DE102008048064A1 - Microfluidic valve, microfluidic pump, microfluidic system and a manufacturing process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Ventil, eine mikrofluidische Pumpe, ein mikrofluidisches System und ein Verfahren zu deren Herstellung. Ein mikrofluidisches Ventil umfaßt: ein Aktuationselement mit zumindest einem Aktuator, eine Druchflußelement mit zumindest einem Durchflußkanal, einen Membranhalter mit einer Membranhalteroberseite, die mit dem Aktuationselement verbunden ist, einer Membranhalterunterseite, die mit dem Durchflußelement verbunden ist, zumindest einer Membranhalteröffnung und zumindest einer aktuierbaren, rückstellfähigen, insbesondere elastisch verformbaren, Membran, welche in der zumindest einen Membranhalteröffnung angeordnet ist, wobei die zumindest eine Membran mit einer Membranunterseite mit dem Durchmesser Du zumindest bereichsweise an dem zumindest einem Durchflußkanal angeordnet ist, wobei die zumindest ein Membran mit einer Membranoberseite mit dem Druchmesser Do zumindest bereichsweise an dem zumindest einem Aktuator angeordnet ist, wobei der Durchmesser Do größer als der Durchmesser Du ist und wobei die Wandung des zumindest einen Durchflußkanals durch die zumindest eine aktuierbare Membran in einem Ventilsitz mechanisch kontaktierbar ist, so daß der zumindest eine Durchflußkanal im wesentlichen vollständig durch die Membran verschließbar ist.The invention relates to a microfluidic valve, a microfluidic pump, a microfluidic system and a method for the production thereof. A microfluidic valve comprises: an actuator element having at least one actuator, a flow element having at least one flow channel, a membrane holder having a membrane holder top connected to the actuator element, a membrane holder bottom connected to the flow element, at least one membrane holder opening and at least one actuatable, resilient, in particular elastically deformable, membrane, which is arranged in the at least one membrane holder opening, wherein the at least one membrane with a membrane base with the diameter Du at least partially disposed on the at least one flow channel, wherein the at least one membrane with a membrane top with the Druchmesser Do is at least partially disposed on the at least one actuator, wherein the diameter Do is greater than the diameter Du and wherein the wall of the at least one flow channel through the at least one aktuierb Are membrane in a valve seat mechanically contacted, so that the at least one flow channel is substantially completely closed by the membrane.
Description
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Ventil, eine mikrofluidische Pumpe, ein mikrofluidisches System und ein Verfahren zu deren Herstellung.The The invention relates to a microfluidic valve, a microfluidic Pump, a microfluidic system and a method for their production.
Eine mikrofluidische Komponenten im Sinne dieser Anmeldung, sind beispielsweise ein mikrofluidisches Ventil (Mikroventil) oder eine mikrofluidische Pumpe (Mikropumpe). Die durch das Mikroventil gesteuerten bzw. geregelten Fluidleitungen bzw. Durchflußkanäle sind zum Fluidtransport mit Fließraten von etwa 1 μl/min bis etwa 10 ml/min ausgelegt. Dementsprechend weisen die Durchflußkanäle Durchmesser im Bereich von etwa 100 μm bis etwa 1 mm auf. Entsprechend sind Mikropumpen dazu ausgelegt, die oben genannten Fließraten in den Durchflußkanälen zu erzeugen.A Microfluidic components in the context of this application are, for example a microfluidic valve (microvalve) or a microfluidic Pump (micropump). The controlled by the micro valve or regulated Fluid lines or flow channels are for fluid transport with flow rates of about 1 μl / min designed to about 10 ml / min. Accordingly, the flow channels have diameters in the range of about 100 microns up to about 1 mm. Accordingly, micropumps are designed to the above flow rates to generate in the flow channels.
Zur Herstellung einer mikrofluidischen Komponente ist es daher ein Herstellungsverfahren notwendig, welches die Durchflußkanäle und die weiteren Elemente der mikrofluidischen Komponente mit hinreichender Präzision auszubilden. Vielfach werden die mikrofluidischen Komponenten daher mit Verfahren hergestellt, die aus dem Bereich der Siliziumtechnologie stammen. Dabei ist es notwendig zwei bis drei Siliziumwafer zu strukturieren und miteinander zu verbinden, um die notwendigen Strukturen eines Mikroventils oder einer Mikropumpe auszubilden. Aufgrund der Härte des Siliziums sind daraus hergestellte mikrofluidische Komponenten nicht partikeltolerant, so daß beispielsweise im Ventilbereich festsitzende Partikel ein Schließen des Mikroventils verhindern können.to Production of a microfluidic component is therefore a manufacturing process necessary, which the flow channels and the form further elements of the microfluidic component with sufficient precision. In many cases, therefore, the microfluidic components with process manufactured, which originate from the range of the silicon technology. It is necessary to structure two to three silicon wafers and to connect with each other to the necessary structures of a Micro valve or a micropump form. Due to the hardness of the Silicon are not microfluidic components made therefrom Particulate tolerant, so that, for example in the valve area stuck particles closing the Prevent microvalve.
Daher stellt sich die Aufgabe eine mikrofluidische Komponente herzustellen und bereitzustellen, die zuverlässiger betrieben werden kann und dabei einfacher und kostengünstiger herzustellen ist.Therefore the task is to produce a microfluidic component and provide the more reliable can be operated while simpler and cheaper is to produce.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The Task is by the independent claims solved. Preferred embodiments are the subject of the dependent Claims.
Das Herstellungsverfahren gemäß einem AspektThe manufacturing process according to one aspect
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikrofluidischen Komponente, umfassend die Schritte:
- – Bereitstellen eines Membranhalters mit einer Membranhalteroberseite, die ausgelegt ist mit einem Aktuationselement verbunden zu werden, einer Membranhalterunterseite, die ausgelegt ist mit einem Durchflußelement verbunden zu werden und zumindest einer Membranhalteröffnung, welche an der Membranhalteroberseite jeweils einen Durchmesser Do und an der Membranhalterunterseite jeweils einen Durchmesser Du aufweist;
- – Ausbilden zumindest einer rückstellfähigen, insbesondere elastisch verformbaren, Membran in der Membranhalteröffnung;
- – Bereitstellen eines Aktuationselementes mit zumindest einem Aktuator;
- – Verbinden des zumindest einen Aktuationselementes mit der Membranhalteroberseite des Membranhalters, so daß die Membran zumindest bereichsweise an zumindest einem Aktuator angeordnet ist, so daß die Membran durch den Aktuator aktuierbar ist;
- – Bereitstellen eines Durchflußelementes mit zumindest einem Durchflußkanal;
- – Verbinden des Durchflußelementes mit der Membranhalterunterseite des Membranhalters so daß die zumindest eine Membran zumindest bereichsweise an zumindest einem Durchflußkanal angeordnet ist, so daß die Wandung des Durchflußkanals durch die aktuierbare Membran in einem Ventilsitz mechanisch kontaktierbar ist.
- Providing a membrane holder having a membrane holder top adapted to be connected to an actuator, a membrane holder bottom adapted to be connected to a flow member, and at least one membrane holder opening having a diameter D o on the membrane holder top and one on the membrane holder bottom, respectively Having diameter D u ;
- - Forming at least one resilient, in particular elastically deformable, membrane in the membrane holder opening;
- - Providing an actuator element with at least one actuator;
- - Connecting the at least one Aktuationselementes with the membrane holder top of the membrane holder, so that the membrane is at least partially disposed on at least one actuator, so that the membrane can be actuated by the actuator;
- - Providing a flow element with at least one flow channel;
- - Connecting the flow element to the membrane holder bottom of the membrane holder so that the at least one membrane is at least partially disposed on at least one flow channel, so that the wall of the flow channel through the actuatable membrane in a valve seat is mechanically contacted.
Vorteilhafterweise ist das Mikroventil ohne aufwendige Arbeitsschritte oder Verwendung teuerer Materialien einfach und kostengünstig herzustellen. Durch die Ausbildung der rückstellfähigen Membran in dem Membranhalter erfolgt eine besonderes zuverlässige und haltbare Befestigung der Membran. Ferner können für die Membran und den Membranhalter vorteilhafterweise unterschiedliche Materialien verwendet werden, die entsprechend ihrer Funktion ausgewählt werde können.advantageously, is the microvalve without elaborate steps or use expensive materials easily and inexpensively. By the Forming the resilient membrane in the membrane holder is a particularly reliable and durable attachment of the membrane. Further, for the membrane and the membrane holder Advantageously, different materials are used, the can be selected according to their function.
Insbesondere kann der Membranhalter einstückig sein. Ferner kann der Membranhalter aus Metall, insbesondere Edelstahl, oder aus einem Polymer, insbesondere aus Polymethylmethacryl bzw. Acrylglas oder Polyimid, bestehen.Especially the membrane holder can be made in one piece be. Furthermore, the membrane holder made of metal, in particular stainless steel, or of a polymer, in particular of polymethyl methacrylate or Acrylic glass or polyimide.
Der Durchmesser Du ist insbesondere etwa gleich dem Durchflußkanaldurchmesser. Bei mikrofluidischen Komponenten im Sinne dieser Anmeldung liegt der Durchmesser Du in einem Bereich von etwa 100 μm bis etwa 1000 μm.The diameter D u is in particular approximately equal to the Durchflußkanaldurchmesser. For microfluidic components in the context of this application, the diameter D u is in a range of about 100 microns to about 1000 microns.
Der Bereich der Durchflußkanals an dem die Membran angeordnet ist und die Wandung des Durchflußkanals in der Betätigungsposition mechanisch kontaktiert wird als Ventilsitz bezeichnet.Of the Area of the flow channel where the membrane is located and the wall of the flow channel in the operating position contacted mechanically is referred to as a valve seat.
Begriffsbestimmungendefinitions
Zum einfacheren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend eine Vielzahl von Begriffen beispielhaft definiert.To the easier understanding In the following, a multitude of terms will be defined by way of example.
Der Membranhalter weist eine im wesentlichen flächige Gestalt auf. Zur eindeutigen Beschreibung von Richtungen und geometrischen Relationen wird in der folgenden Beschreibung davon ausgegangen, daß der im wesentlichen ebene Membranhalter durch die zwei orthogonalen Richtungsvektoren der x- und y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems aufgespannt ist. Senkrecht dazu erstreckt sich die z-Richtung nach oben, d. h. entgegen der Schwerkraftrichtung. Dementsprechend sind die relativen Positionsbegriffe derart definiert, daß eine obere Position von der unteren Position aus gesehen im wesentlichen in z-Richtung von der unteren Position beabstandet ist.Of the Membrane holder has a substantially flat shape. To the clear Description of directions and geometric relations will be in the following description assumed that the substantially planar Membrane holder through the two orthogonal direction vectors of x- and y-direction of a Cartesian coordinate system spanned is. Perpendicular to the z-direction extends upward, d. H. against the direction of gravity. Accordingly, the relative Positional terms defined such that an upper position of the bottom position seen substantially in the z-direction from the bottom Position is spaced.
