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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen
Bauelementes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein mikrofluidisches Bauelement gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 11.
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Aus
der
DE 601 05 979
T2 ist ein mikrofluidisches Bauelement bekannt, das aus
mehreren Polymerschichten gebildet ist. Die Polymerschichten weisen
jeweils eine fluidische Mikrostruktur auf, die einen Mikrokanal
oder ein Reservoir für ein Fluid bildet. Bei dem bekannten
mikrofluidischen Bauelement ist die Mikrostruktur durch die Anwendung
eines abtragend wirkenden Verfahrens in die Polymerschicht eingebracht.
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Neben
dem aus der
DE 601
05 979 T2 bekannten mikrofluidischen Bauelement sind weitere, beispielsweise
als Mikropumpe oder Drucksensor ausgebildete mikrofluidische Bauelemente,
umfassend mehrere mikrostrukturierte Polymerschichten zur Aufnahme,
Speicherung oder Leitung eines Fluids bekannt.
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Die
Anmelderin hat ein hinsichtlich dessen Herstellbarkeit optimiertes
mikrofluidisches Bauelement entwickelt und mit der zum Anmeldezeitpunkt vorliegender
Anmeldung noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 10 2007 046 305.9 zum
Patent angemeldet. Das neu entwickelte mikrofluidische Bauelement
umfasst mehrere mikrostrukturierte Polymerschichten, auf denen mindestens
ein Halbleiterbauelement angeordnet ist.
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Nachteilig
bei sämtlichen vorgenannten Konzepten ist, dass jede Polymerschicht
für sich mikrostrukturiert und beschichtet werden muss,
sodass insofern jede einzelne Polymerschicht näherungsweise
den gleichen Herstellungsaufwand generiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mit minimiertem Aufwand
herstellbares mikrofluidisches Bauelement sowie ein Verfahren zum
vereinfachten Herstellen eines mikrofluidischen Bauelementes vorzuschlagen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und hinsichtlich des mikrofluidischen Bauelementes mit den Merkmalen
des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angeben. In den Rahmen
der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den
Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen
sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale auch
als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar
sein. Ebenso sollen vorrichtungsgemäß offenbarte
Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten
und beanspruchbar sein.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, anstelle mehrerer übereinander
angeordneter, jeweils mit einer Mikrofluidstruktur versehene, Polymerschichten,
sämtliche Mikrofluidstrukturen auf einer einzigen, insbesondere
mittleren, Polymerschicht zu vereinen. Dabei wird unter einer Polymerschicht eine
zumindest zum Teil aus Kunststoff bestehende Schicht verstanden,
die auch aus einem Kompositwerkstoff, beispielsweise aus einer Kunststoff/Metallkombination,
gebildet sein kann. Bei einem nach dem Konzept der Erfindung umgesetzten
Verfahren wird die einzige, mit einer Mikrofluidstruktur versehene Polymerschicht
mit mindestens einem Halbleiterelement und/oder mit mindestens einem
elektronischen Bauelement, wie einem Sensor, einem Aktor, einem Mikrocontroller,
einem Widerstand, etc. versehen. Durch das Vorsehen mindestens eines
Halbleiterbauelementes und/oder eines elektronischen Bauelementes
wird die Funktionalität des erhaltenen mikrofluidischen
Bauelementes erweitert. Bevorzugt handelt es sich bei dem Halbleiterbauelement und/oder
elektronischen Bauelement um ein mit der Mikrofluidstruktur zusammenwirkendes
Element, beispielsweise um einen Steuerchip für eine in
der einzigen mikrofluidisch strukturierten Polymerschicht ausgebildeten
Mikropumpe, um eine Auswerteeinheit für einen mikrofluidischen
Sensor oder um einen Halbleitersensor. Aufgrund der Integration
mindestens eines Halbleiterbauelementes in die einzige, mit einer
Mikrofluidstruktur versehene Polymerschicht können „intelligente” mikrofluidische
Bauelemente auf einfache Weise hergestellt werden, die neben rein
mikrofluidischen Funktionen, wie dem Speichern, Aufnehmen und/oder
Pumpen von Fluiden, vorzugsweise von Flüssigkeiten, zusätzlich
die Funktionalität eines Halbleiterbauelementes und/oder
eines Elektronikbauelementes unternehmen, welches bevorzugt mit der
mikrofluidischen Struktur zusammenwirkt. Bevorzugt handelt es sich
bei der einzigen, eine Mikrofluidstruktur aufweisenden Polymerschicht insgesamt
um die einzige Polymerschicht des mikrofluidischen Bauelementes.
Das Vorsehen lediglich einer, eine Mikrostruktur aufweisenden Polymerschicht kann
auf die mit einem hohen Fertigungsaufwand verbundene Fertigung weiterer
mikrofluidisch strukturierter Polymerschichten verzichtet werden.
