DE102010002990A1

DE102010002990A1 - Mikrofluidisches System für Analyse- und Diagnosezwecke sowie entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems

Info

Publication number: DE102010002990A1
Application number: DE102010002990A
Authority: DE
Inventors: Ricardo Ehrenpfordt; Mathias Bruendel; Frieder Haag; Jochen Rupp; Ulrike Scholz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2011-09-22
Also published as: US9101929B2; ITMI20110357A1; FR2957535A1; US20110229375A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System für Analyse- und Diagnosezwecke aus im Wesentlichen übereinander angeordneten Schichten, umfassend zumindest eine erste und zweite Durchleitungsschicht, welche jeweils zumindest einen Kanal zur Durchleitung eines Fluids in der jeweiligen Durchleitungsschicht umfassen, und zumindest eine Chipschicht, welche zumindest ein aktives, mikromechanisches Element umfasst, wobei das aktive, mikromechanische Element mit zumindest einem der Kanäle in Wirkverbindung steht, und die Chipschicht zwischen der ersten und zweiten Durchleitungsschicht angeordnet ist und wobei die Kanäle fluidisch miteinander verbunden sind sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System für Analyse- und Diagnosezwecke aus im Wesentlichen übereinander angeordneten Schichten sowie ein Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems.
Obwohl auf verschiedene mikrofluidische Systeme anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und der ihr zu Grunde liegende Hintergrund im Hinblick auf mikrofluidische Systeme zumindest teilweise in Siliziumtechnologie erläutert.
Mikrofluidische Systeme für Analyse- und Diagnosesysteme, sind unter anderem auch als ”Lab an chip” bekannt und werden auf Glas- oder Kunststoffsubstraten hergestellt. Die Substrate umfassen dabei Kanal- oder Ventilstrukturen zur Durchleitung von zu analysierenden Fluiden. Des Weiteren sind aktive, mikromechanische Elemente wie beispielsweise Pumpen, etc. angeordnet, welche in Wirkverbindung mit den Kanal- oder Ventilstrukturen stehen. Die Pumpen dienen beispielsweise zum Transport oder zum Dosieren des die Kanäle beaufschlagenden Fluids.
Hergestellt werden derartige mikrofluidische Systeme hauptsächlich auf Grund der Einfachheit in Kunststofftechnik, beispielsweise mittels Spritzgießen oder auch mittels Präge- oder Abformtechniken. Des Weiteren können diese mikrofluidischen Systeme auch strukturierte metallische Leiter und entsprechende Anschlüsse umfassen.
Derart hergestellte mikrofluidische Systeme sind relativ kostengünstig. Allerdings sind die möglichen Funktionen bzw. Anwendungsbereiche beschränkt. So ist beispielsweise keine optische Analyse mittels CCD-Bildsensoren möglich. Des Weiteren ist die Herstellung der Kanal- oder Ventilstrukturen auf Grund der verwendeten spritzgegossenen Kunststofftechnik relativ ungenau. Die aktiven, mikromechanischen Elemente wie Pumpen oder dergleichen werden dabei aus Silizium hergestellt und direkt auf entsprechende Öffnungen der Kanäle aufgebracht, ebenso wie auch entsprechende elektrische Kontakte zur Ansteuerung des aktiven, mikromechanischen Elementes auf dem Substrat. Die aktiven, mikromechanischen Elemente werden dabei nebeneinander von oben auf die entsprechenden Kanäle beziehungsweise deren Öffnungen angeordnet und haben dementsprechend jeweils eine eigene Kanalanbindung beziehungsweise -zuführung. Weiterhin sind aufgrund von elektrischen Kontakten eines in Siliziumtechnologie hergestellten aktiven, mikromechanischen Elementes aufwendige und kostenintensive Kontaktierungsverfahren notwendig, da Substrate aus Kunststoff und aktiven, mikromechanischen Elementen aus Silizium völlig unterschiedliche Toleranzen und Strukturgenauigkeiten aufweisen.
Aus der DE 602 14 167 T2 ist ein mikrofluidisches System bekannt geworden, welches mehrere übereinander gestapelte Schichten umfasst. In den jeweiligen Schichten sind Kanäle oder Kammern angeordnet, die unter Entfernung von Material über die gesamte Dicke der jeweiligen Schicht hergestellt sind. Diese dreidimensionale Schichtstruktur wird dazu benutzt, um Fluide zu separieren.
Vorteile der Erfindung
Das in Anspruch 1 definierte mikrofluidische System für Analyse- und Diagnosezwecke und das in Anspruch 9 definierte Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems weisen den Vorteil auf, dass Kanäle in verschiedenen Durchleitungsschichten fluidisch miteinander verbunden sind und daher aktive, insbesondere mikromechanische Elemente nicht auf eine einzige Durchleitungsschicht beschränkt sind, sondern auch übereinander in Form mehrerer gestapelter Chip- und Durchleitungsschichten angeordnet werden können. Dadurch sinkt insgesamt der Platzbedarf auf der untersten Durchleitungsschicht. Gleichzeitig wird die Flexibilität des mikrofluidischen Systems erheblich erhöht, da nun aktive, insbesondere mikromechanische Elemente und Kanäle nicht mehr nur in im Wesentlichen in einer Schicht jeweils angeordnet werden müssen, sondern es sind nun auch kompliziertere Anordnungen von Kanälen möglich. Schließlich wird auch das Herstellungsverfahren eines mikrofluidischen Systems wesentlich vereinfacht, da Kanäle, die jeweils mit verschiedenen aktiven, insbesondere mikromechanischen Elementen zusammenwirken, nicht mehr mittels aufwendiger Techniken, beispielsweise durch Strukturierung oder durch nachträgliches Freistellen, verbunden werden müssen. Auch verringert sich die Anzahl der für einen Anschluss der aktiven, insbesondere mikromechanischen Elemente notwendigen Öffnungen der untersten Durchleitungsschicht, da beispielsweise mittels einem Kanal dann mehrere weitere Kanäle mit einem Fluid beaufschlagt werden können, die mit mehreren aktiven, insbesondere mikromechanischen Elementen in Wirkverbindung stehen.
