CN103648648B - 微流体装置以及用于制造微流体装置的方法 - Google Patents

微流体装置以及用于制造微流体装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微流体装置，其包括至少两个相互上下布置的层、布置在所述两个层之间的薄膜、在所述两个层的一个层中的空穴以及在所述两个层的另一个层中的通道，其中所述薄膜可延展地布置在空穴和通道之间并且其中所述薄膜布置成可延展到至少一个预先给出的排挤体积中。本发明同样涉及一种用于制造微流体装置的方法、微流体装置的用途以及微流体系统。

Description

微流体装置以及用于制造微流体装置的方法
技术领域
本发明涉及一种微流体装置、用于制造微流体装置的方法以及微流体装置的用途。
背景技术
微流体装置在分子诊断的实验应用范围内例如用作芯片实验室系统。使用这种微流体装置不仅实现了大型实验室或医疗中的诊断，而且病人例如也可以借助于微流体装置在家里自行实施检测，例如对指标或者血糖水平进行检测。
这种微流体装置例如由带有集成的通道和/或空穴的聚合物板制成，从而输送并且/或者过滤流体以及类似物。为了能够用流体或压缩空气对微流体装置进行加载，该微流体装置经由软管与提供流体的装置连接。通过软管提供流体的装置能够有针对性地使通道和/或空穴以压力加载并且有由此使流体运动。此外，能够气动控制微流体的泵和/或阀门。为了能够有针对性地实施微流体装置的单个功能，需要不同的压力或压力水平。该压力或者压力水平由微流体装置外部的气动装置产生并且通过微流体装置的额外的接口提供该压力或者压力水平。
由WO 2007109375 A2公开了一种用于微流体装置的微流体的止回阀。微流体的止回阀在此包括一个入口、至少三个薄膜阀，包括阀门入口、阀门出口、阀门控制机构和弹性体薄膜。在用压力或者真空对阀门控制机构进行加载时偏转弹性体薄膜，从而调整流体的流动。其中两个阀门如此与第三个阀门连接，使得微流体的止回阀的入口上足够大的真空导致打开第三阀门并且在微流体的止回阀的入口上提供足够的压力，从而关闭第三阀门。
由US 200770166199 A1公开了一种微流体系统，其包括带有开口的气动的多重分配器以及带有通道的芯片分配器，从而将气动信号从相应的开口送入微流体芯片中可压力操作的薄膜处。在此，所述通道根据可压力操作的薄膜在微流体芯片中确定的配置来输送气动信号。该微流体的芯片同样包括用于存储流体试剂的试剂存储器以及用于存储流体试剂的反应产物的输出存储器。
发明内容
在权利要求1中定义了微流体装置，其包括至少两个相互上下布置的层、布置在所述两个层之间弹性的薄膜、布置在所述两个层之一中的空穴以及至少一个在所述至少两个层的另外一个层中的用于以压力加载薄膜的通道，其中薄膜可布置成可延展到至少一个预先给出的排挤体积中。
在权利要求12中定义了用于制造按权利要求1到11中至少一项所述的微流体装置的方法，其中借助于铣削、注塑和/或热压来至少形成空穴和/或通道。
在权利要求14中定义了将按权利要求1到11中至少一项所述的微流体装置用作芯片实验室系统的用途。
在权利要求15中定义了具有多个按权利要求1-11中至少一项所述的微流体装置的微流体系统。
通过预先给出的排挤体积能够以简单的方式在具有多个微流体装置的微流体系统内部提供空穴的不同的压力水平，其中只需从外面为微流体系统或者微流体装置提供单个压力水平。
本发明的基本构思在于，为了限制空穴中的压力变化，虽然存在通过由外面提供的更高或更低的压力或者虽然以该压力加载薄膜，但是该薄膜还是延展并且如此改变空穴中的压力，然而没有超过预先确定的值。通过薄膜的延展降低了空穴的整个体积，由此使得空穴中的压力增加。在此，空穴中在达到薄膜最大延展时实现的压力独立于外部提供的压力，只要外部压力的压力水平大得足以将薄膜完全偏转到预先给出的排挤体积中。当在外面施加的压力在用于薄膜完全延展的最小压力上方摆动时，例如由于不稳定的外部压力发生器，在薄膜完全延展时空穴中的压力也是恒定的。以这种方式一方面提高通过薄膜在空穴中提供压力的可靠性，另一方面由此也实现了更有利的压力发生器用于为微流体装置提供外部压力。
