DE10154822A1

DE10154822A1 - Device for the automatic and continuous analysis of liquid samples comprises a micro-pump, valves and fluid channels on both sides of the surface of a glass ceramic channel body

Info

Publication number: DE10154822A1
Application number: DE2001154822
Authority: DE
Inventors: Dietrich Roscher; Udo Wolf; Joerg Leuthaeuser
Original assignee: MEONIC SYS ENG GmbH
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2003-05-22

Abstract

Device for the automatic and continuous analysis of liquid samples comprises a micro-pump, valves, fluid channels on both sides of the surface of a glass ceramic channel body (1). The channel body is covered on both sides by an elastic metal plate (4, 5) and joined together by a polymer dispersion. Connections (63, 64) for external functional elements and liquid reservoirs are arranged on both sides. An Independent claim is also included for a process for producing microfluidic structures, especially for analysis devices. Preferred Features: The micro-pump consists of an inlet chamber (11), a pump chamber (12) and an outlet chamber (14). The outlet chamber lies over the pump chamber in the channel body. A blocking agent is mixed with the polymer dispersion.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vorrichtung zur automatischen und kontinuierlichen chemischen Analyse von Inhaltsstoffen in Flüssigkeitsproben durch Zumischen bestimmter Reagenzien mit Hilfe einer in einem gemeinsamen Träger eingeformten Anordnung von Mikropumpen, Mischkammern, Kanälen, Reaktoren, deren Strukturierung durch eine oder mehrere Platten abgedeckt ist, und durch Auswertung der Reaktionsergebnisse mit Hilfe geeigneter Sensoren, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung. The invention relates to a device for automatic and continuous chemical analysis of ingredients in Liquid samples by adding certain reagents with the help an arrangement of molded in a common carrier Micropumps, mixing chambers, channels, reactors, their structuring is covered by one or more panels, and by evaluating the Reaction results with the help of suitable sensors, as well as a procedure to manufacture the device.

Der Vorteil dieser Miniaturisierung besteht darin, dass die Menge der eingesetzten Reagenzien bedingt durch die Reduzierung 7 der Probenmenge stark verringert werden kann. Typische Flussmengen in der dieses mikrofluidischen Analysesystems liegen in der Größenordnung von 1 µl/min. Damit sind Anordnungen realisierbar, die sehr klein und kompakt aufgebaut sind, damit mobil bzw. in der Probe schwimmend installiert sind. Bedingt durch die Miniaturisierung und die damit verbundene Möglichkeit, eine Vielzahl von Mikropumpen, Mischkammern und Kanäle in einem gemeinsamen Träger anzuordnen, können die eigentlichen Sensoren in verschiedenen fluidischen Zuständen betrieben werden, z. B. die Eichung mit Referenzflüssigkeiten, Regenerierung der Sensoroberflächen mit speziellen Flüssigkeiten, Differenzmeßmethoden. The advantage of this miniaturization is that the amount of reagents used can be greatly reduced by reducing the amount of sample 7 . Typical flow rates in this microfluidic analysis system are in the order of 1 µl / min. This makes it possible to implement arrangements which are very small and compact, so that they are installed in a mobile manner or in a floating manner in the sample. Due to the miniaturization and the associated possibility of arranging a large number of micropumps, mixing chambers and channels in a common carrier, the actual sensors can be operated in different fluidic states, e.g. B. calibration with reference liquids, regeneration of the sensor surfaces with special liquids, differential measurement methods.

Mikrodosier- und Analysesysteme in Form vernetzter mikrofluidischer Strukturen sind bereits bekannt. Sie werden entsprechend der Dosier- oder Analyseaufgabe aus verschiedenen Funktionselementen wie Mikropumpen, Mischer, Ventile, Küvetten gebildet, die durch Kanäle verbunden sind. Microdosing and analysis systems in the form of cross-linked microfluidic Structures are already known. You will be dosed according to the or analysis task from various functional elements such as Micropumps, mixers, valves, cuvettes formed by channels are connected.

Es sind Anordnungen bekannt, bei dem die Funktionselemente auf einem gemeinsamen Kanalkörper mit einer Abdeckung untergebracht sind. In der DE 195 11 198 A1 ist ein Kanalkörper in einem Siliziumwafer zusammen mit der Ansteuerelektronik realisiert. Die Funktionselemente werden dabei in einer Vielzahl von Schritten mit bekannten verfahren der Mikroelektronik, insbesondere mit Masken und Ätztechnik hergestellt. Arrangements are known in which the functional elements on a common channel body are housed with a cover. In the DE 195 11 198 A1 is a channel body in a silicon wafer realized with the control electronics. The functional elements are in a multitude of steps using known methods of Microelectronics, especially manufactured with masks and etching technology.

In der DE-OS 196 48 695 A1 ist eine Vorrichtung vorgestellt worden, bei der Mikropumpen, Mischkammern, Kanäle, Reaktoren auf einem gemeinsamen Siliziumwafer durch anisotropes Ätzen eingebracht sind und deren Strukturierung mit einer Glasdeckschicht flüssigkeitsdicht durch anodisches Bonden abgedeckt ist. Als Pumpenantrieb wird ein aus einer Piezoscheibe und der Glasabdeckplatte gebildeter Bimorph verwendet. Die Pumpkammer ist rechteckig mit trapezförmigen Querschnitt. Unmittelbar vor und hinter der Pumpkammer befinden sich Kanäle mit jeweils einem unterschiedlichen, nichtlinearen und ungerichteten Strömungswiderstand. Durch Ansteuerung des Bimorphes mit Impulsen unterschiedlicher Flankensteilheit entsteht eine Pumpwirkung, die aus unterschiedlichen Zeitpunkten des Überganges von laminarer zur turbulenten Strömung in den Ein- und Auslaufkanälen entsteht. Mehrere dieser Pumpen für verschiedene Reagenzien wirken ausgangsseitig auf eine Mischkammer, in der die einzelnen Reagenzien verwirbelt und damit gemischt werden. Die Kanäle können hinsichtlich ihrer Länge so bemessen werden, dass bei kontinuierlichen Fluss bedingt durch die Fließgeschwindigkeit hinreichende Zeiten für die chemische Reaktion vorhanden sind und damit ein quasi kontinuierlich messendes Analysesystem entsteht. Für eine präzise Analyse ist es wichtig, die Mengen der zugesetzten Reagenzien genau zu kontrollieren. Dazu wird in der DE-OS 196 48 695 A1 der Fluss durch Messung des Druckunterschiedes am Ein- und Ausgang eines Messkanals gemessen. A device has been presented in DE-OS 196 48 695 A1 of micropumps, mixing chambers, channels, reactors in one common silicon wafers are introduced by anisotropic etching and their structuring with a glass cover layer through liquid-tight anodic bonding is covered. As a pump drive, one becomes Piezo disk and the glass cover plate formed bimorph used. The pump chamber is rectangular with a trapezoidal cross section. Channels are located directly in front of and behind the pump chamber each a different, non-linear and non-directional Flow resistance. By controlling the bimorph with pulses different slope steepness creates a pumping effect that different times of the transition from laminar to turbulent flow in the inlet and outlet channels. Several these pumps for different reagents act on the output side a mixing chamber in which the individual reagents are swirled and thus be mixed. The channels can be so in terms of their length be dimensioned that with continuous flow due to the Flow rate sufficient times for the chemical reaction are present and thus a quasi continuously measuring Analysis system is created. It is important for a precise analysis that Check the amounts of reagents added carefully. This will in DE-OS 196 48 695 A1 the flow by measuring the Difference in pressure measured at the inlet and outlet of a measuring channel.

Diese Anordnung hat den Nachteil, dass für die Anfertigung des Kanalkörpers relativ hohe Einmalkosten für die Lithografieprozesse entstehen und technologisch bedingt, teilweise Einschränkungen der Kanalführung entstehen. Für Verbindungskanäle ist wiederum eine zweite Verbindungsebene notwendig. Auf Grund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten des Siliziumwafers und der Glasdeckschicht sowie zur Sicherung der Stabilität der chemischen Reaktionen ist eine thermische Stabilisierung notwendig, die über einen niedrigen thermischen Widerstand auf das Fluid wirken sollte. Außerdem fehlen zweckmäßig ausgeführte Ventile, die es für bestimmte Analyseaufgaben ermöglichen, Fluidkanäle abzuschalten. This arrangement has the disadvantage that for the production of the Channel body relatively high one-off costs for the lithography processes arise and due to technology, some restrictions of Channel guidance arise. There is a second one for connecting channels Connection level necessary. Because of different Expansion coefficient of the silicon wafer and the glass cover layer as well as to ensure the stability of the chemical reactions is one thermal stabilization necessary over a low thermal resistance should act on the fluid. Also missing Appropriately designed valves that are used for certain analysis tasks allow to switch off fluid channels.

