DE102009041325A1 - Microvalve unit for shifting channels in microflow systems, comprises mechanically stiff, plane parallel molded body, which has one or multiple micro channels, which are provided with inlets and outlets - Google Patents

Microvalve unit for shifting channels in microflow systems, comprises mechanically stiff, plane parallel molded body, which has one or multiple micro channels, which are provided with inlets and outlets Download PDF

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Abstract

The microvalve unit (1) comprises a mechanically stiff, plane parallel molded body (2), which has one or multiple micro channels, which are provided with inlets and outlets. A shifting area is provided, which has the shifting ends of the micro channels in a concentric position arrangement. Another molded body (3) is provided, which meshes in the shifting area of the former molded body. The former molded body comprises a manifold made of glass and silicon pile, glass and glass pile or a polymer and polymer pile. The latter molded body is made of polydimethylsiloxane.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikroventileinheit zum Schalten von Kanälen in Mikroflusssystemen.The The invention relates to a microvalve unit for switching channels in microfluidic systems.

Im Stand der Technik sind zahlreiche Mikroventile zum Einsatz in Mikroflusssystemen bekannt. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um Membranventile mit einem Piezoaktor, einem thermisch-elektrischen Antrieb oder mit einem pneumatischen Aktor.in the State of the art are numerous microvalves for use in microfusion systems known. These are essentially diaphragm valves with a piezoelectric actuator, a thermal-electric drive or with a pneumatic actuator.

So offenbart die EP 1 331 997 B1 eine mikrofluidische Durchflussregelvorrichtung, bei der eine elastische Membran über einen Druckunterschied zwischen zwei Kanalsegmenten derart verformt wird, dass ein Kanalsegment verschlossen wird.So revealed the EP 1 331 997 B1 a microfluidic flow control device in which an elastic membrane is deformed by a pressure difference between two channel segments such that a channel segment is closed.

In der EP 1 633 988 B1 wird eine Mikrofludikeinheit mit elektrischer Öffnungssteuerung beschrieben, bei der durch Erhöhung der Temperatur ein wärmeempfindlicher Werkstoff verformt wird, wodurch die räumliche Trennung von Mikrokanälen aufgehoben wird und somit eine Kommunikation zwischen den Mikrokanälen möglich ist.In the EP 1 633 988 B1 a microflute unit is described with electrical opening control in which by increasing the temperature of a thermosensitive material is deformed, whereby the spatial separation of microchannels is repealed and thus communication between the microchannels is possible.

Der Nachteil dieser Mikroventile besteht darin, dass beim Öffnen und Schließen der Ventile eine Flüssigkeitsverdrängung verursacht wird, was sich in einer Volumenänderung innerhalb der Mikrokanäle äußert. Dadurch kommt es zu kurzfristigen Druckspitzen innerhalb des Mikrokanals und zu Flüssigkeitsverlagerungen. Dieser Effekt ist insbesondere im Zusammenhang mit biologischen Anwendungen bedeutsam, bei denen eine zeitabhängige Untersuchung von Zellen in Mikroflusssystemen mittels Mikroskop erfolgt.Of the Disadvantage of these microvalves is that when opening and closing the valves fluid displacement is caused, resulting in a volume change within the microchannels expresses. This comes to short-term pressure peaks within the microchannel and to fluid displacements. This effect is especially related to biological Applications significant in which a time-dependent investigation of cells in microfluidic systems by means of a microscope.

Die DE 101 57 317 A1 zeigt ein Grundelement eines Mikrofluidik-Prozessors, bei dem ein Aktor auf Basis eines quellfähigen Polymernetzwerkes mit Volumenphasenübergangsverhalten (Hydrogel) angeordnet ist. Mit derartigen Hydrogelen kann ein verdrängungsfreier Übergang von Flüssigkeiten realisiert werden. Dabei wird die Flüssigkeit zunächst im Hydrogel eingelagert, wodurch ein Verschluss des Kanals möglich ist. Bei einem thermisch schaltbaren Hydrogel kann durch Temperaturerhöhung ein Schaltvorgang herbeigeführt werden, der die gebundene Flüssigkeit aus dem Hydrogel entlässt. Damit kommt es zu keiner Gesamtvolumenänderung sondern nur zu einer Änderung des Zustands der Flüssigkeit von einer gebundenen in eine flüchtige Form. Die so abgegebene Flüssigkeit kann anschließend aus der Kammer, beispielsweise über Poren, entweichen.The DE 101 57 317 A1 shows a basic element of a microfluidic processor, in which an actuator based on a swellable polymer network with volume phase transition behavior (hydrogel) is arranged. With such hydrogels, a displacement-free transition of liquids can be realized. The liquid is first stored in the hydrogel, whereby a closure of the channel is possible. In the case of a thermally switchable hydrogel, a switching process can be brought about by increasing the temperature, which releases the bound liquid from the hydrogel. This results in no overall volume change but only a change in the state of the liquid from a bound to a volatile form. The thus discharged liquid can then escape from the chamber, for example via pores.