本发明同样提供了以下优点，即对于微流体系统来说能够放弃用于提供不同压力的外部的压力发生器，因为借助于薄膜、空穴以及限制机构能够在微流体系统内部产生降低的压力。由此能够成本特别有利地控制微流体系统以及微流体装置。也可以显著更紧凑地构造提供流体的装置：如果需要在微流体系统中非常精确地预先给出确定的压力，那么需要通常麻烦的并且由此成本高的外部压力发生器，以能够提供精确的压力。由于限制机构，可以尤其经由薄膜的排挤体积的预先给出的尺寸特别精确地预先给出空穴中所希望的压力。
此外，本发明也提供了以下优点，即也简单并且可靠地实现了非常小的超压。通过构造限制机构，尤其通过限制机构提供了用于薄膜的相应小的排挤体积，也能够简单并且可靠地提供最小的超压。最后，本发明也提供了以下优点，即能够降低外部的压力发生器与微流体系统之间接口的数量。不仅引起制造成本的降低，而且也引起更少的易错性以及更少的维护成本。
本发明的其它有利的实施方式和特征在从属权利要求中描述。
根据本发明的有利的改进方案布置了限制机构，构造该限制机构用于限制至少一个排挤体积。由此以简单并且可靠的方式实现了排挤体积的定义。
根据另一有利的改进方案构造了用于限制薄膜延展的限制机构。以这种方式确保简单可靠地实现预先给出的压力水平。如此，例如能够如此构造所述限制机构，从而在薄膜的最大延展中提供空穴与通道之间尽可能小的面积。如此避免了薄膜例如由于更高的压力而进一步延展以及提高空穴中的压力水平。
根据另一有利的改进方案，所述限制机构作为凹处尤其止挡构造在所述两个层的至少一个中。以这种方式能够简单并且成本低廉地制造微流体装置以及限制机构。
根据另一有利的改进方案，通过薄膜在所述至少两个层中的至少一个层上固定部位的延伸尺度来构造限制机构。由此实现的优点是，由此所述排挤体积还可以在微流体装置的制造期间变化或者能够配合当前的边界条件。以此实现了微流体装置的特别灵活的制造。
根据另一有利的改进方案，在空穴与至少一个排挤体积之间布置连接通道。如果用压力加载基本上固定在所述两个层的至少一个层上的薄膜，那么该薄膜延展到预先确定的排挤体积中。在此会由于多次偏转所述薄膜强烈地对固定部位进行加载，并且因此将薄膜至少部分地与所述至少一个层松脱。通过布置通道，显著提高了固定薄膜的可靠性，因为所述连接通道提供了变窄部分，该变窄部分反作用于薄膜与所述至少一个层可能的松脱。
根据本发明的另一有利的改进方案，通过至少一个凸板（Steg）形成连接通道。由此实现的优点是，由此显著降低薄膜松脱或者提起的危险。这提高了微流体装置的使用寿命。此外也能够借助于凸板成本低廉地提供连接通道。
根据另一有利的改进方案，将至少其中一个排挤体积构造成通道。由此能够特别简单地制造微流体装置，因为只需在所述至少一个层中提供用于通道以及排挤体积的唯一的区域。
根据本发明的另一有利的改进方案，所述凹处包括倒圆的棱边。以这种方式确保了弹性薄膜一方面能够排挤通过限制机构定义的整个排挤体积，同时在薄膜的重复操作中相应地降低了薄膜损坏的危险。
根据另一有利的改进方案，构造另一层作为用于空穴的覆层。以这种方式能够以特别简单的方式通过除去用于空穴的第二层来形成空穴。所述覆层就实现了空穴的覆盖，从而压力密封地通过覆层封闭该空穴。
根据本发明的另一有利的改进方案，所述层中的至少一个层由聚合物、尤其热塑性塑料制成并且/或者所述薄膜由热塑性的弹性体和/或热塑性塑料制成。以此实现的优点是，由此能够简单并且成本低廉地制造微流体装置并且在成本低廉的制造同时实现了薄膜的足够长的使用寿命。作为聚合物尤其能够使用热塑性塑料例如PC、PT、PE、PMMA、COP、COC以及类似物。
根据按权利要求12所述的用于制造微流体装置的方法的另一有利的改进方案，借助于激光透射焊接、超声波焊接和/或粘贴方法将所述至少两个层固定地相互连接。以这种方式能够可靠并且成本低廉地实现微流体装置的层结构的连接。
此外，借助于微流体装置也可以在空穴中提供负压。在这种情况下，在薄膜的背对空穴的一侧上，例如在通道的一侧上，提供所述排挤体积，尤其用于限制薄膜延展的限制机构。
附图说明
