DE10147080B4 - Verfahren zum Flüssigkeitsauftrag mittels diskret verpackter Einzelvolumina und deren Anwendung - Google Patents

Verfahren zum Flüssigkeitsauftrag mittels diskret verpackter Einzelvolumina und deren Anwendung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum gezielten Aufbringen von Flüssigkeit mit einem Rauminhalt von weniger als 1 μl, bei dem zunächst abgeschlossene Volumina der Flüssigkeit hergestellt werden, wobei der Inhalt keine Wechselwirkung mit der Umgebung eingeht und wobei ein für den Zielprozess angepasstes und ausreichend präzises Volumen eingestellt wird, jedes Volumen für sich einzeln an den Zielort der Anwendung gebracht, dort oder auf dem Weg dorthin durch Aufschluss die Flüssigkeit freigesetzt und in einen aktiven Zustand versetzt wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Flüssigkeitsauftragsverfahren zur hochpräzisen Dosierung und zum Dispensen von kleinsten Mengen von Flüssigkeiten, bevorzugt höherviskose Klebstoffe oder gefüllte Fluide aus der Verbindungstechnik im Bereich der Elektronik- und Mikrosystemtechnik oder der Medizin.
  • Zum Beispiel in der Mikrosystemtechnik und Halbleitertechnik werden Bauelemente mit Substraten verbunden. Diese Verbindungen werden sehr oft mittels Klebstoffen durchgeführt. Dabei können mit diesen Klebstoffenneben dem Leiten von Kräften auch weitere Funktionen wie Leiten von Elektrizität, Ladungen, Strahlung, Licht, Wärme oder Stoffen realisiert werden sowie ebenso deren jeweiliges Gegenteil. Dazu werden die Klebstoffe mit funktionellen Partikeln oder ähnlichem vermischt, es entstehen sogenannte gefüllte Klebstoffe.
  • Diese Klebestellen sind bedingt durch die Größe der Bauteile zwischen einem Mikrometer und 1 Millimeter groß, die Fluidmengen betragen wenige Pikoliter bis hin zu einigen Nanolitern. Dies erfordert eine hochgenaue Dosierung und Platzierung der Verbindungsmedien ohne Beschädigung und Beeinträchtigungen der in der Regel empfindlichen Bauteile.
  • Ähnliche minimale Flüssigkeitsmengen werden z.B. bei der Herstellung von Mikrosystemen zur Oberflächenbehandlung, in der Medizin zum Verkleben kleinster Wunden, speziell in der Neurochirurgie, bei der Analyse von DNA, beim Entwickeln von Arzneimitteln und in vielen anderen Gebieten benötigt.
  • Flüssigkeiten in kleinsten Mengen (weniger als Mikroliter) werden üblicherweise mit sogenannten Dispensern dosiert und an ihren Wirkort gebracht. Der Vorgang des Dispensen schließt dabei immer das Dosieren und Transportieren ein. Die Dispenser lassen sich in berührungslose und berührende Verfahren unterteilen.
  • Zu den berührungslosen Verfahren gehören die Verfahren, die das Medium an den Wirkort spritzen, wie z.B. Tintenstrahldrucker, Jet-Dosierer nach dem Kolbenstoßprinzip (z. B. Fa. Speedline bzw. US 6085943 ), Dosierer nach dem Trägheitsprinzip (Hahn Schickard Gesellschaft) oder Piezodosierer ( DE19706513 , Piezopaddelpumpe des Lehrstuhls für Feingerätebau und Mikrotechnik TU München (Ederer, I.: Modeling of a Piezo Paddle Micro Pump; International Conference on Modeling and Simulation of Microsystems, Semiconductors, Sensors and Actuators; Santa Clara, 1998), Dispenskopf der Fa. Delo gem. Produktunterlagen 2000). Diese Dosierverfahren ermöglichen Tropfengrößen vom Pikoliterbereich bis hin zu kontinuierlich geförderten Flüssigkeitsmengen.
  • Nachteilig hierbei ist jedoch, dass sie in den interessanten Bereichen unterhalb eines Nanoliters lediglich in der Lage sind, niedrigviskose Medien bis maximal 100 mPas zu dosieren. Eine Verwendung gefüllter Klebstoffe ist nur sehr eingeschränkt möglich.
