DE10115474A1 - Mikrofluidkanalstruktur und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Mikrofluidkanalstruktur - Google Patents

Abstract

Zur Realisierung eines Mikrofluidsystems für die Durchführung chemischer, biologischer und/oder physikalischer Experimente mit einer möglichst gleichmäßigen Verteilung der Fließgeschwindigkeit eines zu untersuchenden Mediums in einem Mikrokanal (4) wird eine Mikrofluidkanalstruktur vorgeschlagen, bei welcher in Fließrichtung des Mediums unmittelbar vor und/oder unmittelbar hinter dem Mikrokanal (4) ein Abschnitt mit einem deutlich höheren Fließwiderstand als dem Mikrokanal (4) angeordnet ist. Dieser Abschnitt, welcher einen höheren Fließwiderstand als der Mikrokanal (4) aufweist, kann durch eine Schwelle oder eine Vielzahl kleiner, feiner Kanäle (3, 5) gebildet sein, welche aufgrund ihrer geringen Querschnittsfläche die größten fluidischen Widerstände entlang des gesamten Fließweges durch das Mikrofluidsystem darstellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrofluidkanalstruk­ tur, welche in Mikrofluidsystemen, die beispielsweise in Bio­ chips zur Anwendung kommen, verwendet wird.

Zur Durchführung chemischer, biologischer oder physikalischer Experimente werden in zunehmendem Maße Mikrofluidsysteme ein­ gesetzt, um Medien, wie beispielsweise Flüssigkeiten, Gase oder feste Partikel, welche durch feine Strukturen derartiger Mikrofluidsysteme geleitet bzw. gepumpt werden, zu untersu­ chen. Dabei werden die zu untersuchenden Medien durch feine Mikrokanäle bewegt, wobei der Fluss der Medien durch Über- oder Unterdruck erreicht werden kann. Alternativ kommen auch elektrische Felder zum Antrieb der Medien infrage. Hierbei müssen die Moleküle der zu bewegenden Medien elektrisch gela­ den sein und werden entlang eines angelegten elektrischen Feldes bewegt (Elektroosmose, Elektrophorese).

Während der Bewegung eines zu untersuchenden Mediums entlang eines derartigen Mikrokanals kommt es innerhalb des entspre­ chenden Mikrofluidsystems zu physikalischen und/oder chemi­ schen Reaktionen, die durch geeignete Sensorik beobachtet und anschließend ausgewertet werden. So können die Reaktionser­ gebnisse beispielsweise optisch oder elektrisch etc. erfasst bzw. ausgelesen werden. Durch Auswertung der Reaktionsergeb­ nisse können physikalische Eigenschaften, wie z. B. die Visko­ sität oder die Temperatur, chemische Eigenschaften, wie bei­ spielsweise der pH-Wert oder die chemische Zusammensetzung, und/oder biologische Eigenschaften, wie z. B. das Vorhanden­ sein von organischen Bestandteilen (z. B. DNA-Fragmenten oder Proteinen) oder sogar ganzen biologischen Zellen, erfasst werden.

Die Mikrokanäle derartiger Mikrofluidsysteme besitzen bei­ spielsweise eine Breite in der Größenordnung von 100 µm und sind beispielsweise in der Oberfläche eines dünnen Wafers aus Silizium, Glas oder Kunststoff ausgebildet, wobei die die Mi­ krokanäle aufweisende Oberfläche des Wafers üblicherweise mit einer weiteren Oberfläche bedeckt ist, um die Mikrokanäle ab­ zudichten bzw. abzuschließen. Der Fluss des jeweils zu unter­ suchenden Mediums erfolgt durch den jeweiligen Mikrokanal vollständig laminar. Bei Verwendung mehrerer Mikrokanäle in ein und demselben Mikrofluidsystem können äußerst geringe Mengen einer Flüssigkeit oder eines anderen zu untersuchenden Mediums exakt gesteuert unterschiedlichen Reaktionsbereichen, welche durch die unterschiedlichen Mikrokanäle gebildet sind, des Mikrofluidsystems zugeführt werden, wobei verschiedene analytische Methoden eingesetzt werden können, um die physi­ kalischen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaften des zu untersuchenden Mediums zu bestimmen.

