DE102015204235A1

DE102015204235A1 - Fluidikstruktur mit Halteabschnitt und Verfahren zum Vereinigen zweier Flüssigkeitsvolumina

Info

Publication number: DE102015204235A1
Application number: DE102015204235.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Latta; Tobias Schunck; Michael Bassler; Markus Holzki; Achim Breitruck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2035-03-11
Also published as: EP3268130B1; CN107427832B; WO2016142067A1; EP3268130A1; CN107427832A; DE102015204235B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidikstruktur zum Steuern eines oder mehrerer Fluide. Eine Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) weist einen in Strömungsrichtung (13) ausgedehnten Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) auf, in dem die Fluidleitung einen engen Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 170) und lateral angrenzend einen weiten Bereich (26, 46, 76, 96, 136, 172) aufweist, wobei der enge Bereich in wenigstens einer ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung einen geringeren Wandabstand he aufweist als der minimale Wandabstand hw des weiten Bereiches. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Vereinigen wenigstens zweier Flüssigkeitsvolumina in einer solchen Fluidikstruktur, bei dem eine erste Flüssigkeit (140) durch die Fluidleitung in den engen Bereich des Halteabschnittes transportiert wird, anschließend eine zuvor durch einen Gaspuffer (146) von der ersten Flüssigkeit getrennte zweite Flüssigkeit (150) dorthin transportiert wird, während der Gaspuffer durch den weiten Bereich an der ersten Flüssigkeit vorbei aus dem Halteabschnitt herausgefördert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidikstruktur, insbesondere eine Mikrofluidikstruktur, zum Steuern eines oder mehrerer Fluide mit einer Fluidleitung, welche eine Strömungsrichtung und einen allseitig durch Wände begrenzten Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung definiert. Ferner betrifft die Erfindung einen mikrofluidischen Chip mit einem Substrat, einer Abdeckung für das Substrat und einer solchen Fluidikstruktur in dem Substrat. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Vereinigen zweier Flüssigkeitsvolumina.
Die gattungsgemäßen Fluidikstrukturen, insbesondere Mikrofluidikstrukturen, dienen der Handhabung von teilweise sehr kleinen Flüssigkeitsmengen im Bereich weniger ml bis in den µl-Bereich. Die Fluidleitungen in solchen Strukturen weisen laterale Abmessungen im Berreich weniger mm und darunter auf. Flüssigkeiten werden in einer solchen Fluidikstruktur im Durchflusssystem gehandhabt, d.h. durch Erzeugen einer Druckdifferenz (Über- und/oder Unterdruck) durch die Fluidleitungen gefördert. Hierfür kommen neben dem mikrofluidischen Chip technisch anspruchsvolle Steuer- oder Betreibergeräte zum Einsatz, die an den Mikrofluidikchip angeschlossen werden bzw. in die der Mikrofluidikchip eingelegt wird.
Eine besondere Problematik bei der Handhabung von Fluiden ergibt sich beim Zusammenführen von Flüssigkeiten. Hierfür sind Fluidleitungsstrukturen bekannt, die wenigstens zwei fluidische Zuleitungen und einen Abgang aufweisen, die im Bereich einer T-Kreuzung aufeinander treffen. Schwierig ist hierbei zu gewährleisten, dass sich Flüssigsäulen begrenzter Volumina, auch „Flüssigkeitsplugs“ genannt, aus den beiden Zuleitungen zwecks Vereinigung auch zeitgleich an der T-Kreuzung ankommen. Dies macht eine umfangreiche Fluidkontrolle beispielsweise mittels aufwendiger Ventilschaltungen und genauer Positionsüberwachung der Flüssigkeitssäulen erforderlich, durch die der Förderdruck gesteuert und so die Position der Flüssigkeitssäulen geregelt wird. Die Positionsüberwachung erfolgt beispielsweise mittels einer Lichtschranke, die exakt vermisst, wo sich der Beginn und das Ende beider Flüssigkeitssäulen befinden. Ohne eine solche Regelung können Gaspuffer zwischen den Flüssigkeitssäulen eingeschlossen werden, die die Flüssigkeitssäulen innerhalb der Fluidleitungen stets voneinander trennen. Im Falle einer Trennung der Flüssigkeitssäulen durch Lufteinschlüsse wird z.B. eine vollständige Vermischung von Flüssigkeiten verhindert, oder es werden sensorische Einrichtungen in ihrer Funktionalität gestört.
