DE102010038445B4

DE102010038445B4 - Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems

Info

Publication number: DE102010038445B4
Application number: DE102010038445.3A
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: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2020-08-27
Anticipated expiration: 2030-07-28
Also published as: CN102371194A; US8631813B2; ITMI20111340A1; DE102010038445A1; CN102371194B; US20120024396A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems, enthaltend mindestens ein mikrofluidisches Bauteil (1) mit mindestens einer mikrofluidisch aktiven Oberfläche, mindestens umfassend die Schritte:A) Bereitstellen eines mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) mit einer Verbindungsseite, umfassend mindestens ein, in eine Polymermasse (6, 26, 36, 46) eingebrachtes mikrofluidisches Bauteil (1), wobei dessen mikrofluidisch aktive Oberfläche einen Teil der Verbindungsseite des mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) bildet,B) Bereitstellen eines Gegensubstrats (7, 27, 37, 47) mit einer Verbindungsseite zur Verbindung mit dem mikrofluidischen Verbundsubstrat (10, 20, 30, 40),C) Bereitstellen mikrofluidischer Strukturen (21, 31, 41) mindestens auf der Verbindungsseite des Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) und/oder auf der Verbindungsseite des Gegensubstrats (7, 27, 37, 47) mindestens zur Ausbildung einer mikrofluidischen Kanalstruktur (9, 29, 39, 49) im mikrofluidischen System, undD) Verbinden des mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) und des Gegensubstrats (7, 27, 37, 47) mit ihren Verbindungsseiten unter Ausbildung einer mikrofluidischen Kanalstruktur (9, 29, 39, 49), insbesondere zur Herstellung einer fluidischen Verbindung der mikrofluidischen Bauteile (1) untereinander und/oder des mikrofluidischen Bauteils (1) nach außen, wobei die Bereitstellung des mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) in Schritt A) mindestens die folgenden Schritte umfasst:AA) Aufbringung mindestens eines mikrofluidischen Bauteils (1) auf eine Bestückungsseite eines temporären Trägers (4, 24, 44), wobei das oder die mikrofluidischen Bauteile (1) mit ihrer fluidisch aktiven Oberfläche auf den temporären Träger (4, 24, 44) aufgesetzt werden,AB) Überziehen und Einfassen des/der mikrofluidischen Bauteile (1) mit einer Polymermasse (6, 26, 36, 46) unter Ausbildung des mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) undAC) Trennen des temporären Trägers (4, 24, 44) von dem in Schritt AB) hergestellten mikrofluidischen Verbundsubstrat (10, 20, 30, 40).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems sowie ein, insbesondere nach diesem Verfahren hergestelltes, mikrofluidisches System und die Verwendung eines solchen mikrofluidischen Systems.
Stand der Technik
Mikrofluidische Systeme finden insbesondere in der Biotechnologie, der analytischen, pharmazeutischen und klinischen Chemie, der Umweltanalytik und Lebensmittelchemie sich entwickelnde Anwendungsbereiche. Sie kommen beispielsweise in Form von miniaturisierten Analysesystemen, so genannten µTAS (Miniaturized Total Analysis System) sowie als Lab-on-Chip-System oder als Mikroreaktoren zum Einsatz. Mikrofluidische Systeme können beispielsweise zur Probensammlung, Probenvorbereitung, Mikroreaktion, Separation, Detektion in Wirkstoffforschung, Diagnostik Analytik und im Screening eingesetzt werden. Ein Vorteil des Einsatzes von mikrofluidischen Systemen ist die Kostenreduktion und Vereinfachung der Handhabung durch Verringerung von Probenvolumen und Reagenzieneinsatz und -verbrauch. Ferner ist eine kürzere Analysezeit und ein höherer Probendurchsatz möglich.
Mikrofluidische Systeme bestehen in der Regel aus Glas- oder Polymersubstraten, in denen durch Strukturierung, beispielsweise mittels Heißprägen oder Spritzguss, Kanäle und andere passive fluidische Elemente, wie integrierte Mischerstrukturen, Probenreservoire, hergestellt werden. Aktive Elemente, wie Pumpen oder Aktoren und Sensoren, können beispielsweise durch hybride Integration integriert werden. Hierbei werden meist in seriellen Verfahren vorstrukturierte Substrate mit einzelnen aktiven Bauteilen bestückt und diese dann kontaktiert.
In der WO 2005/014452 ist ein Batchprozess zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einem Kunststoffgehäuse beschrieben, bei dem eine Trägerplatte auf Ihrer Oberseite mit einem thermosensitiven Klebstoff versehen wird und diese Oberseite mit einer Vielzahl von einzelnen Halbleiterchips bestückt wird. Die Halbleiterchips werden dann in eine Kunststoffgehäusemasse eingebettet und die Trägerplatte durch Erwärmen des thermosensitiven Klebstoffs entfernt. Der so freigegebene Verbundwafer kann dann mittels Standard-Dünnschichttechnologien und -Materialien umverdrahtet werden. Die erzeugten Pads werden dann mit Lotbumps versehen. Nachfolgend kann der Verbundwafer in einzelne Halbleiterchips getrennt werden.
US 2010 / 0 111 770 A1 beschreibt eine mikrofluidische Struktur umfassend eine Polysiloxanschicht und ein Verfahren zur Herstellung der Mirkofluidischen Struktur.
