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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer mikrofluidischen Vorrichtung sowie eine solche nach dem Verfahren hergestellte Vorrichtung, insbesondere für ein Lab-On-a-Chip (LOC)-System.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind Diagnosesysteme, sogenannte LOC-Systeme, bekannt, welche oft auch als µ-TAS (Micro-Total-Analysis-Systems) bezeichnet werden, welche generell dazu dienen, Proben, wie zum Beispiel Proben von Patienten, wie Blut, Urin, Sputum, oder sonstige Körperflüssigkeiten, vollständig und automatisch zu analysieren, wobei die geringe Größe dieser Systeme sehr bedeutsam ist, weshalb sie insbesondere für mobile Anwendungen eingesetzt werden, wo schnell eine vollständige Analyse durchgeführt werden muss, zum Beispiel bei der medizinischen Erstversorgung.
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Diese Systeme bestehen herkömmlicherweise aus zwei oder mehr Schichten eines polymeren Materials mit integrierten Kanälen und Kavitäten zum Transportieren, Mischen, Filtern usw. von Probenbestandteilen und Reagenzien. Zur Erhöhung der Funktionalität werden auch metallisierte Polymere in solchen Schichtsystemen eingesetzt, beispielsweise zum integrierten Heizen oder als Temperatursensoren.
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Diese Polymerschichten können auf verschiedene Weise miteinander verbunden werden: Dispensieren von Klebstoff, Lösungsmittelschweißen, Laserdurchstrahlschweißen, Heizelementschweißen oder Ultraschallschweißen. Aufgrund der kleinen Strukturgrößen in mikrofluidischen Vorrichtungen besteht bei diesen Verbindungsarten häufig das Risiko, dass beispielsweise ein Kanal in einer Polymerschicht durch einlaufenden Klebstoff oder verflüssigtes Polymer verstopft bzw. verschlossen wird.
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Aus diesem Grund haben sich Verbindungsarten wie das Laserdurchstrahlschweißen als vorteilhaft erwiesen, da hier der Wärmeeintrag lokal steuerbar ist und damit ggf. ein Sicherheitsabstand zu kritischen Strukturen eingehalten werden kann.
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Aus der
US 2007/0125489 A1 ist beispielsweise eine solche mikrofluidische Vorrichtung bekannt, bei welcher elektromagnetische Energie, wie zum Beispiel von einem Laser oder Mikrowellenenergie, dazu verwendet wird, die Schichten miteinander zu verbinden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schlägt unter einem ersten Aspekt gemäß Anspruch 1 ein Verfahren zum Herstellen einer wenigstens aus einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht bestehenden mikrofluidischen Vorrichtung vor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Aufbringen von wenigstens einer elektrisch leitenden Leiterbahn auf einer Oberfläche der ersten Schicht; Ausbilden von wenigstens einer Ausnehmung in und/oder auf der zweiten Schicht; Kontaktieren der Leiterbahn an wenigstens zwei Punkten der Leiterbahn mit einer außerhalb der ersten bzw. zweiten Schicht angeordneten Stromquelle, so dass bei Betrieb der Stromquelle ein Stromfluss in der Leiterbahn zustande kommt; Aufeinanderpressen der ersten und der zweiten Schicht, so dass die Leiterbahn zwischen der ersten und der zweiten Schicht angeordnet ist; und Betreiben der Stromquelle derart, dass während des Aufeinanderpressens der ersten und zweiten Schicht Material beider Schichten entlang der stromgeschlossenen Leiterbahn bei einer materialabhängigen Temperatur zum Schmelzen gebracht wird, und zwar aufgrund der Wärmeentwicklung der stromdurchlossenen Leiterbahn, und sich das Material beider Schichten nach Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur nach Art eines Schweißvorgangs miteinander verbindet.
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Unter einem zweiten Aspekt wird eine mikrofluidische Vorrichtung vorgeschlagen, welche nach dem obigen Verfahren hergestellt worden ist.
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Vorteile der Erfindung
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Der Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens ergibt sich daraus, dass durch die dissipierte Wärme angrenzende Polymerschichten lokal über die Erweichungstemperatur erhitzt bzw. erwärmt werden, was zu einer Durchmischung und Wärmeverbindung der Polymere führt, und somit die mikrofluidischen Strukturen gleichzeitig abgedichtet werden.