Grundsätzliches Bestreben ist es, die Steuerung oder Regelung aber auf ein notwendiges Minimum zu beschränken. Insbesondere sind aufwändige Vorkehrungen an den Mikrofluidikchips, wie bewegliche Ventilteile, zu vermeiden, weil gerade hier auf geringstmögliche Herstellungskosten geachtet wird.
Einen anderen Weg zur Vereinigung zweier Flüssigkeiten beschreibt deshalb die DE 10 2009 048 387 B3 . Die darin beschriebene mikrofluidische Struktur umfasst eine Fluidleitung, die sich an einer Stelle lateral zur Strömungsrichtung zu einer Fluidkammer aufweitet. Die Aufweitung und Oberfläche der Fluidkammer sind so beschaffen, dass sich ein durch die Fluidkammer geleitetes erstes Flüssigkeitsvolumen über den gesamten Querschnitt der Fluidkammer verteilt. Desweiteren mündet eine weitere Zuleitung in eine Halteposition in der Fluidkammer, die der Gestalt ausgebildet ist, dass ein dorthin transportiertes zweites Flüssigkeitsvolumen im Bereich der Halteposition verharrt, bis es von dem durchgeleiteten ersten Flüssigkeitsvolumen aufgenommen wird und beide Flüssigkeitsvolumina vereint aus der Fluidkammer herausgefördert werden.
Diese Struktur stellt unter bestimmten fluidischen Voraussetzungen (Benetzungseigenschaften) eine alternative, passive Fluidsteuerung bereit, die aufwendige Ventilschaltungen und/oder sonstige aktive Fluidkontrolle verzichtbar macht.
Eine ganz ähnliche Fluidikstruktur ist aus dem Aufsatz „Droplet-based microfluidic sensing system for rapid fish freshness determination", von D. Itoh et al., Sensors and Actuators B 171–172 (2012), Seiten 619–626 bekannt. Die dort beschriebene mikrofluidische Struktur umfasst nur eine Zuleitung und eine Ableitung für die Handhabung zweier oder mehrerer getrennt zugeführter Flüssigkeitssäulen (plugs). Diese werden durch die Zuleitung und durch Gasblasen voneinander getrennt ebenfalls einer lateral aufgeweiteten Fluidkammer zugeführt, deren Volumen jedenfalls größer ist als das Volumen der ersten ankommenden Flüssigkeitssäule. Die Fluidkammer ist so ausgebildet, dass die Flüssigkeit nur eine der gegenüberliegenden Seitenwandungen benetzt. Dadurch wird ein Bypass freigegeben, durch den das Gas aus dem Gaspuffer zwischen den Flüssigkeitssäulen entweichen kann. Unter fortgesetztem Förderdruck holt so die zweite Flüssigkeitssäule die weiterhin an der Seitenwandung anhaftende erste Flüssigkeit ein und wird mit dieser vereint aus der Fluidkammer herausgefördert. Dies erfordert allerdings als weitere Bedingung, dass das Gesamtvolumen beider Flüssigkeiten ausreicht, um beide Wandungen der aufgeweiteten Vereinigungskammer zu benetzen.
