-
QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
-
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der
koreanischen Patentanmeldungen Nr. 10-2010-0042060 , eingereicht am 4. Mai 2010, und
Nr. 10-2010-0129857 , eingereicht am 17. Dezember 2010, wobei hiermit der gesamte Inhalt derselben durch Literaturhinweis eingefügt ist.
-
HINTERGRUND
-
Die hierin offenbarte vorliegende Erfindung betrifft eine Mikrokanalsteuertechnologie und insbesondere eine Mikroventilstruktur und ein Lab-on-a-Chip Modul, welche einen Polymeraktor umfassen.
-
In der letzten Zeit nehmen die Entwicklungen und Anwendungen einer Mikrofluidsteuertechnologie, welche die Fließrate oder die Richtung eines Mikrofluids steuert, zusammen mit dem Fortschritt in den Biosensor- und Halbleitertechnologien weiter zu. Eine Spurenmenge einer Komponente, die in einem biologischen Fluid, wie Blut, enthalten ist, kann durch die Mikrofluidsteuertechnologie quantitativ oder qualitativ nachgewiesen werden. Deshalb wurde die Mikrofluidsteuertechnologie eine Kerntechnologie im technischen Gebiet eines Biochips oder eines Lab-on-a-Chip (LOC).
-
Eine Strukturierungstechnologie, welche die Bildung von Mikrokanälen in gewünschten Formen ermöglicht und eine Schalttechnologie, welche die Steuerung des Öffnens und Schließens der Mikrokanäle ermöglicht, müssen bereitgestellt sein, um das Mikrofluid zu steuern. Die Strukturierungstechnologie des Mikrokanals wurde aufgrund der Fortschritte in einer Halbleiterherstellungstechnologie oder einer mikroelektromechanischen System(MEMS)-Technologie verfügbar. Die Schalttechnologie des Mikrokanals kann mittels eines Mikroaktors, der eine piezoelektrische Vorrichtung verwendet, realisiert werden. Obwohl der Mikroaktor, der die piezoelektrische Vorrichtung verwendet, eine hohe Zuverlässigkeit aufweist sowie für die Massenfertigung geeignet ist, ist dieser aufgrund seines hohen Stromverbrauchs und Einschränkungen hinsichtlich der Miniaturisierung in einer Vorrichtung zur patientennahen Sofortdiagnostik (POCT; point-of-care testing) oder in einer tragbaren Vorrichtung schwer zu verwenden.
-
Die Druckschrift
US 7,052,594 B2 offenbart eine Vorrichtung, die einen Fluidfluss steuert und die ein Substrat und eine elastische Folie auf dem Substrat umfasst. Die Druckschriften
US 6,960,864 B2 und
WO 01/06579 A2 offenbaren einen elektroaktiven Polymeraktor. Die Publikation von H. F Schlaak et al., „Novel multilayer electrostatic solid state actuators with elastic dielectric”, Proceedings of SPIE, Vol. 5759, 2005, S. 121–133, offenbart einen Aktor aus elastischen Silikonelastomeren mit dünnen Graphitpulverelektroden. Die Publikation von R. D. Kornbluh et al., „Electroactive polymers: An emerging tchnology for MEMS”, Proceedings of SPIE, Vol. 5344, 2004, S. 13–27, offenbart elektroaktive Polymere für MEMS-Vorrrichtungen. Die Publikation von Mohsen Shahinpoor et al., „Ionic polymer-metal composites: IV. Industrial and medical applications”, Smart Materials and Structures, Vol. 14, 2005, S. 197–214, offenbart ionische Polymer-Metall-Verbundwerkstoffe (IPMCs) für diverse Anwendungen. Die Publikation von F. Lefevre et al., „A polymeric micro actuator to be integrated into an organic material based lab on chip microsystem”, Joint 6
th Internatial IEEE Northeast Workshop an Circuits and Systems and TAISA Conference, 2008, S. 318–322, offenbart ein Mikroventil, das durch ein elektroaktives Polymer betätigt wird. Die Druckschrift
DE 10 2007 044 889 A1 offenbart ein Diagnosetestsystem mit einer ersten Schicht und einer Basis. Die erste Schicht ist an der Basis angebracht, um eine oder mehrere Kammern auszubilden. Das Diagnosetestsystem umfasst eine oder mehrere Pumpen. Jede der einen oder mehreren Pumpen ist ausgestaltet, um die Bewegung eines Fluids im Inneren einer der einen oder mehreren Kammern durch Erzeugen einer Verformung zu steuern, die ein Volumen der einen oder mehreren Kammern verändert.
-
ZUSAMMENFASSUNG
-
Die vorliegende Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 10 definiert. Die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen der Erfindung. Die vorliegende Erfindung stellt eine Mikroventilstruktur bereit, die in der Lage ist, einen geringen Stromverbrauch, ein kleines Volumen und eine verstärkte Beständigkeit bereitzustellen.
-
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Lab-on-a-Chip mit einer Mikroventilstruktur bereit, die in der Lage ist, einen geringen Stromverbrauch, ein kleines Volumen und eine verstärkte Beständigkeit bereitzustellen.