本发明的其它特征以及优点从下面根据附图对实施例的描述中获得。在此以示意性的方式示出：
图1a是按本发明的第一实施方式的微流体装置的俯视图；
图1b是按第一实施方式的微流体装置的横截面；
图2a是按第二实施方式的微流体装置；
图2b是按第二实施方式的带有对薄膜进行压力加载的微流体装置；
图3是按第三实施方式的微流体装置；
图4a是按本发明的第四实施方式的微流体装置的俯视图；
图4b是按第四实施方式的微流体装置的横截面；
图5是按第五实施方式的微流体装置；
图6是按第六实施方式的微流体装置；以及
图7是按第七实施方式的微流体装置。
具体实施方式
图1以俯视图以及横截面图示出了按第一实施方式的微流体装置。
在图1a、1b中，附图标记M表示微流体装置。该微流体装置M在此包括上面的聚合物层1以及下面的聚合物层3（在图1a中没有示出）作为按图1a、1b的最上面的层。在图1a中用虚线说明在下面的聚合物层3中的元件。在下面的聚合物层3中布置了通道4a，该通道与同样构造在下面的聚合物层3中的下面的排挤体积7b进行气动连接。所述下面的排挤体积7b还与布置在所述两个聚合物层1、3之间的薄膜2气动地连接。在此，所述薄膜2基本上形成了微流体装置M的第二层。在此，该薄膜2可以基本上完全延展到下面的排挤体积7b中。还在上面的聚合物层1中布置了空穴6，该空穴与上面的排挤体积7a气动地连接。在此，所述上面的排挤体积7a作为凹处5a构造在上面的聚合物层1中。在此，所述薄膜2如此布置在所述两个聚合物层1、3之间，使得所述薄膜2能够根据通道4a的压力加载延展到上面的排挤体积7a中或者下面的排挤体积7b中。如果薄膜2延展到布置在下面的聚合物层3中的下面的排挤体积7b中，那么降低了空穴6中的压力。如果薄膜2延展到上面的聚合物层3的上面的排挤体积7a中，那么提高空穴6中的压力。
按图1a和1b的薄膜2通过焊缝或者粘贴连接2’与下面的聚合物层1以及上面的聚合物层3连接。在此，焊缝或者粘贴连接2’在通道4a的范围内布置在上面的聚合物层1上，并在空穴6的范围内布置在下面的聚合物层3上。在此，所述上面的排挤体积7a一方面通过凹处5a确定，另一方面也通过焊缝或者粘贴连接2’在下面的聚合物层3上的延伸尺度确定。由此，所述空穴6由按图1b的凹处5a的部分形成，薄膜2由于固定在下面的聚合物层3上而不会延展到所述凹处中。薄膜2通过在通道4a中的负压形成完全延展到由凹处5b形成的下面的排挤体积7b中。在所述空穴6上布置了构造在上面的聚合物层3中的其它通道4b，该通道用于连接到可气动操作的部件上，例如微流体的泵、阀门、过滤器、存储器、腔室、混合器以及类似部件。
通常在通道4a中提供压力，弹性构造的薄膜2通过该压力能够延展到上面或者下面的排挤体积7a、7b中。对于空穴6中的压力按波义耳-马里奥特定律来说就适用：
其中p2描述了操作薄膜2之后的压力，p1描述了正常压力、也就是薄膜2不延展并且/或者压缩的压力，VV描述了排挤体积7a、7b，VK描述了空穴6的体积并且VR描述了所有剩余的与空穴6连接的体积，例如通道4b或类似结构。
在图2a、2b中示出了没有以及带有对薄膜进行压力加载的按第二实施方式的微流体装置。
在图2a、2b中基本上示出了按图1的微流体装置M的类似的构造。与图1不同的是，所述下面的排挤体积7b又构造成凹处5b，然而构造成所述通道4a的通道段。以这种方式能够简单地使下面的聚合物层3结构化或者能够制造下面的聚合物层3，此外实现了微流体装置M的空间节省，因为下面的聚合物层3的厚度更小。在图2a中示出了处于未加载的状态下的薄膜2，也就是说通道4a和空穴6中的压力基本上一样大。虚线说明了空穴6（薄膜2不能延展到该空穴中）与上面的排挤体积7a（薄膜2在输入通道4a压力加载时能够延展到该排挤体积中）之间的界限。在空穴6的范围内，所述薄膜2以焊缝或者粘贴连接2’固定在下面的聚合物层3上，相反所述薄膜2在没有焊缝或者粘贴连接2’的区域内、也就是上面的排挤体积7a的区域内在未加载的状态下仅仅贴靠在下面的聚合物层3上。
图3示出了按第三实施方式的微流体装置。