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Im Gegensatz zu herkömmlichen Klebetechniken, Lösungsmittelschweißen, Heizelementschweißen und Ultraschallschweißen lässt sich der Verbindungsvorgang durch das vorher definierte Layout der Leiterbahn oder Leiterbahnen stark lokal begrenzen und steuern.
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Im Gegensatz zum Laserdurchstrahlschweißen wird kein aufwändiges Lasersystem zum Verbinden des Schichtaufbaus benötigt. Tatsächlich wird lediglich eine Pressvorrichtung und die Bereitstellung einer Stromquelle bzw. Spannungsquelle benötigt. Insbesondere wenn eine Metallisierung auch für andere Funktionen des Systems benötigt wird, ergibt sich damit ein deutlicher Kostenvorteil bei der Herstellung des Gesamtsystems.
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Als Hauptunterschied zu herkömmlichen Verfahren verbleibt der Mechanismus zum Wärmeeintrag (d.h. die Leiterbahn bzw. die Leiterbahnen) nach dem Verbindungsvorgang im Bauteil bzw. der mikrofluidischen Vorrichtung. Dabei kann die Leiterbahn bzw. können die Leiterbahnen auch im späteren Betrieb der mikrofluidischen Vorrichtung noch Funktionen bereitstellen. Beispielsweise ist es möglich, den Verlauf einer für den Betrieb benötigten Leiterbahn so anzupassen, dass diese nicht nur zum Verbinden des Schichtsystems verwendet werden kann.
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Oftmals werden auf einem Lab-On-a-Chip unterschiedliche Drücke eingesetzt, so dass die Anforderungen an die Verbindung in der Vorrichtung variieren können. Zusätzlich kann die maximale tolerierbare Temperatur lokal begrenzt sein, und zwar durch den Einsatz von empfindlichen biochemischen Reagenzien. Die Erfindung gestattet neben dem räumlichen lokalen Wärmeeintrag auch eine räumliche Variation der Temperatur durch lokales Anpassen der Leiterbahndimensionen und damit des elektrischen Widerstands.
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Vorzugsweise weist die erste Schicht im Querschnitt die Form einer flexiblen Membran auf, wobei eine dritte Schicht an einer Oberfläche der ersten Schicht angeordnet wird, welche der Oberfläche der ersten Schicht gegenüberliegt, welche die wenigstens eine Leiterbahn trägt. Hierbei kann die flexible Membran auch aus einem Polymermaterial hergestellt sein. Durch die Membran können weitere mikrofluidische Funktionen bereitgestellt werden, beispielsweise in dem mikrofluidischen System integrierte Membranventile und -pumpen.
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Vorteilhafter Weise ist die wenigstens eine Ausnehmung in der zweiten Schicht in der Art einer kanalartigen Ausnehmung im Wesentlichen in einer Längsrichtung der zweiten Schicht ausgebildet, wobei jeweils an den Enden der kanalartigen Ausnehmung Durchgangslöcher durch eine Dicke der zweiten Schicht angeordnet sind, über welche Durchgangslöcher die kanalartige Ausnehmung in fluidischer Verbindung mit der Außenwelt der mikrofluidischen Vorrichtung steht. Somit können Proben durch ein Durchgangsloch (den Einlaß) hindurch in den Kanal eingeführt werden, und die mikrofluidische Vorrichtung durch das andere Durchgangsloch (den Auslaß) wieder verlassen.
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Es wird bevorzugt, dass die Leiterbahn bzw. Leiterbahnen entlang beider Seiten der kanalartigen Ausnehmung und um die Durchgangslöcher herum verläuft bzw. verlaufen, und zwar in der Ebene der Schnittstelle der Schichten, wenn die Schichten aufeinandergepresst sind, so dass die kanalartige Ausnehmung bzw. der Kanal und die Durchgangslöcher in der Ebene der Schnittstelle aufgrund des Wärmeeintrags durch die Leiterbahn bzw. Leiterbahnen abgedichtet werden.