  • Mit berührenden Verfahren können höhere Viskositäten in kleinsten Mengen dosiert werden. Ein Beispiel ist die Verwendung von Nadeldispensern und Kapillardispenser, wie dies in einem Forschungsprojekt der RWTH Aachen (SFB 440, veröffentlicht auf dem Statuskolloquium am 6.9.2001 in Aachen, Bericht Teilprojekt B8, U. Dilthey, M. Möller, Seite 99–108) durchgeführt wurde. Bekannte Verfahren für die Dosierung sind dabei eine Förderung mittels positive displacement (Bewegung eines Kolbens zur Verdrängung des Fluids), einer archimedischen Schraube oder dem Druck-Zeit-Prinzip (Beaufschlagung des Fluids mit Druckstößen). Ein bekanntes Beispiel für das positive displacement ist die Entwicklung einer Nadel speziell für Leitkleber ( DE 19721265A1 ). Ein Schraubendispenser ist in US 5971227 beschrieben.
  • Nachteilig hierbei ist, dass mit gefüllten Klebstoffen keine kleinsten Mengen dosiert werden können. Die Volumenstreuung wird dabei sehr groß. Gleichzeitig müssen kontinuierlich Prozessparameter wie Viskosität und Restmenge überwacht werden, um ein gleichbleibendes Dispensergebnis zu erzielen. Eine technische Umsetzung gestaltet sich daher sehr aufwendig.
  • Wie in den obigen Abschnitten beschrieben, ist es mit den bekannten Verfahren nicht möglich, kleinste Mengen von Fluiden, bevorzugt höherviskose Fluide wie z.B. Klebstoff mit einer Viskosität über 2000 mPas, zu dosieren und dispensen.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu beseitigen.
  • Im Bereich hochviskoser Fluide und solcher mit rheologisch stark schwankenden Eigenschaften befinden sich interessante Bereiche für technische Klebstoffe, z.B. in der Mikrosystemtechnik, für biologische Reagenzien, z.B. in der Genforschung und Medizin sowie der Pharmazie. Es besteht ein Bedarf nach Dispensern, die eine Dosierung von Fluiden beliebiger Viskosität in einem Volumenbereich von 1 pl bis hin zu mehreren Nanolitern ermöglichen. Dabei ist es nach den bekannten Verfahren sehr schwierig, diese kleinsten Mengen als Einzeltropfen zu dosieren und an den Wirkort zu bringen.
  • Eine Lösung dieser Aufgabe wird mit der vorliegenden Erfindung, gekennzeichnet durch die in Anspruch 1 beschriebenen Eigenschaften, vorgeschlagen.
  • Die Erfindung erfasst dabei den gesamten Prozess des Erzeugens, Transportierens und des Ablegens und Aktivierens der einzelnen Tröpfchen, allgemein, der abgeschlossenen Flüssigkeitsvolumen.
  • Durch die in den Unteransprüchen vorgeschlagenen Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
  • Dementsprechend zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Prozess des Dosierens und Dispensens räumlich getrennt stattfindet.
  • Gemäß dem erfindungsgemässen Verfahren wird die zu dosierende Flüssigkeit zunächst als abgeschlossenes Volumen bereitgestellt.
  • Das Bereitstellen der in einem abgeschlossenen Volumen vorliegenden Flüssigkeit, hier „Verpacken" der zu dosierenden Flüssigkeit genannt, geschieht erfindungsgemäß mittels bekannter Verfahren, vorzugsweise den bekannten Verfahren der Mikroverkapselung. Als Mikrokapseln seien hier alle Körper der für die hier beschriebene Anwendung interessanten Größenordnung bezeichnet, die ihren Inhalt in einer Hülle einschließen. Bekannte chemische Verfahren sind dabei z.B. die Verkapselung durch Koazervation, die Grenzflächenpolymerisation oder die Wandbildung aus einem vorgegebenen Polymer. Bekannte physikalische Verfahren sind z.B. die Beschichtung im Wirbelbett, die Sprühtrocknung, das Mehrstoffdüsenverfahren und die Tauchverfahren. Ebenfalls möglich ist ein Einschließen der Flüssigkeit in schon vorhandene Hüllen, z.B. organische Hüllen wie Pollen oder künstlich hergestellte Hüllen wie kleine Polymerhohlkörper. All die genannten Verfahren sind als Beispiele für die Herstellungsmethoden für Mikrokapseln zu verstehen und stellen keineswegs eine vollständige Liste dar.