Unter einer Mikrofluidstruktur wird im Sinne der Erfindung eine
Oberflächenstruktur und/oder mindestens eine die Polymerschicht
durchsetzende und/oder mindestens eine in der Polymerschicht eingeschlossene Struktur
verstanden, die zur Aufnahme, Speicherung und/oder Weiterleitung
von Fluiden dient. Beispielsweise handelt es sich bei der Mikrofluidstruktur
um einen fluidischen Kanal und/oder ein Fluidreservoir und/oder
eine Fluidkaverne, etc. Dabei kann das Halbleiterelement und/oder
das elektronische Bauelement entweder unmittelbar auf der Polymerschicht oder
auf einer ggf. auf der Polymerschicht vorgesehenen, später
noch zu erläuternden Funktionsschicht angeordnet werden.
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Um
eine von der Umgebung, bis auf später noch zu erläuternde
Zu- und Ableitung für einen fluidischen Anschluss der Mikrofluidstruktur
abgekapselte Mikrofluidstruktur zu erhalten, wird bei einem nach
dem Konzept der Erfindung realisierten Verfahren zum Herstellen
eines mikrofluidischen Bauelementes die Mikrofluidstruktur, insbesondere
zweiseitig, versiegelt.
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Insgesamt
wird durch ein nach dem Konzept der Erfindung umgesetztes Verfahren
eine einfache Möglichkeit zur Herstellung eines „intelligenten” mikrofluidischen
Bauelementes bereitgestellt, bei dem lediglich eine einzige mit
einer Mikrofluidstruktur versehene Polymerschicht vorgesehen werden
muss.
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Wie
eingangs bereits angedeutet, ist es in Weiterbildung der Erfindung
bevorzugt, die Polymerschicht, vorzugsweise vor dem Bestücken,
mit dem mindestens einen Halbleiterelement und/oder mit dem mindestens
einen elektronischen Bauelement partiell oder vollständig
mit mindestens einer Funktionsschicht, vorzugsweise mit mehreren
Funktionsschichten, zu beschichten. Das Halbleiterbauelement und/oder
das elektronische Bauelement können/kann zum Zweck der
Bestückung der Polymerschicht entweder unmittelbar an der
Polymerschicht oder bevorzugt an der Funktionsschicht festgelegt werden.
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Insbesondere
dann, wenn das mindestens eine Halbleiterbauelement und/oder das
mindestens eine elektronische Bauelement im Drahtbondverfahren festgelegt
werden/wird, kann es vorteilhaft sein, zum Schutz des mindestens
einen Halbleiterbauelementes und/oder des mindestens einen elektronischen
Bauelementes, insbesondere zum Schutz der Drahtbonds, mindestens
eine, vorzugsweise ausschließlich eine, Schutzschicht vorzusehen.
So ist es beispielsweise möglich, die Drahtbonds durch
eine Vergelung zu schützen.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die
Mikrostruktur durch zweiseitiges Versiegeln der bestückten
und ggf. beschichteten Mikrofluidstruktur versiegelt wird. Auf diese
Weise wird ein ungewollter Fluidaustritt auf zwei, insbesondere
zueinander parallelen, Seiten des Bauelementes vermieden. Die Versiegelung
kann beispielsweise, wie später noch erläutert
werden wird, durch entsprechende dünne, vorzugsweise laminierfähige, Folien
realisiert werden.
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Ganz
besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die
Polymerschicht, insbesondere vor der Bestückung mit mindestens
einem Halbleiterelement und/oder einem elektronischen Bauelement, mit
einer Metallisierung, insbesondere zur Bildung mindestens einer
Leiterbahn oder mindestens einer Elektrode versehen wird, wobei
die Leiterbahn bzw. die Elektrode bevorzugt zur elektrischen Kontaktierung
des Halbleiterelementes und/oder des elektronischen Bauelementes
dient. Zusätzlich oder alternativ kann an den gewünschten
Stellen eine Schutzschicht auf der Polymerschicht, beispielsweise
aus Siliziumnitrid, und/oder eine biologisch aktive Schicht vorgesehen
werden.
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Zur
Herstellung der Mikrofluidstruktur in der Polymerschicht ist es
bevorzugt, diese unter Verzicht auf einen Ätzprozess durch
Heißprägen und/oder Spritzgießen zu bilden.
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Besonders
zweckmäßig ist es, wenn das mindestens eine Halbleiterelement
und/oder das mindestens eine elektronische Bauelement im so genannten,
niedrig bauenden Flipchip-Verfahren festgelegt wird. Zusätzlich
oder alternativ können Elemente im Drahtbondverfahren oder
im Klebeverfahren entweder unmittelbar oder nur mittelbar an der Polymerschicht
festgelegt werden.