In der DE 196 48 695 wird die eine Anordnung für eine Mikropumpe in einem 100 Waferverbund durch Ansteuerung mit unterschiedlichen Impulsen dazu genutzt, um eine Pumpwirkung in beide Richtungen zu bewirken. In Verbindung mit geeigneten Regelsystemen kann damit der Fluss in einem Fluidkanal unterbrochen werden. Nachteilig ist jedoch, dass bedingt durch Regelabweichungen ein unvermeidlicher Restfluss auftritt, der z. B. ein Kalibrierungsvorgang verfälschen kann. DE 196 48 695 describes an arrangement for a micropump in a 100 wafer composite by control with different Pulses used to create a pumping effect in both directions cause. In conjunction with suitable control systems, the Flow in a fluid channel to be interrupted. However, the disadvantage is that due to control deviations an inevitable residual flow occurs, the z. B. can falsify a calibration process.

In der DE 195 07 638 A1 wird eine Anordnung beschrieben, in der eine zweite Ebene für Verbindungselemente vorgesehen ist und durch einen modulhaften Aufbau der Service erleichtert wird. Allerdings werden die Mikropumpen als externe Bauelemente aufgefasst, die über sogenannte Schnittstellenöffnungen mit dem eigentlichen Kanalkörper verbunden sind. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass nach dem Öffnen des Kanalsystems Luft eintreten kann und somit das System kollabiert. Das System muss mit entsprechenden Vorrichtungen neu geflutet werden. DE 195 07 638 A1 describes an arrangement in which one second level is provided for connecting elements and by a modular structure of the service is facilitated. However, the Micropumps perceived as external components, which are so-called Interface openings are connected to the actual channel body. The disadvantage of this solution is that after opening the duct system Air can enter and the system collapses. The system has to corresponding devices are flooded again.

Nachteilig bei den vorstehenden Lösungen ist aber auch, dass die Glasdeckschicht und der Siliziumwafer einen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass bei thermischer Beanspruchung mechanische Spannungen auftreten, die aufgrund der Sprödigkeit des Glases bis zum Bruch der Glasdeckschicht führen können. Derartige nachteilige Spannungen entstehen durch Reaktionswärme der Reagenzien und durch Wärme der aufgesetzten elektronischen Bauelemente. Das Layout auf dem Träger aus Silizium ist technologiebedingt außerdem auf bestimmte Strukturen beschränkt. Another disadvantage of the above solutions is that the Glass cover layer and the silicon wafer a different Have coefficients of expansion, so that at thermal Stress mechanical stresses occur due to the Brittleness of the glass lead to breakage of the glass cover layer can. Such adverse tensions arise from Heat of reaction of the reagents and heat of the attached electronic components. The layout on the carrier is made of silicon Technology-related also limited to certain structures.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für ein Analysesystem und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung anzugeben, das variable vernetzte fluidische Strukturen hoher Dichte mit verschiedenen Funktionselementen (Pumpen, Ventile, Reaktoren) enthält. Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass der Anschluss und der Wechsel von externen Flüssigkeitsbehältern in einfacher Weise möglich ist, ohne dass dabei Luft in das System eindringen kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine wirksame Temperaturregelung zur Stabilisierung der chemischen Prozesse vorzunehmen. The invention has for its object a device for a Analysis system and a method for manufacturing the device specify the variable networked fluidic structures with high density contains various functional elements (pumps, valves, reactors). Another task is that of connecting and changing of external liquid containers is easily possible without that air can enter the system. Another job is effective temperature control to stabilize the to carry out chemical processes.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass variable Mikrostrukturen auf den Oberflächen einer als Kanalkörper dienenden Glaskeramikplatte durch mechanische Feinstbearbeitung eingeformt und durch elastische Metallplatten abgedeckt werden. Durch die Geometrie der Mikrostrukturen werden unterschiedliche Funktionselemente wie Mikropumpen, Ventile, Verbindungskanäle, Küvetten erzeugt, die optimal den gewünschten fluidischen Strömungsbedingungen angepasst werden. Durch den Verbund der Glaskeramikplatte mit den beiden Metallplatten werden zwei Verbindungsebenen für die Kanäle und damit die Möglichkeit der Realisierung komplizierter Netzwerke auf kleinsten Flächen geschaffen. Die erfindungsgemäßen Funktionselemente lasen sich sowohl planar als auch polar anordnen, wodurch sich eine weitere Erhöhung der Dichte von Funktionselementen ergibt. Der Systemaufbau wenig bruchempfindlich und besitzt eine klare Schnittstellenstruktur bezüglich der Einleitung und Ableitung von Flüssigkeiten, der Einleitung von mechanischer Energie zum Betätigen der Mikropumpen und Ventile, dem elektrischen Anschluss von Sensoren für die Systemüberwachung und Auswertung der Analyseergebnisse sowie der Zuführung von optischen Signalen. The task is solved in that variable microstructures on the Surfaces of a glass ceramic plate serving as a channel body mechanical precision machining molded in and by elastic Metal plates are covered. Due to the geometry of the microstructures different functional elements such as micropumps, valves, Connection channels, cuvettes that optimally produce the desired fluidic flow conditions are adjusted. By the The combination of the glass ceramic plate with the two metal plates becomes two Connection levels for the channels and thus the possibility of Realization of complex networks created in the smallest of spaces. The functional elements according to the invention can be read both planar and also arrange polar, which results in a further increase in the density of Functional elements results. The system structure is not sensitive to breakage and has a clear interface structure with regard to the introduction and Discharge of liquids, the introduction of mechanical energy for actuating the micropumps and valves, the electrical connection of sensors for system monitoring and evaluation of the Analysis results and the supply of optical signals.

Eine vorteilhafte Anordnung besteht darin, die Anschlüsse für die Zuführung des Fluides auf der einen, die elektrischen Anschlüsse für die Piezo-Bimorphsysteme und die Sensoren auf der anderen Seite vorzusehen. An advantageous arrangement is the connections for the Supply of the fluid on one side, the electrical connections for the Piezo bimorph systems and the sensors on the other side provided.

Die Flüssigkeitsanschlüsse erfolgen durch speziell ausgeformte Flüssigkeitssteckverbinder, die ein blasen- und tropffreies Lösen und Verbinden der Zu- und Ableitungen ermöglichen. Zugleich wird der Eintritt von Luft sowie von kleinen Partikeln in das System verhindert. The liquid connections are made by specially shaped Liquid connectors that release and free of bubbles and drops Enable connection of the feed and discharge lines. At the same time the entrance prevented from air as well as small particles in the system.

Die zur Abdeckung der Glaskeramikplatte verwendeten dünne Metallplatten ermöglichen zugleich einen guten Wärmeübergang an die Umgebungsluft. The thin one used to cover the glass ceramic plate Metal plates also allow good heat transfer to the Ambient air.

Zugleich entsteht durch den Verbund einer Keramikplatte mit Metallplatten ein robuster Systemaufbau, der die sensiblen Mikrostrukturen einschließt und schützt. At the same time, a ceramic plate is combined with metal plates a robust system structure that includes the sensitive microstructures and protects.

Insbesondere die aktiven Funktionselemente wie Mikropumpen und Ventile sind mit den drei Platten des Plattenverbundes in einem einfachen Aufbau zu realisieren. In particular, the active functional elements such as micropumps and Valves are easy with the three plates of the plate assembly Realizing the construction.