Erstreckungs-, Kraft- und/oder Verlagerungsrichtung(en) kann/können in bezug auf ein Koordinatensystem angegeben werden. Wird in der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit einer Richtungsangabe der Begriff „im wesentlichen” verwendet, so bedeutet dies insbesondere, daß die Anzugebende Richtung von der genannten Bezugsrichtung um weniger als etwa ±20 Grad, vorzugsweise um weniger als etwa ±15 Grad, weiter bevorzugt um weniger als etwa ±10 Grad, und besonders bevorzugt um weniger als etwa ±5 Grad, insbesondere um weniger als etwa ±2 Grad abweicht. Der Begriff ”im wesentlichen” kann insbesondere eine geringfügige Abweichung von einem Sollwert beschreiben, insbesondere eine Abweichung im Rahmen der Herstellungsgenauigkeit und/oder im Rahmen der notwendigen Genauigkeit, so daß ein Effekt beibehalten wird, wie er bei dem Sollwert vorhanden ist. Der Begriff ”im wesentlichen” kann daher eine Abweichung von weniger als etwa ±30%, weniger als etwa ±20%, weniger als etwa ±10%, weniger als etwa ±5%, weniger als etwa ±2%, bevorzugt weniger als etwa ±1% von einem Sollwert bzw. Sollposition, usw. beinhalten. Der Begriff ”im wesentlichen” umfaßt den Begriff ”identisch”, d. h. ohne Abweichung von einem Sollwert, einer Sollposition usw. sein.of extension, Force and / or displacement direction (s) can / with respect to a coordinate system be specified. Related in the following description using the term "essentially" with a directional indication, this means, in particular, that the direction to be indicated is that of said reference direction is less than about ± 20 degrees, preferably less than about ± 15 degrees, more preferably less than about ± 10 Degrees, and more preferably less than about ± 5 degrees, in particular less than about ± 2 Degree deviates. The term "im essential "can especially a minor one Describe deviation from a target value, in particular a deviation within the manufacturing accuracy and / or within the scope of the necessary Accuracy, so that one Effect is maintained, as it is present at the setpoint. The term "im essential "can therefore, a deviation of less than about ± 30%, less than about ± 20%, less as about ± 10%, less than about ± 5%, less than about ± 2%, preferably less than about ± 1% from a setpoint, etc., respectively. The term "substantially" includes the term "identical," d. H. without deviation from a desired value, a desired position, etc.
Wird in der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit einer Angabe in einer Maßeinheit Grad der Begriff „etwa” verwendet, so bedeutet dies insbesondere, daß der anzugebende Wert von dem genannten Sollwert um weniger als ±10%, und bevorzugt um weniger als ±5%, weiter bevorzugt um weniger als ±2%, besonders bevorzugt um weniger als ±1%, insbesondere um weniger als ±0,5% abweicht.Becomes in the following description in connection with an indication in a unit of measurement Degree the term "about" used this means, in particular, that the value to be indicated by the said set point by less than ± 10%, and preferably by less as ± 5%, more preferably less than ± 2%, more preferably about less than ± 1%, in particular by less than ± 0,5% differs.
Der
Begriff „Durchmesser” ist, soweit
er nicht im Sinne eines Kreisdurchmessers zu verstehen ist, als maximale
Ausdehnung entlang einer Richtung zu verstehen. Beispielsweise hat
eine quadratische Öffnung
mit der Kantenlänge
1 mm gemäß dieser
Definition einen Durchmesser von √
Die vorgenannten Positionen und Richtungen sind beispielhaft und dienen insbesondere als Referenz zur Beschreibung z. B. von Seiten des Membranhalters und/oder zur Bestimmung von Richtungen, um beispielsweise eindeutig definierbare bzw. bestimmbare Koordinaten anzugeben. Gegebenenfalls können auch andere Positionen verwendet werden bzw. ein anderes Koordinatensystem.The The aforementioned positions and directions are exemplary and serve in particular as a reference to the description z. B. from the side of Membrane holder and / or for the determination of directions, for example clearly definable or determinable coordinates. Possibly can also other positions are used or another coordinate system.
Bevorzugte Ausführungsformen des HerstellungsverfahrensPreferred embodiments of the manufacturing process
Vorzugsweise ist der Durchmesser Do größer als der Durchmesser Du. Insbesondere kann die Membranhalteröffnung konisch ausgebildet sein, beispielweise durch einen konisches Schneiden der Membranhalteröffnung aus dem Membranhalter oder durch Bohren bzw. Senken einer konischen Membranhalteröffnung mittels eines konischen Bohr- bzw. Senkwerkzeugs in den, insbesondere plattenförmigen, Membranhalter. Besonders bevorzugt ist das Verhältnis der Durchmesser Do/Du vorzugsweise größer als 1,1, weiter bevorzugt größer als 1,2, größer als 1,4, größer als 2, größer als 2,8 und insbesondere größer als 4.Preferably, the diameter D o is greater than the diameter D u . In particular, the membrane holder opening may be conical, for example by a conical cutting of the membrane holder opening from the membrane holder or by drilling or lowering a conical membrane holder opening by means of a conical drilling or countersinking tool in the, in particular plate-shaped, membrane holder. Particularly preferably, the ratio of the diameter D o / D u is preferably greater than 1.1, more preferably greater than 1.2, greater than 1.4, greater than 2, greater than 2.8 and in particular greater than 4.
Vorteilhafterweise wird durch eine beispielsweise konische Ausbildung der Membranhalteröffnung die darin gehaltene Membran gehindert, sich nach unten – also entgegen der z-Richtung – zu verlagern, wenn die Membran durch Anlegen einer Kraft an die Membran entgegen der z-Richtung betätigt, d. h. entgegen der z-Richtung verformt bzw. verlagert, wird.advantageously, is by an example conical design of the membrane holder opening in it held diaphragm prevented to shift down - ie opposite to the z-direction - when the membrane opposes by applying a force to the membrane the z direction is actuated, d. H. against the z-direction deformed or shifted, is.
Weiter vorteilhafterweise wird die Kontaktfläche zwischen dem Membranhalter und der Membran vergrößert, so daß die Bindungskraft zwischen beiden ebenfalls vergrößert wird, wenn die spezifische Bindungskraft pro Flächeneinheit zwischen Membranhalter und Membran konstant bleibt.Further Advantageously, the contact surface between the membrane holder and the membrane enlarges, so that the Bonding force between the two is also increased if the specific Binding force per unit area between membrane holder and membrane remains constant.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren weiter die Schritte:
- – Bereitstellen einer unteren Membranträgerschicht;
- – Bereitstellen einer oberen Membranträgerschicht;
- – Ausbilden zumindest einer unteren Membranträgeröffnung in der unteren Membranträgerschicht mit jeweils einer Mittelachse Mu und jeweils einem Durchmesser Du;
- – Ausbilden zumindest einer oberen Membranträgeröffnung in der oberen Membranträgerschicht mit jeweils einer Mittelachse Mo und jeweils einem Durchmesser Do;
- – Verbinden der oberen Membranträgerschicht mit der unteren Membranträgerschicht unter Ausbildung des Membranhalters, so daß die Mittelachsen Mu und Mo im wesentlichen zusammenfallen, so daß die untere Membranträgeröffnung und die obere Membranträgeröffnung die Membranhalteröffnung ausbilden.
- - Providing a lower membrane support layer;
- Providing an upper membrane carrier layer;
- - Forming at least one lower membrane carrier opening in the lower membrane carrier layer, each having a central axis M u and each having a diameter D u ;
- - Forming at least one upper membrane carrier opening in the upper membrane carrier layer, each having a central axis M o and each having a diameter D o ;
- - Connecting the upper membrane carrier layer with the lower membrane carrier layer to form the membrane holder, so that the central axes M u and M o substantially coincide, so that the lower membrane carrier opening and the upper membrane carrier opening form the membrane holder opening.
Eine Membranträgerschicht ist im wesentlichen ein ebenes flächiges bzw. plattenförmiges Werkstück, insbesondere eine Folien, die sich im wesentlichen parallel zu der x-y-Ebene erstreckt. Die Schichtdicke bzw. Stärke der Membranträgerschicht entlang der z-Richtung ist besonders bevorzugt kleiner als etwa 1000 μm, weiter vorzugsweise von kleiner als etwa 500 μm, weiter bevorzugt kleiner als etwa 300 μm, besonders bevorzugt kleiner als etwa 100 μm, und insbesondere kleiner als etwa 30 μm. Besonders bevorzugt bestehen die untere und obere Membranträgerschicht aus einem Polymer, insbesondere einem Polyimid.A Membrane support layer is essentially a flat planar or plate-shaped workpiece, in particular a foil that is substantially parallel to the x-y plane extends. The layer thickness or thickness of the membrane carrier layer along the z-direction is more preferably less than about 1000 μm, further preferably less than about 500 microns, more preferably less than about 300 μm, especially preferably less than about 100 μm, and in particular less than about 30 microns. Particularly preferred the lower and upper membrane support layer from a polymer, in particular a polyimide.
In zwei Membranträgerschichten werden, insbesondere kreisförmige, Öffnungen mit voneinander verschiedenen Durchmessern Du und Do ausgebildet, wobei Du als kleinerer Durchmesser ausgebildet wird. Die Membranträgerschicht mit der kleineren Öffnung mit dem Durchmesser Du wird zur unteren Membranträgerschicht, die verbliebene Membranträgerschicht wird demzufolge zur oberen Membranträgerschicht. Die Membranträgerschichten werden derart übereinander angeordnet und miteinander verbunden, daß die Mittelachsen Mu und Mo der Öffnungen, bei kreisförmigen Öffnungen sind dies die Zylinderachsen der Öffnungen, im wesentlichen zusammenfallen. Das heißt, daß der Versatz zwischen den Mittelachsen Mu und Mo kleiner als etwa 20% des Durchmessers Du ist, besonders bevorzugt kleiner als etwa 10% oder etwa 5% des Durchmessers Du ist.In two membrane carrier layers are formed, in particular circular, openings with mutually different diameters D u and D o , wherein D u is formed as a smaller diameter. The membrane carrier layer with the smaller opening having the diameter Du becomes the lower membrane carrier layer, the remaining membrane carrier layer thus becomes the upper membrane carrier layer. The membrane carrier layers are superimposed and connected to one another such that the central axes M u and M o of the openings, in the case of circular openings, these are the cylinder axes of the openings, substantially coincide. That is, the offset between the center axes M u and M o is less than about 20% of the diameter D u , more preferably less than about 10% or about 5% of the diameter D u .
Bei nicht kreis- bzw. zylinderförmigen Öffnungen sei die Mittelachse der Öffnung dadurch definiert, daß die Mittelachse parallel zur z-Richtung und durch den geometrischen Mittelpunkt der Öffnung verläuft.at non-circular or cylindrical openings Let be the central axis of the opening defined by the fact that the Central axis parallel to the z-direction and through the geometric Center of the opening runs.
