Proceedings of the Conference on Progress in Electrically Active Implants - Tissue and Functional Regeneration (ELAINE 2020)

The conference on Progress in Electrically Active Implants - Tissue and Functional Regeneration (ELAINE 2020) focused on novel methods in the electric stimulation of bio-material compounds of living cells and implantable electric stimulation devices. ELAINE 2020 provided international scientists a virtual platform to discuss the latest achievements in the form of invited presentations, selected talks from abstract submissions, and virtual poster sessions. In addition, we particularly invited critical reviews and contributions with negative results or unsuccessful replications to foster the scientific discussion and explicitly encourage young scientists to contribute and submit their work

Engineering Research 2012

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Microrobots for wafer scale microfactory: design fabrication integration and control.

Future assembly technologies will involve higher automation levels, in order to satisfy increased micro scale or nano scale precision requirements. Traditionally, assembly using a top-down robotic approach has been well-studied and applied to micro-electronics and MEMS industries, but less so in nanotechnology. With the bloom of nanotechnology ever since the 1990s, newly designed products with new materials, coatings and nanoparticles are gradually entering everyone’s life, while the industry has grown into a billion-dollar volume worldwide. Traditionally, nanotechnology products are assembled using bottom-up methods, such as self-assembly, rather than with top-down robotic assembly. This is due to considerations of volume handling of large quantities of components, and the high cost associated to top-down manipulation with the required precision. However, the bottom-up manufacturing methods have certain limitations, such as components need to have pre-define shapes and surface coatings, and the number of assembly components is limited to very few. For example, in the case of self-assembly of nano-cubes with origami design, post-assembly manipulation of cubes in large quantities and cost-efficiency is still challenging. In this thesis, we envision a new paradigm for nano scale assembly, realized with the help of a wafer-scale microfactory containing large numbers of MEMS microrobots. These robots will work together to enhance the throughput of the factory, while their cost will be reduced when compared to conventional nano positioners. To fulfill the microfactory vision, numerous challenges related to design, power, control and nanoscale task completion by these microrobots must be overcome. In this work, we study three types of microrobots for the microfactory: a world’s first laser-driven micrometer-size locomotor called ChevBot，a stationary millimeter-size robotic arm, called Solid Articulated Four Axes Microrobot (sAFAM), and a light-powered centimeter-size crawler microrobot called SolarPede. The ChevBot can perform autonomous navigation and positioning on a dry surface with the guidance of a laser beam. The sAFAM has been designed to perform nano positioning in four degrees of freedom, and nanoscale tasks such as indentation, and manipulation. And the SolarPede serves as a mobile workspace or transporter in the microfactory environment

ME-EM 2008 Annual Report

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Liquid Metal Printing with Scanning Probe Lithography for Printed Electronics

