DE102004037348A1 - Fluid-Transport-Vorrichtung, Sensor-Anordnung, Fluid-Misch-Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Fluid-Transport-Vorrichtung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluid-Transport-Vorrichtung, mit einem Substrat, mit einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht auf dem Substrat, mit einer piezoelektrischen Schicht auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht, mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht auf der piezoelektrischen Schicht, mit einem Fluid-Transport-Bereich, entlang welchem ein zugeführtes Fluid bewegbar ist, und mit einer Steuer-Einheit, mittels welcher der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht elektrische Steuer-Signale zuführbar sind, mittels welcher die piezoelektrische Schicht derart anregbar ist, dass auf zugeführtes Fluid eine Kraft zum Bewegen des Fluids entlang des Fluid-Transport-Bereichs erzeugbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Fluid-Transport-Vorrichtung, eine Sensor-Anordnung, eine Fluid-Misch-Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer Fluid-Transport-Vorrichtung.
  • Aus dem Stand der Technik sind Bauelemente bekannt, deren Funktionalität auf der Verwendung von akustischen Wellen beruht.
  • [1] offenbart einen Positionsdetektor basierend auf akustischen Oberflächenwellen.
  • Aus [2] ist ein Mikromechanik-Sensor-Element bekannt, das ein schwingfähiges Element und eine Molekül-Kopplungsschicht aufweist, die derart eingerichtet ist, dass an der Molekül-Kopplungsschicht Moleküle binden können. Infolge der Kopplung der Molekühle an der Molekül-Kopplungsschicht wird die Kapazität des schwingfähigen Elements verändert, wodurch ein Sensorereignis elektrisch detektiert werden kann.
  • Die Biotechnologie und die Gentechnologie haben in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine Grundtechnik im Rahmen dieser Technologien ist es, biologische Molekühle wie DNA oder RNA, Proteine, Polypeptide, etc. nachweisen zu können.
  • Pharma-Screening und Health-Care-Anwendungen im Life-Science-Bereich erfordern eine Kette von unterschiedlichen chemischen Reaktionen zur Aufbereitung von zu untersuchenden Makromolekühlen in einer zu untersuchenden Reagenz. Da solche Untersuchungen sehr häufig mit sehr ähnlichen Randbedingungen durchgeführt werden, birgt das Vereinfachen und Automatisieren solcher Untersuchungen ein enormes Einsparpotential. Das Ziel solcher Automatisierungsprozesse ist ein Lab-on-Chip, anschaulich ein in einem Substrat monolithisch integriertes Labor, bei dem alle erforderlichen Reaktionen auf einem einzigen möglichst kleinen Substrat stattfinden und die Reagenzien in ihren einzelnen Reaktionsstufen von einem Reaktor zum nächsten transportiert werden. Eine wichtige Voraussetzung zur Realisierung eines solchen Lab-on-Chip ist die Möglichkeit, die Reagenzien auf dem Chip zu transportieren bzw. unterschiedliche Reagenzien durch Zusammenführung bereits auf dem Sensor-Chip zu mischen bzw. zu einer chemischen Reaktion zu bringen.
  • Im Weiteren werden aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren beschrieben, mit denen ein Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit) transportiert werden kann.
  • [3] offenbart ein Verfahren zur gezielten Manipulation kleiner Materiemengen auf Festkörperoberflächen, bei dem Oberflächenwellen generiert werden und der Impuls der Oberflächenwellen mit der Materienmenge in Wechselwirkung gebracht wird, um eine Bewegung in der gewünschten Richtung zu bewirken. Anders ausgedrückt offenbart [3] das Bilden variabler Oberflächenwellen-Bäuche, mittels welcher eine lokale Bewegung einer Flüssigkeit hervorgerufen wird. Hierbei wird ein Array von Elektroden planar auf ein piezoelektrisches Material aufgebracht. Mittels Variierens des Abstandes und der Länge der Elektroden kann auf diese Weise ein Impulsübertrag der von den Elektroden erzeugten horizontalen Wellenfronten auf die Flüssigkeit erreicht werden. [4] bis [9] offenbaren ähnliche Vorrichtungen.
  • Bei einem anderen Verfahren zum Bewegen von Fluiden wird Elektrophorese ausgenutzt. Bei einem solchen Elektrophorese-Verfahren wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass elektrische Multipole (Monopole, Dipole, Quadrupole,...) in einer Flüssigkeit durch ein elektrisches Feld beschleunigt werden können, womit ein Transport dieser Multipole bewirkt wird. Dieses Verfahren setzt somit polare Eigenschaften der zu untersuchenden Teilchen voraus und kann aufgrund der geringen Beweglichkeit der meisten elektrischen Multipole in Flüssigkeiten keine ausreichend großen Durchsatzgeschwindigkeiten erreichen.
  • Bei einem anderen Verfahren zum Transport von Flüssigkeiten werden Kapillarkräfte ausgenutzt. Kapillarkräfte können einen laminaren Strom einer Flüssigkeit durch eine enge Öffnung führen, sofern ein Konzentrationsgefälle zwischen den beiden Seiten der Öffnung existiert. Somit ist dieses Verfahren auf eine dauerhafte Senke für die zu transportierenden Teilchen auf der einen Seite der Öffnung angewiesen, was eine universelle Einsetzbarkeit des Verfahrens verhindert bzw. zu hohen Implementierungskosten führt.
  • Bei einem anderen Verfahren zum Transport von Flüssigkeiten werden Mikropumpen verwendet, die aus mikromechanisch gefertigten Membranen (z.B. in Siliziumtechnologie) gebildet sind. Solche Mikropumpen eignen sich zwar zum Transport von Flüssigkeiten, allerdings ist ihre Integration als Lab-on-Chip aufwendig und teuer.
  • Bei einem anderen Verfahren zum Transport von Flüssigkeiten werden konventionelle Pumpen verwendet, die in einem makroskopischen Analysesystem integriert sind. Dieses Verfahren ist nicht für die Untersuchung sehr geringer Flüssigkeitsmengen geeignet. Allerdings stehen insbesondere bei biotechnologischen Verfahren häufig nur sehr geringe Flüssigkeitsmengen in der Größenordnung von hundert Mikroliter und weniger zur Verfügung.
    •
  • Der Erfindung liegt insbesondere das Problem zugrunde, einen effizienten Transport von Fluiden selbst bei geringen Volumina zu ermöglichen.
  • Das Problem wird durch eine Fluid-Transport-Vorrichtung, durch eine Sensor-Anordnung, durch eine Fluid-Misch-Vorrichtung und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Fluid-Transport-Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Fluid-Transport-Vorrichtung enthält ein Substrat, eine erste elektrisch leitfähige Schicht auf dem Substrat, eine piezoelektrische Schicht auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und eine zweite elektrisch leitfähige Schicht auf der piezoelektrischen Schicht. Ferner enthält die Fluid-Transport-Vorrichtung der Erfindung einen Fluid-Transport-Bereich, entlang welchem ein zugeführtes Fluid bewegbar ist. Mittels einer Steuer-Einheit sind der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht elektrische Steuer-Signale zuführbar, mittels welche die piezoelektrische Schicht derart anregbar ist, dass das zugeführte Fluid eine Kraft zum Bewegen des Fluid entlang des Fluid-Transport-Bereichs erzeugbar ist.