US 2008 / 0 199 362 A1 beschreibt eine mikrofluidische Packung, umfassend ein Substrat mit einer oberen Oberfläche, wobei die obere Oberfläche mindestens einen Fluidkanal und mindestens einen Fluidchip mit einer oberen Oberfläche, einer unteren Oberfläche, mindestens eine Seitenfläche und mindestens einem Durchgang, damit ein Fluid von der oberen Oberfläche oder einer beliebigen Seitenfläche zur unteren Oberfläche des Chips gelangen kann.
DE 10 2007 040 149 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterchipmoduls und einer Halbleiterchipverpackung.
WO 2007 / 061 448 A2 beschreibt mikrofluidische Vorrichtungen zur Verwendung als Formen zur Herstellung elektrisch leitfähiger Vorrichtungen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems, enthaltend mindestens ein mikrofluidisches Bauteil mit mindestens einer mikrofluidisch aktiven Oberfläche vorgeschlagen, welches mindestens die Schritte

A) Bereitstellen eines mikrofluidischen Verbundsubstrats mit einer Verbindungsseite, umfassend mindestens ein, in eine Polymermasse eingebrachtes mikrofluidisches Bauteil, wobei dessen mikrofluidisch aktive Oberfläche mindestens teilweise einen Teil der Verbindungsseite des mikrofluidischen Verbundsubstrats bildet,
B) Bereitstellen eines Gegensubstrats mit einer Verbindungsseite zur Verbindung mit dem mikrofluidischen Verbundsubstrat,
C) Bereitstellen mikrofluidischer Strukturen mindestens auf der Verbindungsseite des Verbundsubstrats und/oder auf der Verbindungsseite des Gegensubstrats mindestens zur Ausbildung einer mikrofluidischen Kanalstruktur im mikrofluidischen System, und
D) Verbinden des mikrofluidischen Verbundsubstrats und des Gegensubstrats mit ihren Verbindungsseiten unter Ausbildung einer mikrofluidischen Kanalstruktur, insbesondere zur Herstellung einer fluidischen Verbindung der mikrofluidischen Bauteile untereinander und/oder eines mikrofluidischen Bauteils nach außen umfasst.

Mikrofluidische Bauteile können erfindungsgemäß beispielsweise mikrofluidische Chips, wie zum Beispiel Mikropumpen, Sensoren oder Ventile sein.
Unter einer mikrofluidisch aktiven Oberfläche wird erfindungsgemäß eine Oberfläche des mikrofluidischen Bauteils verstanden, welche mikrofluidische funktionelle Elemente und/oder Strukturen, wie zum Beispiel Heizerstrukturen, Sensoren, Membranen, Öffnungen oder Zugänge zu Mikrohohlräumen oder Mikrokanalstrukturen im mikrofluidischen Bauteil oder andere mikrofluidisch funktionelle Elemente oder Strukturen aufweist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können vorteilhafterweise mikrofluidische Systeme, mit nur geringfügigen Anpassungen unter Nutzung etablierter und standardisierter Prozesse der Aufbau- und Verbindungstechnik aus der Elektronik mit einer hohen Präzision und gleichzeitig mit hohem Durchsatz hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei kostengünstig und ermöglicht darüber hinaus eine Massenfertigung mikrofluidischer Systeme in einem Batchprozess. Dies ist speziell auch für den Bereich der Einwegsysteme (disposables), zum Beispiel in der Point-of-Care-Diagnostik, von Bedeutung und ermöglicht vorteilhafterweise eine wirtschaftliche Serienfertigung und Verwendung in größerem Umfang.
Schritt A) umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

AA) Aufbringung mindestens eines mikrofluidischen Bauteils auf eine Bestückungsseite eines temporären Trägers, wobei das oder die mikrofluidischen Bauteile mit ihrer fluidisch aktiven Oberfläche auf den temporären Träger aufgesetzt werden,
AB) Überziehen und Einfassen des/der mikrofluidischen Bauteile mit einer Polymermasse unter Ausbildung eines mikrofluidischen Verbundsubstrats und
AC) Trennen des temporären Trägers von dem in Schritt B) hergestellten mikrofluidischen Verbundsubstrat.

Mit anderen Worten werden mikrofluidische Bauteile in dieser Verfahrensvariante vorübergehend auf einem Träger platziert und mit diesem verbunden. Die Bauteile werden dabei mit ihrer mikrofluidisch aktiven Oberfläche, die beispielsweise eine oder mehrere fluidische Öffnungen aufweist, auf die Bestückungsseite des Trägers aufgesetzt und dann in eine geeignete Polymermasse eingebracht. Die mikrofluidischen Bauteile werden mit anderen Worten in eine Polymermasse eingebettet und damit auch fixiert. Beispielsweise kann die Einbettung der Bauteile in die Polymermasse durch Umspritzen, Spritzpressen, Molden oder durch Eingießen erfolgen. Durch die Abdeckung mit dem temporären Träger kann vorteilhafterweise in Schritt AB) eine Beeinträchtigung der mikrofluidischen Strukturen und Elemente auf der mikrofluidisch aktiven Oberfläche der Bauteile durch die Polymermasse weitestgehend vermieden werden. Die mikrofluidischen Strukturen und Elemente können Membranen, Sensoren, Heizerstrukturen und/oder fluidische Öffnungen, wie beispielsweise Einlässe oder Auslässe von mikrofluidischen Kanälen sein. Zum Beispiel nachdem die Polymermasse zumindest teilweise ausgehärtet ist, kann dann im Schritt AC) die Trennung vom temporären Träger erfolgen. Mit der Abtrennung des Verbundsubstrats wird die auf diesen vorher aufgesetzte mikrofluidisch aktive Oberfläche, beispielsweise die fluidischen Öffnungen der mikrofluidischen Bauteile, wieder freigegeben.