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Wie
zuvor bereits angedeutet, ist es besonders bevorzugt, die Mikrofluidstruktur
mit einer Folie, insbesondere mit Heißsiegelfolie, und/oder
Laminierfolie zu versiegeln. Dabei ist es ganz besonders bevorzugt,
wenn die Folie an zwei voneinander abgewandten, vorzugsweise parallelen,
Seiten auf die ggf. beschichtete, bestückte Polymerschicht
aufgebracht wird. Die Siegelfolie soll derart ausgewählt
werden, dass sie die entsprechend benötigten Eigenschaften bezüglich
Medienresistenz, Temperaturfestigkeit und Oberflächenaktivierung
besitzt. Zum Anschluss der Mikrofluidstruktur nach außen
ist es besonders bevorzugt, Siegelfolien einzusetzen, die sich leicht
mit Nadeln zur Herstellung eines fluidischen Anschlusses durchstechen
lassen. Bei der Versiegelung sollte darauf geachtet werden, dass
entsprechende elektrische Anschlüsse für das mindestens
eine Halbleiterelement und/oder das elektronische Bauelement ausgespart
werden. Die Folien können beispielsweise mit Klebstoff,
der vorzugsweise im Siebdruck aufgebracht wird, versehen und anschließend
festgelegt werden. Auch ist es möglich, die laminierfähigen
Folien mittels Laserschweißen festzulegen.
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Das
beschriebene Verfahren eignet sich besonders bevorzugt zur gleichzeitigen
Herstellung mehrerer, vorzugsweise identischer, mikrofluidischer Bauelemente
in einem sogenannten Reel-to-Reel-Prozess, wobei in diesem Fall
mehrere, vorzugsweise einstückig ausgebildete, mit jeweils
einer Mikrofluidstruktur versehene Polymerschichtabschnitte nebeneinander
angeordnet und wie zuvor beschrieben bestückt, ggf. beschichtet
und versiegelt werden.
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Bevorzugt
sollte am Ende des Herstellungsprozesses mindestens ein fluidischer
Anschluss der Mikrostruktur nach außen realisiert werden.
Hierzu kann eine Siegelfolie beispielsweise zunächst mit mindestens
einer Nadel durchstochen werden. Alternativ können vorgestanzte
Löcher in der Folie angeschlossen werden. Die in der Folie
vorzusehenden, insbesondere gestanzten oder gestochenen, Löcher können
sich so wohl auf einer Oberseite als auch auf einer Unterseite oder
auf Ober- und Unterseiten befinden. Zusätzlich oder alternativ
ist es möglich, seitliche, in der Polymerschicht vorgesehene
Anschlüsse für einen fluidischen Anschluss zu
nutzen.
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Die
Erfindung führt auch auf ein mikrofluidisches Bauelement,
das bevorzugt wie zuvor beschrieben hergestellt ist. Das mikrofluidische
Bauelement zeichnet sich durch eine einzige mit einer Mikrofluidstruktur
versehene Polymerschicht aus, die zudem noch mit mindestens einem
Halbleiterelement und/oder mit mindestens einem elektronischen Bauelement
bestückt ist. Zur Gewährleistung der Funktionsfähigkeit
der Mikrofluidstruktur ist diese nach außen hin versiegelt.
Ganz besonders bevorzugt befinden sich das mindestens eine Halbleiterbauelement und/oder
das mindestens eine elektronische Bauelement innerhalb dieser Versiegelung,
wobei vorzugsweise elektrische Anschlüsse bzw. Kontakte
von der Versiegelung ausgespart sind, um das Halbleiterelement und/oder
das elektronische Bauelement elektrisch von außen zu kontaktieren.
Unter einer bestückten, mit einer Mikrofluidstruktur versehenen
Polymerschicht wird auch eine Polymerschicht verstanden, bei der
das mindestens eine Halbleiterelement und/oder das mindestens eine
elektronische Bauelement die Polymerschicht nicht unmittelbar, sondern nur
mittelbar über eine Funktionsschicht, insbesondere eine
Metallisierung, kontaktiert.
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Weitere
Ausgestaltungsmöglichkeiten des mikrofluidischen Bauelementes
ergeben sich, zumindest implizit, aus der vohergehenden Beschreibung des
Herstellungsverfahrens, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen
auf die Verfah rensausführungen zur Fortbildung des mikrofluidischen
Bauelementes verwiesen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 eine
mit einer Mikrofluidstruktur versehene Polymerschicht,
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2 mehrere
einstückig ausgebildete, nebeneinander angeordnete, jeweils
mit einer Mikrofluidstruktur versehene Polymerschichten,
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3 die
in 1 gezeigte, mit Funktionsschichten versehene Polymerschicht,
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4 die
in 3 gezeigte Polymerschicht nach der Bestückung
mit Halbleiterelementen und/oder elektronischen Bauelementen,
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5 die
in 4 gezeigte Polymerschicht nach einem Siegelprozess
und
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6 das
nahezu fertige mikrofluidische Bauelement vor der fluidischen Kontaktierung.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen
Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine einzige Polymerschicht 1 aus einem geeigneten Kunststoff
oder Kunststoff-Komposit, beispielsweise einem zuvor metallisierten
Kunststoff oder einem Kunststoff-Schichtsystem gezeigt. Die Polymerschicht 1 ist
mit einer schematisch dargestellten Mikrofluidstruktur 2 versehen, die
bei der Herstellung der Polymerschicht 1 im Heißprägeverfahren
oder im Spritzguss einbringbar ist.