Aus der DE 198 16 224 A1 ist beispielsweise eine herkömmliche Mikrofluidkanalstruktur bekannt, wobei zwei Quarzglassubstra­ te und ein dazwischen angeordneter beschichteter Film beste­ hend aus einem Polysiliziumdünnfilm, einer Glasschicht mit Alkaliionen und einem weiteren Polysiliziumdünnfilm vorgese­ hen sind. In dieser Mikrofluidkanalstruktur ist als Mikroka­ nal ein Durchgangsloch durch Ausbildung entsprechender Ver­ tiefungen in dem beschichteten Film und in mindestens einem der Quarzglassubstrate vorhanden.

Eine Voraussetzung für eine gute Steuerbarkeit der in den einzelnen Reaktionsbereichen, d. h. Mikrokanälen, eines Mi­ krofluidsystems auftretenden physikalischen und chemischen Reaktionen sowie für eine effektive sensorische Auswertung der entsprechenden Reaktionsergebnisse ist eine homogene Ver­ teilung der Fließgeschwindigkeit innerhalb des gesamten Mi­ krofluidsystems. Dies stellt ein generelles Problem dar, da der Fluss eines Mediums aufgrund der geringen Abmessungen eines Mikrofluidsystems - wie zuvor beschrieben worden ist - im allgemeinen laminar ist, womit eine inhomogene Verteilung der Fließgeschwindigkeiten über den Querschnitt der einzelnen Mi­ krokanäle verbunden ist, da die Fließgeschwindigkeit von la­ minar durch einen Mikrokanal fließenden Medien im Bereich der Kanälwände grundsätzlich geringer ist als in der Kanalmitte.

Eine Möglichkeit, um möglichst viele Stellen innerhalb des Mikrofluidsystems mit gleicher Fließgeschwindigkeit zu erzie­ len, ist die Verwendung von vielen parallelen Mikrokanälen, die so eng ausgestaltet sind, dass sie durch ihre Kapillar­ wirkung den größten fluidischen Widerstände im gesamten Mi­ krofluidsystem darstellen. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Fließgeschwindigkeit in allen Mikrokanälen gleich ist. Die zu untersuchenden physikalischen oder chemischen Re­ aktionen finden in den einzelnen parallelen Mikrokanälen statt, wodurch eine Vielzahl von Einzelreaktionen unter den gleichen Bedingungen initiiert und beobachtet werden kann.

So ist beispielsweise aus der WO 01/08799 A1 ein Mikrofluid­ system zur automatischen Fragmentsynthese/Fragmentanalyse von Oligomeren bzw. Polymeren bekannt, wobei in ein und derselben Strömungsebene mehrere parallel verlaufende Mikrokanäle vor­ gesehen sind. Jeder Mikrokanal umfasst dabei einen Zufuhr- und einen Abfuhrkanal, wobei die Zufuhr- und Abfuhrkanäle durch mehrere in etwa senkrecht hierzu verlaufende Kanalab­ schnitte verbunden sind, welche als Reaktionsbereiche dienen. Die Mikrokanäle sind mit einer Deckschicht aus einem transpa­ renten Material abgedeckt, um in den einzelnen Reaktionsbe­ reichen eine lichtgesteuerte Photoaktivierung, beispielsweise unter Verwendung einer programmierbaren Lichtquellenmatrix, zu ermöglichen. Das Mikrofluidsystem ist wie in der Halblei­ ter-Mikrotechnik in mehreren Schichten aufgebaut, wobei eine mittlere Schicht die Mikrofluidkanalstruktur mit den mehreren Mikrokanälen aufweist und eine obere und untere Deckschicht aus Glas oder Kunststoff vorgesehen ist.

Aus der DE 199 40 750 A1 ist ein weiteres Mikrofluidsystem zum Einsatz in Biochips beschrieben. Wie in dieser Druck­ schrift erläutert ist, handelt es sich bei Biochips um minia­ turisierte hybride Funktionselemente mit biologischen und technischen Komponenten, beispielsweise an der Oberfläche im­ mobilisierten Biomaterialien, die als spezifische Interakti­ onspartner dienen können und vorzugsweise in bzw. auf Silizi­ um ausgebildet sind. In der Regel sind diese Funktionselemen­ te in Reihen und Spalten angeordnet. Da eine Vielzahl derar­ tiger biochemischer Funktionselemente auf ein und demselben Biochip angeordnet sein können, ist eine Herstellung der ent­ sprechenden Funktionselemente bzw. der dazugehörigen Mikro­ fluidsysteme mit mikrotechnischen Methoden erforderlich. Das in der DE 199 40 750 A1 vorgeschlagene Mikrofluidsystem um­ fasst mehrere Mikrokanäle, in denen eine Vielzahl von unter­ schiedlichen Rezeptoren immobilisiert sind, wobei die Mikro­ kanäle einen Durchmesser im Bereich von 10-1000 µm aufweisen und zueinander parallel oder ineinander geschachtelt verlau­ fen.

