DE102004058214B4 - Microfluidic module with microfluidic channel structure and method for its production - Google Patents

Microfluidic module with microfluidic channel structure and method for its production Download PDF

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Abstract

Mikrofluidikmodul mit einer Gehäusestruktur (22), in der eine geschlossene mikrofluidische Kanalstruktur (18) ausgebildet ist, wobei die Gehäusestruktur (22) aus einer Verbundkeramik besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundkeramik einen Anteil Polymerkeramik (23) und einen Anteil Füllstoff (15) enthält, wobei der Füllstoff herstellungsbedingt eine Volumenvergrößerung erfahren hat und der Anteil des Füllstoffes im Verhältnis zum Anteil der Polymerkeramik so bemessen ist, dass die herstellungsbedingte Schwindung der Polymerkeramik genau ausgeglichen ist.Mikrofluidikmodul with a housing structure (22), in which a closed microfluidic channel structure (18) is formed, wherein the housing structure (22) consists of a composite ceramic, characterized in that the Composite ceramic a share polymer ceramic (23) and a share filler (15) contains the filler production-related has experienced an increase in volume and the Proportion of filler in relation to the proportion of polymer ceramic is such that the manufacturing Shrinkage of the polymer ceramic is exactly balanced.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrofluidikmodul mit einer Gehäusestruktur, in der eine geschlossene mikrofluidische Kanalstruktur ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer Gehäusestruktur für ein Mikrofluidikmodul, wobei in der Gehäusestruktur eine mikrofluidische Kanalstruktur mit Abmessungen im μm-Bereich (d. h. kleiner als 1 mm) ausgebildet wird.The The invention relates to a microfluidic module with a housing structure, formed in a closed microfluidic channel structure is. Furthermore, the invention relates to a method for producing a housing structure for a Microfluidic module, wherein in the housing structure a microfluidic Channel structure with dimensions in the μm range (i.e., less than 1 mm) is formed.

Ein Mikrofluidikmodul der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 102 32 721 A1 bekannt. Das Mikrofluidikmodul weist eine Gehäusestruktur auf, die beispielsweise aus Siliziumwafern zusammengesetzt sein kann. In der durch die Silizumwafer gebildeten Trennfuge verläuft eine mikrofluidische Kanalstruktur, so dass diese vor dem Zusammensetzen der Siliziumwafer mittels einer Ätzbehandlung in der geforderten Genauigkeit hergestellt werden kann. Die Gehäusestruktur wird dann mit weiteren die Funktion bestimmenden Bauteilen wie z. B. einem Sensorchip zu dem Mikrofluidikmodul komplettiert. Das Mikrofluidikmodul kann beispielsweise mit einer Trägerplatte verbunden werden, die geeignete Anschlüsse zu einer weiteren mikrofluidischen Kanalstruktur im Trägerbauteil aufweist.A microfluidic module of the type mentioned is for example from the DE 102 32 721 A1 known. The microfluidic module has a housing structure, which may be composed, for example, of silicon wafers. A microfluidic channel structure extends in the parting line formed by the silicon wafers so that it can be produced before the assembly of the silicon wafers by means of an etching treatment in the required accuracy. The housing structure is then with other function determining components such. B. completes a sensor chip to the microfluidic module. The microfluidic module can be connected, for example, to a carrier plate which has suitable connections to a further microfluidic channel structure in the carrier component.

Ein anderes Mikrofluidikmodul ist in der US 5,961,932 A beschrieben. Dieses Mikrofluidmodul weist einen Aufbau aus mehreren keramischen Lagen auf, wobei diese mit mikrofluidischen Strukturen hergestellt werden. Die Schwindung bei der Sinterungsbehandlung der keramischen Lagen wird dahingehend be rücksichtigt, dass die mikrofluidischen Strukturen 20 bis 50 % größer als in ihrem Endzustand hergestellt werden.Another microfluidic module is in the US 5,961,932 A described. This microfluidic module has a construction of a plurality of ceramic layers, wherein these are produced with microfluidic structures. The shrinkage in the sintering treatment of the ceramic layers is taken into account that the microfluidic structures are made 20 to 50% larger than in their final state.

Gemäß der DE 41 20 833 C2 ist weiterhin beschrieben, dass Polymerkeramiken mit Füllstoffen wie Glasfasern, Glaskugeln, SiO2, Al2O3 oder SiC hergestellt werden können.According to the DE 41 20 833 C2 is further described that polymer ceramics with fillers such as glass fibers, glass beads, SiO 2 , Al 2 O 3 or SiC can be produced.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Mikrofluidikmodul mit einer mikrofluidischen Kanalstruktur anzugeben, welches sich einfach mit der geforderten Genauigkeit herstellen lässt. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein hierzu geeignetes Herstellungsverfahren anzugeben.The The object of the invention is to provide a microfluidic module with a Specify microfluidic channel structure, which is easy with the required accuracy can be produced. Moreover, it is an object of the invention to specify a suitable manufacturing process.

