CN101037032A - 基于二维基板的三维结构 - Google Patents

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Abstract

微流器件包括层叠结构，该层叠结构包括多个层。至少一个层(1)包括微流结构或微流槽道(3)，所述层的至少一侧布置有另外的层(11)，该另外的层(11)包括三维结构(13)，使得该三维结构影响流体在微流槽道(3)中的流动特性。

Description

基于二维基板的三维结构
技术领域
本发明涉及一种微流器件，该微流器件包括层叠结构或构造(在下文中，这两个术语将用为同义词)，本发明还涉及一种用于制造该微流器件的方法。
背景技术
除了普通的平面或二维微流器件，还已知包括至少一个层的多层微流器件，该至少一个层具有流体通路或槽道或者流体结构。这些多层器件或各个层通过公知技术来制造，例如蚀刻、注射模制、冲压、切割等。
例如，WO 01/25137提出制造模块式三维微流器件，该微流器件使用多层，大多数层通过蚀刻工艺(例如由光刻法可知)来制造和处理。在该所提出的器件中，流体槽道布置在多个层中，这些槽道在各层之间相互连接，从而形成三维流体网络。
WO 99/19717或U S6827906分别提出了制造包含微结构阵列的三维微流器件。通过微槽道来输送流体是利用电渗流或通过电泳来实现。该微流器件是多层阵列，各层由一种从滚筒上连续拉出的层叠物形成，并通过处理步骤来产生开口、储槽、流动槽道等。
而且，EP1542010还记载了一种分析芯片单元，它包括多个层，流动槽道延伸通过这些层。使得流体样品流过该流动槽道(该流动槽道的截面为封闭形状)，以便根据预定物质与特定物质之间的相互作用来对该流体样品进行分析，该特定物质布置成面对着所述流动槽道。该芯片还具有安装在所述流动槽道上的凸出部件。因此，利用EP1542010的布置能够非常精确且高效地分析流体样品。
这些已知的三维微结构和用于制造这些三维微结构的方法的缺点在于，它们只能通过使用各种二维基板层或通过复杂处理(例如若干蚀刻工艺)而获得。换句话说，这些已知的三维微结构的制造成本很高。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种由简单构造或结构构成的三维微流结构。本发明的另一目的是一种制造用于微流器件的三维微结构的方法，通过该方法，能够以低成本来获得三维结构。
在第一方面，本发明涉及一种如权利要求1所述的用于制造微流器件的方法。
本发明的用于制造微流器件(该微流器件包括由各层叠层制成的层叠结构或构造)的方法的特征在于：为了在优选为平面二维层中形成包括三维结构的至少一个层，通过蚀刻、冲压、切割、激光切割、辊轧切割或通过任意其它合适方法来制成特定二维图形或二维结构，随后进行机械和/或热成形步骤，以便形成与该二维图形或二维结构相对应的三维结构。
优选是该基础二维层由各向异性基板材料构成，用于产生该三维结构的该图形通过合适方法(例如冲压、切割或蚀刻等)形成在该基板材料上，随后通过施加力对该基板进行成形，使得该结构基础图形被迫使出到该二维基板外，以便形成该三维结构。
该三维结构的形成能够以机械或热方法或者通过其它合适方法而获得。
该二维基板的各向异性(意思是特性依赖于方向)必须为这样，即，在成形之后，在该基板上最初形成的该基础图形被迫使沿着该方向出到该平面外，使得该三维结构影响在该至少一层(该层布置成靠近该另外的层)中的微流槽道。
在第二方面，本发明涉及一种如权利要求5所述的微流器件。
本发明的微流器件包括一种多层层叠结构或构造，它包括多个层，这些层中的至少一个层包括微流槽道结构或微流槽道，且所述层的至少一侧有另外的层，该另外的层包括所谓的三维结构，该三维结构影响在该至少一个层中的微流槽道或结构内的流动特性。
包括该三维结构的层由包括各向异性材料的基础二维层得到。
根据一种可能设计，本发明的微流器件包括至少四层，诸如底层、包含该三维结构的该另外的层、包括该微流槽道结构或构造的该至少一个层、以及顶层，该底层和/或该顶层包含至少一个进口开口和一个出口开口。
本发明微流器件的其它优选设计在从属权利要求中确定。
根据本发明的一个可能示例，所使用的基板材料可以在其两侧或表面上具有不同的弹性模量、弯曲强度或热拉伸系数。但是也可以是所使用的基板材料在其两侧具有在其它方面不相同的物理特性，例如不同的导热系数，这能够通过施加热量而导致不同的热成形。