Bei Mikrofluidsystemen, bei denen eine Parallelisierung meh­ rerer Mikrokanäle beispielsweise aufgrund der Art der verwen­ deten Sensorik grundsätzlich nicht infrage kommt, werden le­ diglich einzelne oder nur wenige parallel angeordnete Mikro­ kanäle verwendet. Hierbei wird die ungleichmäßige Verteilung der Fließgeschwindigkeit über den Kanalquerschnitt in Kauf genommen, wodurch sich der für die einzelnen Reaktionen nutz­ bare Bereich innerhalb des Mikrokanals bzw. der Mikrokanäle reduziert. Das Volumen bzw. die Fläche, welche innerhalb ei­ nes Mikrofluidsystems insgesamt für die Durchführung und Aus­ wertung der einzelnen chemischen, biologischen und/oder physikalischen Experimente benutzt werden kann, ist somit deut­ lich verschlechtert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrofluidkanalstruktur vorzuschlagen, mit der eine möglichst homogene Verteilung der Fließgeschwindigkeit über den Quer­ schnitt eines Mikrokanals dieser Mikrofluidkanalstruktur er­ zielt werden kann. Darüber hinaus liegt der vorliegenden Er­ findung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Mikrofluidkanalstruktur bereitzustellen.

Die obengenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Mi­ krofluidkanalstruktur mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Mikrofluidka­ nalstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 22 gelöst. Die Unteransprüche definieren jeweils bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Das zuvor beschriebene Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem länglichen Mikrokanal der Mikrofluidkanal­ struktur, welcher ein fließfähiges Medium, wie beispielweise eine zu untersuchende Flüssigkeit, ein Gas oder auch feste Partikel, entlang seiner Längsausdehnungsrichtung leitet und zugleich als Reaktionsbereich für die Durchführung von auf das jeweilige Medium bezogenen chemischen, biologischen und/oder physikalischen Experimenten dient, im Zustrombereich ein Verteiler- bzw. Kanalabschnitt mit einem höheren Fließwi­ derstand als der Mikrokanal vorgeschaltet und/oder im Ab­ strombereich ein derartiger Kanalabschnitt nachgeschaltet ist.

Der erhöhte Fließwiderstand eines derartigen Kanalabschnitts kann durch eine Schwelle, beispielsweise in Form mindestens einer Verengung, oder durch eine Vielzahl von vorzugsweise zueinander parallel angeordneten kleinen Kanälen realisiert werden, die durch ihre geringeren Abmessungen die größten fluidischen Widerstände entlang des gesamten Flusswegs durch das Mikrofluidsystem darstellen. Hierdurch herrscht in allen vor- bzw. nachgeschalteten kleinen Kanälen die gleiche Fließ­ geschwindigkeit, wobei die einzelnen Kanäle topologisch vor­ zugsweise derart angeordnet werden, dass sie in gleichen Ab­ ständen über die Breite bzw. den Querschnitt des entsprechen­ den, relativ großen und flachen Mikrokanals in diesen einmün­ den.

Obwohl das zuvor genannte Problem bereits gelöst werden kann, wenn ein Kanalabschnitt der zuvor beschriebenen Art dem Mi­ krokanal entweder vor- oder nachgeschaltet wird, ist die er­ findungsgemäße Mikrofluidkanalstruktur vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sich ein derartiger Kanalabschnitt sowohl vor als auch nach dem Mikrokanal befindet, wobei die beiden Kanalabschnitte, welche jeweils einen größeren Fließwider­ stand als der Mikrokanal aufweisen, vorzugsweise identisch ausgestaltet sind und jeweils in Form einer Schwelle der zu­ vor beschriebenen Art oder durch viele kleine parallele Kanä­ le gebildet sein können, die allesamt mit derselben Fließge­ schwindigkeit durchströmt werden. Auf diese Weise wird er­ reicht, dass der laminare Fluss durch den größeren Mikrokanal über dessen Querschnitt gleich verteilt ist, so dass ein re­ lativ großer, durchgehender Bereich zur Verfügung steht, in dem eine Vielzahl von Experimenten gleichzeitig unter glei­ chen Bedingungen iniitiert und beobachtet werden können. Die Ausnutzung des gesamten fluidischen Mikrosystems wird somit auf ein Maximum erhöht.

Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Fließgeschwin­ digkeiten über die dem Mikrokanal vor- und/oder nachgeschal­ teten düsenartigen Kanäle oder Schwellen mit geringerem Quer­ schnitt und somit höherem Fließwiderstand zu erreichen, soll­ te sichergestellt werden, dass diese Kanalabschnitte mit Abstand den höchsten fluidischen Widerstand für das jeweils durchfließende Medium darstellen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass vor bzw. hinter diesem Kanalabschnitt ein Zu­ fuhrabschnitt bzw. Abfuhrabschnitt mit besonders großen Quer­ schnitt angeordnet wird. In dem Zufuhrabschnitt verteilt sich somit das durchfließende Medium über die gesamte Anzahl der feinen Kanäle bzw. Verengungen gleichmäßig. Der Abfuhrab­ schnitt bewirkt aufgrund seines geringen fluidischen Wider­ stands ein gleichmäßig schnelles Ausströmen des Mediums aus dem Mikrokanal.

Das jeweils zu untersuchende Medium kann beispielsweise durch eine einfache zylinderförmige Öffnung in den Zufuhrabschnitt hineingepumpt werden und fließt von hier aus gleichmäßig schnell durch alle feinen Kanäle des Kanalabschnitts mit dem relativ hohen Fließwiderstand, um anschließend mit gleicher, d. h. homogener, Fließgeschwindigkeit durch den nachfolgenden relativ großen Mikrokanal zu strömen. Durch die dem Mikroka­ nal nachgeschalteten feinen Kanäle fließt das Medium wiederum gleich schnell in den nachgeschalteten Bereich bzw. Abfuhrab­ schnitt, von dem aus es z. B. durch eine weitere zylindrische Öffnung aus dem Mikrofluidsystem herausfließen kann.

Vorzugsweise werden mehrere erfindungsgemäße Mikrofluidkanal­ strukturen auf ein und demselben Chip (Biochip) unterge­ bracht, wobei die einzelnen Mikrofluidkanalstrukturen paral­ lel oder seriell verwendet werden können.

Die erfindungsgemäße Mikrofluidkanalstruktur lässt sich leicht mit einfachen, bekannten Herstellungsverfahren und Ma­ terialien herstellen, wobei beispielsweise Silizium/Glas-, Silizium/Silizium- oder Glas/Glas-Materialkombinationen zum Einsatz kommen können. Ebenso ist jedoch auch die Verwendung von Kunststoffmaterialien denkbar. Zur Ausbildung der einzel­ nen Strukturen können verschiedene Ätz-, Spritzguss- oder Prägeverfahren angewendet werden. Im Betrieb können die in der erfindungsgemäßen Mikrofluidkanalstruktur auftretenden Reaktionsergebnisse ebenso auf unterschiedliche Art und Wei­ se, beispielsweise optisch oder elektrisch, ausgelesen wer­ den.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend näher unter Bezug­ nahme auf die Zeichnung anhand eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein Mikrofluidsystem bzw. einen Biochip mit einer Mikrofluidkanalstruktur ge­ mäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung,

Fig. 2A zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer in Fig. 1 dargestellten Schnittlinie A-A',

Fig. 2B zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer in Fig. 1 dargestellten Schnittlinie B-B', und

Fig. 2C zeigt eine Querschnittsansicht entlang einer in Fig. 1 dargestellten Schnittlinie C-C'.

Das in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellte Mikrofluidsystem weist einen Anschluss bzw. eine Öffnung 1 auf, welche mit ei­ nem größeren Hohlraum 2 in Verbindung steht. Ein zu untersu­ chendes Medium, wie beispielsweise eine Flüssigkeit, wird so­ mit über die Öffnung 1 dem Hohlraum 2 zugeführt, welcher als Zufuhrabschnitt dient, um aufgrund seines geringen fluidi­ schen Widerstands eine möglichst gleichmäßige Verteilung des durchfließenden Mediums über eine Vielzahl von feinen, zur Fließrichtung parallel angeordneten Kanälen 3 zu gewährlei­ sten. Die Kanäle 3 besitzen jeweils einen deutlich kleineren Querschnitt als der Hohlraum 2 und als ein in Fließrichtung nach den Kanälen 3 angeordneter Mikrokanalabschnitt 4, wobei bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Breite des Hohlraums 2 in etwa gleich groß wie die Breite des Mikroka­ nals 4 ist. Da die einzelnen Kanäle 3 somit einen deutlich größeren Fließwiderstand als der Mikrokanal 4 aufweisen, ist gewährleistet, dass die einzelnen Kanäle 3 von dem zu unter­ suchenden Medium gleich schnell durchströmt werden, so dass der laminare Fluss des zu untersuchenden Mediums über den ge­ samten Querschnitt des größeren Mikrokanals 4 gleichmäßig verteilt ist. Auf diese Weise wird eine homogene Durchströ­ mung des Mikrokanals 4 erzielt.