In den letzten Jahren hat das „Internet der Dinge“ (Englisch Internet of Things, abgekürzt IoT), das auch als Internet of Everything (Deutsch frei „Internet von Allem“) bezeichnet wird, mit dem Aufkommen der „Industrie 4.0“ einen Strom innovativer und intelligenter sensorgestützter Elektronik der neuen Generation in den Alltag gebracht. Dies erfordert auch die Herstellung einer riesigen Anzahl von elektronischen Bauteilen, einschließlich Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten. Gleichzeitig ist die herkömmliche Elektronikfertigung zu einem hochkomplexen und investitionsintensiven Prozess geworden. In dem Maße, wie die Zahl der elektronischen Bauteile und die Nachfrage nach neuen, fortschrittlicheren elektronischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die Notwendigkeit, effizientere und nachhaltigere Wege zur Herstellung dieser Bauteile zu finden. Die gedruckte Elektronik ist ein wachsender Markt, der diese Nachfrage befriedigen und die Zukunft der Herstellung von elektronischen Geräten neu gestalten könnte. Sie erlaubt eine einfache und kostengünstige Produktion und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf Papier- oder Kunststoffsubstraten. Für die Herstellung gibt es dabei eine Vielzahl von Methoden. Techniken auf der Grundlage der Rastersondenlithografie waren dabei schon immer Teil der gedruckten Elektronik und haben zu Innovationen in diesem Bereich geführt. Obwohl die Technologie noch jung ist und der derzeitige Stand der gedruckten Elektronik im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung kompletter integrierter Schaltkreise, stark limitiert ist, sind die potenziellen Anwendungen enorm. Im Mittelpunkt der Entwicklung gedruckter elektronischer Schaltungen steht der Druck leitfähiger und anderer funktionaler Materialien. Die meisten der derzeit verfügbaren Arbeiten haben sich dabei auf die Verwendung von Tinten auf Nanopartikelbasis konzentriert. Die Herstellungsschritte auf der Grundlage von Tinten auf Nanopartikelbasis sind komplizierte Prozesse, da sie das Ausglühen (Englisch Annealing) und weitere Nachbearbeitungsschritte umfassen, um die gedruckten Muster leitfähig zu machen. Die Verwendung von Gallium-basierten, bei/nahe Raumtemperatur flüssigen Metallen und deren direktes Schreiben für vollständig gedruckte Elektronik ist immer noch ungewöhnlich, da die Kombination aus dem Vorhandensein einer Oxidschicht, hohen Oberflächenspannungen und Viskosität ihre Handhabung erschwert. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, Methoden zum Drucken von Materialien, einschließlich Flüssigmetallen, zu entwickeln, die mit den verfügbaren Druckmethoden nicht oder nur schwer gedruckt werden können und diese Methoden zur Herstellung vollständig gedruckter elektronischer Bauteile zu verwenden. Weiter werden Lösungen für Probleme während des Druckprozesses untersucht, wie z. B. die Haftung der Tinte auf dem Substrat und andere abscheidungsrelevante Aspekte. Es wird auch versucht, wissenschaftliche Fragen zur Stabilität von gedruckten elektronischen Bauelementen auf Flüssigmetallbasis zu beantworten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine auf Glaskapillaren basierenden Direktschreibmethode für das Drucken von Flüssigmetallen, hier Galinstan, entwickelt. Die Methode wurde auf zwei unterschiedlichen Wegen implementiert: Einmal in einer „Hochleistungsversion“, basierend auf einem angepassten Nanolithographiegerät, aber ebenfalls in einer hochflexiblen, auf Mikromanipulatoren basierenden Version. Dieser Aufbau erlaubt einen on-the-fly („im Fluge“) kapillarbasierten Druck auf einer breiten Palette von Geometrien, wie am Beispiel von vertikalen, vertieften Oberflächen sowie gestapelten 3D-Gerüsten als schwer zugängliche Oberflächen gezeigt wird. Die Arbeit erkundet den potenziellen Einsatz dieser Methode für die Herstellung von vollständig gedruckten durch Flüssigmetall ermöglichten Bauteilen, einschließlich Widerständen, Mikroheizer, p-n-Dioden und Feldeffekttransistoren. Alle diese elektronischen Bauelemente werden ausführlich charakterisiert. Die hergestellten Mikroheizerstrukturen werden für temperaturgeschaltete Mikroventile eingesetzt, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu kontrollieren. Diese Demonstration und die einfache Herstellung zeigt, dass das Konzept auch auf andere Anwendungen, wie z.B. die bedarfsgerechte Herstellung von Mikroheizern für in-situ Rasterelektronenmikroskop-Experimente, ausgeweitet werden kann. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie PMMA-Verkapselung als effektive Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit fungiert und zusätzlich als brauchbarer mechanischer Schutz der auf Flüssigmetall basierenden gedruckten elektronischen Bauteile wirken kann. Insgesamt zeigen der alleinstehende, integrierte Herstellungsablauf und die Funktionalität der Geräte, dass das Potenzial des Flüssigmetall-Drucks in der gedruckten Elektronik viel größer ist als einzig die Verwendung zur Verbindung konventioneller elektronischer Bauteile. Neben der Entwicklung von Druckverfahren und der Herstellung elektronischer Bauteile befasst sich die Arbeit auch mit der Korrosion und der zusätzlichen Legierung von konventionellen Metallelektroden in Kontakt mit Flüssigmetallen, welche die Stabilität der Bauteil beinträchtigen könnten. Zu diesem Zweck wurde eine korrelierte Materialinteraktionsstudie von gedruckten Galinstan- und Goldelektroden durchgeführt. Durch die kombinierte Anwendung von optischer Mikroskopie, vertikaler Rasterinterferometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotonenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnte der Ausbreitungsprozess von Flüssigmetalllinien auf Goldfilmen eingehend charakterisiert werden. Diese Studie zeigt eine unterschiedliche Ausbreitung der verschiedenen Komponenten des Flüssigmetalls sowie die Bildung von intermetallischen Nanostrukturen auf der umgebenden Goldfilmoberfläche. Auf der Grundlage der erhaltenen zeitabhängigen, korrelierten Charakterisierungsergebnisse wird ein Modell für den Ausbreitungsprozess vorgeschlagen, das auf dem Eindringen des Flüssigmetalls in den Goldfilm basiert. Um eine ergänzende Perspektive auf die interne Nanostruktur zu erhalten, wurde die Röntgen-Nanotomographie eingesetzt, um die Verteilung von Gold, Galinstan und intermetallischen Phasen in einem in das Flüssigmetall getauchten Golddraht zu untersuchen. Schlussendlich werden Langzeitmessungen des Widerstands an Flüssigmetallleitungen, die Goldelektroden verbinden, durchgeführt, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Materialwechselwirkungen auf elektronische Anwendungen zu bewerten