还可以使用在两侧具有不同导电特性的材料，这样，通过施加电流，在基板的两侧获得不同加热，这也能够导致不同的热成形。
根据本发明的还一可选方式，对于包括该微结构的该至少一个另外的层，可以使用具有至少稍微增大厚度的一层基板材料。在该具有稍微增大厚度的该另外的层中，能够通过冲压、切割、蚀刻、激光切割等而产生三维图形，包括孔、槽道等。该另外的层的三维特征通过该另外的层的该至少稍微增大的厚度以及相应的图形状结构而获得。
本发明方法的其它实施例由从属权利要求示例说明。
附图说明
下面将通过示例来更详细地介绍本发明，这些示例将在附图中表示。附图中：
图1示意表示了要通过层叠而进行组合的四层，用于制造本发明示例的微流器件；
图2示意表示了图1的各层的层叠，用于制造该微流器件；
图3示意表示了通过变形来制造三维微结构；
图4表示了用于通过变形来制造三维微结构层的还一可能方式；
图5再次表示了用于通过变形来制造三维微结构层的还一可能方式；
图6再次表示了通过变形来制造三维微结构层的还一可能方式；
图7再次表示了通过变形来制造三维微结构层的还一可能方式；
图8表示了三维微结构层的示例；
图9表示了包括图8的三维微结构的本发明微流器件的组装；
图10表示了三维微结构层的还一设计；
图11再次表示了三维微结构层的还一可能设计；
图12表示了三维微结构层的还一示例；
图13a表示了计划作为三维微结构层的还一层，它包括预定结构的基板，具有例如用于检测化学性质的点；
图13b表示了图13a的三维微结构层的扩大部分在成形后的情况；
图14表示了通过切割具有扩大厚度的基板层来制造三维微结构的还一可能方式；
图15表示了基于具有扩大厚度的基板层的还一三维微结构；以及
图16表示了具有具有扩大厚度的基板层的三维微结构的还一示例。
具体实施方式
图1示意表示了由例如四个不同层构成的微流器件结构的可能示例，该四个层诸如有层1，该层1它包括微流槽道结构3，例如样品流体沿该微流槽道结构3而流过各种截面、隔腔、储槽等，以便以预定方式进行处理。紧接在具有微流槽道的层1之后示出了另一层11，该层11包括三维微结构13。该微结构13的这些面外(out of plane)延伸部分各自影响经过层1内的微槽道3的流体样品的流动特征，以便保证例如该流体样品在流过槽道3时合适混合、使流体内的固体组分溶解、影响流阻等。
最后，在这两层1和11的两侧上布置有顶层31和底层21，以便在两侧上完成该微流器件。在顶层31中提供有进口开口33和出口开口35，用于注入样品以及用于收集最终经处理、反应和/或分析的测试样品。
在图2中示意表示了这四层1、11、21和31怎样能够例如通过层叠各层而进行组合。
根据本发明方法，该三维结构可以首先独立于包括微流槽道的该器件而由合适的二维基板(例如薄膜或金属板)制造，然后与其它层组合，以便形成所述微流器件。当然，该三维结构优选是根据微流槽道的设计来制造。下面将参考其它附图详细介绍用于构成和形成该基板以便制造该三维结构的可能方法。所有方法的共同点是，首先通过使用合适方法来构造该平面二维基板，以便产生该微结构的基础形式。然后，根据一种可能方法，将该基板成形为使得该结构化基础图形被迫使出到该二维基板外，以便获得该三维结构。为了构成该基板，各种已知方法都合适，例如蚀刻、激光切割、常规切割、冲压、通过使用切割辊的微结构切割等。该二维结构的变形可以通过机械或热方式来进行，或者通过使用其它合适方法。基本上，优选是使用平面基板，该平面基板可以有各向异性的取决于方向的特性，这些特性是指形成方向力的特性，该方向力优选是垂直于基板平面，以便于该平面基板中的结构图形的面外变形。优选是，该基板中的各向异性是这样，即通过施加相应的力，最终朝着该二维基板的相同侧压迫该预先构造的图形。
一种可能的变形技术是机械成形，该机械成形将参考后面的图3至7表示。图3a表示了平面二维基板11，其中，各结构图形12通过合适方法(例如切割)来产生。通过施加变形力，将该预定结构的图形12迫出到该平面11′外，以便产生如图3b中所示的凸出部分13。该变形例如可以通过该平面11的简单弯曲运动、通过将该基板11压在辊或边缘上、或者通过施加变形力等来实现。
类似地，可以从图4a和5a中所示的各平面二维基板11出发通过机械变形来获得如图4b和图5b中所示的三维结构11′。
机械变形还用于获得如图6b和7b所示的三维结构，其中，不是施加弯曲力或变形力，而是可以根据图6b中所示的两个箭头K施加伸长扩张力。该三维结构的基础还是平面二维基板11，在该基板11中产生各自的结构12，如图6a和7a中所示。当然，可以代替拉伸力，而再次施加弯曲力，这特别能够用于制造图7b的该三维结构。