Während die beiden zuletzt genannten Fluidikstrukturen keine aufwendige Ventilschaltung und Fluidkontrolle benötigen und somit konzeptionell einfacher sind, haben sie den Nachteil, dass sie nicht in allen Fällen, insbesondere nicht für benetzende Flüssigkeiten und Flüssigkeiten mit hoher Oberflächenspannung, einen prozesssicheren Ablauf gewährleisten, denn diese Flüssigkeiten würden aufgrund von Kapillarkräften dazu neigen, sich in die engere Fluidleitung vor- oder zurückzuziehen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgemäß, eine einfache Fluidikstruktur zu schaffen, die dazu geeignet ist, auch (stärker) benetzende Flüssigkeiten, die durch einen Gaspuffer voneinander beabstandet zugeführt werden, prozesssicher zu vereinigen.
Die Aufgabe wird durch eine Fluidikstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen mikrofluidischen Chip mit den Merkmalen des Anspruches 14 gelöst.
Erfindungsgemäß weist die Fluidleitung der eingangs genannten Fluidikstruktur einen in Strömungsrichtung ausgedehnten, von weiteren Zu- und Ableitungen freien Halteabschnitt auf, in dem die Fluidleitung einen engen Bereich und lateral angrenzend einen weiten Bereich aufweist, wobei der enge Bereich in wenigstens einer ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (erste laterale Richtung) einen geringeren Wandabstand h_e aufweist als der minimale Wandabstand h_w des weiten Bereiches.
Dementsprechend wird die Aufgabe auch durch einen mikrofluidischen Chip der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die Fluidleitung in Form eines Kanals in dem Substrat ausgebildet und von der Abdeckung verschlossen ist, wobei der Kanal in dem Halteabschnitt in den engen und den weiten Bereich unterteilt ist. Besonders bevorzugt weist hierbei der weite Bereich eine größere Kanaltiefe als der enge Bereich auf. Diese Ausgestaltung ist besonders einfach und somit kostengünstig herstellbar.
Der Halteabschnitt ist generell also in zwei quer zur Strömungsrichtung (lateral) nebeneinander liegende und fluidisch verbundene Bereiche längs unterteilt, von denen der eine in wenigstens einer Raumrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung enger ist als der andere in jeglicher Raumrichtung. Diese Konfiguration stellt sicher, dass eine erste benetzende Flüssigkeit, welche den Halteabschnitt erreicht, dort aufgrund von Kapillarkräften sicher festgehalten wird. Für die Angaben „quer zur Strömungsrichtung“ oder „senkrecht zur Strömungsrichtung“ wird hierin auch der Begriff „lateral“ verwendet. Die Angabe „in Strömungsrichtung“ wird auch als mit „längs“ oder „in Längsrichtung“ umschrieben.
Der Halteabschnitt besitzt als Abschnitt der Fluidleitung nur eine Zuleitung und eine Ableitung in Form der Fluidleitung selbst. Zwei oder mehrere Flüssigkeitssäulen werden dem Halteabschnitt durch einen oder mehrere Gaspuffer getrennt durch dieselbe Zuleitung aufeinander folgend zugeführt und nach Vereinigung im Halteabschnitt durch dieselbe Ableitung gemeinsam aus dem Halteabschnitt entfernt.
Eine zweite Bedingung ist dementsprechend, ganz ähnlich wie bei der Fluidkammer in dem oben genannten Aufsatz, dass der enge Bereich ausreicht, um das erwartete Volumen V_Fl1 der ersten dort ankommenden Flüssigkeit vollständig aufzunehmen. Mit anderen Worten ist es erforderlich, dass das Volumen V_Fl1 der ersten Flüssigkeit kleiner ist, als das Volumen V_e des engen Bereiches des Halteabschnittes: V_Fl1 < V_e. Nur dann gibt die erste Flüssigkeit den Anfang und das Ende des lateral angrenzenden weiten Bereiches des Halteabschnittes frei, so dass durch diesen hindurch eine Bypassleitung für einen zwischen der ersten Flüssigkeit und einer folgenden zweiten Flüssigkeit eingeschlossenen Gaspuffer freigegeben wird.