-
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Mikroventilstruktur bereit, in welcher das Öffnen und Schließen des Ventils direkt durch einen Polymeraktor gesteuert werden. Die Mikroventilstruktur kann ein Substrat; eine auf dem Substrat angeordnete flexible Struktur; und einen in die flexible Struktur eingefügten Polymeraktor umfassen. Zu diesem Zeitpunkt weist die flexible Struktur einen Ventilanteil auf, der einen Mikrokanal definiert, und der Polymeraktor kann von dem Mikrokanal durch die flexible Struktur getrennt sein. Zusätzlich kann der Polymeraktor so ausgebildet sein, um eine Breite des Mikrokanals zu ändern, indem eine Verlagerung des Ventilanteils mechanisch und direkt gesteuert wird.
-
In einigen Ausführungsformen kann der Polymeraktor ein Elektrodenpaar und ein dazwischen angeordnetes Polymer-Metall-Komposit umfassen. Das ionische Polymer-Metall-Komposit kann eines aus sulfonierten Tetrafluorethylen-basierten Fluorpolymer-Copolymeren sein.
-
In anderen Ausführungsformen kann der Mikrokanal erste und zweite Kanäle, die voneinander beabstandet sind, umfassen, wobei der Ventilanteil der flexiblen Struktur zwischen den ersten und zweiten Kanälen angeordnet ist, und der Polymeraktor einen in den Ventilanteil eingefügten Anteil aufweisen kann. Ferner kann der Polymeraktor eine größere Breite als eine Summe der Breiten der ersten und zweiten Kanäle des Ventilanteils aufweisen und kann eine Parallelepipedform mit rechteckigen Ober- und Unterseiten aufweisen.
-
In weiteren Ausführungsformen kann der Mikrokanal einen Einlass aufweisen, wo ein Fluid von außen zugeführt wird, und einen Auslass aufweisen, wo das Fluid abgeführt wird. Ferner weist das Substrat eine eine Vertiefung bildende Region auf, die als Mikrokanal verwendet wird, und der Ventilanteil der flexiblen Struktur kann in die eine Vertiefung bildende Region eingefügt werden, wobei diese Ausführungsform der Veranschaulichung dient und nicht von den Ansprüchen erfasst ist.
-
In weiteren Ausführungsformen kann eine größte Oberfläche des Polymeraktors im Wesentlichen parallel zu einer Oberseite des Substrats angeordnet sein.
-
In weiteren Ausführungsformen kann die größte Oberfläche des Polymeraktors im Wesentlichen senkrecht zu der Oberseite des Substrats angeordnet sein.
-
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine Mikroventilstruktur ein Substrat; eine flexible Struktur mit einem Ventilanteil zwischen ersten und zweiten Kanälen, die voneinander beabstandet sind und auf dem Substrat angeordnet sind; und einen Polymeraktor, der in die flexible Struktur eingefügt ist, um eine Verlagerung des Ventilanteils zu steuern, umfassen.
-
In weiteren Ausführungsformen kann der Polymeraktor durch die flexible Struktur von den ersten und zweiten Kanälen beabstandet sein. Der Polymeraktor kann ein Elektrodenpaar und ein dazwischen angeordnetes ionisches Polymer-Metall-Komposit umfassen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Polymeraktor von der flexiblen Struktur umgeben, so dass die Elektroden des Polymeraktors nicht einer Außenatmosphäre oder den ersten und zweiten Kanälen ausgesetzt ist. Das ionische Polymer-Metall-Komposit kann eines aus sulfonierten Tetrafluorethylen-basierten Fluorpolymer-Copolymeren sein.
-
In weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ein Lab-on-a-Chip Modul eine flexible Struktur; eine Vielzahl von Polymeraktoren, die in die flexible Struktur eingeführt sind; und eine Steuerung, die unabhängig die jeweiligen Polymeraktoren steuert, umfassen. Zu diesem Zeitpunkt kann die flexible Struktur einen ersten Kanal, eine Vielzahl von zweiten Kanälen und eine Vielzahl von Ventilanteilen, welche die zweiten Kanäle räumlich von dem ersten Kanal trennen, umfassen, und die Polymeraktoren können so ausgebildet sein, um Verlagerungen der jeweiligen Ventilanteile zu steuern.
-
In anderen Ausführungsformen kann die Steuerung so ausgebildet sein, um wenigstens zwei der Polymeraktoren zu voneinander unterschiedlichen Zeitpunkten mit einem vorgegebenen Zeitintervall anzusteuern.
