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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Flusssteuerung durch einen Mikrofluidikkanal, ein Mikrofluidiksystem, das diese Einrichtung aufweist, und ein Verfahren zur Flusssteuerung durch einen Mikrofluidikkanal.
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Die Mikrofluidik beschäftigt sich mit dem Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum. In der Mikrofluidik eingesetzte Grundstrukturen sind Kanäle, Ventile, Reservoirs, Reaktionsräume (Mischbereiche) und Pumpen. Kanäle dienen dem Transport, der Separation und der Speicherung von Fluiden. Ventile dienen der Steuerung des Flusses von Fluiden. Pumpen dienen der Erzwingung des Flusses von Fluiden. Weitere bekannte Strukturen sind Düsen, Flusssensoren, Verdampfer und Reaktoren.
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Beispiele für Mikrofluidik finden sich in vielen Gebieten der Biologie und Medizin. Technische Anwendungen gibt es in der Biotechnologie, Medizintechnik, Prozesstechnik, Sensortechnik und neuerdings auch bei Konsumgütern. Dabei kommen unterschiedliche Technologien und Materialgruppen zum Einsatz, wie beispielsweise Glas, Kunststoff oder Silizium. Fluide werden bewegt, gemischt, getrennt oder anderweitig prozessiert. Dies kann rein passiv, beispielsweise über kapillare Fluidstrukturen gelöst werden. Hier kommen unter anderem zusätzliche externe Antriebsmechanismen wie z.B. CD-Playerähnliche Systeme zum Einsatz.
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Mit einer Mikrofluidik sollen Verfahren, die sonst in einem Labor durchgeführt werden, zur Steigerung der Effizienz und der Mobilität oder zur Verringerung der benötigten Substanzen auf einem einzelnen Chip, dem sogenannten Chiplabor, durchgeführt werden.
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Ein bekannter Typ Ventile in einer Mikrofluidik sind Membranventile, die in verschiedenen Variationen realisiert wurden. Membranventilen ist gemein, dass das Fluid durch eine Membran von den Funktionselementen des Ventils getrennt ist. Die Membran wird entweder durch eine Art Zylinder oder durch hydraulische, pneumatische oder elektrostatische Kräfte bewegt, wodurch sie einen Mikrofluidikkanal öffnet oder schließt.
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Bekannte Mikrofluidikventile und -pumpen weisen einen hohen Platzbedarf oder hohe technische Ansprüche auf. Um die notwendigen Kräfte aufzubringen, um z.B. Schläuche oder mikrofluidische Systeme abzuklemmen, werden entweder magnetische Aktoren verwendet, welche einen hohen Leistungsbedarf haben oder die zumindest sehr groß sind im Vergleich zur Mikrofluidik. Die für komplexere Mikrofluidik verwendeten Systeme arbeiten oftmals mit Drucksteuerung, was wiederum eine Druckluftquelle sowie externe Ventile voraussetzt. Zwar müssen bei solchen Systemen an sich nur druckluftliefernde Schläuche angeschlossen werden, aber externe Systeme wie Druckluftquelle und Ventile machen eine Miniaturisierung de facto unmöglich. Weiterhin stellt sich das Problem des Anschlusses der Systeme, da druckdichte Verbindungen aller Schläuche mit dem System notwendig werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Einrichtung zur Flusssteuerung für ein mikrofluidisches System zur Verfügung zu stellen, die keine oder möglichst wenige der o.g. Nachteile aufweist.
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Nach einer grundlegenden Idee der Erfindung wird ein Fluss in einem Mikrofluidikkanal mittels eines Steuerelements, nachfolgend auch als Anpresselement bezeichnet, gesteuert, das keinen direkten Kontakt zur Flüssigkeit aufweist. Durch das Steuerelement wird ein Mikrofluidikkanal durch Krafteinwirkung von außen verformt und dabei der Querschnitt verringert, was an einer oder mehreren Stellen geschehen kann. Insbesondere wird der Kanal in einer oder mehreren Stellen eingedrückt und verschlossen. Durch dieses Wirkprinzip kann eine Flussverminderung durch den Kanal oder eine Absperrung des Kanals erreicht werden. Insbesondere kann eine Flussverringerung oder Absperrung im Bereich eines Kanalabzweigs erzielt werden, sodass an der Stelle eines Abzweigs eine Flusssteuerung erfolgen kann bzw. eine Flussverteilung gesteuert werden kann.
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Bei der vorliegenden Erfindung wirkt ein Steuerelement auf einen Mikrofluidikkanal oder ein komplexeres Mikrofluidikkanalsystem, ohne untrennbarer Teil davon zu sein. Dies ermöglicht die Verwendung von Fluidiksystemen, welche als Einweg- oder Wegwerfartikel ausgeführt sind, da das Fluidiksystem, beispielsweise ein Mikrofluidikchip, der mehrere Kanäle aufweist, leicht ausgetauscht werden kann. Gleichzeitig kann die Einrichtung zur Flusssteuerung der vorliegenden Erfindung wieder verwendet werden, wodurch Kosten für die Fertigung eines vollständigen Fluidiksystems mit Ansteuerung reduziert werden können.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wirkt das erfindungsgemäße Steuerelement (Anpresselement) auf ein Mikrofluidiksystem oder auf einen Mikrofluidikkanal, ohne mit dem Fluid selbst in Kontakt zu kommen. Daher kann die erfindungsgemäße Einrichtung vorteilhaft insbesondere bei aggressiven Lösungen verwendet werden. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Flusssteuerung kommt ein Fluid somit nicht mit beweglichen Teilen der erfindungsgemäßen Einrichtung in Kontakt. Stattdessen ist der Kontakt indirekt. Daher können Anschlüsse zu Fluidtransfer vermieden werden, d.h. die erfindungsgemäße Einrichtung zur Flusssteuerung weist keine Anschlüsse für ein Fluid auf, wie dies beispielsweise bei bekannten Membranventilen der Fall ist.