An der Ober- und/oder Unterseite 8 bzw. 9 des Mikrokanals 4 finden die bereits eingangs beschriebenen chemischen, biolo­ gischen und/oder physikalischen Reaktionen statt, d. h. der Mikrokanal 4 dient als Reaktionsbereich zur Durchführung von chemischen, biologischen und/oder physikalischen Experimenten bezüglich des durchfließenden Mediums.

Auch nach dem Mikrokanal 4 sind mehrere parallel angeordnete Kanäle 5 mit einem relativ hohen Fließwiderstand vorgesehen, wobei die Kanäle 5 insbesondere in Übereinstimmung mit den Kanälen 3 angeordnet und ausgestaltet sind. Durch die Anord­ nung der zuvor beschriebenen feinen Kanäle 3 bzw. 5 mit einer relativ geringen Querschnittsfläche vor bzw. hinter dem Mi­ krokanal 4 wird die homogene Verteilung der Fließgeschwindig­ keit des zu untersuchenden Mediums über die gesamte Breite des Mikrokanals 4 unterstützt. Durch die Kanäle 5 strömt das zu untersuchende Medium aus, wobei das ausströmende Medium in einem weiteren relativ großen Hohlraum 6 gesammelt wird, wel­ cher beispielsweise identisch zu dem Hohlraum 2 ausgebildet sein kann und somit einen Bereich mit einem deutlich niedri­ geren Fließwiderstand als die Kanäle 5 darstellt. Der Hohl­ raum 6 dient als Abfuhrabschnitt, der ein gleichmäßig schnel­ les Ausströmen des zu untersuchenden Mediums aus dem Mikrokanal 4 ermöglicht, wobei das Medium insbesondere durch eine Öffnung bzw. einen Anschluss 7 abgepumpt werden kann.

Nachfolgend soll näher die Herstellung des dargestellten Mi­ krofluidsystems bzw. der entsprechenden Mikrofluidkanalstruk­ tur erläutert werden.

Wie in den Darstellungen von Fig. 2 gezeigt ist, besteht das Mikrofluidsystem vorzugsweise aus drei Schichten, nämlich ei­ ner Mittelschicht 12, welche als Trägerschicht für die in Draufsicht in Fig. 1 dargestellte Mikrofluidkanalstruktur dient, und zwei Deckschichten 10, 11. Wie insbesondere aus Fig. 2A und Fig. 2C ersichtlich ist, entspricht die Höhe des Mikrokanalabschnitts 4, welcher als Reaktionsbereich für die Durchführung der chemischen, biologischen oder physikali­ schen Experimente bezüglich des durchfließenden Mediums dient, vorzugsweise der Höhe der entsprechenden Mittelschicht 12, d. h. in diesem Bereich sind lediglich noch zwei Randab­ schnitte dieser Mittelschicht 12 vorhanden. Wird jedoch der Hohlraum des Mikrokanals 4 derart ausgebildet, dass er höhen­ mäßig nicht vollständig die Mittelschicht 12 durchsetzt, son­ dern noch ein durchgehender Bodenabschnitt der Mittelschicht 12 vorhanden ist, kann auch auf die untere Deckschicht 10 verzichtet werden.

Als Mittelschicht 12 wird bevorzugt eine (100)-Silizium­ schicht verwendet, während als Deckschichten 10 und 11 vor­ zugsweise Glas verwendet wird. Diese Materialien zeichnen sich durch besonders günstige Eigenschaften und gute Bear­ beitbarkeit aus.

Zu Beginn des Herstellungsprozesses wird die Deckschicht 10 an der Unterseite der Mittelschicht 12 befestigt, was durch ein herkömmliches Bonding-Verfahren realisiert werden kann. Anschließend wird die Mittelschicht 12 auf eine gewünschte Dicke, beispielsweise auf 50 µm, reduziert, was durch einen flächigen Materialabtrag der Silizium- bzw. Mittelschicht 12 erfolgen kann.

