CZ257199A3

CZ257199A3 - Elektrochemická průtočná komůrka

Info

Publication number: CZ257199A3
Application number: CZ992571A
Authority: CZ
Inventors: Ursula Bilitewski; Matthias Stiene; Ingrid Rohm
Original assignee: GESELLSCHAFT FüR BIOTECHNOLOGISCHE FORSCHUNG MBH (GBF)
Priority date: 1997-01-20
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 1999-12-15
Also published as: WO1998032008A1; EP0953151A1

Description

Elektrochemická průtočná komůrka

Oblast techniky

Vynález se týká elektrochemické průtočné komůrky k elektrickému měření proudu / napětí v kapalinách.

Dosavadní stav techniky

Senzory, založené na technologii tlusté vrstvy v klasickém smyslu, jsou planární detektory, které se používají např. pro termická, piezoelektrická, potenciometrická a ampérometrická měření. Aby se tato měřicí čidla integrovala do automatických průtočných systémů,která se např. používají pro elektrochemická měření, musí . se vestavovat do zvlášť vyráběných průtočných komůrek. Takové průtočné komůrky jsou například známy z A. Gunter, U. Bilitewski: Analytica Chimica Acta 300 (1975), str. 120, kde v bloku z plexiskla je upraveno vybrání ( průtočný objem ), které je spojeno se vstupním a výstupním kanálem. Ve znázorněné průtočné komůrce je tvar komůrky v průřezu pravoúhlý. Na přeponě znázorněného průřezu obdélníku je na substrátu upevněna elektroda, nanesená z tlustého filmu. Konstrukce takového druhu má velký mrtvý objem a vyžaduje nákladnou výrobní techniku. Jde zde o individuální výrobu v laboratorním měřítku, a proto je taková, téměř ruční prací vyrobená průtočná komůrka příliš drahá a pro hromadnou výrobu nevhodná.

Dále je známa průtočná komůrka od fy Hewlett Packard, která je složena také z většího počtu jednotlivých komponent.

V pouzdru jsou dva vysoce planární díly, do nichž jsou integrovány elektrody, odděleny tenkou, nevodivou fólií. Ve fólii je vytvořena průchozím vybráním průtočná cesta pro • « transport kapalného vzorku průtočnou komůrkou, takže vnitřní objem průtočné komůrky je určen tloušťkou fólie a plochou vybrání v této fólii. Celková výška této komůrky činí asi 9 cm. Tato známá komůrka má sice zřetelně menší mrtvý objem než shora popsaná komůrka, ovšem výroba je na základě nutné přesnosti komponent a pouzdra a vysoce planárních dílů velmi nákladná, takže při požadované kvalitě při výrobě jednotlivých dílů, pohybuje se taková komůrka obvykle v cenovém rozsahu několika tisíc DM. Proto jsou komůrky takového druhu kvůli výrobě na jedné straně, a ceně na druhé straně, pro hromadnou výrobu, popř. hromadné používání, nevhodné.

Cílem vynálezu je proto vytvořit jednoduše a cenově příznivě vyrobitelnou průtočnou komůrku s minimálním mrtvým objemem v rozsahu několika málo μ-litrů a navrhnout způsob výroby takové komůrky.

Podstata vynálezu

Cíle vytčeného vynálezem se dosahuje význaky nároku 1 na zařízení a nároku 8 na způsob. Výhodná provedení vynálezu jsou předmětem vedlejších nároků.

Předložený vynález se týká elektrochemické průtočné komůrky se dvěma elektrodami, uspořádanými v určitém vzájemném odstupu a mezi nimi uspořádané průtočné cesty, která je spojena se vstupem a výstupem, přičemž odstup mezi elektrodami je tvořen izolační vrstvou, vyrobenou technikou tlusté vrstvy a plošné vybrání izolační vrstvy určuje vnitřní objem průtočné cesty.

Výhodně jsou elektrody elektrochemické průtočné komůrky tvořeny planárními elektrodami s tlustou vrstvou, přičemž komůrka podle vynálezu má horní a dolní substrát, které slouží jako základ pro odpovídající elektrody. Mezi *· elektrodami a odpovídajícími substráty mohou být uspořádány dráhy vodičů a pájecí očka, která se také mohou provádět technikou tlusté vrstvy, t j . sítotiskem. Elektrochemická průtočná komůrka může být dále vybavena topnými a/nebo temperujícími prvky, které se také mohou vyrábět technikou tlusté vrstvy. Místo jednotlivých elektrod se muže použít také více elektrod nebo elektrodového seskupení, přičemž tištěná vodivá plocha může být strukturována laserovým trimrem, aby se získalo elektrodové seskupení.