图8中表示了一个三维结构示例的透视图，其中，在基板11′上形成各微结构13。
图9表示了与图1和2中所示器件相对应的微流器件的实施例的组装。用于该微流器件的基础还是一个类似于层1的平面二维板，微流槽道结构3布置在该平面二维板中。微流槽道结构包括各种槽道、储槽、混合区域等。为了影响沿槽道通路3流动的样品在另一层15中的流动，还布置了三维微结构13，该三维微结构13能够通过插入基板11′而引入该层15中，该基板11′包括如图8中所示的三维微结构13。最后，图9的微流器件包括底层21和顶层31，该顶层31包括进口开口35和出口开口33。当然，可以不是只有一个三维结构层11′，另一三维结构层也可以布置在该层15上，以便影响流体样品沿该槽道或流动通路3的流动。
可以不是使平面二维基板11通过机械或热方式进行成形以获得三维微结构，而是可以通过利用专用工具(例如成形工具)来处理平面该基板11的一侧面，以获得如图10和11中示意性示出的成形结构17和18，从而制成三维结构。在图10中表示了斜槽17，而在图11中表示了断开的横向槽18。这些槽之间的距离可以是例如10-100μm，槽的深度可以是例如30μm。通常，在图11中的槽的角度可以是例如45°。
也有可能具有所谓的柱阵列19来代替这些槽，如图12中示意所示。这些柱阵列可以例如通过按照光刻法工艺的蚀刻而制造。在各柱19之间的距离可以是例如200μm，柱的直径可以是例如100μm，各柱的高度可以是例如50μm。
参考图1至12的所示结构通常用于微流器件。优选是，这些三维微结构用于具有层状结构的器件中，该层状结构的意思是器件具有多层。如参考图1、2和9所述，这些器件包括作为底层的基础、顶层、具有微流通路的一层或多层、以及具有本发明所述三维结构的一层或多层。
优选是，本发明的器件用作：
-混合结构，例如所谓的鱼脊形，用于使样品液体与一种或多种溶剂和/或试剂均匀混合，或者用于使两种或更多组分混合，或者用于迫使该样品液体具有特定流量，或者用于改变槽道中的流阻。
-溶解结构，该溶解结构是能够在与样品液体流动方向相垂直的方向上进行物质传送的结构，这样，能够使得例如粘在微流槽道的槽道底部的干缩组分能够均匀分布在整个槽道方形截面上。而且，通过使用该三维微结构，通常使得流体槽道中的固体组分能够更好地由液体样品溶解，或者在槽道中的干缩组分能够通过使用溶剂而被润湿并再次溶解。
-使用该三维微结构的另一效果是分别影响在槽道中运动的流体的流量、流速或流阻，以及实现在该微流槽道中的特定流动剖面。
例如，在槽道中部的干缩组分能够在没有危险的情况下通过使用微结构而溶解，受毛细作用的影响，组分将积累在槽道壁上。一旦进行积累，组分将很难从壁上析取，因为在该处的流速减小(由于抛物线形流动剖面)。
溶解结构(例如图12中所示的柱阵列)能够促进槽道内的干缩组分的溶解，这是因为干缩组分不会以紧凑体积的形式干缩。由于作为柱阵列的微结构，具有干缩组分的溶解区域提供了用于溶剂的多个基础点，因此，与没有结构的情况相比，干缩组分能够更快溶解。
还一用途是通过产生所谓的微镜阵列而获得的微光学用途，以便在微流槽道中获得共焦光学检测。在这一方面，我们参考图13a和13b，图中示意表示了另一专用三维微结构。在图13a中，在平面基板11上表示了一个三角形结构图形12，该结构图形12包括在各三角形峰顶处的检测点14。通过施加弯曲力或扭转力，将迫使各三角形出到该平面11外，以便产生向上弯曲的三角形状部分13，该部分13包括在各峰顶处的检测点14。通过施加特定的照明步骤(例如光束沿特定角度射向该弯曲部分13)，光可以从检测点14反射，这样，并不弯曲的部分的背景信号将减小。用于减小不弯曲部分的背景信号的另一方法是仅以共焦方式使检测光聚焦在弯曲部分上，这意味着焦点之外的所有光都被遮蔽。
通过使该点(例如只是该点的一部分区域)定位成覆盖弯曲部分，有效点尺寸(该点的位于弯曲位置上的部分)相比于全部点面积来说是降低了。这能够产生较小的有效点，而不需要减小该点区域的总尺寸。
在本发明中要分析的流体样品例如可以是所准备的人体或动物体液，例如血液。