  • Die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung zum Erfassen von in einem Fluid möglicherweise enthaltenden Partikeln enthält ein Sensor-Element, an dem in Anwesenheit von in einem Fluid möglicherweise enthaltenden Partikeln (insbesondere Moleküle) ein Sensor-Signal generierbar ist. Die Sensor-Anordnung enthält ferner eine Fluid-Transport-Vorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen, wobei mittels der Fluid-Transport-Vorrichtung zu untersuchendes Fluid zu dem Sensor-Element transportierbar ist, so dass in dem Fluid möglicherweise enthaltende Partikel an dem Sensor-Element erfassbar sind.
  • Bei der erfindungsgemäßen Fluid-Misch-Vorrichtung zum Mischen eines ersten Fluids mit einem zweiten Fluid ist eine erste Fluid-Transport-Vorrichtung mit den oben beschriebener. Merkmalen bereitgestellt, der das erste Fluid zuführbar ist. Ferner ist eine zweite Fluid-Transport-Vorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen bereitgestellt, der das zweite Fluid zuführbar ist. Mittels der ersten Fluid-Transport-Vorrichtung ist das erste Fluid zu einem Misch-Bereich transportierbar, wobei mittels der zweiten Fluid-Transport-Vorrichtung das zweite Fluid zu dem Misch-Bereich transportierbar ist, so dass in dem Misch-Bereich erstes Fluid und zweites Fluid mischbar sind.
  • Ferner ist ein Verfahren zum Herstellen einer Fluid-Transport-Vorrichtung geschaffen, bei dem eine erste elektrisch leitfähige Schicht auf einem Substrat gebildet wird, eine piezoelektrische Schicht auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht gebildet wird, eine zweite elektrisch leitfähige Schicht auf der piezoelektrischen Schicht gebildet wird, ein Fluid-Transport-Bereich gebildet wird, entlang welchem ein zugeführtes Fluid bewegbar ist, und eine Steuer-Einheit gebildet wird, mittels welcher der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht elektrische Steuer-Signale zuführbar sind, mittels welcher die piezoelektrische Schicht derart anregbar ist, dass auf zugeführtes Fluid eine Kraft zum Bewegen des Fluids entlang des Fluid-Transport-Bereichs erzeugbar ist.
  • Unter einem Fluid wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere eine Flüssigkeit verstanden, jedoch funktioniert das Prinzip der Erfindung grundsätzlich auch mit anderen Materiearten, wie zum Beispiel Gasen oder einem Granulat.
  • Eine Grundidee der Erfindung ist darin zu sehen, über einem Substrat (z.B. ein elektronischer Chip) eine erste elektrisch leitfähige Schicht (z.B. eine erste Metalllage), darüber eine piezoelektrische Schicht (z.B. aus Quarz, Zinnoxid ZnO, Aluminiumnitrid AlN) und darüber eine zweite elektrisch leitfähige Schicht (z.B. eine zweite Metalllage) vorzusehen und diesen vertikalen Schichtstapel unter Verwendung des Piezo-Effekts zum Erzeugen von Wellen zu verwenden, mittels welcher Wellen auf ein Fluid (insbesondere eine Flüssigkeit) ein mechanischer Impuls ausgeübt wird, womit die Flüssigkeit entlang eines Fluid-Transport-Bereichs bewegt wird. Gemäß der erfindungsgemäßen Konfiguration aus zwei vertikal übereinander gebildeten Elektroden und einer dazwischen angeordneten piezoelektrischen Schicht können akustische Wellenfronten bei beliebigen Frequenzen erzeugt werden. Dies stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber der aus [3] bekannten rein planaren Anordnung von Elektroden dar, bei der nur bei durch den Abstand der Elektroden vorgegebenen Frequenzen (Ort der Elektrode entspricht einem Wellenbauch) Wellen überzeugt werden können. Erfindungsgemäß ist eine horizontale Anregung des Piezoelektrikums zwischen den beiden Elektroden durch eine geeignete Wahl der Anregungsfrequenz der an den Elektroden bereitgestellten Steuer-Signale ermöglicht. Insbesondere mittels Einstellens einer Phasendifferenz zwischen einer Mehrzahl solcher Elektrodenpaare kann eine beliebige Wellenlänge erzeugt und zusätzlich hinsichtlich ihrer Amplitude eingestellt werden.
  • Anschaulich sind mit der Erfindung zwei flächige Metall-Elektroden zum Ansteuern eines dazwischen angeordneten piezoelektrischen Mediums geschaffen, wodurch durch das gesamte Piezoelektrikum wirkende Wellen (Bulk Acoustic Waves) generiert werden können. Bei dem Verfahren gemäß [3] wird im Gegensatz dazu nur eine akustische Oberflächenwelle erzeugt (Surface Acoustic Waves).
  • In einer Konfiguration der Fluid-Transport-Vorrichtung, bei der diese in einer Sensor-Anordnung enthalten ist, werden für die Auswertung der Sensor-Signale der Sensoren auch Schaltungen eingesetzt, die vorzugsweise in der Nähe der Sensoren angeordnet sind (insbesondere in dem Substrat integriert sind), wodurch die Signalwege kurz gehalten sind. Es können erfindungsgemäß auch Ansteuerschaltungen für die Fluid-Transport-Vorrichtung in der Nähe der piezoelektrischen Elemente untergebracht werden. Da einzelne Aktuatoren erfindungsgemäß frei und ohne die Randbedingung der Einhaltung von durch den Abstand vom nächsten Nachbar-Aktuator vorgegebenen Wellenlängen angesteuert werden können, ergibt sich ein wesentlich größerer Raum möglicher Wellenmuster, die an die Fluid-Transport-Vorrichtung angelegt werden können. Die Transport-Vorrichtung wird vorzugsweise zusammen mit einer integrierten Schaltung ausgeführt, so dass auch die Beschränkung der bei externer Elektronik aufgrund der hohen Zahl der dafür notwendigen elektrischen Verbindungsmittel zwischen Elektronik und Fluid-Transport-Vorrichtung entfällt.
  • Anschaulich kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, dass ein Apparat zur Präparation, zum Transport und zur Bestimmung der Inhaltsstoffe von Flüssigkeiten auf Festkörperoberflächen geschaffen ist. Ein solcher Apparat stellt eine Kombination einer Fluid-Transport-Vorrichtung (zum definierten Transport von Fluiden), einer Fluid-Misch-Vorrichtung (zum Mischen von zwei oder mehr Fluiden, insbesondere um eine chemische Reaktion zu bewirken) und einer Sensor-Anordnung (zum Erfassen von in einem Fluid möglicherweise enthaltenen Partikeln) dar und kann als Lab-on-Chip bezeichnet werden.
  • Erfindungsgemäß ist eine effiziente Realisierung einer Fluid-Transport-Vorrichtung geschaffen, die mit einfachen technologischen Mitteln realisiert ist und somit ein einfaches System zur Aufbereitung und Analyse einer Flüssigkeitsprobe auf einem Chip darstellt.
  • Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist das Ausnutzen einer oberhalb einer ersten Elektrode vorgesehenen zweiten Elektrode zur freien Erzeugung von Wellen. Im Gegensatz zu bisherigen Realisierungen, insbesondere im Gegensatz zu [3] bis [9], ist die Frequenz der erzeugten Wellen erfindungsgemäß nicht mehr durch den Abstand eines Paares von in nur einer Metallebene definierten Elektroden vorgegeben. Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer zweiten Gegenelektrode in einer zweiten Metallebene unterhalb eines piezoelektrischen Materials können die Anregungsfrequenzen frei vorgegeben werden, wobei ein Betrieb bei oder nahe der Resonanzfrequenz (aufgrund der dann nur geringen Verluste) besonders vorteilhaft ist. Ferner können die variabel angesteuerten Elektroden mit einer darunter liegenden integrierten Schaltung gekoppelt werden, insbesondere als System-on-Chip oder als Chip-to-Chip-Verbindung mit Durchkontaktierung, um so eine konfigurierbare Ansteuerung mit einer intelligenten Schaltung kostengünstig und platzsparend zu vereinigen. Somit sind nützliche Anwendungen für Lab-on-Chip Applikationen ermöglicht.
  • Im Gegensatz zu den in [3] bis [9] offenbarten Fluid-Transport-Verfahren werden erfindungsgemäß zwei vertikal angeordnete Elektroden mit einer dazwischen angeordneten piezoelektrischen Schicht eingesetzt. Bei dieser Lösung werden im Volumen des Festkörpers angeregte Wellen (BAW, "Bulk Acoustic Waves") verwendet, im Gegensatz dazu wird gemäß [3] lediglich eine Oberflächenakustikwelle ("Surface Acoustic Wave", SAW) verwendet. Auf diese Weise kann erfindungsgemäß eine homogene Integration von Transport- und Sensortechnologie in einem Lab-on-Chip vereint werden. Andererseits ist durch die Kombination mit einer integrierten Schaltung eine wesentlich erhöhte Flexibilität hinsichtlich der Art der Auslenkung der einzelnen Elektroden und somit auch hinsichtlich der Kontrolle der Bewegung der Flüssigkeit geschaffen.
  • Eine Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung in CMOS-Technologie ist bevorzugt.
  • Im Gegensatz zu Elektrophorese-Verfahren zum Bewegen von Fluiden ist erfindungsgemäß auch ein Fluid-Transport mit nichtpolaren Teilchen möglich, ohne dass eine hohe Wartezeit beim Bewegen von Fluiden anfällt, so dass keine großen elektrischen Felder und lange Distanzen zur Herstellung eines ausreichenden Konzentrationsgradienten erforderlich sind.
  • Gegenüber den auf Kapillarkräften, Mikropumpen bzw. herkömmlichen Pumpen beruhenden Fluid-Transport-Vorrichtungen ist mit der erfindungsgemäßen Fluid-Transport-Vorrichtung der Herstellungsaufwand verringert, sind die Kosten reduziert, und es sind externe Komponenten und zusätzliche Flüssigkeitsvolumina des Reagenz als Tot-Volumen zum Pumpen eingespart.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Im Weiteren werden bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Fluid-Transport-Vorrichtung beschrieben.
  • Die Steuer-Einheit der Fluid-Transport-Vorrichtung kann derart eingerichtet sein, dass mittels der Steuer-Signale die piezoelektrische Schicht derart anregbar ist, dass auf zugeführtes Fluid eine Kraft zum Bewegen des Fluids entlang des Fluid-Transport-Bereichs in einer Richtung parallel zu der ersten elektrisch leitfähigen Schicht, parallel zu der piezoelektrischen Schicht und parallel zu der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht erzeugbar ist. Mit anderen Worten sind gemäß dieser Ausgestaltung die Steuersignale so eingestellt, dass mittels Anlegens der Steuer-Signale an die ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Bereiche erzeugte akustische Wellen eine solche mechanische Kraft bzw. einen solchen Impuls auf ein Fluid in dem Fluid-Transport-Bereich ausüben, dass dieses Fluid auf einer (z.B. planen) Oberfläche der Fluid-Transport-Vorrichtung, d.h. senkrecht zu der Schicht-Anordnung aus den beiden elektrisch leitfähigen Schichten und der piezoelektrischen Schicht, eine Kraft erfährt, die eine horizontale Bewegung des Fluids bewirkt.
  • Das Substrat der Fluid-Transport-Vorrichtung kann ein elektronischer Chip sein, in welchem die Steuer-Einheit monolithisch integriert ist. Anders ausgedrückt kann die Steuer-Einheit als integrierter elektrischer Schaltkreis in dem Substrat vorgesehen sein, wobei als Substrat ein Silizium-Substrat, insbesondere ein Silizium-Chip verwendet werden kann.
  • Darüber hinaus kann eine Reflexions-Schicht zwischen dem Substrat und der ersten elektrisch leitfähigen Schicht vorgesehen sein, welche Reflexions-Schicht zum Reflektieren von mittels der piezoelektrischen Schicht generierten akustischen Wellen eingerichtet ist. Eine solche Reflexions-Schicht vermeidet oder verringert das Eindringen von akustischen Wellen in das Innere des Substrats. Eine solche Reflexions-Schicht kann mehrere Teilschichten aufweisen, wobei die Gesamtanordnung der Teilschichten bewirkt, dass eine von der piezoelektrischen Schicht generierte mechanische Welle zumindest teilweise reflektiert wird, womit vermieden ist, dass eine solche Welle einen in dem Substrat möglicherweise enthaltenen integrierten Schaltkreis negativ beeinflusst.
  • Bei der Fluid-Transport-Vorrichtung kann die Reflexions-Schicht als akustischer Bragg-Filter mit mindestens zwei Schichten mit unterschiedlichen Werten der Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen realisiert sein.
  • Die Reflexions-Schicht kann somit als akustischer Bragg-Filter realisiert sein, d.h. als eine Anordnung aus mindestens zwei Schichten mit unterschiedlichen (vorzugsweise stark unterschiedlichen) Werten der Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen, wobei die Dicke der Teilschichten vorzugsweise ungefähr λ/4 beträgt. Dabei ist λ die Wellenlänge einer akustischen Welle.
  • Bei der Fluid-Transport-Vorrichtung kann ein Hohlraum in einem Substrat unterhalb der ersten elektrisch leitfähigen Schicht vorgesehen sein. Dieser Hohlraum kann in dem Substrat als Durchgangsloch (d.h. das Substrat vollständig durchdringend) oder als Sackloch (d.h. das Substrat nicht vollständig durchdringend, aber einen Graben in dem Substrat bildend) realisiert sein. Ein solcher Hohlraum hat anschaulich die Wirkung, dass akustische Wellen in dem Bereich oberhalb des Hohlraums verbleiben und nicht in unerwünschte Bereiche geführt werden. Auf diese Weise trägt der Hohlraum zur Erhöhung der Güte der Fluid-Transport-Vorrichtung bei.
  • Die erste elektrisch leitfähige Schicht und/oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht können in eine Mehrzahl von (vorzugsweise mechanisch nichtzusammenhängende) Bereiche aufgeteilt sein, wobei die Steuer-Einheit derart eingerichtet ist, dass in jedem Bereich ein separates Steuer-Signal anlegbar ist. Mit anderen Worten kann die erste elektrisch leitfähige Schicht als nicht durchgehende Schicht vorgesehen sein, d.h. als eine Anordnung von nichtzusammenhängenden Teilbereichen vorgesehen sein. Auch die zweite elektrisch leitfähige Schicht kann in eine Mehrzahl von Teilbereiche aufgeteilt sein, die nicht zusammenhängen, d.h. mechanisch und/oder elektrisch voneinander getrennt sind.