Die vorgesehene neue Mikropumpe ist speziell für den Einsatz in Netzwerken geeignet. Sie besteht aus beidseitig auf der Keramikplatte aufgebrachten Strukturen, einem Verbindungskanal und den beiden elastischen Abdeckplatten, die vorzugsweise als dünne Metallplatten ausgeführt sind. Der Antrieb erfolgt über eine Piezoplatte, die zusammen mit einer der beiden Abdeckplatten ein Bimorph-System bildet, welches auf die eigentliche Pumpkammer wirkt. Die vor und hinter der Pumpkammer angeordneten Dämpfungskammern haben zusammen mit der elastischen Abdeckplatte die Funktion von Tiefpässen mit unterschiedlicher Eigenfrequenz. Dämpfungskammern und Pumpkammern sind durch Kanäle verbunden. Durch die sprunghafte Änderung des Querschnittes der Verbindungskanäle auf den Querschnitt der jeweiligen Kammer entstehen sogenannte Konfusoren bzw. Diffusoren, also gerichtete Strömungswiderstände. In Abhängigkeit von der Ansteuerfrequenz entsteht auf diese Weise eine gerichtete Strömung. Zu- und Abfluss der Pumpe liegen in unterschiedlichen Ebenen, was einer hohen Packungsdichte dieser Pumpen in der Glaskeramikplatte entgegenkommt. The proposed new micropump is specially designed for use in Suitable for networks. It consists of both sides of the ceramic plate applied structures, a connecting channel and the two elastic cover plates, preferably as thin metal plates are executed. The drive takes place via a piezo plate, which together forms a bimorph system with one of the two cover plates, which acts on the actual pumping chamber. The before and after the Damper chambers arranged in the pump chamber have together with the elastic cover plate with the function of low passes different natural frequency. Damping chambers and Pump chambers are connected by channels. By the leaps and bounds Change the cross section of the connecting channels to the cross section the respective chamber creates so-called confusors or Diffusers, i.e. directed flow resistances. In dependence of In this way a directional flow arises at the control frequency. The inflow and outflow of the pump are on different levels, which is one high packing density of these pumps in the glass ceramic plate accommodates.

Das erfindungsgemäße Ventil besteht ebenfalls aus einer beidseitig auf der Keramikplatte aufgebrachten Struktur, die durch die gleichen elastischen Abdeckplatten abgedeckt ist. Die beiden Kammern des Ventils sind durch einen Kanal miteinander verbunden. Durch Einleiten einer Kraft durch den sogenannten Ventilantrieb wird eine der beiden Abdeckplatten auf den Ventilsitz gedrückt und verschließt auf diese Weise den Zulauf des Fluids. The valve according to the invention also consists of one on both sides of the ceramic plate applied structure by the same elastic cover plates is covered. The two chambers of the valve are connected by a channel. By applying a force the so-called valve drive turns one of the two cover plates pressed on the valve seat and closes the inlet in this way of the fluid.

Für den Anschluss externer Flüssigkeitsreservoirs sind die Anordnung von Flüssigkeits-Steckverbindern vorgesehen. Diese Steckverbinder bestehen aus einem Fuß und einem Adapter, in denen jeweils ein als Kapillarfalle dienendes Filter, z. B. Glasfilter eingesetzt ist. Diese Filter verhindern beim Trennen externer Depots das Eindringen von Luft in das Kanalsystem. Behälter mit Analysechemikalien können gewechselt werden, ohne das der Fluidstrom abreißt und Luft eindringt Küvetten bestehen aus einer einseitig aufgebrachten Struktur, die wiederum durch die gemeinsame elastische Abdeckplatte abgedeckt wird. Die Struktur bildet einen u-förmig ausgebildeten Flüssigkeitskanal, in dem zwei Glasfasern zur Beleuchtung bzw. zur Messung der Lichtstärke eingelegt sind. Aus dem Abstand der Stirnflächen der Glasfasern ergibt sich eine Messstrecke für die Ermittlung der Extension. For the connection of external liquid reservoirs, the arrangement of Liquid connectors provided. These connectors exist from a foot and an adapter, each with a capillary trap serving filter, e.g. B. glass filter is used. These filters prevent the Separate external depots from air entering the duct system. Containers with analysis chemicals can be changed without this the fluid flow breaks off and air enters Cuvettes consist of a single-sided structure, the is in turn covered by the common elastic cover plate. The structure forms a u-shaped liquid channel in which two glass fibers for lighting or for measuring the light intensity are inserted. From the distance between the end faces of the glass fibers a measuring section for determining the extension.

Die unlösbare Befestigung der Abdeckplatten auf dem Glaskeramikkörper erfolgt durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, das zu einem die sichere Abdeckung der Kanalstrukturen gewährleistet, zum anderen vermeidet, dass Bindemittelreste in die Kanäle eindringen kann. The permanent attachment of the cover plates to the glass ceramic body is carried out by a method according to the invention which, on the one hand, is the safe one Coverage of the channel structures guaranteed, on the other hand, avoids that binder residues can penetrate into the channels.

Das Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung besteht darin, dass mindestens eine Fläche der zu verbindenden Teile - Kanalkörper und Abdeckplatten - mit einer Polymerdispersion versehen wird und die Teile anschließend unter Druck- und Temperatureinwirkung dauerhaft zusammengefügt werden. Die Polymerdispersion enthält eine thermisch aktivierbare reaktive Gruppe einer oder mehrerer Typen Epoxide, Acrylate, Isocyanate. The method for manufacturing the device is that at least one surface of the parts to be connected - channel body and Cover plates - is provided with a polymer dispersion and the parts then permanently under the influence of pressure and temperature be put together. The polymer dispersion contains a thermal activatable reactive group of one or more types of epoxides, Acrylates, isocyanates.

Vorteilhaft darin enthalten ist ein Blockierer, welcher eine Reaktion bei Raumtemperatur verhindert. Beschichtete Teile sind nach dem Polymerauftrag und dem Abtrocknen nicht nur trocken handhabbar, sondern über einen längeren Zeitraum bis zum Heißverpressen lagerfähig. Zum Bruch führende thermische Spannungen treten zwischen dem Kanalkörper und den Abdeckplatten nicht auf. This advantageously includes a blocker that causes a reaction Room temperature prevented. Coated parts are after Polymer application and drying can not only be handled dry, but over a longer period of time until hot pressing storable. Thermal stresses leading to fracture occur between the channel body and the cover plates.

Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung näher dargestellt ist, erläutert. The idea underlying the invention is described in the following Description using an exemplary embodiment, which is in the drawing is explained in more detail.

Es zeigt: It shows:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung für den Gesamtaufbau der beispielhaften Analysevorrichtung Fig. 1 is a schematic diagram for the overall structure of the exemplary analysis device

Fig. 1.1 Beispielhafte Anordnung eines Netzwerkes bestehend aus Flüssigkeitsreservoirs R1-R4, Flüssigkeitssteckverbinder S1-S4, Mikropumpen P1-P5 und Küvetten K1-K2 Fig. 1.1 Exemplary arrangement of a network consisting of fluid reservoirs R1-R4, fluid connectors S1-S4, micropumps P1-P5 and cuvettes K1-K2

Fig. 2 einen Querschnitt der Analysevorrichtung gemäß Fig. 1 FIG. 2 shows a cross section of the analysis device according to FIG. 1

Fig. 3 einen Querschnitt der Mikropumpe Fig. 3 shows a cross section of the micropump

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Mikropumpe gemäß Fig. 3 Fig. 4 is a plan view of the micropump according to Fig. 3

Fig. 5 eine Unteransicht der Mikropumpe gemäß Fig. 3 Fig. 5 is a bottom view of the micropump according to Fig. 3

Fig. 6 das elektrische Ersatzschaltbild der Mikropumpe gemäß Fig. 3 Fig. 6 shows the electrical equivalent circuit diagram of the micropump according to Fig. 3

Fig. 7 eine Ausführungsform eines gerichteten fluidischen Widerstandes Fig. 7 shows an embodiment of a directional fluidic resistance

Fig. 8 einen Querschnitt der Ventils im geöffneten Zustand Fig. 8 shows a cross section of the valve in the open state

Fig. 9 einen Querschnitt des Ventlis gemäß Fig. 8 im geschlossenen Zustand FIG. 9 shows a cross section of the valve according to FIG. 8 in the closed state

Fig. 10 eine Schnittdarstellung der Küvettenanordnung Fig. 10 is a sectional view of the cuvette arrangement

Fig. 11 eine Schnittdarstellung der Anordnung zur Druckmessung Fig. 11 is a sectional view of the arrangement for pressure measurement