Vorteilhafterweise kann eine Membranhalteröffnung besonders einfach durch, insbesondere rechtwinkliges, Schneiden zweier Öffnungen in die Membranträgerschichten mittels einer Klinge oder eines Laserstrahles, insbesondere maschinell, erzeugt werden. Durch die Verbindung der zwei Membranträgerschichten wird dann der Membranhalter ausgebildet, wobei die Verbindung insbesondere durch Kleben, Laminieren, Schweißen oder Vulkanisieren erfolgen kann.advantageously, may be a membrane holder opening particularly easy by, in particular rectangular, cutting two openings in the membrane carrier layers by means of a blade or a laser beam, in particular by machine, be generated. By connecting the two membrane carrier layers is then formed the membrane holder, wherein the compound in particular by gluing, laminating, welding or vulcanization can.
Die Membran hat vorteilhafterweise eine vergrößerte Auflagerfläche auf der unteren Membranträgerschicht. Um die Membran unter hoher Druckbelastung von etwa 100 kPa bis etwa 500 kPa sicher zu halten, ist das Verhältnis der Durchmesser Do/Du vorzugsweise größer als 1,1, weiter bevorzugt größer als 1,2, größer als 1,4, größer als 2, größer als 2,8, größer als 4, insbesondere größer als 5.The membrane advantageously has an enlarged bearing surface on the lower membrane carrier layer. In order to keep the membrane safe under high pressure loading of about 100 kPa to about 500 kPa, the ratio of the diameters D o / D u is preferably greater than 1.1, more preferably greater than 1.2, greater than 1.4, greater than 2, greater than 2.8, greater than 4, in particular greater than 5.
Vorzugsweise ist die untere Membranträgerschicht und/oder die obere Membranträgerschicht zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet und das Verbinden der oberen Membranträgerschicht mit der unteren Membranträgerschicht erfolgt durch das Kleben.Preferably is the lower membrane carrier layer and / or the upper membrane carrier layer coated on at least one side with an adhesive and bonding the upper membrane carrier layer with the lower membrane carrier layer done by gluing.
Besonders vorzugsweise kann das Klebemittel ein Schmelzkleber sein, insbesondere ein akrylisches Monomer, das thermisch vernetzt wird. Insbesondere liegt die Temperatur beim Verbinden der Membranträgerschichten im einem Bereich von etwa 100°C bis etwa 200°C. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise mittels Walzenlamination oder durch Pressen.Especially Preferably, the adhesive may be a hot melt adhesive, in particular an acrylic monomer that is thermally crosslinked. Especially is the temperature when connecting the membrane carrier layers in a range of about 100 ° C up to about 200 ° C. The compound is preferably by means of rolling lamination or by pressing.
Vorteilhafterweise ist die Verbindung zwischen den Membranträgerschichten durch das Klebemittel besonders einfach und zuverlässig herzustellen.advantageously, the connection between the membrane carrier layers by the adhesive is especially easy and reliable manufacture.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren weiter die Schritte:
- – Anordnen einer Abdeckung an den Membranhalter, um die Membranhalteröffnung einseitig zu verschliessen;
- – Anordnen einer Schablone an der unverschlossenen Seite der Membranhalteröffnung, wobei die Schablone eine im wesentlichen zu der zumindest einen Membranhalteröffnung kongruenten Schablonenöffnung aufweist, so daß der Membranhalter außerhalb der Membranhalteröffnung im wesentlichen vollständig abgedeckt ist.
- - Arranging a cover to the membrane holder to close the membrane holder opening on one side sen;
- Arranging a template on the unsealed side of the membrane holder opening, the template having a template opening substantially congruent with the at least one membrane holder opening, so that the membrane holder outside the membrane holder opening is substantially completely covered.
Durch das, insbesondere bündige, Verschliessen der Membranhalteröffnung an einer Seite, kann über die noch zugängliche Seite der Membranöffnung eine Substanz in die Membranhalteröffnung eingebracht werden, die im Weiteren die Membran ausbildet. Diese Substanz wird durch die Abdeckung an einem Austritt aus der Membranhalteröffnung gehindert. Zweckmäßigerweise ist die Abdeckung an der Membranhalterunterseite angeordnet.By that, in particular flush, Close the membrane holder opening on one side, can over the still accessible Side of the membrane opening a substance is introduced into the membrane holder opening, which subsequently forms the membrane. This substance is going through the cover is prevented from exiting the membrane holder opening. Conveniently, the cover is arranged on the membrane holder bottom.
Um den Membranhalter beim Einfüllen der Substanz und dem anschließenden Aufrakeln vor Verschmutzungen durch die Substanz zu schützen, wird die Schablone an der unabgedeckten Seite der Membranhalteröffnung angeordnet.Around the membrane holder during filling the substance and the subsequent Shielding to protect against contamination by the substance is the template is placed on the uncovered side of the membrane holder opening.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Ausbildung der Membran aus einer noch flüssigen, sich im Weiteren verfestigenden Substanz die Ausbildung einer Verbindung zwischen der Membran und dem Membranhalter. Ein zusätzliches Klebemittel ist nicht notwendig im Gegensatz zum Einsetzen einer vorgefertigten Membran in die Membranhalteröffnung.advantageously, allows the formation of the membrane of a still liquid, further solidifying Substance the formation of a connection between the membrane and the membrane holder. An additional Adhesive is not necessary as opposed to inserting a prefabricated membrane in the membrane holder opening.
Besonders bevorzugt besteht die Schablone aus Metall. Die Öffnung der Schablone mit dem Durchmesser Do kann insbesondere durch ein (photo-)lithographisches Verfahren ausgebildet werden. Insbesondere kann die Öffnung in einer Metallfolie durch ein Ätzbad ausgebildet werden.Particularly preferably, the template consists of metal. The opening of the template with the diameter D o can be formed in particular by a (photo) lithographic process. In particular, the opening in a metal foil can be formed by an etching bath.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren weiter den Schritt: Aufrakeln einer elastisch verfestigenden Substanz zur Ausbildung der Membran. Vorteilhafterweise ist das Aufrakeln der Substanz besonders einfach und mit geringem Aufwand durchzuführen.Preferably comprises the method further comprises the step of: doctoring an elastically strengthening one Substance for forming the membrane. This is advantageous Scrape the substance very easily and with little effort perform.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren weiter die Schritte:
- – Anordnen einer Form an den Membranhalter, wobei die Form zu jeder Membranhalteröffnung an der Membranhalteroberseite jeweils eine im wesentlichen zu dieser kongruente Aussparung sowie jeweils zumindest eine Zu- und Ableitung, welche die Aussparung mit dem Äußeren der Form verbinden, aufweist;
- – Zuführen einer flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz in den durch den Membranhalter, die Abdeckung und die Form gebildeten Hohlraum;
- – Verfestigen der flüssigen Substanz zur Ausbildung der Membran.
- Arranging a mold on the membrane holder, wherein the mold to each membrane holder opening on the membrane holder top each having a substantially congruent to this recess and in each case at least one inlet and outlet, which connect the recess with the exterior of the mold;
- Feeding a liquid elastically solidifying substance into the cavity formed by the membrane holder, the cover and the mold;
- - Solidifying the liquid substance to form the membrane.
Insbesondere wird die Form derart an der Membranhalteroberseite angeordnet, daß sich jede kongruente Aussparung der Form mit der zugeordneten Membranhalteröffnung deckt. In dieser Position wird die Form an den Membranhalter angepreßt oder verklebt, so daß ein im wesentlichen fluiddichter, lösbarer mechanischer Kontakt zwischen der Form und dem Membranhalter ausgebildet ist.Especially the mold is placed on the membrane holder top so that each congruent recess of the mold with the associated membrane holder opening covers. In this position, the mold is pressed against the membrane holder or glued, so that a essentially fluid-tight, detachable formed mechanical contact between the mold and the membrane holder is.
Die Form weist zumindest eine Zuleitung und zumindest eine Ableitung auf, welche jeweils eine Verbindung herstellen zwischen dem Äußeren und dem Hohlraum, der durch die Form, den Membranhalter und der Abdeckung gebildet wird. Insbesondere besteht die Form aus Polymethylmethacrylat (PMMA) bzw. Acrylglas. Besonders bevorzugt ist die Aussparung der Form im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet.The Form has at least one supply line and at least one derivative on which each connect between the exterior and the cavity formed by the mold, the membrane holder and the cover is formed. In particular, the mold is made of polymethylmethacrylate (PMMA) or acrylic glass. Particularly preferably, the recess of Form substantially frusto-conical shape.
Vorzugsweise über die Zuleitung wird eine flüssige sich elastisch verfestigende Substanz in den Hohlraum eingebracht, wobei die in dem Hohlraum befindliche Luft über die Ableitung entweichen kann. Die Zufuhr der flüssigen Substanz wird beendet, sobald die Substanz aus der Ableitung austritt. Insbesondere können aber sowohl die Zuleitung als auch die Ableitung dazu dienen, die flüssige Substanz zuzuführen bzw. die Luft abzuleiten.Preferably over the Supply line becomes a liquid elastically solidifying substance introduced into the cavity, wherein the air in the cavity escape via the discharge can. The supply of liquid Substance stops when the substance exits the drain. In particular, however, you can both the supply and the discharge serve to the liquid substance supply or to divert the air.
Besonders vorzugsweise erfolgt die Zufuhr der flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz in den folgenden zwei Schritten. Im ersten Schritt erfolgt die Zufuhr der flüssigen Substanz mittels der Dispensierspitze, die durch eine der Zuleitungen oder durch eine der Ableitungen in die Form eingeführt wird. Dabei wird die Dispensierspitze vorzugsweise bis nahe an die Abdeckung herangeführt, wodurch der Hohlraum zwischen der Form und dem Membranhalter von seinem tiefsten Punkt her mit der flüssigen Substanz ausgefüllt werden kann. Vorteilhafterweise wird dadurch der Einschluß von Luftblasen verhindert.Especially Preferably, the supply of liquid is elastically solidifying Substance in the following two steps. In the first step takes place the supply of liquid Substance by means of the Dispensierspitze, by one of the supply lines or introduced into the mold through one of the leads. In this case, the dispensing tip is preferably close to the cover introduced, whereby the cavity between the mold and the membrane holder of At its lowest point can be filled with the liquid substance. Advantageously, this prevents the inclusion of air bubbles.
Bevor die zugeführte Menge der flüssigen Substanz ein Mundloch einer Zu- oder Ableitung erreicht, wird die Dispensierspitze aus der Form entfernt, so daß in einem zweiten Schritt die Zufuhr der flüssigen Substanz über eine der Zuleitungen, wobei die Dispensierspitze vorzugsweise nicht in den Hohlraum ragt, sondern lediglich bereichsweise in die Zuleitung eingeführt ist.Before the supplied Amount of liquid Substance reaches a mouth hole of an inlet or outlet, the Dispensing tip removed from the mold, so that in a second step the supply of liquid Substance over one of the supply lines, the dispensing tip preferably not protrudes into the cavity, but only partially in the supply line introduced is.
Vorteilhafterweise ist die Auswahl an möglichen flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz bei diesem Verfahren zur Herstellung der Membran besonderen umfangreich.advantageously, is the choice of possible liquid elastically solidifying substance in this process for Production of the membrane is particularly extensive.
