DE10134040B4

DE10134040B4 - Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Hohlstrukturen aus Kunststoff

Info

Publication number: DE10134040B4
Application number: DE2001134040
Authority: DE
Inventors: Roman TRUCKENMÜLLER
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: DE10134040A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Hohlstrukturen (1) aus Kunststoff mit Hilfe eines Werkzeugs bestehend aus einer Form platte) (5) mit Kavitäten (8), einer Gegenplatte (6) mit Löchern zur Evakuierung (9) und Druckbeaufschlagung (10) und einer dazwischen angeordneten hitzebeständigen, elastomeren Dichtung (7), gekennzeichnet _ durch folgende Verfahrensschritte:
a) Einlegen einer thermoplastischen Kunststofffolie (2) und eines mit einem Heißsiegelkleber beschichteten Substrats (3) mit fluidischen Anschlüssen (4) in Form von Durchgangslöchern – korrespondierend mit den Löchern (10) zur Druckbeaufschlagung in der Gegenplatte (6) – in das Werkzeug, wobei die Folie (2) zur Form (5) weist,
b) halb zufahren des Werkzeugs, so dass der Raum zwischen Form und Gegenplatte geschlossen ist, und erzeugen eines Vakuums (11) von ca. 10^–2 mbar,
c) ganz zufahren des Werkzeugs, beaufschlagen des Werkzeugs mit einem Pressdruck von ca. 20 bis 100 bar und aufheizen auf die Umformtemperatur,
d) anlegen eines Überdrucks mit Hilfe eines Druckmediums...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Hohlstrukturen aus Kunststoff.

Mit der starken Zunahme von Anwendungen für miniaturisierte Analyse- und Synthesesysteme speziell im Bereich der biomedizinischen Technik (Pharma, Biotech, Life Science usw.) steigt der Bedarf an kostengünstigen, weil einfachen und schnellen Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Hohlstrukturen, vzw. aus Kunststoffen. Ein Einsatz fluidscher Strukturen für die Kühlung von (mikro)elektronischen Bauelementen (hochintegrierte Schaltkreise, Leistungsbauteile) bzw. Baugruppen ist von zunehmender Bedeutung.

Die bekannten Methoden zur Fertigung solch hohler Polymerstrukturen basieren auf dem Warmumformen bzw. Heißprägen von Vertiefungen in eine (dicke) Kunststofffolie oder -platte oder dem Herstellen vergleichbarer Strukturen im Spritzgießverfahren und dem anschließenden Abdecken (,Deckeln‘) der Kavitäten mit einer Kunststofffolie oder -platte durch Schweißen, Kapillarkleben, Diffusions- bzw. Lösungsmittelkleben usw.. Das Deckeln von Mikrostrukturen aus Kunststoff mittels Diffusionskleben wird beispielsweise in DE 19851644 A1 behandelt. Ein weiteres auf dem Deckeln basierendes Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Hohlstrukturen wird in Merkel, T. u.a.: A new technology for fluidic microsystems based on PCB technology. m: Sensors and Actuators A. 1999, Vol. 77, S. 98–1051, beschrieben. Nachteilig an den bisherigen Vorgehensweisen ist, dass sie aufwendig, weil mindestens zwei Prozesszyklen umfassend sind, wobei überdies das dem Heißprägen bzw. Spritzgießen nachfolgende Deckeln nicht direkt im Werkzeug der Heißpräge- bzw. Spritzgießmaschine erfolgen kann, da die beim Deckeln zu verschließenden Kavitäten zum (weil formgebenden – unebenen) Werkzeug hin orientiert sind. Nachteilig an den bisherigen Vorgehensweisen ist weiter, dass sie häufig mit einer teilweisen Zerstörung der Mikrostrukturen beim Verschließen derselben im Deckelungsschritt verbunden sind. Durch mangelnde Kontrolle von Verfahrensparametern wie Zeit, Druck, Temperatur, Klebstoffdosierung, Lösungsmittelapplizierung usw. kommt es dabei zu Strukturverlust durch ungesteuertes thermoplastisches Fließen oder (Lösungsmittel-)Quellen der Mikrostrukturen oder zum partiellen Zufließen der Mikrostrukturen mit Klebstoff.

