DE102013002667A1 - Mikrofluidiksystem mit nach außen verschlossenen Kavitäten - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung mikrofluidischer Systeme, welche durch die fluiddichte Verbindung von mikrofluidischen Bauteilen, die bevorzugt aus thermoplastischen Kunststoffen bestehen, und mikrostrukturierten Bauteilen aus anderen Werkstoffklassen, entstehen.

Description

  • Miniaturisierte Analysensysteme gewinnen zunehmende Bedeutung in Anwendungen der analytischen Chemie, der klinischen Diagnostik und der Bioanalytik. Sehr häufig wird dabei der Analyt als fluides Medium untersucht. In diesem Zusammenhang soll Fluid als Oberbegriff für Flüssigkeiten, Gase, Suspensionen, Emulsionen, Schäume und Aerosole dienen.
  • Wesentlich für diese Systeme sind fluidführende Strukturen (Kanäle). Dabei ist es vorteilhaft Totvolumen zu vermeiden und Verbindungsstrecken zwischen funktionellen Strukturen (Mischer, Sensoren, Reaktoren) klein zu gestalten und Undichtigkeiten auszuschließen.
  • Derartige Systeme sind inzwischen vielfältig unter Bezeichnungen wie „Micro Total Analysis Systems" (μTAS) oder „Lab on a Chip" (LOC) am Markt verfügbar. (Lab-on-a-Chip Catalogue 09/2011, microfluidic ChipShop GmbH, Jena, Germany)
  • Für ein reproduzierbares Fließen der Fluide in diesen Systemen ist eine hohe Dimensionsstabilität und Homogenität der Oberflächen der fluidführenden Strukturen notwendig.
  • Für die Herstellung derartiger Bauteile gibt es eine Vielzahl von Urformprozessen oder abtragenden Verfahren in Glas, Halbleitermaterialien, Metallen und Kunststoffen. Naturgemäß liegen bei derartig hergestellten Bauteilen die fluidführenden Strukturen an der Oberfläche. Um Fluidverluste zu vermeiden und Verunreinigung zu verhindern müssen diese Strukturen fluiddicht verschlossen (gedeckelt) werden. Den dazu eingesetzten Strategien und Verfahren kommt somit eine besondere Bedeutung zu.
  • Direkt verschlossene Strukturen können durch generative Verfahren hergestellt werden. Diese verursachen jedoch einen höheren Fertigungsaufwand.
  • Als besonders geeignet für eine kostengünstige Massenfertigung der Mikroanalysesysteme erweisen sich Urformverfahren wie Heißprägen, Spritzprägen und Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoffen und nachfolgendes Verschließen der Kanäle mit der gleichen ebenfalls strukturierten Materialien oder einfach mit Folien oder Platten aus diesen Materialien.
  • Neben den mechanischen Verfahren des fluiddichten Fügens, welche auf den Prinzipien des Form- und/oder Kraftschlusses beruhen besteht die Möglichkeit des stoffschlüssigen Fügens.