Vorzugsweise ist die Abdeckung durch ein Lösungsmittel löslich und/oder durch ein Lösungsmittel im wesentlichen kraftfrei ablösbar. Zweckmäßigerweise wird die ausgebildete Membran oder der Membranhalter nicht, auch nicht teilweise, durch das Lösungsmittel gelöst. Besonders bevorzugt ist das Lösungsmittel Wasser.Preferably is the cover by a solvent soluble and / or by a solvent essentially detachable without force. Conveniently, does not make the formed membrane or membrane holder, too not partially, by the solvent solved. Particularly preferred is the solvent Water.
Besonders bevorzugt ist die Abdeckung eine Folie, insbesondere eine Polyesterfolie, welche mit Polyvinylalkohol und/oder Polyvinylpyrolidon beschichtet ist. Die Beschichtung ist wasserlöslich, so daß die Abdeckung ohne Krafteinwirkung von dem Membranhalter lösbar, d. h. durch Wasser ablösbar, ist.Especially the cover is preferably a film, in particular a polyester film, which is coated with polyvinyl alcohol and / or polyvinylpyrolidone is. The coating is water soluble, so that the cover Solvable without force from the membrane holder, d. H. removable by water is.
Vorteilhafterweise kann die Abdeckung ohne Krafteinwirkung vom Membranhalter und von der ausgebildeten Membran abgelöst werden, so daß eine Beschädigung der Membran verhindert wird.advantageously, The cover can be released from the membrane holder and without force the trained membrane detached so that one damage the membrane is prevented.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren das Dispensieren einer flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz vom Rand der Membranhalteröffnung zur Mitte hin, insbesondere spiralförmig, so daß die Membranhalteröffnung geschlossen wird. Besonders vorzugsweise wird der Rand der Membranhalteröffnung durch die sich elastisch verfestigende Substanz im wesentlichen vollständig bedeckt und insbesondere wird die Membranhalteröffnung durch diese Substanz im wesentlichen vollständig verfüllt.Preferably comprises the method of dispensing a liquid elastically solidifying substance from the edge of the membrane holder opening towards the center, in particular spirally, so that the membrane holder opening is closed becomes. Particularly preferably, the edge of the membrane holder opening is through the elastically solidifying substance is substantially completely covered and more specifically, the membrane holder opening becomes through this substance essentially complete filled.
Diese alternative Art der Membranausbildung benötigt vorteilhafterweise weder eine Abdeckung noch eine Schablone. Allerdings ist die Auswahl an membranbildenden Substanzen zusätzlich durch die Viskosität eingeschränkt, da die membranbildende Substanz einerseits fließfähig sein muß, um eine glatte Membranoberfläche auszubilden, aber andererseits fest genug sein muß, um an der vorbestimmten Position in der Membranhalteröffnung zu verharren, bis der Aushärtungsprozeß abgeschlossen ist. Ferner darf der Membranhalter nicht auf einer Arbeitsfläche aufliegen.These alternative type of membrane training advantageously requires neither a cover still a template. However, the selection is on membrane-forming substances in addition restricted by the viscosity, since the membrane-forming substance must, on the one hand, be able to flow in order to form a smooth membrane surface, but on the other hand, it must be firm enough to be at the predetermined Position in the membrane holder opening to persist until the curing process is complete is. Furthermore, the membrane holder must not rest on a work surface.
Vorteilhafterweise kann durch genaues Dosieren der Substanzmenge eine im wesentlichen flache Membran ausgebildet werden, welche im wesentlichen keine Oberflächenstruktur aufweist. Ferner können Verschmutzungen des Membranhalter durch die membranbildende Substanz vermieden werden.advantageously, can by accurately metering the amount of substance a substantially flat membrane are formed, which is substantially no surface structure having. Furthermore, soiling can of the membrane holder can be avoided by the membrane-forming substance.
Vorzugsweise
umfaßt
das Verfahren das Ausbilden eines Tropfens einer flüssigen sich
elastisch verfestigenden Substanz an einer Dispensierspitze, wobei
der Tropfen einen Durchmesser aufweist, der größer oder gleich dem Durchmesser
Du der Membranhalteröffnung an der Membranhalterunterseite
(
Dabei ist die Dispensierspitze in hinreichender Entfernung von der zu verschließenden Membranhalteröffnung positioniert, wenn eine ausreichende Menge der flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz aus der Dispensierspitze ausgestoßen wird, um den Tropfen auszubilden, so daß die Substanz zunächst nicht mit dem Membranhalter in Berührung gelangt. Nachdem eine vorbestimmte Menge des flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz aus der Dispensierspitze ausgetreten und der Tropfen ausgebildet ist, wird die Dispensierspitze in Richtung der Membranhalteröffnung verlagert, um den Tropfen an der Membranhalteröffnung anzuordnen, so daß diese geschlossen ist. Nach dem Aushärten der flüssigen Substanz ist die elastische Membran ausgebildet.there the dispensing tip is at a sufficient distance from the occlusive Membrane holder opening positioned when a sufficient amount of the liquid itself elastically solidifying substance is expelled from the dispensing tip, to form the drop, so that the substance initially not with the membrane holder in contact arrives. After a predetermined amount of the liquid is elastically solidifying Substance leaked from the Dispensierspitze and formed the drop is, the dispensing tip is displaced in the direction of the membrane holder opening, to arrange the drop at the membrane holder opening, so that this closed is. After curing the liquid Substance is formed of the elastic membrane.
Diese alternative Art der Membranausbildung benötigt vorteilhafterweise ebenfalls weder eine Abdeckung noch eine Schablone. Weiter vorteilhafterweise besteht im Vergleich zu dem vorgehend beschriebenen Verfahren eine größere Auswahl an membranbildenden Substanzen, da die Einschränkung bezüglich der Viskosität weniger graviert ist.These alternative type of membrane training also needed advantageously neither a cover nor a template. Further advantageously There is one compared to the previously described method bigger selection on membrane-forming substances, since the restriction on the viscosity less is engraved.
Vorzugsweise ist die elastisch verfestigenden Substanz zur Ausbildung der Membran ein Polymer.Preferably is the elastically solidifying substance for forming the membrane a polymer.
Vorzugsweise ist die elastisch verfestigenden Substanz zur Ausbildung der Membran Silikon. Insbesondere können die Membranen aus einem technischen Silikon ausgebildet werden, das als Dichtungs- und Klebstoffmaterial verwendet wird.Preferably, the elastically solidifying substance for forming the membrane is silicone. In particular, the membranes can be formed of a technical silicone, as the sealing and Adhesive material is used.
Vorteilhafterweise weist diese Material besonders gute Haftung an Oberflächen auf, so daß eine sichere Verbindung mit dem Membranhalter ausgebildet werden kann. Weiter vorteilhaft liegt die Reißdehnung bei etwa 500%. Da Silikon im allgemeinen transparent ist, kann vorteilhafterweise die Qualität der im Membranhalter ausgebildeten Membran einfach beurteilt werden.advantageously, this material has particularly good adhesion to surfaces, so that one secure connection with the membrane holder can be formed. Further advantageously, the elongation at break is about 500%. There Silicone in general is transparent, can be beneficial the quality the diaphragm formed in the membrane holder can be easily judged.
Weiter vorzugsweise erfolgt die Verfestigung bzw. struktuerelle Quervernetzung des Silikons bei einer erhöhten Temperatur von vorzugsweise etwa 60°C bis etwa 120°C, weiter vorzugsweise von etwa 75°C bis etwa 105°C, insbesondere etwa 90°C.Further Preferably, the solidification or structural cross-linking takes place of the silicone at an elevated level Temperature of preferably about 60 ° C to about 120 ° C, further preferably from about 75 ° C up to about 105 ° C, in particular about 90 ° C.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren die Schritte:
- – Bereitstellen einer Basis;
- – Bereitstellen einer Durchflußkanalschicht mit zumindest einer Ausnehmung;
- – Verbinden der Durchflußkanalschicht mit der Basis, wodurch das Durchflußelement mit dem Durchflußkanal ausgebildet wird.
- - providing a base;
- - Providing a Durchflußkanalschicht with at least one recess;
- - Connecting the flow channel layer to the base, whereby the flow element is formed with the flow channel.
Die Basis ist im wesentlichen ein ebenes flächiges bzw. plattenförmiges Werkstück, welches sowohl starr als auch flexibel sein kann. Insbesondere kann die Basis eine Polymerplatte, eine Metallplatte oder eine (Polymer- oder Metall-)Folie sein, wobei sich die Basis im wesentlichen parallel zu der x-y-Ebene erstreckt.The Basis is essentially a flat surface or plate-shaped workpiece, which both rigid and flexible. In particular, the Based on a polymer plate, a metal plate or a (polymer) or metal) foil, the base being substantially parallel extends to the x-y plane.
Der Begriff starr in Relation zu flexibel wird im Sinne der Erfindung dahingehend verstanden, daß der Elastizitätsmodul E und/oder der Schubmodul G des starren Körpers mindestens um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um einen Faktor 5, Faktor 10 oder Faktor 100, und besonders bevorzugt mindestens um einen Faktor 1000 größer ist als der Elastizitätsmodul E und/oder der Schubmodul G des im Vergleich dazu flexiblen Körpers. Insbesondere gilt ein Körper als an sich starr, wenn sein Elastizitätsmodul E und/oder der Schubmodul G größer als 1 × 108 Nm–2, größer als 5 × 108 Nm–2, größer als 1 × 109 Nm–2, größer als 5 × 109 Nm–2 und insbesondere größer als 1 × 1010 Nm–2 ist. Insbesondere gilt ein Körper als an sich flexibel, wenn sein Elastizitätsmodul E und/oder der Schubmodul G kleiner als 1 × 10 Nm–2, kleiner als 5 × 106 Nm–2, kleiner als 1 × 106 Nm–2 und insbesondere kleiner als 5 × 105 Nm–2 ist.The term rigid in relation to flexible in the context of the invention is understood to mean that the modulus of elasticity E and / or the shear modulus G of the rigid body by at least a factor of 2, preferably at least a factor of 5, factor 10 or factor 100, and particularly preferred at least a factor of 1000 greater than the modulus of elasticity E and / or the shear modulus G of the flexible body in comparison. In particular, a body is considered inherently rigid if its modulus of elasticity E and / or shear modulus G is greater than 1 × 10 8 Nm -2 , greater than 5 × 10 8 Nm -2 , greater than 1 × 10 9 Nm -2 , greater than 5 × 10 9 Nm -2 and in particular greater than 1 × 10 10 Nm -2 . In particular, a body is considered flexible per se, if its modulus of elasticity E and / or the shear modulus G is less than 1 × 10 Nm -2 , less than 5 × 10 6 Nm -2 , less than 1 × 10 6 Nm -2 and in particular smaller than 5 × 10 5 Nm -2 .