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In 2 ist
eine Polymerschicht 1 gezeigt, die aus mehreren nebeneinander
angeordneten, jeweils mit einer Mikrofluidstruktur 2 versehenen
Polymerschichtabschnitten 3 gebildet ist, wobei die Polymerschichtabschnitte 3 einstückig
auf einem Siliziumwafer ausgebildet sind. Eine in 2 gezeigte, aus
mehreren nebeneinander angeordneten Polymerschichtabschnitten 3 gebildete
Polymerschicht 1 eignet sich für die Herstellung
einer Vielzahl gleicher mikrofluidischer Bauelemente in einen so
genannten Reel-to-Reel-Prozess.
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Im
Folgenden wird nicht der Reel-to-Reel-Prozess, sondern die Herstellung
eines einzelnen mikrofluidischen Bauelementes beschrieben, wobei der
Reel-to-Reel-Prozess durch eine gleichzeitige Anwendung des beschriebenen
Verfahrens auf die Vielzahl von Polymerschichtabschnitte 3 gemäß 2 auszeichnet.
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In 3 ist
die Polymerschicht 1 mit einer Mikrofluidstruktur 2 nach
Vollendung eines weiteren Verfahrensschrittes gezeigt. Zu erkennen
ist, dass die Polymerschicht 1, genauer die Mikrofluidstruktur 2,
mit unterschiedlichen Funktionsschichten 4, 5 beschichtet
ist, wobei es sich bei der mit dem Bezugszeichen 4 gekennzeichneten
Funktionsschicht beispielsweise um eine bioaktive Schicht und bei
den mit dem Bezugszeichen 5 gekennzeichneten Funktionsschichten
um Metallisierungen handelt.
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In 4 ist
die Polymerschicht 1 nach einem weiteren Herstellungsschritt
gezeigt. Zu erkennen ist, dass auf den Funktionsschichten 5 (Metallisierungen)
ein als Mikrochip ausgebildetes Halbleiterelement 6 sowie
ein elektronisches Bauelement 7, hier im Flipchip-Verfahren,
festgelegt sind. Ggf. können das Halbleiterelement 6 und
das elektronische Bauelement 7 mit einer Schutzschicht,
beispielsweise einer Gelschicht (nicht gezeigt), geschützt
werden.
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In 5 ist
das bis auf fluidische Anschlüsse fertige mikrofluidische
Bauelement 8 gezeigt. Dieses umfasst die einzige, mit einer
Mikrofluidstruktur 2 versehene Polymerschicht 1,
die mit den zuvor erläuterten Funktionsschichten 4, 5 sowie
mit einem Halbleiterelement 6 sowie einem weiteren elektronischen Bauelement 7 versehen
ist. Zu erkennen ist, dass die mikrofluidische Struktur an zwei
voneinander abgewandten Seiten 9, 10, d. h. in
der Zeichnungsebene unten sowie in der Zeichnungsebene oben, nach
außen hin mit jeweils einer siegelfähigen Folie 11 versiegelt
ist.
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In 6 ist
der letzte Verfahrensschritt zur Fertigstellung des mikrofluidischen
Bauelementes 8 gezeigt. Zu erkennen ist, dass mit Hilfe
von schematisch angedeuteten Hohl nadeln 12 fluidische Anschlusslöcher
in die als Versiegelung dienende Folie 11 auf der Oberseite
eingebracht werden. Zusätzlich oder alternativ können
auch fluidische Anschlusslöcher in der in der Zeichnungsebene
unteren Folie vorgesehen werden. Für den Fall, dass keine
induktive Einkopplung von elektrischer Energie bzw. Auskopplung
von Signalen möglich ist, können in der Folie 11 nicht
gezeigte Aussparungen für elektrische Anschlüsse
für das Halbleiterbauelement und das elektronische Bauelement 7 vorgesehen
werden. Alternativ zu dem Stechen von Anschlusslöchern
mit Hilfe der Hohlnadeln 12 können in mindestens
einer Folie und/oder seitlich in die Polymerschicht 1 eingebrachte
Löcher fluidisch angeschlossen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 60105979
T2 [0002, 0003]
- - DE 102007046305 [0004]