Unter aktiven Elementen in der vorliegenden Anmeldung, insbesondere in den Ansprüchen, sind insbesondere sowohl aktive, mikromechanische Elemente als auch anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, sogenannte ASICs, zu verstehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das mikrofluidische System eine zweite Chipschicht, wobei die zweite Chipschicht auf der ersten Durchleitungsschicht angeordnet ist, und die zweite Chipschicht insbesondere zumindest ein weiteres aktives Element, wobei dieses mit zumindest dem Kanal in Wirkverbindung steht. Der Vorteil hierbei ist, dass weitere aktive Elemente angeordnet werden können, ohne dass zusätzlich der Platzbedarf auf der untersten Durchleitungsschicht sich erhöht und dass die erste Durchleitungsschicht in der Bondschicht erzeugt werden kann, sodass eine zusätzliche Klebeschicht zur Festlegung der zweiten Chipschicht auf der ersten Durchleitungsschicht entfallen kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine zweite Durchleitungsschicht angeordnet, die zumindest einen Kanal umfasst, der mit den Öffnungen und/oder Kanälen des Substrats fluidisch verbunden ist, wobei insbesondere die zweite Durchleitungsschicht unterhalb des Substrats angeordnet ist. Der Vorteil hierbei ist, dass damit auf einfache Weise die Kanäle der ersten Durchleitungsschicht mit einer weiteren Durchleitungsschicht, beispielsweise eine bereits vorhandene Schicht, mit deren Kanälen verbunden werden können, ohne dass aufwendige oder zusätzliche Anschlüsse hierfür vorgesehen werden müssen. Dies erhöht die Flexibilität des mikrofluidischen Systems.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfassen die Chipschicht und/oder das aktive Element dabei zumindest einen Kontaktbereich zum elektrischen und/oder fluidischen Kontaktieren. Der Vorteil dabei ist, dass damit auf einfache Weise das aktive Element und/oder die Chipschicht elektrisch kontaktiert wird und gleichzeitig entsprechend mit einem Fluid in einem Kanal in Wirkverbindung steht. Umfasst die Chipschicht beispielsweise eine Pumpe, kann durch den Kontaktbereich zum fluidischen Kontaktieren Fluid in einem Kanal gepumpt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das mikrofluidische System ein Gehäuse, insbesondere in Form einer Pressmasse. Der Vorteil hierbei ist, dass das mikrofluidische System insgesamt gegenüber Umwelteinflüssen geschützt ist. Liegt das Gehäuse in Form einer Pressmasse vor, ist ein einfacher und kostengünstiger Schutz des mikrofluidischen Systems möglich. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Anordnung in einem Gehäuse Toleranz- und Strukturungenauigkeitsunterschiede zwischen Anschlüssen für das aktive Element in der Chipschicht und dem Kunststoffsubstrat, welches die untere Durchleitungsschicht trägt, abgeschwächt werden, da die Anschlüsse nicht mehr direkt auf dem Kunststoffsubstrat aufgebracht werden müssen, sondern mittels entsprechend angepasster Aufbau- und Verbindungstechnik. Bei der Pressmasse kann es sich eine Epoxidmasse mit Siliziumdioxid-Füllstoffen handeln.
