DE102013002667B4 - 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

  • 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.
  • Beschreibung
  • 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).
  • Mikrofluidiksysteme sind in US 6,444,474 B1 ; US 2009/0321356 A1 ; WO 98/45693 A1 ; US 2009/0130822 A1 ; US 6,827,906 B1 ; US 2007/0003444 A1 und US 6,536,477 B1 beschrieben.
  • Es wird auch auf Tsao, DeVoe verwiesen „Bonding of thermoplastic polymer microfluidics“, Microfluid Nanofluid Vol. 6, 2009, S.1-6.
  • US 2003 / 0 116 738 A1 offenbart eine Mikrofluidik-Durchflusssteuervorrichtung mit einer Fluidikkammer, einem ersten und einem zweiten Mikrofluidikkanal, mit mindestens einer Dichtfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal und einem innerhalb der Kammer angeordneten Schwimmelement.
  • US 2008 / 0 280 112 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Mikrosystems. Mit dem Verfahren kann ein Mikrosystem hergestellt werden, indem vorbearbeitete Folien gestapelt werden, die auf mindestens einer Seite eine leitfähige Schicht aufweisen.
  • 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 höherer 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 ein 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 vorgehärtet 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.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb eine Vorrichtung anzugeben, die die Nachteile der indirekten stoffschlüssigen Verbindung überwindet und gleichzeitig ein Mikrofluidiksystem bereitstellt, welches einfach herstellbar ist und sich durch sehr kompakte Strukturen auszeichnet und bei dem die Fluidik innerhalb des Mikrofluidiksystem möglichst wenig durch zusätzliche Materialen beeinflusst wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein 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.
  • Das Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, 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.
  • Das Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass das erste 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.
  • Das Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass die beiden Bauteile die direkt stoffschlüssig miteinander gefügt sind bevorzugt die fluidischen Strukturen umgeben.
  • Das Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass die beiden Bauteile, die indirekt stoffschlüssig miteinander gefügt sind bevorzugt die Sensoren, Elektroden, Leiterbahnen u.ä. tragen.
  • Das Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, dass zuvor 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.
  • Das Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, 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.
  • Das Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, 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.
  • Das Mikrofluidiksystem und Verfahren zu dessen Herstellung kann ferner dadurch gekennzeichnet sein, 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.
  • 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 zu den offenen mikrofluidischen Strukturen eines spritzgegossenen Bauteils aus PMMA.
  • Die beschichtete Folie wird bei einer Temperatur, die im Bereich der Glasübergangstemperatur 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.

Claims (5)

  1. Mikrofluidiksystem mit nach außen verschlossenen geometrischen Funktionselementen, gekennzeichnet durch mindestens ein erstes Mikrofluidikbauteil, das mit einer ersten Folie, dünnen Platte oder einem dünnen Bauteil direkt stoffschlüssig verbunden ist, wobei die geometrischen Funktionselemente bis auf ausgewählte Bereiche mit dieser ersten Folie oder dünnen Platte oder einem dünnen Bauteil verschlossen sind, und diese erste Folie, dünne Platte oder das dünne Bauteil mit dem ersten Mikrofluidikbauteil fluidführende Strukturen bildet, wobei die erste Folie, dünne Platte oder das dünne Bauteil mit einer zweiten Folie, dünnen Platte oder einem dünnen Bauteil indirekt stoffschlüssig verbunden ist und die ausgewählten Bereiche mit dieser zweiten Folie, dünnen Platte oder einem dünnen Bauteil verschlossen sind, wobei die erste Folie oder dünne Platte oder das dünne Bauteil direkt stoffschlüssig ohne weitere Materialen dazwischen mit dem ersten Mikrofluidikbauteil verbunden ist und die erste Folie, dünne Platte oder das dünne Bauteil mit der zweiten Folie, dünnen Platte oder dem dünnen Bauteil indirekt stoffschlüssig mit einem zusätzlichen Material dazwischen verbunden ist, wobei die erste Folie, dünne Platte oder das dünne Bauteil, welche das erste Mikrofluidikbauteil und die zweite Folie, dünne Platte oder das dünne Bauteil stoffschlüssig verbindet, aus einem Kunststoff besteht und auf der Seite zur zweiten Folie, dünnen Platte oder zum dünnen Bauteil eine Klebstoffschicht oder eine siegelfähige Kunststoffschicht trägt.
  2. Mikrofluidiksystem nach Anspruch 1, wobei die nach außen verschlossene Funktionselemente Kavitäten, Kanäle, Löcher, und/oder Vertiefungen sind.
  3. Mikrofluidiksystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das dünne Bauteil selbst ein Mikrosystem ist.
  4. Mikrofluidiksystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Folie, dünne Platte oder das dünne Bauteil Sensoren, Elektroden und/oder Leiterbahnen trägt.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Mikrofluidiksystems nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend: Verschließen des ersten Mikrofluidikbauteils mit einer ersten Folie oder dünnen Platte oder einem dünnen Bauteil durch eine direkte stoffschlüssige Verbindung, wobei ausgewählte Bereiche der geometrischen Funktionselemente nicht verschlossen werden, Verschließen dieser ausgewählten Bereiche mit einer zweiten Folie, dünnen Platte oder einem dünnen Bauteil durch eine indirekte stoffschlüssige Verbindung zur ersten Folie, dünnen Platte oder dem dünnen Bauteil.
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