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Im Gegensatz zu Membranventilen mit magnetischer/thermischer oder pneumatischer Steuerung wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung keine Energie zur Aufrechterhaltung eines geschlossenen oder geöffneten Zustandes benötigt. Bei bekannten Membranventilen, die Membran entweder durch eine Art Zylinder oder durch hydraulische, pneumatische oder elektrostatische Kräfte bewegt, wodurch sie den Strömungskanal öffnet oder schließt. Ein Unterschied der vorliegenden Erfindung zu solchen zylinder-gesteuerten Systemen ist der Umstand, dass eine Kraft nicht senkrecht zu einer Membran aufgebracht wird, sondern im Betriebszustand der erfindungsgemäßen Einrichtung parallel zu einem Mikrofluidikkanal, genauer gesagt parallel zu einer verformbaren Kanalwand, wirkt. Während bei konventionellen Membranventilen ein Zylinder die Kraft aufbringen muss, die Membran oder eine Kanalwand einzudrücken, wirkt die erfindungsgemäße Einrichtung im Betriebszustand horizontal. Die notwendige Anpresskraft wird während des Einbaus eines Substrats, das einen Mikrofluidikkanal aufweist (beispielsweise eines Mikrofluidikchips), appliziert. Nach dem Einbau ist der Betriebszustand hergestellt, indem das erwähnte Steuerelement dauerhaft eine Anpresskraft appliziert. Im Betriebszustand des Systems ist die Anpresskraft des Steuerelements dauerhaft gegeben und es wird lediglich ein Druckpunkt (Anpressstelle) oder Druckbereich von außerhalb eines Mikrofluidikkanals in einen Bereich über dem Kanal verlagert, sodass der Kanal verengt oder verschlossen wird. Der Druckpunkt oder der Druckbereich kann auch entlang des Kanals verschoben werden. Durch dieses Wirkprinzip ist die für die Aktivierung der Flusssteuerung notwendige Kraft wesentlich geringer und weitestgehend unabhängig von dem Innendruck des Mikrofluidiksystems. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist keine Festlegung eines „normaly closed“ oder „normaly open“ -Zustands notwendig, welche ein wichtiges Auswahlkriterium in Abhängigkeit mit der Aufgabenstellung des Mikrofluidiksystems sind und welche die Flexibilität konventioneller Systeme einschränken.
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Je nach verwendetem Steuerelement kann mit der erfindungsgemäßen Einrichtung die Fluidik variiert und somit verschiedene Ventilfunktionen abgebildet werden.
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Die oben gestellte Aufgabe der Erfindung wird insbesondere gelöst durch eine Einrichtung zur Flusssteuerung gemäß dem Patentanspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Flusssteuerung durch einen Mikrofluidikkanal gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
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Angegeben wird in der Erfindung insbesondere eine Einrichtung zur Flusssteuerung durch einen Mikrofluidikkanal, aufweisend
- – ein Substrat, in dem zumindest ein Mikrofluidikkanal angeordnet ist, welcher zumindest eine verformbare Kanalwand aufweist
- – zumindest ein Anpresselement, durch das ein Druck auf das Substrat ausübbar ist und das entlang einer Oberfläche des Substrats bewegbar ist,
wobei
- – das Anpresselement in einen Bereich oder in einem Bereich des Substrates bewegbar ist, in dem der Mikrofluidikkanal angeordnet ist, sodass die verformbare Kanalwand durch einen Druck Anpresselements eindrückbar und dadurch der Kanal verengbar oder verschließbar ist.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann zur Verringerung oder Erhöhung eines Flusses in einem Mikrofluidikkanal eingesetzt werden oder zum Sperren oder Entsperren eines Mikrofluidikkanals. Ein Mikrofluidikkanal gemäß dieser Erfindung ist insbesondere ein Kanal mit einem Durchmesser (im Querschnitt) im Bereich von 0,1–1000 Mikrometer.
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Der Mikrofluidikkanal ist vorzugsweise in das sogenannte Substrat eingebettet. Der Mikrofluidikkanal kann ein oder mehrere verformbare Kanalwände aufweisen. Beispielsweise kann das Substrat als solches aus einem flexiblen, elastischen Material gefertigt sein, beispielsweise Polydimethylsiloxan, das aus der Mikrofluidtechnik bekannt ist. Wenn ein Mikrofluidikkanal nur eine verformbare Kanalwand aufweist, kann diese beispielsweise in Form einer Membran ausgebildet sein, die definitionsgemäß Teil des Substrats ist. Andere Teile des Substrats, die nicht verformbare Kanalwände bilden, können beispielsweise aus einem starren nicht elastischen Material geformt sein. Beispielsweise ist ein Mikrofluidikkanal in einem nicht von einem erfindungsgemäßen Anpresselement verformbaren Material eingelassen, wobei eine Kanalwand offen bleibt, welche mit einer flexiblen Membran abgedeckt ist. Von dem Anpresselement kann die Membran eingedrückt werden.
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Bei einer Bewegung des Anpresselements entlang der Oberfläche des Substrats wird das Anpresselement parallel zur Oberfläche des Substrats bewegt und parallel zu einer Wand des Mikrofluidikkanals bewegt, wobei die Wand punktuell oder in einem Bereich eingedrückt wird, wodurch der Kanal verengbar oder verschließbar ist. Die Kanalwand liegt unterhalb der Oberfläche des Substrats. Das Substrat kann Oberflächenbereiche aufweisen, wo unter der Oberfläche kein Kanal angerordnet ist, und das Anpresselement auch in solche Oberflächenbereiche bewegt werden.
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Das Anpresselement kann von einem Bereich des Substrats, in dem kein Mikrofluidikkanal angeordnet ist, in einen Bereich des Substrats bewegt werden, in dem der Mikrofluidikkanal angeordnet ist, wodurch der Kanal eingedrückt und dadurch verengt oder verschlossen wird. Es ist alternativ möglich, das Anpresselement nur in einem Bereich des Substrats (in einem Bereich) zu bewegen, in dem der Mikrofluidikkanal angeordnet ist. Hierbei wird ebenso die verformbare Kanalwand durch den Druck des Anpresselements eingedrückt und dadurch der Kanal verengt oder verschlossen, wobei im Unterschied zu der zuvor beschriebenen Variante die Anpressstelle entlang des Kanals wandert. Dadurch kann die Verengungsstelle oder Verschlussstelle von einer Stelle des Kanals an eine andere Stelle des Kanals verschoben werden. Anders ausgedrückt kann das Anpresselement bei dem Betrieb der Einrichtung dauerhaft im Bereich des Kanals angeordnet sein oder nicht, wobei es im letzteren Fall in einen Bereich des Substrats bewegt wird, in dem der Kanal angeordnet ist oder umgekehrt von einem solchen Bereich, in dem der Kanal angeordnet ist, wegbewegt wird.
