����*�� 4��� ���,�������/ �� ���� �� ��� �� +! ��� 5�4/ ��� ���������� ����*� �� �������� 2��*� +! � ����*� �� ������� ���������� ,�4��3� ��� �� � � ?�@ �������� ����� �������� �� �4 �� ��� �� 4��� � �� ������������ �& ��-���� ��������� ��� ��� %� ������� ���������� ����*�/ ���,�������� &������ �&� �& ��� ������ ��� �������� 4��� ���&��� �������� 4�)� 2��83 ��)���� ?�9@/ +�� �������)� � ��*�� &���,�����

��)� �,���� �� �(�� ��������� 5�4 ������� +�*�� �� �9 4��� ������� �� � � ?�@/��� ��� +��� �������)��! ��� +��� ������������ +! �������+��� �� � � ?�=@� ����� ��)���/4���� �� �������� ! � ���� , ��� �������� +! � +���� �������� �� ���� ������/ ������������� �������� &��� ��� ���� ���� �� �, �� �� ��� ;�4�)��/ ��� �������+��� ��)��� ����� ����*����� ���� � �����5����� ������ ��� �� �� �� �� 4����D �� 4� ��� ������ �&��*������ �������)��! &��� ��� ��* �� ��4� �� 7� �� ��� �2��� ��3 4��� ����������� ��!,��� �& �����5����� �!������ ������� �������)��� ��� +��� ��,����� �� ������� 5�4+! ��������* ��>������� ,������� ?�0@� ���� �!,� �& ������ ��� ���� �4� ,������� �������, ���� � #��4� �������� �,���/ ��� ��� ��� ��>������� ,������� �� ����� ���� �� ��� 5�4����� ��������� 5�4 ������ �������� ��� +��� ������ �� ��,����� ��)���� ���� ��� �!,��� !���� �� +� ����� �� � �������� � ������ / ���� ! &�� ��� ,��,��� �& ����!��* ���+� �������������� ������� ���� ��)� � ����! +��� ����*����� ���� � �����5����� ������ ��)� ���+��� ��,������

���������� �)��� ��� � �� +� ���� �� ������ ! ������� 5��� �����,���/ ��� ��� ��� ���, �����)���� �� ����*���� 4����� ����������� �� � ����*� �� �������������� �& ����� �)�� 5�4������� ��)� +��� ��,�����/ ��� ���� ������������ ���������� ������������ &�� ������� ������* ��� +� �,, ��� ��4��� 5�4 ������* �& ����� �)�� ���������� ��� ����*����� ���� ��+��������5����� �������������� � ����� �)�� +��� � �*��� ,��� � �� ��� 5�4 �� � ������ 4� ��5��� &��� � ��>������� ���&��� ������ E� �& ��� 5��� ����� ������ � �+�)� ��� +��� ��>���&��� ���� +� �4� %& ��� ��*�� �& ��� +��� � �� ���� ��*�� ���� ��� ������ ��,�� �/ �����5������ ��� +� ��������� 4��� � �������������� �����!�

��� ��5������ Æ �& � +��� ���� ���* &��� � ��>������� ���&��� ������ 2��, ���&��� B

Page 9: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

+����� ���&���3 �� *�)�� +! ��� �����! �.������/

Æ F1E�2�� �3��

��� 2�3

4���� � �� �������6� �����/ � �� ��� C���*6� ���� ��/ ��� � �� ��� ����#���� �& ��� +������� �����&���� ������ � ��,���� �� ��� ���&��� �& � ����� �)�� +��� &��� 5��� ����� �� *�)��+!

�23 F �2� � 3 2�3

4���� �� ��� �-�� ,������� � ��* ��� ����� �)�� 4��� ��� ���*�� �� ��� �,������ 27-��3��� �& ��� +���� <�� &� ! ��)� �,�� 5�4 �+�)� 2��+����,� �3 ��� +� �4 2��+����,� �3 �������� �)��/

���� F1���������

213

4���� � ��� ���� ��� ��� )�������! ��� �)���*� �,��� �& ��� 5��� ���,����)� !/ ��� ���� ����� �������� +��4��� ��� ����� �)�� ��� ��� ��, �� +����� �& ��� ������ � � �� &�� &� !��)� �,�� 5�4/ ��� 5��� ,������� �� �������������� ! ���&���/ 4���� ��.�����

����F

�����

��

� 2�3

��+����* (.�� 2�3B2�3 !�� ��

E�23 F1�����

2� � 3

���

����

�23

%� �� ��,������ �� ���� ���� ��� �����! �.������ 2(.� 2�33 ������� � �������� ��>������� ������/ 4������ ��� ������ ���� ���* &��� 5��� ����� 2(.�� 2�3 ��� 233 ��������� ����� ! &���E� � �� ��� �,������ ��� �� � �� ��� ��4������� ���� ;�4�)��/ �� �,,�� +���� �� �����5������ ��� ��� +� �� �� ���� +! ��+��������* ��� ��-���� E� ���� (.� 2�3/ ��� �� ���+� ���� ! ���4� ���� � �4�� +���� �� � 1 � ���� ����/ ��� ,��)���� � �������+ � ������& ��*������ �������� �& ��� ��5������� ��� �,,�� +���� �� ��� ��5������/ ��* �����* ��*��>����/ ��

��� F9���2�� �3��

�����

���

����

�� 2=3

�����5����� 5�4 �,���� �!,��� ! ���*� �, �� �+��� �� ��G�/ ��� �� ��� �� ��� �+��� �� ����� � ��/ ���,����)� ! &�� ��� ��)���� &�+������� ����� �� &�� 4���� 5�4 �� ��� ������ �/��� �������� ����� �)��� 2� F � ��3 4� ��5��� ��� ���� �� �� &�� ��� �� �& ��*��� <���,���� ���������/ ��� ��5������ ���� � +� �� ���� � ���������/ �� ��� �� ����� �)��� 4� ,��+�+ ! ��� +� �������)� ����*� �� ������� 5�4� ;�4�)��/ ��� ��5������ ��� �� �� ��/ ����� ��� �� ����� �)��� ��*�� +� H��� �� ��� �������)��! ���� &�� ��*� 5�4 �����/ +�� 4� �#� !��� ,��)��� ���� �!����� ���*� �� 5�4 ������*� ���� �)��� 4��� � � �� �� ��� �-,������� ����� �� ���� �4� ������ �& ��*������ �& 5�4 ����� �� ��� ���*� �!,��� �& �����5������,, ���������

9

Page 10: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

� ��� �� � ������� ���� � ���������

�� ���+ � +��� ,����)� ��� ����)� ����� �)�� ������* &��������/ ����!� �& � ������� ! ���������+ � ,� !�� ���� 2,��3 ����� �)��� 4��� &�+������� ����* ��� ������ ����������&����������������* ,������ ?�@/ ��� �����,������ ���� ��� ,������� ��� �!�� ���� 7 � ������������ � ?1@� ��� �4����,������� ,���� ����*��,��� ������ �& ��7���* ����������� � ���� ���������! �������)� +��������� ������*� �,, ��� �� ��� ����� �)��� ,���� �� ������ &�+���������/ ��� ,������ ��� ��* ��� ������ � ������ ��� ,�� � ������� ���� ��.����� �� ������� �������� �)��� ��+����� �� ��� ������ ��

��� ���������

�&��� 4��#��* 4��� ��)��� ��>����� &�+�������� �������/ ��� 7�� ,������ 5�4 ���4� ��<�*� � 4�� ��)� �,�� &�� ,�������* �(�� ����� �)�� ������������ �����5����� ���,�� ��-

<�*��� �I :����� &�+�������� ,������ 5�4�

���� 4�&��� 4��� ��� ����� �)�� ����!� ��� .�������� ��� �� ����� �� ���/ ��� ���� ���� �� ��� &�� ,����,��������*� ����������� �� �,�� �� ��� 4�&�� .������� ��� �-,���� 4��� ����# ,�������� &�� &�������� �"������ � ���� �!�� �& *� � �� ��,������ ��� ,�������� �� �������� �)��� ����* � �������� �&��> ������.��� ��� 4�&�� .������� ��� ���� ���#�� �� �������

��

Page 11: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

�� ����)� ������/ �����&����� �� ������� 2��';3/ ��� ����� �� ��,��������� '� 2� '�3���-� ��� 4�&�� �� ,�������� 4��� ,���������� ����* � ���# &�� ��7���* ��� ������ �� ��������� �� ��5�4�� ��� ,����+�#��/ ��� ��� ��'��� ��� �!�� 7 � ������ � ��� ��,������� 8�� �������� �� ,����������/ ��� 4�&�� .������� ��� ����� ���� ��� �� ���/ ��� �&��� �� �����* ��������� ��� ��,��������� ��!��* �*���/ ��,� ��! ���������������� ��� ����� ��� ��� ���,���� ���� &�������� �"�� ������� 4��� ���� �+���� ������ �������� �� ��� ,�������� *� � ���&����4����� ��� ������ �� �&��� +���� ��� �� &�������� �"�����/ ��� ������ � ��� +� ��,���������� ! ����� �*��� �� ��������� ! ������ &�� ���, �������! ��� �!+����"����� �� ,�����������+����� ��� &� �4��* �������� ,��)��� ����� � �� ���� ���,����� �& ���� &�+����������.������

�3�3� ���� �����"�$��%

�4� *���������� �& �(�� ����� �)�� ����*�� 4��� &�+������� �� ���� ���, � ,����*��,���& ��� 7��� ��� �& ���������� �)���/ ��+����� �� ��� ��� �!�� 7 � ������ �/ ��� ,��)������ <�*� �� ����� ,����)� ����� �)��� 4��� ������ �� 5�4 ������� �� +��� ��'��� ��� ,� !�

<�*��� �I ����������*��,�� �& ���, � 7��� *��������� ���������� �)��� �� ��'��� 5��� ����� ��

������! �� �-��� 2����3 �����5����� �������������/ +�� ����� �)�� ��5������� 4��� +� �4

��

Page 12: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

��� ��������� ����� ;�4�)��/ ��� +��� �& ����� ����� �)�� ����*�� ��� ���� �� �������� �������� ��� � ��� +� ��� �� 4��� ��� ��� �!�� 7 �/ ��� ��� ����*���! �& ��� ���� ����������� ��� 4�� ��� ������� �� ��,,��� ��� ,�����������)�� 5�4� �� +������ �& ��#�/ ��� ��� 5�4���� �� ��� ����� �)��� ��! ��)� +��� ����7��� ! �4�

��� ������ *��������� ���������� �)��� 2<�*�� 1 ��� �3 4��� ����*��� �� +� ����)� ��������/ �������� � ������������ !� %� ����� ��)����/ � ������� ����������� ��� 4���� 2,��3 ��+��� ,��� &�� ���� ����! �& ����� �)���/ ��� �� ���� ����*��/ ����)���� ����� �)��� ��� � �������� ! ��������+ � 2<�*� 3� � �� ��� ���� ��� ����� �)�� ����!� �������� +��� ,��� � ���,��,������ �� �� ��� 5�4 ���������/ ��� �����4 +���� 4��� , ���� �� ��� ���� �� ��-���"���� ���&��� ���� �� ��� ���� �������)� ,��� �& ��� ����� �)��� ���� �)�� ��*��� ���*� &���� �� �� � ��/ ��� ��� ����*�� 4��� &�+������� 4��� ����� ��>����� 7 � ����#������� �����4�&��� ���� 4��� ,������� 4��� �/ ��/ ��� �� �� ����� �)���/ � � �� �+�)� ��� 7��� �!�� �&,�� 2,� !�3 ��,������ �� ��� ��+������� %����&��������� ������������ �& �� ����� ����� �)��+���� 2�� ���� ��� ���� ��� ��� ���� �� � ��� �(�� 4�&���3 ���4 ��� ��>����� ���,����� ������� ������ �������� �� ���� ����#���� 2<�*� =3� ��� �� �� ����� �)���A�������� &��� ���,����� ,� !� ��� ,� !� 7 �A��)� ��� �4��� ������� ������/ ��� ��� 5�� �� 4����� �,�,��-����� ! � �� �& ��5������ ��4��� ��� ��+������ ,�� � �� �& ��*��� ��� �� �� +������5��� �4�! &��� ��� ��+������ 4��� �+��� 1 ����� ��� ���)����� �& ��� �� �� +����/ ������ � �� +��� ���,�� )��! ��+������� ! 4��� ��*��/ ��� ����* ���! ���� ��5��� �4�! &������ ��+������ �� ��� +���/ ���� ,��# �� ��� ���� � ��� ��5��� +��# ��4���� ��� ��+���������� ����*� ���4��*� ��� ������ �� ��� ��� �+���! ����� ��11=����

�3�3� !��������"�#�����

������ &�������� �"����� �& ��� ���������� �)��� �� ��������! &�� ����� �,, ������� �� �������� ! �� ����)� ������� �& ��� ,������� �& �,���7� +���� ��� ��� %� ��� ����� ! , ����� ,������5�4/ &�������� �"�� ������� 4��� �� +� ,������� +! ������ +���� ��� �� �������� �� ��� ,������� �)��� ,���� �� &�������� �& ��� ����������� �� %� ���,������ �� ��� *� � ,��������*,������ 2<�*� �3/ ���� ,��)���� ���� 5�-�+� ��! 4��� ��� ��������!/ ��� ���� ��� ��.���� &��������� �"����� 4����� � ����������� A� ���� ��� �-,�������� ,�������� ����* +����������� ������ �� ����*������ �& ,��&�������� �"�� ������� �� �����5����� ������ � �� � �������������� �& ��� )��+� ��! �& ���&�������, �� +���� ��� �� �*����� ��� ��������! �����&�+��������,��������/ ��� �� ����� 4��� ,��&����� �� �� 4�&��� ,���� �� &�������� �"����� �& ��� ������ �)���� ��� 4�� �� ����� &�� ��� ������ ������� ��� �� ��� *������ ������� ��+������� �������� �& ,�������� ��� 7��� ���, 4�� �� ��)� �, � ���, � ��� ������ ��������� &�� ���������& ��� �� ���,���+ � ���&����� ����� ����� ��� � �*����� 4��� �!������"�� ��� �+� ��4��� � 5��������� ��������!����� �!�� ���� ,�������� ��� �& �,�5���������� ��������,! �����7�� ��� ,������� �& ��� &� �4��* �-,����� �� )������ �����&�+�������� ,��������� <���������� �-,��������/ ��� 4�� �� ���� �� � �� ����� �& �* � �� ,��)��� �� �)��� ���,�����)� ����*� �� ��� ���� ��� ,�����)� ����*� �� ��� ��� ,������ �������� �� ��'� +����� ��;� �� ���� ��� ���,���+� ��! �& ��� 4��� �����&�+�������� ,��������*/ �� �-��� �!��4�� ������ ! *��4� �� � �� 4�&��� ��� � �*����� ���� 4��� ������� �� ��� ��'� ���&������ ������ �*����� ��� ������� ��� ,�!���� ���������� ���� 4� +� ���� &�� ,��������* �������� �)��� ��� �����5����� ������ �� �� ������ ���� ��� ��� 4�� +���� �� ��� ���&������ 4�� � ��� +� ����)�� +! �.����� �� ������/ ��� ���������� ��'� ���,� 4��� , ����

��

Page 13: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� 1I ����������*��,�� �& �� ����� ������ *��������� ���������� �)���� %� �,,�� ,����/����� �)�� +��� ��*��� ���*� &��� � �� �� ��� ��� %� �4�� ,����/ ��� +���� ��� �� �� ��* ��� �� �� 4����

�1

Page 14: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� �I ����������*��,�� �& ���, � ������ *��������� ���������� �)��� �� ��'��� 5��������� ��

��

Page 15: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� I �������* � ������ �����*��,� �& ,�� � ������� ����������� &�� ����)���� ! ������������������ �)����

Page 16: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� =I ����������*��,�� &��� �����&��������� ����������"����� �& ���������� �)��� �� ��������

�=

Page 17: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

�� ������"�� ;�' �)����*�� �� ���� ���,�������� ��� 5��������� ��*�� ��� ��� ����*��&� �4��* ��� �)����*�� ����+������ ��� ���������� ��'� ���,� 4��� ���� ����+���� ��������� 2���� �� ����)� ������� ������ �����* ,��������*3 �)����*��/ ��� �+���)�� +! 5����������� ��������,!� �*���/ ��� 5��������� ��*�� ��� ��� ����*�/ ��**�����* ��� ����*���!�� ��� �>����� +! ������� �� ������� ��� ���������� ��'� ���,� 4��� ���� ����+���� �����,�������� �, �� ��Æ &�� � �������/ �� 4�� � ����� �����* ,���������� �����*� ������*� �� ��� 5��������� ��*�� 4�� �+���)���

� ����*� ��� ��� ����*���! ��� �������� �& ��� �� ��'� ���&���� 4�� ��� ��)���� !�>����� +! ��� �����&�+�������� ������� � ��� ,��������/ ��� &�������� �"����� �& ��� ����������� �)��� &�� �� +������ ��� ����)� �-��� �� ��� ,�� 4�� ��������� &�� ������ ���������& ������ +���� ��� ��� �����,�� �� *��4 ��'� �� ��� ����� �)��� ���������� �������� ���������� +��� ��5������ ��� �������� ���� ������!�� ����� )��+� ��!� ����/ ��� ,������ 4������7�� &�� ���� �+���� +���� ��� �� �������� �� *� � ���&����/ 4���� 4��� ,�������� �� �������� �)��� ����* ��� &�������� �"����� ���#/ ,���� �� &�������� �& ��� ����������� �� ����, � *� ��,�������� ���������� �)��� ��� ���4� �� <�*� 0 �&��� �� �����* &��� ��� ,������������� ��!��* �� � '�� 8��� ��� *� � ���, ��� �� , ���/ ��� ����������� � ��� &�+�������/��� �� ����)� &�������� �"����� 4����� ��� ������ � �� *����� +! ���� ��������! 4��� ���*� � ���&����� ���� �� � ���, �� �,,����� ���� ������ �������� �� ��� ,�� ����� �)���/ ���� �������� ����������� ,��������* ������������ ��,���� +! ��� ���� �� ,������ +���� ��� �� �!��� �����* ������ &��������� ����� ��� ��)����*��/ ��4�)��/ �� ������ &�������� �"������& ��� ����� �)���/ �� ��������� �+�)�/ +�� ���� �������� 4� +� ��.����� �� ��)� �, ������&��� ��������! &�� ���� ,������ �� +� �������&� �

�3�3� ���"�/�� 4"1 �*����"%

�4� )��� ��,���� �& ��! �(�� ������ �!���� ��� ��� ��������� ��+������� ��� ��� ������������ ������� �����# +! ��� �� ������ ���� 4� +� ,����� �����*� ��� ������ �� $��� ����������� ��)� +��� ��������� +! ������6� ,������� ����������� &�+�������� ������/ 4�������� � ��������,������� ��*��������! , ���� �� ��,���� � ��'��� ��, �� ������ � ������)� +��� ,���� ����*��,���� ! ��7��� ����* � ,����,�������� ,����������� � �������*� ������ ��������,� 2�(�3 ���*� �& � ���, � ������ �� ,��)���� �� <�*� � 8�� � ��'�

���, �!� �-�� ��� ������� ����������/ �� �� ������ +���� � ��� ��� &������� ���� !� ��'��� ������ ��������� ! ���, ����/ +�� �� �� ��+H��� �� ���� &��� � ������� �����#� ��� ������� ��)����*�� �& ��'� ��� ��� ��������� ��)����*�� �& ��'��� ��)� +��� ���+���� �� ���� �!�� 7 � 4��� ��'� ���&��� ��, ��� +����� �!��� ����4�����* � ���� ��'��� �!�� 4���� ���� ����#���� �& � ���

�� &��� ��� ����������� �/ ,���������� �� ,��������/ ��� ��5�4�� &� �4�� +! ��,��������& � ��� �!�� ��'G��'�G��' 7 �/ ��� � 7�� �� ���� �& ��� ,����������� %�,������ ,����������� � �� �������&� ! &��� ��+��� ����������� � ����* ���� ������.�� 4��� ��)� �,�� �� ����,��H���� �4� ��,������ 7����*� 4���I 2�3 ��� ��,��� ����� �& ��� ������ ,������ +�&��� ��5�4���* ��� ������ ���� +� �+��� �I� 2���*�� �� 4����3 �� �)��� ,������> �& ��� ��'G��'�G��'7 � �� ��� ������ ������� �����* 7 � *��4�� 2<�*�� 93� ����������� � �� ��,�������� �� ����4�&��� ���� ��� 7 � ,������> ������������!/ �� � �> ,�������� �& �� ! �� ,��* �� ���,������4��� 4���� ������ � 4��� �+ �.�� ��* �� ���� �� � �> ,�������� *������ ���� �� ,��*� 2���� ,��* ��� ������������ &�� ���3 2��3 ��� ,�������� ������ ���� +� ,����+�#�� �� ����)�

�0

Page 18: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� 0I ����������*��,�� �& ���, � *� ��,�������� ���������� �)���� %� ��� �,,�� ,����/����� ,��� ��� ������ 4��� *� � 2+��*�� �,���3/ ��� �� ��� �4�� ,����/ ��� ����� �)��� ������, ��� ! �������

Page 19: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� I �������* � ������ �����*��,� �& ��� �!�� ��'��� 7 � ������ �

�9

Page 20: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� 9I �������* � ������ �����*��,� �& ��� �!�� 7 � 4��� ��� 4������ ,������>�

��

Page 21: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

,�����������)� ���,������ ���� ����� ��)���� ! 4��� ��������� �� ��� , ���� �����* 7 �*��4��� ����������� ���� 4�� �����.���� ! +�#�� ������� 4��� , ���� �� &��� ��������,����&���� ���� 4��� ������7�� +! ����� �� ��!��� ��� �� ���� ������� �� ��� ��� �!�� 7 �2<�*� ��3� <�� �J0�� ,���������� � ,��� +�#� �� ��Æ ����)� ,�����������)� ���,���������� ������ ���*�� �� ��� ,��# �� � �� ��� ��� 4���� �� ��� +��� �� �� ��� ���� ������

<�*��� ��I �������* � ������ �����*��,� �& ��������,�� ��&���� &��� ��������� ,����+�#��& ,�����������

&�+�������� ������.�� �� ���� ! ������ �� ���� �,, ������� +������ ��� ��� �!�� 7 � ��� +���,������ �)�� ���������� � ��,�*��,�! �� ��.����� &�� � ������� �����������/ ��� +������,��������* ���,�������� ��� �4 ����*� 2� ��Æ 3 ��� �� ������! ���! +���� ��� �� ������������*��

�3�3' ��"��%��� ��� ��/���

��� &�+�������� ,������ �������"�� �� <�*� � ��.����� ���� ��� �(�� ��)���� +� �� ����� �������� ����� ����� �� ,������ ������� ������� ����*����� �� �����5����� ������ �� ���! ���7��� �� ����� &��� ��� �����7��� �-��� �!��� �� ;<I; / &� �4�� +! ��)��� � �����* ���,�/��� ����� �� � '� �� ���� �&��� ,��������* *� � �� ���/ ��� ����� �)��� ��� �� ����� &���,���������� �� ������� ��� ����� �*��� �� � '�� ���� �&��� ��� ��� �!�� 7 � ����������� �

��

Page 22: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

��� ��,������ �� ��� ,�������� ,����������/ ��� ������������ �����5����� ���,� ��� �*����� ����� �� ������� ��� ����� �� � '� +�&��� ����� ����� �& 5��� �������������� ���� �)�����,������� ����* �����&�������! �&��� ���� ���, �� ��� &�+�������� ,������ ��)� ��)�� ���� �������� �� ����� ,��+ ��� �-��,� �� ��� 7�� ��!��* ���,� %����� �����,�� �� ��! ��������5����� ���,� �� � '� &�������� ��� ������ �� 8� �!,������"�� ���� ���� 4�� ������+! � ��>������� ,������� ������ ��� ����������� 4� �����* ��� �������� ,�������"�����,������� ��� ,������� *������� ��*�� +� ������ +! 5�4 �� ��� ������ �� � ���� � �& �� ���+�++ � �� ���� ����� ��������� ��,�������� �� �!��* ��� ���� ��.����� �� ,��,�*��� ����,, ��� ,������� �� ��� ������ �& ��� ������ �� ��� ,��+ �� 4�� �� )�� +! ��,��*������*��� � '� ��!��* ,������ �� ���, �, ��� ,������� ���� � �4 ! 21�B=� ����3�

� ��������* ,��+ �� 4��� ��� 7�� ��!��* ���, �� ��������� ���� ����� �)��� ����# ����� ��+������ �&��� ��� 7�� ��!��*D �� ! ����� �)��� � ��� �� ��* ������ &���� �������� ��� �������)� ����*� �� ������� 5�4 2�&� ����3/ ��� ��)� � ������� �������)��! ���� �4�� ���� 4��� ��� +��� ������������ �� ��� ���������� ��� ,��+ �� 4��� ��� ��� ��!��*���, �� ���� ��� ���������� �)��� ��� ��� ���� �� ����������� � ���� ��� �� ���� � �� ��*��!,��� � '� ��!��* ������ �� � �4 ���� �& ������� �� � ��)��� ����� &�� � '� 5�����*�� ������ ���, ��� ����)� �& ������� 2��� �� )��� �� 4���� 4�&��� ��� ��+���*�� �,���������* ��� �����3� ��� ������ � ���� &�� ��� 7�� ����� �)�� ��!��* ��� ���� = ��� �& � '�

5�����*/ +�� ���� 4�� ��� ��������� +������ ��-��* �� ��� ����������� � ������ �� ! +!��>������ ��� �������������� ���� �� &�� ��>����� ������ � *�)�� ��*�� � �� *�)�� +!