DEVELOPING NANOPORE ELECTROMECHANICAL SENSORS WITH TRANSVERSE ELECTRODES FOR THE STUDY OF NANOPARTICLES/BIOMOLECULES

This study concerns development of a technology of utilizing metallic nanowires for a sensing element in nanofluidic single molecular (nanoparticle) sensors formed in plastic substrates to detect the translocation of single molecules through the nanochannel. We aimed to develop nanofluidic single molecular sensors in plastic substrates due to their scalability towards high through and low cost manufacturing for point-of-care applications. Despite significant research efforts recently on the technologies and applications of nanowires, using individual nanowires as electric sensing element in nanofluidic bioanalytic devices has not been realized yet. This dissertation work tackles several technical challenges involved in this development, which include reduction of nanowire agglomerates in the deposition of individual nanowires on a substrate, large scale alignment/assembly of metallic nanowires, placement of single nanowires on microelectrodes, characterization of electrical conductance of single nanowire, bonding of a cover plate to a substrate with patterned microelectrodes and nanowire electrodes. Overcoming the abovementioned challenges, we finally demonstrated a nanofluidic sensor with an in-plane nanowire electrode in poly(methyl methacrylate) substrates for sensing single biomolecules. In the first part of this study, we developed the processes for separation and large-scale assembly of individual NiFeCo nanowires grown using an electrodeposition process inside a porous alumina template. A method to fabricate microelectrode patterns on plastic substrates using flexible stencil masks was developed. We studied electrical and magnetic properties of new composite core-shell nanowires by measuring the electrical transport through individual nanowires. The core-shell nanowires were composed of a mechanically stable FeNiCo core and an ultrathin shell of a highly conductive Au gold (FeNiCo-Au nanowires). In the second part of this study, we simulated the effects of the nanopore geometry on the current drop signal of the translocation through a nanopore via finite element method using COMSOL. Using the above techniques, we developed for the fabrication and alignment of the microelectrodes and nanowires, we studied the optimum conditions to integrate the transverse nanoelectrode with the nanochannel on plastic substrates. The main challenge was to find the conditions to embed the micro-/nanoelectrodes into the nanochannel substrate as well as the nanochannel cover sheet