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Entsprechend der Anwendung der mikrofluidischen Vorrichtung kann die kanalartige Ausnehmung bzw. kann der Kanal eine mäanderartige Form aufweisen, um so die wirksame Länge des Kanals zu erhöhen. Vorzugsweise weist die kanalartige Ausnehmung an wenigstens einem Abschnitt der kanalartigen Ausnehmung eine Kavität-artige Verbreiterung auf, wobei die so gebildete Kavität eine mit temperaturempfindlichen Biomolekülen funktionalisierte Oberfläche aufweisen kann. Aufgrund des höheren fluidischen Widerstands können im Kanal höhere Drücke entstehen als in der darauffolgenden Kavität. Daraus folgt, dass der Bereich des Kanals beispielsweise mit höheren Temperaturen gefügt werden muss als der Bereich der Kavität. Dabei können unterschiedliche Fügetemperaturen erreicht werden, indem im Bereich um den Kanal eine Leiterbahn mit dünnem Querschnitt und im Bereich der Kavität eine Leiterbahn mit relativ größerem Querschnitt eingesetzt wird. Die dissipierte Leistung bzw. Wärme lässt sich so durch Anpassen des Widerstands lokal einstellen bzw. steuern.
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Vorzugsweise werden die nötigen Strukturen in den Polymerschichten bzw. -substraten durch eines der folgenden Verfahren erzeugt: Fräsen, Spritzguss, Heißprägen oder Laserstrukturieren. Die Metallisierung, das heißt die Erzeugung der Leiterbahn(en) kann beispielsweise durch Sputtern, Inkjet-Printing, Siebdruck oder Galvanik-Prozesse erfolgen.
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Hierbei besteht die Leiterbahn bzw. Leiterbahnen vorzugsweise aus einem Metall.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren erläutert, wobei:
- 1 eine schematische Draufsicht auf eine grundlegende Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikrofluidischen Vorrichtung zeigt;
- 2 einen Schnitt entlang A-A' gemäß 1 zeigt;
- 3 einen Schnitt entlang B-B' gemäß 1 zeigt;
- 4 einen seitlichen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikrofluidischen Vorrichtung zeigt; und
- 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikrofluidischen Vorrichtung zeigt.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Anhand von 1 soll nun eine erste Ausführungsform der Erfindung erläutert werden.
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In 1 ist eine schematische Draufsicht auf eine mikrofluidische Vorrichtung 10 gemäß einer grundlegenden Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Schnitte A-A' sowie B-B' sind in den 2 und 4 bzw. 3 gezeigt.
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In der in 1 dargestellten Draufsicht ist (mit gestrichelten Linien angedeutet) ein Kanal 15 erkennbar, welcher, wie weiter unten noch mit Bezug auf 2 erläutert wird, im Schnittstellenbereich einer ersten Schicht 35 und einer zweiten Schicht 40 liegt.
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Der Kanal 15, welcher als Ausnehmung an der Unterseite der zweiten Schicht 40 ausgebildet ist, ist mit der Außenwelt über zwei, jeweils an seinen Enden angeordneten, Durchgangslöcher 20 verbunden. Um den Kanal 15 bzw. die Durchgangslöcher 20 herum ist im Schnittstellenbereich (siehe hierzu auch 2) eine Leiterbahn 25 angeordnet, welche, wie in 2 zu sehen sein wird, auf einer Oberfläche 30 der ersten Schicht 35 aufgetragen ist. Die verschiedenen Arten des Aufbringens der Leiterbahn 25 auf die Oberfläche 30 sind bereits oben erwähnt worden, und sollen hier nicht noch mal wiederholt werden.
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Wie weiterhin in 1 zu sehen ist, weist die Leiterbahn 25 zwei elektrische Kontaktstellen auf, welche, wie in 3 zu sehen ist, durch Durchgangslöcher 45, 45 durch die zweite Schicht 40 kontaktiert werden können. Durch die Durchgangsöffnungen 45, 45 können dann elektrische Zuleitungen einer externen Strom- bzw. Spannungsquelle (hier nicht dargestellt) an die Kontaktstellen zugeführt werden, um die Leiterbahn 25 mit elektrischem Strom zu versorgen.