Insbesondere im Bereich der Medizintechnik können sowohl die Kanäle der Chip- und Durchleitungsschichten und/oder die Pressmasse auch Parylene umfassen, welches ein inertes, hydrophobes, optisch transparentes, biokompatibeles Material ist. Dabei können die Kanäle der Chip- und Durchleitungsschichten und/oder die Pressmasse, insbesondere die Bereiche der Pressmasse, die mit Fluid beaufschlagbar sind, mit Parylene beschichtet sein. Des Weiteren kann die Pressmasse auch biokompatible Kunststoffe wie beispielsweise Cyclo-Olefin-Copolymere, Polycarbonate, und/oder Cyclo-Olefin-Polymere aufweisen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst die Chipschicht Silizium und zumindest eine Durchleitungsschicht einen Kunststoff. Der Vorteil hierbei ist, dass damit eine Erhöhung der Genauigkeit und des Funktionsumfanges des mikrofluidischen Systems insgesamt erreicht wird, beispielsweise ist es damit möglich, sowohl Fluide zu transportieren, aufzubereiten, zu analysieren als auch auszuwerten.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist eine Kontaktschicht und/oder Umverdrahtungsschicht angeordnet zum Kontaktieren der Chipschicht und/oder des aktiven Elementes. Der Vorteil hierbei ist, dass die Flexibilität bei der Herstellung des mikrofluidischen Systems erhöht wird, da einerseits eine Kontaktschicht, beispielsweise in Form einer Leiterplatte verwendet werden kann oder auch eine Umverdrahtungsschicht, die dünn hinsichtlich ihrer Dicke in vertikaler Richtung ausgeführt werden kann, sodass der Platzbedarf des mikrofluidischen Systems weiter gesenkt wird. Gleichzeitig kann das mikrofluidische System an die jeweilige Anwendung entsprechend angepasst werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind Drahtbonds und/oder Flipchipkontakte zum elektrischen Verbinden des aktiven Elementes und/oder der Chipschicht mit einer Kontaktschicht angeordnet. Der Vorteil hierbei ist, dass Drahtbonden sehr einfach und kostengünstig eine Kontaktierung des aktiven Elementes und/oder der Chipschicht mit einer Kontaktschicht sowie eine Kontaktierung mehrere Chipschichten untereinander ermöglichen, wohingegen Flipchipkontakte ein möglichst kompaktes, mikrofluidisches System ermöglichen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird eine zweite Chipschicht, umfassend insbesondere ein aktives Element, auf der ersten Durchleitungsschicht angeordnet, insbesondere derart, dass das aktive Element mit zumindest dem Kanal in Wirkverbindung steht. Der Vorteil hierbei ist, dass damit auf einfache Weise weitere Chipschichten und damit auch gegebenenfalls weitere insbesondere aktive Elemente angeordnet werden können ohne den Platzbedarf hierfür auf der untersten Durchleitungsschicht zu erhöhen. Daneben wird ebenfalls die Flexibilität des mikrofluidischen Systems erhöht, indem nun durch die Anordnung mehrerer Chipschichten übereinander auch Funktionen möglich sind, die ein Zusammenwirken mehrerer aktiver Elemente erfordern, beispielsweise eine Laserdiode und eine Fotodiode, die eine Transmission von Licht der Laserdiode durch ein Fluid misst. Die Kanäle der Chipschichten können, wenn die Chipschicht aus Silizium besteht, beispielsweise mittels Trenchen bereits auf einer Ebene der Wafer-Herstellung hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird eine zweite Durchleitungsschicht angeordnet, die zumindest einen Kanal umfasst, derart, dass dieser mit den Öffnungen und/oder Kanälen des Substrats fluidisch verbunden ist, wobei insbesondere die zweite Durchleitungsschicht unterhalb des Substrats angeordnet wird. Der Vorteil hierbei ist, dass damit auf einfache Weise die Kanäle der ersten Durchleitungsschicht mit einer weiteren Durchleitungsschicht, beispielsweise einer bereits vorhandene Schicht, mit deren Kanälen verbunden werden können, ohne dass aufwendige Anschlüsse hierfür vorgesehen werden müssen. Dies erhöht die Flexibilität des mikrofluidischen Systems.
Das aktive Element und/oder die Chipschicht kann mittels Drahtbonden und/oder Flipchiptechnik und/oder einer Umverdrahtungsschicht kontaktiert werden. Der Vorteil hierbei ist, dass Drahtbonden eine besonders einfache Kontaktierung ermöglichen. Eine Kontaktierung mittels Flipchip-Technik ist wie auch eine Kontaktierung mittels einer Umverdrahtungsschicht ermöglicht eine besonders kompakte Ausführung des mikrofluidischen Systems.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgen das Erzeugen des Kanals der ersten Durchleitungsschicht und/oder das Festlegen der ersten Durchleitungsschicht mittels eines zumindest teilweisen Entfernens einer Bondschicht. Der Vorteil hierbei ist, dass die Bondschicht, welche zur Festlegung der ersten Durchleitungsschicht benutzt werden kann, gleichzeitig auch zumindest einen Kanal zur Durchleitung eines Fluids umfasst. Eine zusätzliche Bondschicht zum Erzeugen des Kanals entfällt damit und das Herstellungsverfahren wird damit weiter vereinfacht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird in einem weiteren Schritt das mikrofluidische System mit einem Gehäuse versehen, insbesondere mittels Spritzpressen oder Spritzgießen. Der Vorteil hierbei ist, dass das mikrofluidische System besonders einfach und kostengünstig geschützt werden kann.
Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1a–d Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems gemäß einer ersten Ausführungsform im Querschnitt;
2a–d Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems einer zweiten Ausführungsform im Querschnitt;
3a, b mikrofluidische Systeme gemäß einer dritten und vierten Ausführungsform im Querschnitt;
4 ein mikrofluidisches System gemäß der ersten Ausführungsform in Zusammenwirkung mit weiteren fluidischen Systemen oder aktiven, mikromechanischen Elementen im Querschnitt;
5a, b zwei mikrofluidische Systeme gemäß einer fünften und einer sechsten Ausführungsform im Querschnitt;
6a, b ein mikrofluidisches System gemäß einer siebten Ausführungsform im Querschnitt;
7 ein mikrofluidisches System gemäß einer achten Ausführungsform im Querschnitt;
8 ein mikrofluidisches System gemäß einer neunten Ausführungsform mit mehreren Durchleitungs- und Chipschichten im Querschnitt;
9 ein mikrofluidisches System gemäß einer zehnten Ausführungsform mit einer Ventilstruktur im Querschnitt; und
10 ein mikrofluidisches System gemäß einer elften Ausführungsform im Querschnitt.