  • Darüber hinaus können die Flüssigkeiten auch mittels anderer Verfahren, wie z.B. durch Granulieren von in festem Zustand befindlichen z.B. gefrorenen Flüssigkeiten oder anderen Verpackungsverfahren in den Zustand des geometrisch bestimmten Einzelvolumens gebracht werden.
  • Vorteilhafterweise lässt dieses abgeschlossene Volumen unter den jeweiligen Umgebungsbedingungen keine Wechselwirkungen der Inhalts mit seiner Umgebung zu.
  • Aufgrund des abgeschlossenen Volumens kann die Menge des beinhalteten Mediums exakt bestimmt werden, wodurch die erfindungsgemäße präzise Volumentreue sichergestellt wird. Das Volumen kann durch die geometrischen Abmessungen, mittels des Gewichts, durch andere geeignete Messverfahren, durch ein geeignetes Sichtverfahren oder andere geeignete verfahrenstechnische Verfahren ermittelt werden.
  • Dieses abgeschlossene Volumen wird mittels eines geeigneten Transportverfahrens an seinen Wirkort verbracht und dort auf der vorgesehenen Stelle platziert.
  • Der Transport an den Wirkort kann mit den bekannten Verfahren der Mikromontage erfolgen. Hier ist beispielsweise die Verwendung von Mikrogreifern, berührungslosen Greifverfahren wie Ultraschalllevitation oder optischen Pinzetten denkbar. Die genaue Platzierung kann z.B. absolutgenau durch das Handhabungssystem oder durch übliche Sensoriken wie Bildverarbeitung oder andere geeignete Sensoren sichergestellt werden.
  • Am Wirkort wird mittels eines geeigneten Aufschlussverfahrens die Flüssigkeit freigesetzt bzw. in einen aktiven Zustand versetzt, sodass sie ihre Funktion wahrnehmen kann.
  • Dies kann z.B. durch direkte äußere Einwirkung wie z.B. aufgebrachte Druckkräfte erfolgen, die z.B. durch das Aufsetzen des zu montierenden Bauteils erzeugt werden, wodurch die Kapsel mit flüssigem Inhalt zum Platzen gebracht wird. Eine weitere Variante ist ein Freisetzen des Inhalts von in einer Hülle verpackten Einzelvolumina durch ein Durchbohren der Hülle, beispielsweise durch Aufsetzen auf mikrotechnisch aufgebrachte Spitzen.
  • Bei Mikrokapseln wie auch bei gefrorenem Granulat ist ein Aufschluss durch indirekte äußere Einwirkung wie z.B. durch Wärme, chemische Reaktionen oder Strahlung denkbar, wobei entweder das Granulat oder eine mögliche Hülle zum Schmelzen gebracht bzw. die Hülle zerstört oder brüchig gemacht und damit der Kapselinhalt freigesetzt wird.
  • Weitere Varianten zum Freisetzen des Inhalts sind je nach Anwendung andere chemische Verfahren (z.B. Lösungsmittel), physikalische Verfahren (z.B. Platzen durch die Wucht eines Aufpralls) oder biologische Verfahren (z.B. Zersetzen der Kapselhülle durch biologische Antikörper eines Organismus) sowie die Einwirkung von Schwingungen, die beispielsweise durch elektrische, elektromagnetische oder Ultraschall-/Schallfelder oder andere Schwingungsquellen erzeugt werden. Eine weitere Variante ist ein gesteuerter Zerfall der Hülle oder des Inhalts des abgeschlossenen Volumens.
  • Der Ort des Aufschlusses ist mit diesen Varianten nicht festgelegt. Applikationsspezifisch kann der Aufschluss des abgeschlossenen Volumens noch während des Transportes zum Wirkort, am Wirkort selbst oder in seltenen Fällen auch kurz nach der Bereitstellung als abgeschlossenes Volumen erfolgen.
  • Ebenfalls können alle angesprochenen Teilprozesse in vorteilhafter Weise miteinander verknüpft zum Einsatz kommen.