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Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kanalwand in einem Abschnitt oder Bereich eingedrückt wird, nämlich dort, wo das Anpresselement temporär im Betrieb der Einrichtung angeordnet ist.
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Wenn das Anpresselement dauerhaft in einem Bereich des Substrats bewegt wird, in dem der Mikrofluidikkanal angeordnet ist, insbesondere wenn es entlang des Kanals bewegt wird, bleibt der Kanal betrachtet entlang seiner gesamten Länge immer an einer Stelle verschlossen oder verengt, wobei die Verschluss- oder Verengungsstelle entlang des Kanals bewegt wird. Beispielsweise kann der Kanal zwei Abzweige aufweisen und die Verengungs-/Verschließungsstelle kann von einem Abzweig zu einem anderen Abzweig bewegt werden, wodurch eine Flusssteuerung erreicht werden kann.
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Das in der erfindungsgemäßen Einrichtung eingesetzte Substrat ist insbesondere ein Mikrofluidikchip, der einen oder mehrere Mikrofluidikkanäle aufweist, die miteinander verbunden sein können, oder ein Mikrofuidikarray, aufweisend einen oder mehrere Mikrofluidikkanäle. Geeignete, beispielhafte Materialien sind Glas und Kunststoff, das Substrat kann somit Glas oder Kunststoff aufweisen. Glas kann beispielsweise als Boden des Chips verwendet werden. Substrate, insbesondere Chips, die Glas aufweisen, sind insbesondere geeignet für mit Sensoren ausgestattete Systeme, insbesondere Flusssensoren oder elektrochemische Sensoren. Substrate, insbesondere Chips, aus Kunststoff sind insbesondere geeignet für die Verwendung reaktiver Substanzen. Beispielhafte Kunststoffe sind Polymethylmethacrylat oder Polydimethylsiloxan.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Mikrofluidikkanal zumindest einen Abzweig auf, wobei das Anpresselement in einen Bereich des Substrats bewegbar ist, in dem der Abzweig angeordnet ist, sodass die zumindest eine verformbare Kanalwand im Bereich des Abzweigs eindrückbar und dadurch der Abzweig verengbar oder verschließbar ist.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Einrichtung einen Antrieb auf, durch den das Anpresselement entlang der Oberfläche des Substrats bewegbar ist. Der Antrieb weist insbesondere einen Motor und ein Getriebe auf. Ein besonders bevorzugter, in der erfindungsgemäßen Einrichtung einsetzbarer Motor ist ein Servomotor. Servomotoren sind preisgünstig und durch eine digitale Steuerung sehr fein ansteuerbar. Möglich ist die Steuerung durch PWM Signale, die durch verfügbare Mikrocontrollerplatine generierbar sind. Servomotoren sind an sich bekannt, beispielsweise aus dem Modellbau für ferngesteuerte Funktionsmodelle, wie Modellflugzeuge. Servomotoren erfüllen hohe Ansprüche an Drehmoment, Drehgeschwindigkeit und Steuergenauigkeit. Servomotoren sind insbesondere dann vorteilhaft einsetzbar, wenn ein Anpresselement auf einer Kreisbahn oder auf einer kreissegmentförmigen Bahn entlang der Oberfläche des Substrats bewegt werden sollen. Servomotoren sind mit hochwertigen Getrieben aus Metall oder glasfaserverstärkten Materialien erhältlich und kostengünstig, in großen Stückzahlen und mit reproduzierbaren technischen Charakteristika verfügbar. Hierdurch sind Servomotoren schnell ersetzbar. Ferner sind Servomotoren in feuchten oder heißen Umgebungen, in denen eine Mikrofluidik eingesetzt werden soll, beispielsweise in Zellkulturschränken oder in mediterranen oder tropischen Umgebungen, nutzbar. Ferner sind Servomotoren sehr klein, wodurch eine sehr gute Miniaturisierung eines Mikrofluidiksystems erreichbar ist.
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In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist das Anpresselement ein Rollelement, das auf der Oberfläche des Substrats bzw. entlang der Oberfläche des Substrats rollbar ist. Das Rollelement kann kugelförmig, kugelsegmentförmig oder zylindrisch, beispielsweise in Form einer Rolle oder Walze, ausgebildet sein. Durch die Rollbewegung eines Rollelements wird ein Reibungswiderstand zwischen Substratoberfläche und Anpresselement verringert.
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Insbesondere ist ein Rollelement durch einen vorangehend bereits genannten Antrieb in einer Rotationsbewegung versetzbar. Dies bedeutet insbesondere, dass die Rolle mit dem Antrieb gekoppelt ist, sodass der Antrieb die Rolle in eine Rotation versetzt, beispielsweise über ein Getriebe. Es findet eine Übertragung oder Einleitung einer Bewegung, Energie und/oder Kraft, insbesondere eines Drehmoments, von dem Antrieb in, auf oder an die Rolle statt, wodurch die Rolle in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Bei diesem Prinzip wird durch den Antrieb das Rollelement in eine Rotation versetzt, die unabhängig von einem Kontakt des Rollelements mit einem Substrat oder dessen Oberfläche ist. Der Antrieb eines Rollelements zu einer Rotationsbewegung weist mehrere Vorteile auf:
- – Durch den Antrieb des Rollelements sinken Schwerkräfte auf die Oberfläche eines Substrats. Flexibles Substratmaterial wird beispielsweise weniger gestaucht.