-
In weiteren Ausführungsformen ist der erste Kanal so ausgebildet, um ein Fluid mit Biomolekülen durchzuleiten, und Reaktionsmittel, die mit den Biomolekülen reagieren, können in den jeweiligen zweiten Kanälen gebildet werden. Die Reaktionsmittel, die in den zweiten Kanälen gebildet werden, können gleich sein und alle Polymeraktoren können zu voneinander unterschiedlichen Zeitpunkten angesteuert werden. Zudem kann wenigstens ein Reaktionsdetektor zusätzlich an den zweiten Kanälen angeordnet sein, um eine Reaktion zwischen dem Fluid und dem Reaktionsmittel zu verfolgen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Die begleitenden Zeichnungen sind beigefügt, um für ein weitergehendes Verständnis der vorliegenden Erfindung zu sorgen und sind eingefügt in diese Beschreibung und stellen einen Teil derselben dar. Die Zeichnungen veranschaulichen beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. In den Zeichnungen:
-
1 und 2 sind Zeichnungen, die beispielhaft eine Mikroventilstruktur und eine Betriebsweise derselben gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
-
3 und 4 sind perspektivische und Querschnittsansichten, die beispielhaft ein Lab-on-a-Chip gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
-
5 bis 8 sind perspektivische Ansichten, die beispielhaft Mikroventilstrukturen und Betriebsweisen derselben veranschaulichen und nicht von den Ansprüchen erfasst sind;
-
9 und 10 sind Querschnitts- und perspektivische Ansichten, die beispielhaft eine Mikroventilstruktur und eine Betriebsweise derselben gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
-
11 und 12 sind perspektivische Ansichten, welche die Mikroventilstrukturen und Betriebsweisen derselben gemäß anderen abgewandelten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen;
-
13 und 14 sind Querschnittsansichten, die beispielhaft Lab-on-a-Chips gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen; und
-
15 ist eine Zeichnung, die eine Verwendung eines Lab-on-a-Chip gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Die obigen Gegenstände, andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind anhand der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in verschiedenen Ausführungsformen verwirklicht werden und sollte nicht so verstanden werden, dass diese auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist. Diese Ausführungsformen sind vielmehr bereitgestellt, damit diese Offenbarung umfassend und vollständig ist und den Fachleuten den Umfang der vorliegenden Erfindung vollständig vermittelt.
-
Wenn in der Beschreibung auf eine Schicht (oder Film) Bezug genommen wird, die ”auf” einer anderen Schicht oder einem anderen Substrat vorliegt, ist dies so zu verstehen, dass diese direkt auf der anderen Schicht oder dem anderen Substrat vorliegen kann oder auch Zwischenschichten vorkommen können. In den Zeichnungen sind die Dimensionen von Schichten und Regionen aus Gründen der Übersichtlichkeit der Abbildung übertrieben dargestellt. Ferner sind die Regionen und die Schichten, obschon Bezeichnungen wie eine erste, eine zweite und eine dritte verwendet werden, um verschiedene Regionen und Schichten in verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu beschreiben, nicht auf diese Bezeichnungen beschränkt. Diese Bezeichnungen werden nur verwendet, um eine Region oder Schicht von einer anderen Region oder Schicht zu unterscheiden. Deshalb kann eine Schicht, die als erste Schicht in einer Ausführungsform bezeichnet wird, als eine zweite Schicht in einer anderen Ausführungsform bezeichnet werden. Eine hierin beschriebene und beispielhaft dargestellte Ausführungsform umfasst eine Ergänzungsausführungsform davon.
-
1 und 2 sind Zeichnungen, die beispielhaft eine Mikroventilstruktur und eine Betriebsweise derselben gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
-
Bezugnehmend auf 1 und 2 ist eine flexible Struktur 20 auf einem Substrat 10 angeordnet und ein Polymeraktor 40 ist in die flexible Struktur 20 eingefügt.
-
Das Substrat 10 und die flexible Struktur 20 können so angeordnet sein, um wenigstens einen Kanal 30 zu definieren. Beispielsweise kann der Kanal 30 zwischen einer Unterseite der flexiblen Struktur 20 und einer Oberseite des Substrats 10 gebildet sein. Insbesondere kann, wie in 1 gezeigt, eine Seitenwand des Kanals 30 durch die flexible Struktur 20 definiert sein. Das heißt, dass die Unterseite der flexiblen Struktur 20 die Seitenwand des Kanals 30 durch Bildung einer nach oben gerichteten Vertiefung definieren kann. Gemäß anderen Ausführungsformen, wie in 5 bis 7 gezeigt, kann die Oberseite des Substrats 10 die Seitenwand des Kanals 30 durch Bildung einer nach unten gerichteten Vertiefung definieren.
-
Das Substrat 10 kann Glas sein. Der Erfindungsgedanke der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann das Substrat 10 aus wenigstens einem Material ausgewählt sein, das nicht mit einem in dem Kanal 30 fließenden Fluid oder mit Materialien, die in dem Fluid enthalten sind, reagiert.
-
Die flexible Struktur 20 kann eine Polymerverbindung mit Elastizität sein. Insbesondere kann die flexible Struktur 20 ein Material, das nicht mit dem in dem Kanal 30 fließenden Fluid oder mit den in dem Fluid enthaltenen Materialien reagiert, aus Polymerverbindungen sein, die als Elastomer bekannt sind. Beispielsweise kann die flexible Struktur 20 aus Polydimethylsiloxan (PDMS) gebildet sein.
-
Die flexible Struktur 20 mit dem Kanal 30 kann unter Verwendung einer softlithografischen Technologie gebildet werden. Beispielsweise kann der Kanal 30 auf einer Oberfläche der flexiblen Struktur 20 unter Verwendung einer Technologie, ausgewählt aus Mikrokontakt-Stempeldruck (μCP), Replikaformen (REM), Mikrotransferformen (μTM), Mikroformen in Kapillaren (MIMIC) und Lösungsmittel-unterstütztes Mikrofonen (SAMIM), gebildet sein. Die flexible Struktur 20 kann durch ein Klebeverfahren, wie eine Sauerstoffplasmabehandlung, auf das Substrat 10 geklebt werden.