Der Nachteil beim Einsatz von Hydrogelen zum verdrängungsfreien Flüssigkeitsübergang besteht vor allem in der notwendigen Temperaturänderung zum Schalten der Hydrogele, den dadurch bedingten langen Schaltzeiten, der geringen Toleranz gegenüber Drücken im Mikroflusssystem sowie in der eingeschränkten chemischen Beständigkeit der Hydrogele.Of the Disadvantage when using hydrogels for displacement-free Liquid transfer exists mainly in the necessary temperature change for switching the hydrogels, the consequent long switching times, the low tolerance Press in the microflow system as well as in the restricted chemical resistance of the hydrogels.

Weiterhin sind Drehventile für Spritzenpumpen bekannt, wie beispielsweise bei der Cavro XL 3000 Modular Digital Pump (Tecan Systems, San Jose, CA), die eine volumenverdrängungsfreie Schaltung zwischen verschiedenen Kanälen erlauben. Dabei weist der feststehende Stator zahlreiche Fluidzugangsbohrungen und der Rotor einen Kanal in winkliger oder geradliniger Form auf, der entsprechend der Schaltung eine Verbindung zwischen den Fluidzugangsbohrungen des Stators herstellen kann. Dies wird in Form einer Drehbewegung erreicht. Rotor und Stator sind dabei meist als leicht kegelförmige, rotationssymmetrische Formkörper aufgebaut, die sich gegeneinander verdrehen lassen. Typische Materialkombination für Stator/Rotor-Formteile sind PCTFE/PTFE (Polychlortrifluorethylen/Polytetrafluorethylen), Keramik/PTFE und Keramik/Keramik, da diese Drehventile Einsatz im Hochdruckbereich finden.Farther rotary valves for syringe pumps are known, such as on the Cavro XL 3000 Modular Digital Pump (Tecan Systems, San Jose, CA), which provides a volume displacement free circuit between allow different channels. In this case, the fixed Stator numerous fluid access holes and the rotor a channel in an angled or rectilinear form, according to the circuit make a connection between the fluid access holes of the stator can. This is achieved in the form of a rotary movement. Rotor and stator are usually as slightly conical, rotationally symmetric Formed body, which rotate against each other to let. Typical combination of materials for stator / rotor moldings are PCTFE / PTFE (polychlorotrifluoroethylene / polytetrafluoroethylene), Ceramic / PTFE and ceramic / ceramic, as these rotary valves use in Find high pressure area.

Der Nachteil dieser Drehventile liegt vor allem darin, dass diese Lösung nicht für eine Integration in „Lab-on-Chip” Mikrosysteme geeignet ist.Of the Disadvantage of these rotary valves is mainly that this solution not for integration into "lab-on-chip" microsystems suitable is.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Mikroventileinheit zum Schalten von Kanälen in Mikroflusssystemen bereitzustellen, die den entstehenden Nachteil durch Volumenverdrängung beim Schalten überwindet und gleichzeitig für den Einsatz als integriertes Bauteil in mikrofluidischen Kanalsystemen geeignet ist.The Object of the present invention is therefore a microvalve unit to provide for switching channels in microfluidic systems, the resulting disadvantage by volume displacement when switching overcomes and at the same time for the use as an integrated component in microfluidic channel systems suitable is.

Die Aufgabe wird durch Mikroventileinheit zum Schalten von Kanälen in Mikroflusssystemen gemäß den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen gehen aus den zugehörigen Unteransprüchen hervor.The Task is by micro valve unit for switching channels in microfluidic systems according to the features of Claim 1 solved. Other embodiments go from the the dependent claims.