  • Vorzugsweise sind jeweils ein Teilbereich der ersten elektrisch isolierenden Schicht und ein Teilbereich der zweiten elektrisch isolierenden Schicht übereinander, und durch die piezoelektrische Schicht voneinander getrennt, angeordnet. Anders ausgedrückt können die Teilbereiche der beiden elektrisch leitfähigen Schichten zu Paaren gruppiert sein, wobei jedes Paar einen Teilbereich der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und einen Teilbereich der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht enthält. Mittels der Steuer-Einheit kann an die beiden Teilbereiche einer solchen Gruppe jeweils ein Steuer-Signal angelegt werden. D.h., dass alle Teilbereiche oder ein Teil der Teilbereiche der ersten elektrisch leitfähigen Schicht auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen können, und dass alle Teilbereiche oder ein Teil der Teilbereiche der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht auf unterschiedlichen elektrischen Potentialen liegen können. Dadurch kann eine ortsabhängige Verteilung von akustischen Wellen erzeugt werden, insbesondere mittels Vorsehens einer Phasenverschiebung zwischen den elektrischen Anregungssignalen an den jeweiligen Teilbereich-Paaren, so dass sich über die Anordnung von Teilbereichen der ersten und zweiten elektrisch leitfähigen Schichten hinweg ein mechanischen Kraftprofil ergibt, mit welchem ein besonders effektives mechanisches Führen des Fluids in dem Fluid-Transport-Bereich ermöglicht ist.
  • Mittels geeigneten Vorsehens der Phasenverschiebungen zwischen benachbarten Elektrodenbereich-Paaren kann eine gewünschte Wellenlänge bzw. Frequenz einer akustischen Welle erzeugt werden, womit eine hohe Flexibilität beim Bewegen des Fluids ermöglicht ist.
  • Somit kann die Steuer-Einheit derart angerichtet sein, dass in jedem Bereich der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und/oder der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht ein separates Steuer-Signal derart anlegbar ist, und dass die Steuer-Signale jeweils zwischen benachbarten Bereichen eine vorgebbare Phasenverschiebung aufweisen. Die Steuer-Signale können elektrische Wechselsignale aufweisen, zum Beispiel mit einem Sinusprofil, mit einem Sägezahnprofil oder mit einem Stufenprofil.
  • Bei der Fluid-Transport-Vorrichtung kann der Fluid-Transport-Bereich mittels einer Kapillare, mittels eines Grabens oder mittels eines hydrophilen Bereichs realisiert werden, welcher hydrophile Bereich von einem hydrophoben Bereich begrenzt ist.
  • Somit kann der Fluid-Transport-Bereich als eine Kapillare, d.h. als eine röhrenartige Struktur vorgesehen sein, entlang welcher die zu transportierende Flüssigkeit geführt wird, wobei mittels einer unterhalb der Kapillare gebildeten Anordnung aus den beiden elektrisch leitfähigen Schichten und der dazwischen angeordneten piezoelektrischen Schicht eine mechanische Kraft auf die Teilchen des Fluids in der Kapillare ausgeübt wird.
  • Bei Vorsehen des Fluid-Transport-Bereichs als Graben, d.h. als kanalartige Struktur in einer Oberflächenschicht der Fluid-Transport-Vorrichtung, kann die Bewegung der Flüssigkeit von außen sichtbar und somit optisch überwachbar realisiert werden. In einen solchen Kanal-Bereich kann auch von extern sehr einfach Fluid injiziert werden, z.B. mit einer Mikro-Pipette.
  • Eine andere Realisierung des Fluid-Transport-Bereichs kann darin bestehen, dass ein hydrophiler Bereich auf einer zum Beispiel planen Oberfläche vorgesehen wird, und dieser hydrophile Bereich von einem hydrophoben Bereich begrenzt wird. Ein Fluid auf Wasserbasis wird sich dann vorzugsweise auf dem hydrophilen Bereich bewegen, wohingegen eine Bewegung auf dem hydrophoben Bereich vermieden ist. Dadurch kann ohne Vorsehen eines Höhenprofils einem zu transportierenden Fluid ein Transportweg vorgegeben werden.
  • Der Fluid-Transport-Bereich kann zum Beispiel eine eindimensionale geradlinige Ortskurve beschreiben oder kann auch gekrümmte oder beliebige andere Ortskurven beschreiben, zum Beispiel eine kreisförmige Bahn.
  • Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung näher beschrieben. Ausgestaltungen der Sensor-Anordnung gelten auch für die Fluid-Transport-Vorrichtung und umgekehrt.
  • Das Sensor-Element der Sensor-Anordnung kann in dem Substrat integriert sein.
  • Somit kann bei der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung die Fluid-Transport-Vorrichtung und zusätzlich das Sensor-Element monolithisch in dem Substrat integriert vorgesehen sein, womit ein miniaturisiertes Lab-on-Chip erreicht ist. Aufgrund kurzer Signalwege können Sensor-Signale im Wesentlichen störungsfrei transportiert werden, wodurch eine hohe Nachweissensitivität erreicht ist.
  • Das Sensor-Element kann zum Beispiel nach dem Fängermolekül-Prinzip ausgestaltet sein. In diesem Fall kann das Sensor-Element eine oder mehrere Goldelektroden aufweisen, auf denen Fängermoleküle (zum Beispiel DNA-Halbstränge) immobilisiert sind. Alternativ zu Gold kann auch ein elektrisch isolierendes Material wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrid verwendet werden. Wenn in dem Fluid zu den Fängermolekülen komplementäre Moleküle (zum Beispiel DNA-Halbstränge mit einer zu der Sequenz der Fängermoleküle passenden Basensequenz) enthalten sind, kommt zu Hybridisierungsereignissen, d.h. zu Bindungen zwischen den Fängermolekülen und den zu erfassenden Partikeln, wodurch sich die elektrischen/optischen Eigenschaft in einem Umgebungsbereich des Sensor-Elements verändern. Diese veränderten Eigenschaften können elektrisch und/oder optisch detektiert werden und dienen als Sensor-Signal.
  • Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Fluid-Misch-Vorrichtung näher beschrieben. Ausgestaltungen der Fluid-Misch-Vorrichtung gelten auch für die Fluid-Transport-Vorrichtung und umgekehrt.
  • Die erste Fluid-Transport-Vorrichtung und die zweite Fluid-Transport-Vorrichtung der Fluid-Misch-Vorrichtung können auf und/oder in einem gemeinsamen Substrat integriert sein. Dadurch ist eine miniaturisierte Lab-on-Chip Anordnung geschaffen, da zum Bilden der Fluid-Transport-Vorrichtung und der Misch-Vorrichtung ein gemeinsames Substrat verwendet wird.
  • Mit der Fluid-Misch-Vorrichtung ist eine miniaturisierte Anordnung geschaffen, mit der zwei Fluide miteinander in Wirkverbindung gebracht werden können, indem sie mittels separater Fluid-Transport-Vorrichtungen in einem Misch-Bereich zusammengeführt werden, wodurch sich beim Zusammenführen Wirbel ergeben, die ein besonders effektives und vor allem schnelles und somit kostengünstiges Durchmischen der beiden Flüssigkeiten ermöglichen. Dadurch können zum Beispiel zwei Reaktionspartner für eine beabsichtigte chemische Reaktion effektiv zusammengeführt werden und eine chemische Reaktion selbst bei geringen Mengen mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit durchgeführt werden.
