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Die Erfindung bezieht sich auf ein
integriertes Mikrosystem für
die chemische und die biologische Analyse, und insbesondere auf
die Integration mikrofluidischer und elektronischer Komponenten.
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Die mikrofluidische Technologie wird
verwendet, um Systeme zu schaffen, die chemische und biologische
Analyse in einem viel kleineren Ausmaß als bisherige Techniken durchführen kann.
Eine weit verbreitete Verwendung mikrofluidischer Systeme ist die
Analyse von DNA-Molekülen.
Mikrofluidische Systeme für
die Analyse, chemische und biologische Verarbeitung und Präparation
von Proben kann eine Kombinationen der folgenden Elemente umfassen: Vor-
und Nachverarbeitung fluidischer Handhabungskomponenten, mikrofluidischer
Komponenten, Mikrofluidisch-zu-System-Schnittstellenkomponenten,
elektrischer und elektronischer Komponenten, Umweltsteuerungskomponenten
und Datenanalysekomponenten.
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Da mikrofluidische Systeme kleiner
und komplexer werden, gibt es einen wachsenden Bedarf an elektronischer
und elektrischer Verarbeitungsunterstützung, um die Analysefähigkeiten
zu verbessern. Bekannte mikrofluidische Systeme liefern elektronische
und elektrische Verarbeitungsunterstützung durch Durchführen von
Funktionen wie z. B. Spannungs-/Stromerzeugung, Signalerzeugung,
Signalerfassung, Signalverarbeitung, Signalrückkopplung und Datenverarbeitung
getrennt vom mikrofluidischen System. In einigen Fällen ist
die Trennung der elektronischen Verarbeitung und der mikrofluidischen Funktionen
wünschenswert.
Beispielsweise ist eine relativ große Leistungsversorgung erforderlich,
um für
die Elektrophorese eine hohe Spannung an einen mikrofluidischen
Kanal anzulegen, und es ist am Besten, die Leistungsversorgung getrennt
von dem mikrofluidischen System zu positionieren. Als weiteres Beispiel
wird Datenanalyse am besten unter Verwendung eines Computers durchgeführt, der
vom mikrofluidischen System getrennt ist.
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Einige elektrische Prozesse haben
jedoch Anforderungen, die unter der Verwendung von elektrischen
Komponenten, die vom mikrofluidischen System getrennt sind, schwierig
zu erfüllen
sind. Beispielsweise neigen sehr niedrige Energiesignale, die von
mikrofluidischen Systemen erfaßt
werden, dazu, sich zu verschlechtern, während sie vom mikrofluidischen
System weg zu einer getrennten Signalverarbeitungskomponente hingeleitet
werden. Als Folge der Tendenz zu Signalverschlechterung ist es wünschenswert,
die erfaßten
Signale zu verstärken,
bevor sie sich verschlechtern. Elektrische In-System-Verarbeitung ist außerdem in
Fällen
wünschenswert,
in denen Informationen, die von vielen Sensoren auf einen mikrofluidischen
System gesammelt werden, verwendet werden müssen, um Prozesse auf dem mikrofluidischen
Chip zu steuern. Beispielsweise könnte ein Temperatursystemeingangssignal verwendet
werden, um Heizeinrichtungen eines mikrofluidischen Systems zu steuern.
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Eine Technik zum Liefern einer Signalerfassung
für ein
mikrofluidisches System umfaßt
eine einzelne Photodiode, die mit einem mikrofluidischen Chip verbunden
ist, wie es in dem Artikel mit dem Titel „An Optical MEMS-based Fluorescence
Detection Scheme with Applications to Capillary Electrophoresis", von K.D. Kramer
et al. (SPIE Conference on Microfluidic Devices and Systems, September
1998, SPIE Bd. 3515, Seiten 76–85)
offenbart ist. Obwohl eine einzelne Photodiode auf den mikrofluidischen Chip
geklebt ist, ist die Photodiode lediglich ein elektrischer Wandler
und weist keine elektronische Signalverarbeitungs- oder Systemsteuerungsfähigkeit auf.
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Wie in dem Artikel mit dem Titel „Microfabricated
Devices for Genetic Diagnostics",
von Carlos H. Mastrangelo et al. (Proceedings of the IEEE, Bd. 86,
Nr. 8, August 1998, Seiten 1769–1787)
beschrieben, wurde die Elektronik außerdem direkt auf das gleiche
Substrat wie ein mikrofluidisches System integriert. Mastrangelo
et al. haben die folgenden Vorrichtungen in ein Siliziumsubstrat
eingeschlossen: fluidische Komponenten, elektrische Treiberkomponenten,
Diodenerfassungskomponenten und fluidische Steuerungselemente (z.