  • Vorteilhafterweise können die nach dem Aufschluss verbleibenden Reste nutzbringend verwendet werden. Dies kann eine Verwendung basierend auf den Eigenschaften der Hülle sein. Beispielsweise können bei geeigneter mechanischer Eigenschaft die Hüllenreste federnd oder dämpfend gegenüber aufgebrachten Kräften oder Schwingungen wirken. Beispielsweise kann durch die Hüllenreste eine Leitfähigkeit z.B. für Elektrizität oder Wärme verbessert oder ermöglicht werden. Bei Leitklebeprozessen kann damit ein mit leitfähigen Partikeln gefüllter Leitkleber ersetzt werden.
  • Beispielsweise können diese Reste als Abstandshalter verwendet werden, z.B. zum Einstellen des Fügespalts in einer Klebefuge.
  • Beispielsweise können diese Reste weitere vorteilhafte Wirkungen aufweisen, die mit dem mit dem Flüssigkeitsinhalt angestrebten Prozess in keinem direkten Zusammenhang stehen sondern auf sekundäre Effekte abzielen, z.B. eine aseptische Wirkung bei Anwendung dieses Verfahrens in der Medizin.
  • Andererseits kann die Flüssigkeit in einer weiteren Variante der Erfindung auch eine gefüllte Flüssigkeit sein. Dadurch wird ein weiterer Vorteil gegenüber dem Stand der Technik erzielt, da ein Dispensen kleinster Mengen gefüllter Flüssigkeiten mit derzeitigen Mitteln in der Regel nicht möglich ist.
  • In einer weiteren Variante der Erfindung kann die Flüssigkeit als unterstützendes Medium für die Verwendung des eigentlichen Funktionsträgers, die Hülle, dienen. Ein beispielhafter Anwendungsfall hierfür ist der Lötprozess, wobei die Hülle das Lötzinn darstellt und in ihrem Inneren das Flussmittel transportiert wird.
  • Eine weitere Variante der Erfindung stellt die Verwendung von Doppel- und Mehrfachhüllen dar, womit beispielsweise Klebstoff und Härter gemeinsam an den Fügeort transportiert werden könnte.
    •
  • konkretes Anwendunsgbeispiel mit Zeichnungen
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren näher erläutert. Das angeführte Beispiel beschränkt nicht die technischen Lösungsmöglichkeiten der beschriebenen Erfindung.
  • Im Einzelnen zeigt:
  • In 1 ist schematisch dargestellt, wie ein abgeschlossenes Flüssigkeitsvolumen beispielsweise in Kugelform (1) auf einer Oberfläche (3) platziert ist, während ein Gegenstand (2) von der anderen Seite sich ihm nähert. Bei der Oberfläche (3) kann es sich um ein Substrat aus der Mikrosystemtechnik oder Elektronik handeln, aber auch um beliebige andere Oberflächen von Gegenständen, auf die eine Flüssigkeit aufgebracht werden soll. Der sich nähernde Gegenstand (2) kann z.B. ein Halbleiterbauelement oder ein Bauelement aus dem Bereich der Mikrosystemtechnik sein, welches mit dem Substrat verbunden werden soll. Allgemein kann es sich auch um einen Gegenstand handeln, der mit dem ersten (3) in Wechselwirkung treten soll. Dies kann sich in einer Funktionsvereinigung ausdrücken oder im einfachsten Fall lediglich ein Aufschließen des abgeschlossenen Volumens (1) bewirken, worauf der zweite Gegenstand (2) wieder entfernt wird. Dabei kann das abgeschlossene Volumen gemäß den oben beschriebenen Verpackungsverfahren mit oder ohne Hülle versehen sein.
  • In 2 ist das Annähern des zweiten Gegenstands (2) soweit fortgeschritten, dass die Kugel (1) sich kurz vor dem Zustand des Zerplatzens befindet. Nach einem Bersten der Kugel (1) tritt der in 3 beschriebene Zustand ein: Die Flüssigkeit innerhalb der Kugel (1) verteilt sich zwischen Gegenstand (3) und Gegenstand (2).
  • 4 zeigt eine Anordnung, in der Gegenstand (3) und Gegenstand (2) sowie das abgeschlossene Volumen zueinander positioniert sind. Das Aufschließen des abgeschlossenen Volumens erfolgt jedoch hier mittels einer von außen aufgebrachten Einwirkung (4), z.B. eine Strahlung (Licht oder Wärme), wodurch der Inhalt des abgeschlossenen Volumens freigesetzt und seiner bestimmungsgemäßen Funktion zugeführt wird.