  • Die Ausgestaltungen sind für die erfindungsgemäße Fluid-Transport-Vorrichtung beschrieben. Selbstverständlich gelten diese Ausgestaltungen auch für das Verfahren zum Herstellen einer Fluid-Transport-Vorrichtung.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1A, 1B Querschnittsansichten einer Fluid-Transport-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 1C eine Draufsicht der in 1A, 1B gezeigten Fluid-Transport-Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2, 3 Querschnittsansichten einer Fluid-Transport-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 4, 5 Querschnittsansichten einer Fluid-Transport-Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 6 eine Querschnittsansicht einer Fluid-Transport-Vorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 7 eine andere Querschnittsansicht der Fluid-Transport-Vorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, aufgenommen entlang einer in 6 gezeigten Schnittlinie I-I',
  • 8 eine Fluid-Transport-Vorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 9 Steuer-Signale, die an Elektroden-Bereiche der in 8 gezeigten Fluid-Transport-Vorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung angelegt werden,
  • 10 eine Sensor-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 11 eine Querschnittsansicht einer Fluid-Misch-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 12 eine Draufsicht der Fluid-Misch-Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 13 eine Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 14 eine Querschnittsansicht einer Fluid-Misch-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 15 eine Draufsicht der Fluid-Misch-Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1A bis 1C eine Fluid-Transport-Vorrichtung 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • In 1A ist eine schematische Querschnittsansicht der Fluid-Transport-Vorrichtung 100 gezeigt.
  • Die Fluid-Transport-Vorrichtung 100 enthält einen Silizium-Chip 101 und eine darauf gebildete Reflexions-Schicht 102, die aus einer Mehrzahl von Teilschichten gebildet ist, und die zum Reflektieren von mittels einer piezoelektrischen Schicht 104 generierten akustischen Wellen eingerichtet ist. Auf der Reflexions-Schicht 102 ist eine erste Metallschicht 103 gebildet, welche mittels eines ersten Anschlusses 106 mit einem elektrischen Steuer-Signal versorgbar ist. Auf der ersten Metallschicht 103 ist eine piezoelektrische Schicht 104 gebildet (zum Beispiel aus Zinnoxid, ZnO, oder aus Aluminiumnitrid, AlN). Auf der piezoelektrischen Schicht 104 ist eine zweite Metallschicht 105 gebildet, welcher mittels eines zweiten Anschlusses 107 ein anderes elektrisches Steuer-Signal bereitstellbar ist.
  • Die Oberfläche der Fluid-Transport-Vorrichtung 100 bildet einen Fluid-Transport-Bereich, entlang welchem ein zugeführtes Fluid (nicht gezeigt in der Figur) bewegbar ist. In dem Silizium-Chip 100 ist als monolithisch integrierter Schaltkreis eine Steuer-Einheit (nicht gezeigt in der Figur) vorgesehen, mittels welcher der ersten Metallschicht 103 und der zweiten Metallschicht 105 jeweils ein elektrisches Steuer-Signal zuführbar ist. Mittels dieser Steuer-Signale ist die piezoelektrische Schicht 104 derart zum Bilden von Wellen anregbar, dass eine Kraft zum Bewegen des zugeführten Fluids entlang des Fluid-Transport-Bereichs erzeugbar ist.
  • Anders ausgedrückt werden von der Steuer-Einheit in dem Silizium-Chip 101 über die ersten Anschlüsse 106, 107 der ersten Metallschicht 103 und der zweiten Metallschicht 105 jeweils ein elektrisches Steuer-Signal bereitgestellt, womit in der piezoelektrischen Schicht 104 akustische Wellen (Bulk Acoustic Waves, BAW) angeregt werden, deren Gruppenwellenfront einen Impuls auf die Flüssigkeit in dem Fluid-Transport-Bereich induziert, womit das Fluid in einer Richtung senkrecht zu der Papierebene von 1A bewegt werden kann.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1B eine Detailansicht der in 1A schematisch gezeigten Fluid-Transport-Vorrichtung 100 beschrieben.
  • Der erste Anschluss 106 zum Koppeln der ersten Metallschicht 103 mit der Steuer-Einheit ist in 1B mittels einer ersten Durchkontaktierung 111 aus einem elektrisch leitfähigen Material und mittels einer dritten Durchkontaktierung 114 aus einem elektrisch leitfähigen Material realisiert, wobei die erste Durchkontaktierung 111 eine Durchkontaktierung durch die aktiven Schichten der Fluid-Transport-Vorrichtung 100 bildet und die dritte Durchkontaktierung 114 eine Durchkontaktierung durch den Silizium-Chip 101 bildet. In ähnlicher Weise ist der zweite Anschluss 107 in 1B mittels einer zweiten Durchkontaktierung 112 zum Durchführen durch die aktiven Schichten und mittels einer vierten Durchkontaktierung 115 zum Durchkontaktieren durch den Silizium-Chip 101 realisiert. Ferner ist eine Isolationsstruktur 113 zum elektrischen Isolieren der leitfähigen Komponenten der Fluid-Transport-Vorrichtung 100 voneinander vorgesehen.
  • In 1C ist eine Draufsicht 120 der Fluid-Transport-Vorrichtung 100 gezeigt.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 2, 3 eine Fluid-Transport-Vorrichtung 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die in 2 gezeigte Fluid-Transport-Vorrichtung 200 unterscheidet sich von der in 1A gezeigten Fluid-Transport-Vorrichtung 100 im Wesentlichen dadurch, dass in den Silizium-Chip 101 ein Sackloch-Hohlraum 201 eingebracht ist, d.h. ein Hohlraum unter dem Resonator/Piezomaterial, womit das Resonanzverhalten der Fluid-Transport-Vorrichtung 200 verbessert ist. Eine Reflexions-Schicht 102 ist bei der Hohlraum-Konfiguration gemäß 2 entbehrlich.
  • In 3 ist eine Detailansicht der in 2 schematisch gezeigten Fluid-Transport-Vorrichtung 200 gezeigt, bei der insbesondere die Durchkontaktierungen 111, 112, 114, 115 und die Isolationsstruktur 113 gezeigt sind.
  • Die in 2, 3 gezeigte Schichtenfolge wird hergestellt, indem der Silizium-Chip 101 mittels Ätzens in einem Zentralbereich gedünnt wird, womit der Sackloch-Hohlraum 201 gebildet wird.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4, 5 eine Fluid-Transport-Vorrichtung 400 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die in 4 gezeigte Fluid-Transport-Vorrichtung 400 unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Fluid-Transport-Vorrichtung 200 im Wesentlichen dadurch, dass der Sackloch-Hohlraum 201 durch einen Durchgangsloch-Hohlraum 401 ersetzt ist, welcher den Silizium-Chip 101 vollständig durchdringt. Dies ist mit einer Rückseitenätzung des Silizium-Chips 101 bis zum Resonator/Piezomaterial ermöglicht. Die in 4 gezeigte Fluid-Transport-Vorrichtung 400 weist ein besonders gutes Resonanzverhalten auf.
  • In 5 ist nochmals die Fluid-Transport-Vorrichtung 400 gezeigt, bei der insbesondere die in 4 nicht gezeigten Details (Komponenten 111 bis 115) dargestellt sind.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 6 eine Fluid-Transport-Vorrichtung 600 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • 6 zeigt eine Querschnittsansicht der Fluid-Transport-Vorrichtung 600, bei der eine Analyselösung 602 als zu transportierendes Fluid aufgebracht ist. Die Anordnung aus den Schichten 102 bis 105 ist lateral durch eine Kompartimentierung 601 begrenzt, womit ein Kanal bzw. Graben gebildet ist, entlang welchem die Analyselösung 602 in einer zu der Papierebene von 6 senkrechten Richtung bewegt werden kann. Hierfür werden Bulk-akustische Wellen mittels der Schichten 103 bis 105 angeregt, womit ein solcher Impulsübertrag bzw. Energieübertrag auf die Analyselösung 602 erfolgt, dass diese entlang einer vorgebbaren Richtung bewegt wird. Insbesondere ist in dem Substrat 101 eine CMOS-Ansteuerschaltung (nicht gezeigt) als integrierter Schaltkreis vorgesehen, mittels welcher den Metallschichten 103, 105 elektrische Steuer-Signale bereitgestellt werden können.