Výhodně lze vyrobit elektrochemickou vícekanálovou průtočnou komůrku podle předloženého vynálezu vrstvením nebo stohováním nejméně dvou elektrochemických průtočných komůrek.

Dále se předložený vynález týká způsobu výroby elektrochemické průtočné komůrky, přičemž na vždy jednom substrátu je nanesena nejméně jedna elektroda nebo elektrodové seskupení technikou tlusté vrstvy a spojením dvou, elektrodami ( elektrodovými seskupeními ) opatřených, planárních substrátů s tlustou vrstvou prostřednictvím izolační vrstvy, vyrobené technikou tlusté vrstvy, která je opatřena plochou s vybráním, spojeným se vstupem a výstupem a tvoří průtočnou komůrku. Vnitřní objem průtočné komůrky se určuje plochou vybrání a tloušťkou izolační vrstvy přes plochu elektrod. Toto vymezení objemu vzniká již výhodně během provádění procesu sítotisku, popř. volbou odpovídající šablony { šablon ) pro izolační vrstvu ( izolační vrstvy ) . Dále se mohou technikou tlusté vrstvy nanést topné a/nebo temperovací prvky, pro plochu elektrod se mohou použít všechny vodivé pasty, vhodné pro techniku platinová, Ag/AgPd, zlatá nebo tlusté’ vrstvy, jako elektrody, tlusté vrstvy ( např. grafitová ) , přičemž izolační vrstva etc., se vyrobí výhodně sítotiskem.

« · « ♦

Aby se vyrobila průtočná kyveta podle vynálezu, nanesou se na horní a dolní substrát plochy elektrod a předem odpovídající přívody. Nato se prostřednictvím techniky sítotisku na straně elektrod nanese udržovatel odstupu nejméně jednoho, elektrodou opatřeného substrátu, v tomto jednom případě resultují dvě poloviny komůrky a to substrát, opatřený elektrodou a další elektrodou a izolační vrstvou opatřený substrát. V jiném případě, v němž byl na obě elektrody nanesen sítotiskem udržovatel odstupu, zahrnuje každá polovina komůrky substrát, opatřený elektrodou a udržovatelem odstupu. Obě poloviny komůrky se nato opatří vrstvou lepidla, například sekundového lepidla, jednou na povrchu elektrody a jednou na povrchu udržovatele odstupu, popř. na povrchu obou udržovatelů odstupu, a ke slepení se vzájemně stlačí, aby se získala kompletní komůrka.

Ve shora popsaném způsobu slepení obou půlek komůrky je ovsem potřebná manuální činnost, která je na jedné straně nepřesná a na druhé straně pro sériovou produkci příliš drahá. Dále sekundové lepidlo musí mít potřebnou viskozitu, tj . lepidlo nesmí být příliš tekuté, aby nevběhlo do průtočné cesty, a nesmí být příliš tuhé, aby vrstva lepidla nebyla příliš tlustá, čímž by se změnila plánovaná geometrie komůrky a tím objem průtočné cesty.

Jako alternativa ke shora uvedenému procesu lepení se mohou dvě podle obou uvedených případů vyrobené poloviny komůrky slepit SMD lepidlem způsobilým k nanášení sítotiskem. Tato vodivá a nevodivá lepidla, která se normálně používají k integraci aktivních SMD prvků do tištěných, pasivních zapojení, se mohou při sítotiskovém způsobu nanést na odpovídající lepené povrchy polovin komůrky ( tj . povrch elektrody a povrch izolační vrstvy ), čímž se zajistí rovnoměrná tloušťka a vymezení vrstvy lepidla, tj . rovnoměrné pokrytí lepené plochy vrstvou lepidla. Dále při * · použití nevodivého lepidla , t j . izolujícího SMD lepidla se může vytvořit vrstva izolátoru izolujícím SMD lepidlem, čímž se získá komůrka, která je zcela vyrobena sítotiskem. Tím je umožněna automatická produkce sítotiskových komůrek.

Řešení komůrky podle vynálezu má proti známým průtočným komůrkám tyto výhody:

Průtočná komůrka podle vynálezu se dá jednoduše a cenově příznivé vyrábět na základě techniky tlusté vrstvy.

Použije-li se ke slepení polovin komůrky lepidla, způsobilého pro sítotisk, vyrobí se komůrka úplně technikou sítotisku a je možná plně automatická strojní výroba.

Použití speciálního pouzdra, které pojme elektrody a slouží jako vlastní průtočná komůrka, jako například u známé průtočné komůrky HP, není nutné, protože spojením dvou, elektrodami opatřených, planárních substrátů tlusté vrstvy se vytvoří průtočná komůrka.