Erfindungsgemäß werden zwei ebene Formkörper verwendet, von denen einer der Formkörper einen ersten mechanisch steifen, planparallelen Formkörper mit einem Mikroflusssystem mit Mikrokanälen darstellt, welcher ein oder mehrere Mikrokanäle aufweist, die über Ein- und Ausgänge verfügen und in einen Schaltbereich münden, wobei dieser Schaltbereich die zu beschaltenden Kanalenden in einer konzentrischen Lageanordnung und einen zweiten Formkörper aufweist, der in den Schaltbereich des ersten Formkörpers eingreift, welcher im Kontaktbereich zum ersten Formkörper eine oder mehrere Mikrokanäle aufweist, wobei der zweite Formkörper an einen weiteren rotationssymmetrischen Formkörper durch ein Fügeverfahren angebracht ist und wobei dieser rotationssymmetrische Formkörper mit einer Antriebseinheit im Eingriff steht, welche eine Rotationsbewegung des rotationssymmetrischen Formkörpers erlaubt und wobei dieser rotationssymmetrische Formkörper durch ein Federelement auf den ersten Formkörper aufgepresst wird, wobei eine formschlüssige Verbindung des ersten und zweiten Formkörpers entsteht. Dadurch wird ein volumenverdrängungsfreies Schalten im Mikroflusssystem ermöglicht, wodurch kurzfristige Druckspitzen innerhalb des Mikrokanals und resultierende Flüssigkeitsverlagerungen vermieden werden.According to the invention, two planar shaped bodies are used, one of which forms a first mechanically rigid, plane-parallel shaped body with a micro-channel micro-channel system which has one or more microchannels which have inputs and outputs and open into a switching area, this switching area having to be connected channel ends in a concentric position arrangement and a second molded body which engages in the switching region of the first molded body, which has one or more microchannels in the contact area to the first molded body, wherein the second molded body is attached to a further rotationally symmetrical shaped body by a joining method and wherein this rotationally symmetrical shaped body is in engagement with a drive unit, which rotati allowed onsbewegung the rotationally symmetrical shaped body and wherein this rotationally symmetrical shaped body is pressed by a spring element on the first molded body, wherein a positive connection of the first and second molded body is formed. This allows volume displacement-free switching in the microfluidic system, thereby avoiding short term pressure spikes within the microchannel and resulting fluid displacements.

Gemäß der Erfindung erfolgt zur schaltbaren Verbindung der Mikrokanäle des ersten Formkörpers eine definierte Rotation des rotationssymmetrischen Formkörpers mittels der Antriebseinheit, wobei eine fluidisch dichte Verbindung der Mikrokanäle des ersten Formkörpers mit dem Mikrokanal des zweiten Formkörpers entsteht. Durch entsprechend definierte Drehbewegung des zweiten Formkörpers wird eine volumenverdrängungsfreie Verbindung zwischen den Mikrokanälen des ersten Formkörpers hergestellt.According to the Invention is for switchable connection of the microchannels of the first shaped body a defined rotation of the rotationally symmetrical shaped body by means of the drive unit, wherein a fluidically sealed connection the microchannels of the first molded body with the Micro channel of the second molded body is formed. By accordingly defined rotational movement of the second molded body is a volume displacement free Connection between the microchannels of the first molded body produced.

In einer Ausführungsform der Erfindung besteht der erste Formkörper aus einem Festkörper mit im Lochbereich planparalleler und polierter Oberfläche.In an embodiment of the invention, there is the first molded body from a solid body in the hole area planparalleler and polished surface.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der erste Formkörper ein Manifold, welches wahlweise als Glas-Silizium Stapel oder als Glas-Glas Stapel oder als Polymer-Polymer Stapel bestehen kann.In Another embodiment of the invention is the first Shaped a Manifold, which optionally as glass-silicon Stack or stack as a glass-glass stack or as a polymer-polymer stack can.

In einer Ausführungsform wird der erste Formkörper mit einem Silikonkautschuk von einem Silizium Master abgeformt.In an embodiment, the first molded body molded with a silicone rubber from a silicon master.

In einer anderen Ausführungsform besteht der erste Formkörper aus einem durch Abformtechnik hergestellten PDMS-Formkörper (PDMS kurz für Poly-Dimethylsiloxan).In In another embodiment, the first molded body from a PDMS molded body produced by molding (PDMS short for poly-dimethylsiloxane).

In einer weiteren Ausführungsform wird der zweite Formkörper mit einem Silikonkautschuk von einem Silizium Master abgeformt.In Another embodiment is the second molded body molded with a silicone rubber from a silicon master.