B. Thermoventilsteuerung). Obwohl Mastrangelo et al. integrierte
mikrofluidische und elektronische Komponenten offenbaren, sind die
mikrofluidischen und elektronischen Komponenten auf dem gleichen
Substrat hergestellt. Die Herstellung sowohl der mikrofluidischen
als auch der elektronischen Komponenten auf dem gleichen Substrat
ist nicht nur teuerer und schwieriger, als die Herstellung mikrofluidischer
Komponenten, sondern beschränkt
außerdem
die Auswahl der Materialien und Prozesse, die zum Herstellen der
Komponenten zur Verfügung
stehen. Ferner kann die Qualität
der gefertigten Komponenten leichter gesteuert werden, wenn die
Komponenten getrennt voneinander und unter Verwendung bekannter
Techniken gefertigt werden.
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Mikrofluidische Systeme werden aus
Polymer, Glas, Silizium, und Keramiksubstraten hergestellt. Eine
auf oder in Silizium hergestellte mikrofluidische Komponente kann
elektrische und Datenanalysekomponenten direkt auf dem Siliziumsubstrat hergestellt
haben, wie es von Mastrangelo et al. beschrieben ist. Dies kann
jedoch auf Polymer- oder Glassubstraten nur schwer erreicht werden.
Polymer- und Glassubstrate sind die nützlichsten Substrate für mikrofluidische
Anwendungen und es ist daher wünschenswert,
Polymer- oder Glassubstrate mit Elektronikkomponenten zu integrieren.
Hinsichtlich des Bedarfs Elektronikkomponenten in nächster Nähe zu mikrofluidischen
Komponenten zu haben, und hinsichtlich der Bevorzugung von mikrofluidischen
Polymer- oder Glassubstraten, wird ein mikrofluidisches System mit
einer mikrofluidischen Komponente benötigt, das Idealerweise aus
Polymer oder Glas gebildet ist, das mit einer Elektronikkomponente integriert
ist.
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Die
WO 98/38510 A2 beschreibt eine Vorrichtung
zum Verarbeiten diagnostischer Proben. Die Vorrichtung umfaßt eine
optische Platte (CD), die ein sogenanntes Labor in einer Platte
bildet. Die Platte kann durch einen optischen Leser gelesen werden und
weist einen ersten Sektor auf, der Probeneinrichtungen umfaßt, und
einen zweiten Sektor, der Software bereithält. Im ersten Sektor sind Fluid-Komponenten, beispielsweise
Fluidspeichereinrichtungen, Fluidtransfereinrichtungen und dergleichen
gebildet. Die Platte weist eine obere Hälfte und eine untere Hälfte auf,
wobei die obere Hälfte
als eine Abdeckung wirkt und die Fluidkomponenten in der unteren
Hälfte gebildet
sind. Die Platte umfaßt
Kapillare, Behälter, Dialysemembrane,
chromatographische Säulen, elektrophoretische
Gele, Ventile, mikromechanische oder elektronische Komponenten einschließlich Mikroprozessoren.
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Die
WO 98/50154 A1 beschreibt ein genetisches
Testsystem mit einem Meßverstärker, das
eine genetische Testkarte umfaßt.
Die Karte umfaßt
einen Wafer, ein Heizelement und Mikrocantilever-Sensorchips. Die
Ausgangssignale der Sensorchips werden an Kontakten bereitgestellt,
die mit einer externen Vorrichtung zum Verarbeiten verbunden werden
können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein integriertes Mikrosystem für verschiedene Kombinationen
von mikrofluidischen Komponenten und Elektronikkomponenten zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch ein integriertes
Mikrosystem nach Anspruch 1 gelöst.
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Eine mikrofluidische Komponente mit
einem mikrofluidischen Kanal ist mit einer Elektronikkomponente
verbunden, die eine Schaltung zum Verarbeiten von Signalen aufweist,
die auf die mikrofluidische Komponente bezogen sind. Bei einem Ausführungsbeispiel
ist die Elektronikkomponente ein vorgefertigter bzw. vorabhergestellter
integrierter Schaltungschip, der Signalverarbeitung- und/oder Verarbeitungssteuerungsschaltungen
umfaßt,
die einen wesentlich höheren
Funktionalitätsgrad
liefern als eine schlichte Photodiode. Die mikrofluidische Komponente
ist vorzugsweise aus Polymer hergestellt, und der integrierte Schaltungschip
ist mit der mikrofluidischen Komponente verbunden, unter Verwendung eines
Flip-Chip-(Umkehr-Chip-)Typ Prozesses, der in der integrierten Schaltungsindustrie
weit verbreitet ist. Die Verbindung der mikrofluidischen Komponente mit
der Elektronikkomponente schafft eine modulare Architektur, bei
der verschiedene Kombinationen von mikrofluidischen Komponenten
und Elektronikkomponenten verwendet werden können, um individuell gestaltete
Verarbeitungs- und Analysewerkzeuge zu erzeugen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die mikrofluidische
Komponente ein Substrat, das Merkmale aufweist, wie z. B. mikrofluidische
Kanäle,
mikrofluidische Kammern und mikrofluidische Flußsteuerungselemente. Daher
kann die mikrofluidische Komponente bekannte Merkmale umfassen, wie
z. B. Kapillarkanäle,
Trennungskanäle,
Erfassungskanäle,
Ventile und Pumpen.