Parallel zur Basis wird die Durchflußkanalschicht angeordnet, die ebenfalls ein im wesentlichen ein ebenes flächiges bzw. plattenförmiges Werkstück, insbesondere eine Folie, ist. Die Schichtdicke bzw. Stärke der Durchflußkanalschicht entlang der z-Richtung ist besonders bevorzugt kleiner als etwa 1000 μm, weiter vorzugsweise von kleiner als etwa 500 μm bzw. kleiner als etwa 250 μm bzw. kleiner als etwa 150 μm, weiter bevorzugt kleiner als etwa 100 μm bzw. kleiner als etwa 50 μm bzw. kleiner als etwa 25 μm bzw. kleiner als etwa 10 μm, und insbesondere kleiner als etwa 5 μm. Besonders bevorzugt bestehen die Durchflußkanalschicht aus einem Polymer, insbesondere einem Polyimid.Parallel at the base becomes the flow channel layer arranged, which also has a substantially flat or disc-shaped Workpiece, in particular a film, is. The layer thickness or strength of Durchflußkanalschicht along the z-direction is more preferably less than about 1000 microns, more preferably smaller as about 500 μm or less than about 250 microns or less than about 150 μm, more preferably less than about 100 microns or less than about 50 microns or less than about 25 microns or less than about 10 microns, and in particular less than about 5 microns. Particularly preferred the flow channel layer from a polymer, in particular a polyimide.
In die Durchflußkanalschicht wird zumindest eine Ausnehmung ausgebildet, welche später zumindest bereichsweise einen Durchflußkanal bildet. Die Ausnehmung kann besonders einfach durch, insbesondere rechtwinkliges, Schneiden mittels einer Klinge oder eines Laserstrahles erzeugt werden. Vorzugsweise erstreckt sich die Ausnehmung im wesentlichen, insbesondere geradlinig, entlang eine Längsrichtung L1.In the Durchflußkanalschicht at least one recess is formed, which later forms at least partially a flow channel. The recess can be particularly easily generated by, in particular rectangular, cutting by means of a blade or a laser beam. Preferably, the recess extends substantially, in particular in a straight line, along a longitudinal direction L 1 .
Durch die Verbindung der Basis mit der Durchflußkanalschicht wird dann das Durchflußelement ausgebildet, wobei die Verbindung insbesondere durch Kleben, Laminieren, Schweißen oder Vulkanisieren erfolgen kann.By the connection of the base to the flow channel layer then becomes the flow element formed, wherein the compound in particular by gluing, laminating, welding or vulcanization can take place.
Besonders vorzugsweise ist die Basis und/oder die Durchflußkanalschicht zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet und das Verbinden Basis mit der Durchflußkanalschicht erfolgt durch Kleben. Insbesondere kann das Klebemittel ein Schmelzkleber sein, wie oben beschrieben. Vorteilhafterweise ist die Verbindung durch das Klebemittel besonders einfach und zuverlässig herzustellen.Especially Preferably, the base and / or the flow channel layer is at least one-sided coated with an adhesive and bonding base with the Durchflußkanalschicht done by gluing. In particular, the adhesive may be a hot melt adhesive be as described above. Advantageously, the compound made particularly easy and reliable by the adhesive.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren zur Ausbildung des Durchflußelementes das Bereitstellen einer Durchflußkanalschicht und das Ausbilden zumindest eines Durchflußkanals durch materialentfernende Bearbeitung.Preferably comprises the method of forming the flow element providing a flow channel layer and forming at least one flow channel through material removal Processing.
Alternativ zu der oben beschriebenen Ausbildung des Durchflußelementes durch das Verbinden einer Basis mit einer Durchflußschicht kann das Durchflußelement einstückig ausgebildet sein. Der zumindest eine Durchflußkanal kann dann durch eine materialentfernende Bearbeitung ausgebildet werden, beispielsweise durch spanende, abrasierende und/oder erodierende Bearbeitung oder durch Ätzen, je nach Material des Durchflußelementes. Vorteilhafterweise entfällt bei dieser Alternative der Verfahrensschritt des Verbindens.As an alternative to the above-described embodiment of the flow-through element by connecting a base to a flow-through layer, the flow-through element may be formed in one piece. The at least one flow channel can then be formed by a material-removing machining, for example by machining, shaving and / or eroding machining or by etching, depending on the material of the flow element. Advantageously, eliminates in this alternative, the step of bonding.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren das Aufbringen eines benetzenden Füllstoffes auf den Ventilsitz, so daß die freie Oberfläche des benetzenden Füllstoffes aufgrund der Oberflächenspannung eine stetig gekrümmte Form annimmt und das anschließende Aushärten des benetzenden Füllstoffes.Preferably comprises the method of applying a wetting filler to the valve seat, so that the free surface of the wetting filler due to the surface tension a steadily curved one Takes shape and the subsequent Harden of the wetting filler.
Insbesondere kann das Durchflußelement mit zumindest einem Durchflußkanal ausgebildet werden, wobei der Durchflußkanal einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, so daß der Durchflußkanal durch eine Membran im wesentlichen nicht vollständig geschlossen werden kann, da ein Fluid in den Eckbereichen des Durchflußkanals einen Fließweg vorfinden kann. Vorzugsweise kann der Durchflußkanal mit einem trapezförmigen Querschnitt ausgebildet werden.Especially can the flow element with at least one flow channel be formed, wherein the flow channel is a substantially has rectangular cross section, so that the flow passage through a membrane can not be completely closed substantially since a fluid in the corner regions of the flow channel find a flow path can. Preferably, the flow channel having a trapezoidal cross-section be formed.
Vorteilhafterweise rundet ein flüssiger Füllstoff, der in den Durchflußkanal dispensiert wird, aufgrund der Oberflächenspannung des Füllstoffes die Ecken ab. Die Membran liegt daher besser an der Wandung des Durchflußkanals an und verschließt den Durchflußkanal daher besser.advantageously, completes a liquid Filler, in the flow channel is dispensed due to the surface tension of the filler the corners off. The membrane is therefore better on the wall of the flow channel on and off the flow channel therefore better.
Vorzugsweise ist der benetzende Füllstoff ein UV-härtender Klebstoff und das Aushärten erfolgt durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht.Preferably is the wetting filler a UV-curing Adhesive and curing takes place by irradiation with ultraviolet light.
Vorzugsweise wird das Aktuationselement durch folgende Schritte ausgebildet:
- – Bereitstellen einer Aktuationskanalschicht, mit zumindest einem Aktuationskanal als Aktuator;
- – Verbinden der Aktuationskanalschicht mit der Membranhalteroberseite des Membranhalters, so daß die Membran zumindest bereichsweise an zumindest einem Aktuationskanal angeordnet ist.
- - Providing a Aktuationskanalschicht, with at least one Aktuationskanal as an actuator;
- - Connecting the Aktuationskanalschicht with the membrane holder top of the membrane holder, so that the membrane is at least partially disposed on at least one Aktuationskanal.
Weiter vorzugsweise erfolgt zusätzlich der Schritt:
- – Verbinden einer Deckschicht mit der Aktuationskanalschicht.
- - Connecting a cover layer with the Aktuationskanalschicht.
Die Deckschicht ist im wesentlichen ein ebenes flächiges bzw. plattenförmiges Werkstück, welches sowohl starr als auch flexibel sein kann. Insbesondere kann die Basis eine Polymerplatte oder eine Folie sein, wobei sich die Basis im wesentlichen parallel zu der x-y-Ebene erstreckt.The Covering layer is essentially a flat planar or plate-shaped workpiece, which both rigid and flexible. In particular, the Base may be a polymer plate or a film, with the base extends substantially parallel to the x-y plane.
Parallel zur Deckschicht wird die Aktuationskanalschicht angeordnet, die ebenfalls ein im wesentlichen ein ebenes flächiges bzw. plattenförmiges Werkstück, insbesondere eine Folie, ist. Die Schichtdicke bzw. Stärke der Aktuationskanalschicht entlang der z-Richtung ist besonders bevorzugt kleiner als etwa 1000 μm, weiter vorzugsweise von kleiner als etwa 500 μm bzw. kleiner als etwa 250 μm bzw. kleiner als etwa 150 μm, weiter bevorzugt kleiner als etwa 100 μm bzw. kleiner als etwa 50 μm bzw. kleiner als etwa 25 μm bzw. kleiner als etwa 10 μm, und insbesondere kleiner als etwa 5 μm. Besonders bevorzugt bestehen die Aktuationskanalschicht aus einem Polymer, insbesondere einem Polyimid.Parallel to the cover layer, the Aktuationskanalschicht is arranged, the likewise a substantially flat planar or plate-shaped workpiece, in particular a foil is. The layer thickness or strength of the Aktuationskanalschicht along the z-direction is more preferably less than about 1000 μm, more preferably less than about 500 microns or less than about 250 microns or less than about 150 μm, more preferably less than about 100 microns or less than about 50 microns or less as about 25 microns or less than about 10 microns, and in particular less than about 5 microns. Particularly preferred the Aktuationskanalschicht of a polymer, in particular a Polyimide.
In die Aktuationskanalschicht wird zumindest eine Ausnehmung ausgebildet, welche später zumindest bereichsweise einen Aktuationskanal bildet. Die Ausnehmung kann besonders einfach durch, insbesondere rechtwinkliges, Schneiden mittels einer Klinge oder eines Laserstrahles erzeugt werden. Vorzugsweise erstreckt sich die Ausnehmung im wesentlichen, insbesondere geradlinig, entlang eine Längsrichtung L2.In the Aktuationskanalschicht at least one recess is formed, which later forms at least partially an actuation channel. The recess can be particularly easily generated by, in particular rectangular, cutting by means of a blade or a laser beam. Preferably, the recess extends substantially, in particular in a straight line, along a longitudinal direction L 2 .
Durch die Verbindung der Deckschicht mit der Aktuationskanalschicht wird dann das Aktuationselement ausgebildet, wobei die Verbindung insbesondere durch Kleben, Laminieren, Schweißen oder Vulkanisieren erfolgen kann.By the connection of the cover layer with the Aktuationskanalschicht is then formed the Aktuationselement, the connection in particular by gluing, laminating, welding or vulcanization can.
Besonders vorzugsweise ist die Deckschicht und/oder die Aktuationskanalschicht zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet und das Verbinden Deckschicht mit der Aktuationskanalschicht erfolgt durch Kleben. Insbesondere kann das Klebemittel ein Schmelzkleber sein, wie oben beschrieben. Vorteilhafterweise ist die Verbindung durch das Klebemittel besonders einfach und zuverlässig herzustellen.Especially Preferably, the cover layer and / or the Aktuationskanalschicht coated on at least one side with an adhesive and bonding Cover layer with the Aktuationskanalschicht by gluing. In particular, the adhesive may be a hot melt adhesive, as above described. Advantageously, the connection is through the adhesive especially easy and reliable manufacture.
Alternativ kann das Aktuationselement einstückig ausgebildet werden, wobei der zumindest eine Aktuationskanal durch ein materialentfernendes oder materialverdrängendes Verfahren, beispielsweise Fräsen, Hobeln, oder Heißprägen, ausgebildet wird. Alternativ kann das Aktuationselement auch durch spritzgießen einstückig ausgebildet werden.alternative can the actuator element in one piece be formed, wherein the at least one Aktuationskanal by a material removal or material displacement process, for example Milling, planing, or hot stamping, formed becomes. Alternatively, the actuation element can also be formed in one piece by injection molding become.