In einer Ausführungsform besteht der zweite Formkörper, welcher in den ersten Formkörper eingreift, aus einem durch Abformtechnik hergestellten PDMS-Dichtstück, welches mittels Federelement auf den planaren ersten Formkörper mit Kanaleintrittsöffnungen aufgepresst wird und durch ein geeignetes Antriebselement definiert verdreht werden kann. Zur Herstellung des PDMS-Dichtstücks wird zunächst eine invertierte Kanalstruktur im Silizium-Master mikrotechnisch hergestellt. Anschließend kann das PDMS-Dichtstück direkt auf einen rotationssymmetrischen Formkörper mittels Abformtechnik, Spritzgusstechnik, Heißprägetechnik oder Imprinttechnik aufgebracht werden, so dass ein optimaler Formschluss zum elastischen Dichtstück garantiert wird und somit dieses Dichtstück ohne Torsionsverzerrung in eine Relativbewegung, eine Rotation oder Verschiebung, versetzt werden kann. Der rotationssymmetrische Formkörper wiederum steht im Eingriff mit einem Antriebselement, welches die Rotationsbewegung realisiert.In According to one embodiment, the second shaped body, which engages in the first molded body, from a through Abformtechnik produced PDMS sealing piece, which by means of Spring element on the planar first molded body with channel inlet openings is pressed and defined by a suitable drive element can be twisted. For the production of the PDMS sealing piece First, an inverted channel structure in the silicon master microfabricated. Subsequently, the PDMS sealing piece directly on a rotationally symmetrical shaped body by means Impression technique, injection molding technique, hot stamping technique or Imprinttechnik be applied so that an optimal fit for elastic sealing piece is guaranteed and thus this Sealing piece without torsional distortion in a relative movement, a rotation or displacement, can be offset. The rotationally symmetrical shaped body in turn is engaged with a drive element which the Realized rotational movement.

Sowohl der erste als auch der zweite Formkörper können aus PDMS bestehen. Durch den Einsatz der Abformtechnologie lassen sich aufwändige Feinstrukturierungen in reproduzierbarer Art und Weise herstellen. Durch die Verwendung von Silizium-Masterstrukturen ist eine reproduzierbare Herstellung des ersten und zweiten Formkörpers möglich. Dadurch können einzelne Bestandteile der Mikroventileinheit bei eventuell auftretenden Verschleißerscheinungen problemlos ausgetauscht werden.Either the first and the second molded body can consist of PDMS. Leave by using the impression technology elaborate fine structures in reproducible Create fashion. Through the use of silicon master structures is a reproducible production of the first and second shaped body possible. This allows individual components the microvalve unit in case of possible signs of wear be easily replaced.

In einer weiteren Ausgestaltung wird der zweite Formkörper mit Federelement in ein genormtes Anschlussfitting integriert und der Antrieb mit einem Positionsencoder ausgestattet. Dadurch kann die Stellbewegung reproduzierbar für die Ausführung von mikrofluidischen Schaltvorgängen ohne Volumenverdrängung genutzt werden.In In another embodiment, the second molded body integrated with spring element in a standardized connection fitting and the drive is equipped with a position encoder. This allows the Actuating motion reproducible for the execution of Microfluidic switching operations without volume displacement be used.

In weiteren Ausgestaltungen ist die Antriebseinheit mit einem elektromagnetischen Antriebsmittel, mit einem pneumatischen Antriebsmittel oder einem hydraulischen Antriebsmittel verbunden.In Further embodiments, the drive unit with an electromagnetic Drive means, with a pneumatic drive means or a connected to hydraulic drive means.

In einer weiteren Ausführungsform wird die in den ersten Formkörper eingreifende Seite des zweiten Formkörpers mittels Sputtern oder anderer geeigneter Verfahren im Bereich weniger Nanometer beschichtet. Durch die Beschichtung mit Metall wird die Beständigkeit des zweiten Formkörpers erhöht.In Another embodiment, the in the first molded body engaging side of the second molded body by sputtering or other suitable processes in the range of a few nanometers. By coating with metal becomes the resistance of the second molded body increases.

In einer weiteren Ausführungsform wird das Injektionsvolumen durch zeitabhängige Kontaktierung der Mikrokanäle infolge des Schaltvorgangs vorgegeben.In In another embodiment, the injection volume by time-dependent contacting of the microchannels determined as a result of the switching process.

Für den Fall des Gebrauchs des Mikroventils als Injektor kann das Injektorvolumen durch die Geometrie des abgeformten zweiten Formkörpers und die Dynamik des Schaltvorgangs vorgegeben werden.For the case of using the microvalve as an injector may be the injector volume by the geometry of the molded second shaped body and the dynamics of the switching process can be specified.

Die Vorteile dieser Mikroventileinheit sind seine Robustheit, seine Schaltschnelligkeit, die ausgezeichnete chemische Beständigkeit, die Sterilisierbarkeit, die Variierbarkeit vom Ventil bis zum komplexeren mikrofluidischen Injektor und der geringe Platzbedarf am Schaltort des Mikroflusssystems.The Advantages of this microvalve unit are its robustness, its Switching speed, the excellent chemical resistance, Sterilizability, variability from valve to more complex microfluidic injector and the small footprint at the switching point of the microfluidic system.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen inThe invention will be explained in more detail with reference to embodiments. The accompanying drawings show in

1 eine schematische Darstellung des Querschnitts der erfindungsgemäßen Mikroventileinheit mit Federelement und Antriebseinheit; 1 a schematic representation of the cross section of the microvalve unit according to the invention with spring element and drive unit;

2 eine schematische Darstellung des Schaltvorgangs der Mikroventileinheit; 2 a schematic representation of the switching operation of the microvalve unit;

3 eine Explosivdarstellung der erfindungsgemäßen Mikroventileinheit. 3 an exploded view of the microvalve unit according to the invention.