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Die mikrofluidischen Komponenten
können auf
direkte Weise, wie z. B. Photolithographieverfahren, chemisches
Trocken- oder Naßätzen, Laserablation
oder traditionelle Bearbeitung hergestellt werden. Die mikrofluidische
Komponente kann außerdem
auf indirekte Weise, wie z. B. Spritzgießen, heißes Prägen, Gießen oder andere Verfahren,
die eine Form oder ein gemustertes Werkzeug verwenden, um die Merkmale
der mikrofluidischen Komponente zu bilden, hergestellt werden. Das
mikrofluidische Substrat ist aus einem Material wie z. B. Polymer, Glas,
Silizium, Metall, oder Keramik hergestellt. Ein Polymer, wie z.
B. Polyimid oder Polymethylmethacrylat (PMMA) wird bevorzugt. Die
mikrofluidische Komponente wird im wesentlichen hergestellt, bevor die
Elektronikkomponente damit verbunden wird.
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Zusätzlich zu den mikrofluidischen
Merkmalen umfaßt
die mikrofluidische Komponente leitfähige Spuren, die innerhalb
des Substrats und/oder auf der Oberfläche des Substrats gebildet
sind. Die leitfähigen
Spuren schaffen elektrische Verbindung zwischen der Elektronikkomponente
und verschiedenen elektrischen Merkmalen auf oder in der mikrofluidischen
Komponente. Diese elektrischen Merkmale können umfassen: (1) direkte
Kontakte mit dem Fluid; (2) Elemente, die entweder in Kontakt oder
nicht in Kontakt mit dem Fluid sind und den Fluß oder den Betrieb des Fluids
oder seiner Inhalte steuern; (3) Sensoren, die in direktem Kontakt
mit dem Fluid sind; (4) Sensoren, die nicht in direktem Kontakt
mit dem Fluid sind; (5) elektrische Heiz- oder Kühlelemente, die in oder auf
der mikrofluidischen Komponente integriert sind; (6) Elemente, die
Oberflächenveränderungen
innerhalb der mikrofluidischen Komponente bewirken können; und
(7) aktive mikrofluidische Steuerungselemente, wie z. B. Ventile,
Pumpen und Mischer. Leitfähige
Spuren können
außerdem
zu Kontaktanschlußflächen auf
der mikrofluidischen Komponente führen, die elektrische Verbindungen
zu Systemen außerhalb
der Komponente, wie z. B. Signalprozessoren, Signalausgabevorrichtungen,
Leistungsversorgungen, und/oder Datenspeichersystemen schaffen.
Die Schaffung von Kontaktanschlußflächen auf der mikrofluidischen
Komponente für
die Verbindung zu Systemen außerhalb
der Komponente, kann den Bedarf beseitigen, solche Kontaktanschlußflächen auf
der Elektronikkomponente vorzusehen.
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Die Elektronikkomponente ist eine
vorgefertigte integrierte Schaltung, die jede einer Vielzahl von Funktionen
ausführen
kann. Die vorgefertigte integrierte Schaltung kann eine Kombination
von Operationsverstärkern,
Transistoren, Dioden, Multiplexern, Schaltern, Filtern, usw. umfassen,
die Funktionen, wie z. B. Signalerfassung, Signalverarbeitung, Puffern,
und/oder Steuerungsfunktionen erfüllen. Die Elektronikkomponente
kann beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung
(ASIC = application specific integrated circuit) sein. Die Elektronikkomponente
ist mit der mikrofluidischen Komponente unter Verwendung einer Flip-Chip-Verbindung,
wie z. B. einer Lötmittelhöckerbefestigung, Goldplattierungsbefestigung
oder einer Befestigung durch ein leitfähiges Haftmittel, verbunden.
Vorzugsweise ist diese Komponente eine elektrische Komponente, die
innerhalb des Bereichs der mikrofluidischen Komponente befestigt
ist, derart, daß die
elektrische Komponente nicht über
die Seite der mikrofluidischen Komponente hinausragt. Eine einseitig
eingespannte Elektronikkomponente kann jedoch als eine Einrichtung
zum Freilegen von Kontaktanschlußflächen für die direkte Verbindung der
Elektronikkomponente mit einem System außerhalb der Komponente verwendet
werden.