- – Es kann eine Untersetzung geschaffen werden, wodurch der Kraftaufwand für einen Motor verringert werden kann.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Anpresselement in einer Kreisbewegung oder einer Teilkreisbewegung entlang der Oberfläche des Substrats bewegbar. Anders ausgedrückt beschreibt das Anpresselement entlang der Oberfläche des Substrats eine Kreisbewegung oder Teilkreisbewegung. Beispielsweise weist die Einrichtung einen Rotor auf, an welchem das Anpresselement oder mehrere Anpresselemente angebracht ist/sind. Der Rotor ist vorzugsweise mit einem Antrieb gekoppelt, welcher einen Motor und ein Getriebe aufweisen kann. Bei dieser Ausführungsform kann der Motor insbesondere ein bereits beschriebener Servomotor sein, mit dem eine Kreisbewegung oder Teilkreisbewegung erzeugt werden kann. Der Mikrofluidikkanal kann einen kreisförmigen oder teilkreisförmigen Verlaufsabschnitt aufweisen. Der Radius einer (Teil)kreisbewegung des Anpresselements kann auf den Radius eines kreisförmigen oder teilkreisförmigen Verlaufabschnitts des Kanals abgestimmt sein. Infolgedessen kann das Anpresselement entlang des Kanals in einer (Teil)-kreisbewegung bewegt werden.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die erfindungsgemäße Einrichtung eine Anpresseinrichtung auf, mit welcher das Anpresselement auf das Substrat pressbar ist. Der Druck des Anpresselements auf das Substrat wird hierbei durch die Anpresseinrichtung erzeugt. Die Anpresseinrichtung weist beispielsweise mechanische und/oder elektrische Komponenten auf, mit denen eine Anpresskraft und ein Anpressdruck auf die Oberfläche erzeugt werden kann. Die Anpresseinrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, das damit eine konstante Anpresskraft erzeugbar ist. Beispielsweise kann die Anpresseinrichtung eine Feder aufweisen. Über die Wirkung der Feder kann eine, vorzugsweise konstante, Anpresskraft erzeugt werden.
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In einer Variante der Erfindung weist die erfindungsgemäße Einrichtung eine Hebe-Senk-Einrichtung auf, durch welche das Anpresselement von der Oberfläche des Substrats abhebbar ist oder durch welche das Anpresselement auf die Oberfläche des Substrats aufsetzbar ist. Diese Hebe-Senk-Einrichtung kann auch die Eigenschaft der vorangehend erwähnten Anpresseinrichtung aufweisen, wenn das Anpresselement auf die Oberfläche des Substrats aufgesetzt wird, sodass beim Aufsetzen auf die Oberfläche des Substrats gleichzeitig ein Anpressdruck erzeugt wird. Zum Austausch des Substrats kann mit der Hebe-Senk-Einrichtung das Anpresselement von der Oberfläche des Substrats abgehoben werden. Mit der Hebe-Senk-Einrichtung kann neben dem Anpresselement auch ein bereits zuvor erwähnter Antrieb, der einen Motor und eine Übersetzung aufweisen kann, angehoben bzw. abgesenkt werden. Das Anheben mit der Hebe-Senk-Einrichtung kann auch dazu dienen, einen Mikrofluidikkanal zu spülen, wodurch die Aufhebung der Kontaktierung mit dem Anpresselement vorteilhaft ist.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Mikrofluidiksystem, das eine vorangehend beschriebene Einrichtung zur Flusssteuerung aufweist. Das Mikrofluidiksystem kann neben der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Flusssteuerung eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweisen: Ventile, die nach einem anderen Wirkprinzip arbeiten als die Einrichtung zur Flusssteuerung der vorliegenden Erfindung, Pumpen, Düsen, Flusssensoren, Verdampfer und/oder Reaktoren. Weitere mögliche Komponenten sind: Reservoirs für Reaktionskomponenten, Abfall, oder Fluide. Kulturflächen für Zellkultursysteme, Filter, z.B. für Blutdiagnostik zur Zurückhaltung von Blutkörperchen, Weichen, beispielsweise als Form von Ventilen (siehe auch Beispiele). Anschlüsse für Schläuche, beispielsweise zum Anschließen von Injektoren Spritzen etc., sensorische Komponenten, wie elektrochemische, optische Sensoren oder Antikörper bzw. Fängermoleküle. Die genannten Komponenten können einzeln oder in Mehrzahl eingesetzt werden.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Flusssteuerung durch einen Mikrofluidikkanal, aufweisend die Schritte:
- – Ausüben eines Drucks auf ein Substrat, in dem zumindest ein Mikrofluidikkanal angeordnet ist, welcher zumindest eine verformbare Kanalwand aufweist, mit einem Anpresselement,
- – Bewegen eines Anpresselements entlang einer Oberfläche eines Substrats in einen Bereich des Substrats oder in einem Bereich des Substrats, in dem der Mikrofluidikkanal angeordnet ist,
- – Eindrücken der verformbaren Kanalwand mit dem Anpresselement und Verengen oder Verschließen des Kanals.
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In dem Verfahren kann eine vorangehend beschriebene Einrichtung zur Flusssteuerung eingesetzt werden, wofür auf die gesamte vorangehende Offenbarung Bezug genommen wird.