-
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die flexible Struktur 20 einen zwischen den Kanälen 30 angeordneten Ventilanteil 25 umfassen, und die Seitenwände des Kanals 30 können durch den Ventilanteil 25 definiert sein. Eine Unterseite des Ventilanteils 25 kann wesentlich in Kontakt mit der Oberseite des Substrats 10 stehen, diese Oberflächen können jedoch nicht aneinander haften. Demzufolge kann der Abstand zwischen dem Ventilanteil 25 und dem Substrat 10, wie in 2 veranschaulicht, durch den Polymeraktor 40 gesteuert werden.
-
Der Polymeraktor 40 kann ein elektrisch getrenntes Elektrodenpaar 41 und 42 und ein zwischen diesen Elektroden 41 und 42 angeordnetes elektroaktives Polymer 45 umfassen. Die Elektroden 41 und 42 können wenigstens ein metallisches Material umfassen. Beispielsweise können die Elektroden 41 und 42 Platin oder Gold sein, das auf zwei sich gegenüberstehenden Oberflächen des elektroaktiven Polymers 45 aufgetragen ist. Gemäß einer Ausführungsform können die Elektroden 41 und 42 des Polymeraktors 40 nicht einer Außenatmosphäre oder den Kanälen 30 ausgesetzt sein. Zu diesem Zweck kann zusätzlich eine dünne Schutzschicht (nicht gezeigt) auf einer Oberfläche des Polymeraktors 40 gebildet werden. Die Schutzschicht kann flexible Eigenschaften aufweisen.
-
Das elektroaktive Polymer 45 kann ein Material sein, das unter einer angelegten Spannung eine Biege-Stellbewegung zeigt. Das elektroaktive Polymer 45 kann beispielsweise ein ionisches Polymer-Metall-Komposit (IPMC) sein. Wenn das ionische Polymer-Metall-Komposit als elektroaktives Polymer 45 verwendet wird, kann die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 41 und 42 die vorangehende Biege-Stellbewegung und die begleitenden Verlagerungen des Polymeraktors 40 und des Ventilanteils 25 durch Ionenwanderung und elektrostatische Abstoßung, erzeugt in dem ionischen Polymer-Metall-Komposit, erzeugen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das ionische Polymer-Metall-Komposit eines aus sulfonierten Tetrafluorethylen-basierten Fluidpolymer-Copolymeren sein, der technische Gedanke der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Gemäß abgewandelten Ausführungsformen kann das ionische Polymer-Metall-Komposit ferner Graphenoxid oder Graphen umfassen.
-
Der Polymeraktor 40 kann benachbart zu dem Ventilanteil 25 in der flexiblen Struktur 20 gebildet sein. In diesem Fall, wie in 2 veranschaulicht, kann der Ventilanteil 25, wenn die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 41 und 42 erzeugt wird, aufgrund der Biege-Stellbewegung des Polymeraktors 40 vom Substrat 10 beabstandet sein. Als Folge davon kann ein Mikrokanal 35, der die Kanäle 30 verbindet, zwischen dem Ventilanteil 25 und dem Substrat 10 gebildet sein.
-
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann der Ventilanteil 25, wie in 1 und 2 veranschaulicht, mechanisch und direkt mit dem Polymeraktor 40 verbunden sein. Demzufolge kann der Ventilanteil 25 direkt durch den Polymeraktor 40 angesteuert werden. Als Folge davon kann die mechanische Verlagerung des Ventilanteils 25 direkt durch den Polymeraktor 40 gesteuert werden. Die vorangehende Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann weit bessere Eigenschaften bezüglich der Reaktionsgeschwindigkeit und Betätigungskraft bereitstellen im Vergleich zu den abgewandelten Ausführungsformen, in welchen der Ventilanteil 25 von dem Polymeraktor 40 beabstandet ist. Gemäß den vorangehenden Ausführungsformen kann der Polymeraktor 40 so ausgebildet sein, dass er eine größere Breite als die Summe der Breiten des Kanalpaars 30 und des Ventilanteils 25 aufweist.
-
3 und 4 sind perspektivische und Querschnittsansichten, die beispielhaft ein Lab-on-a-Chip gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. 4 ist eine Querschnittsansicht entlang der gestrichelten Linie I-I' der 3. Der Einfachheit halber wird keine Beschreibung betreffend die technischen Eigenschaften, die mit den unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschriebenen Ausführungsformen überlappen, bereitgestellt.