Aus der DE 43 11 592 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Kunststoff enthaltenden Teilen bekannt, bei dem in einem einzigen Prozesszyklus innerhalb des Werkzeugs einer Warmumformmaschine eine thermoplastische Kunststofffolie durch Druck umgeformt und mit einem ebenen, nicht zu thermoformenden Substrat durch Einwirkung von Druck und Temperatur verbunden, wodurch eine Hohlkammer gebildet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Hohlstrukturen aus Kunststoff bereitzustellen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Verfahrensschritte des Patentanspruchs 1. Die übrigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Verfahren lediglich einen Prozesszyklus innerhalb einer Warmumformmaschine bzw. Heißprägepresse umfasst. Weiter besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung darin, dass das Verfahren in einer starren oder starrflexiblen Substratplatte als Träger der mikrofluidischen Hohlstrukturen nur die fluidischen Anschlüsse zu den Strukturen zur Herstellung derselben verwendet. Hierbei ist die Benutzung eines fluidschen Anschlusses je in sich abgeschlossener Struktur ausreichend. Auch besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung darin, dass eine Zerstörung der Mikrostrukturen beim Deckeln vermieden wird. Die geringe (Ausgangs-) Dicke der thermoplastischen Folie sowie ein Druckmedium in den aus Folie und Substrat gebildeten Hohlstrukturen verhindert ein Verlust an Formdefinition der Strukturen beim Schweißen, Heißsiegeln oder wärmeaktivierten Kleben. Schließlich besteht ein besonderer Vorteil der Erfindung darin, dass die vorgestellte, dünnwandige und mit deutlich über 50% der Umrandungsfläche zur Umgebung schauende, thermogeformte Mikrohohlstruktur gegenüber einer dickwandigen und mit deutlich unter 50% der Berandungsfläche zur Umwelt blickenden, konventionell gedeckelten Mikrohohlstruktur einen erhöhten Wärmeübergang (z. B. für einen mikrotechnischen Wärmetauscher) und eine erhöhte optische Transmission (z. B. für die UV-Absorptions- oder Fluoreszenz-Detektion einer CE) ermöglicht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von drei Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Figuren näher erläutert.
Dabei zeigt die 1 schematisch 4 Schritte bei der Verfahrensdurchführung. Die 2 und 3 zeigen schematisch zwei Ausführungsbeispiele, bei denen sich die Hohlstrukturen auf beiden Seiten der Trägerfolie befinden.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Werkzeug – bestehend aus einer metallischen Form (platte) (5) mit Kavitäten (8), einer metallischen Gegenplatte (6) mit Löchern zur Evakuierung (9) und Druckbeaufschlagung (10) und einer hitzebeständigen, elastomeren Dichtung (7) – in eine Warmumformmaschine bzw. Heißprägepresse montiert. Die Formplatte und die Gegenplatte bestehen aus Messing, die Dichtung aus Silikonkautschuk. Die Kavitäten bestehen i. W. aus Gräben mit einer Breite von 0.6, 0.5, 0.4 und 0.3 mm, einer Tiefe von 0.15 und 0.225 mm und einer Länge von 20 mm und sind durch mechanische Mikrofertigung gefertigt. Der Prozesszyklus läuft dann, wie in 1 schematisch dargestellt, gemäß den folgenden Verfahrensschritten ab:

(a): Eine thermoplastische Kunststofffolie (2) und ein Substrat (3) mit fluidischen Anschlüssen (4) in Form von Durchgangslöchern – korrespondierend mit den Löchern zur Druckbeaufschlagung in der Gegenplatte – werden – mit der Folie zur Form und dem Substrat zur Gegenplatte hin – in das Werkzeug eingelegt (1(a)).