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Insbesondere ist das Verfahren vorteilhaft einsetzbar zur Flusssteuerung durch einen Mikrofluidikkanal, der zumindest einen Abzweig aufweist. Hierbei kann in dem Verfahren der Kanal im Bereich eines Abzweigs verengt oder verschlossen werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
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1a–1f eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung in einer Draufsicht;
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2a–2c eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung in einer Draufsicht;
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3a–3c die zweite Ausführungsform aus 2 in einer Seitenansicht, und Varianten davon in Detaildarstellung, und
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4 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
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Die in 1 gezeigte Einrichtung 1 zur Flusssteuerung weist ein Substrat 2 auf, das ein Mikrofluidikchip ist, der der nur ausschnittweise dargestellt ist. In dem Substrat 2 ist ein Mikrofluidikkanal 3 eingebettet. Der Blick des Betrachters fällt auf die Oberfläche 4 des Substrats 2, unter welcher der Kanal 3 angeordnet ist. Der Kanal 3 ist nach oben hin durch eine verformbare Kanalwand 5 verschlossen. Die Kanalwand liegt unterhalb der Oberfläche 4. Der Kanal 3 weist in seinem Verlauf in etwa eine U-Form auf. Der Kanal ist im Querschnitt (nicht gezeigt) in etwa rechteckig. Andere Kanalformen sind möglich, wie in 3b und 3c gezeigt, um den Verschluss oder den Kraftaufwand je nach Problemstellung zu optimieren. Auch nach unten und zur Seite hin, insgesamt also nach allen Seiten, ist der Kanal 5 durch das Substrat bzw. das Material des Substrats, das ein elastischer Kunststoff ist, begrenzt. Es kann alternativ nur die Kanalwand 5 elastisch sein und weitere Bestandteile des Substrats können unelastisch sein, da nur die Kanalwand zwingend elastisch sein muss, um das Wirkprinzip der Einrichtung zu ermöglichen.
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Der Kanal 3 weist einen Abzweig 6 auf, an den ein weiterer Mikrofluidikkanal 7, der an den Abzweig 6 anschließt, angeschlossen ist. Die verformbare Kanalwand 5 verläuft auch im Bereich des Abzweigs 6 und der Abzweigkanal 7 ist ebenfalls durch eine verformbare Kanalwand 5‘ nach oben verschlossen.
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Ein Anpresselement 8 ist in Form einer zylindrischen Rolle gestaltet, wobei der Blick des Betrachters auf die Seitenwand der Rolle fällt. Das Anpresselement 8 ist auf der Oberfläche 4 des Substrats rollbar. Die Anpressrolle 8 ist auf einen Zapfen 10 gelagert und ist durch ein verdicktes Endstück 11, das an den Zapfen 10 anschließt, durch Herunterrutschen von dem Zapfen 10, welcher ebenfalls zylindrisch geformt ist, gesichert. Der Zapfen 10 ist an einem Schwenkarm 9 angebracht, der um eine Achse D, die in Blickrichtung des Betrachters senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft, schwenkbar. Dadurch ist das Anpresselement 8 in einer Teilkreisbewegung entlang der Oberfläche 4 des Substrats 2 bewegbar. Die Teilkreisbewegung wird durch den Teil 3‘ des Kanals 3 abgebildet. In diese Ausführungsform ist das Anpresselement 8 bzw. die Anpressrolle entlang des kreissegmentförmigen Teils des Kanals 3, hier des Bodens des U-förmigen Kanals 3, der entsprechend kreissegmentförmig gebogen ist, bewegbar.
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Der Schwenkarm 9 ist an einem Gehäuse 13 befestigt, in dem ein hier nicht dargestellter Antrieb untergebracht ist, durch welchen der Schwenkarm bewegt werden kann. Das Gehäuse 13 ist transparent dargestellt, sodass darunter liegende Konturen des Substrats 2 zu sehen sind.
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In der 1a ist das Anpresselement so positioniert, dass ein Fluss durch den in der Abbildung unteren Teil des Mikrofluidikkanals 3 und den Abzweigkanal 7 stattfinden kann. Ein beispielhafter Fluss ist in Pfeilrichtung der 1a eingezeichnet. Die Fließrichtung könnte auch entgegengesetzt sein. Gesperrt ist der obere Teil des Mikrofluidikkanals 3.
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Kanäle könnten auch in der Abbildung nach links weg oder im weiteren Verlauf in eine andere Richtung verlaufen, wobei der Schwenkbereich es Schwenkarmes verlassen wird, um keinen ungewollten Verschluss zu erzeugen, wie in 1e gezeigt. In 1e verläuft der Abzweigkanal 7 beispielsweise in eine entgegengesetzte Richtung. Auch ein Zufluss/Abfluss nach unten oder oben, z.B. durch einen Chip, z.B. von/zu einer anderen Ebene oder von/zu einem unten liegenden Abfluss/Anschluss kann realisiert werden, wie in 1f gezeigt. Hier tritt der Kanal 3 von unten in das Substrat 2 ein, an Position 100, kommend, von unterhalb der Zeichnungsebene, und tritt nach unten wieder aus dem Substrat aus, an Position 101.
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1b zeigt die gleichen Elemente wie in 1a gezeigt, hier nicht sämtlich mit Bezugszeichen bezeichnet. Im Unterschied zu 1a ist der Schwenkarm 9 so verdreht, dass das Anpresselement 8 in den unteren Teil (in dieser Ansicht) des Mikrofluidikkanals 3 gedreht ist bzw. im Vergleich zu 1a auf die andere Seite des Abzweigs 6. Durch diese Positionierung ist nun der in der Ansicht der 1b obere Teil des Mikrofluidikkanals 3 für einen Durchfluss geöffnet, wodurch ein Fluss des Fluides durch den oberen Teil des Kanals 3 in den Abzweigkanal 7 ermöglicht ist. Auch hier könnte die Fließrichtung umgekehrt gewählt sein.
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In 1c ist der Schwenkarm 9 so verschwenkt, dass das Anpresselement 8 in dem Bereich des Substrats 2 bewegt ist, in dem der Abzweig 6 angeordnet ist, welcher in dieser Ansicht von dem Anpresselement 8 verdeckt ist. Der Abzweig 6 ist durch das Anpresselement 8 verschlossen, wodurch jeglicher Fluss durch den Kanal 3 und den Abzweigkanal 7 unterbunden ist. Ein Fluss kann allenfalls bis zu dem Abzweig stattfinden, aber nicht durch den Abzweig hindurch, da er von dem Anpresselement 8 blockiert ist.