在图3中示出了微流体装置M，该装置的结构基本上相应于图2a、2b的微流体装置的结构。与图2a、2b不同的是，排挤体积7a的定义成为加载状态下薄膜2与排挤体积的凹处5a的上棱边之间距离的高度小于空穴6的定义成焊接或粘贴的薄膜2与上面的聚合物层1之间的最大距离的高度。以这种方式实现了空穴6中超压的灵活的可选择性。
图4a和图4b以俯视图以及横截面图示出了按第四实施方式的微流体装置。
在图4a和4b中示出了微流体的装置M，该装置的结构类似于图3的微流体装置M的结构。与图3不同的是，在上面的排挤体积7a的凹处5a与空穴6之间的区域内构造了连接通道10。该连接通道10气动地连接上面的排挤体积7a与空穴6。连接通道10在此能够通过沿水平方向宽的凸板8形成，该凸板沿着垂直方向从上面的聚合物层3中向下伸出地布置。以这种方式减少了在重复操作薄膜2时薄膜2从下面的聚合物层3的松脱。提高了微流体装置M的使用寿命。
图5示出了按本发明第五实施方式的微流体装置。
在图5中基本上示出了类似于图4构造的微流体装置M。与图4不同的是，在图5中将覆层9布置在上面的聚合物层1的上侧面上。与图4a和4b的进一步不同的是，所述凸板8构造成L形的并且垂直地从在下面的聚合物层1上焊接的薄膜2向上延伸。“L”的较短的棱边向左延伸。第三层9与下面的聚合物层3之间的凸板8的高度小于上面的聚合物层1的高度，从而在凸板8的上棱边和第三层9之间构造连接通道10。此外，凸板8的“L”的较短的支臂水平地不完全延伸至上面的聚合物层1，从而由此将连接通道10完全构造在上面的排挤体积7a与空穴6之间。上面的排挤体积7a一方面由上面的聚合物层1中的凹处5a形成，另一方面由凸板8形成。总之，由此还进一步降低了薄膜2从下面的聚合物层2的可能的松脱的可能性。
图6示出了按本发明第六实施方式的微流体装置。
在图6中基本上示出了按图2a、2b的微流体装置M。与图2a、2b不同的是，现在下面的排挤体积7b相应于按图2b的微流体装置M的上面的排挤体积7a进行构造。上面的排挤体积7a构造成凹处5a、然而构造成上面的聚合物层1中的通道的通道段。以这种方式能够简单地使上面的聚合物层1结构化或者能够简单地制造上面的聚合物层1。在图6中示出了处于未加载状态下的薄膜2，也就是说通道4a与空穴6中的压力基本上一样大小。虚线说明了下面的排挤体积7b（薄膜2能够延展到该排挤体积中）与下面的体积6’（薄膜2在输入通道4a压力加载时不能延展到该体积中，基本上由此构造成输入通道4a的部分通道）之间的界限。在区域6’中所述薄膜2以焊缝或者粘贴连接2’固定在上面的聚合物层1上，相反，所述薄膜2在没有焊缝或者粘贴连接2’的区域内、也就是在下面的排挤体积7b的区域内在未加载的状态下仅仅贴靠在上面的聚合物层1上。由此，所述微流体装置尤其适合于在空穴6中产生负压。
图7示出了按本发明第七实施方式的微流体装置。
在图7中示出了基本上按图6的微流体装置。与图6不同的是，所述装置特别优选适合于在空穴6中产生负压。代替上面的排挤体积7a，所述空穴6现在直接布置在薄膜2上方，该薄膜布置成也可延展到空穴6中。在薄膜2下方，也如图6中所示，下面的排挤体积7b通过凹处5b的构造而布置在下面的聚合物层3中。所述排挤体积7b与用于产生负压的输入通道4a连接，为了将其它气动的或者微流体的元件连接到空穴6上，设置了通道4b。因为按图7的微流体装置尤其适合于产生负压，所以没有设置薄膜2延展到空穴6中，而是仅仅延展到下面的排挤体积7b中。以这种方式实现了微流体装置M的较小的基面，也就是在横截面中较小的水平延伸尺度。
通常能够通过与空穴6气动连接的通道4b将其它可气动操作的元件与空穴6进行连接。通过对通道4a以及由此对弹性薄膜2和其延展的压力加载实现了空穴6中相应的压力提高并且实现了可气动操作的元件的致动，该元件需要相应匹配的压力水平，例如薄膜泵或薄膜阀的排挤腔室。
同样能够操作连接到空穴上的通道网络，方法是排挤通道网络内部限定的体积，该通道网络能够通过阀门与空穴6分开。以这种方式能够类似于电容器对空穴6进行“加载”并且在打开阀门之后以限定的流体体积对通道网络进行加载。如果例如将这种通道网络的气动阻力定义为R并且将空穴的气动容量定义为C，那么通过以下公式大致描述了空穴内部的压力的时间的压力曲线