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Gleichartig zu der mikrofluidischen
Komponente, wird die Elektronikkomponente in einem getrennten Verfahren
hergestellt, unter Verwendung von herkömmlichen Halbleiterverarbeitungstechniken.
Die Elektronikkomponente kann eine Kombination aus Speicher, Signalerfassung,
Signalverarbeitung- und
Steuerungsschaltungsanordnung umfassen. Die Signalerfassungsschaltungsanordnung kann
elektrische Felder, Magnetfelder, Leitfähigkeit, Widerstandsfähigkeit,
elektrischen Strom, dielektrische Konstanten, chemische Eigenschaften,
Temperatur, Druck, und/oder Licht erfassen, abhängig von den Betriebsanforderungen
der mikrofluidischen Komponente. Die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung
kann beispielsweise ein Signal verstärken, filtern, von analog zu
digital umwandeln, und/oder auf der Basis von Signaleingängen logische
Entscheidungen treffen. Die Steuerungsschaltungsanordnung kann Spannungssteuerung,
Stromsteuerung, Temperatursteuerung und/oder Zeitgebungssignalerzeugung
liefern.
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Da die mikrofluidische Komponente
und die Elektronikkomponente getrennte Vorrichtungen sind, kann
die Elektronikkomponente an verschiedenen Stellen mit der mikrofluidischen
Komponente verbunden sein. Beispielsweise kann die Elektronikkomponente
so mit der mikrofluidischen Komponente verbunden sein, daß sie sich
nicht direkt über
irgendwelchen mikrofluidischen Kanälen oder Kammern befindet.
Alternativ kann die Elektronikkomponente so mit der mikrofluidischen
Komponente verbunden sein, daß sie
sich direkt über
einem mikrofluidischen Kanal oder einer mikrofluidischen Kammer
befindet, um direkte Signalerfassung durch die Elektronikkomponente über dem
Kanal, der Kammer oder einem anderen Merkmal zu liefern. Als weitere
Möglichkeit kann
das System mehr als eine Elektronikkomponente umfassen, die auf
der gleichen oder auf gegenüberliegenden
Seiten mit der mikrofluidischen Komponente verbunden sind.
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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung
wirkt die Elektronikkomponente, um eine Rückkopplungsschleife auf dem
System zwischen der mikrofluidischen Komponente und der Elektronikkomponente
zu schaffen. Beispielsweise kann die Elektronikkomponente einer
Heizvorrichtung signalisieren, die Temperatur an einem bestimmten
Bereich der mikrofluidischen Komponente zu überwachen. Ansprechend auf
die überwachte
Temperatur kann die Elektronikkomponente die Temperatur auf der
mikrofluidischen Komponente anpassen, wie sie benötigt wird,
um eine bestimmte Bedingung zu erreichen oder zu erhalten. Andere
Prozeßsteuerungen
im System können
zwischen der mikrofluidischen Komponente und der Elektronikkomponente
implementiert werden, um Funktionalität und/oder verbesserte Leistungsfähigkeit
zu schaffen.
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Da die Elektronikkomponente und die
mikrofluidische Komponente getrennte Vorrichtungen sind, die miteinander
verbunden sind, können
die Komponenten getrennt hergestellt werden, unter Verwendung von
Qualitätskontrollverfahren,
die für
jeden Komponententyp spezifisch sind. Zusätzlich können, da die Elektronikkomponente
und die mikrofluidische Komponente getrennte Vorrichtungen sind,
die Komponenten mit anderen mikrofluidischen und Elektronikkomponenten
ausgetauscht werden, um individuell gestaltete Verarbeitungs- und Analysewerkzeuge zu
erzeugen. Beispielsweise können
verschiedene integrierte Schaltungen mit einer einzigen Gestaltung einer
mikrofluidischen Komponente verwendet werden, um neue Systeme zu
erzeugen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele des integrierten
Mikrosystems werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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- 1 eine
perspektivische Ansicht eines integrierten Mikrosystems, das eine
Elektronikkomponente umfaßt,
die gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einer mikrofluidischen Komponente verbunden ist,
wobei sich die Elektronikkomponente nicht über einem mikrofluidischen
Kanal befindet.
- 2 eine perspektivische
Ansicht eines integrierten Mikrosystems, das eine Elektronikkomponente
umfaßt,
die gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit einer mikrofluidischen Komponente verbunden ist,
wobei die Elektronikkomponente direkt über einem mikrofluidischen
Kanal angebracht ist.
- 3 eine Seitenschnittansicht
eines Abschnitts des integrierten Mikrosystems von 2.
- 9 eine Seitenschnittansicht einer
alternativen Einrichtung zum Verbinden einer Elektronikkomponente
mit einer mikrofluidischen Komponente.
- 5 eine perspektivische
Draufsicht eines integrierten Mikrosystems, das gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung eine einseitig eingespannte Elektronikkomponente umfaßt.