1 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems gemäß einer ersten Ausführungsform.
In 1a–d bezeichnet Bezugszeichen 1 ein mikrofluidisches System. In 1 ist weiter ein Substrat 3 gezeigt, welches Öffnungen 11 zum Durchströmen eines Fluids F aufweist. Weiterhin weist das Substrat 3 Kontaktpads 10 zur elektrischen Kontaktierung des Substrats 3 auf. Gemäß 1 ist auf einer Oberseite des Substrats 3 eine Chipschicht 5, bestehend aus Silizium, angeordnet. Die Chipschicht 5 weist auf ihrer Unterseite eine Klebeschicht 4 zum Festlegen der Chipschicht 5 auf dem Substrat 3 auf. Die Klebeschicht 4 weist weiter zu den Durchlassöffnungen 11 korrespondierende Durchlassöffnungen 12 auf. Die Chipschicht 5 ist als Flusssensor ausgebildet und weist eine Sensierfläche 14 für den Flusssensor auf. Der Flusssensor steht in Wirkverbindung mit einem noch zu erzeugenden Kanal K₂ einer ersten Durchleitungsschicht 6. Jeweils seitlich der Sensierfläche 14 erstrecken sich in vertikaler Richtung Kanäle V zur Durchleitung eines Fluids F. Die Kanäle V wurden durch Trenchen des Siliziums freigestellt und korrespondieren zu den Durchlassöffnungen 11, 12.
Auf der Chipschicht 5 ist eine zweite Chipschicht 7 angeordnet, welche als zweites aktives Element in Form einer Pumpe 8 ausgebildet ist. Diese zweite Chipschicht 7 wird mittels einer Bondschicht 6 auf die Oberseite der ersten Chipschicht 5 festgelegt. Die Durchlassöffnungen 11, 12 im Substrat 3 und in der Klebeschicht 4 korrespondieren mit den Kanälen V dementsprechend, um den Kanal K₂ mit einem Fluid F aus einer zweiten Durchleitungsschicht 2 mit Kanälen K₁ beaufschlagen zu können. Nachdem das Substrat 3 mit der Klebeschicht 4, der ersten Chipschicht 5, der ersten Durchleitungsschicht 6 und der zweiten Chipschicht 7 verbunden ist, werden die erste Chipschicht 5 und die zweite Chipschicht 7 mittels Drahtbonden 9 mit dem Substrat 3 verbunden. Anschließend werden gemäß 1c die so gestapelten Schichten 3, 4, 5, 6, 7 in eine Pressmasse 13 eingehaust.
In einem letzten Schritt wird gemäß 1d eine Bondschicht 6 zwischen der ersten Chipschicht 5 und der zweiten Chipschicht 7 durch thermische, chemische oder physikalische Zersetzung zumindest teilweise, hier vollständig, entfernt, sodass sich dadurch der Kanal K₂ bildet. Anschließend wird das eingehauste mikrofluidische System 1 auf ein Kunststoffsubstrat 2 aufgebracht, welches weitere fluidische Kanäle K₁ umfasst, derart dass die Kanäle K₁ mit dem Kanal K₂ über die Verbindung V und die Durchlassöffnungen 11, 12 in fluidischer Verbindung miteinander stehen. Das Fluid F kann dann in Richtung R durch die Kanäle K₁, die Kanäle V sowie den Kanal K₂ durch das mikrofluidische System 1 hindurchströmen.
2 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems einer zweiten Ausführungsform im Querschnitt.
2 zeigt im Wesentlichen eine analoge Ausführungsform eines mikrofluidischen Systems gemäß 1. Im Unterschied zu 1 wird jedoch die Bondschicht 6 der 2a vor dem vertikalen Zusammenführen der Chipschichten 5, 7 und der Durchleitungsschichten 2, 6 strukturiert, um zumindest einen Kanal K₂ zu erzeugen. Das weitere Herstellen des mikrofluidischen Systems 1 gemäß der 2b–d erfolgt dann auf analoge Weise gemäß der 1b–d, wobei der Schritt des nachträglichen teilweisen Entfernens der Bondschicht 6 gemäß 1d entfällt.
3 zeigt mikrofluidische Systeme gemäß einer dritten und vierten Ausführungsform im Querschnitt.
3a zeigt ebenfalls ein mikrofluidisches System im Wesentlichen analog zu dem der 1. Im Unterschied zu dem mikrofluidischen System 1 gemäß 1 und 2 sind jedoch anstelle der zur Kontaktierung angeordneten Drahtbunden 9 die beiden Chipschichten 5, 7 mittels Flipchip-Kontakten 14 elektrisch kontaktiert. Die Flipchipkontakte sind dabei jeweils zwischen den Chipschichten 5, 7 und zwischen der Chipschicht 5 und dem Substrat 3 angeordnet. Um die Flipchip-Kontakte 14 zu isolieren, sind sogenannte Underfiller 4' strukturiert um die Flipchipkontakte 14 aufgebracht. Gleichzeitig beabstanden die Underfiller 4' samt Flipchipkontakten 14 die beiden Chipschicht 5, 7 voneinander ebenso wie das Substrat 3 von der ersten Chipschicht 5. Auf diese Weise ergibt sich zwischen den Chipschichten 5, 7 zumindest ein Kanal K₂ zur Durchleitung von Fluiden F. Alternativ könnte auch eine Bond-Opferschicht aufgebracht werden, die als Fließstopp für den Underfiller 4' dient. Die Bond-Opferschicht kann dann nach Einhäusung 13 des mikrofluidischen Systems 1 wieder entfernt werden.