Die erstgenannte Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Mikrofluidikmodul erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Gehäusestruktur aus einer Verbundkeramik besteht, enthaltend einen Anteil Polymerkeramik und einen Anteil Füllstoff, der die herstellungsbedingte Schwindung des Polymerwerkstoffes ausgleicht. Die Eigenschaften der Verbundkeramik ermöglichen damit erfindungsgemäß den Einsatz eines keramischen Werkstoffes zur Herstellung eines Mikrofluidikmoduls, bei dem die in der Mikrotechnik üblichen hohen Anforderungen an die Genauigkeit bestehen. Die hohe Genauigkeit ist bei mikrofluidischen Anwendungen erforderlich, da bereits kleine Toleranzabweichungen die fluidischen Verhältnisse in der Kanalstruktur verändern würden, was sofort zu einer Funktionsbeeinträchtigung des Mikrofluidikmoduls führen würde.The the first mentioned object is in the aforementioned microfluidic module according to the invention thereby solved, that the case structure consists of a composite ceramic containing a proportion of polymer ceramic and a proportion of filler, which compensates for the production-related shrinkage of the polymer material. The properties of the composite ceramic thus enable the use according to the invention a ceramic material for producing a microfluidic module, in which the usual in microtechnology high accuracy requirements. The high accuracy is required for microfluidic applications, since even small ones Tolerance deviations the fluidic conditions in the channel structure change would which immediately leads to a functional impairment of the microfluidic module to lead would.

Daher sind keramische Werkstoffe für die Erzeugung von Mikrofluidikodulen bisher nicht zum Einsatz gekommen, da bei der herstellungsbedingten Wärmebehandlung (Sintern) des die Gehäusestruktur des Mikrofluidikmoduls bildenden Rohlings (auch Grünling genannt) Materialschwindungen auftreten, die die Maßhaltigkeit der erzeugten Bauteile beeinträchtigen und somit eine Anwendung bei hohen Toleranzanforderungen an das zu erzeugende Bauteil nicht ermöglichen.Therefore are ceramic materials for the production of microfluidic modules has not been used so far, because in the production-related heat treatment (sintering) of the housing structure of the microfluidic module forming blank (also called green body) Material shrinkage occur that affects the dimensional accuracy of the components produced impair and thus an application with high tolerance requirements to the do not allow to be generated component.

Bei Verbundkeramiken sorgt jedoch ein reaktiver Füllstoff während der Wärmebehandlung dafür, dass einer Schrumpfung des zu erzeugenden Bauteils entgegengewirkt wird. Der Volumenverlust der erzeugten Keramik, der bei Polymerkeramiken besonders hoch ist, wird durch den reaktiven Füllstoff derart ausgeglichen, dass dieser während der Reaktion eine Volumenzunahme erfährt. Durch geeignete Einstellung der Anteile der Polymerkeramik und des Füllstoffs in der Verbundkeramik kann erreicht werden, dass die Schwindung der Polymerkeramik und die Volumenzunahme des Füllstoffes sich gerade die Waage halten, was die Maßhaltigkeit des zu erzeugenden Bauteils gewährleistet (endkonturnahe Herstellung).at However, composite ceramics provide a reactive filler during the heat treatment for that a shrinkage of the component to be produced is counteracted. The volume loss of the produced ceramic, the polymer ceramics is particularly high, is compensated by the reactive filler so that this while the reaction experiences an increase in volume. By suitable adjustment the proportions of the polymer ceramic and the filler in the composite ceramic can be achieved that the shrinkage of the polymer ceramic and the Volume increase of the filler just keep the balance, what the dimensional accuracy of the produced Ensured component (near net shape production).