Mit dieser erfindungsgemäßen Verfahrensvariante können überraschend gut, insbesondere eine Vielzahl gleicher oder unterschiedlicher mikrofluidischer Bauteile auf einfache Weise in ein Verbundsubstrat integriert und gemeinsam weiter bearbeitet werden. Dies ist vorteilhafterweise möglich, ohne das die mikrofluidischen Bauteile beeinträchtigt werden, insbesondere auch ohne Beeinträchtigung bereits innerhalb der mikrofluidischen Bauteile vorhandener mikrofluidischer Strukturen, wie beispielsweise Mikrokanäle, Mikromischerstrukturen, Verweilstrukturen und Reservoire und/oder aktive Elemente, wie Mikropumpen, Ventile und der jeweils damit verbundenen Funktionalitäten.
Der temporäre Träger kann insbesondere eine Trägerplatte oder -folie sein, die auf ihrer Bestückungsseite mit einem geeigneten Haftmittel für die vorübergehende Verbindung mit dem oder den mikrofluidischen Bauteilen versehen ist oder geeignete selbsthaftende Eigenschaften für eine vorübergehende Fixierung der mikrofluidischen Bauteile aufweisen kann. Mit anderen Worten kann der temporäre Träger auf seiner Bestückungsseite beispielsweise eine Haftschicht aufweisen. Die Trägerplatte oder -folie kann beispielsweise aus metallischen Materialien, wie zum Beispiel aus Stahl, bestehen oder daraus ausgebildet sein.
Geeignete Polymere für die Polymermasse zur Herstellung des polymeren Überzugs im Verbundsubstrat sind zum Beispiel Moldmassen, Epoxidharze, Silikonharze, Polyesterharze, Polyurethanharze, Thermoplaste, wie Polycarbonat (PC), COC, Silikone oder PMMA, wobei diese Aufzählung nicht abschließend zu verstehen ist.
Es ist erfindungsgemäß vorteilhafterweise ebenfalls möglich, neben den mikrofluidischen Bauteilen auch andere, beispielsweise passive oder aktive Komponenten, wie zum Beispiel Halbleiterchips, im Verbundsubstrat zu integrieren statt diese über eine hybride Integration zusammen zu fügen. Dies erweitert in vorteilhafter Weise die möglichen Funktionalitäten der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systeme.
Im Schritt D) kann die Ausbildung einer fluidischen Verbindung eines oder mehrere mikrofluidischer Bauteile nach außen und/oder von mikrofluidischen Bauteilen untereinander durch Fügen und Deckeln des mikrofluidischen Verbundsubstrats mit einem auf dessen Verbindungsseite vorstrukturierten Gegensubstrat erfolgen.
Das Gegensubstrat kann beispielsweise ein Glassubstrat, ein Siliziumsubstrat, ein Leiterplattensubstrat oder ein Polymersubstrat, insbesondere ein Polycarbonatsubstrat, ein Pyrexsubstrat, ein Teflonsubstrat, ein Polystyrolsubstrat, ein Substrat aus einem Cyclo-Olefin-Copolymer, ein Polyestersubstrat oder ein PDMS-Substrat sein. Die Strukturierung solcher Substrate können beispielsweise durch etablierte Verfahren zur Herstellung von Komponenten für die Mikrosystemtechnik, wie Spritzgießen, Tiefenätzen oder Prägen, insbesondere Heißprägen, bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsvariante des Verfahrens, kann die Ausbildung der mikrofluidischen Struktur in Schritt C) gleichzeitig mit Schritt A) und/oder Schritt B) erfolgen wobei die Ausbildung der mikrofluidischen Struktur im Verbundsubstrat die Bereitstellung und Verwendung eines auf mindestens der Bestückungsseite strukturierten temporären Trägers umfasst.
So ist es möglich, dass das Gegensubstrat bereits mindestens auf seiner dem Verbundsubstrat zugewandten Verbindungsoberfläche eine geeignete, insbesondere mikrofluidische, Strukturierung aufweist. Diese Strukturierung kann insbesondere zur Ausbildung einer mikrofluidischen Kanalstruktur für die fluidischen Verbindungen des oder der mikrofluidischen Bauteile nach außen und/oder der mikrofluidischen Bauteile untereinander bestimmt sein. Es ist jedoch auch möglich weitere, andere mikrofluidische Strukturen, wie Mischerstrukturen und/oder Verweilstrukturen mit der Strukturierung des Gegensubstrats auszubilden und bereitzustellen.