  • Diese Methoden des Fügens sind dem Fachmann bekannt und z. B. von Tsao und DeVoe zusammengefasst. (Lab on a Chip Technology, Volume 1: Fabrication and Microfluidics, Caister Academic Press. UK, 2009, „Bonding Techniques for Thermoplastic Microfluidics" S. 45 ff) Prinzipiell kann bei den angewandten Fügeverfahren zwischen solchen, die neben den beiden zu fügenden Bauteilen keine weiteren Materialien resp. Bauteile einsetzen (direkte Verfahren) und solchen, die zwischen den zu fügenden Bauteilen ein zusätzliches Material, resp. Bauteil, im Allgemeinem eine Klebstoff oder ein Lot, benötigen (indirekte Verfahren) unterschieden werden. Hinsichtlich der Funktionsfähigkeit mikrofluidischer Strukturen gibt es prinzipielle Unterschiede zwischen dem direkten und indirekten stoffschlüssigen Fügen. Jedes zwischen den beiden Bauteilen eingebrachte Material verändert die ursprüngliche Dimension der fluidischen Strukturen und die Oberflächeneigenschaften. (Paul, D., Pallandre, A., Miserere, S., Weber, J. and Viovy, J.-L. (2007), Lamination-based rapid prototyping of microfluidic devices using flexible thermoplastic substrates. ELECTROPHORESIS, 28: 1115–1122; Huang, F.-C., Chen, Y.-F. and Lee, G.-B. (2007), CE chips fabricated by injection molding and polyethylene/thermoplastic elastomer film packaging methods. ELECTROPHORESIS, 28: 1130–1137)
  • Nur durch aufwendige Verfahrenstechniken (Tampondruck: F. Dang, S. Shinohara, O. Tabata, Y. Yamaoka, M. Kurokawa, Y. Shinohara, M. Ishikawa and Y. Baba; Lab Chip, 2005, 5, 472–478; Siebdruck: J. Han, S. H. Lee, A. Puntambekar, S. Murugesan, J.-W. Choi, G. Beaucage, and C. H. Ahn, "UV Adhesive Bonding Techniques at Room Temperature for Plastic Lab-on-a-Chip," in Proceedings of the 7th International Conference on Micro Total Analysis Systems (u-TAS 2003), Squaw Valley, CA, October 5–9, 2003, pp. 1113–1116; Kapillarwirkung: Lu, C., Lee, L. J. and Juang, Y.-J. (2008), Packaging of microfluidic chips via interstitial bonding technique. ELECTROPHORESIS, 29: 1407–1414), die es ermöglichen das zusätzliche Material nur auf den strukturfreien Fügeflächen aufzubringen, können diese Nachteile eingeschränkt werden.
  • Die Verfahren des direkten stoffschlüssigen Fügens basieren allesamt auf der Voraussetzung, dass die beiden Bauteile aus Materialien bestehen, die zumindest in einem überlappenden Temperaturbereich eine homogene Schmelze bilden können oder die im Zustand erhöhter Molekülbeweglichkeit an den Grenzflächen zwischen beiden Bauteilen eine gemeinsame Phase ausbilden können. Die Verfahren sind dem Fachmann gemeinhin als Schweißverfahren, insbesondere Ultraschallschweißen und Laserschweißen, als thermisches Bonden und Laminieren bekannt. (Oberbach K., Baur E., Brinkmann S., Schmachtenberg E. Saechtling Kunststoff Taschenbuch, 29. Auflage, Hanser Verlag, München 2004) Zusammenfassend bestehen für das stoffschlüssige Fügen von Mikrofluidikbauteilen die Nachteile, dass entweder beim indirekten Fügen durch ein drittes Material/Bauteil die Dimension und Oberfläche und damit die Fluidik beeinträchtigt werden oder die Fügeverfahren im Wesentlichen auf miteinander mischbare thermoplastische Kunststoffe beschränkt sind.
  • Beim Aufbau kompletter mikrofluidischer Analysensysteme (μTAS, LOC) wird in vielen Fällen die Kombination mikrofluidischer Strukturträger mit Komponenten notwendig, die nicht in den Werkstoffen herstellbar sind, die bevorzugt für die Mikrofluidikbauteile, d. h. thermoplastische Kunststoffe, einsetzbar sind. Derartige Komponenten sind hauptsächlich Sensoren und Elektroden, welche aus vorwiegend anorganischen Materialien bestehen und mittels Hochtemperaturprozessen und chemisch aggressiver Verfahren, welche nur begrenzt mit Thermoplasten kompatibel sind, auf die Substrate aufgebracht werden. Bevorzugte Werkstoffe hierfür sind demzufolge solche höher chemischer und thermischer Beständigkeit wie Glas, Keramik, Leiterplattenmaterial (glasfaserverstärkte Duromere) und Hochtemperaturkunststoffe wie PEEK und LCP.
  • Als stoffschlüssige Fügeverfahren zwischen thermoplastischen Mikrofluidikbauteilen und sensor- und/oder elektrodentragenden Bauteilen oben dargestellter Art werden naturgemäß indirekte Fügeverfahren eingesetzt. Hauptsächlich werden Klebstoffe oder Klebstoffträger (Klebeband – insbesondere beidseitig klebende Klebebänder) eingesetzt. Nachteilig ist, dass das zusätzlich eingebrachte Material die Eigenschaften des strukturierten Bauteils verändert. Sowohl die Oberfläche als auch die Dimensionen werden im Fügeprozess beeinträchtigt.