Das Mikrofluidikmodul aus der Verbundkeramik hat zusätzlich den Vorteil, dass das Material der Verbundkeramik eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl von Reagenzien aufweist, so dass das Mikrofluidikmodul für eine breite Anwendung geeignet ist. Insbesondere lassen sich für chemisch besonders problematische Anwendungsfälle Zusammensetzungen der Verbundkeramik maßschneidern, die das Material auch in diesen Fällen einsetzbar machen. Bei mikrofluidischen Anwendungen ist die chemische Beständigkeit des Gehäusematerials nämlich von besonderer Bedeutung, da ein Abtrag des Gehäusematerials aufgrund von Korrosionserscheinungen die Maßhaltigkeit der Anwendung beeinträchtigt, so dass selbst bei einer absolut gesehen geringen Abtragungsrate die Anwendung aufgrund der engen Toleranzanforderungen im Vergleich zu „makroskopischen" Anwendungen schnell zum unbrauchbar werden der mikrofluidischen Anwendung führt.The Microfluidic module made of composite ceramic has the additional advantage that the Composite ceramic material has a high chemical resistance to one Having a plurality of reagents, so that the microfluidic module for one wide application is suitable. In particular, can be used for chemical particularly problematic applications composites of composite ceramics tailor, which make the material usable also in these cases. at Microfluidic applications is chemical resistance of the housing material namely Of particular importance, since a removal of the housing material due to corrosion phenomena the dimensional stability the application is impaired, so even with an absolutely low ablation rate the application in comparison due to the tight tolerance requirements to "macroscopic" applications fast to become useless the microfluidic application leads.

Gemäß einer Ausgestaltung des Mikrofluidikmoduls ist vorgesehen, dass in die Gehäusestruktur ein Einsatzteil eingebettet ist. Hierin liegt ein weiterer Vorteil der Anwendung eines keramischen Werkstoffes, der es ermöglicht den Gehäuserohling urformtechnisch herzustellen. Dieses Fertigungsverfahren ermöglicht damit die kostengünstige und einfache Einbettung von Einsatzteilen im Fertigungsprozess. Die Einsatzteile (beispielsweise eine Sensorsonde) verbessern die für mikrofluidische Anwendungen wichtige Funktionsintegration von Bauteilen, die der angestrebten Miniaturisierung vorteilhaft zugute kommt.According to one embodiment of the microfluidic module, it is provided that an insert part is embedded in the housing structure. This is another advantage of using a ceramic Material, which makes it possible to produce the Gehäuserohling urformtechnisch. This manufacturing process thus enables the cost-effective and simple embedding of inserts in the manufacturing process. The insert parts (for example a sensor probe) improve the functional integration of components which is important for microfluidic applications and which advantageously benefits the intended miniaturization.

Eine andere Ausgestaltung des Mikrofluidikmoduls sieht vor, dass in die Gehäusestruktur eine Anschlussstruktur integriert ist, die für die mikrofluidische Kanalstruktur eine Schnittstelle für Anschlussbauteile mit Abmessungen oberhalb von mikrofluidischen Dimensionen bildet. Dies bedeutet, dass das Mikrofluidikmodul ohne Probleme an „makroskopische" Fluidikanwendungen angeschlossen werden kann, Dabei lässt sich die Anschlussstruktur, welche beispielsweise aus einem Verbindungsstutzen bestehen kann, vorteilhaft in einem Schritt mit den mikrofluidischen Strukturen des Mikrofluidikmoduls herstellen. Bei dem Fertigungsverfahren entfällt damit der Aufwand, eventuell nach unterschiedlichen Verfahren hergestellte Funktionseinheiten zusammenzusetzen, wodurch der Fertigungsaufwand vorteilhaft weiter verringert wird. Außerdem verringert sich die Anzahl notwendiger Dichtstellen, wodurch vorteilhaft die Funktionszuverlässigkeit des Mikrofluidikmoduls verbessert werden kann. Als Abmessungen oberhalb mikrofluidischer Dimensionen werden Abmessungen von Fluidikkomponenten wie zum Beispiel Leitungen, O-Ring, Bajonettverschlüsse, Verschraubungen usw. verstanden, deren Abmessungen größer als 1 mm sind.A Another embodiment of the microfluidic module provides that in the housing structure a connection structure is integrated, which is responsible for the microfluidic channel structure an interface for Connection components with dimensions above microfluidic Dimensions forms. This means that the microfluidic module without Problems with "macroscopic" fluidic applications can be connected, while the connection structure, which may for example consist of a connecting piece, advantageous in one step with the microfluidic structures of the microfluidic module. In the manufacturing process thus eliminates the Effort, possibly produced by different methods Assemble functional units, reducing the manufacturing cost advantageous further reduced. In addition, the number decreases necessary sealing points, which advantageously the functional reliability of the microfluidic module can be improved. As dimensions above microfluidic Dimensions become dimensions of fluidic components such as Wires, O-ring, bayonet, fittings, etc. understood, their dimensions are larger than 1 mm are.