(b): Das Werkzeug wird halb zugefahren, so dass der Raum zwischen Form und Gegenplatte geschlossen ist, und auf ein Vakuum (11) von ca. 10^–2 mbar abgepumpt. Die Kunststofffolie besteht aus Polystyrol mit einer Dicke von 0.025 mm und das Substrat aus Polycarbonat mit einer Dicke von 0.25 mm. Das Substrat ist mit einem Heißsiegelkleber mit einer Dicke von ca. 0.005 mm beschichtet (1(b)).
(c): Dann wird das Werkzeug ganz zugefahren, so dass die Folie und das Substrat mit einem Pressdruck von ca. 20 bis 100 bar zusammengedrückt werden, und auf die Umformtemperatur von ca. 115°C aufgeheizt (1(c)).
(d): Die Folie wird mit dem Substrat verschweißt in den Bereichen, in denen die Folie und das Substrat zusammengedrückt werden und – nachdem von Evakuierung auf Druckbeaufschlagung umgeschaltet wird – in die evakuierten Kavitäten der Form durch das Druckmedium Stickstoff (12) bei einem Überdruck von ca. 4.5 bar gegen Atmosphärendruck eingeformt in den Gebieten, in denen die Folie die Kavitäten überspannt (1(c)).
(e): Schließlich wird das Werkzeug abgekühlt, die Druckbeaufschlagung weggenommen, das Werkzeug aufgefahren und die Mikro strukturen (1) entformt und entnommen. Über die Kompression von Folie und Substrat durch das Werkzeug für das Verschweißen derselben wird ein unkontrolliertes Nachrücken der Folie beim Thermoformen unmöglich und – speziell bei einer erweichten Folie unter der zusätzlichen Einwirkung von Temperatur – ein direktes Eindringen des Druckmediums in die evakuierten Kavitäten der Form verhindert, die Folie übernimmt also die Funktion einer Dichtung. Ein Vordruck von ca. 1 bar schon während der Aufheizphase bei Temperaturen, bei denen zum einen der Heißsiegelkleber noch nicht oder nur gering klebrig und zum anderen die Kunststofffolie noch nicht oder nur gering erweicht ist, erleichtert beim Thermoformen das schadensfreie Abheben der Kunststofffolie vom Substrat.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht die Kunststofffolie aus Polycarbonat mit einer Dicke von 0.02 mm, das Substrat aus Polysulfon mit einer Dicke von 0.38 mm und es wird auf eine Umformtemperatur von ca. 165°C aufgeheizt. Ansonsten ist das zweite mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch.
In einem dritten Ausführungsbeispiel werden an Stelle einer Form mit Kavitäten und einer Gegenplatte mit Löchern zur Druckbeaufschlagung zwei Formplatten mit Löchern zur Druckbeaufschlagung sowie statt einer Folie auf der einen der Form zugewandten Seite des Substrats zwei Folien auf den beiden den Formen zugewandten Seiten des Substrats mit Löchern (13) zur Freigabe der fluidischen Anschlüsse. im Substrat eingesetzt. So können auf beiden Seiten des Substrats Mikrostrukturen – direkt über fluidische Anschlüsse, 2, oder indirekt über fluidische Durchsteiger (14), 3, jeweils in Form von Durchgangslöchern im Substrat – thermogeformt und mit dem Substrat verbunden werden. Ansonsten ist das dritte mit dem ersten Ausführungsbeispiel identisch.
Im Folgenden wird das Verfahren noch einmal zusammen mit vorteilhaften Merkmalen der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und der beim Verfahren verwendeten Materialien aufgelistet.
Bei dem Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Hohlstrukturen 1 aus Kunststoff wird in einem einzigen Prozesszyklus innerhalb des Werkzeugs einer Warmumformmaschine bzw. Heißprägepresse eine thermoplastische Kunststofffolie 2 durch ein gasförmiges oder flüssiges Druckmedium 12 zu fluidischen Mikrostrukturen thermogeformt und mit einem starren oder starrflexiblen, nicht zu thermoformenden Substrat 3 durch Einwirkung von Temperatur und Druck verbunden.