In 3b ist nun ein mikrofluidisches System 1 gezeigt, welches kein Substrat 3 aufweist. Bei der Herstellung dieses mikrofluidischen Systems wird ein temporärer Träger mit einer Klebefolie anstelle des Substrates 3 verwendet. Die elektrische Kontaktierung der ersten Chipschicht 5 erfolgt dabei mittels einer dünnen Umverdrahtungsschicht 15, die auf der Unterseite der Chipschicht 5 an deren linkem und rechtem Rand sowie auf der umlaufenden Pressmasse 13 angeordnet ist. Das mikrofluidische System 1 wird im Anschluss auf ein Kunststoffsubstrat 2 mit Kanälen K₁ gemäß 1d aufgebracht.
Ein derartiges ”Pick-and-Place”-Herstellungsverfahren stellt sowohl eine mechanisch stabile Verbindung als auch eine elektrische und fluidische Konaktierung her. Diese mechanische oder elektrische Kontaktierung kann dabei mittels Klebe-, Schweiß- oder Löttechniken erfolgen. Des Weiteren liegt es im Rahmen der Erfindung, das Kunststoffsubstrat 2 mit den Kanälen K₁ bereits während des vertikalen Zusammenfügens, also zu einem früheren Zeitpunkt bei der Herstellung des mikrofluidischen Systems 1, der einzelnen Durchleitungs- und Chipschichten E₁, E₂, 5, 7 zu verwenden, sodass ein auf diese Weise hergestellter Verbund aus Durchleitungs- und Chipschichten E₁, E₂, 5, 7 samt Kunststoffsubstrat 2 anschließend gemeinsam mit einer Pressmasse 13 übermoldet wird. Die elektrischen Verbindungen von Kontakten des mikrofluidischen Systems 1 können dann beispielsweise auf einer Oberseite des Kunststoffsubstrats 2, welches weitere Kanäle K₁ aufweisen kann, als Leiterbahnen zu einer Anschlussleiste (nicht gezeigt) geführt werden.
4 zeigt ein mikrofluidisches System gemäß der ersten Ausführungsform in Zusammenwirkung mit weiteren fluidischen Systemen oder aktiven, mikromechanischen Elementen.
Die 4a–c zeigen ein mikrofluidisches System 1 gemäß der 1. In 4a ist links neben dem mikrofluidischen System 1 ein aktives Element in Form einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 16 auf dem Substrat 3 angeordnet. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 16 ist dabei mittels Drahtbonden 9 mit dem Substrat 3 einerseits und der ersten Chipschicht 5 andererseits verbunden.
In 4b ist anstelle der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung 16 eine weitere Chipschicht 17 angeordnet, die als aktives Element in Form eines Heizelementes 18 ausgebildet ist. Das Heizelement 18 steht dabei über eine Öffnung 3a des Substrats 3 mit Kanälen K₁ eines Kunststoffsubstrats (nicht gezeigt) in Wirkverbindung. Die elektrische Kontaktierung der Chipschicht 17 erfolgt dabei wiederum mittels eines Drahtbonds 9 zu dem Substrat 3. Sowohl die Chipschicht 17 als auch das mikrofluidische System 1 sind dabei über Durchlassöffnungen 3a, 3b mit Kanälen eines Kunststoffsubstrats (nicht gezeigt) verbunden.
4c zeigt nun zwei mikrofluidische Systeme 1, 1', die im Wesentlichen den gleichen Aufbau besitzen. Das mikrofluidische System 1' unterscheidet sich vom mikrofluidischen System 1 lediglich dahingehend, dass anstelle der Ausbildung als Flusssensor 14 und Pumpe 8 die zu den Chipschichten 5, 7 korrespondierenden Chipschichten 5', 20 in Form eines Heizelementes 18 und einer Analysevorrichtung 19 ausgebildet sind. Die elektrische Kontaktierung der Chipschichten 5', 20 erfolgt wiederum mittels Drahtbonden 9 zwischen Substrat 3 und jeweiliger Chipschicht 5', 20.
5 zeigt zwei mikrofluidische Systeme gemäß einer fünften und einer sechsten Ausführungsform im Querschnitt.
5a zeigt im Wesentlichen eine Anordnung mit einem mikrofluidischen System 1 gemäß 4a, wobei nun im Unterschied zu dem mikrofluidischen System 1 der 4a lediglich ein einziger Kanal V zur fluidischen Verbindung von Kanälen K₁ eines Kunststoffsubstrats (nicht gezeigt) zu den Kanälen K₂ angeordnet ist. Ein weiterer Unterschied zum mikrofluidischen System 1 gemäß der 4a besteht darin, dass die jeweilige Chipschicht als Drucksensor 14' anstelle des Flusssensors 14 und anstelle der Ausbildung als Pumpe 8 als Beschleunigungssensor 7 ausgebildet ist; der Kanal K₂ dient dabei der Beaufschlagung der Druckmembran (nicht gezeigt) des Drucksensors 14. Die Chipschicht 5 ist dabei mittels einer Klebeschicht 4 auf dem Substrat 3 festgelegt.