Altemativ oder zusätzlich zum Einsatz eines vorstrukturierten Gegensubstrats kann in einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise im Schritt AB), zur Herstellung einer fluidischen Verbindung nach außen und/oder der mikrofluidischen Bauteile untereinander, eine mikrofluidische Struktur zur Ausbildung einer mikrofluidischen Kanalstruktur in der Polymermasse des Verbundsubstrats vorgesehen werden. Mit anderen Worten kann erfindungsgemäß die mikrofluidische Strukturierung in Schritt C) auf einfache Weise gleichzeitig mit der Herstellung und Bereitstellung des Verbundsubstrats in Schritt A) erfolgen und somit in das Verbundsubstrat bereits integriert werden. Diese Strukturierung kann neben der Bereitstellung von mikrofluidischen Kanälen zur fluidischen Verbindung der mikrofluidischen Bauteile auch andere passive und/oder aktive mikrofluidische Komponenten, wie beispielsweise Kammern, Mischerstrukturen, oder Ventile umfassen. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Deckelung des Verbundsubstrats, gegebenenfalls auch durch eine einfache unstrukturierte Gegenplatte als Gegensubstrat erfolgen kann. Dies minimiert vorteilhafterweise den Justageaufwand beim Fügen und Verbinden der Substrate.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Vorsehen der mikrofluidischen Kanalstruktur in Schritt AB) durch Bereitstellung und Verwendung eines auf mindestens der Bestückungsseite strukturierten temporären Trägers erfolgen. Auf der Bestückungsseite des temporären Trägers können dabei beispielsweise geeignete Erhebungen und Vertiefungen angeordnet sein, die in Schritt AB) durch die Polymermasse gleichsam abgeformt werden können. Der temporäre Träger dient in dieser Ausführungsform also, neben der bereitgestellten Träger- und Schutzfunktion für die mikrofluidischen Bauteile, gleichermaßen als Abformkörper (Master) für die Strukturierung der Verbindungsoberfläche des Verbundsubstrats.
In weiteren Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Bereitstellung des auf der Bestückungsseite strukturierten temporären Trägers durch eine strukturierte Aufbringung eines entfembaren Materials auf der Bestückungsseite des temporären Trägers erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die strukturierte Aufbringung des entfembaren Materials auf den mikrofluidischen Bauteilen, die auf den Träger aufgesetzt werden, erfolgen. In einer bevorzugten Variante kann das entfernbare Material ein die-attach Klebstoff sein. Unter entfembarem Material wird verstanden, dass dieses, insbesondere nach der Abtrennung des Verbundsubstrats vom Träger im Schritt AC), beispielsweise mit einem Lösungsmittel und/oder thermisch, so entfernt werden kann, dass insbesondere die entsprechende Strukturierung in der Polymermasse des Verbundsubstrats, gegebenenfalls auch beispielsweise Öffnungen der mikrofluidischen Bauteile, freigelegt werden. Bevorzugt kann die Beseitigung des entfernbaren Materials rückstandsfrei erfolgen, jedoch immer derart, dass die Funktion des Verbundsubstrats mit den darin enthaltenen mikrofluidischen Bauteilen nicht beeinträchtigt wird.
In einer alternativen Ausgestaltung kann der strukturierte temporäre Träger dauerhaft mit diesem Träger verbundene Erhebungen als Strukturierung auf der Bestückungsseite aufweisen. Vorzugsweise kann der temporäre Träger mit der erhabenen Strukturierung, also den Erhebungen, einstückig ausgestaltet sein. Die hierdurch auf der entsprechenden Oberfläche des Verbundsubstrats ab- und ausgebildete Strukturierung kann dann im Schritt AC) erfindungsgemäß freigegeben werden. Dies hat den Vorteil, dass kein weiterer Schritt zur Freigabe der Strukturierung und/oder der im mikrofluidischen . Bauteil vorhandenen Öffnungen notwendig ist. Beispielsweise können die Öffnungen Einlässe oder Auslässe von mikrofluidischen Kanälen sein. Zudem hat diese Verfahrensvariante den Vorteil, dass der temporäre Träger wiederholt eingesetzt und verwendet werden kann, was besonders für eine Serienfertigung im industriellen Maßstab günstig ist. Der temporäre Träger kann beispielsweise als geprägte Stahlplatte gefertigt und eingesetzt werden. Diese Auswahl ermöglicht besonders präzise und maßhaltige Reproduktionen auch bei Großserienfertigung.
In einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, kann der temporäre Träger vor der Bestückung mit den mikrofluidischen Bauteilen in Schritt AA) vollflächig oder strukturiert mit einer entfernbaren Haftschicht überzogen werden, beispielsweise mit einem die-attach-Klebstoff-Film. Der temporäre Träger kann dabei unstrukturiert mit einer ebenen Bestückungsseite oder bereits strukturiert ausgebildet sein. Durch diese erfindungsgemäße Variante können auf einfache Weise Anpassungen der resultierenden Strukturierung des Verbundsubstrats erzielt werden. Gleichzeitig kann die Haftschicht zur temporären Befestigung der Bauteile auf dem temporären Träger genutzt werden.
Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass in Schritt A) zusätzlich zu dem mindestens einen mikrofluidischen Bauteil mindestens eine Elektronikkomponente, insbesondere ein Halbleiterchip, in die Polymermasse eingebracht, also eingebettet und darin fixiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens können vor oder nach Schritt D) eine elektrische Umverdrahtung und/oder eine elektrische Kontaktierung der Halbleiterchips und/oder der mikrofluidischen Bauteile erfolgen. Hierdurch können vorteilhafterweise die notwendigen und/oder gewünschten elektrischen Signal- und Strompfade sowie Kontaktierungen sowohl von Halbleiterchips als auch von mikrofluidischen Bauteilen bereitgestellt werden.
Im Rahmen einer anderen erfindungsgemäßen Verfahrensvariante kann vor Schritt D) auf der Verbindungsseite des Verbundsubstrats vorteilhafterweise mindestens ein weiteres mikrofluidisches Bauteil und/oder eine Elektronikkomponente, insbesondere ein Halbleiterchip, angeordnet werden.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Verfahrens kann die Bereitstellung des Gegensubstrats in Schritt B) das Einbringen, also das Einbetten und Fixieren mindestens eines mikrofluidischen Bauteils in eine Polymermasse umfassen. Mit anderen Worten kann das Gegensubstrat auch ein Verbundsubstrat sein.