Vorzugsweise wird der zumindest eine Durchflußkanal im wesentlichen entlang einer ersten Längsrichtung L1 erstreckend angeordnet wird und der zumindest eine Aktuationskanal im wesentlichen entlang einer zweiten Längsrichtung L2 erstreckend angeordnet wird. Dabei ist der wobei der zwischen den Längsrichtungen L1 und L2 eingeschlossene Winkel θ vorzugsweise von Null verschieden.Preferably, the at least one flow channel is substantially along a first longitudinal direction L 1 is arranged to extend and the at least one Aktuationskanal is arranged extending substantially along a second longitudinal direction L 2 . In this case, the angle θ enclosed between the longitudinal directions L1 and L2 is preferably different from zero.
Besonders vorzugsweise liegt der eingeschlossene Winkel θ zwischen etwa 15 Grad und etwa 90 Grad. Insbesondere beträgt der eingeschlossene Winkel θ etwa 90 Grad, etwa 60 Grad oder etwa 45 Grad.Especially Preferably, the included angle θ is between about 15 degrees and about 90 degrees. In particular, amounts the included angle θ approximately 90 degrees, about 60 degrees or about 45 degrees.
Vorteilhafterweise tritt eine Verlagerungen bzw. Verformung des Durchflußkanals und somit eine Verringerung des Durchflußkanalquerschnitts nur im Bereich der Membran auf. Ein Druckunterschied zwischen dem Aktuationskanal und dem Durchflußkanal führt aufgrund des großen Abstandes im Falle eines von Null verschiedenen Winkels nur zu einer geringen Verformung des Durchflußkanals.advantageously, occurs a displacement or deformation of the flow channel and thus a reduction in the Durchflußkanalquerschnitts only in the range the membrane. A pressure difference between the Aktuationskanal and the flow channel leads due of the big one Distance in the case of a non-zero angle only to one small deformation of the flow channel.
Das mikrofluidische Ventil gemäß einem AspektThe microfluidic valve according to one aspect
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Ventil bzw. Mikroventil zur Flußsteuerung von Fluiden, umfassend:
- – ein Aktuationselement mit zumindest einem Aktuator,
- – ein Durchflußelement mit zumindest einem Durchflußkanal,
- – einen Membranhalter mit einer Membranhalteroberseite, die mit dem Aktuationselement verbunden ist, einer Membranhalterunterseite, die mit dem Durchflußelement verbunden ist, zumindest einer Membranhalteröffnung und zumindest einer aktuierbaren, rückstellfähigen, insbesondere elastisch verformbaren, Membran, welche in der zumindest einen Membranhalteröffnung angeordnet ist,
- An actuation element with at least one actuator,
- A flow element with at least one flow channel,
- A membrane holder having a membrane holder upper side which is connected to the actuation element, a membrane holder underside which is connected to the flow element, at least one membrane holder opening and at least one actuatable, resilient, in particular elastically deformable, membrane which is arranged in the at least one membrane holder opening,
Vorteilhafterweise in die Membran des Mikroventils ist rückstellfähig ausgebildet. Das heißt, daß die Membran durch Anlegen einer Kraft K durch den, insbesondere einstückigen, Aktuator entlang einer Betätigungsrichtung B von einer Ruheposition in eine Betätigungsposition überführbar ist, wobei die Membran in die Ruheposition zurückkehrt, wenn die Kraft K nicht mehr angelegt ist. Insbesondere ist die Membran im wesentlichen elastisch und nur in geringem Maße plastisch verformbar, so daß die Membran in der Betätigungspositon im wesentlichen elastisch verformt ist und aufgrund ihrer inhärenten elastischen Rückstellkraft im wesentlichen in die ursprüngliche Ruheposition zurückkehrt, wenn die verformende Kraft K nicht mehr an der Membran angelegt ist.advantageously, in the membrane of the microvalve is formed resilient. This means that the membrane by applying a force K through the, in particular one-piece, Actuator along an actuating direction B is transferable from a rest position to an actuation position, wherein the membrane returns to the rest position when the force K is not more is created. In particular, the membrane is substantially elastic and only slightly plastically deformable, so that the Membrane in the operating position is substantially elastically deformed and due to their inherent elastic Restoring force essentially in the original one Rest position returns, when the deforming force K is no longer applied to the membrane is.
Deshalb ist das Mikroventil vorteilhafterweise partikeltolerant, da ein Fremdkörper im Bereich des Ventilsitzes den Übergang der Membran von der Ruheposition in die Betätigungsposition nicht verhindern kann. Vielmehr wird die Membran durch den Fremdkörper in der Betätigungsposition entsprechend verformt. Der Durchflußkanal kann trotz des Fremdkörpers im Bereich des Ventilsitzes im wesentlichen vollständig verschlossen werden.Therefore the microvalve is advantageously particle tolerant as a foreign body in the area of the valve seat the transition Do not prevent the diaphragm from the rest position to the operating position can. Rather, the membrane is due to the foreign body in the actuation position deformed accordingly. The flow channel can despite the foreign body in the Area of the valve seat are substantially completely closed.
Der Begriff „Betätigungsrichtung” im Sinne dieser Erfindung beschreibt, eine Richtung, entlang welcher eine Kraft angelegt und ein Körper, insbesondere die Membran, verlagert bzw. verformt werden kann. Beispielsweise kann die Betätigungsrichtung B im wesentlichen senkrecht zu der Deckschicht oder dem Membranhalter des Mikroventils sein. Es ist auch möglich, daß die Betätigungsrichtung B mit der Bezugsebene, beispielsweise dem Membranhalter einen Winkel zwischen etwa 85° und etwa 60° einschließt.Of the Term "direction of actuation" in the sense This invention describes a direction along which a Power applied and a body, In particular, the membrane can be displaced or deformed. For example can the actuation direction B substantially perpendicular to the cover layer or the membrane holder be the microvalve. It is also possible that the actuating direction B with the reference plane, For example, the membrane holder an angle between about 85 ° and about 60 °.
Die Membran ist eine entlang der Betätigungsrichtung verjüngt ausgebildet, so daß die Membran vorteilhafterweise besonders zuverlässig gehalten wird, wenn die Membran durch eine Kraft K entlang der Betätigungsrichtung B beaufschlagt wird, um in die Betätigungsposition überfährt zu werden.The Membrane is one along the direction of actuation rejuvenated trained, so that the Membrane is advantageously kept particularly reliable when the Membrane acted upon by a force K along the direction of actuation B. is to be overrun in the operating position.
Der Begriff „Ruheposition”, wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beschreibt beispielsweise den Zustand bzw. die Position eines oder mehrerer Teile bzw. Elemente des Mikroventils, insbesondere der Membran. Der Begriff „Ruheposition”, wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beschreibt insbesondere diejenige Position der Membran, wenn das Mikroventil in unbenutztem Zustand (Zustand direkt nach der Herstellung) oder geöffnetem Zustand ist. In anderen Worten ragt die Membran in der Ruheposition nicht in den Durchflußkanal, so daß ein Fluid das Mikroventil im wesentlichen ungehindert passieren kann.The term "rest position", as used in the context of the present invention, describes, for example, the state or the position of one or more parts or elements of the microvalve, in particular the membrane. The term "rest position", as used in the context of the present invention, describes in particular that position of the membrane when the microvalve in the unused state (Zu was directly after production) or opened state. In other words, in the rest position, the membrane does not protrude into the flow channel, so that a fluid can pass through the microvalve substantially unhindered.
Der Begriff ”Betätigungsposition”, wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beschreibt einen von dem vorgenannten Zustand bzw. der vorgenannten Position verschiedenen Zustand bzw. Position der vorgenannten Teile bzw. Elemente, insbesondere der Membran. Im Gegensatz zu der Ruheposition wird in der Betätigungsposition eine Kraft K auf einen oder mehrere Teile bzw. Elemente des Mikroventils ausgeübt. Insbesondere ist die Membran in der Betätigungsposition zumindest bereichsweise entlang der Betätigungsrichtung B verformt bzw. verlagert und ragt zumindest teilweise in den Durchflußkanal hinein. Dabei sind die Bereiche der Membran, die Nahe zur Mittelachse der Membranhalteröffnung angeordnet sind, stärker verlagert bzw. verformt, als die Bereiche der Membran, die mit dem Membranhalter kontaktieren.Of the Term "operating position", as he is used in the context of the present invention, describes a different from the aforementioned state or the aforementioned position State or position of the aforementioned parts or elements, in particular the membrane. In contrast to the rest position is in the actuation position a force K exerted on one or more parts or elements of the microvalve. Especially the diaphragm is in the actuation position at least partially deformed along the direction of actuation B. or displaced and protrudes at least partially into the flow channel. Here, the areas of the membrane, which are close to the center axis of the Membrane holder opening are arranged, shifted more or deformed, as the areas of the membrane, with the membrane holder to contact.
Der Durchflußkanal ist in der Betätigungsposition im wesentlichen, insbesondere vollständig, durch die Membran verschlossen. In anderen Worten kann ein Fluid in der Betätigungsposition nicht entlang der Fließrichtung F durch den Durchflußkanal fließen, d. h. das Mikroventil sperrt den Durchflußkanal im wesentlichen vollständig. Dabei stehen die Betätigungsrichtung B und die Fließrichtung F vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zueinander.Of the flow channel is in the operating position essentially, in particular completely, closed by the membrane. In other words, a fluid can not travel along in the actuation position the flow direction F through the flow channel flow, d. H. the microvalve substantially completely blocks the flow channel. there stand the direction of actuation B and the flow direction Preferably substantially perpendicular to each other.
Der Begriff „Betätigungsposition”, wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beschreibt somit insbesondere eine Position gemäß der die Membran die Wandung des Durchflußkanals, insbesondere im Bereich des Ventilsitzes, mechanisch kontaktiert. Insbesondere ist ein direkter mechanischer Kontakt zwischen der Membran und dem Ventilsitz hergestellt.Of the Term "operating position", as he is used in the context of the present invention, thus describes in particular a position according to the Membrane the wall of the flow channel, especially in the area of the valve seat, mechanically contacted. In particular, it is a direct one made mechanical contact between the membrane and the valve seat.
Besonders vorzugsweise ist der Membranhalter einstückig ausgebildet. Weiter vorzugsweise umfaßt der Membranhalter des Mikroventils eine untere Membranträgerschicht, in der zumindest eine untere Membranträgeröffnung mit jeweils einer Mittelachse Mu und jeweils einem Durchmesser Du ausgebildet ist und eine obere Membranträgerschicht, in der zumindest eine obere Membranträgeröffnung mit jeweils einer Mittelachse Mo und jeweils einem Durchmesser Do ausgebildet ist, wobei die obere Membranträgerschicht mit der unteren Membranträgerschicht so verbunden ist, daß die Mittelachsen Mu und Mo im wesentlichen zusammenfallen, so daß die untere Membranträgeröffnung und die obere Membranträgeröffnung die Membranhalteröffnung ausbilden.Particularly preferably, the membrane holder is integrally formed. Further preferably, the membrane holder of the microvalve comprises a lower membrane carrier layer, in which at least one lower membrane carrier opening, each having a central axis M u and a diameter D u is formed and an upper membrane carrier layer in which at least one upper membrane carrier opening, each having a central axis M o and respectively a diameter D o is formed, wherein the upper membrane support layer is connected to the lower membrane support layer so that the central axes M u and M o substantially coincide, so that the lower membrane support opening and the upper membrane support opening form the membrane holder opening.