- 6 eine perspektivische
Unteransicht des integrierten Mikrosystems von 5.
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1 ist
eine Ansicht eines integrierten Mikrosystems 10, das eine
Elektronikkomponente 12 umfaßt, die mit einer mikrofluidischen
Komponente 14 verbunden ist. Die mikrofluidische Komponente umfaßt ein Substrat,
das Merkmale aufweist, wie z. B. mikrofluidische Kanäle, mikrofluidische
Kammern und mikrofluidische Flußsteuerungselemente.
Die mikrofluidischen Kanäle
umfassen Merkmale wie z. B., aber nicht beschränkt auf, einfache fluidische Übertragungskanäle, Trennungskanäle, Mischkanäle und dergleichen.
Die mikrofluidischen Abteile können als
Fluidbehandlungsabteile gesehen werden, in denen spezielle Prozesse
durchgeführt
werden. Solche Prozesse umfassen, aber sind nicht begrenzt auf,
Mischen, Markieren, Filtern, Extrahieren, Ausfällen, Digestieren und dergleichen.
Mikrofluidische Flußsteuerungselemente
umfassen, aber sind nicht begrenzt auf, Mischer, Ventile, Pumpen,
Druckregler, Massenflußregler
und dergleichen. Die mikrofluidische Komponente umfaßt außerdem Merkmale,
wie z. B. Eingangs- und Ausgangstore für fluidische Kommunikation
mit Vorrichtungen oder Komponenten außerhalb der Komponente.
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Die mikrofluidische Komponente kann
auf direkte Weise, wie z. B. durch Photolithographieverfahren, chemisches
Naß- oder Trockenätzen, Laserablation,
oder traditionelle Bearbeitung hergestellt werden. Die mikrofluidische
Komponente kann außerdem
auf indirekte Weise, wie z. B. Spritzgießen, heißes Prägen, Gießen oder andere Prozesse, die
eine Form oder ein gemustertes Werkzeug benutzen, um die Merkmale
der mikrofluidischen Komponente zu bilden, hergestellt werden. Das
mikrofluidische Substrat ist aus einem Material wie z. B. Polymer,
Glas, Silizium, oder Keramik hergestellt. Polymere sind die bevorzugten
Substratmaterialien, und Polyimid ist das am meisten bevorzugte.
Polymermaterialien, die hier besonders in Erwägung gezogen werden, umfassen
Materialien, die aus den folgenden Klassen ausgewählt sind:
Polyimide, PMMA, Polycarbonat, Polystyrol, Polyester, Polyamide,
Polyether, Polyolefin oder Mischungen derselben.
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In der gesamten Anmeldung bezieht
sich der Ausdruck „mikrofluidisch" auf eine Komponente
oder ein System, mit Kanälen
und/oder Kammern, die im allgemeinen im Mikrometer- oder Submikrometer-Maßstab hergestellt
sind. Beispielsweise weisen die typischen Kanäle oder Kammern zumindest eine Querschnittabmessung
im Bereich von ungefähr
0,1 μm bis
etwa 500 μm
auf.
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Bezugnehmend insbesondere auf 1, ist die mikrofluidische
Komponente 14 eine planare Vorrichtung, die ein inneres
Fluidbehandlungsabteil 18 mit dem Eingangs- und dem Ausgangstor 15 und 16 umfaßt, und
ferner eine interne Trennungskammer 20 mit Eingangs/Ausgangstoren 17 und 22 umfaßt. Das
Fluidbehandlungsabteil und die Trennungskammer sind durch gestrichelte
Linien gezeigt, da sie innerhalb der mikrofluidischen Komponente 14 gebildet
sind. Die gestrichelten Linien sind unterbrochen an der Kreuzung
des Kanals vom Abteil 18 mit dem Kanal von dem Trennungskanal 20,
da sich die zwei Kanäle
schneiden. Der Ausdruck „Fluidbehandlungsabteil" wird hier verwendet,
um einen Abschnitt der mikrofluidischen Komponente zu beschreiben,
in dem bestimmte Probenpräparationsprozesse
durchgeführt
werden. Solche Prozesse umfassen, sind aber nicht beschränkt auf,
Mischen, Ettiketieren, Filtern, Extrahieren, Ausfällen, Digestieren
und dergleichen. Die mikrofluidische Komponente umfaßt außerdem leitfähige Spuren 26, 28 und 30,
die innerhalb des Substrats und/oder auf der Oberfläche des Substrats
gebildet sind. Beispielsweise können
die leitfähigen
Spuren 26 und 28 verwendet werden, um die Leitfähigkeit
eines jeweiligen Materials an einem Punkt entlang des Trennungskanals
zu messen. Die leitfähigen
Spuren 26 und 28 erstrecken sich zu der Elektronikkomponente 12,
die mit der mikrofluidischen Komponente 14 verbunden ist.