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In 1d ist der Schwenkarm 9 so verschwenkt, dass das Anpresselement 8 außerhalb des Kanals 3 bewegt ist. Dort, wo sich das Anpresselement 8 nun befindet, ist somit auch keine Kanalwand angeordnet, die eingedrückt oder verengt werden könnte. In der gezeigten Ansicht überlappt das Anpresselement 8 zwar perspektivisch mit dem Kanal 3 bzw. dessen unteren Teil, aber das Anpresselement 8 hat die Form einer Rolle und drückt die Wand 5 des Kanals 3 nicht ein. Selbst wenn sie dies täte, wäre der Kanal 3 nicht gänzlich verschlossen. Bei dieser Positionierung des Anpresselements 8 in 1d ist ein Fluss durch jeden Teil des Kanals und den Abzweigkanal 7 möglich, beispielhaft dargestellt durch Pfeile, wobei auch hier die Fließrichtung eine andere sein kann.
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Das Anpresselement 8 in den 1a bis 1d sitzt in jeder der dort gezeigten Positionen auf der Oberfläche 4 des Substrates 2 auf bzw. übt einen Druck auf die Oberfläche 4 auf. Nur in den Positionen der 1a bis 1c sorgt der Druck durch das Anpresselement 8 aber dafür, dass eine Kanalwand 5 eingedrückt wird und dadurch der Kanal 3 an verschiedenen Positionen verschlossen wird. Die Richtung des Drucks des Anpresselements 8 verläuft in Blickrichtung des Betrachters. In der 1d übt das Anpresselement 8 auch einen Druck auf das Substrat 2 aus bzw. auf die Oberfläche 4 des Substrats, aber in diesem Fall wird keine Kanalwand eingedrückt, da sich das Anpresselement 8 in einem Bereich des Substrats befindet, in dem der Kanal 3 nicht angeordnet ist bzw. in einem Bereich, wo sich keine Kanalwand, die eindrückbar ist, befindet.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer alternativen Einrichtung 20. Das Substrat 21 weist einen Mikrofluidikkanal 22 auf, der von der verformbaren Kanalwand 23 nach oben hin, in Blickrichtung des Betrachters, verschlossen ist. Der Kanal 22 ist kreisförmig und weist sechs Abzweigungen 24, 25, 26, 27, 28 und 29 auf, an die sich jeweils Abzweigkanäle 30, 31, 32, 33, 34 und 35 anschließen. Anpresselemente 36, 37 und 38 in Form von Rollen, analog wie in 1a bis 1d, sitzen auf der Oberfläche 39 des Substrats 21 und üben permanent einen Anpressdruck auf die Oberfläche aus. Das Gehäuse 13 ist transparent dargestellt, sodass darunter liegende Konturen des Substrats 2 zu sehen sind. Das Gehäuse 13 wird in der gewählten Darstellung von dem Rotor 40 überdeckt, wobei eigentlich das Gehäuse den Rotor überdeckt, wenn es in Blickrichtung des Betrachters über dem Rotor angeordnet ist. Diese Darstellung wurde der besseren Übersicht wegen gewählt. Alternativ könnte das Substrat transparent sein und der Rotor 40, das Gehäuse 13 und die Anpresselemente 36, 37 und 38 hinter dem Substrat angeordnet sein, und auch die Kanalwand 23 auf der Rückseite angeordnet sein, sodass der Druck durch die Anpresselemente 36, 37 und 38 in Richtung des Betrachters (umgekehrt zur Blickrichtung des Betrachters) ausgeübt wird.
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Im Unterschied zu der Ausführungsform der 1a bis 1d sind die Anpresselemente 36–38 immer im Bereich des Kanals 22 angeordnet, d.h. sie pressen immer auf einen Bereich der Kanalwand 23 und drücken diese ein, sodass der Kanal 22, der kreisförmig ist, immer an drei Stellen verschlossen ist. Mit Hilfe eines Rotors 40, an dem die Anpresselement 36, 37 und 38 gelagert sind, sind die Anpresselemente auf einer Kreisbahn, die deckungsgleich mit dem Kanal 22 verläuft, bewegbar. Der Rotor 40 ist um die Achse D, die senkrecht zur Bildebene in Blickrichtung des Betrachters steht, rotierbar. Die Anpresselemente 36–38 sind in einem Winkel von jeweils 120° zueinander angeordnet. Wie ausgeführt sind die Anpresselemente 36–38 in Form von Rollen ausgeführt, die ihrerseits drehbar an dem Rotor 40 gelagert sind. D.h. wenn der Rotor 40 verdreht wird, rollen die Anpressrollen 36–38 entlang einer Kreisbahn.
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Durch die durch Drehung des Rotors 40 unterschiedliche mögliche Positionierung der Anpressrollen 36–38 auf der durch den Kanal 22 beschriebenen Kreisbahn sind verschiedene Flusssteuerungen möglich. Bei der in 2a gezeigten Positionierung sind die in Pfeilrichtung dargestellten Flüssigkeitsströme ermöglicht, wobei die Fließrichtung auch hier umgekehrt sein kann. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit durch den Abzweigkanal 32 in den Kanal 22 einfließen und durch den Abzweigkanal 31 wieder herausfließen (das Mikrofluidikkanalsystem sowie der Mikrofluidikchip 21 sind nur ausschnittweise dargestellt. Ferner sind keine Pumpen oder sonstige Einrichtungen dargestellt, die für eine Konvektion der Flüssigkeit in den Kanälen sorgen). In analoger Weise kann ein Fluss durch den Abzweigkanal 34, den Kanal 22 und den Abzweigkanal 33 sowie durch den Abzweigkanal 35, den Kanal 22 und den Abzweigkanal 30 erfolgen.
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Verdreht man den Rotor 40 in 1a so, dass beispielsweise das Anpresselement 38 zwischen den Abzweigkanälen 35 und 30, das Anpresselement 36 zwischen den Abzweigkanälen 31 und 32 und das Anpresselement 37 zwischen den Abzweigkanälen 33 und 34 positioniert wird, beispielsweise durch eine entsprechende Drehung des Rotors 40 im Uhrzeigersinn, dann sind andere Kanalwege eröffnet bzw. die in 2 gezeigten Kanalwege versperrt. Eine solche Positionierung ist in 2b gezeigt. Beispielsweise kann in dieser Position eine Flüssigkeit durch den Abzweigkanal 34 in den Kanal 22 einfließen und durch den Kanal 35 wieder ausfließen, oder umgekehrt durch den Kanal 35 einfließen und durch 34 ausfließen. Analog ist ein Fluss durch die Kanäle 30, 22, 31 und ein Fluss durch die Kanäle 32, 22, 33 ermöglicht. Auch hierbei ist immer nur ein Fluss durch einen Teilabschnitt des insgesamt kreisförmigen Kanals 22 möglich, da dieser immer an drei Stellen, nämlich dort, wo die Anpresselemente 36, 37 und 38 gerade aufliegen, unterbrochen sind. Der Fluss kann also nur von einem Abzweigkanal durch einen Teil des Kanals 22 zu einem benachbarten Abzweigkanal verlaufen.