-
Bezugnehmend auf 3 kann eine flexible Struktur 20, die einen ersten Kanal 301 und einen zweiten Kanal 302, die voneinander beabstandet sind, definiert, auf einem Substrat 10 gebildet sein. Ferner kann die flexible Struktur 20 so ausgebildet sein, um einen dritten Kanal 303 zwischen den ersten und zweiten Kanälen 301 und 302 zu definieren. Der dritte Kanal 303 ist von den ersten und zweiten Kanälen 301 und 302 beabstandet. Die ersten und zweiten Kanäle 301 und 302 können einen Einlass 36 aufweisen, wo ein Fluid jeweils von außen zugeführt wird. Weiterhin können die ersten bis dritten Kanäle 301, 302 und 303 zusätzlich einen Auslass 37 aufweisen, wo das zugeführte Fluid jeweils abgeführt wird.
-
Die flexible Struktur 20 kann, wie in 4 veranschaulicht, einen ersten Ventilanteil 251, der zwischen den ersten und dritten Kanälen 301 und 303 gebildet ist, und einen zweiten Ventilanteil 252, der zwischen den zweiten und dritten Kanälen 302 und 303 gebildet ist, aufweisen. Ferner können die ersten und zweiten Polymeraktoren 401 und 402, die über den ersten und zweiten Ventilanteilen 251 und 252 angeordnet sind, in die flexible Struktur 20 eingefügt sein. Der Ventilanteil 25 und der Polymeraktor 40 gemäß der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Ausführungsform kann verwendet werden, um den ersten Ventilanteil 251 und den ersten Polymeraktor 401 und den zweiten Ventilanteil 252 und den zweiten Polymeraktor 402 zu verwirklichen.
-
Ein Fluid mit Biomolekülen wird wenigstens einem der ersten und zweiten Kanäle 301 und 302 zugeführt und ein Reaktionsmittel, das mit den Biomolekülen reagiert, kann dem anderen zugeführt werden. Wenn die ersten und zweiten Ventilanteile 251 und 252 von dem Substrat 10 beabstandet sind, können die Biomoleküle und das Reaktionsmittel somit durch Ansteuern der ersten und zweiten Polymeraktoren 401 und 402 nach Durchfließen des dritten Kanals 303 reagieren. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Fluid mit den Biomolekülen Blut sein. Es ist jedoch nicht darauf beschränkt und die Biomolekültypen sind ebenfalls nicht beschränkt.
-
5 bis 8 sind perspektivische Ansichten, die beispielhaft Mikroventilstrukturen und Betriebsweisen derselben veranschaulichen und nicht von den Ansprüchen erfasst sind. Der Einfachheit halber wird keine Beschreibung betreffend die technischen Eigenschaften, die mit den unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben Ausführungsformen überlappen, bereitgestellt.
-
Bezugnehmend auf 5 bis 8 kann eine eine Vertiefung bildende Region 15, die eine tiefere Oberseite als der äußere Rand aufweist, in einer vorgegebenen Region des Substrats 10 gebildet sein. Die eine Vertiefung bildende Region 15 kann in verschiedenen Formen ausgebildet sein. Beispielsweise kann sich eine Breite der eine Vertiefung bildenden Region 15, wie in 5 veranschaulicht, sich nach oben verjüngen oder kann, wie in 6 veranschaulicht, im Wesentlichen gleich sein oder, wie in 7 veranschaulicht, sich nach unten verjüngen.
-
Die flexible Struktur 20 kann einen Ventilanteil 25 aufweisen, der in die eine Vertiefung bildende Region 15 eingefügt ist, und ein Polymeraktor 40 benachbart zu dem Ventilanteil 25 kann in die flexible Struktur 20 eingefügt sein. Der Ventilanteil 25 kann so ausgebildet sein, um eine bezüglich der eine Vertiefung bildenden Region 15 eingerückte Form aufzuweisen. Wenn beispielsweise die eine Vertiefung bildende Region 15, wie in 5 veranschaulicht, eine sich nach oben verjüngende Form aufweist, kann der Ventilanteil 25 ebenfalls eine sich nach oben verjüngende Form aufweisen. Wie in
-
6 veranschaulicht, können die eine Vertiefung bildende Region 15 und der Ventilanteil 25 so ausgebildet sein, um eine rechteckige Parallelepipedform aufzuweisen oder die eine Vertiefung bildende Region 15 und der Ventilanteil 25 können, wie in 7 veranschaulicht, eine sich nach unten verjüngende Form aufweisen.
-
Wie in 5 bis 7 veranschaulicht, können die Mikroventilstrukturen gemäß den Ausführungsformen eine normalerweise offene Struktur aufweisen. Das heißt, dass, wenn keine Spannung angelegt wird, ein durch das Substrat 10 und die flexible Struktur 20 definierter Kanal in einem offenen Zustand sein kann. Zu diesem Zweck sind die eine Vertiefung bildende Region 15 und der Ventilanteil 25, wenn keine Spannung angelegt wird, so voneinander beabstandet, dass der Kanal in dem offenen Zustand sein kann. Ferner kann die Breite des Ventilanteils 25 enger sein als die Breite der eine Vertiefung bildenden Region 15.