Eine dritte Bedingung ist wiederum ganz ähnlich wie bei der bekannten Lösung, dass das erwartete Gesamtvolumen der zwei oder mehreren vereinigten Flüssigkeiten V_Fl1 + V_Fl2 ausreicht, um ein Ende des Haltebereiches mit Flüssigkeit zu verschließen. Mit anderen Worten ist es erforderlich, dass das Gesamtvolumen der vereinigten Flüssigkeiten V_Fl1 + V_Fl2 größer ist, als das Volumen V_e des engen Bereiches des Halteabschnittes: V_Fl1 + V_Fl2 > V_e. Das Volumen „V_Fl2“ steht hierin stellvertretend für das Volumen einer zweiten Flüssigkeit oder mehrerer zweiter Flüssigkeiten. Es können auf diese Weise insgesamt zwei, drei oder weitere durch Gaspuffer getrennte Flüssigkeiten in dem Haltebereich vereinigt und anschließend das gesamte zusammengeführte Flüssigkeitsvolumen unter fortgesetztem Förderdruck aus dem Haltebereich der Fluidleitung automatisch herausgefördert werden.
Diese Bedingungen spiegeln sich auch in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Vereinigen zweier Flüssigkeitsvolumina wieder. Dieses sieht vor, dass in einer Fluidikstruktur der vorstehend beschriebenen Art eine erste Flüssigkeit mit dem Volumen V_Fl1 durch die Fluidleitung in den Halteabschnitt und dort aufgrund von Kapillarkräften in den engen Bereich mit einem Volumen V_e transportiert wird, anschließend wenigstens ein zuvor durch einen Gaspuffer von der ersten Flüssigkeit getrennte zweite Flüssigkeit mit dem Volumen V_Fl2 durch dieselbe Fluidleitung in den Halteabschnitt transportiert wird, während der Gaspuffer durch den weiten Bereich an der ersten Flüssigkeit vorbei aus dem Halteabschnitt herausgefördert wird, bis die wenigstens eine zweite Flüssigkeit die erste Flüssigkeit erreicht und beide/alle Flüssigkeiten vereint aus dem Halteabschnitt herausgefördert werden, wobei die Bedingungen gelten: V_Fl1 < V_e und V_Fl1 + V_Fl2 > V_e.
Die Flüssigkeiten sind benetzende Flüssigkeiten, dass heißt, die Flüssigkeitsoberfläche bildet einen Kontaktwinkel zur Oberfläche des Kanals von < 90°, bevorzugt < 75° und besonders bevorzugt < 45° aus.
Bevorzugt ist ein lateraler Übergang zwischen dem engen Bereich und dem weiten Bereich in Form eines in Strömungsrichtung ausgedehnten Absatzes ausgebildet.
Ein oder mehrere solcher Absätze können sich von einer oder mehreren, die Fluidleitung begrenzenden Wänden erheben. Der enge Bereich bildet sich jeweils zwischen einem Plateau des Absatzes und einem gegenüberliegenden Wandabschnitt aus. Der Absatz kann scharfe oder abgerundete oder angefaste Kanten aufweisen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitung in Strömungsrichtung vor dem Halteabschnitt einen Einlassabschnitt und in Strömungsrichtung hinter dem Halteabschnitt einen Auslassabschnitt aufweist, wobei der Einlassabschnitt und der Auslassabschnitt in Strömungsrichtung absatzlos in den engen Bereich des Halteabschnitts übergehen.
Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass der Einlassabschnitt und der Auslassabschnitt in der ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung jeweils einen Wandabstand h_in bzw. h_out aufweisen, der gleich dem minimalen Wandabstand h_e des engen Bereiches ist.
In diesem Fall ändert sich die Abmessung der Fluidleitung in der ersten lateralen Richtung beim Durchströmen des engen Bereiches im Halteabschnitt nicht. Der weite Bereich des Halteabschnittes bildet bei dieser Ausgestaltung indes eine Aufweitung des Querschnittes der Fluidleitung in der ersten lateralen Richtung.