Vorzugsweise ist die untere Membranträgerschicht und/oder die obere Membranträgerschicht zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet und die oberen Membranträgerschicht mit der unteren Membranträgerschicht mittels des Klebemittels verklebt.Preferably is the lower membrane carrier layer and / or the upper membrane carrier layer at least one side coated with an adhesive and the top Membrane support layer with the lower membrane carrier layer glued by means of the adhesive.
Vorzugsweise ist das Klebemittel ein Schmelzkleber.Preferably the adhesive is a hot melt adhesive.
Vorzugsweise besteht die Membran aus einem Polymer und insbesondere aus einem Elastomer.Preferably the membrane consists of a polymer and in particular of a Elastomer.
Vorzugsweise besteht die Membran aus einem Silikon bzw. Silikongemisch.Preferably the membrane consists of a silicone or silicone mixture.
Vorzugsweise umfaßt das Mikroventil eine Basis und eine Durchflußkanalschicht mit zumindest einer Ausnehmung, wobei die Durchflußkanalschicht mit der Basis verbunden ist.Preferably comprises the microvalve has a base and a flow channel layer with at least a recess, wherein the flow channel layer with the base connected is.
Vorzugsweise ist das Durchflußelement mit dem zumindest einen Durchflußkanal einstückig ausgebildet.Preferably is the flow element formed integrally with the at least one flow channel.
Vorzugsweise ist der zumindest eine Durchflußkanal zumindest bereichsweise mit einem stetig gekrümmten, insbesondere einem konischen bzw. trapezförmigen bzw. halbkreisförmigen, Querschnitt ausgebildet.Preferably is the at least one flow channel at least in regions with a continuously curved, in particular a conical or trapezoidal or semi-circular, Cross section formed.
Vorzugsweise ist der Ventilsitz durch einen ausgehärteten Füllstoff zumindest bereichsweise stetig gekrümmt ausgebildet.Preferably is the valve seat by a cured filler at least partially steadily curved educated.
Vorzugsweise ist der ausgehärtete Füllstoff ein UV-härtender Klebstoff.Preferably is the cured one filler a UV-curing Adhesive.
Die Aktuation der Membran kann insbesondere pneumatisch, hydraulisch, mechanisch, elektro-magnetisch, thermo-elektrisch und/oder piezo-elektrisch erfolgen. Die mechanische Aktuation kann beispielsweise durch Stößel erfolgen, die über Kurvenscheiben gesteuert werden. Alternativ kann der Stößel auch elektromagnetisch gesteuert werden, z. B. durch eine umgebende Spule. Eine thermo-elektrische Aktuation kann durch elektrisches Aufheizen eines Fluid- oder Feststoffvolumens erfolgen, welches infolge der thermischen Ausdehnung bzw. der Volumenvergrößerung bei einer Änderung des Aggregatzustands (Verdampfung) die Membran aktuiert. Alternativ kann die Ausdehnung eines Feststoffes und die daraus resultierende Aktuation auch mittels des piezo-elektrischen Effekts erfolgen. Insbesondere kann die Aktuation der Membran auch durch eine Druckbeaufschlagung mittels eines Fluids, d. h. eines Gases oder einer Flüssigkeit, erfolgen.The actuation of the membrane can be effected in particular pneumatically, hydraulically, mechanically, electro-magnetically, thermoelectrically and / or piezoelectrically. The mechanical actuation can be, for example by plungers, which are controlled by cams. Alternatively, the plunger can also be controlled electromagnetically, for. B. by a surrounding coil. A thermoelectric actuation can be carried out by electrically heating up a fluid or solid volume, which actuates the membrane as a result of the thermal expansion or the increase in volume when the state of matter (evaporation) changes. Alternatively, the expansion of a solid and the resulting actuation can also take place by means of the piezoelectric effect. In particular, the actuation of the membrane can also be effected by pressurization by means of a fluid, ie a gas or a liquid.
Vorzugsweise umfaßt das Aktuationselement eine Aktuationskanalschicht mit zumindest einem Aktuationskanal und eine Deckschicht, wobei die Aktuationskanalschicht mit der Membranhalteroberseite des Membranhalters verbunden ist und wobei die Deckschicht mit der Aktuationskanalschicht verbunden ist.Preferably comprises the Aktuationselement an Aktuationskanalschicht with at least an actuation channel and a cover layer, wherein the Aktuationskanalschicht is connected to the membrane holder top of the membrane holder and wherein the cover layer is connected to the actuation channel layer is.
Weiter vorzugsweise sind die Deckschicht und/oder die Aktuationskanalschicht starr oder relativ zur flexiblen Membran starr ausgebildet, so daß sich die Deckschicht und/oder die Aktuationskanalschicht im wesentlichen nicht verformen, wenn der Druck im Aktuationskanal erhöht wird. Vorteilhafterweise ermöglicht ein derart ausgebildetes Aktuationselement eine verbesserte Aktuation der Membran, da nur geringe Druckverluste durch Verformung des Aktuationselementes auftreten.Further Preferably, the cover layer and / or the Aktuationskanalschicht rigid or relative to the flexible membrane rigid, so that the Cover layer and / or the Aktuationskanalschicht substantially do not deform when the pressure in the actuation channel is increased. Advantageously allows an actuation element designed in this way has an improved actuation the membrane, since only small pressure losses due to deformation of the Aktuationselementes occur.
Besonders bevorzugt kann das Aktuationselement einstückig ausgebildet sein.Especially Preferably, the actuator can be integrally formed.
Vorzugsweise ist die Deckschicht und/oder die Aktuationskanalschicht zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet und die Deckschicht mit der Aktuationskanalschicht mittels des Klebemittels verklebt.Preferably the cover layer and / or the Aktuationskanalschicht is at least coated on one side with an adhesive and the topcoat glued to the Aktuationskanalschicht by means of the adhesive.
Vorzugsweise erstreckt sich der zumindest eine Durchflußkanal im wesentlichen entlang einer ersten Längsrichtung L1 und der zumindest eine Aktuationskanal im wesentlichen entlang einer zweiten Längsrichtung L2, wobei der zwischen den Längsrichtungen L1 und L2 eingeschlossene Winkel θ von Null verschieden ist.Preferably, the at least one flow passage extends substantially along a first longitudinal direction L 1 and the at least one actuation channel extends substantially along a second longitudinal direction L 2 , the angle θ included between the longitudinal directions L1 and L2 being different from zero.
Vorteilhafterweise tritt eine Verlagerungen bzw. Verformung der Durchflußkanalwand nur im Bereich der Membran auf. Ein Druckunterschied zwischen dem Aktuationskanal und dem Durchflußkanal führt aufgrund des großen Abstandes zwischen beiden im Falle eines von Null verschiedenen Winkels zu einer geringen Verformung des Membranhalters und damit des Durchflußkanals.advantageously, occurs a displacement or deformation of the flow channel wall only in the area of the membrane. A pressure difference between the Actuation channel and the flow channel leads due to the large distance between them in the case of a nonzero angle a small deformation of the membrane holder and thus the flow channel.
Vorzugsweise umfaßt das Aktuationselement des Mikroventils zu jeder Membran einen der jeweiligen Membran zugeordneten Stößel als bevorzugten Aktuator. Vorteilhafterweise ist die Aktuierung in diesem Fall besonders einfach mechanisch durch die Verwendung von Kurvenscheiben oder elektromechanisch durch Spulen-Magnet-Systeme auszuführen.Preferably comprises the actuator element of the microvalve to each membrane one of respective diaphragm associated plunger as a preferred actuator. Advantageously, the actuation is particularly simple in this case mechanically through the use of cams or electromechanical through coil magnet systems perform.
Die mikrofluidische Pumpe gemäß einem AspektThe microfluidic pump according to one aspect
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine mikrofluidische Pumpe bzw. Mikropumpe zur Bewegung von Fluiden (d. h. Gasen und/oder Flüssigkeiten), wobei die Mikropumpe zumindest drei erfindungsgemäße Mikroventile aufweist. Insbesondere sind die zumindest drei Mikroventile wirkungsmäßig entlang des Durchflußkanals hintereinander geschaltet. Das Pumpen des Fluids erfolgt gemäß dem Prinzip der Peristaltik durch zyklisches Öffnen und Schließen der Mikroventile. Vorteilhafterweise kann die Pumprichtung durch eine Umkehr des Öffnungs- und Schließzyklus umgekehrt werden.One Aspect of the present invention relates to a microfluidic Pump or micropump for moving fluids (i.e., gases and / or Liquids), wherein the micropump at least three microvalves according to the invention having. In particular, the at least three microvalves are operatively along of the flow channel connected in series. The pumping of the fluid takes place according to the principle peristalsis by cyclic opening and closing of the Microvalves. Advantageously, the pumping direction can be reversed of the opening and closing cycle be reversed.
Vorzugsweise ist die Mikropumpe einteilig. Besonders bevorzugt ist die Mikropumpe aus Polymerfolien ausgebildet, welche miteinander verklebt bzw. laminiert sind und dadurch ein Teil bilden.Preferably the micropump is in one piece. Particularly preferred is the micropump formed from polymer films which are glued together or laminated and thereby form a part.
Das mikrofluidische System gemäß einem AspektThe microfluidic system according to one aspect
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System, welches zumindest eine erfindungsgemäße mikrofluidische Komponente (d. h. zumindest ein erfindungsgemäßes Mikroventil und/oder zumindest eine erfindungsgemäße mikrofluidische Pumpe), zumindest einen Durchflußkanal für ein Fluid und zumindest eine Funktionskomponente, welche mit dem Fluid in dem Durchflußkanal kontaktierbar ist, umfaßt.One Aspect of the present invention relates to a microfluidic System comprising at least one microfluidic component according to the invention (i.e., at least one microvalve according to the invention and / or at least a microfluidic according to the invention Pump), at least one flow channel for a fluid and at least one Functional component, which can be contacted with the fluid in the flow channel is included.
Unter „Kontaktierten” wird im Sinne der Erfindung verstanden, daß ein mechanischer und/oder elektrischer und/oder thermischer Kontakt zwischen dem Fluid in dem Durchflußkanal und der Funktionskomponente besteht.Under "contacted" is in Meaning of the invention understood that a mechanical and / or electrical and / or thermal contact between the fluid in the flow channel and the functional component.
Vorzugsweise ist die Funktionskomponente ein Sensor zur Bestimmung von physikalischen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaften des Fluids.Preferably is the functional component a sensor for determining physical, chemical and / or biological properties of the fluid.