  • In 7 ist eine andere Querschnittsansicht der Fluid-Transport-Vorrichtung 600 entlang einer in 6 gezeigten Schnittlinie I-I' gezeigt.
  • Aus der Querschnittsansicht von 7 geht hervor, dass die erste Metallschicht 103 bei der Fluid-Transport-Vorrichtung 600 in eine Mehrzahl von erste Metallschicht-Teilbereiche 703 aufgeteilt ist und dass die zweite Metallschicht 105 in eine Mehrzahl von zweite Metallschicht-Teilbereiche 704 aufgeteilt ist. Die ersten Metallschicht-Teilbereiche 703 sind voneinander elektrisch entkoppelt, wobei mittels des in dem Silizium-Chip 101 integrierten Steuer-Schaltkreises 701 jedem ersten Metallschicht-Teilbereich 703 ein separates Ansteuer-Signal bereitstellbar ist. Die piezoelektrische Schicht 104 ist auch in 7 als durchgehende, zusammenhängende Schicht vorgesehen. Die zweite Metallschicht 105 ist bei der Fluid-Transport-Vorrichtung 600 in eine Mehrzahl von zweite Metallschicht-Teilbereiche 704 aufgeteilt, wobei jedem der zweiten Metallschicht-Teilbereiche 704 mittels des integrierten Steuer-Schaltkreises 701 ein separates Steuer-Signal bereitstellbar ist. Anders ausgedrückt bilden jeweils ein erster Metallschicht-Teilbereich 703 und ein zweiter Metallschicht-Teilbereich 704 gemeinsam mit einem dazwischen angeordneten Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 104 eine sandwichartige Einheit, wobei das Zusammenwirken einer Vielzahl solcher Einheiten einen starken Impuls auf die Flüssigkeit bewirkt.
  • Somit kann mittels Anlegens von Steuer-Signalen an jedes Paar aus einem ersten Metallschicht-Teilbereich 703 und einem zweiten Metallschicht-Teilbereich 704 eine ortsabhängige Kraft auf die Analyselösung 602 ausgeübt werden, so dass diese entlang der Bewegungsrichtung 702 transportiert wird. Ferner ist in 7 eine Isolationsbegrenzung 700 gezeigt.
  • Es zeigen 6, 7 einen Querschnitt der Anordnung der Aktuatoren für die erfindungsgemäße Fluid-Transport- Vorrichtung. Hierbei ist eine Reihe von Aktuatoren mit senkrecht zu der Transportrichtung 702 beliebig langen (zum Beispiel auch gekrümmten) und in der Transportrichtung 702 möglichst kurzen Einzelbauelementen (jeweils gebildet aus einem ersten Metallschicht-Teilbereich 703, einem zweiten Metallschicht-Teilbereich 704 und einem dazwischen angeordneten Abschnitt der durchgehenden piezoelektrischen Schicht 104) durch eine darunter liegende integrierte Schaltung 701 mit einem über den Transportzeitraum periodischen Signal ansteuerbar. Flüssigkeiten 602 werden entlang der Transportrichtung 702 durch den Kanal bzw. Graben transportiert, der durch Komponenten 601, 700 gebildet ist. Somit wird die Analyselösung 602 in begrenzten Bereichen gehalten. Alternativ oder ergänzend zu dem Definieren begrenzter Bereiche kann auch die Oberflächeneigenschaft (z.B. hydrophob/hydrophil bei einer wässrigen Flüssigkeit) zum Diskriminieren zwischen von der Flüssigkeit bedeckten Bereichen und solchen Bereichen dienen, die von der Flüssigkeit frei bleiben.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 8 eine Fluid-Transport-Vorrichtung 800 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • In 8 ist eine Fluid-Transport-Vorrichtung 800 gezeigt, welche im Wesentlichen der in 7 gezeigten Fluid-Transport-Vorrichtung 600 entspricht, bei welcher jedoch die Isolationsbegrenzung 701 nicht gezeigt ist. Bei dem in 8 gezeigten Betriebszustand der Fluid-Transport-Vorrichtung 800 sind Steuer-Signale an die ersten Metallschicht-Teilbereiche 703 bzw. an die zweiten Metallschicht-Teilbereiche 704 angelegt, infolge welcher sich die Flüssigkeit 602 gemäß 8 von links nach rechts bewegt, was durch die Bewegungsrichtung 801 gekennzeichnet ist.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 9 beschrieben, auf welche Art die Steuer-Signale an die einzelnen Metallschicht- Teilbereiche 703, 704 angelegt werden, um die in 8 gezeigte Bewegung der Analyselösung 602 entlang Bewegungsrichtung 801 zu erzielen.
  • In einem ersten Diagramm 900 aus 9 ist für einen ersten Zeitpunkt t1 entlang einer Abszisse 901 der Ort x, d.h. die Anordnung der ersten und zweiten Metallschicht-Teilbereiche 703, 704 der Fluid-Transport-Vorrichtung 800 in einer Verlaufsrichtung von links nach rechts gemäß 8 aufgetragen. Entlang einer Ordinate 902 ist eine Potentialdifferenz aufgetragen, die zwischen einen jeweiligen ersten Metallschicht-Teilbereich 703 und den zugehörigen zweiten Metallschicht-Teilbereich 704 angelegt ist. In einem zweiten Diagramm 910, welches der Potentialverteilung zu einem anderen Zeitpunkt t2 entspricht, sind die elektrischen Spannungen, die an den Paaren der von ersten Metallschicht-Teilbereichen 703 und zweiten Metallschicht-Teilbereichen 704 anliegen, gegenüber dem Diagramm 900 verschoben. Wiederum ist in dem zweiten Diagramm 910 entlang einer Abszisse 911 der Ort x und entlang einer Ordinate 912 die Spannung aufgetragen.
  • Die Periode der Ansteuer-Signale zwischen den Einzelbauelementen 703, 704 ist zeitlich versetzt zueinander, so dass auf die Flüssigkeit 602 ein Impulsübertrag parallel zur Oberfläche in Richtung verzögerter Phase ausgeübt wird. Dieser Effekt wird zum Transport der Flüssigkeit 602 ausgenutzt. Dabei kann vor allem vorteilhaft ausgenutzt werden, dass mit der Fluid-Transport-Vorrichtung 800 beliebige Wellenlängen und somit Wellenfronten gebildet werden können, was auf die vertikale Schichtenfolge aus einem jeweiligen ersten Metallschicht-Teilbereich 703, einem Teil der piezoelektrischen Schicht 104 und einem zweiten Metallschicht-Teilbereich 704, sowie aus der Aufteilung der ersten und zweiten Metallschichten 102, 104 in erste und zweite Metallschicht-Teilbereiche 703, 704 resultiert. Daraus resultiert dann eine Bewegung der Flüssigkeit in horizontaler Richtung.