Alternativ weist der Einlassabschnitt in der ersten lateralen Richtung einen Wandabstand h_in > h_e auf, wobei die Fluidleitung in Strömungsrichtung nach dem Einlassabschnitt und vor dem Halteabschnitt einen ersten Übergangsabschnitt aufweist, in dem sich der laterale Wandabstand in Strömungsrichtung von h_in auf h_e stetig verjüngt.
In analoger Weise weist der Auslassabschnitt in der ersten lateralen Richtung einen Wandabstand h_out > h_e auf, wobei die Fluidleitung in Strömungsrichtung hinter dem Halteabschnitt und vor dem Auslassabschnitt einen zweiten Übergangsabschnitt aufweist, in dem sich der laterale Wandabstand in Strömungsrichtung von h_e auf h_out stetig aufweitet.
Bei dieser Ausgestaltung verjüngt sich der Kanalquerschnitt der Fluidleitung in der ersten lateralen Richtung einlassseitig hin zum Halteabschnitt auf den Wandabstand des engen Bereiches und weitet sich austrittsseitig in entsprechender Weise wieder auf. Der enge Bereich bildet also eine Einengung des Leitungsquerschnittes.
Um zu verhindern, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeiten aufgrund von Einengungen des Leitungsquerschnittes zu stark ansteigt, sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Fluidleitung in dem Halteabschnitt in einer zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (zweite laterale Richtung) gegenüber dem Einlassabschnitt und dem Auslassabschnitt lateral erweitert ist. Ein zweiter Vorteil der Aufweitung ist, dass größere Flüssigkeitsvolumina gehandhabt werden können, ohne dass der Platzbedarf der Struktur auf dem mikrofluidischen Chip zu stark zunimmt. Im Gegensatz dazu würde ein entsprechend verlängerter Kanal selbst bei Meanderung mehr Platz benötigen.
Insbesondere kann die Fluidleitung auf der Seite des engen Bereiches, auf der Seite des weiten Bereiches oder auf beiden Seiten in der zweiten lateralen Richtung erweitert sein.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der weite Bereich in der zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung gegenüber dem Einlassabschnitt und/oder gegenüber dem Auslassabschnitt versetzt angeordnet ist.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die Strömung der Fluide beim Passieren des engen Bereiches in dem Halteabschnitt weniger stark oder gar nicht abgelenkt wird, so dass die Gefahr von Verwirbelungen verringert ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitung in Strömungsrichtung vor und/oder hinter dem Halteabschnitt wenigstens eine Stoppstruktur aufweist.
Die wenigstens eine Stoppstruktur ist vorzugsweise in Form eines den Verlauf wenigstens einer der Wände der Fluidleitung unterbrechenden Absatzes ausgebildet.
Absätze in diesem Sinne bilden beispielsweise eine oder mehrere Hohlformen in der wenigstens einen Wand der Fluidleitung oder ein oder mehrere Vorsprünge entlang der wenigstens einen Wand der Fluidleitung oder beides. Die Hohlform kann beispielsweise durch einen seitlich abgehenden Kanal oder eine Einbuchtung gebildet werden. Eine Vielzahl von Vorsprüngen kann beispielsweise eine kammartige Struktur bilden. Entscheidend ist in allen Fällen, dass die Stoppstruktur nicht allein unter Ausnutzung von Kapillarkräften überwunden werden kann. Die Stoppstruktur verhindert so, dass die erste Flüssigkeit beim Einströmen in den Halteabschnitt über dessen Ende hinausschießt oder durch die Kapillarkräfte zurück in den Einlassabschnitt gezogen wird. Sie unterstützt auf diese Weise die Haltefunktion des engen Bereiches und macht den Strömungsvorgang beim Zusammenführen zweier Flüssigkeiten noch prozesssicherer.