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Wie oben bereits erwähnt worden ist, wird das Material um die Leiterbahn 25 herum bei einem Stromdurchfluss über eine vom Material abhängige Erweichungstemperatur erwärmt bzw. erhitzt, und so zum Schmelzen gebracht, so dass, wenn die erste Schicht 35 und die zweite Schicht 40 aufeinandergepresst werden, sich das erwärmte Material von der ersten Schicht 35 und der zweiten Schicht 40 miteinander vermengen bzw. vermischen nach der Art eines Schweißvorganges und sich so, bei Abkühlung unter eine bestimmte Temperatur, eine feste Verbindung zwischen der ersten Schicht 35 und der zweiten Schicht 40 an der Stelle der Leitungsbahn 25 in einem Schnittstellenbereich 50 zwischen den beiden Schichten 35, 40 ausbildet.
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Dabei wird insbesondere sichergestellt, dass der Kanal 15 und die Durchgangsöffnungen 20, 20 bzw. die Durchgangsöffnungen 45, 45 zum Kontaktieren der Leiterbahn 25 im Schnittstellenbereich 30 zur äußeren Umgebung hin abgedichtet sind.
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Weiterhin mit Bezug auf 1 lässt sich erkennen, dass in dem mit 55 gekennzeichneten Bereich, das heißt einem Abstand zwischen den beiden Wegen der Leiterbahn 25, derart gewählt werden kann bzw. muss, dass die Temperatur in der entstehenden Lücke bzw. dem Bereich 55, das heißt dem Abstand zwischen den beiden Leiterbahnwegen, während des Fügens bzw. Verbindens noch weit genug ist, das heißt, dass der Strom zumindest noch entsprechend hoch genug ist, so dass sich dort keine Undichtigkeit ergibt.
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Die Kontaktierung der Leiterbahn 25 durch die Durchgangsöffnungen 45, 45 hindurch kann während des Pressvorganges beispielsweise über Federkontaktstifte (hier nicht dargestellt) erfolgen.
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2 zeigt nun einen Querschnitt der erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung entlang der Linie A-A', wobei insbesondere die auf der Oberfläche 30 der ersten Schicht 35 aufgebrachte Leiterbahn 25, 25 erkennbar ist, sowie die Ausnehmungen in der zweiten Schicht 40, welche die Durchgangsöffnungen 20, 20 bzw. die kanalartige Ausnehmung 15 sind.
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3 zeigt die mikrofluidische Vorrichtung entlang der in 1 dargestellten Schnittlinie B-B'.
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Hierbei ist wiederum zum einen der Kanal bzw. die kanalartige Ausnehmung 15 in der zweiten Schicht 40 und eine der Durchgangsöffnungen 45 zum Kontaktieren der Leiterbahn 25 zu erkennen, und zwar vor einem Zusammenpressen der beiden Schichten 35 und 40.
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4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten mikrofluidischen Vorrichtung 10.
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Die in 4 dargestellte Abbildung entspricht im Wesentlichen der entlang der Linie A-A' gezeigten Querschnittsansicht aus 2, jedoch mit dem Unterschied, dass neben der ersten Schicht 35 und der zweiten Schicht 40 noch eine dritte Schicht 60 vorhanden ist.
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Dabei ist die erste Schicht 35, welche auf ihrer Oberfläche 30 die Leiterbahn 25, 25 trägt, und die Schnittstelle 50 zwischen der ersten Schicht 35 und der zweiten Schicht 40 bildet, in der Form einer flexiblen Membran, zum Beispiel aus einem Polymermaterial, ausgebildet. Wenn nun ein Strom durch die Leiterbahn 25 fließt, kommt es während des Verbindens der drei Schichten 35, 40, 60 zu einer Aufschmelzung und Verbindung aller drei Schichten. Die flexible Polymermembran bzw. Schicht 35 ist, wie bereits oben erwähnt, somit vorteilhaft, da hiermit weitere mikrofluidische Funktionen bereitgestellt werden können, beispielsweise in der mikrofluidischen Vorrichtung 10 integrierte Membranventile und -pumpen (nicht dargestellt).
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5 zeigt schließlich eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer mikrofluidischen Vorrichtung 10, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden ist.