Fig. 12 einen Querschnitt der Anordnung gemäß Fig. 11 Fig. 12 is a cross section of the arrangement according to FIG. 11

Fig. 13 einen Querschnitt zur Ankopplung der Flüssigkeitsreservoirs Fig. 13 is a cross section for coupling the liquid reservoir

Fig. 14 eine Prinzipdarstellung der Temperaturstabilisierung Fig. 14 is a schematic diagram of the temperature stabilization

In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung der Analysevorrichtung abgebildet. Der aus einer Glaskeramik hergestellte Kanalkörper 1 enthält auf den beiden Oberflächen 2, 3 eingearbeitete Mikrostrukturen 10 der Funktionselemente wie Mikropumpen, Ventile, Druckmesskammern, Küvetten und Verbindungskanäle. Der Kanalkörper 1 ist mit zwei elastischen Abdeckplatten 4 und 5 aus Edelstahl abgedeckt. Auf der F-Seite 3 befinden sich die Flüssigkeitssteckverbinder 40, auf der E-Seite 2 ist eine Leiterplatte 60 angeordnet, mit der die Aktuatoren und Sensoren des Analysesystems elektrisch verbunden sind, Verstärkerschaltkreise 61 trägt und die einen Elektronik-Steckverbinder 62 zu einen Auswertesystem enthält. In Fig. 1 a schematic diagram of the analysis apparatus is depicted. The channel body 1 made from a glass ceramic contains microstructures 10 of the functional elements, such as micropumps, valves, pressure measuring chambers, cuvettes and connecting channels, incorporated on the two surfaces 2 , 3 . The channel body 1 is covered with two elastic cover plates 4 and 5 made of stainless steel. The liquid connectors 40 are located on the F side 3, and a printed circuit board 60 is arranged on the E side 2, with which the actuators and sensors of the analysis system are electrically connected, carries amplifier circuits 61 and which contains an electronics connector 62 for an evaluation system ,

Die in dem Kanalkörper 1 eingeformten Mikrostrukturen 10 sind auf verschiedene Art und Weise z. B. mittels mechanischer Feinstbearbeitung realisiert. Die Abdeckplatten 4 und 5 sind mit dem Kanalkörper 1 spannungsfrei mit einem neuen Verfahren mittels Polymerdispersion 8 verklebt. Durch die beidseitige verbundene Mikrostruktur im Kanalköper 1 ist die Realisierung komplizierter Netzwerke auf kleiner Fläche möglich. The molded in the channel body 1 microstructures 10 are z in different ways. B. realized by means of mechanical precision machining. The cover plates 4 and 5 are bonded to the channel body 1 without tension using a new method using polymer dispersion 8 . Due to the microstructure connected on both sides in the channel body 1 , complex networks can be realized in a small area.

Die einzelnen Funktionselemente wie Mikropumpen, Ventile, Küvetten lassen sich je nach Analyseaufgabe zu Netzwerken kombinieren. Fig. 1.1 zeigt anhand eines Beispiels mit drei Flüssigkeitsreservoirs, 4 Mikropumpen und zwei Küvetten ein derartiges Netzwerk. Entsprechend der Analyseaufgabe werden zunächst 2 Fluide aus den Reservoirs R1 und R2 vorgemischt und anschließend dem Probe aus dem Reservoirs 3 zugesetzt. Der durch eine chemische Reaktion eintretende Farbumschlag wird in der Küvette K1 ausgewertet. Das Fluid aus dem Reservoirs R4 wird zu Referenzwecken direkt der Küvette K2 zugeführt. The individual functional elements such as micropumps, valves, cuvettes can be combined into networks depending on the analysis task. Fig. 1.1 shows an example of three liquid reservoirs, 4 micro-pumps and two cuvettes such a network. According to the analysis task, two fluids from the reservoirs R1 and R2 are first premixed and then added to the sample from the reservoir 3 . The color change caused by a chemical reaction is evaluated in the K1 cuvette. The fluid from the reservoir R4 is fed directly to the cuvette K2 for reference purposes.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der Analysevorrichtung. Die Mikropumpe 11 bis 15 ist polar angeordnet, das heißt, der Mikropumpen-Zulauf 11 befindet sich zum Beispiel auf der E-Seite 2 und der Ablauf auf der F- Seite 3 des Kanalkörpers 1. F-Seite 3 und E-Seite 2 sind mit Durchführungen 6 verbindbar. Dadurch entsteht der Vorteil, dass beide Seiten 2 und 3 für die Ausführung des Netzwerkes genutzt werden können. Zweckmäßig ist die Anordnung des Flüssigkeitssteckverbinders 40 mit einem ebenfalls polaren Anschlusskanal 7. Dadurch kann der Zulauf direkt durch ein in gleicher Achse wirkendes Mikroventil 50 geschlossen werden. Durch Anordnung der Aktuatoren und Sensoren wie zum Beispiel die Piezoplatte 16 des Pumpenantriebes und die Drucksensoren 25 auf der E-Seite 2 des Kanalkörpers 1 werden auf einfache Art und Weise die elektrischen Verbindungen 63 und 64 zur Leiterplatte hergestellt. Fig. 2 shows a cross section of the analysis device. The micropump 11 to 15 is arranged polar, that is, the micropump inlet 11 is, for example, on the E side 2 and the outlet on the F side 3 of the channel body 1 . F-side 3 and E-side 2 can be connected with bushings 6 . This creates the advantage that both sides 2 and 3 can be used for the execution of the network. The arrangement of the liquid connector 40 with a likewise polar connection channel 7 is expedient. As a result, the inlet can be closed directly by a microvalve 50 acting in the same axis. By arranging the actuators and sensors such as the piezo plate 16 of the pump drive and the pressure sensors 25 on the E side 2 of the channel body 1 , the electrical connections 63 and 64 to the printed circuit board are produced in a simple manner.

Die erfindungsgemäße Mikropumpe Fig. 3 besteht aus drei Kammern 11, 12 und 14, die durch das Einlassventil 17 und das Auslassventil 13 miteinander verbunden sind. Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Mikropumpe von der E-Seite 2 des Kanalkörpers 1, wobei die Pumpkammer 12 verschiedene Geometrien haben kann Fig. 5 stellt eine Ansicht von der F- Seite 3 des Kanalkörpers 1 dar. Die Pumpkammer 12 hat im Ausführungsbeispiel eine nahezu quadratische Fläche mit abgerundeten Ecken, um optimale Strömungsverhältnisse zu gewährleisten. Die Pumpkammer 12 ist sehr flach gestaltet, um eine Selbstflutung der Pumpkammer 12 zu ermöglichen. Die Pumpkammer 12 ist abgedeckt mit der elastischen Abdeckplatte 4 zweckmäßigerweise aus Edelstahl, auf der die Piezoplatte 16 durch eine leitende Klebverbindung befestigt ist. Ein Pol der Piezoplatten 16 sämtlicher Pumpen der Analysevorrichtung sind durch die elektrisch leitende Abdeckplatte 4 leitend miteinander verbunden. Die Abdeckplatte 4 und die Piezoplatte 16 bilden zusammen einen Bimorph, d. h. bei Anlegen einer Spannung an die leitenden Pole der Piezoplatte 16 tritt eine Verwölbung des Bimorphes ein. Auf die Pumpkammer 12 wird auf diese Weise eine Volumenverdrängung des Fluids ausgeübt. Die Volumenverdrängung hängt von der an die Pole der Piezoplatte 16 angelegten Impulsform ab. The micropump according to the invention Fig. 3 consists of three chambers 11 , 12 and 14 , which are connected to one another by the inlet valve 17 and the outlet valve 13 . FIG. 4 shows a view of the micropump from the E side 2 of the channel body 1 , the pump chamber 12 having different geometries. FIG. 5 shows a view from the F side 3 of the channel body 1. In the exemplary embodiment, the pump chamber 12 has one almost square area with rounded corners to ensure optimal flow conditions. The pump chamber 12 is designed to be very flat in order to enable the pump chamber 12 to self-flood. The pump chamber 12 is covered with the elastic cover plate 4, advantageously made of stainless steel, on which the piezo plate 16 is fastened by a conductive adhesive connection. One pole of the piezo plates 16 of all pumps of the analysis device are conductively connected to one another by the electrically conductive cover plate 4 . The cover plate 4 and the piezo plate 16 together form a bimorph, ie when a voltage is applied to the conductive poles of the piezo plate 16 , the bimorph arches. In this way, a volume displacement of the fluid is exerted on the pump chamber 12 . The volume displacement depends on the pulse shape applied to the poles of the piezo plate 16 .