Weitere Vorteile der Erfindung werden nach folgend anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
1a–c eine erste Ausführungsform der Erfindung in drei Ansichten;
2a–c eine zweite Ausführungsform der Erfindung in drei Ansichten;
3a–c eine dritte Ausführungsform der Erfindung in drei Ansichten;
4a–e eine vierte Ausführungsform der Erfindung in fünf Ansichten;
5a–c drei Momentaufnahmen in den Halteabschnitt der Fluidikstruktur gemäß 1 einströmender Flüssigkeit;
6 eine Ausführungsform der Erfindung mit alternativer Ausgestaltung der Stoppstrukturen vor dem Halteabschnitt;
7 eine Ausführungsform der Erfindung mit alternativer Ausgestaltung des Absatzes zwischen dem engen Bereich und dem weiten Bereich des Halteabschnittes und
8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit alternativer Ausgestaltung des Absatzes zwischen dem engen Bereich und dem weiten Bereich des Halteabschnittes.
In 1a ist eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform der Erfindung dargestellt. 1b zeigt einen Längsschnitt und 1c einen Querschnitt jeweils an den in 1a gekennzeichneten Positionen. Dargestellt ist ein Substrat 10 eines schematisch stark vereinfachten mikrofluidischen Chips, in dem nur eine Fluidleitung 12 in Form eines Kanals ausgebildet ist. Ein nicht dargestelltes Fluid durchströmt die Fluidleitung 12 druckbetrieben in der von dem Pfeil 13 angezeigten Richtung, auch Strömungs- oder Längsrichtung bezeichnet. Die Fluidleitung bzw. der Kanal weisen einen quer zur Strömungsrichtung allseitig durch Wände begrenzten Querschnitt auf. Dieser ist in einer ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung durch einen Kanalgrund 14 und die eine nicht dargestellte Abdeckung an der dem Kanalgrund gegenüberliegenden Position 16 begrenzt.
Mikrofluidische Chips weisen in der Praxis meist mehrere Fluidleitungen sowie funktionale Elemente, wie Reaktionskammern, Mischerstrukturen, Ventile oder dergleichen auf. Desweiteren ist der Kanal auf seiner offenen Oberseite mittels einer auf das Substrat laminierten Folie, eben jener Abdeckung, verschlossen. In den 1a bis 1c wurde zwecks Vereinfachung auf die Darstellung der Abdeckung verzichtet.
Der Kanal 14 ist in Strömungsrichtung funktional in einen Einlassabschnitt 18, stromabwärts einen Halteabschnitt 20 und weiter stromabwärts einen Auslassabschnitt 22 unterteilt.
Der Halteabschnitt 20 wiederum ist lateral, also quer zur Strömungsrichtung, in einen engen Bereich 24 und seitlich daran angrenzend einen weiten Bereich 26 unterteilt.
Die Fluidleitung weist in dem engen Bereich 24 in einer ersten lateralen Richtung zwischen dem Kanalgrund 14 und der Abdeckung (Position 16) einen Wandabstand h_e auf, der in diesem Fall durch die Kanaltiefe bestimmt ist. Der minimale Wandabstand des weiten Bereiches 26 ist mit h_w gekennzeichnet und erstreckt sich in dem gezeigten Beispiel in einer anderen lateralen Richtung. Wie in der Querschnittsdarstellung der 1c zu erkennen ist, ist der Abstand h_e kleiner als der minimale Wandabstand h_w des weiten Bereiches. Diese Bedingung ist allein dafür entscheidend, dass eine in den Halteabschnitt einströmende benetzende Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften in dem engen Bereich gehalten wird. Es ist grundsätzlich nicht entscheidend, ob Wandabstände in gleicher oder unterschiedlicher Richtung miteinander verglichen werden.
Auch nicht erheblich, ob der enge Bereich in der zweiten lateralen Richtung weiter oder enger ist als der der minimale Wandabstand h_w des weiten Bereiches.
In dem hier vorliegenden Fall, in dem h_e mit der Kanaltiefe zusammenfällt, gilt, dass auch die Kanaltiefe in dem weiten Bereich, die größer oder gleich dem minimalen Wandabstand h_w ist, auch größer als die Kanaltiefe in dem engen Bereich sein muss.