Die mikrofluidische Komponente umfaßt außerdem leitfähige Spuren 30,
welche die Elektronikkomponente mit den Kontaktanschlußflächen 32 verbinden.
Die Kontaktanschlußflächen können elektrische
Verbindungen zu Systemen außerhalb
des Chips, wie z. B. Signalprozessoren, Signalausgabevorrichtungen,
einer Leistungsversorgung, und/oder Datenspeichersystemen schaffen.
Die Schaffung von Eingangs/Ausgangskontaktanschlußflächen auf
der mikrofluidischen Komponente eliminiert den Bedarf, solche Kontaktanschlußflächen auf
der Elektronikkomponente vorzusehen.
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Die mikrofluidische Komponente 14 ist
eine Vorrichtung, die getrennt von der Elektronikkomponente 12 hergestellt
wird. Das heißt,
daß die
mikrofluidische Komponente nicht durch Aufbringen einer Reihe von
Schichten auf oder in Verbindung mit der Elektronikkomponente hergestellt
wird.
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Die Elektronikkomponente 12 ist
eine vorgefertigte integrierte Schaltung, die jede einer Vielzahl von
Funktionen ausführen
kann. Der Ausdruck „Elektronikkomponente" wird hier verwendet,
um sich auf eine Vorrichtung zu beziehen, die von der Beschaffenheit
her überwiegend
elektronisch ist, und einen oder mehreren der Vorgänge, die
nachfolgend beschrieben werden durchführt. Im Gegensatz zum oben
zitierten System von Kramer et al., das nur eine einfache Photodiode
offenbart, die mit einer mikrofluidischen Komponente verbunden ist,
hat die Elektronikkomponente von 1 eine
Schaltungsanordnung (nicht gezeigt), die eine Kombination von Operationsverstärkern, Transistoren,
Dioden, Multiplexern, Schaltern, Filtern, Logik, Digital/Analog-Wandlern, Analog/Digital-Wandlern,
usw. umfassen kann, die Funktionen wie z. B. Signalerfassung, Signalverarbeitung,
Puffern, und/oder Signal- oder Flußsteuerung durchführen. Die
Elektronikkomponente ist elektrisch verbunden mit der fluidischen
Komponente, unter Verwendung einer Flip-Chip-Verbindung, wie z. B. Lötmittelhöckerbefestigung,
Vergoldungsbefestigung, oder elektrisch leitfähige Haftbefestigung. Beim
bevorzugten Ausführungsbeispiel
befindet sich die Elektronikkomponente vollständig innerhalb des Bereiches
der mikrofluidischen Komponente, so daß die Elektro nikkomponente
nicht über
die Ecke der mikrofluidischen Komponente hinausragt. Die Elektronikkomponente
wird unter Verwendung herkömmlicher
Halbleiterverarbeitungstechniken getrennt von der mikrofluidischen
Komponente hergestellt.
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Die Elektronikkomponente 12 kann
eine Signalerfassungsschaltungsanordnung umfassen. Die Signalerfassungsschaltungsanordnung
kann elektrische Felder, elektrischen Strom, Temperatur, Leitfähigkeit,
Widerstandsfähigkeit,
magnetische Felder, dielektrische Konstanten, chemische Eigenschaften,
Druck oder Licht erfassen, abhängig
von den Betriebserfordernissen der mikrofluidischen Komponente.
Die Techniken, die zur Erfassung dieser Eigenschaften verwendet
werden, sind in der mikrofluidischen und elektronischen Technik
bekannt und werden hier nicht näher
beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, das die Schaltungsanordnung zum
Erfassen anderer Phänomene
ebenfalls in der Elektronikkomponente umfaßt sein können.
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Die Elektronikkomponente 12 kann
außerdem
eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung umfassen. Die Signalverarbeitungsschaltungsanordnung
kann beispielsweise ein Signal verstärken, ein Signal filtern, ein
Signal von analog zu digital umwandeln, und auf der Basis von Signaleingängen logische
Entscheidungen treffen. Da die Möglichkeiten für die Signalverarbeitung
zahlreich sind, wird darauf hingewiesen, daß jeder Typ von Steuerungsschaltungsanordnung
für die
Implementierung in der Elektronikkomponente vorhergesehen ist.
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Die Elektronikkomponente 12 kann
außerdem
Software oder Firmware enthalten, die durch ihren Betrieb die Tätigkeit
der Schaltungsanordnung führt
oder steuert. Beispielsweise kann die Elektronikkomponente programmierbare
Logik enthal ten, die es ermöglicht,
daß ein
programmierter Algorithmus ausgeführt wird, so daß er bestimmte
Funktionen erfüllt.
Diese Funktionen können
Signalfiltern, Signalrückkopplung,
Steuerungsvorgänge,
Signalunterbrechung und andere Formen der Signalverarbeitung umfassen.