  • Dadurch ist erfindungsgemäß eine deutlich erhöhte Flexibilität bei der Verwendung der Fluid-Transport-Vorrichtung für verschiedene Anwendungen geschaffen.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 10 eine Sensor-Anordnung 1000 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die Sensor-Anordnung 1000 enthält eine Mehrzahl erfindungsgemäßer Fluid-Transport-Vorrichtungen 1001 bis 1007, wobei zwischen jeweils zwei Fluid-Transport-Vorrichtungen ein Sensor-Element 1008 bis 1014 vorgesehen ist. Somit kann zum Beispiel an einem Eingang einer ersten Fluid-Transport-Vorrichtung 1001 ein Fluid eingefüllt werden, durch die erste Fluid-Transport-Vorrichtung 1001 hindurchgeführt werden und somit in das erste Sensor-Element 1008 eingebracht werden. Hier kann ein möglicherweise auftretendes Sensorereignis detektiert werden. Danach wird die Analyselösung mittels der zweiten Fluid-Transport-Vorrichtung 1002 zu einem zweiten Sensor-Element 1009 transportiert, wo ein anderes Sensorereignis detektiert werden kann, usw.
  • Es kann auch ein Teil der Sensor-Elemente 1008 bis 1014 zum Beispiel durch ein Reaktorelement ersetzt werden, in dem eine Analyseflüssigkeit, welche mittels der Fluid-Transport-Vorrichtungen 1001 bis 1007 durch die Sensor-Anordnung 1000 bewegt wird, einer chemischen Reaktion unterzogen wird, indem beispielsweise die Analyselösung mit einer anderen Flüssigkeit (nicht gezeigt in der Figur) gemischt wird, welche andere Flüssigkeit einen chemischen Reaktionspartner zu einer in der ersten Flüssigkeit enthaltenen Substanz aufweisen kann. Mittels der Sensor-Elemente 1008 bis 1014 kann dann auch detektiert, ob und in welchem Umfang eine chemische Reaktion stattgefunden hat, z.B. indem chemische Reaktionsprodukte mittels der Sensor-Elemente 1008 bis 1014 detektiert werden.
  • Auf diese Weise, d.h. mittels gemeinsamen Vorsehens und Koppelns von Fluid-Transport-Vorrichtungen, Fluid-Misch-Vorrichtungen und Sensor-Anordnungen, können komplexe biochemische Behandlungen erfindungsgemäß realisiert werden, zum Beispiel auch eine Polymerasekettenreaktion (PCR), mittels einer geeigneten Kombination aus Fluid-Transport-Vorrichtungen, Sensor-Anordnungen, Fluid-Misch-Vorrichtungen, ggf. ergänzt um zusätzliche andere Komponenten.
  • Mit der Vorrichtung aus 10 wird ein Transport eines Flüssigkeitstropfens in definierten Bahnen über arrayförmig angeordnete Reaktoren unter Verwendung erfindungsgemäßer Fluid-Transport-Vorrichtungen realisiert. In 10 ist ein derartiges Array mit einer Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Hierbei befinden sich die Fluid-Transport-Vorrichtungen 1001 bis 1007 vorzugsweise unterhalb der Flüssigkeits-Kanäle, da speziell zur Ausführung von hochauflösenden Sensoren mit der beschriebenen Technologie eine Verbindung des Sensors mit der Transport-Vorrichtung nicht immer vorteilhaft ist, da so eine Ausbreitung von Oberflächenwellen über die ganze Fläche des Arrays nicht in jedem Fall möglich ist. Die Präparation von Sensoren mit Fängermolekülen für eine spätere Reaktion mit Targetmolekülen nach dem obigen Verfahren ist möglich.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend aus 11 eine Fluid-Misch-Vorrichtung 1100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Der Aufbau der Fluid-Misch-Vorrichtung 1100 ähnelt in wesentlichen Teilen der in 1 gezeigten Fluid-Transport-Vorrichtung 100, wobei mittels eines Oszillator-Schaltkreises 1101 ein Wechselsignal zwischen die erste Metallschicht 103 und die zweite Metallschicht 105 angelegt wird. Mit der Fluid-Misch-Vorrichtung 1100 können zwei Reagenzien (zum Beispiel zum Durchführen einer chemischen Reaktion) gemischt werden. Hierbei werden die beiden Reagenzien in zwei Kanälen an ein Reaktorelement herangeführt. Dabei kommt es durch eine ausreichend hohe Geschwindigkeit der zu mischenden Fluide beim Aufeinandertreffen zu Turbulenzen in dem Gemisch, was eine effiziente und vor allem schnelle Durchmischung gewährleistet.
  • In 12 ist eine Draufsicht der Fluid-Misch-Vorrichtung 1100 aus 11 gezeigt.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 13 eine Sensor-Anordnung 1300 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die Sensor-Anordnung 1300 ist gebildet aus einer erfindungsgemäßen Fluid-Transport-Vorrichtung (nicht gezeigt in der Figur), wobei mittels der Fluid-Transport-Vorrichtung entlang eines ersten Injektionskanals 1301 ein Fluid transportiert werden kann. In einem zweiten Injektionskanal 1302 ist eine zweite Flüssigkeit enthalten. Der erste Injektionskanal 1301 und der zweite Injektionskanal 1302 kreuzen sich in einem Kreuzungsbereich, wobei in dem Kreuzungsbereich die Flüssigkeiten in den beiden Injektionskanälen 1301, 1302 zusammentreffen. Bei Durchpumpen einer Elektrolytlösung durch den ersten Injektionskanal 1301 wird ein in dem Kreuzungsbereich befindlicher Teil einer Analyselösung des zweiten Injektionskanals 1302 von der Bewegung der Elektrolytlösung mitgerissen und wird entlang des zweiten Injektionskanals 1302 einem Sensor-Element (nicht gezeigt in der Figur) zugeführt, wo eine definierte Menge der abgezweigten Analyseflüssigkeit untersucht und ein Sensorereignis detektiert werden kann.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 14, 15 eine Fluid-Misch-Vorrichtung 1400 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die in 14 gezeigte Fluid-Misch-Vorrichtung 1400 ist von ihrem Aufbau her ähnlich wie die in 1 gezeigte Fluid-Transport-Vorrichtung 100.
  • Wie in der Draufsicht 1500 aus 15 gezeigt, können zum Mischen zweier Fluide Wirbel erzeugt werden, so dass eine besonders gute Durchmischung der beiden Flüssigkeiten ermöglicht ist. Anders ausgedrückt ist in 14, 15 ein Verfahren zum Bewegen von Flüssigkeiten auf einer Sensoroberfläche gezeigt, womit eine Beschleunigung von ansonsten diffusionsbegrenzten Reaktionen an der Sensoroberfläche erfolgt.