Im Rahmen einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin die Einbringung von fluidischen Durchkontakten in das Verbundsubstrat und/oder das Gegensubstrat umfasst sein. Hierdurch können gleichzeitig in einem Verfahrensschritt auch fluidische Verbindungen eines oder mehrerer mikrofluidischer Bauteile nach außen bereitgestellt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein mikrofluidisches System, hergestellt nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren, enthaltend mindestens ein mikrofluidisches Bauteil mit mindestens einer mikrofluidisch aktiven Oberfläche, wobei das mindestens eine mikrofluidische Bauteil unter Ausbildung eines mikrofluidischen Verbundsubstrats in eine Polymermasse eingebettet und darin fixiert ist und die mikrofluidisch aktive Oberfläche des mikrofluidischen Bauteils einen Teil einer Verbindungsseite des mikrofluidischen Verbundsubstrats bildet und das Verbundsubstrat auf der Verbindungsseite mit einer Deckelung durch Verbindung mit einem Gegensubstrat versehen ist, wobei weiterhin, insbesondere zwischen dem Verbundsubstrat und dem Gegensubstrat, mikrofluidische Strukturen, insbesondere zur fluidischen Verbindung des mikrofluidischen Bauteils nach außen und/oder mikrofluidischer Bauteile untereinander, ausgebildet sind.
In einer Ausführungsform kann die mikrofluidisch aktive Oberfläche der mikrofluidischen Bauteile eine oder mehrere fluidisch aktive Membranen, Sensorflächen, Heizerstrukturen und/oder Öffnungen von Kanalstrukturen umfassen. Die mikrofluidischen Strukturen können erfindungsgemäß mikrofluidische Kanäle, aber auch Kammern, Mischerstrukturen, Ventile, Pumpen und/oder andere passive und/oder aktive Komponenten sein oder umfassen.
Das mikrofluidische System nach der Erfindung kann in einer Ausgestaltung mindestens eine Elektronikkomponente, insbesondere einen Halbleiterchip, umfassen. Die Elektronikkomponente kann vorteilhafterweise dafür vorgesehen sein, physikalische Eigenschaften eines Fluids, beziehungsweise die dazugehörigen Messwerte, zu erfassen und/oder Betriebsparameter des Fluids im mikrofluidischen System einzustellen. Darüber hinaus kann eine Elektronikkomponente Sende- und/oder Empfangsmittel für den Austausch elektronischer Signale und Daten mit externen Komponenten aufweisen. Die externe Komponente kann beispielsweise ein Computer sein.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems insbesondere in einem integrierten mikrofluidischen Lab-on-Chip-System, einem µTAS oder einem Mikroreaktor. Diese können beispielsweise in der Medizintechnik, Mikrobiologie und/oder in der medizinischen, biotechnologischen Analytik eingesetzt werden. Ein Vorteil des Einsatzes von solchen mikrofluidischen Systemen ist die Kostenreduktion und die Vereinfachung der Handhabung durch die Verringerung von Probenvolumen und Reagenzieneinsatz und -verbrauch sowie die Kostenreduktion durch die erfindungsgemäß einfache Herstellung und die mögliche Serienfertigung. Zudem kann vorteilhaft eine kürzere Analysezeit und ein höherer Probendurchsatz erzielt werden.
Figurenliste
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.

1 zeigt in schematischen Schnittdarstellungen a) bis d) die Herstellung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einem vorstrukturierten Gegensubstrat als Deckelung,
2 zeigt in schematischen Schnittdarstellungen a) bis d) die Herstellung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einer strukturiert auf einen temporären Träger aufgebrachten Schicht eines entfernbaren Materials,
3 zeigt in schematischen Schnittdarstellungen a) bis d) die Herstellung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit einem unstrukturierten Gegensubstrat als Deckelung und
4 zeigt in schematischen Schnittdarstellungen a) bis d) die Herstellung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems unter Verwendung eines strukturierten temporären Trägers.