5b zeigt im Wesentlichen ein mikrofluidisches System 1 gemäß 5a. Kanäle K₁ eines Kunststoffsubstrats 2 sind dabei über die Öffnung 3a des Substrats 3 mit Kanälen K_2', die durch Zersetzung der Klebeschicht 4 erzeugt wurden, in fluidischer Verbindung. Diese Kanäle K_2' sind weiter mit den Kanälen V, K₂ fluidisch verbunden. In den 5a, b folgt die Kontaktierung des Drucksensors 14 in der Chipschicht 5 über einen hier nicht gezeigten lateralen Überhang und mittels Drahtbondtechnik.
6 zeigt ein mikrofluidisches System gemäß einer siebten Ausführungsform im Querschnitt.
In 6a ist ein mikrofluidisches System 1 im Wesentlichen analog zu dem mikrofluidischen System gemäß 5a gezeigt. Das mikrofluidische System 1 umfasst dabei zwei Chipschichten 5 und 7. Die erste Chipschicht 5 ist dabei als Drucksensor 14' ausgebildet und die zweite Chipschicht 7 als anwendungsspezifische integrierte Schaltung 16. Die anwendungsspezifische integrierte Schaltung 16 ist dabei mittels Drahtbonden 9 mit der ersten Chipschicht 5 einerseits und dem Substrat 3 andererseits verbunden. In 6b sind lediglich die Chipschichten 5 und 7 des mikrofluidischen Systems vertauscht. In 6a links beziehungsweise 6b links ist die erste Chipschicht 5 mittels einer Klebeschicht 4 auf dem Substrat 3 festgelegt, wohingegen in 6a rechts beziehungsweise 6b rechts die Klebeschicht 4 durch Zersetzung freigestellt wurde, analog zum mikrofluidischen System 1 gemäß 5b unter Bildung eines horizontalen Kanals K_2', der die Öffnung 3a des Substrats 3, die wiederum in fluidischer Verbindung mit Kanälen K₁ eines Kunststoffsubstrats (nicht gezeigt) steht, mit dem Kanal V und dem Kanal K₂ verbindet.
7 zeigt ein mikrofluidisches System gemäß einer achten Ausführungsform im Querschnitt.
7a zeigt ein mikrofluidisches System 1 gemäß 1d. Das Kunststoffsubstrat 2 umfasst dabei drei Ventile V₁, V₂ und V₃. 7a zeigt nun einen Zustand, bei dem die Ventile V₁, V₃ geöffnet sind und das Ventil V₂ geschlossen ist. Bei einem geschlossenem Ventil V₁, V₂, V₃ kann ein Fluid F nicht von rechts nach links in den horizontalen Kanälen K₁ des Kunststoffsubstrats 2 strömen. Weiter ist das Ventil V₂ dabei zwischen zwei Öffnungen 3a1, 3a2 des Substrats 3 angeordnet, die mit den Kanälen K₁, K₂, V in fluidischer Verbindung stehen. Fließt nun ein Fluid F in Richtung R, also gemäß 7a von rechts nach links in den Kanälen K₁ des Kunststoffsubstrats 2, passiert dieses dabei zunächst das geöffnete Ventil V₃ und trifft weiter dann auf das geschlossene Ventil V₂. Das geschlossene Ventil V₂ zwingt das Fluid F über die Öffnung 3a2 in einen vertikalen Kanal V der Chipschicht 5. Das Fluid F strömt dann weiter durch den Kanal K₂ zwischen den Chipschichten 5, 7 und über einen weiteren vertikalen Kanal V der Chipschicht 5 und über die Öffnung 3a1 des Substrats 3 zurück in Kanäle K₁ des Kunststoffsubstrats 2. Das Fluid F kann auf Grund des geschlossenen Ventils V₂ nicht in Richtung auf das Ventil V₃ zurückströmen und strömt deshalb danach weiter von rechts nach links und passiert das geöffnete Ventil V₁.
In 7b ist ein Zustand der Ventile V₁, V₂, V₃ gezeigt, bei dem das Ventil V₂ geöffnet und die Ventile V₁ und V₃ geschlossen. Die Pumpe 8 kann nun das Fluid F in den Kanälen K₁, V, K₂ pumpen, sodass eine Kreisführung des Fluids F ermöglicht wird. Anhand der Ventile V₁–V₃ ist damit eine Steuerung der Strömungsrichtung des Fluids F möglich. So sind fluidische Schleifen, das heißt ein mehrfaches Durchströmen der Kanäle K₁, K₂, V, möglich, ohne dass spezielle Kanäle hierfür angeordnet werden müssen. Dies wird im Bereich der Medizintechnik genutzt beispielsweise in Form einer beheizbaren Reaktionskammer, um DNS-Strukturen darin zu vervielfältigen.
8 zeigt ein mikrofluidisches System gemäß einer neunten Ausführungsform mit mehreren Durchleitungs- und Chipschichten im Querschnitt.