In die somit aufbearbeitete Mittelschicht 12 werden nunmehr die feinen bzw. schmalen Kanäle 3 und 5 sowie die Hohlräume 2 und 6 und der Mikrokanalabschnitt 4 ausgebildet, was durch herkömmliche Lithographieverfahren mit anschließendem alkali­ schen Ätzen erfolgen kann. Besonders vorteilhaft ist dabei die Durchführung eines anisotropen Ätzverfahrens, da dabei die kristalline Struktur des (100)-Siliziums ausgenutzt wer­ den kann.

Die feinen, düsenartigen Kanäle 3 und 5 können auch durch Einbringen von parallelen Rillen in die Oberfläche eines Si­ liziumquaders realisiert werden, wobei der breitere Mikroka­ nal 4 zwischen diesen feinen Kanälen 3, 5 und die Hohlräume 2, 6 mit den besonders großen Querschnitten am Anfang und am Ende des gesamten Mikrofluidsystems durch einen flächigen Ma­ terialabtrag an der Oberfläche dieses Siliziumquaders herge­ stellt werden können. Die Querschnitte sämtlicher Bereiche lassen sich durch die Tiefe der einzelnen Rillen bzw. des flächigen Materialabtrags unabhängig voneinander wählen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Hohlräu­ me 2, 6 am Anfang und am Ende des Mikrofluidsystems einen größeren Querschnitt als der Mikrokanalabschnitt 4 auf, indem die Hohlräume 2, 6 teilweise auch durch entsprechende Ausneh­ mungen in der Deckschicht 11 gebildet sind. Nach der Struktu­ rierung der Silizium- bzw. Mittelschicht 12 werden somit die entsprechenden Abschnitte der Hohlräume 2, 6 sowie die Öff­ nungen bzw. Anschlüsse 1, 7 für die Zufuhr bzw. Abfuhr eines zu untersuchenden Mediums in die Deckschicht 11 geätzt oder mechanisch eingeschliffen.

Anschließend wird die Deckschicht 11 auf die Mittelschicht 12 gesetzt und an dieser befestigt, was wiederum mithilfe eines herkömmlichen Bonding-Verfahrens erfolgen kann.

Claims (35)

1. Mikrofluidkanalstruktur,
mit einem länglichen Mikrokanal (4) zum Führen eines fließfä­ higen Mediums, wobei der Mikrokanal (4) als Reaktionsbereich für die Durchführung eines auf das fließfähige Medium bezoge­ nen Experiments dient, und
mit einem ersten Anschluss (1) für die Zufuhr des Mediums und mit einem zweiten Anschluss (7) für die Abfuhr des Mediums, wobei der Mikrokanal (4) eingangsseitig mit dem ersten An­ schluss (1) und ausgangsseitig mit dem zweiten Anschluss (7) in Verbindung steht,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem ersten Anschluss (1) und dem zweiten An­ schluss (7) in Fließrichtung des Mediums mindestens ein Ka­ nalabschnitt (3, 5) in Reihe mit dem Mikrokanal (4) angeord­ net ist und mit dem Mikrokanal (4) in Verbindung steht, wobei der Kanalabschnitt (3, 5) einen größeren Fließwiderstand als der Mikrokanal (4) aufweist.

2. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Kanalabschnitt (3, 5), welcher einen größeren Fließwiderstand als der Mikrokanal (4) aufweist, direkt mit dem Mikrokanal (4) verbunden ist und zur Erzielung des größeren Fließwiderstands eine geringere Quer­ schnittsfläche, durch welche das Medium hindurchtreten kann, als der Mikrokanal (4) aufweist.

3. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Kanalabschnitt (3, 5) mit dem größeren Fließwiderstand als der Mikrokanal (4) minde­ stens eine Verengung (3) mit einer geringeren Querschnitts­ fläche als der Mikrokanal (4) aufweist.

4. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalabschnitt (3, 5) mehrere zur Fließrichtung des Mediums parallel verlaufende Kanäle (3), deren Gesamtquerschnittsfläche kleiner als die Querschnittsfläche des Mikrokanals (4) ist, aufweist.

5. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Kanäle des Kanalabschnitts (3, 5) gleichmäßig beabstandet quer zur Fließrichtung des Me­ diums angeordnet sind.

6. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Kanäle (3) gleichmäßig über die Breite des Mikrokanals (4) verteilt angeordnet sind.

7. Mikrofluidkanalstruktur nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (3) jeweils dieselbe Querschnittsfläche aufweisen.

8. Mikrofluidkanalstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalabschnitt (3) mit dem größeren Fließwiderstand als der Mikrokanal (4) in Fließrichtung des Mediums zwischen dem er­ sten Anschluss (1) und dem Mikrokanal (4) angeordnet ist, wo­ bei dem Kanalabschnitt (3) über den ersten Anschluss (1) das Medium zuführbar ist und der Kanalabschnitt (3) direkt in den Mikrokanal (4) mündet.

9. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zwischen dem ersten Anschluss (1) und dem Kanalabschnitt (3) ein Zufuhrabschnitt (2) ange­ ordnet ist, welcher eingangsseitig mit dem ersten Anschluss (1) und ausgangsseitig mit dem Kanalabschnitt (3) in Verbin­ dung steht und einen geringeren Fließwiderstand als der Ka­ nalabschnitt (3) aufweist.

10. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Zufuhrabschnitt (2) eine größere Querschnittsfläche, durch welche das Medium hindurch­ treten kann, als der Kanalabschnitt (3) aufweist.

11. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Zufuhrab­ schnitts (2) im wesentlichen der Breite des Mikrokanals (4) entspricht.

12. Mikrofluidkanalstruktur nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste An­ schluss (1) in den Zufuhrabschnitt (2) mündet, während der Zufuhrabschnitt (2) in den Kanalabschnitt (3) mit dem gerin­ geren Fließwiderstand als der Mikrokanal (4) mündet.

13. Mikrofluidkanalstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalabschnitt (5) mit dem größeren Fließwiderstand als der Mikrokanal (4) in Fließrichtung des Mediums zwischen dem Mi­ krokanal (4) und dem zweiten Anschluss (7) angeordnet ist, wobei der Mikrokanal (4) direkt in den Kanalabschnitt (5) mündet und dem zweiten Anschluss (7) über den Kanalabschnitt (5) das Medium zuführbar ist.

14. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kanalab­ schnitt (5) und dem zweiten Anschluss (7) ein Abfuhrabschnitt (6) angeordnet ist, welcher eingangsseitig mit dem Kanalab­ schnitt (5) und ausgangsseitig mit dem zweiten Anschluss (7) in Verbindung steht und einen geringeren Fließwiderstand als der Kanalabschnitt (5) aufweist.

15. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abfuhrabschnitt (6) eine größere Querschnittsfläche, durch welche das Medium hin­ durchtreten kann, als der Kanalabschnitt (5) aufweist.

16. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 14 oder 15, da­ durch gekennzeichnet, dass die Breite des Ab­ fuhrabschnitts (6) im wesentlichen der Breite des Mikrokanals (4) entspricht.

17. Mikrofluidkanalstruktur nach einem der Ansprüche 14-16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalab­ schnitt (5) mit dem geringeren Fließwiderstand als der Mikro­ kanal (4) in den Abfuhrabschnitt (6) mündet, während der Ab­ fuhrabschnitt (6) mit dem zweiten Anschluss (7) in Verbindung steht.

18. Mikrofluidkanalstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass ein erster Kanalabschnitt (3) mit einem größeren Fließ­ widerstand als der Mikrokanal (4) in Fließrichtung des Medi­ ums zwischen dem ersten Anschluss (1) und dem Mikrokanal (4) angeordnet ist, wobei dem ersten Kanalabschnitt (3) über den ersten Anschluss (1) das Medium zuführbar ist und der erste Kanalabschnitt (3) direkt in den Mikrokanal (4) mündet, und
dass ein zweiter Kanalabschnitt (5) mit einem größeren Fließ­ widerstand als der Mikrokanal (4) in Fließrichtung des Medi­ ums zwischen dem Mikrokanal (9) und dem zweiten Anschluss (7) angeordnet ist, wobei der Mikrokanal (4) direkt in den zwei­ ten Kanalabschnitt (5) mündet und dem zweiten Anschluss (7) über den zweiten Kanalabschnitt (5) das Medium zuführbar ist.

19. Mikrofluidkanalstruktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Kanalabschnitt (3) ein Kanalabschnitt nach ei­ nem der Ansprüche 8-12 ist, und
dass der zweite Kanalabschnitt (5) ein Kanalabschnitt nach einem der Ansprüche 13-17 ist.

20. Mikrofluidkanalsystem mit mehreren Mikrofluidkanalstruk­ turen nach einem der Ansprüche 1-19.

21. Mikrofluidsystem nach Anspruch 20, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Mikrokanäle (4) der ein­ zelnen Mikrofluidkanalstrukturen im wesentlichen parallel zu­ einander angeordnet sind.