还可以通过使用另外层(该另外层的层厚优选是充分大于例如包括微流槽道的层的厚度)来产生三维微结构。具有增大厚度的层的各示例如图14至16所示。在具有增大厚度的基板41中例如通过使用切割刀来形成结构图形42，如图14a中所示。通过冲压出该所形成的结构件42，将形成在基板层41中的孔49，如图14b示意所示。以类似方式可形成微结构三维图形44和46，如图15和16中示意所示。再有，如图14至16中所示的基板可以与包含微流槽道的层相组合，以便产生与图1、2和9中所述类似的微流器件。不用说，图14-16中所示的结构也能够影响微流层中的槽道或通路内的液体样品的流动，该微流层布置成紧邻该三维结构(例如在该三维结构的顶部上)。
本发明的较大优点是微流器件的三维微结构不必以非常精确的方式相对于含有槽道的层相对齐。三维微结构的制造能够独立于含有槽道的结构。然后再通过使这两层交叠而使两个结构布置在一起。这降低了在最终微流器件的装配过程中使这两层对齐的要求。
图1至16只表示和介绍了三维微结构示例和使用本发明三维微结构的微流器件示例，其它设计和其它组合也可以制造微流器件。重要的是，该三维微结构在独立层中制造，并与其它层组合成微流器件。换句话说，并不需要在一个基板上构造多层，例如使用多个蚀刻步骤，如在光刻技术中所知。而且，并不必须使用多层来获得该三维结构，而是该三维结构可以通过使用一层并随后通过例如机械或热处理(如上所述)来实现。还可以使用具有增大厚度的基板层来获得该三维结构，而代替机械、热或化学处理。
通过使用本发明方法和本发明的三维结构，可以以简单方式获得三维多功能微结构，而不需要使用掩模来构造多层(如本领域中所知)。通过使用所述三维微结构，制造微流器件的制造成本可以更低。而且，根据流量、流速、微流功能、使用的各种流体样品、使用的干组分、化学反应等的要求，三维微结构可以根据微流槽道或结构的功能而分别进行变化。

Claims (9)

1.一种用于制造微流器件的方法，该微流器件包括由各层叠层制成的层叠结构，其中：
为了在优选为平面二维层中形成包括三维结构的至少一个层，通过蚀刻、冲压、切割、激光切割、辊轧切割或通过任意其它合适方法来制成特定图形或二维结构，随后进行机械和/或热成形步骤，以便形成与该二维图形或二维结构相对应的三维结构，
其特征在于：
用于形成该三维结构层的该基础二维层由各向异性材料构成，该二维层通过机械或热成形来处理，使得该二维图形或二维结构被迫使出到平面外，以便形成该三维结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该二维层被弯曲、或者被压在一边缘上、或者通过施加扭转力而旋转，使得在该二维层中最初形成的该图形或结构被迫使出到平面外，以便形成该三维结构。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：包含该三维结构的至少一个层与包含微流槽道结构的层相组合或布置成紧接着该层，使得该三维结构影响流体流经该微流槽道的流动。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：至少四层组合以便制成该微流器件，这四层包括底层、包括该微流槽道结构的至少一个层、包含该三维结构的至少一个另外的层以及一个顶层，且该底层和/或顶层包含至少一个进口开口和一个出口开口。
5.一种微流器件，包括层叠结构，该层叠结构包括多个层，这些层中的至少一个层包括微流结构或微流槽道，其特征在于：所述层的至少一侧布置有一另外的层，该另外的层包括三维结构，使得该三维结构影响流体在该微流槽道内的流动特性，该另外的层由二维基板得到，该二维基板包括各向异性层状材料。
6.根据权利要求5所述的微流器件，其特征在于：在该另外的层中的该三维结构可通过对包括各向异性层状材料的该二维基板进行机械成形或热成形而获得。
7.根据权利要求5所述的微流器件，其特征在于：包含该三维结构的该另外的层包括至少稍微增大的厚度。
8.根据权利要求5-7中任意一项所述的微流器件，其特征在于：该器件包括至少四层，诸如底层、包含该三维结构的该另外的层、包括该微流结构的该至少一个层、以及顶层，该底层和/或该顶层包含至少一个进口开口和一个出口开口。
9.根据权利要求5、6或8所述的微流器件，其特征在于：在该另外的层中的该三维结构可通过向优选为平面二维结构层上施加弯曲或扭转力而获得，该平面二维结构层在其两侧具有不同的物理和/或热特性，这样，通过施加该弯曲力或扭转力，该结构被迫使出到该二维平面外，以便产生该三维结构。
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