Die 1a bis 1d zeigen eine erste Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems, beziehungsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems. 1a zeigt dabei in einer schematischen Schnittdarstellung zwei mikrofluidische Bauteile 1, die jeweils einen mikrofluidischen Kanal 2 mit mikrofluidischen Öffnungen 3 auf ihrer mikrofluidisch aktiven Oberfläche aufweisen, beispielsweise einen Einlass und einen Auslass. Die mikrofluidischen Bauteile 1 werden im Schritt AA) des erfindungsgemäßen Verfahrens mit ihrer mikrofluidisch aktiven Oberfläche, in der die Öffnungen 3 angeordnet sind, auf einen temporären Träger 4, der auf seiner Bestückungsseite eine Haftschicht 5 aufweist, in Pfeilrichtung aufgesetzt und mit dem temporären Träger 4 verbunden. Der temporäre Träger 4 kann zum Beispiel eine planparallele Platte sein. Beispielsweise kann der temporäre Träger 4 eine Stahlplatte sein. In 1b sind die mikrofluidischen Bauteile 1 in eine Polymermasse 6 eingebettet. Im Schritt AB) des Verfahrens können die auf dem temporären Träger 4 aufgesetzten und mit dem Träger 4 über die Haftschicht 5 verbundenen Bauteile 1 mit der Polymermasse 6 beispielsweise umspritzt, gemoldet oder alternativ darin eingegossen werden. Vorteilhafterweise werden die Öffnungen 3 durch die Verbindung mit dem temporären Träger 4 vor dem Eindringen der Polymermasse 6 geschützt und freigehalten. In 1c ist das im Schritt AC) des erfindungsgemäßen Verfahrens vom temporären Träger 4 mit der Haftschicht 5 abgetrennte Verbundsubstrat 10 aus Polymermasse 6 und mikrofluidischen Bauteilen 1 gezeigt. In diesem Schritt werden die Öffnungen 3 der mikrofluidischen Bauteile 1 wieder freigegeben. Die freigegebene Oberfläche des Verbundsubstrats 10 bildet die Verbindungsseite des Verbundsubstrats 10. In 1d ist das Verbundsubstrat 10 mit einem Gegensubstrat 7 als Deckel verbunden. Das Gegensubstrat 7 wird in dieser Ausführungsform zur Herstellung von fluidischen Verbindungen auf seiner Verbindungsseite bereits vorstrukturiert bereitgestellt. Die strukturierte Verbindungsseite des Gegensubstrats 7 ist mit dem Verbundsubstrat 10 gefügt und beispielsweise durch Klebung verbunden. Beispielsweise vor der Verbindung von Verbundsubstrat 10 und Gegensubstrat 7 kann erfindungsgemäß zudem eine elektrische Umverdrahtung vorgesehen werden. Die Vorstrukturierung des Gegensubstrats 7 umfasst fluidische Durchkontakte 8 zur fluidischen Verbindung der mikrofluidischen Bauteile nach außen, beispielsweise zu außerhalb des mikrofluidischen Systems liegenden Komponenten. Die Vorstrukturierung des Gegensubstrats 7 umfasst außerdem mikrofluidische Strukturen, insbesondere zur Ausbildung von Kanalstrukturen, auf der Verbindungsseite. Mit diesen Strukturen wird mit der Verbindung von Verbundsubstrat und Gegensubstrat 7 eine mikrofluidische Kanalstruktur 9 im mikrofluidischen System ausgebildet, die zur Verbindung mit den fluidischen Durchkontakten 8 und zur fluidischen Verbindung der mikrofluidischen Bauteile 1 untereinander dienen kann. Erfindungsgemäß können auch weitere mikrofluidische Strukturen und Komponenten, wie Verweilstrukturen, Kammem, Mikromischer, Pumpen und/oder Ventile ausgebildet werden.
Die 2a bis 2d zeigen eine zweite Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems, beziehungsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems. 2a zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung zwei mikrofluidische Bauteile 1, die jeweils einen mikrofluidischen Kanal 2 mit Öffnungen 3, aufweisen. Die mikrofluidischen Bauteile 1 sind mit ihrer mikrofluidisch aktiven Oberfläche mit den Öffnungen 3 auf einen strukturierten temporären Träger 24 aufgesetzt und mit diesem verbunden. Der temporäre Träger 24 ist durch eine strukturiert aufgetragene Haftschicht 25 strukturiert. Die strukturierte Haftschicht 25 ist beispielsweise aus einem entfernbaren Material ausgebildet. Zum Beispiel kann das Material der Haftschicht mit Lösungsmitteln und/oder thermisch lösbar sein. Hierdurch kann auf einfache Weise eine variable und anpassbare Strukturierung des temporären Trägers 24 erhalten werden. 2b zeigt die in 2a gezeigte Anordnung, wobei die mikrofluidischen Bauteile 1 hierbei in eine Polymermasse 26 unter Ausbildung eines Verbundsubstrats 20 eingebettet sind. Das Verbundsubstrat 20 wird im erfindungsgemäßen Verfahrensschritt AB) beispielsweise durch Umspritzen, Spritzpressen, Molden oder Gießen mit der Polymermasse 26 gebildet. 2c zeigt in einer Schnittdarstellung das vom temporären Träger 24 abgetrennte Verbundsubstrat 20. Durch Entfernung der strukturierten Haftschicht 25 im Verbundsubstrat 20 sind integrierte mikrofluidische Strukturen 21 in der Polymermasse 26 ausgebildet. Mit anderen Worten können mikrofluidische Strukturen 21, insbesondere zur Ausbildung einer mikrofluidischen Kanalstruktur 29, im mikrofluidischen System (2d) bereits im Verbundsubstrat 20 integriert werden. Die mikrofluidischen Kanäle der Kanalstruktur 29 können zur fluidischen Verbindung der mikrofluidischen Bauteile 1 nach außen und/oder mikrofluidischer Bauteile 1 untereinander dienen. 2d zeigt außerdem das Verbundsubstrat 20 aus 2c mit einem mit diesem verbundenen Gegensubstrat 27 als Deckel. Das Gegensubstrat 27 weist in dieser Ausführungsform fluidische Durchkontakte 28 auf. Mindestens ein Teil der Durchkontakte 28 können mit der mikrofluidischen Kanalstruktur 29 kontaktiert sein.