Insbesondere ist dem Sensor mittels des Durchflußkanals das Fluid zuführbar, so daß der Sensor beispielsweise die Temperatur, den Druck, die Dichte, die elektrische Leitfähigkeit, die Viskosität, die Färbung, die chemische Zusammensetzung, die Art und Menge von im Fluid gelöster Substanzen und/oder Gasen und/oder im Fluid vorhandener Partikel und/oder Kolloide sowie die Anzahl im Fluid vorhandener mikrobiologischer Organismen.Especially the fluid can be supplied to the sensor by means of the flow channel, then that the Sensor, for example, the temperature, the pressure, the density, the electric conductivity, the viscosity, the coloring, the chemical composition, the type and amount of substances dissolved in the fluid and / or gases and / or particles present in the fluid and / or colloids and the number of microbiological organisms present in the fluid.
Vorzugsweise
ist die Funktionskomponente eine elektronische Komponente, wobei
mittels des Durchflußkanals
(
Weiter vorzugsweise wird der elektronischen Komponente zumindest während ihres Betriebes ein Kühlfluid zugeführt, um die in Wärme umgewandelte elektrische Verlustleistung der elektronischen Komponente von dieser abzuführen. Bei dem Kühlfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit mit einer hohen Wärmekapazität. Weiter vorzugsweise kann das Kühlfluid auch eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von kleiner oder gleich 100°C, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 80°C, insbesondere kleiner oder gleich 40°C sein. Weiter bevorzugt ist ein Kühlfluid mit einer hohen Verdampfungsenthalpie bzw. -energie. Bevorzugt ist die Verdampfungsenergie größer als 350 kJ/kg, weiter bevorzugt ist die Verdampfungsenergie größer als 450 kJ/kg, größer als 800 kJ/kg, insbesondere größer als 2200 kJ/kg. Insbesondere kann das Kühlfluid Wasser oder Ethanol sein. Die Kühlung der elektronischen Komponente kann vorzugsweise durch lediglich durch Erwärmung des Kühlfluids oder durch Verdunstung bzw. Verdampfung des Kühlfluids erfolgen.Further Preferably, the electronic component is at least during its Operating a cooling fluid supplied in heat converted electrical power dissipation of the electronic component dissipate from this. In the cooling fluid it is preferably a liquid with a high heat capacity. Further Preferably, the cooling fluid also a liquid with a boiling point of less than or equal to 100 ° C, more preferably smaller or equal to 80 ° C, in particular be less than or equal to 40 ° C. Further preferred a cooling fluid with a high enthalpy of vaporization or energy. Preferably, the Evaporation energy greater than 350 kJ / kg, more preferably the evaporation energy is greater than 450 kJ / kg, greater than 800 kJ / kg, in particular greater than 2200 kJ / kg. In particular, the cooling fluid may be water or ethanol be. The cooling the electronic component can preferably by only by warming of the cooling fluid or by evaporation or evaporation of the cooling fluid.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen, beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können einzelne Elemente und/oder Merkmale eines jeden beschriebenen Aspekts und/oder einer jeden beschriebenen Ausführungsform mit einzelnen Elementen und/oder Merkmalen der weiteren Aspekte und/oder weiteren Ausführungsformen in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden und somit weitere Aspekte und/oder Ausführungsformen gebildet werden.The The present invention is not limited to the above, by way of example embodiments limited. Rather, you can individual elements and / or features of each described aspect and / or each described embodiment with individual elements and / or features of the further aspects and / or other embodiments be combined in any way with each other and thus more Aspects and / or embodiments be formed.
Figurenbeschreibungfigure description
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:following become preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings by way of example explained. Show it:
Die
Die
obere und untere Membranträgerschicht
Die Membranträgerschichten werden vor dem gegenseitigen Verbinden derart angeordnet, daß die Mittelachsen Mu und Mo im wesentlichen zusammenfallen und anschließend in dieser Anordnung temporär fixiert. Das temporäre Fixieren kann beispielsweise durch Passerstifte, Klemmen oder Klebestreifen erfolgen, so daß eine gegenseitige Verschiebung verhindert wird.The membrane carrier layers are arranged prior to mutual bonding such that the central axes M u and M o substantially coincide and then temporarily fixed in this arrangement. The temporary fixing can be done for example by registration pins, clamps or adhesive strips, so that mutual displacement is prevented.
Um
den Membranhalter
Der
Membranhalter
Wie
in
An
der Membranhalteroberseite
Anschließend wird
ein flüssiges
Silikongemisch
Wie
in
Die
Schablone
Im
nächsten
Schritt wird, wie in den
In
der Aktuationskanalschicht
Die
Verbindung von Deckschicht
Wie
in
Die
Durchflußkanalschicht
Die
Durchflußkanalschicht
Die
mit dem Kleber beschichtete Seite der Durchflußkanalschicht
Wie
in
Um
diese Ecke an der Stoßkante
Der
Füllstoff
Wie
in
Die
Wie
in der
Alternativ
können
die ersten und zweiten Längsrichtung
L1 und L2 auch einen
beliebigen Winkel θ einschließen, wenn
der Membranhalter
Die
Die
Membran
Die
Membran wird dabei derart verformt, daß sie die Wandung der Durchflußkanals
Da
der Membranhalter
Die
An
der Membranhalteroberseite
Die
Form
Zur
Ausbildung der Membran kann ein Silikongemisch
Vorzugsweise
erfolgt die Zufuhr des Silikongemisches in zwei Schritten. Im ersten
Schritt erfolgt die Zufuhr des Silikongemisches
Bevor
die zugeführte
Menge des Silikongemisches
In
einem zweiten Schritt erfolgt die Zufuhr des Silikongemisches
Die
Die
Die
Membranhalteroberseite
Wie
in
Durch
ein entsprechendes Dosieren der aufgetragenen Menge des Silikongemisches
Die
Membran
Zur
Vermeidung von Verschmutzungen des Membranhalters sind vorteilhafterweise
weder eine Abdeckung
Wie
in den
Die
Aktuationskanalschicht
Die
Verbindung von Deckschicht
Wie
in
Wie
in
Die
Die
Die
Insbesondere
ist der Durchmesser Do größer als
der Durchmesser Du, vorzugsweise um einen
Faktor größer als
1,5. Mit anderen Worten ist die Membranhalteröffnung
Weiter
vorzugsweise wird die Membranhalteröffnung
Der
Membranhalter
Nachdem
eine vorbestimmte Menge des flüssigen
Silikongemisches
Wie
in
Wie
in
Wie
in
Auf
der dem Durchflußkanal
Alternativ
zum dem Stößel
Da
die Verbindung der einzelnen Bestandteile bzw. Schichten eines Mikroventils
Die
Um
die Förderung
eines Fluids in eine Fließrichtung
F im wesentlichen senkrecht zur Betätigungsrichtung B zu erreichen,
müssen
die zumindest drei Mikroventile
Die
Die
Das
mikrofluidische System
Der
Zellkulturkammer
Im
Anschluß an
die Zellkulturkammer
Der
Ablauf
Stromabwärts zur
Zellkulturkammer
Die vorliegende Erfindung ist nicht auch die obigen, beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können einzelne Elemente und/oder Merkmale eines jeden beschriebenen Aspekts und/oder einer jeden beschriebenen Ausführungsform mit einzelnen Elementen und/oder Merkmalen der weiteren Aspekte und/oder weiteren Ausführungsformen in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden und somit weitere Aspekte und/oder Ausführungsformen gebildet werden.The The present invention is not the same as those described above by way of example Limited embodiments. Much more can individual elements and / or features of each described aspect and / or each described embodiment with individual elements and / or features of the further aspects and / or other embodiments be combined in any way with each other and thus more Aspects and / or embodiments be formed.
Insbesondere
können
die verschiedenen Verfahrensschritte zur Herstellung der Membran
Weiterhin können auch die einzelnen Verfahrensschritte in geänderter Reihenfolge ausgeführt werden. Insbesondere ist die Reihenfolge bezüglich der Anordnung des Durchflußelementes und des Aktuationselementes an den Membranhalter beliebig.Farther can Also, the individual process steps are executed in a changed order. In particular, the order with respect to the arrangement of the flow element and the Aktuationselementes to the membrane holder arbitrarily.
- 11
- Mikroventilmicrovalve
- 33
- untere Membranträgerschichtlower Membrane support layer
- 55
- untere Membranträgeröffnunglower Membrane support opening
- 77
- obere Membranträgerschichtupper Membrane support layer
- 99
- obere Membranträgeröffnungupper Membrane support opening
- 1111
- Schmelzklebermelt adhesive
- 1313
- Membranhaltermembrane holder
- 1515
- MembranhalteröffnungMembrane holder opening
- 1717
- MembranhalteroberseiteMembrane halter top
- 1919
- AktuationselementAktuationselement
- 2121
- MembranhalterunterseiteMembrane holder bottom
- 2323
- Durchflußelementflow element
- 2525
- Abdeckungcover
- 2727
- wasserlösliche Beschichtungwater-soluble coating
- 2929
- Schablonetemplate
- 3131
- Schablonenöffnungstencil opening
- 3333
- Silikongemischsilicone mixture
- 3434
- Rakeldoctor
- 3535
- Dispenserspitzedispenser tip
- 3737
- Membranmembrane
- 3939
- Aktuatoractuator
- 4141
- AktuationskanalAktuationskanal
- 4343
- AktuationskanalschichtAktuationskanalschicht
- 4545
- Deckschichttopcoat
- 4747
- Durchflußkanalflow channel
- 4949
- BasisBase
- 5151
- DurchflußkanalschichtDurchflußkanalschicht
- 5353
- Ausnehmungrecess
- 5555
- Ventilsitzvalve seat
- 5757
- Stoßkanteimpact edge
- 5959
- benetzender Füllstoffwetting filler
- 6161
- elektrische Zuleitungelectrical supply
- 6363
- Mikropumpemicropump
- 6565
- Formshape
- 6767
-
Aussparung
in der Form
65 Recess in the form65 - 6969
-
Zuleitung
in der Form
65 Supply line in the form65 - 7171
-
Ableitung
in der Form
65 Derivative in the form65 - 7373
- mikrofluidisches Systemmicrofluidic system
- 7575
- Dialysebereichdialysis treatment
- 7777
- GasaustauschbereichGas exchange area
- 7979
- ZellkulturkammerCell culture chamber
- 8181
- Filterfilter
- 8383
- pH-SensorpH sensor
- 8585
- Sauerstoffsensoroxygen sensor
- 8787
- Glucosesensorglucose sensor
- 8989
- Laktatsensorlactate sensor
- 9191
- Drucksensorpressure sensor
- 9393
- FließratensensorFlow rate sensor
- 9595
- Ablaufprocedure
- 9797
- ZulaufIntake
- BB
- Betätigungsrichtungoperating direction
- Do D o
- Durchmesserdiameter
- Du D u
- Durchmesserdiameter
- FF
- Fließrichtungflow direction
- ff
-
Fließrichtung
im Zulauf
97 Flow direction in the inlet97 - f'f '
-
Fließrichtung
im Ablauf
95 Flow direction in the drain95 - KK
- Kraftforce
- L1 L 1
- erste Längsrichtungfirst longitudinal direction
- L2 L 2
- zweite Längsrichtungsecond longitudinal direction
- Mo M o
- Mittelachsecentral axis
- Mu M u
- Mittelachsecentral axis
- PP
- Druckprint
Claims (38)
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