Die auf das Verfahren bezogene Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das eingangs genannte Verfahren gelöst, indem ein Gehäuserohling mit den Abmessungen der zu erzeugenden Gehäusestruktur aus einer Mischung von zur Herstellung einer Polymerkeramik geeigneten Polymeren und einem reaktiven Füllstoff gefertigt wird und der Gehäuserohling einer Wärmebehandlung unterzogen wird, bei der die Polymere unter Verringerung ihres Volumens in die Polymerkeramik umgewandelt werden und der reaktive Füllstoff unter Vergrößerung seines Volumen reagiert, wobei die jeweiligen Anteile der Polymere und des Füllstoffes so bemessen sind, dass die Volumenänderungen von Polymeren und Füllstoff sich ausgleichen. Wie bereits erläutert, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von Gehäusestrukturen von Mikrofluidikmodulen, die vergleichsweise maßhaltig sind und in denen sich nur geringe fertigungsbedingte Spannungen aufbauen.The on the method-related object is achieved by the aforementioned method solved by a Gehäuserohling with the dimensions of the housing structure to be generated from a mixture of polymers suitable for the production of a polymer ceramic and a reactive filler is made and the Gehäuserohling a heat treatment undergoes at which the polymers reduce their volume converted into the polymer ceramic and the reactive filler under magnification of his Volume reacts, with the respective proportions of the polymers and the filler are dimensioned so that the volume changes of polymers and filler compensate. As already explained, the method according to the invention makes it possible the production of housing structures Microfluidic modules that are relatively dimensionally stable and in which build up only low production-related voltages.

Die für Polymerkeramik geeigneten Polymere werden auch als präkeramische Polymere bezeichnet und bestehen beispielsweise aus Polycarbosilanen, Polysilazanen und Polysiloxanen. Durch die Wärmebehandlung zersetzen sich diese Polymere (Pyrolyse), wobei die Polymerkeramik entsteht. Die Füllstoffe, die die Schwindung des polymerkeramischen Endproduktes ausgleichen, können beispielsweise karbid-, nitrid- oder oxidbildende Elemente oder Verbindungen sein (Ti, Al, B, Si, CrSi2, MoSi2, CrSi, Al2O3, SiC). Durch geeignete Wahl der Füllstoffe und der präkeramischen Polymere lassen sich die Verbundkeramiken zum Einsatz im Mikrofluidikkanal an den gegebenen Anwendungsfall anpassen. Dabei kann zum Beispiel die geforderte Resistenz gegen die in der mikrofluidischen Kanalstruktur geleiteten Fluide Berücksichtigung finden.The polymers suitable for polymer ceramics are also referred to as preceramic polymers and consist for example of polycarbosilanes, polysilazanes and polysiloxanes. Due to the heat treatment, these polymers decompose (pyrolysis) to form the polymer ceramic. The fillers which compensate for the shrinkage of the polymer-ceramic end product can be, for example, carbide-, nitride- or oxide-forming elements or compounds (Ti, Al, B, Si, CrSi 2 , MoSi 2 , CrSi, Al 2 O 3 , SiC). By suitable choice of the fillers and the preceramic polymers, the composite ceramics for use in the microfluidic channel can be adapted to the given application. In this case, for example, the required resistance to the fluids conducted in the microfluidic channel structure can be taken into account.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Herstellung des Gehäuserohlings in Spritzgießtechnik. Da sich die präkeramischen Polymere vor der Wärmebehandlung wie Polymere verarbeiten lassen, stellt das Spritzgießen vorteilhaft eine kostengünstige Herstellungsmöglichkeit für die Gehäuserohlinge des Mikrofluidikmoduls dar, welche auch eine wirtschaftliche Großserienfertigung ermöglicht.According to one special embodiment of the method according to the invention is carried out Production of the housing blank In injection molding. Because the preceramic Polymers before heat treatment How to process polymers, the injection molding advantageous a cost-effective production feasibility for the housing blanks the microfluidic module, which is also an economical mass production allows.

Die Herstellung in Spritzgießtechnik ermöglicht es vorteilhafterweise auch, ein Einsatzteil in den Gehäuserohling ein zuspritzen. Dieses kann zusätzliche Funktionen des Mikrofluidikmoduls übernehmen (wie bereits erläutert).The Production by injection molding allows it also advantageously, an insert in the Gehäuserohling to inject one. This may be additional Functions of the microfluidic module take over (as already explained).

Außerdem ist es vorteilhaft, den Gehäuserohling im Mehrkomponentenspritzgießverfahren herzustellen, wenn durch unterschiedliche Materialien des Gehäuserohlings besondere Bauteileigenschaften erfüllt werden sollen (beispielsweise elektrisch leitende Bereiche). Die verschiedenen Bereiche werden bei der Wärmebehandlung dann zu einem Gehäusebauteil innig verbunden, welches dadurch vorteilhaft optimal an das Anforderungsprofil des Mikrofluidikmoduls angepasst werden kann.Besides that is it is beneficial to use the housing blank in the multi-component injection molding process, if due to different materials of the housing blank special component properties Fulfills to be (for example, electrically conductive areas). The different areas then become one during the heat treatment housing component intimately connected, which thereby advantageously optimally to the requirements of the Microfluidic module can be adjusted.