Das Werkzeug besteht aus einer Form (platte) 5 mit Kavitäten 8, einer Gegenplatte 6 mit Löchern zur Evakuierung 9 der Form und Druckbeaufschlagung 10 der Folie und einer Dichtung 7 zur Ermöglichung eines Vakuums 11 im Raum zwischen Form und Gegenplatte.
Das Substrat besitzt fluidische Anschlüsse 4 in Form von Durchgangslöchern, die mit Löchern in der Gegenplatte fluchten und das Druckmedium gelangt beim Thermoformen nur durch diese Löcher zwischen die Folie und das Substrat.
Die Gegenplatte besitzt Löcher zum lagerichtigen Einlegen des Substrats – mittels Passstiften – und zur lagegerechten Halterung der Folie und des Substrats – mittels Unterdruck – gegenüber der Gegenplatte und damit auch gegenüber der Form.
Die Löcher zur Evakuierung und Druckbeaufschlagung können mit den Löchern zum lagerichtigen Einlegen und zur lagegerechten Halterung teilweise übereinstimmen.
Die Löcher können sich als Durchgangslöcher teilweise oder vollständig in einer auswechselbaren Lochplatte befinden.
Diese liegt geführt auf der Gegenplatte oder ist auf ihr befestigt.
Die Gegenplatte kann zur Evakuierung, Druckbeaufschlagung und lagegerechten Halterung nur einen Anschluss besitzen.
Die Löcher können in einem regelmäßigen Raster (Lochraster) angeordnet sein, wobei im jeweiligen Prozess die nicht benötigten Löcher gegen die Folie durch das Substrat abgedeckt und die benötigten Löcher gegen die Folie durch das Substrat freigegeben sind.
Als Folie können Mehrschichtverbundfolien mit Permeationssperr- bzw. -barriereschichten, lichtundurchlässigen Schichten und Heißsiegelschichten eingesetzt werden.
Die Folie kann in Bereichen, die nicht für das Thermoformen bestimmt sind, strukturiert sein bzw. Durchbrüche besitzen, wodurch das Substrat in diesen Bereichen nicht durch die Folie abgedeckt wird.
Die Folie kann strukturierte Dünnschichten besitzen.
Die Folie kann an der der Form zu- oder abgewandten Seite dünne metallische Leiterbahnen und Kontaktfelder besitzen, die beim Thermoformen mit der Folie umgeformt werden.
Das Substrat kann aus Kunststoff, starrem oder starrflexiblem Leiterplattenmaterial, Glas, Keramik oder Silizium bestehen.
Zwischen Substrat und Gegenplatte kann eine weitere Folie mit zum Substrat korrespondierenden (Durchgangs-) Löchern zum Ausgleich von Dickenschwankungen und Abbau von Spannungsspitzen des Substrats eingesetzt werden.
Als Druckmedium kann Stickstoff oder zur Herabsetzung der Permeation ein Inertgas mit relativ zu Stickstoff größeren Mole külen wie Schwefelhexafluorid, Octafluoropropan oder Octafluorocyclobutan eingesetzt werden.
Das Druckmedium kann auf Temperaturen in der Nähe der Werkzeugtemperatur vorgewärmt sein.
Die Form kann aus einer oder mehreren übereinander auf eine ebene Platte gelegten oder montierten Kulissen bestehen, wobei die Kulissen lasergeschnittene Metallbleche oder drahterodierte Stahlbleche sind.
Die ebene Platte oder die Kulissen können mikrorauh oder -profiliert sein oder die ebene Platte kann aus einem gasdurchlässigen Material bestehen, so dass die Kavitäten durch Vakuumlöcher zur Ebene zwischen Platte und Kulissen oder durch das gasdurchlässige Material hindurch evakuiert werden können.