22. Verfahren zur Herstellung einer Mikrofluidkanalstruktur,
wobei die Mikrofluidkanalstruktur eine Trägerschicht (12) und mindestens eine die Trägerschicht (12) bedeckende Deckschicht (11) umfasst,
wobei die Mikrofluidkanalstruktur einen länglichen Mikrokanal (4) zum Leiten eines fließfähigen Mediums und einen ersten Anschluss (1) für die Zufuhr des Mediums und einen zweiten Anschluss (7) für die Abfuhr des Mediums umfasst, wobei der Mikrokanal (4) eingangsseitig mit dem ersten Anschluss (1) und ausgangsseitig mit dem zweiten Anschluss (7) in Verbin­ dung steht und als Reaktionsbereich für die Durchführung ei­ nes auf das Medium bezogenen Experiments dient, und
wobei die Mikrofluidkanalstruktur mindestens einen zwischen dem ersten Anschluss (1) und dem zweiten Anschluss (7) in Flussrichtung des Mediums in Reihe mit dem Mikrokanal (4) an­ geordneten und mit dem Mikrokanal (4) in Verbindung stehenden Kanalabschnitt (3, 5), welcher einen größeren Fließwiderstand als der Mikrokanal (4) aufweist, umfasst,
umfassend die Schritte:

• a) Strukturieren der Trägerschicht (12) derart, dass der Mi­ krokanal (4) ausgebildet wird,
• b) Strukturieren der Trägerschicht (12) derart, dass der mindestens eine Kanalabschnitt (3, 5) mit dem größeren Fließ­ widerstand als der Mikrokanal (4) ausgebildet wird, und
• c) Anbringen der Deckschicht (11) auf der Oberseite der Trä­ gerschicht (12).

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekenn­ zeichnet, dass vor dem Schritt (a) an der Unterseite der Trägerschicht (12) eine weitere Deckschicht (10) ange­ bracht wird.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Schritte (a) und (b) durch Anwendung einer Lithographietechnik mit anschließendem Ätzen durchgeführt werden.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zum Ätzen ein anisotropes Ätzverfahren durchgeführt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-25, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (a) der Mikro­ kanal (4) über die gesamte Höhe der Trägerschicht (12) ausge­ bildet wird.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-26, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (b) der Kanal­ abschnitt (3, 5) mit mindestens einer Verengung ausgebildet wird, wobei die Querschnittsfläche der Verengung kleiner als die Querschnittsfläche des Mikrokanals (4) ist.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-26, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (b) der Kanalabschnitt (3, 5) mit mehreren gleichmäßig über die Breite des Mikrokanals (4) parallel angeordneten Kanälen ausgebildet wird, wobei die Gesamtquerschnittsfläche aller Kanäle kleiner als die Querschnittsfläche des Mikrokanals (4) ist.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-28, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (b) ein erster Kanalabschnitt (3) mit einem größeren Fließwiderstand als der Mikrokanal (4) in Fließrichtung des Mediums vor dem Mikroka­ nal (4) und ein zweiter Kanalabschnitt (5) mit einem größeren Fließwiderstand als der Mikrokanal (4) in Fließrichtung des Mediums nach dem Mikrokanal (4) ausgebildet wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Trägerschicht (12) und die Deck­ schicht (11) derart strukturiert werden, dass zwischen dem ersten Anschluss (1) und dem ersten Kanalabschnitt (3) ein Zufuhrabschnitt (2) mit einem geringeren Fließwiderstand als der erste Kanalabschnitt (3) und zwischen dem zweiten Kanal­ abschnitt (5) und dem zweiten Anschluss (7) ein Abfuhrab­ schnitt mit einem geringeren Fließwiderstand als der zweite Kanalabschnitt (5) ausgebildet werden.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-30, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (11) vor dem Schritt (c) derart strukturiert wird, dass in der Deck­ schicht der erste Anschluss (1) für die Zufuhr des Mediums und der zweite Anschluss (7) für die Abfuhr des Mediums aus­ gebildet werden.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-31, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägerschicht (12) ei­ ne Siliziumschicht und als Deckschicht (11) eine Schicht aus einem transparenten Material verwendet wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-32, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt (c) die Deck­ schicht (11) durch Bonden an der Trägerschicht (12) ange­ bracht wird.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-33, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Herstel­ lung einer Mikrofluidkanalstruktur nach einem der Ansprüche 1-19 ausgestaltet ist.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 22-34, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren derart aus­ gestaltet ist, dass ein Mikrofluidkanalsystem mit mehreren Mikrofluidkanalstrukturen hergestellt wird.