Alternativ kann die Formgebung des Gehäuserohlings auch durch ein Heißprägewerkzeug erfolgen. Hierdurch können vorteilhaft beispielsweise Halbzeuge aus den präkeramischen Polymeren mit einer Oberflächenstrukturierung versehen werden, die der Funktion des zu erzeugenden Mikrofluidikmoduls dient.alternative can the shaping of the housing blank also by a hot stamping tool respectively. This allows For example, advantageously semi-finished products from the preceramic polymers with a surface structuring be provided, the function of the microfluidic module to be generated serves.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens ist es auch möglich, dass aus einem Halbzeug mit einer dem Material des Gehäuserohlings verwandten Zusammensetzung ein Zusatzbauteil gefertigt wird, der Gehäuserohling mit dem Zusatzbauteil ergänzt wird und der Gehäuserohling der Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei sich zwischen dem Zusatzbauteil und dem restlichen Gehäuserohling eine innige Verbindung ausbildet. Damit können vorteilhaft aus Halbzeugen gewonnene Funktionselemente mit dem das Grundbauteil bildenden Gehäuserohling verbunden werden, wobei sich während des Wärmebehandlungsprozesses ein einteiliges Bauteil ausbildet. Hierdurch können bestimmte Bauteile wie zum Beispiel Membranen, an die besonders hohen Anforderungen hinsichtlich Fertigungsgenauigkeit gestellt werden, aus geeigneten Halbzeugen hergestellt wer den, ohne auf die kostengünstige Möglichkeit zu verzichten, den Gehäuserohling selbst im Spritzgießverfahren herzustellen.According to a particular embodiment of the method, it is also possible that from a semifinished product with the material of the housing blank related composition an additional component is made, the housing blank is supplemented with the additional component and the housing blank is subjected to the heat treatment, wherein between the additional component and the remaining housing blank forming an intimate connection. This can advantageously be obtained from semi-finished functional elements with the basic component be joined to the housing blank, wherein during the heat treatment process, a one-piece component is formed. As a result, certain components such as membranes, are made to the particularly high demands in terms of manufacturing accuracy, made of suitable semi-finished who the, without sacrificing the cost-effective way to produce the housing blank itself by injection molding.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder ähnliche Zeichnungselemente sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrmals erläutert, wie sich Abweichungen in den einzelnen Figuren ergeben.Further Details of the invention are described below with reference to the drawing described. Same or similar Drawing elements are provided with the same reference numerals and are only explained several times as far as deviations in the individual figures.

Es zeigen jeweils als SchnittdarstellungIt show each as a sectional view

1 einen Gehäuserohling, welcher zur Herstellung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Mikrofluidikmodules geeignet ist und 1 a housing blank, which is suitable for producing an embodiment of the microfluidic module according to the invention and

2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Mikrofluidikmoduls, welches nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens aus dem Gehäuserohling gemäß 1 hergestellt wurde. 2 An embodiment of the microfluidic module according to the invention, which according to an embodiment of the manufacturing method according to the invention from the housing blank according to 1 was produced.

In 1 ist ein Gehäuserohling 11 für ein zu erzeugendes Mikrofluidikmodul 12 (vgl. 2) dargestellt. Dieses wurde durch Spritzgießen in einer Form hergestellt, deren Unterschale 13 ausschnittweise dargestellt ist, während die Oberschale bereits abgehoben ist und daher nicht dargestellt ist. Der Gehäuserohling besteht aus präkeramischen Polymeren 14 und einem Füllstoff 15, wie der Ausschnittvergrößerung gemäß 1 zu entnehmen ist. Der Füllstoff 15 ist in den als Spritzgießteil ausgeführten Gehäuserohling 11 aus präkeramischen Polymeren 14 eingebettet.In 1 is a housing blank 11 for a microfluidic module to be generated 12 (see. 2 ). This was made by injection molding in a mold whose lower shell 13 is shown in sections, while the upper shell is already lifted and therefore not shown. The housing blank consists of preceramic polymers 14 and a filler 15 as the cutting magnification according to 1 can be seen. The filler 15 is in the running as Spritzgießteil Gehäuserohling 11 from preceramic polymers 14 embedded.