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In einer weiteren Positionierung der Anpresselemente kann der Rotor 40 und die Achse D so gedreht werden, dass alle drei Anpresselemente im Bereich eines Abzweigs positioniert sind, wie in 2c gezeigt. Beispielsweise kann das Anpresselement 37 im Bereich des Abzweigs 27 (siehe 2a) positioniert werden, das Anpresselement 38 gleichzeitig im Bereich des Abzweigs 29 und das Anpresselement 36 gleichzeitig im Bereich des Abzweigs 25. Dies ist durch eine leichte Rechtsdrehung im Uhrzeigersinn erreichbar. Alternativ könnte das Anpresselement 37 im Bereich des Abzweigs 26, das Anpresselement 38 gleichzeitig im Bereich des Abzweigs 28 und das Anpresselement 36 gleichzeitig im Bereich des Abzweigs 24 positioniert werden, durch eine leichte Drehung gegen den Uhrzeigersinn. Wenn alle drei Anpresselemente bzw. Anpressrollen im Bereich eines Abzweigs positioniert sind, durch die eine oder die andere der eben beschriebenen Konfigurationen, dann ist insgesamt der Fluss durch das in 2 gezeigte Kanalsystem versperrt. Dies bedeutet in dieser Ausführungsform, dass kein Fluss durch einen Abzweigkanal in das System hinein und durch einen anderen Abzweigkanal hinaus stattfinden kann.
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In 3a ist die erfindungsgemäße Einrichtung 20 aus 2 in einer seitlichen Ansicht gezeigt. Dargestellt ist, wie die Anpresselemente 36, 37, 38 in Form von Rollen gestaltet sind. Die Anpressrollen 36–38 sind jeweils über Zapfen 50, 51, 52 an dem Rotor 40 befestigt und auf den Zapfen 50–52 drehbar gelagert. Die Verdickungen 53, 54, 55 am Ende eines jeweiligen Zapfens (analog zu Bezugszeichen 11 in 1a) werden die Anpressrollen 36, 37, 38 auf den Zapfen gehalten. Der Rotor 40 kann um die Achse D rotiert werden. Infolge dessen werden die Rollen 36–38 in einer Kreisform oder Kreissegmentform auf dem Substrat 21 bewegt. In dem Gehäuse 56 sind nicht näher dargestellte Antriebskomponenten für den Rotor 40 untergebracht, beispielsweise ein Motor. Die Antriebsbewegung wird über eine Welle 57 auf den Rotor 40 übertragen. In dem Gehäuse 56 kann auch eine nicht näher dargestellte Anpresseinrichtung untergebracht sein, welche beispielsweise die Welle 57 mit samt dem Rotor 40 und den Anpressrollen 36–38 nach unten in Richtung des Substrats 21 absenkt. Alternativ kann das Gehäuse 56 von einer Anpresseinrichtung, die nicht näher dargestellt ist, gehalten werden oder mit einer Anpresseinrichtung gekoppelt sein, die eine Kraft nach unten in Richtung des Substrats 21 ausübt. Die Kraft einer Anpresseinrichtung zeigt in Richtung des Pfeiles U nach unten. Weiterhin kann die Einrichtung 20 eine Hebe-Senk-Einrichtung aufweisen, die nicht näher dargestellt ist, durch welche die Rollen 36–38, mit samt Rotor, von der Oberfläche des Substrats 21 abhebbar sind, in Richtung des Pfeiles O oder mit dem die Rollen 36–38 mit samt dem Rotor 40 auf die Oberfläche des Substrats 21 aufsetzbar sind, in Richtung des Pfeiles U. Die zuvor erwähnte Anpresseinrichtung ist vorzugsweise in die Hebe-Senk-Einrichtung integriert. D.h. im Zustand der Absenkung wird auch ein Anpressdruck in Richtung des Pfeiles U auf die Oberfläche des Substrats 21 aufgebracht.
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Beim Absenken der Anpressrollen 36–38 und Ausüben eines Anpressdrucks auf das Substrat 21 bzw. die Substratoberfläche 39 wird die Kanalwand 23 des Kanals 22 durch den Anpressdruck der Rollen 36–38 eingedrückt, wie in der 3a zu sehen. Dadurch wird der Kanal 22 stellenweise, nämlich an den Stellen V, verschlossen. Durch eine Bewegung der Rollen 36–38 in eine andere Position entlang des Kanals 22 können die Verschließungsstellen verlagert werden. Diese Verlagerung und die dadurch bewirkte Flusssteuerung durch ein Kanalsystem wurde bereits anhand der 2 beschrieben.
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In den Beispielen der 1 bis 3a sind die Anpressrollen 8 bzw. 36, 37 und 38 zylindrisch ausgebildet. Generell sind von dieser Erfindung alle möglichen Formen eines Anpresselements umfasst. In 3b und 3c sind weitere Beispiele gezeigt. In 3b ist der Rand einer Anpressrolle 36‘ im Querschnitt bogenförmig gestaltet, beispielsweise kreisbogenförmig. Der Verlauf des Randes der Rolle 36‘ ist komplementär zum Querschnitt des Bodens des Kanals 22‘, der in das Substrat 21‘ eingebettet ist. Beim Absenken der Rolle 36‘ in Richtung des Pfeiles U wird die verformbare Kanalwand 23‘ nach unten gedrückt, bis auf den Boden des Kanals 22‘. Durch die komplementären Formen von Rolle 36‘ bzw. deren Rand und Boden des Kanals 22‘ wird der Kanal wirksam verschlossen. Die 3c zeigt eine weitere Formgestaltung, wobei der Boden des Kanals 22‘‘ und der Rand der Anpressrolle 36‘‘ im Querschnitt V-förmig gestaltet sind.