Die Mikroventileinheit 1, wie sie in 1 dargestellt ist, besteht aus einem ersten und einem zweiten Formkörper 2, 3. Der Formkörper 2 enthält ein Mikroflusssystem aus einem Silizium-Glas Stapel, welcher mehrere schaltbare Mikrokanäle K1, K2 aufweist. Die zu beschaltenden Mikrokanäle K1, K2 des Silizium-Glas Formkörpers 2, auch als Silizium-Glas-Manifold bezeichnet, münden in rotationssymmetrischer Anordnung in einen Schaltbereich S.The microvalve unit 1 as they are in 1 is shown, consists of a first and a second shaped body 2 . 3 , The molded body 2 contains a microfluidic system of a silicon glass stack, which has a plurality of switchable microchannels K1, K2. The micro-channels K1, K2 of the silicon-glass molded body to be connected 2 , also referred to as silicon-glass manifold, open in a rotationally symmetrical arrangement in a switching range S.

Geometrisch passend zu diesem Schaltbereich S sitzt der zweite Formkörper 3 aus PDMS (Polydimethylsiloxan) als drehbewegliches Dichtstück auf dem Formkörper 2 mit den Mikrokanälen K1, K2 und zwar zentrisch über dem Schaltbereich S.Geometrically suitable for this shift range S sits the second molded body 3 made of PDMS (polydimethylsiloxane) as a rotatable sealing piece on the molding 2 with the microchannels K1, K2 and centric over the switching range S.

Es versteht sich, dass anstelle der beiden dargestellten Mikrokanäle K1, K2 auch weitere Mikrokanäle in entsprechender rotationssymmetrischer Anordnung im Förmkörper 2 in den Schaltbereich münden können.It is understood that instead of the two illustrated microchannels K1, K2 and other microchannels in a corresponding rotationally symmetrical arrangement in the Förmkörper 2 can lead to the switching area.

Der Formkörper 3 besteht aus PDMS (Polydimethylsiloxan), enthält selbst einen oder mehrere Mikrokanäle MK und wird direkt an der Welle 4 angebracht. Die geometrische Beziehung des Mikrokanals MK im zweiten Formkörper 3 (Dichtstück) zu den Kanalmündungen im Schaltbereich S werden so ausgeführt, dass der Formkörper 3 je nach Winkelstellung Mikrokanäle K1, K2 durch das Mikrokanalsystem im Formkörper 2 frei gibt, oder diese Mikrokanäle K1, K2 fluidisch dicht versperrt.The molded body 3 consists of PDMS (polydimethylsiloxane), itself contains one or more microchannels MK and is directly attached to the shaft 4 appropriate. The geometric relationship of the microchannel MK in the second molding 3 (Sealing) to the channel mouths in the switching area S are carried out so that the molding 3 depending on the angular position microchannels K1, K2 through the microchannel system in the molding 2 free, or these micro channels K1, K2 fluidly sealed.

In 2a, c ist der Mikrokanal K2 frei gegeben und der Mikrokanal K1 gesperrt und in 2b, d ist der Mikrokanal K1 freigegeben und der Mikrokanal K2 gesperrt.In 2a , c is the micro-channel K2 released and the micro-channel K1 locked and in 2 B , D is the micro-channel K1 released and the micro-channel K2 locked.

Dazu wird der zweite Formkörper 3 an einer Welle über einen rotationssymmetrischen Formkörper 4 mittels Abformtechnik, Spritzgusstechnik, Heißprägetechnik oder Imprinttechnik aufgebracht. Dieser rotationssymmetrische Formkörper 4 ermöglicht den optimalen Formschluss zum elastischen Formkörper 3 mit dem Mikrokanal MK und steht seinerseits wiederum im Eingriff mit dem Antrieb 6, welcher mittels pneumatischer oder elektromagnetischer oder hydraulischer Antriebsmittel eine Rotationsbewegung des rotationssymmetrischen Formkörpers 4 und somit des Dichtstücks 3 erlaubt. Diese Rotationsbewegung führt zur Kontaktierung des Mikrokanals des Dichtstücks 3 mit den Mikrokanälen K1, K2 im ersten Formkörper 2. Durch ein geeignetes Federelement 5 wird eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Formkörper 2, 3 über den gesamten Nutzungszeitraum gewährleistet.This is the second molding 3 on a shaft via a rotationally symmetrical shaped body 4 applied by means of impression technique, injection molding technique, hot stamping technique or imprint technique. This rotationally symmetrical shaped body 4 allows the optimal fit to the elastic molded body 3 with the microchannel MK and in turn is in engagement with the drive 6 , which by means of pneumatic or electromagnetic or hydraulic drive means, a rotational movement of the rotationally symmetrical shaped body 4 and thus of the sealing piece 3 allowed. This rotational movement leads to contacting the microchannel of the sealing piece 3 with the microchannels K1, K2 in the first molded body 2 , By a suitable spring element 5 becomes a positive and non-positive connection between the first and second moldings 2 . 3 guaranteed over the entire period of use.