-
Indessen kann der Polymeraktor 40, wenn die Spannung an beide Elektroden des Polymeraktors 40 angelegt wird, durch konvexes Biegen nach oben den Ventilanteil 25 nach oben anheben. In diesem Fall steht der Ventilanteil 25, wie in 8 veranschaulicht, so mit den Seitenwänden der eine Vertiefung bildenden Region 15 in Kontakt, dass der Kanal geschlossen sein kann. Gemäß anderen Ausführungsformen biegt sich der Polymeraktor 40, wenn eine Spannung angelegt wird, konvex nach unten, so dass der Ventilanteil 25 einen Boden der eine Vertiefung bildenden Region 15 berühren kann. In diesem Fall können die Kanäle gemäß den in 6 und 7 veranschaulichten Ausführungsformen geschlossen sein.
-
Damit die Mikroventilstruktur die normalerweise offene Struktur aufweist, kann zusätzlich ein Abstandshalter (nicht gezeigt), der eine Dicke des Kanals 30 festlegt, zwischen der flexiblen Struktur 20 und dem Substrat 10 angeordnet sein. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Abstandshalter als Teil der flexiblen Struktur 20 oder des Substrats 10 bereitgestellt sein.
-
9 und 10 sind Querschnitts- und perspektivische Ansichten, die beispielhaft eine Mikroventilstruktur und eine Betriebsweise derselben gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulichen, und 11 und 12 sind perspektivische Ansichten, die beispielhaft die Mikroventilstrukturen und Betriebsweisen derselben gemäß anderen abgewandelten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Der Einfachheit halber wird keine Beschreibung betreffend die technischen Eigenschaften, die mit den unter Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschriebenen Ausführungsformen überlappen, bereitgestellt.
-
Bezugnehmend auf 9 und 10 ist eine flexible Struktur 20, die voneinander beabstandete Kanäle 30 definiert, auf einem Substrat 10 angeordnet. Die flexible Struktur 20 kann einen zwischen den Kanälen 30 angeordneten Ventilanteil 25 aufweisen, und wenigstens ein in dem Ventilanteil 25 eingefügter Polymeraktor 40 ist in der flexiblen Struktur 20 angeordnet.
-
Gemäß einigen Ausführungsformen kann der Polymeraktor 40 angeordnet sein, wobei eine Hauptachse MA davon im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberseite des Substrats 10 positioniert ist. Beispielsweise kann der Polymeraktor 40, wie in 10 veranschaulicht, ein dünnes rechteckiges Parallelepiped mit rechteckig geformten Ober- und Unterseiten sein, und die Oberflächen (z. B. die Ober- und Unterseiten) mit der größten Fläche in dem Polymeraktor 40 können senkrecht zu der Oberseite des Substrats 10 sein. Daher kann eine Verlagerung des Polymeraktors 40 entlang einer Richtung erfolgen, welche die Kanäle 30 kreuzt, und eine quer laufende Verlagerung des Polymeraktors 40 verursacht eine quer laufende Verlagerung des Ventilanteils 25, welche die Breiten der Kanäle 30 ändert.
-
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die flexible Struktur 20 eine Zwischenraumregion 29 umfassen, die in einem oberen Teil des Kanals 30 angeordnet ist. Die Zwischenraumregion 29 kann mit einem Gas unter Atmosphärendruck gefüllt sein. Der Polymeraktor 40 kann in den Ventilanteil 25 der flexiblen Struktur 20 eingefügt sein, indem dieser in die Zwischenraumregion 29 eindringt. Da eine Gegenwirkung oder ein Widerstand gegen die Betätigungskraft des Polymeraktors 40 durch die Zwischenraumregion 29 verringert ist, kann die Betätigungskraft des Polymeraktors 40 besser auf den Ventilanteil 25 übertragen werden. Gemäß der vorangehenden Ausgestaltung kann die an den Polymeraktor 40 angelegte Spannung verringert werden.
-
Obwohl die Unterseiten der Kanäle 30, wie in 9 veranschaulicht, durch die Oberseite des Substrats 10 definiert sein können, können die Unterseiten, wie in 10 veranschaulicht, durch die flexible Struktur 20 definiert sein. Das heißt, dass die Kanäle 30 gemäß der Ausführungsform der 10 im Innern der flexiblen Struktur 20 ausgebildet sein können, indem diese von der Oberseite des Substrats 10 beabstandet sind.
-
Wie in 10 und 11 veranschaulicht, kann eine Vielzahl von Polymeraktoren 40 in der flexiblen Struktur 20 eingefügt sein. Zu diesem Zeitpunkt sind einige der Polymeraktoren 40 so ausgebildet, um die Betätigungskraft gegen den einen Kanal 30 zu erzeugen und die anderen können so ausgebildet sein, um die Betätigungskraft gegen den anderen Kanal 30 zu erzeugen. Wenn beispielsweise die Kanäle 30 parallel zu der xy-Ebene sind und die Hauptachsen davon im Wesentlichen in der y-Richtung liegen, erzeugen einige Polymeraktoren 40 eine Verlagerung in der x-Richtung und die anderen Polymeraktoren 40 können eine Verlagerung in der –x-Richtung erzeugen. In diesem Fall ist es möglich, alle Kanäle 30 zu schließen sowie selektiv den einen Kanal 30 zu schließen.