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Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten mikrofluidischen Vorrichtung 10 weist die in 5 dargestellte mikrofluidische Vorrichtung 10 eine in einem Abschnittsbereich 64 ausgebildete Kavitäts-artige Ausnehmung 65 auf, welche Teil der kanalartigen Ausnehmung 15 ist, welche in 5 eine Mäander-artige Form aufweist. Hierbei sind auch andere Formen als die in 5 dargestellte Mäander-artige Form der kanalartigen Ausnehmung 15 denkbar; der Grundgedanke dabei ist jedoch, dass die Länge der kanalartigen Ausnehmung 15 für eine erhöhte Reaktion des durch die kanalartige Ausnehmung bzw. Kanals 15 entsprechend ausgebildet ist. Eine Oberfläche (hier nicht dargestellt) der Kavität 65 kann beispielsweise, wie oben bereits erwähnt, eine mit temperaturempfindlichen Biomolekülen funktionalisierte Oberfläche aufweisen. Wie ebenfalls bereits oben erwähnt worden ist, folgt daraus, wegen der temperaturempfindlichen Biomoleküle, dass der Bereich der kanalartigen Ausnehmung 15, welche lediglich von der „normalen“ Leiterbahn 25 (gestrichelt dargestellt) umgeben ist, mit höheren Temperaturen gefügt werden muss als der Bereich 64, welcher die Kavität-artige Ausnehmung 65 aufweist. Das heißt, im Bereich 64 weist die Leiterbahn 25' einen größeren Querschnitt auf als die Leiterbahn 25, so dass der elektrische Widerstand im Bereich 64 durch die Leiterbahn 25' geringer ist und somit die erreichbare Temperatur zum Fügen der Schichten niedriger ist als im Bereich der „normalen“ Leiterbahn 25 mit relativ kleinerem Querschnitt (das heißt höherer Temperatur bei Stromdurchfluss). Somit lässt sich, wie oben bereits erwähnt, die dissipierte Leistung durch Anpassen des Widerstands lokal einstellen bzw. steuern.
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In 5 sind, ähnlich wie in 1, Durchgangsöffnungen 20, 20' zu erkennen, wobei die Durchgangsöffnung 20 als Einlassöffnung für ein Fluid, welches durch den Kanal 15 bzw. die Kavität 65 strömt bzw. strömen soll, dient, und die Durchgangsöffnung 20' als Auslassöffnung für ein Austreten des Fluids dienen soll.
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Ebenso sind in 5 wieder Durchgangsöffnungen 45, 45 zu erkennen, welche zur Kontaktierung der Leiterbahn 25 bzw. 25' mittels einer hier nicht dargestellten Spannungs- bzw. Strom-Quelle dienen sollen.
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In einer weiteren Ausführungsform, welche hier nicht dargestellt ist, ist es denkbar, dass die Leiterbahn, welche zum Fügen der Schichten genutzt wurde, in Betrieb der mikrofluidischen Vorrichtung als Heizstruktur fungieren und so beispielsweise das Fluid im Kanal 15 bzw. der Kavität 65 beim Durchströmen erhitzen kann, um so weitere Reaktionen mit dem Fluid zu erzeugen. Natürlich ist es auch denkbar, noch weitere zusätzliche Leiterbahnen für elektrische Funktionen entsprechend zu integrieren.
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Als Materialien für die Schichten 35, 40, 60 können Thermoplaste verwendet werden (zum Beispiel PC, PP, PE, PMMA, COP, COC), wobei insbesondere für die elastische Membran bzw. Schicht 35 Elastomere, thermoplastische Elastomere, Thermoplaste als Materialien in Frage kommen.
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Es sei bemerkt, dass die in den 1 bis 5 dargestellten Abbildungen nicht maßstabsgetreu sind, jedoch sollen im Folgenden beispielhafte Abmessungen der Ausführungsbeispiele gegeben werden:
- Dicke des Polymersubstrats: 0,5 bis 5 mm
- Dicke der Polymermembran: 5 bis 300 µm
- Dicke der Metallschicht: 0,1 bis 20 µm
- Leiterbahnbreite: 1 µm bis 5 mm
- Volumen der Kavität: 1 bis 1000 µm3
- Laterale Abmessungen des gesamten Ausführungsbeispiels (das heißt der mikrofluidischen Vorrichtung): 10 × 10 bis 100 × 100 mm2