Die erfindungsgemäße Mikroventileinheit 1 kann zur Steuerung des Injektionsvolumens verwendet werden. Dazu erfolgt eine zeitabhängige Schaltung der Mikroventileinheit 1 zwischen mehreren Mikrokanälen K1, K2. In 2a, c ist ein erster Formkörper 2 mit vier Kanälen, bestehend jeweils aus zwei Teilkanälen K1 und K2 dargestellt, wobei sich jeweils zwei Teilkanäle K1; K2 gegenüberliegen und somit ein Kanalpaar bilden, welches durch den Mikrokanal MK des Dichtstücks 3 miteinander verbunden werden kann. Durch Drehung des rotationssymmetrischen Formkörpers 4 erfolgt eine Drehung des Formkörpers 3, wodurch eine Verbindung eines Kanalpaares K2 erfolgt. Durch erneute Drehbewegung gemäß 2b, d erfolgt eine volumenverdrängungsfreie Kontaktierung des zweiten Kanalpaares K1. Durch entsprechende Variation der Kontaktierungszeit ist eine Steuerung des Injektionsvolumens möglich. Durch volumenverdrängungsfreie Kontaktierung ist dabei eine genaue Applikation des angestrebten Injektionsvolumens möglich. Ein Beispiel eines realisierbaren Injektionsvolumens zeigt der resultierende Fluss 7 in 2d.The microvalve unit according to the invention 1 can be used to control the injection volume. For this purpose, a time-dependent circuit of the microvalve unit 1 between several microchannels K1, K2. In 2a , c is a first shaped body 2 shown with four channels, each consisting of two sub-channels K1 and K2, each with two sub-channels K1; K2 opposite and thus form a channel pair, which through the microchannel MK of the sealing piece 3 can be connected to each other. By rotation of the rotationally symmetrical shaped body 4 there is a rotation of the shaped body 3 , whereby a connection of a channel pair K2 takes place. By re-rotating according to 2 B , d is a volume displacement free contacting of the second channel pair K1. By appropriate variation of the contacting time, a control of the injection volume is possible. By volume displacement-free contacting while accurate application of the desired injection volume is possible. An example of a realizable injection volume shows the resulting flow 7 in 2d ,

3 zeigt eine Explosivdarstellung der zentralen Baugruppe der erfindungsgemäßem Mikroventileinheit 1, enthaltend den am rotationssymmetrischen Formkörper 4 angeformten zweiten Formkörper 3 sowie die Feder 5 zur Erzeugung der Anpresskraft zwischen dem ersten und dem zweiten Formkörper. Der Formkörper 4 ist in einem Gehäuse 12 über ein Kupplungsstück 11 in einem Lager 10 mit einem weiteren Kupplungsstück 9 koppelbar, das seinerseits eine Verbindung zum Antrieb 6 herstellt. 3 shows an exploded view of the central assembly of the inventive microvalve unit 1 containing the rotationally symmetrical shaped body 4 molded second molded body 3 as well as the spring 5 for generating the contact force between the first and the second shaped body. The molded body 4 is in a housing 12 via a coupling piece 11 in a warehouse 10 with another coupling piece 9 coupled, which in turn connects to the drive 6 manufactures.

Der Antrieb 6 ist weiterhin mit einem Encoder 8 zur Bestimmung der Winkelposition des zweiten Formkörpers 3 versehen.The drive 6 is still with an encoder 8th for determining the angular position of the second shaped body 3 Mistake.