In der Querschnittsdarstellung der 1b ist ferner zu erkennen, dass der Einlassabschnitt in der ersten lateralen Richtung einen Wandabstand h_in und der Auslassabschnitt 22 einen Wandabstand h_out aufweisen und dass sowohl h_in als auch h_out genauso groß sind wie der Wandabstand h_e im engen Bereich des Halteabschnittes 20. Der Einlassabschnitt 18 und der Auslassabschnitt 22 gehen somit in Strömungsrichtung betrachtet absatzlos in den engen Bereich 24 über. Anders gesagt setzt sich der Kanalgrund 14 im Einlass- und Auslassabschnitt und im engen Bereich 24 des Halteabschnittes 20 eben fort.
Der weite Bereich 26 hingegen bildet vom Kanalgrund 14 ausgehend eine Vertiefung. Die Gesamttiefe des weiten Bereiches 26 ist sogar noch größer als dessen Breite, welche ja in diesem Beispiel den minimalen Wandabstand h_w definiert. Durch die Vertiefung ist zwischen dem engen Bereich 24 und dem weiten Bereich 26 ein lateraler Übergang in Form eines in Strömungsrichtung ausgedehnten Absatzes 28 ausgebildet. Der Absatz 28 wiederum weist in diesem Ausführungsbeispiel eine scharfe Kante 29 auf. Eine scharfe Kante bietet prinzipiell eine größere Prozesssicherheit, da hier eine größere Energie aufgewendet werden muss, um die Flüssigkeit über die Kante fließen zu lassen. Hierfür verantwortlich ist die Kontaktwinkelhysterese, die dafür sorgt, dass die von der Grenzfläche und der Wand gebildeten Kontaktlinien an Kanten und Knicks hängen bleiben. Andererseits gibt es eine beliebig scharfe Kante aus fertigungstechnischen Gründen ohnehin nicht und sie ist auch funktional nicht notwendig. In diesem Sinne schließt der Begriff Kante bewusst auch gerundete oder gefaste Kanten ein.
In den 2a bis 2c ist eine zweite schematisch stark vereinfachte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fluidikstruktur gezeigt. Abermals ist in einem Substrat 30 eines mikrofluidischen Chips eine Fluidleitung 32 in Form eines Kanals ausgebildet, der in einer ersten lateralen Richtung von dem Kanalgrund 34, 34‘ und auf seiner Oberseite 36 von einer nicht dargestellten Abdeckung oder Folie verschlossen ist.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 weist die Fluidleitung 32 in Strömungsrichtung nacheinander einen Einlassabschnitt 38 einen ersten Übergangsabschnitt 39, einen Halteabschnitt 40, einen zweiten Übergangsabschnitt 41 und stromabwärts einen Auslassabschnitt 42 auf. Der Halteabschnitt 40 ist wiederum lateral in einen engen Bereich 44 und seitlich daran angrenzend einen weiten Bereich 46 unterteilt. Auch hier bildet der weite Abschnitt 46, von dem Niveau des Kanalgrundes 34 im engen Abschnitt 44 ausgehend, eine Vertiefung, so dass der laterale Übergang zwischen dem engen Bereich 44 und dem weiten Bereich 46 in Form eines in Strömungsrichtung ausgedehnten Absatzes 48 mit scharfer Kante 49 ausgebildet ist.
In dem Längsschnitt der 2b ist zu erkennen, dass der Wandabstand h_in zwischen dem Kanalgrund 34‘ und der Oberseite 36 in dem Einlassabschnitt größer ist als der Wandabstand h_e im engen Bereich 44 des Halteabschnittes 40. Dies ist auf einen Niveauunterschied des Kanalgrundes zurückzuführen, der im Übergangsabschnitt 39 durch einen rampenartigen Kanalgrund 35 überbrückt wird. Mit anderen Worten verjüngt sich dadurch der Wandabstand in Strömungsrichtung 13 von h_in auf h_e stetig.