In der Unterschale 13 der Spritzgießform ist eine Aufnahme 16a für einen Kern 17 als Einsatzteil vorgesehen, welcher in dem Gehäuserohling 11 die Ausbildung einer Kavität für eine mikrofluidische Kanalstruktur 18 (vgl. 2) sicherstellt. Weiterhin sind in der Unterschale 13 Aufnahmen 16b vorgesehen, auf denen Dichtringe als Einsatzteile 19 vorläufig fixiert werden können. Diese werden dann in den Gehäuserohling 11 eingespritzt und lösen sich von ihrer vorläufigen Fixierung aus den Aufnahmen 16b, wenn der Gehäuserohling entformt wird.In the lower shell 13 the injection mold is a receptacle 16a for a core 17 provided as an insert, which in the housing blank 11 the formation of a cavity for a microfluidic channel structure 18 (see. 2 ). Furthermore, in the lower shell 13 Recordings 16b provided on which seals as inserts 19 can be provisionally fixed. These are then in the Gehäuserohling 11 injected and dissolve from their provisional fixation from the recordings 16b when the Gehäuserohling is removed from the mold.

In der nicht dargestellten Oberschale des Formwerkzeuges ist ein Schubkern vorgesehen, der bei der Herstellung des Gehäuserohlings 11 in einen Teilbereich 20 eintaucht, wenn die Hauptkomponente des Gehäuserohlings (die das Grundbauteil des Gehäuserohlings bildet) gespritzt wird. Nach Entfernen des Schubkerns kann der Teilbereich 20 mit einer zweiten Komponente einer anderen Zusammensetzung ausgefüllt werden. Weiterhin wird durch die Oberschale eine Aussparung gebildet, in die nach dem Entformen ein Zusatzbauteil 21 eingelegt werden kann, welches aus einer durch präkeramische Polymere gebildeten Folie besteht. Alternativ könnte die Folie auch als Einsatzteil ausgeführt sein (nicht dargestellt), welches in der bereits erläuterten Weise umspritzt wird.In the upper shell of the molding tool, not shown, a pusher core is provided, which in the manufacture of the housing blank 11 into a subarea 20 dips when the main component of the housing blank (which forms the base of the housing blank) is injected. After removing the pusher core, the partial area 20 be filled with a second component of another composition. Furthermore, a recess is formed by the upper shell, in the after demolding an additional component 21 can be inserted, which consists of a film formed by preceramic polymers. Alternatively, the film could also be designed as an insert (not shown), which is overmolded in the manner already explained.

In 2 ist das fertig gestellte Mikrofluidikmodul dargestellt. Dieses weist eine aus dem Gehäuserohling gemäß 1 durch eine Wärmebehandlung (Sintern) hergestellte Gehäusestruktur 22 auf, die die durch den Kern 17 ausgesparte Kanalstruktur 18 beherbergt. Das Material des Kerns ist durch die Wärmebehandlung zersetzt worden, so dass die Kavität der Kanalstruktur 18 freigesetzt wurde. Alternativ kann der Kern auch in einem Ätzschritt mittels eines Ätzmittels bevorzugt nach der Wärmebehandlung entfernt werden. Die Wärmebehandlung besteht aus einem Sinterprozess, wobei sich aus den präkeramischen Polymeren 14 unter Volumenverminderung die Komponente der Polymerkeramik 23 bildet. Der reaktive Füllstoff 15 bildet die andere Komponente, welche aufgrund der Reaktion des Füllstoffes eine Volumenvergrößerung erfährt, die die Volumenverminderung aufgrund der keramischen Reaktion ausgleicht. Beispielsweise kann ein Gehäuserohling aus einer Mischung von 60 Volumenprozent Polysiloxan (SixOyCz) und 40 % Al2O3 bei Sintertemperaturen von 1300 bis 1400°C umgewandelt werden in Al2O3 mit SiO2 und 3 Al2O3 mit 2 SiO2 und SiC.In 2 the completed microfluidic module is shown. This has one of the housing blank according to 1 by a heat treatment (sintering) produced housing structure 22 on that through the core 17 recessed channel structure 18 houses. The material of the core has been decomposed by the heat treatment, leaving the cavity of the channel structure 18 was released. Alternatively, the core may also be removed in an etching step by means of an etchant, preferably after the heat treatment. The heat treatment consists of a sintering process, whereby the preceramic polymers 14 Under volume reduction, the component of the polymer ceramic 23 forms. The reactive filler 15 forms the other component which undergoes an increase in volume due to the reaction of the filler, which compensates for the volume reduction due to the ceramic reaction. For example, a housing blank made of a mixture of 60 volume percent polysiloxane (Si x O y C z ) and 40% Al 2 O 3 can be converted at sintering temperatures of 1300 to 1400 ° C in Al 2 O 3 with SiO 2 and 3 Al 2 O 3 with 2 SiO 2 and SiC.