�� ���

�� 203

4���� � �� ��� �� ��� ��>���)��!� <�� '� �� ��';/ � � ���� ���G�/ �� ��� ��������������

���� &�� ��>����� �� ��� ������ �& � � �� ������ �� �+��� 0 ���� ���� �� �� ! �� �������� �&��� ���� ��.����� &�� ��� � '� �� ����� ��� ������ �& ��� ������ � ��� ���� ��.����� &����>���)� �����,��� �� ���, ��� ! � ������� ��'; &��� ��� ������ 4� +� ���� *������/��� ��! ��.���� ��!� �& � '� 5�����*� ��4 ,��������� &�� � '� ��!��* ���� �� +���)� �,�� &�� �� �����* �(�� ���������� �� �����5����� ������ ��

�3�3+ ������������%

��� 7�� ���, �� ��� &�+�������� ,������ �� ��� ����� ����� �& 5����� ���������������� �� �>����, ,��,��* �������� �� ��������������� ������ 4�� ��)� �,�� ?1�@ ���� � �*�� � ��,� ��!,��� � �� ��� �-,���� ������ ��� ��� ��� � ��� H���� 4��� � ���� �����* 2<�*� ��3� ���+���� ����� ����� ,�������� �� �� &� �4�I

2�3 �,� ��! ��+� 24��� ,� !����� ������* ����)��3 �� � �*��� 4��� ��� ��� �& � ������ �� ��� �(�� 4�&���

2�3 ���� ���* �� ���,����� ����* �� ��!���� ��������� ���,�����* �!���� �� &��� ������)��� ������ ��� ��� �& ��� ��+� ��� ����������� �

213 : ��� ���, �� , ���� �)�� ��� �����)��� �� &��� ��� ��, �����)��� ��)���

2�3 �&��� �� ���� ����/ �����+ ! �� ,����� 4��� ��,��� �,�-! &�� ��������� ����&���������

��

Page 23: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� ��I ����������*��,� �& �����5����� ������ �������������

�1

Page 24: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

�3�3. �52���1����"

��� ������ *��������� ����� �)�� ����!� ����*����� ���� ��'��� �����5����� ������ � 4��������� �� ��� ����+�������� �*! ����� �� ��� ����� �& �,, ��� ��� (�*�������* ��!���� �� ���� ���)�����!� ��� ������ � ��� ��� ��#/ +�� �� ��+ � ����� �)�� ��5������� ��� � ��� +��������� +������ �& �,���� ,��+ ��� ���������� 4��� ��� ���)����� �& ��� ������ ���&���� ���� �)�� ��5������� &�� ����� ��)���� ��� �� ��� ����� �& ����������/ ��� ���� ��.�����-����� ! �������)� �����&�, ��� ��5������ ������������� �� ���� 6� ����+�������� �*! �����/ ���� �������)��! �� ��� �"�� 4��� �� �,���� �!���� 2<�*� ��3 ���� �������� ��� ,�������

<�*��� ��I ��������� �& ��� �,���� ��5������ ����������� �!����/ ���4��* ��� ��)���� ����� �� ���� 4�&�� ������� �� ��� �� ��� ��� ��� �,���� ��������! �� �+���)� ��� ��)��� ���&���� ��� ���� �� ��� ���&��� �& ��� , ���� ��� ���� 4�� &������ ���� ��� ���&��� �& ���, ���/ �� �� &��� ��� &��� ��*� �& ��� ��)���/ ��� ��5����� ���� +��� 4�� �������� �� ��, �� ,��������� �� ������ ��� ��5������ �& ��� ��)����� 2��,������� 4��� ,��������� &�����)�� "�, �4�#� ?1�@�3

�& � ���� +��� ��5����� �> ��� ����� �)��/ 4��� � �, �� ,��������� ?1�/ 1�@� ��� ��5�������& ��� ����� �)�� �� ��*��7�� +! ��� �)�� ������ �& ��� ����� ��� �+� ��! �� ��#� ����

��

Page 25: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

�������)� ����������� ��4�)�� �� ���,������� +! �,���� �++�������� ���� ���* &��� ������)�� ������ � �� )��* ���� ,��+ �� 4�� � ��)� ��.����� ����7������� �� ��� �-,�������� �,,������ ���� 4��� ������ +�!��� ��� ���,� �& ���� ,��H��� *�)�� ���� �� ! ��� �����������)� ����� �)��� 4��� �� ����� �� ��� 7�� ��!��* ���,� %������/ ������� �,,����� 4��,������ �� ������+�� �� ��� &� �4��* ���������

! ����� � ��������� �� ��"#� �� �� �����

��� ��� �!�� 7 � ,������ ���+ �� ������ &�������� �)�� � ������� ���� ��� ���,��������������)� ������� ��� +�� �*��� ������*�/ +�� &������ �������� �� ��.����� �� ��#� ��� ��������)� �,���� ������������ ��.����� ��� �� ,��)��� �������� �����* ��!��*� < �4 ������* ������� ��.���� ����)� ��)���� �� &�������� �"�����/ �� ����� ������� �& ������ &�������� 4�����, ������� �� ����,�� ��� 5�4 ������� �� �����5����� ������ ��

��� ����� ����

���������� �)��� ��� ����� ��� 5�4 ������ ����*�� 4��� &�+������� �� � ��� �� 4�&��� �� ����� ���)�����!/ ��� ��� ���� �� ������� ! +����� �����5����� ������ � ������ �� +����� �����* ���� �� )��+ � ����� �)��� 4��� ,������� +������ �& ,��+ ��� 4��� ��������/ +�� � ����)����)� ����*� ���4� �& <�*� �1 4�� ������/ ��� �������&� �,���� ��������� �& 5�4G)�������!4�� �����)��� ���� 4��# ��� +��� ������+�� �� ����� � ��4���� ?1�@B?11@/ ��� 4� ������&��� �� ! +� +���5! �������"�� ����� ��� ��������� ���4� �� <�*� �1 �� �������� �!,��� !4��� ��� �,�� ��� ��4�������/ +�� ��� +� ���� �� ����� 5��� ������ 4��� ��� �,�� ����,������ � ��� ��� �,,�� ���+���� ��5���� ��4�4��� +������ ��� ,������� ������������ �.�� �+����� 4��� ��� ,������� �� ��� ���� ��* ��*�/ +�� ��� ,������� �+�)� ��������� ���4���� ��� �,������ ��� �� +� ���� ��� )������ �������� �������� �� ��� ������ 5�4� < �4��� )�������! ��������� 4��� ������������ &�� ��)��� 5���� ��� ����* �� ����� �� �/ ������ /��� ��,��,��� �� 5�4 ����� ���*��* &��� � ��G��� �� �� � G���� ��� ������ ���,������ �������"�� �� <�*� ��� ��� ��-���� �������)��! �� 5��� 5�4 4�� ���������� �� +����� ��� ����G2��G���3� ��� ���,���� �� �4 5�4 ����� 2��*� �, �� �� � G��� &�� ��= ���� ����� �� 3 �� �����/ +�� ��� �������)��! ���������� �� ��*��� 5�4 ������ ��� ��� �������!������ &�� ��!�� �� ���+��� � � �2�3/ ��� �����&��� ��! ���� � &��� ������� �>���� ����� ���� ��* ��*� �& ��� ��)���� ��� �,������ ��5����� �& ��� ���� ��* ��*� ���������� 4������������* �/ 4���� ������� ��� ��>������� ,������� �� ��� ���+����/ ���� �4����* ����������)��!� ��� ��*��7����� �& ��� ��*� �>���� �� � �� ��, ��� +! � ���,���� ���� ��>���4��� ��� �,�� ��� �& ��� ��)��� �� �������� �,������� ��� 5��� ������ ��� ������ , �����&�������� 4��� � �� ���� ���� 4��� <(� ��� !���/ 4���� ,������ � ��*��7���� ! �4����&�������� ���� ��������/ ��� � �� ��**��� ��� ��,������� �& ��� ��*� �>�����

��� ���� ��� ����

��� ����������* +���)��� �+���)�� &�� ��� 5�4 ������� &�+������� �� ���� ��**���� �������������� �)�� ��5������ ��*�� � �� ��)���� ��*��7���� ! &��� �����!� %& ��� ����������5������� �& ����� ��)���� 4��� ��*��� ���� ,�������� +������ �& ��*� �>����/ ���� ���

Page 26: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� �1I �������* � ������ �����*��,� ���4��* � �� ��� ��� ������� )��4 �& ��� ��������������� , ��� 5�4 ������� ��� ��, �&�/ ��, ��*�� ��� +����� ��*�� ����� �& ��� , ��� �����*�� ! � ��,�� �� ��� ��+������ 4�� � ��� +����� �&� ������� &��� �� ��)�� 2��,�������4��� ,��������� &��� ��)�� "�, �4�#� ?1�@�3

�=

Page 27: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� ��I ���,���� �& ��� 5�4 ������* �������������� , ��� �� )������ 5�4 ����� �&��>����� 5����� 2��,������� 4��� ,��������� &��� ��)�� "�, �4�#� ?1�@�3

�0

Page 28: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

����� �)�� ��5������� ���� � ��)���� �)�� &������ &��� �����! +������ ���! ��� ���� �������)��� ��� 5�4 �� ��� ���� ��* ��*�� ���� �� �� �� �� �������� �� ������� ! +�����* ���� 6�* ��� ������ � �� ������6� 4�&��� ������������ 4��� ��� ����� �)�� ����!�� ���� ��.����� ���4 �,,����� �� ��� &�+�������� ,������/ 4���� 4� ��)� ��)� �,�� ��� ��� �� ��� ,�������& ��, �������*� : ��� ������ � ��)� +��� ������ 1� �� ���, �� � ��� 4�&��� &��� � ���#���� �� ����� ��� ��� ,������ �� ��� �(�� 4�&��� ��� ������ 4� � ��� ��� �� 4��� ���,��������� �� � �*� 4��� ��� ,� !� +������ ���� ��,����� ��� ���/ ���� ���+ ��* �� ������+��� �� � .�������� = ��� �� �(�� 4�&��� '�� �& ������6� �� 4�&��� ��� +��� .��������/+��#���� )�� �� �� ��)� +��� ����+ ����� �� ,��)��� 5����� ������ �� ��� ������ �/ ��� �����)���� 2��� ����* ���� ��� � �� ��* ����� �)���3 ��)� +��� �������&� ! �� ����� ��������� ��� ��� ���, �� ��� ��4 &�+�������� ,������ �� ��� ������ +���/ ��� 4��� ���� �����, ����/ ��� ��)���� 4� +� ������ �� ���� 6� ����+�������� �*! ������ ���� ,������� �������� ,��+ ��� 4��� ��!��* ��)���� �� �����5����� ������ �/ ��� ,������� �(�� ������������� � 4��� �,���� ! 5�� ���&�����

$ ��������� ��� ��� ���� �� ��%��

'�� �& ��� #�! ��� ��*�� &�� �������� ������� ��+����� �� �.����7 �� ������ � �� ������&������ �& ��� �.��� 4��� ��� ��������� ���������� ���� �� ,������ �� ! ,��+ ������ &��� ����������� ��������� ���� �� ����� ��)� �,�� �� ��� +������ �)�� ��� ���������������& ���� �� �������� ! ,��� �.���� ������ ��� � ������� ����*� 2� ������� ,� ���"�����3 �������+ � ��� ��������� ;�4�)��/ ����* �� ���)� ��*�� �/ 4� ��)� ������������ � �������������������� �� ���! �.����/ �� ,������� � �4 ����*� �� �)��� � �������������! ?1�/ 1@� �������� ��)� +��� �������&� ! �������� �� 4����/ ��.�����* � &��.����! �& �� ! ��� #;" &����-���� ���, �������� 8� ��)� �������� ��� &��.����! ���,���� �� �.���� �,�����* ������� �& ��� ������ ,�������)����� ��� &��� ������� �& ��������)��!/ ��� ��)� ��)� �,�� ��� �*��� �����! ���� ,������� ��� �������������� ��������� &��.����!

�� F��

�����23

&�� � �� ���� �(�� ��)��� �� � ������� ! ����� ������ 2����� ��� � �3/ �� ��� �+����� �&&������� ,��������D � �� ��� � ������� ��������)��!/ � ��� ��� ��� ��� �-��� ����#���� ��� ���� ������ ,�������)��!/ ���,����)� !/ � �� ��� ,�������)��! �& &��� �,���/ � �� ��� ����#���� �& ���*�, +��4��� ��� � ��������/ ��� �� ��� �� ��� ��� ���+ � �!�� ����#���� ��� ,�������)��!/���,����)� !� ��� �������� ��� ,�������� ��������� &��.������� ��� �������"�� �� <�*� ����� �����! ���4� ����/ � ����*� �� ! � &�4 ���������� �� ����#����/ ��� ����)� �� ���� �-��� �!�� ��������� ��� ��������� &��.����! +! ���� ���� �� ����� �& ��*������ �� ���)� �� �����& �� ����� � �������/ ��� �-, ���� � �������� ����� ��,������� �& ��������� &��.����! ����������)��!� '�� ���� �� ���4 ���� ����*����� � ����������� ��������� �� �����5����� �(���� &����+ � �� � ����� !��� �& ����� �����*�� �, �� �� ���� ��B��� ��� G�/ ��� �� �����&��� ������+ � &�� ���� +�� �*��� ������* �,, ��������/ +�� ��.����� �< ��*�� *���������/ ��, �7���/��� ��������� ���� ����� � �� ���� 4��# ��� +� &���� �� ?1@�

%� ��,,��� �& ���� 4��#/ �4� ��,!4��*���� ,������� ��)� +��� ,�������� � +������, ��*�,�4��G��*� &��.����! ��, �7�� 4�� ��)� �,�� ��� &�+������� �� ���+ � ��������� �� 4���� ��

Page 29: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

<�*��� �I ������ � ����������� ��������� &��.����! �� �� ����� )� ��� �& � �� ����� &��������! �& ����� ��� � � 2��� F ��3D �.����� &��� ���+ ���)� �������� ���,���� �������� ���)������ �& ��������)��! �� ����� �����*�� ������� �� ��� ��+� ��! �& ������ 2 ����� ���GK��3/ 4���� ��� � �!,��� )� �� &�� ���� ���� ����� ! ����! ��� ������� �� ����������* �� ������

�9

Page 30: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

�,, ��� ,������� � �, �� ��� K ?1=@� ���� ���������� ��� &���� �-�����)� ��� �� ��� �������������/ ��� �)�� � ����� ��)� +��� +�� � �� ����� � ��/ 4� ��)� 4������ ��� ��,!4��*������&�4��� &�� ��������* �(�� �������*���� ���� �� +���* ��*������� &�� ������� ������+������� � �(�� ��)� �,���� ���,��! ?10@�

& ���������' ������

��� ����! �& � ����������� ��������� �� �.���� �� �� �� ��)��� � ��)� � �������������� �������.�� &�� ��������* � ������� ��������)��!� '�� 4��# 4��� � ����������� ���+����)�� ��)�� ������ &�� �� ���� ��������� �� ���� �.����/ ��� ��������� &��.����! �� ����� �� ��������)��!��� ����,������ �& ����� 5��� ,��,������ 2�&� (.� 233� %� ��� ��������)��! �����������/��� �������� �� ��� ��)� �� +� ��������/ �� <�����! ��*�� ��� ��� ��.������ � ��/ ����� ����� &������� ,�������� �� ��� � ��������/ 4���� ���, �7�� ��� �����&���� ��,������ ��� � ��������� � ������������ �����&��������� �� ��� �!����� < ��� ��������)����� &��� 0� ��G���� ��� ��G�� 4��� �������� 4��� � �� ���� �(�� ��)���/ ��� � ,����� ���� ����� ��� +�����+������ ?1@�

( )'��'� *�� + *,��� -������

������� #�! ��� ��*� &�� �!����� �����5����� ������� �� �.��� ���,��*� ���� ����������� �)��� ��� �)�����,�� �� 4���� ��� ��� ���� ��� )��+ � ��������� �������� ���� �)���������� ���� �,,��-����� ! ��� �� ��! ��������/ +�� ����� �������)��� ��� �-����� ! �4��� �� � �4 .�� ��! &������ 8� �-, ���� ������*� &�� ���,��* ��������� �� �(�� +������ �!���,��+�� � �, �� �.������ �� �����&����� 8� ���������� ���� ���,��* ��������� &����!���,��+�� ��� ������*� �� ��� ��� �� ��*��7���� ! ��,��� �(�� ��)���� 4��� ��������� � *�,�/ +�� � ��4 ������* ������ ! ��)� �,�� �� ������ ��� +��� ������������ �� ��*���7���� ! ������ ���* �)�� �� �������� � �!������ 8� +�*�� �!������� �& ����� ������*� ���������� � �!����� ��� �������� � L ���* ��������� �� � �������,� ��! �)�� ����*� ��4�� �� ! ,��� ! ������� '����� �& ��*������ ���� ��������� �� ���,��* �� �-,����� 4���,��,�� �!������� �� �����, ����� �� �������� � ��)�����

. �������� -�* ���

� ��4 �����5����� �(�� &�+�������� ,������ ��� +��� ��)� �,�� ���� ����,�� ���� � �������� ! ��������+ � �(�� ��)���� �� �����5����� ������ �/ ��� +������ �& ��� �4 ���,������������� &�������� ,������/ ��+����� ������� ������� ��� +� +���� ��� �� ! &�������� �"��+�&��� �� �&��� ������ &�������� ����* *� � ���, ����� ��)��� ���������� �)���+���� ����������*�� ��)� +��� ,������� �� ������ 5��� ������ ��� +���� ��� ��/ ��� ����*����� ���������5����� ������������� 4��� ��+��� ���������������� �� �>����, ,������� �������� %������ ��� 5�4 ������������ ��)� +��� ������������/ ��� �������� �� ������ ,��&������� ����������� �� �����* �(�� ��)���� ���� ��)� +��� 4����� �� �����5����� ������ � ��.���������7������ �& �������� � '� ��!��* ������ ��/ 4���� ��� ����*��� �� 5��� ������� ���

1�

Page 31: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

�& �������� � &������� �� �,�� 4�&���� $����! ��>����� �� �� ������ ��� �-,�������� )���7������� ��� ������ �� *������� ��4 �������� ��!��* ,��������� &�� �����5����� ������ �/ 4������ ������ ��*�� �� � #�! ,��������� ( ����������� ��������� ��� � �� +��� �������������� ��)��� �.���� ��� ����* 4����/ ��� �� � �*��� �����! ��� +��� ��)� �,�� ���� ��7��� �����.��������� .�������)� ! 4��� � ���, � �.������� ���� 4��# � �� ��� �� �� ��� ��)� �,�����& � ��)� �������� � ������ �& ��������* ��������)��! ���� �� ,������ �� ! ��,������ &�� �4��������)��! 5����� ��� 4��# �� ���� ,��H��� ��� ���� ��� �� ��)��� ���&������ ,������������/&��� ,�+ ����� ,�,���/ �4� ��,!4��*���/ ��� ,�����/ ��� ��� ,����� ���� ������

1�

Page 32: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

-���������

?�@ M�8� M��!/ ����� ������ ����� �&/ ���B��1� 2����3�

?�@ ���,IGG444�������������*�)

?1@ ��� ���"#�/ �;� ���+!/ ���� $���*��/ ���� ���*��� / ���� ������ =/�9=/==/ ��*� �/�����

?�@ ;��� ���*/ ��N� $� ��/ �� $��*��/ �� :��+��/ M�N� :��"�4�#�/ <��� $��������/ ��<������/ M��� �����!��/ (� ��!��/ ;�M� : ���������/ ���� ��� ������ ��� �6�/9B= 2�9993�

?@ ���� ��� ��/ ��M� '6����/ ��(� 8� ���/ ������������ -�/ �1B1� 2����3�

?=@ M� <���"/ ��N� $� ��/ ;��� ���*/ ;� ��*���"��/ �� K����*��/ (� ��!��/ ;�M� : ���������/ �� :��+��/ M�N� :��"�4�#�/ ����� �--/ 1�=B1� 2����3�

?0@ :� 8�/ ;� M�/ N� ;�����/ �� �������/ �� �����/ �� ���/ ��<� ;�*��/ ��N� ��#��+���!/ �� ��H�����/ ���� ����� ���� ��� 6-/ �=�B�=� 2����3�

?@ :� 8�/ ��;� �����/ N��� ;�����/ �� �������/ ��M� ���/ �� ��H�����/ ���������������� �6/ =B=� 2����3�

?9@ N��� ;�����/ ;� M�/ :� 8�/ ��;� �����/ ��M� ���/ �� ��H�����/ �� �������/ ���������� ��/ �=0B�0� 2����3�

?��@ M� ����!�/ ������ ;��,����/ ���� �� �!/ ��M� �� ��/ ������������ -./ �=0B�012����3�

?��@ $� % ��/ �� "�, �4�#�/ �� J� � ������)/ ;�:� ���*����/ �� ���"� / � ��,�*�� �/ �$��� �� ��� ��� ������� � �6/ ��B�� 2����3�

?��@ �� ��/ �� ��/ K��� ���)��/ ����� �� �� ����� -�/ 1=�B1=� 2����3�

?�1@ �� ��!��/ �� ;� ���/ �� 8���/ �� ��� ���/ �� : ���/ ����� ������� � '/ 10B1=�2�913�

?��@ �� �O�&��� ��� �� :���� �;�#/ ����� ��� ������� �&/ ==B== 2�9993�

?�@ �� �������/ �� ;�4�/ �� ��������/ M� ;����������/ ���� ������ �������� �!� �+/ 0�B00 2�93�

?�=@ �� �������+���/ ;� :� �+��*/ N��� $�����/ ���� �������/ �� ���� +/ 1�0B1�2�99=3�

?�0@ ���� �� ��� N��� 8���/ ����� ������� � �./ �0B= 2�9913�

?�@ ���� �*�!��/ "��# ����� ������� -/ 0B�= 2�9903�

?�9@ �� ��������� ��� ��(� J�*� �� / ������ $ �!��� �'/ ��B�� 2�993�

1�

Page 33: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

?��@ ��<��� K�� ������/ �� ���� ���#/ �������� ������� �&/ ��B��= 2�90�3�

?��@ M� ����#�/ �� M����/ ;� ��+����/ �� ����#�/ ;� <���+�!����/ C� %����/ �� ;�H�#�*�4�/���� �% ��� &�� ������ � ������/ ��� %�������� �& ( ������� (�*������ �& M�,��/M�,��/ �9=/ ,,� ��B��9�

?��@ ��:� M������ ��� ��(� (*����/ ����� ������� �/ ��/ =1B=0 2�903�

?�1@ �� (�����/ ����� ������� � ��/ �=�B�=0 2�99�3�

?��@ �P� C��* ��� ;� ���+��*/ ����� ������� � ��/ ��1B�1 2�99�3�

?�@ ����M� ��������#/ ���� ���/ �� ( 4���,��#/ M�;�M� < ������/ ����� ������� �/ ��7-/�B� 2�9913�

?�=@ ���� �*�!��/ ��;� ���*/ M� $ ��#/ ���� 8����/ ����� ������� � �6/ ��B��� 2����3�

?�0@ �� ���������/ � ��)��, ��/ ��(� J�*� �� / '� ��#� ����#�/ N� ��!����/ ����� �'������ � --/ ���B�1� 2����3�

?�@ � ���/ M��$� ;���*/ J� J��/ <� M���*/ �� ���*/ C�� � ���/ ���� ;�/ �� ���� -/ 9�B992�9993�

?�9@ ��:� M����/ ����� ������� �/ ''/ =1B0� 2�99�3�

?1�@ ��� ���"#�/ �;� ���+!/ �� :���*�/ ���� ������ =/99/�1= $�/ M� � �9/ ���1

?1�@ ���� "�, �4�#�/ Q�������������� ��� �����5����� ��)����/ ����� <�+��������/ ',��������/ ��� �,, �������/R ����� ������������/ ���� ���)�����!/ �����

?1�@ ���� "�, �4�#�/ $� % ��/ �� J� � ������)/ 8��� ' +�����/ ���� J������/ ;�:� ���*�����/ ���� ����� �#�/ ����,��� �� ������ �% ������������������ � �����/ �����

?11@ ���� "�, �4�#�/ $� % ��/ �� J� � ������)/ 8��� ' +�����/ ���� J������/ ;�:� ���*�����/ ���� ����� �#�/ ��������� ()*/ $�����/ ��/ M��� B��/ ���1/ 19�B19�

?1�@ ���� �������/ ���� ����� �#�/ ��������� ()*/ $�����/ ��/ M��� B��/ ���1/ =�B=��

?1@ ���� �������/ ���� ����� �#�/ N��� J�)��� / ��+������ �� ������ �% ������������'������ � ������

?1=@ N��� ��� / ��8� M��#���/ ���� �������/ ������ �,!4��*�� ���+�� 2� �3 0��/���� ��/ ���1�

?10@ ��8� M��#���/ ���� �������/ (-,��� ����� ����7������ ���+�� 2(( �3 (��99/M��� ��/ ���1�

?1@ �� S���0=��

11

Page 34: MEMS in Microfluidic Channels · SANDIA REPORT SAND2004-1158 Unlimited Release Printed March 2004 MEMS in Microfluidic Channels Thomas L. Sounart, Carolyn M. Matzke, Murat Okandan,

�������8����9

� �� ��=� ��� ���+!/ ����� �1�1 ���� ��)�"/ ����� ��� �� '#�����/ �0�9 ���� ���� �������/ ��=� ���1 ���� ����� �#�/ ����� ���1 ��� ���"#�/ ����

� �� 9�� ����� �������� <� ��/ 9���� �99 �������� ��+���!/ 9=�=� ��=� ������ ��� ��������* '��/ ����

1