Die Einlasskammer 11 und die Auslasskammer 14 bilden einen mechanischen Tiefpass unterschiedlicher Eigenfrequenz. Die Eigenwerte des Tiefpasses werden im wesentlichen aus der Fläche der Kammer 11 oder 14, den elastischen Eigenschaften der Abdeckplatte 4 und der Masse des in der Kammer 11 oder 14 befindlichen Fluids bestimmt. Durch Veränderung der geometrischen Parameter der Kammern 11 oder 14~ lassen sich unterschiedliche Zeitkonstanten der Tiefpässe dimensionieren. The inlet chamber 11 and the outlet chamber 14 form a mechanical low-pass filter of different natural frequencies. The eigenvalues of the low pass are essentially determined from the area of the chamber 11 or 14 , the elastic properties of the cover plate 4 and the mass of the fluid in the chamber 11 or 14 . By changing the geometric parameters of the chambers 11 or 14 ~, different time constants of the low-pass filters can be dimensioned.

Die zwischen den Kammern 11, 12, und 14 befindlichen Einlass- bzw. Auslassventile 13 und 17 stellen gerichtete Strömungswiderstände dar. Die Richtwirkung dieser Ventile werden durch abrupte Änderungen des Querschnittes des Strömungskanals vom Einlassventil 17 in die Pumpkammer 12 hinein bzw. von der Pumpkammer 12 in den Kanal des Auslassventils 13 hinaus, erzeugt. The inlet and outlet valves 13 and 17 located between the chambers 11 , 12 and 14 represent directional flow resistances. The directional effect of these valves is caused by abrupt changes in the cross section of the flow channel from the inlet valve 17 into the pump chamber 12 or from the pump chamber 12 in the channel of the exhaust valve 13 , generated.

Derartig abrupte Änderungen des Querschnittes des Strömungskanals werden je nach Richtung als Konfusoren bzw. Diffusoren bezeichnet. Der Grad der Richtwirkung wird dabei neben geometrischen Parametern durch die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt, d. h. die gewünschte Richtwirkung des Ein- und Auslassventils 11, 13 wird nur bei impulsförmiger Anregung der Piezoplatte 16 z. B. durch Rechteckimpulse erreicht. Such abrupt changes in the cross section of the flow channel are referred to as confusors or diffusers, depending on the direction. In addition to geometric parameters, the degree of directivity is determined by the flow velocity, ie the desired directivity of the inlet and outlet valves 11 , 13 is only achieved when the piezo plate 16 is stimulated z. B. achieved by rectangular pulses.

Die Wirkungsweise der Mikropumpe wird anhand eines stark vereinfachenden Ersatzschaltbildes mit Hilfe elektrischer Analogien nach Fig. 6 erläutert. Die Wirkung des Bimorphes, bestehend aus der Piezoplatte 16 und der elastischen Abdeckung 4 entspricht der Funktion einer Stromquelle S. Fluss wird also mit elektrischen Strom in Analogie gebracht. Der Flüssigkeitsdruck entspricht der elektrischen Spannung. Induktivität L wird mit Masse des Fluids in Analogie gebracht. Die Wirkung der elastischen Abdeckung entspricht der Wirkung einer Kapazität C. Übertragen auf das Ersatzschaltbild wird die Einlasskammer 11 mit ihrer elastischen Abdeckung der Kapazität C1 gleichgesetzt. Die Masse des Fluids in der Einlasskammer und im Zulaufsystem entspricht der Induktivität L1. Gleichartig entspricht die Auslasskammer 14 der Induktivität L2 bzw. die Masse des Fluids in der Auslasskammer 14 der Kapazität L2. Die gerichteten Strömungswiderstände des Einlassventils 17 bzw. des Auslassventils 13 entsprechen ihrer Funktion den elektrischen Dioden D1 bzw. D2. Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung; dass diese Dioden aus der Richtung der Stromquelle gleich gerichtet sind. Beide Dioden sind jeweils mit Widerständen R3 und R4 überbrückt, da mit alleiniger Hilfe von Querschnittsänderungen keine absolute Sperrwirkung im fluidischen System erreicht wird. Eine verbesserte Ausführung des Ein- und Auslaufventils, die bereits bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten eine relativ gute Sperrwirkung zeigt, ist in der Fig. 7 dargestellt. Die Form des Strömungskörpers 18 bewirkt, dass in der angezeigten Strömungsrichtung die Strömung weitgehend laminar, in der entgegengesetzten Richtung dagegen eine starke Verwirbelung der Strömung und damit eine starke Erhöhung des Strömungswiderstandes auftritt. The mode of operation of the micropump is explained on the basis of a greatly simplified equivalent circuit diagram using electrical analogies according to FIG. 6. The effect of the bimorph, consisting of the piezo plate 16 and the elastic cover 4, corresponds to the function of a current source S. Flow is thus brought into analogy with electrical current. The fluid pressure corresponds to the electrical voltage. Inductance L is brought into analogy with the mass of the fluid. The effect of the elastic cover corresponds to the effect of a capacitance C. Transferred to the equivalent circuit diagram, the inlet chamber 11 is equated with its elastic cover to the capacitance C1. The mass of the fluid in the inlet chamber and in the feed system corresponds to the inductance L1. Similarly, the outlet chamber 14 corresponds to the inductance L2 or the mass of the fluid in the outlet chamber 14 corresponds to the capacitance L2. The directional flow resistances of the inlet valve 17 and the outlet valve 13 correspond to the function of the electrical diodes D1 and D2. It is an essential feature of the invention; that these diodes are oriented in the same direction from the direction of the current source. Both diodes are bridged with resistors R3 and R4, since with the help of changes in cross-section alone, no absolute blocking effect is achieved in the fluidic system. An improved version of the inlet and outlet valve, which shows a relatively good blocking effect even at lower flow speeds, is shown in FIG. 7. The shape of the flow body 18 has the effect that the flow is largely laminar in the indicated flow direction, but in the opposite direction there is a strong swirling of the flow and thus a large increase in the flow resistance.

Das an die Mikropumpe angrenzende Kanalsystem wird in der Fig. 6 durch die Widerstände R1 und R2 simuliert. Werden durch die Stromquelle S impulsförmige Stromimpulse mit dem Mittelwert Null in das Netzwerk eingeleitet, entstehen durch die unterschiedlichen Eigenwerte des Zweiges L1, C1, R1 und des Zweiges L2, C2, R1 eine unterschiedliche Spannung über die Widerstände R1 und R2 bezogen auf ein Bezugspotential, die einen Stromfluss über die Widerstände R3 und R4 hervorrufen. Die Höhe und die Richtung dieses Stromflusses ist abhängig von den Eigenwerten des Netzwerkes, insbesondere von den dominanten Eigenfrequenzen der Schwingkreises L1/C1 und L2/C2. Bereits bei Vorhandensein nur eines Schwingkreises bei Vernachlässigung der übrigen frequenzabhängigen Eigenwerte kann eine Phasenumkehr des Ausgleichsstromes durch die Widerstände R3 und R4 bei einer bestimmten Ansteuerfrequenz erreicht werden, die der Eigenfrequenz des Schwingkreise entspricht. Die Mikropumpe der beschriebenen Bauart lässt sich somit in beide Richtungen betreiben, wobei die Richtungsumkehr durch Änderung der Ansteuerfrequenz der Stromquelle S erfolgt. The channel system adjacent to the micropump is simulated in FIG. 6 by resistors R1 and R2. If pulse-shaped current pulses with a mean value of zero are introduced into the network by the current source S, the different eigenvalues of the branch L1, C1, R1 and the branch L2, C2, R1 produce a different voltage across the resistors R1 and R2 in relation to a reference potential, which cause a current to flow through resistors R3 and R4. The level and direction of this current flow depends on the intrinsic values of the network, in particular on the dominant natural frequencies of the resonant circuit L1 / C1 and L2 / C2. Even if only one resonant circuit is present and the other frequency-dependent eigenvalues are neglected, a phase reversal of the compensating current can be achieved by the resistors R3 and R4 at a certain control frequency which corresponds to the natural frequency of the resonant circuit. The micropump of the type described can thus be operated in both directions, the direction being reversed by changing the drive frequency of the current source S.