具有特征性的时间常数τ=RC。由于上面定义的气动阻力R例如强烈地与相应通道的半径相关，其根据哈根-泊肃叶定律与1/r4成正比，所以可以在宽的范围上预先给出或者匹配特征性的时间常数τ。如此例如对于空气以及典型的30μm到500μm之间的通道直径来说实现了1秒到105秒的特征性的时间常数值。
微流体装置的聚合物层的厚度在此为0.1mm到5mm，尤其0.5mm到3mm。弹性薄膜的厚度在此可以具有10μm到500μm之间的厚度，尤其25到300μm的厚度。微流体装置的空穴的体积在此可以在1mm3到10000mm3之间，尤其在10mm3到1000mm3之间并且/或者所述空穴的尺寸在此可以对于空穴的长度和/或宽度方面为10μm到50mm之间、尤其在25μm到25mm之间，并且空穴的高度在此可以在25μm到10mm之间、尤其在50μm到5mm之间。通过限制机构5a、5b确定的排挤体积7a、7b在此可以根据所希望的压力变化在0.1mm3到5000mm3之间，尤其在1mm3到2000mm3之间。
尤其根据图1-7的微流体装置M在此可以具有1mm2到106mm2之间的横向尺寸，尤其100mm2到104mm2之间的横向尺寸。
虽然前面根据优选实施例描述本发明，但是本发明不限制于此，而是能够以多种多样的方式进行改变。

Claims (15)

1.微流体装置（M），包括
至少两个相互上下布置的层（1、3），
弹性的薄膜（2），该薄膜布置在所述两个层（1、3）之间，
布置在所述两个层的一个层（1）中的空穴（6），以及至少一个在所述至少两个层的另一个层（3）中的用于以压力加载薄膜（2）的通道，其中
所述薄膜（2）布置成可延展到至少一个预先给出的排挤体积（7a、7b）中，并且所述薄膜（2）延展到所述排挤体积（7a、7b）中改变所述空穴（6）中的压力，其中在达到薄膜（2）最大延展时在所述空穴（6）中实现的压力独立于所述通道中的压力大小，只要所述通道中的压力水平大得足以将薄膜（2）完全偏转到所述预先给出的排挤体积（7a、7b）中。
2.按权利要求1所述的微流体装置，其中
布置了限制机构（5a、5b），构造该限制机构用于限制所述至少一个排挤体积（7a、7b）。
3.按权利要求2所述的微流体装置，其中
构造所述限制机构（5a、5b）用于限制薄膜（2）延展。
4.按权利要求2或3所述的微流体装置（M），其中，所述限制机构（5a、5b）作为凹处构造在所述两个层（1、3）的至少一个层中。
5.按权利要求2或3所述的微流体装置（M），其中，通过薄膜（2）在所述至少两个层（1、3）的至少一个层上的固定部位的延伸尺度来构造限制机构（5a、5b）。
6.按权利要求1-3中任意一项所述的微流体装置（M），其中，在空穴（6）和至少一个排挤体积（7a、7b）之间布置连接通道（10）。
7.按权利要求6所述的微流体装置（M），其中通过至少一个凸板（8）形成所述连接通道（10）。
8.按权利要求1-3中任意一项所述的微流体装置（M），其中，至少一个所述排挤体积（7a、7b）构造成所述通道。
9.按权利要求4所述的微流体装置，其中凹处包括倒圆的棱边。
10.按权利要求1-3中任意一项所述的微流体装置（M），其中至少为空穴（6）构造覆层（9）。
11.按权利要求10所述的微流体装置，其中所述至少两个相互上下布置的层（1、3）和所述覆层（9）中的至少一个层由聚合物制成并且/或者所述薄膜（2）由热塑性弹性体和/或热塑性塑料制成。
12.按权利要求4所述的微流体装置（M），其中，所述限制机构（5a、5b）作为止挡构造在所述两个层（1、3）的至少一个层中。
13.按权利要求11所述的微流体装置，其中所述至少两个相互上下布置的层（1、3）和所述覆层（9）中的至少一个层由热塑性塑料制成。
14.按权利要求1-13中任意一项所述的微流体装置（M）作为芯片实验室系统的用途。
15.具有多个按权利要求1-8中任意一项所述的微流体装置的微流体系统。
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