Es ist auch möglich, die Fläche des PDMS-Dichtstücks 3, welche mit dem Formstück 2 in Kontakt kommt, mit einem Metall, wie beispielsweise Gold oder einem anderen geeigneten Metall, zu beschichten. Diese Beschichtung im Bereich weniger Nanometer erfolgt beispielsweise mittels Sputtern, wobei auch andere geeignete Methoden zur metallischen Beschichtung verwendet werden können. Diese Beschichtung bewirkt eine Verschleißminderung des Dichtstücks, welche bei entsprechend häufiger Schaltung im Laufe der Zeit auftreten kann.It is also possible to use the surface of the PDMS sealing piece 3 , which with the fitting 2 comes in contact with a metal, such as gold or other suitable metal to coat. This coating in the range of a few nanometers, for example, by means of sputtering, although other suitable methods for metallic coating can be used. This coating causes a reduction in wear of the sealing piece, which can occur over time in accordance with frequent switching.

11
MikroventileinheitMicro valve unit
22
erster Formkörper mit Mikroflusssystemfirst Shaped body with microfluidic system
33
zweiter Formkörper (PDMS-Dichtstück)second Shaped body (PDMS sealing piece)
44
rotationssymmetrischer Formkörperrotationally symmetrical moldings
55
Feder zum Anpressen des PDMS-Dichtstückfeather for pressing the PDMS sealing piece
66
Antriebdrive
77
resultierender Flussresulting River
88th
Encoder zur Lageerkennungencoder for position detection
99
Kupplungsstück obencoupling above
1010
Lager obencamp above
1111
Kupplungsstück untencoupling below
1212
Gehäusecasing
K1K1
Mikrokanalmicrochannel
K2K2
Mikrokanalmicrochannel
SS
Schaltbereichswitching range
MKMK
Mikrokanalmicrochannel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 1331997 B1 [0003] - EP 1331997 B1 [0003]
  • - EP 1633988 B1 [0004] - EP 1633988 B1 [0004]
  • - DE 10157317 A1 [0006] - DE 10157317 A1 [0006]

Claims (16)