Vorteilhaft für die Realisierung einer hohen Packungsdichte ist, dass Pumpkammer 12 und Auslasskammer 14 übereinander im Kanalkörper 1 angeordnet werden. Dadurch entsteht der Vorteil höherer Packungsdichte von Mikropumpen und der Vorteil einer effektiven Anfertigung des Auslassventils durch Bohren z. B. mittels Laser. Für eine hohe Pumpleistung der Mikropumpe ist es nämlich wichtig, dass mindestens eine der beiden gerichteten Strömungswiderstände des Ein- bzw. Auslassventils 17, 13 einen relativ kleinen Querschnitt und eine kurze Länge besitzen muss. It is advantageous for the realization of a high packing density that the pump chamber 12 and the outlet chamber 14 are arranged one above the other in the channel body 1 . This creates the advantage of higher packing density of micropumps and the advantage of an effective manufacture of the outlet valve by drilling z. B. using a laser. For a high pumping power of the micropump it is important that at least one of the two directed flow resistances of the inlet and outlet valves 17 , 13 must have a relatively small cross section and a short length.

Da die Mikropumpen der geschilderten Bauart in ihrer Förderleistung streuen bzw. die Förderleistung von einer Vielzahl von Parametern wie Viskosität des Fluids, Temperatur abhängt, ist es zweckmäßig, die Mikropumpe mit einer Flussmessvorrichtung zu kombinieren und auf diese Weise einen Regelkreis für die Einstellung des gewünschten Flusses vorzusehen. Since the micropumps of the type described in their delivery rate scatter or the delivery capacity of a variety of parameters such as Viscosity of the fluid, temperature depends, it is appropriate that To combine micropump with a flow measuring device and on this Way a control loop for setting the desired flow provided.

Fig. 11 und Fig. 12 zeigt eine Anordnung für eine geeignete Flussmesseinrichtung auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verbundes eines Kanalkörpers 1 mit zwei elastischen Abdeckplatten 4 und 5. Zu diesem Zweck sind zwei Kammern 26 und 28 vorgesehen, die als Eingangsdruck-Messkammer 26 und als Ausgangsdruck-Messkammer 28 dienen. Zwischen den beiden Kammern 26 und 28 befindet sich ein Widerstandskanal 27, der bedingt durch seinen relativ geringen Querschnitt ein Druckgefälle annähernd proportional zur Strömungsgeschwindigkeit hervorruft. Eine laminare Strömung wird dabei vorausgesetzt. Die eigentliche Druckmessung erfolgt im Ausführungsbeispiel durch einen piezoresistiven Drucksensor 25, der ein Signal annähernd proportional der Verformung seiner aus Silizium bestehenden Membran liefert. Zu diesem Zweck wird die Abdeckplatte 4 oder 5 durchbrochen und auf diese Weise ein Druckausgleichskanal 29 zur Ankopplung des Druckes an den Sensor 25 geschaffen. Die Differenz der Signale der Drucksensoren 25 über den Kammern 26 und 28 ist ein Maß der Strömungsgeschwindigkeit, dass zur Regelung der Mikropumpe verwendet wird. Fig. 11 and Fig. 12 shows an arrangement of a suitable flow measuring means on the basis of the composite according to the invention of a channel body 1 with two elastic cover plates 4 and 5. For this purpose, two chambers 26 and 28 are provided, which serve as inlet pressure measuring chamber 26 and as outlet pressure measuring chamber 28 . Between the two chambers 26 and 28 there is a resistance channel 27 which , owing to its relatively small cross section, causes a pressure drop to be approximately proportional to the flow velocity. A laminar flow is assumed. The actual pressure measurement is carried out in the exemplary embodiment by a piezoresistive pressure sensor 25 , which delivers a signal approximately proportional to the deformation of its membrane made of silicon. For this purpose, the cover plate 4 or 5 is broken through and in this way a pressure compensation channel 29 is created for coupling the pressure to the sensor 25 . The difference in the signals from the pressure sensors 25 above the chambers 26 and 28 is a measure of the flow rate that is used to control the micropump.

Die Strukturen 52 bis 55 für die Sperrventile sind in gleicher Weise wie die Mikropumpestrukturen 11 bis 14 in den Kanalkörper 1 auf der E-Seite 2 oder F-Seite 3 eingeformt und ebenso durch die elastischen Abdeckplatten 4 und 5 abgedeckt. Fig. 8 zeigt den Querschnitt des geöffneten Sperrventils. Die Flüssigkeit strömt durch den Ventileinlass 54 und die Verschlussöffnung 52 in die Ventilkammer 53 und von dort aus durch den Ventilauslass 55 in das weitere Kanalsystem. Wenn der Ventilstößel 51 durch ein geeignetes Antriebssystem z. B. einem Piezostapel mit entsprechenden Übersetzungsgetriebe bewegt wird, verschließt die elastische Abdeckplatte 4 die Verschlussöffnung 52. Der Strömung des Fluids vom Ventileinlass 54 zum Ventilauslass wird dadurch unterbunden. Zweckmäßig ist es, den Ventilantrieb so zu gestalten, dass der Ventilstößel 51 im stromlosen Zustand des Analysesystems auf die Verschlussöffnung 52 gedrückt wird und erst bei Anlegen eines elektrischen Signals das Ventil geöffnet wird. Damit wird sichergestellt, dass im Ruhezustand des Analysesystems keine Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsreservoirs in das Analysesystem strömen kann. Es ist weiterhin zweckmäßig, dass Sperrventil 50 direkt gegenüber dem Flüssigkeitssteckverbinder 40 anzuordnen. The structures 52 to 55 for the check valves are molded in the same way as the micropump structures 11 to 14 in the channel body 1 on the E side 2 or F side 3 and are also covered by the elastic cover plates 4 and 5 . Fig. 8 shows the cross section of the opened check valve. The liquid flows through the valve inlet 54 and the closure opening 52 into the valve chamber 53 and from there through the valve outlet 55 into the further channel system. If the valve lifter 51 by a suitable drive system such. B. a piezo stack is moved with a corresponding transmission gear, the elastic cover plate 4 closes the closure opening 52nd The flow of the fluid from the valve inlet 54 to the valve outlet is thereby prevented. It is expedient to design the valve drive such that the valve tappet 51 is pressed onto the closure opening 52 when the analysis system is de-energized and the valve is only opened when an electrical signal is applied. This ensures that no liquid can flow from the liquid reservoirs into the analysis system when the analysis system is at rest. It is also expedient to arrange the shut-off valve 50 directly opposite the liquid connector 40 .

In Fig. 13 ist ein Querschnitt des Flüssigkeitssteckverbinders dargestellt. Das Lösungsprinzip besteht darin, das sowohl das Kanalsystem im Kanalkörper als auch die Verbindung zum Flüssigkeitsreservoir durch Kapillarfallen abgeschlossen werden. Das Eindringen von Luft ist dadurch unmöglich. Als Kapillarfallen werden in der beispielhaft ausgeführten Erfindung Glasfilter sowohl als Eingangsfilter 42 als auch als Reservoirfilter 46 verwendet. Die Porosität der Filter 42 und 46 ist so dimensioniert, dass erst bei einem beträchtlichen Unterdruck im Kanalsystem z. B. entsprechend im Wassersäule die Menisken im Glasfilter abreißen und damit Luft eindringen kann. Das Einlassfilter 42 ist im Anschlussfuß 41 eingeklebt. Das Reservoirfilter 46 ist auf gleiche Weise im Flüssigkeitssteckverbinder 40 befestigt. Auf dem Flüssigkeitssteckverbinder 40 befindet sich ein O-Ring 45, der beim Stecken des Flüssigkeitssteckverbinder 40 in den Anschlussfuß 41 in der Ausgleichsnut 44 abrollt und einen luftdichten Verschluss gewährleistet. Am Flüssigkeitssteckverbinder 40 ist noch ein Verbindungsschlauch 47 zum eigentlichen Flüssigkeitsreservoir befestigt. Vor dem eigentlichen Steckvorgang ist der Anschlussfuß mit Flüssigkeit zu Füllen. Damit wird verhindert, dass eine Luftblase zwischen den Einlassfilter 42 und dem Reservoirfilter 46 den Flüssigkeitspfad unterbricht bzw. Luft durch die Filter 42 oder 46 in das Kanalsystem gedrückt wird. In Fig. 13 is a cross-section of the fluid connector is illustrated. The principle of the solution is that both the channel system in the channel body and the connection to the liquid reservoir are closed by capillary traps. This prevents air from entering. In the exemplary embodiment of the invention, glass filters are used as capillary traps both as input filters 42 and as reservoir filters 46 . The porosity of the filters 42 and 46 is dimensioned such that only with a considerable negative pressure in the channel system, for. B. accordingly tear off the menisci in the glass filter in the water column and thus air can penetrate. The inlet filter 42 is glued into the connecting foot 41 . The reservoir filter 46 is secured in the liquid connector 40 in the same way. Is at the liquid connector 40, an O-ring 45 which rolls during the plugging of the liquid connector 40 to the terminal leg 41 in the equalizing groove 44 and ensures an airtight closure. A connecting hose 47 to the actual liquid reservoir is also attached to the liquid connector 40 . The connection base must be filled with liquid before the actual plugging process. This prevents that a bubble of air between the intake filter 42 and the reservoir filter 46 interrupts the fluid path or air is forced through the filter 42 or 46 in the channel system.