  • Alle Verfahren, die diesen Nachteil umgehen erfordern zusätzliche aufwendige Arbeitsschritte, um das verbindende Material von den Kanälen und anderen offenen Strukturen fern zu halten oder nach dem Fügeprozess wieder zu entfernen. In DE 199 27 533 wird eine Verfahren offenbart wobei der Klebstoff mittels Tampondruck auf die strukturierte Fläche aufgetragen wird, die Kanäle (Boden und Wände) bei präziser Prozessführung jedoch ausgespart bleiben. DE 100 56 908 beschreibt ein Verfahren bei welchem Klebstoff auf einer Trägerfolie vergehärtet und dann auf das strukturierte Bauteil übertragen wird und in einer bevorzugten Ausführungsform über dem Kanal liegende Teile der Klebstoffschicht mit Pressluft abgeblasen oder mittels einer weichen Bürste entfernt werden.
  • Die vorliegende Erfindung löste folgende Problemstellungen:
    • – Fluiddichtes Assembling mikrostrukturierter (resp. mikrofluidischer) Bauteile aus verschiedenen Werkstoffgruppen, die herkömmlich nicht durch Fügeverfahren, welche ohne eine dritte Komponente (resp. drittes Bauteil) auskommen, miteinander verbunden werden können.
    • – Die Realisierung dieses Assembling ohne Beeinflussung von Dimensionen und Oberflächen der fluidführenden Strukturen.
  • Die Erfindung beruht darauf, dass die mikrofluidischen Strukturen einerseits direkt stoffschlüssig durch ein mikrostrukturiertes Bauteil oder eine Folie verschlossen werden, die entsprechend den Funktionen (resp. des Designs) des Gesamtsystems, einzelne Bereiche freilassen. Das dabei eingesetzte mikrostrukturierte Bauteil oder die Folie bildet gleichzeitig die Grundlage für eine indirekt stoffschlüssige Verbindung mit dem funktionstragenden Mikrostrukturbauteil.
  • Durchführungsbeispiele
  • Ein mikrofluidischen Bauteil aus einem thermoplastischen Kunststoff, im hier beschriebenen Fall aus PC wird mit einer durch Elektroden strukturierte Leiterplatte verbunden. Dazu wird in einem vorbereitenden Schritt eine Folie aus PC mit einem beidseitig klebenden Klebeband laminiert. Dieser Verbund wird mit dem Mikrofluidikbauteil gefügt indem die PC-Folienseite des Verbundes mit dem Bauteil mittels Laserdurchstrahlschweißen verschweißt wird. Die Rückseite des Verbundes wird anschließend mit dem Leiterplattenmaterial verklebt. Der Kontakt zu den Elektrodenbereichen der Leiterplatte, welche für die Funktion des Bauteils essentiell sind wird durch das Ausschneiden einzelner Bereiche aus dem Verbund aus Klebband und Folie realisiert.
  • Eine gut laminierbare Folie aus thermoplastischem PMMA wird mit einem thermisch aktivierbaren Klebstoff beschichtet. Aus dieser Folie werden Bereiche, in denen Elektroden im fertig hergestellten Mikrofluidiksystem Kontakt zu Fluid haben sollen, ausgestanzt. Diese Bereiche sind klein im Vergleich zur den offenen mikrofluidischen Strukturen eines spritzgegossenen Bauteils aus PMMA. Die beschichtete Folie wird bei einer Temperatur, die im Bereich der Glasübergangstemperatur der der Folie und des Bauteils liegt auf diese Auflaminiert. Anschließend wird diese Kombination bei einer höheren Temperatur, die der Aktivierungstemperatur des Klebstoffes entspricht mit einer elektrodentragenden Leiterplatte verklebt.