Durch die Wärmebehandlung ergibt sich aus dem Gehäuserohling eine einteilige Gehäusestruktur, wobei das Zusatzbauteil 21 und der Teilbereich 20 mit der restlichen Gehäusestruktur innig verbunden sind. Das Zusatzbauteil 21 (vgl. 1) bildet eine Membran 24, die sich an eine Messkammer 25 der Kanalstruktur 18 anschließt. An diese Membran kann auf der Außenseite der Gehäusestruktur beispielsweise ein Drucksensor 26 in Siliziumtechnologie (vgl. DE 102 32 721 A1 ) angeschlossen werden. Weiterhin sind Kontaktflächen 27 für einen elektrischen Anschluss auf der Gehäusestruktur vorgesehen, die elektrisch mit dem durch den Teilbereich 20 (vgl. 1) des Gehäuserohlings gebildeten Bereich der Gehäusestruktur elektrisch verbunden sind. Dieser Bereich weist nämlich aufgrund der anderen chemischen Zusammensetzung des Teilbereiches 20 nach der Wärmebehandlung eine elektrische Leitfähigkeit auf, während die restliche Gehäusestruktur als elektrischer Isolator ausgebildet ist. Da der Teilbereich 20 an die Kanalstruktur 18 anschließt, kann der elektrisch leitende Bereich beispielsweise als Temperatursensor oder Heizelement verwendet werden, indem dieser über die Kontaktflächen 27 in geeigneter Weise elektrisch angesteuert wird.By the heat treatment results from the housing blanking a one-piece housing structure, wherein the additional component 21 and the subarea 20 are intimately connected to the rest of the housing structure. The additional component 21 (see. 1 ) forms a membrane 24 , which are connected to a measuring chamber 25 the channel structure 18 followed. To this membrane, for example, a pressure sensor on the outside of the housing structure 26 in silicon technology (cf. DE 102 32 721 A1 ) are connected. Furthermore, contact surfaces 27 provided for an electrical connection on the housing structure, which electrically with the through the subregion 20 (see. 1 ) of the housing blank formed region of the housing structure are electrically connected. This area is due to the different chemical composition of the sub-area 20 after the heat treatment on an electrical conductivity, while the remaining housing structure is formed as an electrical insulator. Because of the subarea 20 to the channel structure 18 connects, the electrically conductive region can be used for example as a temperature sensor or heating element by this over the contact surfaces 27 is electrically controlled in a suitable manner.

Im Bereich der als Dichtungen ausgeführten Einsatzteile 19 bildet die Gehäusestruktur Anschlussstrukturen 28 in Form von Aufnahmeflanschen aus, welche zur Aufnahme von Anschlussbauteilen 29 in Form von Schlauchstutzen dienen. Diese können derart in die Anschlussstruktur 28 eingeführt werden, dass sie mit einer Stirnseite 30 auf den Dichtungen (Einsatzteile 19) zu liegen kommen, wodurch eine Dichtung gewährleistet ist. Die Fixierung der Anschlussbauteile 29 in der Anschlussstruktur 28 kann beispielsweise durch nicht dargestellte Gewinde erfolgen. Das Anschlussbauteil 29 mündet in einen Schlauch 31, wobei über den Schlauch eine Schnittstelle zur „Makrowelt" geschaffen wird. An Stelle einer Verschraubung mit Schläuchen kann das Mikrofluidikmodul auch zur direkten Anbindung an eine Prozesseinrichtung (Kessel, Rohrleitung, Reaktor usw.) mit Abmessungen oberhalb mikrofluidischer Dimensionen vorbereitet werden (nicht dargestellt). Das Mikrofluidikmodul könnte beispielsweise als Gehäusedeckel ausgeführt sein, wobei sich die mikrofluidische Kanalstruktur in das Gehäuseinnere öffnen würde.In the area of inserts designed as seals 19 the housing structure forms connection structures 28 in the form of receiving flanges, which for receiving connection components 29 to serve in the form of hose sockets. These can be so in the connection structure 28 they are introduced with one end face 30 on the seals (insert parts 19 ) come to rest, whereby a seal is guaranteed. The fixation of the connection components 29 in the connection structure 28 can be done for example by threads, not shown. The connection component 29 flows into a hose 31 In addition to a screwed connection with hoses, the microfluidic module can also be prepared for direct connection to a process device (boiler, pipeline, reactor, etc.) with dimensions above microfluidic dimensions (not shown). The microfluidic module could, for example, be designed as a housing cover, with the microfluidic channel structure opening into the housing interior.