-
Die Form der Kanäle 30 können, wie in 11 und 12 gezeigt, unterschiedlich geändert werden. Beispielsweise können die Kanäle 30, wie in 11 veranschaulicht, in einer Zickzack-Form ausgebildet sein oder können so ausgebildet sein, dass sie wenigstens eine enge Region 30n und wenigstens eine breite Region 30w aufweisen, die wie in 12 veranschaulicht abwechselnd angeordnet sind. Ferner kann, wie in 12 veranschaulicht, der Kanal 30 eine Form haben, in welcher eine Grenzregion zwischen der engen Region 30n und der breiten Region 30w eine sich verjüngende Form, ähnlich wie Herzklappen, aufweist.
-
13 und 14 sind Querschnittsansichten, die beispielhaft Lap-on-a-Chips gemäß anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. 15 ist eine Zeichnung, die beispielhaft die Verwendung eines Lap-on-a-Chip gemäß vorliegender Erfindung veranschaulicht. Der Einfachheit halber wird keine Beschreibung betreffend die technischen Eigenschaften, die mit den unter Bezugnahme auf 1 bis 12 beschriebenen Ausführungsformen überlappen, bereitgestellt.
-
Bezugnehmend auf 13 und 14 kann ein Lab-on-a-Chip eine auf einem Substrat 10 angeordnete flexible Struktur 20 umfassen, um Kanäle 31 und 32 zu definieren. Die Kanäle 31 und 32 können einen ersten Kanal 31, der einen Einlass 36 und einen Auslass 37 verbindet, und eine Vielzahl von zweiten Kanälen 32, die von dem ersten Kanal 31 beabstandet sind, umfassen.
-
Die flexible Struktur 20 kann einen Ventilanteil umfassen, welcher die zweiten Kanäle 32 von dem ersten Kanal 31 trennt. Ferner kann eine Vielzahl von Polymeraktoren 40 in der flexiblen Struktur 20 eingefügt sein und die Polymeraktoren 40 können benachbart zu den jeweiligen Ventilanteilen angeordnet sein. Gemäß einigen Ausführungsformen können die Form und die Anordnung des Ventilanteils und des Polymeraktors 40, wie in der unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen Ausführungsform, gleich sein. Gemäß anderen Ausführungsformen können die Form und die Anordnung des Ventilanteils und des Polymeraktors 40 hingegen wie in den unter Bezugnahme auf 5 bis 12 beschriebenen Ausführungsformen gleich sein oder können eine Abwandlung davon sein.
-
Darüber hinaus kann das Lab-on-a-Chip zusätzlich eine Steuerung 90, welche die Polymeraktoren 40 ansteuert und eine Steuerverbindungsstruktur 71, welche die Polymeraktoren 40 elektrisch verbindet, umfassen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Steuerung 90 als externe Komponente des Lab-on-a-Chip bereitgestellt sein. Die Steuerverbindungsstruktur 71 besteht beispielsweise aus flexiblen Verbindungen, so dass die relative Position und der relative Abstand zwischen der Steuerung 90 und dem Substrat 10 geändert werden kann.
-
Die Steuerverbindungsstruktur 71 kann eine erste Steuerverbindung 71a, die üblicherweise mit den Polymeraktoren 40 verbunden ist und zweite Steuerverbindungen 71b, die mit den jeweiligen Polymeraktoren 40 verbunden sind, umfassen. Wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, kann der Polymeraktor 40 eine erste Elektrode 41, eine zweite Elektrode 42 und das dazwischen angeordnete elektroaktive Polymer 45 umfassen. In diesem Fall ist die erste Steuerverbindung 71a mit der ersten Elektrode 41 des Polymeraktors 40 verbunden und die zweiten Steuerverbindungen 71b können mit den jeweiligen zweiten Elektroden 42 der Polymeraktoren 40 verbunden sein. Das heißt, dass die Anzahl der zweiten Steuerverbindungen 71b gleich sein kann wie die Anzahl der Polymeraktoren 40.
-
Der erste Kanal 31 kann eine Form haben, in welcher ein Fluid mit Biomolekülen durchgeleitet wird. Das Fluid kann beispielsweise Blut sein und der erste Kanal 31 kann als Umgehungsleitung eines Blutgefäßes bereitgestellt sein. Insbesondere kann das Lab-on-a-Chip (LOC) gemäß vorliegender Erfindung, wie in 15 veranschaulicht, an einem menschlichen Körper (z. B. Unterarm) befestigt werden, und ein Einlass 36 und ein Auslass 37 des ersten Kanals 31 können mit einem Blutgefäß des menschlichen Körpers verbunden werden.
-
Ein mit den Biomolekülen reagierendes Reaktionsmittel kann in den zweiten Kanälen 32 geformt werden. In diesem Fall, wenn das Fluid mit den Biomolekülen durch die Ansteuerung der Polymeraktoren 40 in den zweiten Kanal 32 einströmen gelassen wird, kann sich in dem zweiten Kanal 32 zwischen den Biomolekülen und dem Reaktionsmittel ein Reaktionsprodukt 99 bilden.