Eine einfache Möglichkeit unter Nutzung des erfindungsgemäßen Gedankens des Aufbaus eines Analysevorrichtung aus Kanalkörper 1 und elastischen Abdeckplatten 3 un 4 für die Ausführung einer Küvette zeigt Fig. 10. Diese Küvette wird dazu benutzt, um Verfärbungen des Analysegutes nach Einleitung von Analysechemikalien festzustellen. Dazu wird in einen Abschnitt des Küvettenkanals 34 Licht eingeleitet und die Extension des Lichtes über die Küvettenlänge I_k gemessen. Zweckmäßig erfolgt die Ein- und Ableitung des Lichtes über Glasfasern 36, die in einen eigens für diesen Zweck ausgeformten Kanal auf der Oberfläche 2 oder 3 des Kanalkörpers 1 eingelegt und flüssigkeitsdicht vergossen werden. Die Messung der Extension erfolgt je nach dem zu analysierenden Stoff bei verschiedenen Wellenlängen. In Kombination einer LED 31 mit einem Polarisationsfilter 33 wird der gewünschte Wellenlängenbereich ausgewählt. Die eigentliche Messung der Extension erfolgt über einer Fototransistor 35. FIG. 10 shows a simple possibility using the concept according to the invention of constructing an analysis device from channel body 1 and elastic cover plates 3 and 4 for the execution of a cuvette . This cuvette is used to determine discoloration of the analyte after the introduction of analysis chemicals. For this purpose, light is introduced into a section of the cuvette channel 34 and the extension of the light over the cuvette length I _{k is} measured. The light is expediently introduced and discharged via glass fibers 36 , which are inserted into a channel specially formed for this purpose on the surface 2 or 3 of the channel body 1 and cast in a liquid-tight manner. The extension is measured at different wavelengths depending on the substance to be analyzed. The desired wavelength range is selected in combination with an LED 31 with a polarization filter 33 . The actual measurement of the extension takes place via a phototransistor 35 .

Für die Ausführung der Analysevorrichtung, das auf der Nutzung von chemischen Reaktionen beruht, ist eine Temperaturstabilisierung notwendig. Die erfindungsgemäße Ausführung der Analysevorrichtung aus einen Kanalkörper 1 mit elastischen Abdeckplatten 4 und 5, die vorteilhaft aus Edelstahl bestehen, ermöglicht eine gute Wärmeverteilung über den gesamten Kanalkörper 1 und damit auf die Bereiche, wo eine definierte Temperatur t_s erforderlich ist. In Fig. 14 wird eine Anordnung zur Temperaturstabilisierung gezeigt, bei der ein Temperatursensor 68 vorgesehen ist, der über eine Regelung 65 auf ein Peltierelement 66 einwirkt, das wiederum in thermischen Kontakt mit der Abdeckplatte 4 oder 5 steht. Je nach Polarität wirkt das Peltierelement 66 als Kühlung oder als Heizung. Die gesamte Analysevorrichtung befindet sich in einer Kapsel 69 und ist wärmeisoliert durch eine Isolation 67. Der andere Pol des Peltierlementes besitzt zweckmäßig eine geringe thermische Leitfähigkeit zu den Abdeckplatten 4 und 5. Die sinngemäß gleiche Anordnung kann auch für die Temperaturstabilisierung beider Abdeckplatten dupliziert werden. A temperature stabilization is necessary for the execution of the analysis device, which is based on the use of chemical reactions. The inventive design of the analysis device from a channel body 1 with elastic cover plates 4 and 5 , which advantageously consist of stainless steel, enables good heat distribution over the entire channel body 1 and thus over the areas where a defined temperature t _{s is} required. In Fig. 14 an arrangement is shown for temperature stabilization, in which a temperature sensor 68 is provided which acts on a control 65 to a Peltier element 66, which in turn is in thermal contact with the cover plate 4 or 5. Depending on the polarity, the Peltier element 66 acts as cooling or as heating. The entire analysis device is located in a capsule 69 and is thermally insulated by insulation 67 . The other pole of the Peltier element expediently has a low thermal conductivity to the cover plates 4 and 5 . The analogous arrangement can also be duplicated for the temperature stabilization of both cover plates.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind variable vernetzte Strukturen hoher Dichte mit verschiedenen Funktionselementen, wie Pumpen, Ventile, Reaktoren, Küvetten, möglich. Die Einmalkosten bei der Fertigung der Kanalkörper 1 sind im Vergleich zu einem strukturierten Siliziumwafer gering. Der Anschluss und der Wechsel von externen Flüssigkeitsreservoirs ist über Flüssigkeitssteckverbinder mit Kapillarfallen in einfacher Weise möglich, ohne dass dabei Luft in die Vorrichtung eindringen kann. Über eine Temperaturstabilisierung wird eine exakte Auswertung der chemischen Prozesse erreicht. With the device according to the invention, variable networked structures of high density with different functional elements, such as pumps, valves, reactors, cuvettes, are possible. The one-off costs for the manufacture of the channel body 1 are low in comparison to a structured silicon wafer. External liquid reservoirs can be connected and replaced easily using liquid connectors with capillary traps without air entering the device. An exact evaluation of the chemical processes is achieved via temperature stabilization.

Mit dem Verfahren zur Herstellung des Plattenverbundes wird mittels einer Polymerdispersion eine unlösbare Befestigung der Metallplatten 4 und 5 auf den Kanalkörper 1 erreicht. Die Verbundschicht enthält einen Blockierer, welcher eine Reaktion beschichteter Teile bei Raumtemperatur verhindert. Beim Heißverpressen übt die Polymerdispersion keinen nachteiligen Einfluss an den Strukturkanten der Einformungen des Kanalkörpers 1 aus. With the method for producing the plate composite, a permanent attachment of the metal plates 4 and 5 to the channel body 1 is achieved by means of a polymer dispersion. The composite layer contains a blocker, which prevents a reaction of coated parts at room temperature. During hot pressing, the polymer dispersion has no adverse influence on the structural edges of the indentations in the channel body 1 .

Das Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung besteht darin, dass mindestens eine Fläche der zu verbindenden Teile - der Kanalkörper oder die Abdeckplatte 4, 5 - mit einer Polymerdispersion versehen wird und die Teile anschließend unter Druck- und Temperatureinwirkung dauerhaft zusammengefügt werden. Die Polymerdispersion enthält eine thermisch reaktivierbare reaktive Gruppe einer oder mehrerer der Typen: Epoxide, Acrylate, Isocyanate. The method for manufacturing the device is that at least one surface of the parts to be connected - the channel body or the cover plate 4 , 5 - is provided with a polymer dispersion and the parts are then permanently joined together under the influence of pressure and temperature. The polymer dispersion contains a thermally reactivatable reactive group of one or more of the types: epoxies, acrylates, isocyanates.