Die 3a bis 3d zeigen eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems, beziehungsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems. 3a entspricht dabei der Anordnung, die in 2a gezeigt ist. 3b zeigt die Anordnung aus 3a, wobei die mikrofluidischen Bauteile 1 in eine Polymermasse 36 unter Ausbildung eines Verbundsubstrats 30 eingebettet sind, wobei das Verbundsubstrat 30 mit dem temporären Träger 24 verbunden ist. Zudem sind in der Polymermasse 36 fluidische Durchkontakte 38 ausgebildet. Diese Durchkontakte 38 können vorteilhafterweise beim Einbetten der mikrofluidischen Bauteile 1 in die Polymermasse 36 im Schritt AB) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits mit ausgeformt und vorgesehen werden. Alternativ können die fluidischen Durchkontakte 38 auch durch nachträgliche Bearbeitung erzeugt werden, beispielsweise durch Bohren. 3c zeigt in einer Schnittdarstellung das vom temporären Träger 24, abgetrennte Verbundsubstrat 30. Die durch die Entfernung der strukturierten Haftschicht 25 im Verbundsubstrat 30 freigegebenen mikrofluidischen Strukturen 31 sind als Vertiefungen in der Polymermasse 36 ausgebildet. Mit anderen Worten können mikrofluidische Strukturen 31, beispielsweise zur Ausbildung einer mikrofluidischen Kanalstruktur 39, bereits im Verbundsubstrat 30 integriert werden. Die Kanäle der mikrofluidischen Kanalstruktur 39 können zur fluidischen Verbindung des oder der mikrofluidischen Bauteile 1 nach außen und/oder mikrofluidischer Bauteile 1 untereinander dienen. Mindestens ein Teil der Kanäle der Kanalstruktur 39 ist mit den fluidischen Durchkontakten 38 kontaktiert. In 3d ist gezeigt, dass die Deckelung des Verbundsubstrats 30 in dieser Ausgestaltung der Erfindung vorteilhafterweise durch das Fügen und Verbinden mit einem unstrukturierten Gegensubstrat 37 erfolgen kann. Das Gegensubstrat 37 kann beispielsweise eine ebene Platte sein. Dies erleichtert unter anderem den Justageaufwand beim Fügen.
Die 4a bis 4d zeigen eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems, beziehungsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems. 4a zeigt dabei in einer schematischen Schnittdarstellung zwei mikrofluidische Bauteile 1, die jeweils einen mikrofluidischen Kanal 2 mit Öffnungen 3 aufweisen. Die mikrofluidischen Bauteile 1 sind mit ihrer mikrofluidisch aktiven Oberfläche, in der die Öffnungen 3 angeordnet sind, auf einem strukturierten temporären Träger 44 aufgesetzt und mit diesen verbunden. Der temporäre Träger 44 weist Erhebungen 44A auf, die dauerhaft mit dem Träger 44 verbunden sein können. Der temporäre Träger 44 kann beispielsweise eine gefräste Stahlplatte sein, die vorteilhafterweise wiederholt für ein erfindungsgemäßes Verfahren eingesetzt werden kann. Dies ist insbesondere im Hinblick auf eine Serienfertigung von mikrofluidischen Systemen günstig. Auf den Erhebungen 44A ist in dieser Ausführungsform eine Haftschicht 45 aufgetragen, mit der die mikrofluidischen Bauteile 1 vorübergehend fixiert werden. Die Haftschicht 45 kann aus einem entfernbaren Material ausgebildet sein, beispielsweise aus einem die-attach-Klebstoff. 4b zeigt die Anordnung aus 4a, wobei die mikrofluidischen Bauteile 1 in eine Polymermasse 46 unter Ausbildung eines Verbundsubstrats 40 eingebettet sind. Zudem sind in der Polymermasse 46 bereits fluidische Durchkontakte 48 ausgebildet Die Durchkontakte 48 können vorteilhafterweise im Schritt AB) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits mit ausgeformt werden. Alternativ können die fluidischen Durchkontakte 48 auch durch nachträgliche Bearbeitung erzeugt werden, beispielsweise durch Bohren. 4c zeigt in einer Schnittdarstellung das vom temporären Träger 44 abgetrennte Verbundsubstrat 40. Die durch den strukturierten Träger 44 mit seinen Erhebungen 44a im Verbundsubstrat 40 ausgeformten mikrofluidische Strukturen 41 sind als Vertiefungen in der Polymermasse 46 ausgebildet, da dort das Verbundsubstrat 40 bei seiner Ausbildung von der Polymermasse 46 freigehalten wird. Mit anderen Worten können mikrofluidische Strukturen 41, beispielsweise zur Ausbildung von Kanälen einer mikrofluidischen Kanalstruktur 49 im mikrofluidischen System zur fluidischen Verbindung des oder der Bauteile 1 nach außen und/oder mikrofluidischer Bauteile 1 untereinander, mindestens teilweise im Verbundsubstrat 40 integriert werden. Mindestens ein Teil der Kanäle der Kanalstruktur 49 kann mit den fluidischen Durchkontakten 48 kontaktiert sein. In 4d ist gezeigt, dass die Deckelung des Verbundsubstrats 40 in dieser Ausgestaltung der Erfindung durch das Fügen und Verbinden mit einem unstrukturierten Gegensubstrat 47 erfolgen kann. Dies minimiert vorteilhafterweise den Justageaufwand beim Fügen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems, enthaltend mindestens ein mikrofluidisches Bauteil (1) mit mindestens einer mikrofluidisch aktiven Oberfläche, mindestens umfassend die Schritte: A) Bereitstellen eines mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) mit einer Verbindungsseite, umfassend mindestens ein, in eine Polymermasse (6, 26, 36, 46) eingebrachtes mikrofluidisches Bauteil (1), wobei dessen mikrofluidisch aktive Oberfläche einen Teil der Verbindungsseite des mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) bildet, B) Bereitstellen