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 PDFInfo
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Abstract
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
In
der
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
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
Die
Mikroventileinheit
Geometrisch
passend zu diesem Schaltbereich S sitzt der zweite Formkörper
Es
versteht sich, dass anstelle der beiden dargestellten Mikrokanäle
K1, K2 auch weitere Mikrokanäle in entsprechender rotationssymmetrischer Anordnung
im Förmkörper
Der
Formkörper
In
Dazu
wird der zweite Formkörper
Die
erfindungsgemäße Mikroventileinheit
Der
Antrieb
Es
ist auch möglich, die Fläche des PDMS-Dichtstücks
- 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)
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DE102008048080 | 2008-09-19 | ||
DE102008048080.0 | 2008-09-19 | ||
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ID=42096592
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EP1331997B1 (en) | 2000-11-06 | 2004-06-16 | Nanostream, Inc. | Microfluidic flow control devices |
EP1633988B1 (en) | 2003-06-16 | 2006-09-13 | Biomerieux | Electrically-opened micro fluid-valve |
-
2009
- 2009-09-15 DE DE102009041325A patent/DE102009041325A1/en not_active Withdrawn
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Effective date: 20140401 |