Der in der Verbindungsschicht 8 enthaltene Blockierer verhindert eine Reaktion bei Raumtemperatur. Beschichte Teile sind nach dem Auftrag der Polymerdispersion nicht nur trocken handhabbar sondern einen längeren Zeitraum bis zum Heißverpressen lagerfähig. Thermische Spannungen, die zum Bruch führen können, treten zwischen dem Kanalkörper 1 und den Abdeckplatten 4, 5 nicht auf. 1 Kanalkörper
2 E-Seite des Kanalkörpers
3 F-Seite des Kanalkörpers
4 elastische Abdeckplatte E
5 elastische Abdeckplatte F
6 Durchführung
7 Anschlusskanal
8 Polymerdispersion
10 Mikrostrukturen
11 Einlasskammer
12 Pumpkammer
13 Auslassventil
14 Auslasskammer
15 Verbindungskanal
16 Piezoplatte
17 Einlassventil
18 Strömungskörper
25 Drucksensoren
26 Eingangs-Druckmesskammer
27 Widerstandskanal
28 Ausgangs-Druckmesskammer
29 Druckausgleichskanal
30 Küvette
31 LED
32 Linse
33 Farbfilter
34 Küvettenkanal
35 Fototransistor
36 Glasfaser
I_k Küvettenlänge
40 Flüssigkeitssteckverbinder
41 Anschlussfuß
42 Einlassfilter
43 Einlasskanal
44 Ausgleichsnut
45 O-Ring
46 Reservoirfilter
47 Anschlussschlauch
50 Einlaßventil
51 Ventilstößel
52 Verschlussöffnung
53 Ventilkammer
54 Ventileinlass
55 Ventilauslass
60 Leiterplatte
61 Verstärker-Schaltkreise
62 Elektroniksteckverbinder
63 Anschluss Piezoplatte
64 Anschluss Drucksensor
65 Regelverstärker
66 Peltierelement
67 Isolation
68 Temperatursensor
69 Messkapsel
t_s Solltemperatur
The blocker contained in the connection layer 8 prevents a reaction at room temperature. Coated parts can not only be handled dry after application of the polymer dispersion, but can also be stored for a longer period of time until hot pressing. Thermal stresses, which can lead to breakage, do not occur between the channel body 1 and the cover plates 4 , 5 . 1 channel body
2 E side of the channel body
3 F side of the channel body
4 elastic cover plate E
5 elastic cover plate F
6 implementation
7 connection channel
8 polymer dispersion
10 microstructures
11 inlet chamber
12 pump chamber
13 outlet valve
14 outlet chamber
15 connecting channel
16 piezo plate
17 inlet valve
18 flow body
25 pressure sensors
26 inlet pressure measuring chamber
27 resistance channel
28 Output pressure measuring chamber
29 Pressure equalization channel
30 cuvette
31 LED
32 lens
33 color filters
34 cell channel
35 photo transistor
36 glass fiber
I _k cell length
40 fluid connectors
41 connection foot
42 inlet filter
43 inlet duct
44 compensation groove
45 O-ring
46 reservoir filter
47 Connection hose
50 inlet valve
51 valve lifters
52 closure opening
53 valve chamber
54 valve inlet
55 valve outlet
60 circuit board
61 amplifier circuits
62 electronic connectors
63 Piezo plate connection
64 Pressure sensor connection
65 control amplifier
66 Peltier element
67 isolation
68 temperature sensor
69 measuring capsule
t _s target temperature

Claims

1. Device for the automatic and continuous analysis of liquid samples with at least one micropump, one or more microvalves and / or a flow meter, one or more fluid connections and a structure of connecting channels in a channel body, the structuring of which is covered, characterized in that
that the microstructures of pumps ( 12 ; 16 ), valves ( 13 ; 17 ; 53 ), fluid channels ( 10 ; 34 ) on both sides of the surface of the channel body ( 1 ) are molded from a glass ceramic by mechanical precision machining and
that the channel body ( 1 ) is covered on both sides with an elastic metal plate ( 4 ; 5 ) and which are connected to one another by means of polymer dispersion ( 8 ),
that connections ( 63 ; 64 ) for external functional elements ( 16 ; 25 ; 35 ) and liquid reservoirs ( 40 ) are arranged on both sides.

2. Device according to claim 1, characterized in that the connections for the external liquid reservoirs on one side of the channel body ( 1 ) and actuators ( 16 ) and sensors ( 25 ; 68 ) with their electrical connections ( 63 ; 64 ) on the other Side of the channel body ( 1 ) are arranged.

3. Device according to claim 1 and 2, characterized in that
that the micropump ( 12 ; 16 ) each consist of an arrangement of three chambers in the channel body ( 1 ), an inlet ( 11 ), a pump ( 12 ) and an outlet chamber ( 14 ) with an elastic cover ( 4 ) from where the middle chamber is the pump chamber ( 12 ) and
that the elastic cover ( 4 ) of the pump chamber ( 12 ) is acted upon by a piezo plate ( 16 ) by adhesive connection, which together form a bimorph drive and
that connecting channels ( 13 ; 17 ) are arranged between the chambers ( 11 ; 12 ; 14 ), the cross section of the connecting channels ( 13 ; 17 ) opening into the pump chamber ( 12 ) being smaller than the cross section of the pump chamber ( 12 ).
that the dimensions of the inlet chamber ( 11 ) and the dimensions of the outlet chamber ( 14 ) are different in order to achieve different high natural frequencies.

4. Micropump according to claims 1 to 3, characterized in that the pump chamber ( 12 ) and outlet chamber ( 14 ) are located one above the other in the channel body ( 1 ).

5. The device according to claim 1 to 3, characterized in that the liquid connector ( 40 ) for the connection of external liquid reservoirs and the connecting foot ( 41 ) on the channel support at their connecting surfaces have glass filters ( 42 ; 46 ) which are close to each other when connected and when separated from one another are liquid-inhibiting for a flow.

6. The device according to claim 1 and 5, characterized in that the liquid connector ( 40 ) on its outer cylindrical surface have a compensating groove ( 44 ) with a sealing ring ( 45 ).

7. Microanalysis system according to claim 1, characterized in that the check valves ( 50 ) for the inflows and outflows of the liquids from the structures valve chamber ( 53 ), valve inlet ( 54 ) and closure opening ( 52 ), valve outlet ( 55 ) and the elastic cover plate ( 4 ; 5 ) on both sides of the channel body ( 1 ), the valve inlet ( 54 ) opening vertically into the valve chamber ( 53 ) opposite a valve tappet ( 51 ) acting on the metal plate ( 4 ).

8. The device according to claim 1 and 7, characterized in that the valve tappet ( 51 ) is connected to a piezo drive device.

9. The device according to claim 1 to 8, characterized in that in the channel body ( 1 ) structures for a flow measuring device are formed, which consists of an inlet pressure measuring chamber ( 26 ) and an outlet pressure measuring chamber ( 28 ) with a resistance channel ( 27 ) with a small Cross-section are interconnected, through-holes as pressure compensation channels ( 29 ) being formed in the covering elastic metal plate ( 4 ) in the area of both pressure measuring chambers ( 26 ; 28 ), which are covered by fixed pressure sensors ( 25 ).

10. The device according to claim 1 to 9, characterized in that the channel body ( 1 ) structures for one or more cuvettes ( 30 ) are formed, which have a measuring section I _k ( 34 ), at the channel start defined light is introduced and at the end the light is received by a phototransistor ( 35 ), the extension of the light over the measuring distance I _{k being} a measure of the composition of the substance.

11. The device according to claim 1 to 10, characterized in that the plate assembly ( 1 to 5 ) a temperature stabilization consisting of the connection of a temperature sensor ( 68 ), a control amplifier ( 65 ) and a on the plate assembly ( 1 to 5 ) attached Peltier element ( 66 ) exists.

12. A method for producing microfluidic structures, in particular for analysis devices, characterized in that at least one surface of the channel body made of glass ceramic or the elastic cover plate ( 4 ; 5 ) to be connected is provided with a polymer dispersion ( 8 ) with a thermally activatable reactive group are then permanently joined together under the influence of pressure and heat, a blocking agent being admixed with the polymer dispersion.

13. The method according to claim 12, characterized in that the Blockers from a thermally activated reactive group Contains epoxies, acrylates or isocyanates.

14. The method according to claim 12 and 13, characterized in that the application of the polymer dispersion by screen printing, Rolling, painting, dipping or spraying takes place