Kapalina se nemůže dostat, jako v případě konvenční průtokové komůrky, mezi izolační vrstvu ( fólii ) a elektrodu. Tím zůstává aktivní, kapalinou smočená plocha elektrody, která je definována izolační vrstvou, konstantní.

Protože izolátorová vrstva má pevnou strukturu a pevně lpí na elektrodové vrstvě, nemůže se při společné konstrukci narozdíl od fólie konvenční průtočné komůrky, poškodit.

Technikou podle vynálezu se dociluje menších konstrukčních tvarů průtočné komůrky při stejné velikosti elektrod, takže se dosahuje vysokého stupně integrace měřicí aparatury.

Dále je možná výroba vícekanálových průtočných komůrek na malém prostoru.

Je možná jednoduchá integrace topných a/nebo temperovacích prvků.

»· · ♦ *

Dále je takto možné vyrobit na nejmenším prostoru třídimenzionální vrstvené struktury technikou tlusté vrstvy za použití velkého počtu komerčně dostupných past pro tlusté vrstvy u vícevrstvých konstrukcí.

Výhodné provedení vynálezu bude v dalším vysvětleno podle obrázku:

Obr. 1 schematické znázornění průtočné komůrky v rozloženém stavu podle vynálezu

Průtočná komůrka zahrnuje horní substrát _1, na jehož dolním povrchu jsou naneseny V návaznosti na to je vrstvy nanesena horní z platiny, zlata nebo vodivé dráhy a pájecí očka 2. prostřednictvím techniky tlusté plošná elektroda .3, například grafitu nebo jiného vodivého materiálu. Horní elektroda 3 je od dolní elektrody 5, která je také vyrobena technikou tlusté vrstvy,· udržována v odstupu, tištěnou izolační vrstvou 4^ jejíž plošné vybrání 4a tvoří průtočnou cestu. Dolní elektroda _5 je natištěna na dolní substrát Ί_, elektrodou _5 vodivé dráhy elektroda a přičemž mezi spodní a dolním substrátem 7. jsou umístěny také a pájecí očka 6. Dále horní .3 a dolní 5 dolní

L popr.

odpovídající vybrání, popř. díry 8, 9, 10, 11, které tvoří přítok / odtok pro průtočnou cestu 4a. Neznázorněná čidla teploty a/nebo topné prvky se dají nanést stejnou technikou tlusté vrstvy. Rozměry průtočné komůrky podle vynálezu se v podstatě řídí podle kladených požadavků speciálního použití. Ve výhodném provedení je komůrka cca 10 mm široká, 25 mm hluboká a její tloušťka je 3mm.

horní substrát maj i

Průtočná komůrka podle vynálezu' se vyrábí tím, že na dolní a horní substráty JL, ý, opatřené vodivými drahami a pájecími očky 2^, 6 se natisknou sítotiskovou technikou elektrody 3, 5. Potom se nanese sítotiskem na jeden,

ft ft ft*· » elektrodou opatřený substrát 1, Ί_, izolátorová vrstva 4_. Nato se obě poloviny komůrky slepí. Ke slepení se může použít sekundové lepidlo. Je však také možné buď na volnou elektrodovou plochu nebo na povrch izolátorové plochy nebo na oba povrchy nanést SMD lepidlo, způsobilé pro sítotisk a nato poloviny komůrky slepit. Dále je možné izolátorovou vrstvu 4 vytisknout z nevodivého lepidla sítotiskem a nato poloviny komůrky přímo slepit prostřednictvím izolátorové vrstvy 4_.

Jako SMD lepidlo se mohou použít například SMD lepidla PD 860002 M a SMD lepidla PD 945 a PD 944 fy Heraeus, přičemž k použití dospělo hlavně SMD lepidlo PD 860002.

Dále je bez znázornění patrno, že například stohování nebo vrstvení více průtočných komůrek podle obr. 1 umožňuje realizovat na malém prostoru vícekanálovou průtočnou komůrku.