  • 5 zeigt eine Möglichkeit zum Platzieren der abgeschlossenen Volumina (1) auf dem Gegenstand (3) mittels eines Greifers (5).
  • 6 zeigt eine Variante von 5, wobei eine parallele Positionierung mehrerer abgeschlossener Volumina (1) mittels eines modifizierten Greifers (6) auf dem Gegenstand (3) gleichzeitig oder nacheinander möglich ist.
  • 7 zeigt eine Variante der Erfindung, wobei die Hüllenreste (7) der abgeschlossenen Volumina (1) die Gegenstände (2) und (3) verbinden. Damit können z.B. leitende Verbindungen hergestellt oder ein definierter Abstand zwischen den Gegenständen (2) und (3) hergestellt werden.
  • Wie in den Zeichnungen beschrieben, kann das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden, um z.B. mikrosystemtechnische oder elektronische Bauelemente zu montieren. Bei Verwendung der Hüllenreste als leitfähiges Medium kann ein Leitklebeprozess ersetzt werden. Es ist mit diesem Verfahren auch möglich, kleinere Mengen hochviskoser Klebstoffe und anderer Pasten präziser als mit herkömmlichen Dispensverfahren zu dosieren und zu positionieren.
  • Grundsätzlich ist das Verfahren in Bereichen einsetzbar, in denen sehr präzise Flüssigkeitsmengen an definierten Stellen positioniert und aktiviert werden müssen, z.B. um lokale Verätzungen mittels Säuren und Laugen, Verbindungen mittels Fügemedien, chemische und pharmazeutische Reaktionen durch Chemikalien, Marker oder Medikamente, Kennzeichnung und Eigenschaftsänderung durch lokale Dotierung und ähnliche Anwendungen zu erzielen.

Claims (14)

  1. Verfahren zum gezielten Aufbringen von Flüssigkeit mit einem Rauminhalt von weniger als 1 μl, bei dem zunächst abgeschlossene Volumina der Flüssigkeit hergestellt werden, wobei der Inhalt keine Wechselwirkung mit der Umgebung eingeht und wobei ein für den Zielprozess angepasstes und ausreichend präzises Volumen eingestellt wird, jedes Volumen für sich einzeln an den Zielort der Anwendung gebracht, dort oder auf dem Weg dorthin durch Aufschluss die Flüssigkeit freigesetzt und in einen aktiven Zustand versetzt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass hochviskose Flüssigkeiten eingesetzt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass chemisch oder physikalisch reversibel verfestigte Flüssigkeiten eingesetzt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der sich in festem Aggregatszustand befindliche Stoff am Ziel- und Wirkort durch Aufschluss als Flüssigkeit freigesetzt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem abgeschlossenen Volumen um eine Mikrokapsel handelt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem abgeschlossenen Volumen um einen zerkleinerten festen Stoff handelt.
  7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschlossenen Volumina durch Greifverfahren transportiert und am Ziel- und Wirkort abgelegt werden.
  8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeschlossene Volumen durch äußere Einflüsse aufgeschlossen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Einfluss durch zerstörende Wirkung oder Druck eines anderen Gegenstands, Aufschlagenergie, energetische Strahlung wie Wärme oder Licht, Schwingungen, hüllenlösende Stoffe aus der Umgebung oder durch eine Reaktion mit Oberflächen oder Werkstoffen angrenzender Gegenstände erfolgt.
  10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeschlossene Volumen durch innere Einflüsse aufgeschlossen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufschluss durch inneren Druck, durch Änderung des Aggregatszustands, durch mittels eingebrachter Energie hervorgerufene Reaktionen oder durch zeitlich oder örtlich initiierten Zerfall, hervorgerufen durch stoffimmanente Eigenschaften, erfolgt.
  12. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung eines mikrosystemtechnischen oder elektronischen Produkts.
  13. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 zur Verbindung und Bearbeitung von Körpergewebe oder anderen organischen Gegenständen in der Medizin.
  14. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 zum stoffschlüssigen Fügen eines Gegenstands, wobei der Inhalt des abgeschlossenen Volumens ein Verbindungsmedium wie Klebstoff, Lotpaste oder Flussmittel ist.
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