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Die Elektronikkomponente 12 ist
eine integrierte Schaltung, die mit der mikrofluidischen Komponente 14 verbunden
ist. Das Verbinden der mikrofluidischen Komponente mit der Elektronikkomponente
kann die Verwendung von Kontaktlöten
beinhalten, um entsprechende elektrische Kontaktpunkte auf mikrofluidischen
Komponente und der integrierten Schaltung zu verbinden. Das Kontaktlötmittel kann
auf die maximale Temperatur eingestellt werden, die von dem mikrofluidischen
Substrat ausgehalten werden kann. Alternativ können Goldkontakthöcker, Goldkontaktanschlußflächen, oder
leitfähige Haftmittel
verwendet werden, um elektrischen Kontakt zwischen der Elektronikkomponente
und der mikrofluidischen Komponente zu schaffen. Das Verbinden der
Elektronikkomponente mit der mikrofluidischen Komponente kann unter
Verwendung eines nicht leitfähigen
Haftmittels oder eines Bondingverfahrens durchgeführt werden.
Die mikrofluidische Komponente kann Kontaktanschlußflächen 32 umfassen,
welche die integrierte Schaltung mit entfernten Systemen (außerhalb
der Komponente) verbinden. Obwohl die mikrofluidische Komponente
von 1 die Kontaktanschlußflächen umfaßt, um die
integrierte Schaltung mit entfernten Systemen zu verbinden, sind
andere Anordnungen möglich,
bei denen die Kontakte in die Elektronikkomponente integriert sind.
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Die Elektronikkomponente 12 kann
an unterschiedlichen Stellen mit der mikrofluidischen Komponente
verbunden sein. Wie in 1 gezeigt,
befindet sich die Elektronikkomponente nicht direkt über einem
der mikrofluidischen Kanäle
oder Kammern. Wenn sich die Elektronikkomponente nicht direkt über einem
mikrofluidischen Kanal oder einer mikrofluidischen Kammer befindet,
kann die Plazierung der Elektronikkomponente mit minimaler Genauigkeit durchgeführt werden,
da nur die Ausrichtung der elektrischen Kontaktanschlußflächen erforderlich
ist. Eine Plazierungstoleranz von ungefähr 50 bis 200 μm ist beispielsweise
akzeptabel. Die integrierte Schaltung kann alternativ direkt über einem
mikrofluidischen Kanal oder einer mikrofluidischen Kammer angeordnet
werden, um direkte Signalerfassung durch eine Erfassungsvorrichtung
zu liefern, die in die Elektronikkomponente integriert ist. Die 2 und 3 veranschaulichen eine Anordnung, bei
der die Elektronikkomponente 12 direkt über dem Trennungskanal 20 innerhalb
der mikrofluidischen Komponente 14 Flip-Chip-verbunden
ist. Unter besonderer Bezugnahme auf 3 kann
die Elektronikkomponente 12 verwendet werden, die Leitfähigkeit
des Fluids innerhalb des Trennungskanals 20 zu messen.
Die Elektronikkomponente ist mit der Oberfläche der mikrofluidischen Komponente 12 an
einem leitfähigen
Bauteilpaar 33 und 35, wie z. B. Kontaktanschlußflächen, in
Kontakt. Jede Kontaktanschlußfläche ist
kapazitiv gekoppelt mit dem Fluid innerhalb dem Trennungskanal,
da das Substratmaterial der mikrofluidischen Komponente ein Nichtleiter
zwischen zwei leitfähigen Materialien
ist. Falls eine der Kontaktanschlußflächen mit einer Wechselstromquelle
verbunden ist und das andere Kontaktanschlußflächen mit einem Detektor verbunden
ist, kann die Leitfähigkeit
des Fluids gemessen werden. Die Schaltungsan ordnung zum Überwachen
der dynamischen Leitfähigkeit
des Fluids befindet sich zumindest teilweise innerhalb der Elektronikkomponente 12 enthalten.
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Es ist möglich, daß mehr als eine Elektronikkomponente
mit der mikrofluidischen Komponente verbunden ist. Gemäß 4 werden zwei Elektronikkomponenten 37 und 39 gezeigt,
die mit gegenüberliegenden
Seiten des Substrats, das die mikrofluidische Komponente 14 bildet,
verbunden sind. Herkömmliche
Verbindungsdrähte 41 können verwendet werden,
um eine elektrische Verbindung zwischen den Kontaktanschlußflächen 43 auf
der Elektronikkomponente und der Kontaktanschlußfläche 45 auf der mikrofluidischen
Komponente zu schaffen, es können
aber auch andere Techniken zum elektrischen Verbinden der Komponenten
verwendet werden. Als ein mögliches
Beispiel kann die Komponente 39 ein integrierter Schaltungschip
sein, der spezifisch ist für
mikrofluidische Steuerungsfunktionen, und die Komponente 37 kann
ein weiterer integrierter Schaltungschip sein, der spezifisch ist
für Signalverarbeitungsfunktionen.