  • Dieses Vorgehen kann durch geeignete Wahl von Laminierfolie und Klebstoff auch im inversen Temper- und Montageablauf durchgeführt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19927533 [0014]
    • DE 10056908 [0014]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „Micro Total Analysis Systems” (μTAS) oder „Lab on a Chip” (LOC) am Markt verfügbar. (Lab-on-a-Chip Catalogue 09/2011, microfluidic ChipShop GmbH, Jena, Germany [0003]
    • Tsao und DeVoe zusammengefasst. (Lab on a Chip Technology, Volume 1: Fabrication and Microfluidics, Caister Academic Press. UK, 2009, „Bonding Techniques for Thermoplastic Microfluidics” S. 45 ff) [0009]
    • Paul, D., Pallandre, A., Miserere, S., Weber, J. and Viovy, J.-L. (2007), Lamination-based rapid prototyping of microfluidic devices using flexible thermoplastic substrates. ELECTROPHORESIS, 28: 1115–1122 [0009]
    • Huang, F.-C., Chen, Y.-F. and Lee, G.-B. (2007), CE chips fabricated by injection molding and polyethylene/thermoplastic elastomer film packaging methods. ELECTROPHORESIS, 28: 1130–1137 [0009]
    • Tampondruck: F. Dang, S. Shinohara, O. Tabata, Y. Yamaoka, M. Kurokawa, Y. Shinohara, M. Ishikawa and Y. Baba; Lab Chip, 2005, 5, 472–478 [0010]
    • Siebdruck: J. Han, S. H. Lee, A. Puntambekar, S. Murugesan, J.-W. Choi, G. Beaucage, and C. H. Ahn, ”UV Adhesive Bonding Techniques at Room Temperature for Plastic Lab-on-a-Chip,” in Proceedings of the 7th International Conference on Micro Total Analysis Systems (u-TAS 2003), Squaw Valley, CA, October 5–9, 2003, pp. 1113–1116 [0010]
    • Kapillarwirkung: Lu, C., Lee, L. J. and Juang, Y.-J. (2008), Packaging of microfluidic chips via interstitial bonding technique. ELECTROPHORESIS, 29: 1407–1414 [0010]
    • Oberbach K., Baur E., Brinkmann S., Schmachtenberg E. Saechtling Kunststoff Taschenbuch, 29. Auflage, Hanser Verlag, München 2004 [0011]

Claims (9)

  1. Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung mit nach außen verschlossenen Kavitäten, Kanälen, Löchern, Vertiefungen d. h. geometrischen Funktionselementen o. ä. welche nach an sich bekannten Verfahren hergestellt sind gekennzeichnet dadurch dass diese Mikrofluidiksysteme aus mindestens einem ersten Mikrofluidikbauteil besteht, welches mit einer zweiten Folie oder dünnen Platten oder dünnen Bauteilen, verschlossen ist wobei ausgewählte Bereiche der Kavitäten, Kanäle, Löcher u. ä. nicht in diese Verschlussfläche einbezogen werden und erst mit einer drüber liegenden dritten Folie, dünnen Platte oder dünnem Bauteil, das selbst wiederum ein Mikrosystem sein kann Verschlossen ist, wobei die zweiten Folie oder dünnen Platten oder das dünne Bauteile einerseits eine direkte stoffschlüssige Verbindung zum ersten Mikrofluidikbauteil realisiert und andererseits eine indirekte stoffschlüssige Verbindung zur dritten Folie, dünnen Platte oder dünnem Bauteil realisiert.
  2. Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung mit nach außen verschlossenen Kavitäten, Kanälen, Löchern, Vertiefungen d. h. geometrischen Funktionselementen o. ä. welche nach an sich bekannten Verfahren formgebend hergestellt sind nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch dass die zweite Folie, dünnen Platten oder das dünne Bauteil bevorzugt zum ersten Mikrofluidikbauteil mit fluidführenden Strukturen herstellt, während die dritte Folie, dünnen Platte oder das dünne Bauteil Sensoren, Elektroden, Leiterbahnen etc. trägt und indirekt stoffschlüssig an das Zweite gefügt wird.