Mikroventileinheit (1) zum Schalten von Kanälen in Mikroflusssystemen, umfassend – einen ersten mechanisch steifen, planparallelen Formkörper (2), welcher ein oder mehrere Mikrokanäle (K1, K2) aufweist, die über Ein- und Ausgänge verfügen und in einen Schaltbereich (S) münden, wobei dieser Schaltbereich (S) die zu beschaltenden Enden der Mikrokanäle (K1, K2) in einer konzentrischen Lageanordnung aufweist, – und einen zweiten Formkörper (3), der in den Schaltbereich (S) des ersten Formkörpers (2) eingreift, welcher im Kontaktbereich zum ersten Formkörper (2) eine oder mehrere Mikrokanäle (MK) aufweist, – wobei der zweite Formkörper (3) an einen rotationssymmetrischen Formkörper (4) durch Fügeverfahren angebracht ist, – und wobei dieser rotationssymmetrische Formkörper (4) mit einer Antriebseinheit (6) im Eingriff steht, welche eine Rotationsbewegung des rotationssymmetrischen Formkörpers (4) erlaubt und – wobei dieser rotationssymmetrische Formkörper (4) kraftschlüssig auf den ersten Formkörper (2) aufgepresst wird, wobei eine formschlüssige Verbindung des ersten (2) und zweiten (3) Formkörpers entsteht.Microvalve unit ( 1 ) for switching channels in microfluidic systems, comprising - a first mechanically rigid, plane-parallel shaped body ( 2 ), which has one or more microchannels (K1, K2), which have inputs and outputs and open into a switching region (S), said switching region (S) to be connected ends of the microchannels (K1, K2) in a concentric Having a layer arrangement, - and a second molded body ( 3 ), which in the switching region (S) of the first molded body ( 2 ), which in the contact area to the first molded body ( 2 ) has one or more microchannels (MK), - wherein the second shaped body ( 3 ) to a rotationally symmetrical shaped body ( 4 ) is attached by joining method, - and wherein this rotationally symmetrical shaped body ( 4 ) with a drive unit ( 6 ) is engaged, which a rotational movement of the rotationally symmetrical shaped body ( 4 ) and - whereby this rotationally symmetrical shaped body ( 4 ) non-positively on the first molded body ( 2 ) is pressed, wherein a positive connection of the first ( 2 ) and second ( 3 ) Formed body. Mikroventileinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbindung der Mikrokanäle (K1, K2) des ersten Formkörpers (2) eine definierte Rotation des rotationssymmetrischen Formkörpers (4) mittels des Antriebseinheit (6) erfolgt, wobei eine fluidisch dichte Verbindung der Mikrokanäle (K1; K2) des ersten Formkörpers (2) mit dem Mikrokanal (MK) des zweiten Formkörpers (3) herstellbar ist.Microvalve unit according to claim 1, characterized in that for connecting the microchannels (K1, K2) of the first shaped body ( 2 ) a defined rotation of the rotationally symmetrical shaped body ( 4 ) by means of the drive unit ( 6 ), whereby a fluidically tight connection of the microchannels (K1, K2) of the first shaped body ( 2 ) with the microchannel (MK) of the second shaped body ( 3 ) can be produced. Mikroventileinheit nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Formkörper (2) aus einem Festkörper mit im Schaltbereich (S) planparalleler und polierter Oberfläche besteht.Microvalve unit according to claims 1 and 2, characterized in that the first shaped body ( 2 ) consists of a solid body in the switching area (S) plane-parallel and polished surface. Mikroventileinheit nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Formkörper (2) ein Manifold aus einem Glas-Silizium Stapel, einem Glas-Glas Stapel oder einem Polymer-Polymer Stapel besteht.Microvalve unit according to claims 1 to 3, characterized in that the first shaped body ( 2 ) a manifold consists of a glass-silicon stack, a glass-glass stack or a polymer-polymer stack. Mikroventileinheit nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Formkörper (2) mit einem Silikonkautschuk von einem Silizium Master abgeformt ist.Microvalve unit according to claims 1 to 3, characterized in that the first molded body ( 2 ) is molded with a silicone rubber from a silicon master. Mikroventileinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Formkörper (2) aus PDMS (Polydimethylsiloxan) besteht.Microvalve unit according to claim 5, characterized in that the first shaped body ( 2 ) consists of PDMS (polydimethylsiloxane). Mikroventileinheit nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Formkörper (3) mit einem Silikonkautschuk von einem Silizium Master abgeformt ist.Microvalve unit according to claims 1 to 5, characterized in that the second shaped body ( 3 ) is molded with a silicone rubber from a silicon master. Mikroventileinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Formkörper (3) aus PDMS (Polydimethylsiloxan) besteht.Microvalve unit according to claim 7, characterized in that the second shaped body ( 3 ) consists of PDMS (polydimethylsiloxane). Mikroventileinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der erste (2) als auch der zweite Formkörper (3) aus PDMS (Polydimethylsiloxan) bestehen.Microvalve unit according to one of claims 5 to 8, characterized in that both the first ( 2 ) as well as the second shaped body ( 3 ) consist of PDMS (polydimethylsiloxane). Mikroventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (6) mit einer pneumatischen, elektromagnetischen oder hydraulischen Energiequelle verbunden ist.Microvalve unit according to one of claims 1 to 9, characterized in that the drive unit ( 6 ) is connected to a pneumatic, electromagnetic or hydraulic power source. Mikroventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Formkörper (3) im Kontaktbereich zum ersten Formkörper (2), insbesondere im Schaltbereich (S) eine Beschichtung mit einem Metall aufweist.Microvalve unit according to one of claims 1 to 10, characterized in that the second molded body ( 3 ) in the contact region to the first shaped body ( 2 ), in particular in the switching region (S) has a coating with a metal. Mikroventileinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Formkörper (3) mit einer gesputterten Beschichtung versehen ist.Microvalve unit according to claim 11, characterized in that the second shaped body ( 3 ) is provided with a sputtered coating. Mikroventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektionsvolumen durch zeitabhängige Kontaktierung der Mikrokanäle infolge des Schaltvorgangs vorgegeben ist.Microvalve unit according to one of claims 1 to 12, characterized in that the injection volume by time-dependent contacting of the microchannels as a result the switching operation is predetermined. Mikroventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Formkörper (3) an den rotationssymmetrischen Formkörper (4) mittels Abformtechnik, Spritzgusstechnik, Heißprägetechnik oder Imprinttechnik aufgebracht ist.Microvalve unit according to one of claims 1 to 13, characterized in that the second molded body ( 3 ) to the rotationally symmetrical shaped body ( 4 ) is applied by means of impression technique, injection molding technique, hot stamping technique or imprint technique. Verwendung der Mikroventileinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe des Injektorvolumens durch die Geometrie des abgeformten zweiten Formkörpers (3) in Verbindung mit der Dynamik des Schaltvorganges erfolgt.Use of the microvalve unit according to one of claims 1 to 14, characterized in that the specification of the injector volume by the geometry of the molded second molded body ( 3 ) in conjunction with the dynamics of the switching process takes place. Mikroventileinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Injektorvolumen durch die Anzahl und Geschwindigkeit der Schaltvorgänge bestimmt wird.Microvalve unit according to claim 15, characterized in that that the injector volume is determined by the number and speed of the Switching operations is determined.
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DE10157317A1 (en) 2001-11-23 2003-06-05 Gesim Ges Fuer Silizium Mikros A base element used for a microfluid processor in cell biology, comprises an actuator based on a swellable polymer network having volume phase transition behavior and an interface arranged close to the actuator
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