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In 4 ist eine alternative Einrichtung 60 gezeigt, die einen anderen Antrieb für die Anpresselemente aufweist. Der Aufbau ist in etwa vergleichbar mit dem Aufbau nach 3a, wobei wie in dieser perspektivischen Darstellung zu sehen der Rotor 40 mit mehr Rollen bestückt ist. In diesem Fall sind dann im Rotor sechs Anpressrollen angebracht, von denen drei Rollen 61, 62, 63 zu sehen sind. Die weiteren Rollen liegen dahinter und werden in dieser Ansicht verdeckt. Beispielsweise ist eine weitere Rolle in Blickrichtung des Betrachters hinter der Rolle 62 auf der anderen Seite des Rotors 40 angebracht. Wie in der Einrichtung nach 3a sind die Rollen jeweils auf Zapfen 64, 65, 66 gelagert, wobei hier die äußeren Begrenzungen 53, 54, 55 aus 3a nicht dargestellt sind. Nicht genauer dargestellt ist in 4 der Kanal innerhalb des Substrats 68 und die durch die Rollen 61, 62 und 63 eingedrückte Kanalwand. Das Eindrücken der Kanalwand ist lediglich dadurch dargestellt, dass die Rollen ein Stück weit in das Substrat 68 versenkt sind.
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Ferner ist in der 4 ein Gehäuse 67 gezeigt, das einen nicht näher dargestellten Antriebsmotor beinhaltet sowie eine Antriebswelle 68.
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Wie erwähnt ist in 4 ein alternativer Antrieb für die Anpressrollen 61, 62, 63 dargestellt. In dieser Ausführungsform eine Antriebsscheibe 70 oberhalb der Rollen positioniert und mit den Rollen in Kontakt. Die Antriebsscheibe 70 wird durch die Welle 68 rotierend angetrieben und treibt ihrerseits die Rollen 61, 62, 63 zu einer Drehbewegung an. Die Antriebsscheibe 70 versetzt die Anpressrollen 61, 62, 63 in eine Rotation, die unabhängig von einem Kontakt der die Anpressrollen 61, 62, 63 mit dem Substrat 68 oder dessen Oberfläche ist. Wenn die Anpressrollen 61, 62, 63 von dem Substrat 68 entfernt würden, z.B. durch eine Hebe-Senk-Einrichtung, würden die Rollen durch die Antriebsscheibe 70 dennoch in Rotation versetzt, solange die Welle 68 dreht. Der Rotor 40‘ wird nicht durch die Welle 68 angetrieben, sondern ist frei drehend.
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Sowohl die Bewegung der Antriebsscheibe 70 als auch die Bewegung einer beispielhaften Rolle 62 sind durch Pfeile dargestellt. Die Bewegungsrichtung ist ebenfalls durch einen Pfeil, der nach rechts von der Rolle 62 weg zeigt, dargestellt.
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Vorteil der Ausführungsform der 4 ist ein leichter Austausch der Antriebsscheibe 70, falls erforderlich. Ferner kann die Rollenanordnung durch einen nach unten gerichteten Druck auf die Antriebsscheibe auf dem Substrat fixiert werden und auf das Substrat gepresst werden. In diesem Sinne ist die Antriebsscheibe auch eine Anpressscheibe. In diesem Sinne ist die in allgemeiner, von diesem Beispiel losgelöster Betrachtungsweise, der Antrieb auch eine Anpresseinrichtung.
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In der 3a ist das Antriebsprinzip anders. Dort wird der Rotor 40 durch die Antriebswelle 57 in Rotation versetzt, aber nicht die Rollen 36–38. Die Rollen rotieren lediglich dann, wenn sie auf die Oberfläche 39 des Substrates 21 aufgesetzt werden. Dann werden sie von dem Rotor 40 angeschoben und durch die Reibung zwischen der jeweiligen Rolle und der Oberfläche 39 des Substrates 21.
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4 stellt ein Beispiel für das allgemeine erfinderische Prinzip dar, dass ein Anpresselement in Form eines Rollelements durch einen Antrieb in eine Rotationsbewegung versetzbar ist, wobei von dem Antrieb Kraft von dem Antrieb an die Rolle derart geleitet wird, dass diese in Rotation versetzt wird. Dieses Prinzip des Antriebs zu einer Rotationsbewegung hat mehrere Vorteile: Erstens das Material wird weniger beansprucht, da der Anpressdruck nicht über den Rotor 40 erfolgt, wie in 3a, und zweitens wird eine Untersetzung geschaffen, in diesem Fall 1:2, wodurch der Kraftaufwand für den Antriebsmotor sinkt. Die Untersetzung erfolgt durch den Umlauf der Rollen, vergleichbar einem Planetengetriebe. Bei einer vollen Umdrehung der Antriebsscheibe 70 laufen die Rollen 61, 62, 63 nur eine halbe Umdrehung mit. Werden die Rollen direkt angetrieben läuft der Zapfen (65) denselben Weg über der Oberfläche wie die Rolle, die Antriebsscheibe 70 würde aber den doppelten Weg laufen da auf der Oberseite die Rotationsrichtung in Vorschubrichtung liegt, das heißt mit jeder Umdrehung der einzelnen Rolle, legt die Rolle 1x den Umfangweg zurück, die Oberseite aber den Umfangweg mal 2, da sich die Rolle ja den Umfangweg entlang bewegt.
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Diese Vorteile sind allgemein in der Erfindung erreichbar, wenn eine Anpressrolle direkt angetrieben wird. Die Rollen 61, 62, 63 schieben die Kanalwand (Nr. 23 in 3a) weniger zusammen, da sie selbst angetrieben werden. Dadurch werden Scherkräfte vermindert. Weiterhin wird der Rollwiederstand der Anpressrolle vermindert.