In 8 ist ein mikrofluidisches System 1 gezeigt, welches aus vier Chipschichten 5, 7, A, B besteht, die im Wesentlichen übereinander gestapelt in einem Gehäuse 13 angeordnet sind. Zwischen den Chipschichten 5 und 7 sowie 7 und A und A und B verlaufen horizontale Kanäle K₂, K₃ und K₅. Die gemäß 8 horizontal verlaufenden Kanäle K₂, K₃ und K₅ sind fluidisch mit den Kanälen K₁ des Kunststoffsubstrats 2 verbunden über vertikale Kanäle V, V', K₄, die innerhalb der jeweiligen Chipschicht 5, 7, A verlaufen. Dabei sind die als aktive Elemente 14, 8, A', B' ausgebildeten Chipschichten 5, 7, A, B mit den jeweiligen Kanälen K₂, K₃ und K₅ jeweils in Wirkverbindung. Die Chipschicht 5 und die Chipschicht A sind dabei mittels Drahtbonden 9 mit dem Substrat 3 elektrisch verbunden.
Ein Fluid F strömt dann beispielsweise bei geöffneten Ventilen V₁, V₃ und geschlossenem Ventil V₂ über Durchlassöffnungen 3a2 des Substrats 3 in einen vertikalen Kanal V und weiter in den Kanal K₂, den Kanal V', den Kanal K₃, den Kanal K₄ und den Kanal K₅. Um das Fluid F wieder aus dem Kanal K₅ zwischen den obersten beiden Chipschichten A, B in die Kanäle K₁ des Kunststoffsubstrats 2 zurückzuführen, ist ein Rückführkanal R angeordnet (in 8 gestrichelt dargestellt), der sich in vertikaler Richtung durch die Chipschichten A, 7 und 5 erstreckt und über eine Durchlassöffnung 3a1 des Substrats 3 mit den Kanälen K₁ fluidisch verbunden ist. Das geschlossene Ventil V₂ verhindert ein Rückströmen des Fluids F.
Die Chipschichten 5, 7, A, B gemäß 8 sind dabei jeweils als aktive Elemente 14, 8, A', B' ausgebildet. Das aktive Element 14 ist gemäß 8 ein Flusssensor, das aktive Element 8 gemäß 8 ist eine Pumpe, das aktive Element A' ist ein Marker und das aktive Element B' ist eine CCD-Kamera. Insgesamt zeigt 8 ein abgeschlossenes, integriertes, diagnostisches Modul mit einem Probentransport eines Fluids in der Chipschicht 5, 7, eine Probenaufbereitung eines Fluids F in der Chipschicht A und einer Probenanalyse des Fluids F mittels der Chipschicht B anhand der CCD-Kamera B'. Durch geeignetes Öffnen und Schließen der Ventile V₁, V₂ und V₃ kann eine definierte Probenmenge des Fluids F in einen Analyseraum K₅ gepumpt werden und die Probe mittels des aktiven, mikromechanischen Elementes A' aufbereitet werden, beispielsweise durch Anlagern fluoreszierender Partikel an bestimmte Bestandteile des Fluids F. Deren Gehalt kann dann beispielsweise mittels der CCD-Kamera B' analysiert werden.
Um den Funktionsumfang der einzelnen Chipschichten 5, 7, A, B bzw. den Anwendungsbereich des mikrofluidischen Systems zu erhöhen, können auch mehrere aktive Elemente 14, 8, A', B' in einer einzigen Chipschicht angeordnet werden, sodass zusätzliche Chipschichten entfallen können.
9 zeigt ein mikrofluidisches System gemäß einer zehnten Ausführungsform mit einer Ventilstruktur im Querschnitt.
9 zeigt im Wesentlichen ein mikrofluidisches System gemäß 1d. Die als Pumpe 8 ausgebildete Chipschicht 7 umfasst nun eine Ventilstruktur 8a, die bei entsprechender Betätigung, beispielsweise durch ein Piezo-Element oder ein Piezo-Ventil den in 9 dargestellten, vertikalen Kanal V vom Kanal K₂ abschließen kann, in dem das Ventil 8a die Öffnung der Verbindung zwischen den Kanälen V und K₂ verschließt.
10 zeigt ein mikrofluidisches System gemäß einer elften Ausführungsform im Querschnitt.
10 zeigt im Wesentlichen ein mikrofluidisches System 1 gemäß 1d. Im Unterschied zur 1d ist die Chipschicht 7 nicht als Chipschicht mit aktivem, mikromechanischem Element ausgebildet, sondern besteht im Wesentlichen aus einer von oben auf die Kanäle V aufgesetzten Kappe. Die Kappe ist dabei vorstrukturiert mit Kanälen K₂, sodass ein Fluid F von einem Kanal V über den Kanal K₂ und weiter über einen weiteren Kanal V strömen kann. Der Kanal K₂ zwischen den Chipschichten 5, 7 wird dabei durch eine Kavität in der Kappe 7 gebildet.