Kombinace vícenásobných vrstev dovoluje konstrukci a cenově příznivou výrobu vyšších počtů kusů průtočných komůrek s vnitřním objemem několika málo mikrolitrů, přičemž vnitřní objem průtočné komůrky, jak je patrno z obr. 1, může být určen velikostí vybrání 4a v izolátorové vrstvě 4_, popř. tloušťkou izolátorové vrstvy j4, takže se průtočný objem dá určit volbou parametrů při tiskovém procesu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Elektrochemická průtočná komůrka se dvěma elektrodami ( 3, 5 ), uspořádanými ve vzájemném odstupu a mezi nimi uspořádanou průtočnou cestou (4a), která je spojena se vstupem, popř. výstupem ( 8, 9, 10, 11 ), vyznačující se tím, že odstup (4) mezi elektrodami ( 3, 5 ) je tvořen izolátorovou vrstvou (4), vyrobenou technikou tlusté vrstvy, přičemž vnitřní objem průtočné cesty určuje plošné vybrání (4a) izolátorové vrstvy (4).
2. Elektrochemická průtočná komůrka podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektrody ( 3, 5 ) jsou tvořeny planárními tlustými vrstvami.
3. Elektrochemická průtočná komůrka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že komůrka je opatřena horním (1) a dolním (7) substrátem, na něž jsou naneseny elektrody (3, 5 ) .
4. Elektrochemická průtočná komůrka podle jednoho z předchozích nároků, vyznačující se tím, že komůrka je opatřena vodivými drahami a pájecími očky (2, 6 ), uspořádanými mezi odpovídajícími elektrodami ( 3, 5 ) a odpovídajícími substráty (1, 7 ).
5. Elektrochemická průtočná komůrka podle jednoho z předchozích nároků, vyznačující se tím, že komůrka je opatřena topnými a/nebo temperovacími prvky, které jsou vyrobeny technikou tlusté vrstvy.
6. Elektrochemická průtočná komůrka podle jednoho z předchozích nároků, vyznačující se tím, že elektrody . ( 3, 5 ) jsou vytvořeny'jako elektrodová seskupení.

• · * • ·♦·· · • Β φφ ♦*

Β φ · Β β φ Β Β · · « · • Β · Β Β Β < Β · φ Β * · · · · · ·« Β Β Β · · Β » · · ·
7. Elektrochemická vícekanálová průtočná komůrka, která se vyrábí z nejméně dvou elektrochemických průtočných komůrek podle jednoho z nároků 1 až 6.
8. Způsob výroby elektrochemické průtočné komůrky, vyznačující se tím, že na horní a dolní substrát (1, 7 ) se nanáší vždy nejméně jedna elektroda ( 3, 5 ) technikou tlusté vrstvy, na nejméně jedné z elektrod (3,5) ze dvou elektrodami opatřených planárních substrátů tlusté vrstvy se nanese technikou tlusté vrstvy izolátorová vrstva (4), která je opatřena plošným vybráním (4a) a dvě poloviny komůrky ( 1, 3, 4, 5, 6 ) se vzájemně spojí k vytvoření průtočné komůrky.
9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že obě poloviny komůrky se vzájemně slepí lepidlem.
10. Způsob podle nároku 9, vyznačující se tím, že lepidlem je sekundové lepidlo nebo SMD lepidlo, vhodné pro sítotisk.a nanesené sítotiskem na nejméně jednu z lepených ploch
11. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že izolátorová vrstva (4) je tvořena nevodivým, pro sítotisk způsobilým SMD lepidlem, které se nanese technikou tlusté vrstvy na nejméně jednu z elektrod ( 3,

5 ) .
12. Způsob podle jednoho z nároků 8 až 11, vyznačující se tím, že vnitřní objem průtočné komůrky je stanoven plošným vybráním (4a) a tloušťkou izolátorové vrstvy (4) při tiskovém procesu výroby elektrod (3, 5 ).

• 0

00 · · ♦· • 0« 0000 000*

00*0 · 0 0 0 0 0 ·

0 0 0 0 · 0 0 0 0 0 0 000 000 ί η >00 00· ··

J- U 00 · 000 00 0· 00
13. Způsob podle jednoho z nároků 8 až 12, vyznačující se tím, že mezi substrátem ( 1, 7 ) a elektrodou ( 3, 5 ) se uspořádají vodivé dráhy a pájecí očka (2, 6 ).
14. Způsob podle jednoho z nároků 8 až 13, vyznačující se tím, že topné a/nebo temperovací prvky se nanesou technikou tlusté vrstvy.
15. Způsob podle jednoho z nároků 8 až 14, vyznačující se tím, že pro elektrody ( 3, 5 ) se použije vodivých past pro vytváření tlustých vrstev, například platinové, zlaté nebo grafitové, vždy podle aplikace.
16. Způsob podle jednoho z nároků 8 až 15, vyznačující se tím, že tlusté vrstvy (2, 3, 4, 5, 6 ) se vyrábějí sítotiskem.
17. Způsob podle jednoho z nároků 8 až 16, vyznačující se tím, že elektrody ( 3, 5 ) jsou vytvořeny ve formě seskupení elektrod.