Claims (9)

Mikrofluidikmodul mit einer Gehäusestruktur (22), in der eine geschlossene mikrofluidische Kanalstruktur (18) ausgebildet ist, wobei die Gehäusestruktur (22) aus einer Verbundkeramik besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundkeramik einen Anteil Polymerkeramik (23) und einen Anteil Füllstoff (15) enthält, wobei der Füllstoff herstellungsbedingt eine Volumenvergrößerung erfahren hat und der Anteil des Füllstoffes im Verhältnis zum Anteil der Polymerkeramik so bemessen ist, dass die herstellungsbedingte Schwindung der Polymerkeramik genau ausgeglichen ist.Microfluidic module with a housing structure ( 22 ), in which a closed microfluidic channel structure ( 18 ), wherein the housing structure ( 22 ) consists of a composite ceramic, characterized in that the composite ceramic a proportion of polymer ceramic ( 23 ) and a proportion of filler ( 15 ), wherein the filler has experienced an increase in volume due to production and the proportion of the filler in relation to the proportion of the polymer ceramic is so dimensioned that the production-related shrinkage of the polymer ceramic is exactly balanced. Mikrofluidikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gehäusestruktur (22) ein Einsatzteil (19) eingebettet ist.Microfluidic module according to claim 1, characterized in that in the housing structure ( 22 ) an insert part ( 19 ) is embedded. Mikrofluidikmodul nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Gehäusestruktur (22) eine Anschlussstruktur (28) integriert ist, die für die mikrofluidische Kanalstruktur (18) eine Schnittstelle für Anschlussbauteile (29) mit Abmessungen oberhalb mikrofluidischer Dimensionen bildet.Microfluidic module according to one of the preceding claims, characterized in that in the housing structure ( 22 ) a connection structure ( 28 ) that is responsible for the microfluidic channel structure ( 18 ) an interface for connection components ( 29 ) with dimensions above microfluidic dimensions. Verfahren zur Erzeugung einer Gehäusestruktur (22) aus einer Verbundkeramik für ein Mikrofluidikmodul, wobei in der Gehäusestruktur (22) eine geschlossene mikrofluidische Kanalstruktur (18) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Gehäuserohling (11) mit den Abmessungen der zu erzeugenden Gehäusestruktur aus einer Mischung von zur Herstel lung einer Polymerkeramik (23) geeigneten Polymeren und einem reaktiven Füllstoff gefertigt wird und – der Gehäuserohling (11) einer Wärmebehandlung unterzogen wird, bei der die Polymere unter Verringerung ihres Volumens in die Polymerkeramik (23) umgewandelt werden und der reaktive Füllstoff (15) unter Vergrößerung seines Volumens reagiert, wobei die jeweiligen Anteile der Polymere und des Füllstoffes (15) so bemessen sind, dass die Volumenänderungen von Polymeren und Füllstoff sich genau ausgleichen.Method for producing a housing structure ( 22 ) of a composite ceramic for a microfluidic module, wherein in the housing structure ( 22 ) a closed microfluidic channel structure ( 18 ), characterized in that - a housing blank ( 11 ) with the dimensions of the housing structure to be produced from a mixture of for producing a polymer ceramic ( 23 ) suitable polymers and a reactive filler is manufactured and - the housing blank ( 11 ) is subjected to a heat treatment in which the polymers in reducing their volume in the polymer ceramic ( 23 ) and the reactive filler ( 15 ) reacts with an increase in its volume, wherein the respective proportions of the polymers and of the filler ( 15 ) are dimensioned so that the volume changes of polymer and filler exactly balance each other. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Gehäuserohlings (11) in Spritzgießtechnik erfolgt.Method according to claim 4, characterized in that the production of the housing blank ( 11 ) takes place in injection molding. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einsatzteil (19) in den Gehäuserohling (11) eingespritzt wird.Method according to claim 5, characterized in that an insert part ( 19 ) in the housing blank ( 11 ) is injected. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuserohling (11) im Mehrkomponentenspritzgießverfahren hergestellt wird.Method according to one of claims 5 or 6, characterized in that the housing blank ( 11 ) is produced in a multi-component injection molding process. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebung des Gehäuserohlings (11) durch ein Heißprägewerkzeug erfolgt.A method according to claim 4, characterized in that the shape of the housing blank ( 11 ) is done by a hot stamping tool. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – aus einem Halbzeug mit einer dem Material des Gehäuserohlings (11) verwandten Zusammensetzung ein Zusatzbauteil (21) gefertigt wird, – der Gehäuserohling (11) mit dem Zusatzbauteil (21) ergänzt wird und – der Gehäuserohling (11) der Wärmebehandlung unterzogen wird, wobei sich zwischen dem Zusatzbauteil (21) und dem restlichen Gehäuserohling (11) eine innige Verbindung ausbildet.Method according to one of the preceding claims, characterized in that - from a semifinished product with a material of the housing blank ( 11 ) related composition an additional component ( 21 ), - the housing blank ( 11 ) with the additional component ( 21 ) and - the housing blank ( 11 ) is subjected to the heat treatment, wherein between the additional component ( 21 ) and the remaining housing blank ( 11 ) forms an intimate connection.
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