  3. Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung mit nach außen verschlossenen Kavitäten, Kanälen, Löchern, Vertiefungen d. h. geometrischen Funktionselementen o. ä. welche nach an sich bekannten Verfahren formgebend hergestellt sind nach Anspruch 1–2 gekennzeichnet dadurch dass das ersten Mikrofluidikbauteil und die dritte Folie, dünnen Platte oder das dünne Bauteil unterschiedlichen Werkstoffgruppen angehören und die zweiten Folie, dünnen Platte oder das dünne Bauteil mit mindestens einem der beiden Bauteile eine direkte stoffschlüssige Verbindung eingehen kann.
  4. Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung mit nach außen verschlossenen Kavitäten, Kanälen, Löchern, Vertiefungen d. h. geometrischen Funktionselementen o. ä. welche nach an sich bekannten Verfahren formgebend hergestellt sind nach Anspruch 1–3 gekennzeichnet dadurch dass die beiden Bauteile die direkt stoffschlüssig miteinander gefügt sind bevorzugt die fluidischen Strukturen umgeben.
  5. Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung mit nach außen verschlossenen Kavitäten, Kanälen, Löchern, Vertiefungen d. h. geometrischen Funktionselementen o. ä. welche nach an sich bekannten Verfahren formgebend hergestellt sind nach Anspruch 1–4 gekennzeichnet dadurch dass die beiden Bauteile die indirekt stoffschlüssig miteinander gefügt sind bevorzugt die Sensoren, Elektroden, Leiterbahnen u. ä. tragen.
  6. Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung mit nach außen verschlossenen Kavitäten, Kanälen, Löchern, Vertiefungen d. h. geometrischen Funktionselementen o. ä. welche nach an sich bekannten Verfahren formgebend hergestellt sind nach Anspruch 1–5 gekennzeichnet dadurch dass die in den Ansprüchen 1 bis 5 dargestellten Bauteilarten und Vorgehen dergestalt angewendet werden, dass ein Mikrosystembauteil aus mehr als drei Mikrofluidikbauteilen, Folien, dünnen Platte oder das dünnen Bauteilen besteht, indem wischen den einzelnen Bauteilen immer wieder zweiten Folie oder dünnen Platten oder dünnen Bauteilen eingesetzt sind, die einerseits direkt stoffschlüssig und andererseits indirekt stoffschlüssig Verbindungen zu den anderen Bauteilen herstellen.
  7. Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung mit nach außen verschlossenen Kavitäten, Kanälen, Löchern, Vertiefungen d. h. geometrischen Funktionselementen o. ä. welche nach an sich bekannten Verfahren formgebend hergestellt sind nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch dass für die Verbindung des ersten Mikrofluidikbauteils und der dritten Folie, dünnen Platte oder des dünnen Bauteils eine Folie oder dünnen Platten oder ein dünnes Bauteil eingesetzt wird, das auf einer Fügeseite für direkte stoffschlüssige Verbindung ausgerüstet ist und auf der anderen Fügeseite für indirekte stoffschlüssige Verbindungen ausgerüstet ist.
  8. Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung mit nach außen verschlossenen Kavitäten, Kanälen, Löchern, Vertiefungen d. h. geometrischen Funktionselementen o. ä. welche nach an sich bekannten Verfahren formgebend hergestellt sind nach Anspruch 1 und 7 gekennzeichnet dadurch dass die Folie oder dünnen Platten oder das dünnes Bauteil welches die beiden anderen Bauteile stoffschlüssig verbindet aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht und auf einer Seite eine Klebstoffschicht trägt.
  9. Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung mit nach außen verschlossenen Kavitäten, Kanälen, Löchern, Vertiefungen d. h. geometrischen Funktionselementen o. ä. welche nach an sich bekannten Verfahren formgebend hergestellt sind nach Anspruch 1 und 7 gekennzeichnet dadurch dass die Folie oder dünnen Platten oder das dünnes Bauteil welches die beiden anderen Bauteile stoffschlüssig verbindet aus einem thermoplastischen Kunststoff besteht und auf einer Seite eine heißsiegelfähige Kunststoffschicht trägt.
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