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Bei erneuter Bezugnahme auf die 1 und 2, wirkt die Elektronikkomponente 12 bei
einem Ausführungsbeispiel
des integrierten Mikrosystems 10, um eine Rückkopplungsschleife
zwischen der mikrofluidischen Komponente 14 und der Elektronikkomponente
zu schaffen. Beispielsweise kann die Temperatur einer Region auf
der mikrofluidischen Komponente durch die Elektronikkomponente überwacht werden.
Ansprechend auf die gemessene Temperatur kann die Elektronikkomponente
die Temperatur der überwachten
Region auf der mikrofluidischen Komponente anpassen, wie es benötigt wird,
um die gewünschte
Temperatur zu erreichen oder beizubehalten. Die Rückmeldung
zwischen der mikrofluidischen Komponente und der Elektronikkomponente ist
beispielsweise nützlich
bei Verarbeitungs- oder Analysetechniken, die mehrere Temperaturänderungen
erfordern. Obwohl die Temperatursteuerung beschrieben wird als ein
spezifisches Beispiel einer Rückkopplungsimplementation,
können
auch andere Rückkopplungsschleifen im
System zwischen der mikrofluidischen Komponente und der Elektronikkomponente
implementiert werden, um verbesserte Leistungsfähigkeit zu schaffen. Die Bereitstellung von
Signalverarbeitung innerhalb der integrierten Schaltung, die mit
der mikrofluidischen Komponente Flip-Chip-verbunden ist, ermöglicht die
Steuerung verschiedener Prozesse, wie z. B. Meß-, Reaktions-, Konzentrations-,
oder Trennungsprozesse.
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Ein Vorteil des Verbindens einer
Elektronikkomponente mit einer mikrofluidischen Komponente besteht
darin, daß die
zwei Komponenten eine modulare Architektur bilden, bei der jede
Komponente getrennt hergestellt werden kann. Elektronikkomponenten
und fluidische Komponenten erfordern unterschiedliche Materialien
und Herstellungsverfahren. Die Trennung ihrer Herstellung beseitigt
die Schwierigkeiten des Integrierens der Herstellungsprozesse und
unterschiedlichen Materialien. Ferner ermöglicht die Herstellung der
Elektronikkomponente getrennt von der mikrofluidischen Komponente
Qualitätssteuerungsverfahren,
die spezifisch sind für
den Vorrichtungstyp, der hergestellt wird. Beispielsweise sind die Umweltsteuerungsanforderungen
für die
Herstellung integrierter Schaltungen nicht die gleichen wie bei
der Herstellung von mikrofluidischen Komponenten. Da die Elektronikkomponente
und die mikrofluidische Komponente getrennt voneinander hergestellt
werden, sind die zwei Komponenten darüberhinaus mit anderen mikrofluidischen
Komponenten und Elektronikkomponenten austauschbar. Beispielsweise
kann die gleiche Ausführung
einer mikrofluidischen Komponente mit verschiedenen Elektronikkomponenten ausgestattet
werden, um unterschiedliche Ziele zu erreichen. Durch Verwendung
der gleichen mikrofluidischen Komponente, um Systeme mit verschiedenen
Fähigkeiten
zu erzeugen, werden die Kosten für die
Entwicklung mikrofluidischer Komponenten vermieden, während Flexibilität bei der
Verarbeitung und Steuerung ermöglicht
wird.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung
wird in den 5 und 6 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Elektronikkomponente 47 einseitig eingespannt von
der Kante des Substrats, das die mikrofluidische Komponente 14 bildet.
Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels
liegt darin, daß die
Kontaktanschlußflächen 49 auf
der unteren Oberfläche
der Elektronikkomponente frei liegen, wodurch direkte Verbindungen
mit einer Schaltungsanordnung außerhalb des Systems ermöglicht werden. Das
heißt,
daß die
Spuren 30 und Kontaktanschlußflächen 33 von 1 nicht erforderlich sind.
Wahlweise kann sich die einseitig eingespannt Elektronikkomponente 47 über einen
mikrofluidischen Kanal oder eine mikrofluidische Kammer erstrecken
und Funktionen erfüllen
(z. B. Temperaturüberwachung) die
keine elektrischen Verbindungen zwischen der Elektronikkomponente 47 und
der mikrofluidischen Komponente 14 erfordern. Daher wären die
leitfähigen
Spuren 26 und 28 von 5 nicht notwendig, aber die Elektronikkomponente
würde sich über einen
Teil des Trennungskanals 20 oder der Fluidbehandlungskammer 18 erstrecken.