-
Das Lab-on-a-Chip kann ferner Reaktionsdetektoren 80 umfassen, die überwachen, ob das Reaktionsprodukt 99 erzeugt wird. Beispielsweise können die Reaktionsdetektoren 80, wie in 13 und 14 veranschaulicht, auf oberen Teilen der jeweiligen zweiten Kanäle 32 angeordnet sein. Obwohl der technische Gedanke der vorliegenden Erfindung nicht auf ein Verfahren beschränkt ist, welches das Reaktionsprodukt 99 nachweist, kann der Reaktionsdetektor 80 gemäß einigen Ausführungsformen so ausgebildet sein, um das Vorliegen des Reaktionsprodukts 99 durch ein optisches oder elektrisches Verfahren zu messen. Eine Aktionssteuerung des Reaktionsdetektors 80 oder eine Übertragung der gemessenen Daten kann, wie in 13 veranschaulicht, erreicht werden durch eine Nachweisverbindungsstruktur 72, welche die Reaktionsdetektoren 80 und die Steuerung 90 verbindet. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Steuerverbindungsstruktur 71 jedoch als Nachweisverbindungsstruktur fungieren, welche wie in 14 veranschaulicht die Reaktionsdetektoren 80 und die Steuerung 90 verbindet.
-
Wenn die zueinander verschiedenen zweiten Steuerverbindungen 71b mit den Polymeraktoren 40 verbunden werden, können die Polymeraktoren 40 unabhängig angesteuert werden. Beispielsweise können die Polymeraktoren 40 durch Ansprechen auf ein Steuersignal von der Steuerung 90 der Reihe nach angesteuert werden. In diesem Fall können die zweiten Kanäle 32 der Reihe nach mit dem ersten Kanal 31 verbunden sein und ein Fluid F1 in dem ersten Kanal 31 kann in den offenen zweiten Kanal 32 durch einen Einstrom F2 des Fluids F1 einströmen gelassen werden. Das heißt, dass die Steuerung 90 so ausgebildet sein kann, um die Polymeraktoren 40 zu voneinander unterschiedlichen Zeitpunkten mit einem vorgegebenen Zeitintervall anzusteuern. Da die der Reihe nach erfolgende Ansteuerung es ermöglicht, einen biochemischen Lebensstatus periodisch zu überwachen, können kritische Aspekte, wie ein Herzinfarkt oder ein Hirnschlag, verhindert werden. Gemäß den Ausführungsformen können dieselben Reaktionsmittel in den zweiten Kanälen 32 gebildet werden.
-
Gemäß den abgewandelten Ausführungsformen können die in den zweiten Kanälen 32 gebildeten Reaktionsmittel hingegen zwei Arten sein. In diesem Fall können zwei Risikofaktoren oder Erkrankungen mittels des Lab-on-a-Chip überwacht werden.
-
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird ein Polymeraktor, der entsprechend einer angelegten Spannung eine mechanische Verlagerung erzeugt, für eine Mikroventilstruktur oder ein Lab-on-a-Chip verwendet. Als Folge davon kann die Mikroventilstruktur oder das Lab-on-a-Chip miniaturisiert werden sowie eventuell niedrige Stromverbrauchskenndaten verglichen mit einem Verfahren erreicht werden, das eine piezoelektrische Vorrichtung verwendet. Folglich kann das Lab-on-a-Chip gemäß vorliegender Erfindung als Produkt, wie beispielsweise eine Vorrichtung zur patientennahen Sofortdiagnostik (POCT; point-of-care testing) oder eine tragbare Vorrichtung, hergestellt werden.
-
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist außerdem der Polymeraktor von einem Mikrokanal mittels einer flexiblen Struktur beabstandet. Das heißt, dass der Polymeraktor nicht direkt mit einem Fluid in dem Mikrokanal in Kontakt steht. Es können daher technische Schwierigkeiten, die sich aus dem direkten Kontakt zwischen dem Polymeraktor und dem Fluid ergeben, verhindert werden. Das heißt, dass die Mikroventilstruktur oder das Lab-on-a-Chip gemäß vorliegender Erfindung eine verbesserte Beständigkeit und Zuverlässigkeit aufweisen können.
-
Gemäß einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist ein Ventilanteil, der den Öffnungs- und Schließvorgang des Mikroventils steuert (z. B. eine Breitensteuerung des Kanals), mechanisch und direkt mit dem Polymeraktor verbunden. Deshalb kann eine Betätigungskraft des Polymeraktors für den Öffnungs- und Schließvorgang direkt auf den Ventilanteil übertragen werden. Die Mikroventilstruktur oder das Lab-on-a-Chip gemäß vorliegender Erfindung können durch die direkte Übertragung der Betätigungskraft eine erhöhte Betriebsgeschwindigkeit bewirken.
-
Der oben offenbarte Gegenstand ist veranschaulichend und nicht einschränkend aufzufassen und die angehängten Ansprüche sollen alle Abwandlungen, Verbesserungen und andere Ausführungsformen erfassen, die unter den tatsächlichen Erfindungsgeist und -umfang der vorliegenden Erfindung fallen. Folglich ist der Umfang der vorliegenden Erfindung, in dem maximal gesetzlich zulässigen Umfang, anhand der breitesten zulässigen Auslegung der folgenden Ansprüche und deren Äquivalente zu bestimmen und soll nicht durch die vorangehende ausführliche Beschreibung beschränkt oder eingeschränkt sein.