Die Chipschichten können im Rahmen der Erfindung Elektroniken, insbesondere in Form von anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen, aufweisen. Des Weiteren können im Rahmen der Erfindung die aktiven Elemente insbesondere in Form von Heizelementen, Pumpen, Druck- oder Beschleunigungssensoren, Analysesystemen, insbesondere CCD-Kameras, Marker-, Mischer- oder Filterelementen, und Mehrfachmodule, umfassend fluidische und/oder inertiale Bauteile oder Sensoren ausgebildet sein.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60214167 T2 [0006]

Claims

Mikrofluidisches System (1) für Analyse- und Diagnosezwecke aus im Wesentlichen übereinander angeordneten Schichten (3, 5, 7, A', B'), umfassend zumindest ein Substrat (3), insbesondere in Form einer Umverdrahtungsschicht (15), welche zumindest eine Öffnung und/oder einen Kanal (11, 3a1, 3a2) zur Durchleitung eines Fluids (F) umfasst, zumindest eine erste Durchleitungsschicht (6), welche zumindest einen Kanal (K₂) zur Durchleitung eines Fluids (F) umfasst, zumindest eine erste Chipschicht (5), welche zumindest ein aktives, insbesondere mikromechanisches Element (14) umfasst, wobei das aktive, insbesondere mikromechanische Element (14) mit dem Kanal (K₂) in Wirkverbindung steht, und die Chipschicht (5) zwischen der Durchleitungsschicht (6) und dem Substrat (3) angeordnet ist, und wobei die Chipschicht (5) zumindest einen Kanal (V) umfasst, der die Öffnung und/oder den Kanal (11, 3a1, 3a2) des Substrats (3) mit dem Kanal (K₂) der Durchleitungsschicht (6) fluidisch verbindet.
Mikrofluidisches System gemäß Anspruch 1, umfassend eine zweite Chipschicht (7), wobei die zweite Chipschicht (7) auf der ersten Durchleitungsschicht (6) angeordnet ist, und die Chipschicht (5) insbesondere zumindest ein weiteres aktives Element (8) umfasst, und wobei dieses mit zumindest dem Kanal (K₂) in Wirkverbindung steht.
Mikrofluidisches System gemäß Anspruch 1, wobei eine zweite Durchleitungsschicht (2) angeordnet ist, die zumindest einen Kanal (K₁) umfasst, der mit den Öffnungen und/oder Kanälen (11, 3a1, 3a2) des Substrats (3) fluidisch verbunden ist, wobei insbesondere die zweite Durchleitungsschicht (2) unterhalb des Substrats (3) angeordnet ist.
Mikrofluidisches System gemäß Anspruch 1, wobei die Chipschicht (5) und/oder das aktive Element (14, 8) zumindest einen Kontaktbereich zum elektrischen und/oder fluidischen Kontaktieren umfassen.
Mikrofluidisches System gemäß Anspruch 1, wobei das mikrofluidische System (1) ein Gehäuse (13) insbesondere in Form einer Pressmasse umfasst.
Mikrofluidisches System gemäß Anspruch 1, wobei die Chipschicht (5, 7) Silizium umfasst und zumindest eine Durchleitungsschicht (2, 6) einen Kunststoff umfasst.
Mikrofluidisches System gemäß Anspruch 1, wobei eine Kontaktschicht und/oder Umverdrahtungsschicht (15) angeordnet ist zum Kontaktieren der Chipschicht (5, 7) und/oder des aktiven Elementes (14, 8).
Mikrofluidisches System gemäß Anspruch 1, wobei Drahtbonden (9) und/oder Flipchipkontakte (14') zum elektrischen Verbinden des aktiven Elementes (14, 8) und/oder der Chipschicht (5, 7) mit einer Kontaktschicht (10) angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems (1) aus im Wesentlichen übereinander angeordneten Schichten, umfassend die Schritte i) Erzeugen zumindest einer Öffnung und/oder eines Kanals (3a1, 3a2) zur Durchleitung von Fluiden (F) in einem Substrat (3), insbesondere in Form einer Umverdrahtungsschicht (15), ii) Erzeugen zumindest eines Kanals (V) zur Durchleitung von Fluiden (F) in zumindest einer Chipschicht (5), wobei die Chipschicht zumindest ein aktives, insbesondere mikromechanisches Element (14) umfasst, iii) Festlegen der Chipschicht (5) auf dem Substrat (3), derart, dass die Öffnungen und/oder Kanäle (11, 3a1, 3a2) mit dem zumindest einen Kanal (V) der Chipschicht (5) fluidisch verbunden sind, iv) Festlegen einer ersten Durchleitungsschicht (6) auf der Chipschicht (5), v) Erzeugen von zumindest einem Kanal (K₂) in der ersten Durchleitungsschicht (6), derart, dass der Kanal (V) der Chipschicht (5) den Kanal (K₂) der Durchleitungsschicht fluidisch verbindet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine zweite Chipschicht (7), umfassend insbesondere ein aktives Element (8), auf der ersten Durchleitungsschicht (6) angeordnet wird, insbesondere derart, dass das aktive Element (8) mit zumindest dem Kanal (K₂) in Wirkverbindung steht.
Verfahren nach zumindest Anspruch 9, wobei eine zweite Durchleitungsschicht (2) angeordnet wird, die zumindest einen Kanal (K₁) umfasst, derart, dass dieser mit den Öffnungen und/oder Kanälen (3a1, 3a2) des Substrats (3) fluidisch verbunden ist, wobei insbesondere die zweite Durchleitungsschicht (2) unterhalb des Substrats (3) angeordnet wird.
Verfahren nach zumindest Anspruch 9, wobei das Erzeugen des Kanals (K₂) der ersten Durchleitungsschicht (6) und/oder das Festlegen der ersten Durchleitungsschicht (6) mittels eines zumindest teilweisen Entfernens einer Bondschicht erfolgt.
Verfahren nach zumindest Anspruch 9, wobei in einem weiteren Schritt das mikrofluidische System (1) mit einem Gehäuse (13) versehen wird, insbesondere mittels Spritzpressen oder Spritzgießen.