Die Form kann aus gasdurchlässigem Metall (Metallfritte, Metallschaum), Glas (Glasfritte) oder offenporiger Keramik bestehen.
Die thermogeformte Folie kann mit dem Substrat verschweißt werden.
Das Substrat kann chemisch (reaktiv) oder physikalisch gerauht werden, z. B. durch Strahlen mit feinkörnigem, scharfkantigem Korund.
Das Substrat oder die Folie kann eine haftvermittelnde Schicht z. B. aus Titanoxid oder Chromoxid, oder eine heißsiegelfähige Schicht oder eine Schicht aus hitzeaktivierbarem Klebstoff besitzen.
Es ist auch möglich, dass an Stelle einer Form mit Kavitäten und einer Gegenplatte mit Löchern zur Druckbeaufschlagung zwei Formplatten und davon eine oder beide mit Löchern zur Druckbeaufschlagung sowie statt einer Folie auf der einen der Form zugewandten Seite des Substrats zwei Folien auf den beiden den Formen zugewandten Seiten des Substrats und davon eine oder beide mit Löchern 13 zur Freigabe der fluidischen Anschlüsse im Substrat eingesetzt werden, so dass auf beiden Seiten des Substrats Mikrostrukturen – direkt über fluidische Anschlüsse oder indirekt über fluidische Durchsteiger 14 jeweils in Form von Durchgangslöchern im Substrat – thermogeformt und mit dem Substrat verbunden werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung von mikrofluidischen Hohlstrukturen (1) aus Kunststoff mit Hilfe eines Werkzeugs bestehend aus einer Form platte) (5) mit Kavitäten (8), einer Gegenplatte (6) mit Löchern zur Evakuierung (9) und Druckbeaufschlagung (10) und einer dazwischen angeordneten hitzebeständigen, elastomeren Dichtung (7), gekennzeichnet _ durch folgende Verfahrensschritte: a) Einlegen einer thermoplastischen Kunststofffolie (2) und eines mit einem Heißsiegelkleber beschichteten Substrats (3) mit fluidischen Anschlüssen (4) in Form von Durchgangslöchern – korrespondierend mit den Löchern (10) zur Druckbeaufschlagung in der Gegenplatte (6) – in das Werkzeug, wobei die Folie (2) zur Form (5) weist, b) halb zufahren des Werkzeugs, so dass der Raum zwischen Form und Gegenplatte geschlossen ist, und erzeugen eines Vakuums (11) von ca. 10^–2 mbar, c) ganz zufahren des Werkzeugs, beaufschlagen des Werkzeugs mit einem Pressdruck von ca. 20 bis 100 bar und aufheizen auf die Umformtemperatur, d) anlegen eines Überdrucks mit Hilfe eines Druckmediums über die Löcher (10), so dass die Folie in die Kavitäten der Form eingeformt wird, und e) abkühlen und entformen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenplatte (6) Löcher zum lagerichtigen Einlegen des Substrats – mittels Passstiften – und zur lagegerechten Halterung der Folie (2) und des Substrats (3) – mittels Unter druck – gegenüber der Gegenplatte (6) und damit auch gegenüber der Form besitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle einer Form mit Kavitäten und einer Gegenplatte mit Löchern zur Druckbeaufschlagung zwei Formplatten und davon eine oder beide mit Löchern zur Druckbeaufschlagung sowie statt einer Folie auf der einen der Form zugewandten Seite des Substrats zwei Folien auf den beiden den Formen zugewandten Seiten des Substrats und davon eine oder beide mit Löchern (13) zur Freigabe der fluidischen Anschlüsse im Substrat eingesetzt werden, so dass auf beiden Seiten des Substrats Mikrostrukturen – direkt über fluidische Anschlüsse oder indirekt über fluidische Durchsteiger (14) jeweils in Form von Durchgangslöchern im Substrat – thermogeformt und mit dem Substrat verbunden werden können.