  • In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
    • [1] DE 19944452 A1
    • [2] DE 10113254 A1
    • [3] WO 01/94017 A1
    • [4] WO 02/057014 A1
    • [5] WO 02/085520 A2
    • [6] WO 02/064821 A2
    • [7] WO 03/012389 A2
    • [8] WO 03/018181 A1
    • [9] WO 02/082053 A2
    • 100
    Fluid-Transport-Vorrichtung
    101
    Silizium-Chip
    102
    Reflexions-Schichtenfolge
    103
    erste Metallschicht
    104
    piezoelektrische Schicht
    105
    zweite Metallschicht
    106
    erster Anschluss
    107
    zweiter Anschluss
    111
    erste Durchkontaktierung
    112
    zweite Durchkontaktierung
    113
    Isolationsstruktur
    114
    dritte Durchkontaktierung
    115
    vierte Durchkontaktierung
    120
    Draufsicht
    200
    Fluid-Transport-Vorrichtung
    201
    Sackloch-Hohlraum
    400
    Fluid-Transport-Vorrichtung
    401
    Durchgangsloch-Hohlraum
    600
    Fluid-Transport-Vorrichtung
    601
    Kompartimentierung
    602
    Analyselösung
    700
    Isolationsbegrenzung
    701
    integrierter Steuer-Schaltkreis
    702
    Bewegungsrichtung
    703
    erste Metallschicht-Teilbereiche
    704
    zweite Metallschicht-Teilbereiche
    800
    Fluid-Transport-Vorrichtung
    801
    Bewegungsrichtung
    900
    erstes Diagramm
    901
    Abszisse
    902
    Ordinate
    910
    zweites Diagramm
    911
    Abszisse
    912
    Ordinate
    1000
    Sensor-Anordnung
    1001
    erste Fluid-Transport-Vorrichtung
    1002
    zweite Fluid-Transport-Vorrichtung
    1003
    dritte Fluid-Transport-Vorrichtung
    1004
    vierte Fluid-Transport-Vorrichtung
    1005
    fünfte Fluid-Transport-Vorrichtung
    1006
    sechste Fluid-Transport-Vorrichtung
    1007
    siebte Fluid-Transport-Vorrichtung
    1008
    erstes Sensor-Element
    1009
    zweites Sensor-Element
    1010
    drittes Sensor-Element
    1011
    viertes Sensor-Element
    1012
    fünftes Sensor-Element
    1013
    sechstes Sensor-Element
    1014
    siebtes Sensor-Element
    1100
    Fluid-Misch-Vorrichtung
    1101
    Oszillator-Schaltkreis
    1200
    Draufsicht
    1300
    Sensor-Anordnung
    1301
    erster Injektionskanal
    1302
    zweiter Injektionskanal
    1303
    Elektrolytlösung
    1304
    Analyselösung
    1400
    Fluid-Misch-Vorrichtung
    1500
    Draufsicht

Claims (15)

  1. Fluid-Transport-Vorrichtung, • mit einem Substrat; • mit einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht auf dem Substrat; • mit einer piezoelektrischen Schicht auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht; • mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht auf der piezoelektrischen Schicht; • mit einem Fluid-Transport-Bereich, entlang welchem ein zugeführtes Fluid bewegbar ist; • mit einer Steuer-Einheit, mittels welcher der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht elektrische Steuer-Signale zuführbar sind, mittels welcher die piezoelektrische Schicht derart anregbar ist, dass auf zugeführtes Fluid eine Kraft zum Bewegen des Fluids entlang des Fluid-Transport-Bereichs erzeugbar ist.
  2. Fluid-Transport-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuer-Einheit derart eingerichtet ist, dass mittels der Steuer-Signale die piezoelektrische Schicht derart anregbar ist, dass auf zugeführtes Fluid eine Kraft zum Bewegen des Fluids entlang des Fluid-Transport-Bereichs in einer Richtung parallel zu der ersten elektrisch leitfähigen Schicht, parallel zu der piezoelektrischen Schicht und parallel zu der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht erzeugbar ist.
  3. Fluid-Transport-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Substrat ein elektronischer Chip ist, in welchem die Steuer-Einheit monolithisch integriert ist.
  4. Fluid-Transport-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Reflexions-Schicht zwischen dem Substrat und der ersten elektrisch leitfähigen Schicht, welche Reflexions-Schicht zum Reflektieren von mittels der piezoelektrischen Schicht generierten Wellen eingerichtet ist.
  5. Fluid-Transport-Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Reflexions-Schicht als akustischer Bragg-Filter mit mindestens zwei Schichten mit unterschiedlichen Werten der Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen realisiert ist.
  6. Fluid-Transport-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem Hohlraum in dem Substrat unterhalb der ersten elektrisch leitfähigen Schicht.
  7. Fluid-Transport-Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher der Hohlraum als in dem Substrat gebildetes • Durchgangsloch oder • Sackloch gebildet ist.
  8. Fluid-Transport-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die erste elektrisch leitfähige Schicht und/oder die zweite elektrisch leitfähige Schicht in eine Mehrzahl von Bereiche aufgeteilt ist oder sind, und wobei die Steuer-Einheit derart eingerichtet ist, dass an jeden Bereich ein separates Steuer-Signal anlegbar ist.
  9. Fluid-Transport-Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Steuer-Einheit derart eingerichtet ist, dass an jeden Bereich der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und/oder der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht ein separates Steuer-Signal derart anlegbar ist, dass die Steuer-Signale zwischen jeweils benachbarten Bereichen gegeneinander um eine vorgebbare Phase verschoben sind.
  10. Fluid-Transport-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher der Fluid-Transport-Bereich mittels • einer Kapillare; • eines Grabens; oder • eines hydrophilen Bereichs, welcher von einem hydrophoben Bereich begrenzt ist, realisiert ist.
  11. Sensor-Anordnung zum Erfassen von in einem Fluid möglicherweise enthaltenen Partikeln, • mit einem Sensor-Element, an dem in Anwesenheit von in einem Fluid möglicherweise enthaltenen Partikeln ein Sensor-Signal generierbar ist; • mit einer Fluid-Transport-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10; • wobei mittels der Fluid-Transport-Vorrichtung zu untersuchendes Fluid zu dem Sensor-Element transportierbar ist, so dass in dem Fluid möglicherweise enthaltene Partikel an dem Sensor-Element erfassbar sind.
  12. Sensor-Anordnung nach Anspruch 11, bei der das Sensor-Element auf und/oder in dem Substrat integriert ist.
  13. Fluid-Misch-Vorrichtung zum Mischen eines ersten Fluids mit einem zweiten Fluid, • mit einer ersten Fluid-Transport-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, der das erste Fluid zuführbar ist; • mit einer zweiten Fluid-Transport-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, der das zweite Fluid zuführbar ist; • mit einem Misch-Bereich, wobei mittels der ersten Fluid-Transport-Vorrichtung das erste Fluid zu dem Misch-Bereich transportierbar ist, wobei mittels der zweiten Fluid-Transport-Vorrichtung das zweite Fluid zu dem Misch-Bereich transportierbar ist, so dass in dem Misch-Bereich erstes Fluid und zweites Fluid mischbar sind.
  14. Fluid-Misch-Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der die erste Fluid-Transport-Vorrichtung und die zweite Fluid-Transport-Vorrichtung auf und/oder in einem gemeinsamen Substrat integriert sind.
  15. Verfahren zum Herstellen einer Fluid-Transport-Vorrichtung, bei dem • eine erste elektrisch leitfähige Schicht auf einem Substrat gebildet wird; • eine piezoelektrische Schicht auf der ersten elektrisch leitfähigen Schicht gebildet wird; • eine zweite elektrisch leitfähige Schicht auf der piezoelektrischen Schicht gebildet wird; • ein Fluid-Transport-Bereich gebildet wird, entlang welchem ein zugeführtes Fluid bewegbar ist; • eine Steuer-Einheit gebildet wird, mittels welcher der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht elektrische Steuer-Signale zuführbar sind, mittels welcher die piezoelektrische Schicht derart anregbar ist, dass auf zugeführtes Fluid eine Kraft zum Bewegen des Fluids entlang des Fluid-Transport-Bereichs erzeugbar ist.
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