eines Gegensubstrats (7, 27, 37, 47) mit einer Verbindungsseite zur Verbindung mit dem mikrofluidischen Verbundsubstrat (10, 20, 30, 40), C) Bereitstellen mikrofluidischer Strukturen (21, 31, 41) mindestens auf der Verbindungsseite des Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) und/oder auf der Verbindungsseite des Gegensubstrats (7, 27, 37, 47) mindestens zur Ausbildung einer mikrofluidischen Kanalstruktur (9, 29, 39, 49) im mikrofluidischen System, und D) Verbinden des mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) und des Gegensubstrats (7, 27, 37, 47) mit ihren Verbindungsseiten unter Ausbildung einer mikrofluidischen Kanalstruktur (9, 29, 39, 49), insbesondere zur Herstellung einer fluidischen Verbindung der mikrofluidischen Bauteile (1) untereinander und/oder des mikrofluidischen Bauteils (1) nach außen, wobei die Bereitstellung des mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) in Schritt A) mindestens die folgenden Schritte umfasst: AA) Aufbringung mindestens eines mikrofluidischen Bauteils (1) auf eine Bestückungsseite eines temporären Trägers (4, 24, 44), wobei das oder die mikrofluidischen Bauteile (1) mit ihrer fluidisch aktiven Oberfläche auf den temporären Träger (4, 24, 44) aufgesetzt werden, AB) Überziehen und Einfassen des/der mikrofluidischen Bauteile (1) mit einer Polymermasse (6, 26, 36, 46) unter Ausbildung des mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) und AC) Trennen des temporären Trägers (4, 24, 44) von dem in Schritt AB) hergestellten mikrofluidischen Verbundsubstrat (10, 20, 30, 40).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung der mikrofluidischen Struktur (21, 31, 41) in Schritt C) gleichzeitig mit Schritt A) und/oder Schritt B) erfolgt, wobei die Ausbildung der mikrofluidischen Struktur (21, 31, 41) im Verbundsubstrat (10, 20, 30, 40) die Bereitstellung und Verwendung eines auf mindestens der Bestückungsseite strukturierten temporären Trägers (4, 24, 44) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des auf der Bestückungsseite strukturierten temporären Trägers (4, 24, 44) durch eine strukturierte Aufbringung eines entfernbaren Materials auf der Bestückungsseite des temporären Trägers (4, 24, 44) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als entfernbares Material ein die-attach Klebstoff verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der strukturierte temporäre Träger (4, 24, 44) dauerhaft mit diesem Träger verbundene Erhebungen (44A) als Strukturierung auf der Bestückungsseite aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der temporäre Träger (4, 24, 44) vor der Bestückung mit dem oder den mikrofluidischen Bauteilen (1) in Schritt AA) vollflächig oder strukturiert mit einer entfernbaren Haftschicht (5, 25, 45) überzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A) zusätzlich zu dem mindestens einen mikrofluidischen Bauteil (1) mindestens eine Elektronikkomponente, insbesondere ein Halbleiterchip, in die Polymermasse (6, 26, 36, 46) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach Schritt D) eine elektrische Umverdrahtung und/oder elektrische Kontaktierung der Halbleiterchips und/oder der mikrofluidischen Bauteile (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor Schritt D) auf der Verbindungsseite des Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) mindestens ein weiteres mikrofluidisches Bauteil (1) und/oder eine Elektronikkomponente angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung des Gegensubstrats (7, 27, 37, 47) in Schritt B) das Einbringen mindestens eines mikrofluidischen Bauteils (1) in eine Polymermasse (6, 26, 36, 46) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung von fluidischen Durchkontakten (8, 28, 38, 48) in das Verbundsubstrat (10, 20, 30, 40) und/oder das Gegensubstrat (7, 27, 37, 47) umfasst ist.
Mikrofluidisches System, hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 11, enthaltend mindestens ein mikrofluidisches Bauteil (1) mit mindestens einer mikrofluidisch aktiven Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine mikrofluidische Bauteil (1) unter Ausbildung eines mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) in eine Polymermasse (6, 26, 36, 46) eingebracht ist, wobei die mikrofluidisch aktive Oberfläche des mikrofluidischen Bauteils (1) einen Teil einer Verbindungsseite des mikrofluidischen Verbundsubstrats (10, 20, 30, 40) bildet und das Verbundsubstrat (10, 20, 30, 40) auf der Verbindungsseite mit einer Deckelung durch Verbinden mit einem Gegensubstrat (7, 27, 37, 47) versehen ist, wobei weiterhin, insbesondere zwischen dem Verbundsubstrat (10, 20, 30, 40) und dem Gegensubstrat (7, 27, 37, 47) eine mikrofluidische Kanalstruktur (9, 29, 39, 49), insbesondere zur fluidischen Verbindung des mikrofluidische Bauteils (1) nach außen und/oder mikrofluidischer Bauteile (1) untereinander ausgebildet ist.
Mikrofluidisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrofluidisch aktive Oberfläche des mikrofluidischen Bauteils (1) eine oder mehrere Öffnungen von Kanalstrukturen, fluidisch aktive Membranen, Sensorflächen und/oder Heizerstrukturen umfasst.
Mikrofluidisches System nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Elektronikkomponente, insbesondere einen Halbleiterchip, umfasst.