In analoger Weise ist der Wandabstand h_out des Auslassabschnittes 42 größer als der Wandabstand h_e des engen Bereiches und auch hier dient der zweite Übergangabschnitt 41 mit dem rampenartigen Kanalgrund 35‘ dazu den Niveauunterschied auszugleichen bzw. den Wandabstand in Strömungsrichtung in dem zweiten Übergangsabschnitt 41 von h_e auf h_out stetig aufzuweiten. So gehen auch in diesem Beispiel der Einlassabschnitt 38 und der Auslassabschnitt 42 in Strömungsrichtung absatzlos in den engen Bereich 44 des Halteabschnitts 40 über.
Aus Sicht des strömenden Fluids bildet der engen Bereich 44 ausgehend von dem Querschnitt des Einlassabschnitts 38 somit eine signifikante Querschnittsverengung, die bei konstanter Volumenförderung zu einem Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit führt.
Um dies zu vermeiden, kann die Fluidikstruktur, wie in den 3a bis 3c gezeigt, modifiziert werden. Wie zuvor umfasst diese Ausführungsform einen Mikrofluidikchip mit einem Substrat 60, in welches die Fluidleitung 62 in Form eines Kanals eingearbeitet ist. Das in der Strömungsrichtung 13 strömende Fluid durchströmt zunächst wiederum einen Einlassabschnitt 68, im Anschluss einen ersten Übergangsabschnitt 69, dann den Halteabschnitt 70, daraufhin den zweiten Übergangsabschnitt 71 und stromabwärts zuletzt den Auslassabschnitt 72. Der Halteabschnitt 70 ist wieder lateral in einen engen Bereich 74 mit einem Wandabstand h_e in einer ersten lateralen Richtung und einen daran angrenzenden weiten Bereich 76 mit einem minimalen Wandabstand h_w in Längsrichtung unterteilt. Auch hier gilt h_e < h_w. Ferner ist wie im Ausführungsbeispiel der 2 auch hier der Wandabstand h_in im Einlassabschnitt 68 wie auch der Wandabstand h_out im Auslassabschnitt 72 größer als der Wandabstand h_e im engen Bereich 74 des Halteabschnittes 70. Entsprechend sind die ersten und zweiten Übergangsabschnitte 69 und 71 jeweils mit einem rampenartigen Kanalgrund 65, 65‘ versehen, die einen absatzlosen Übergang bilden.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Fluidleitung 62 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 im Halteabschnitt 70 in einer zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung 13 gegenüber dem Einlassabschnitt 68 und gegenüber dem Auslassabschnitt 72 lateral erweitert. Die laterale Erweiterung ist symmetrisch zur Mittelachse der Fluidleitung 64 ausgestaltet, während sich der weite Bereich 76 wie in den beiden vorherigen Beispielen in der zweiten lateralen Richtung an einem Rand der Fluidleitung 62 befindet. Die Fluidleitung 62 ist also mit anderen Worten sowohl auf der Seite des engen Bereiches als auch auf der Seite des weiten Bereiches in der zweiten lateralen Richtung erweitert.
Die laterale Erweiterung kommt in erster Linie dem engen Bereich 74 zu gute, indem dieser in der zweiten Richtung breiter ausfällt als die Einlass- und Auslassabschnitte. Der Querschnittsverlust aufgrund der Verjüngung in der ersten lateralen Richtung von h_in auf h_e kann so teilweise kompensiert und die Strömungsgeschwindigkeit in dem engen Bereich 74 bei konstantem Volumenstrom abgesenkt werden.
Zugleich ist der weite Bereich 76 in der zweiten lateralen Richtung gegenüber dem Einlassabschnitt 68 und gegenüber dem Auslassabschnitt 72 versetzt angeordnet. Er ist so breit gewählt, dass er in der durch die Erweiterung ausgebildeten Ausbuchtung Platz findet. Der in Strömungsrichtung 13 ausgedehnte laterale Übergang oder Absatz 78 zwischen dem engen Bereich 74 und dem weiten Bereich 76, liegt deshalb in einer Flucht mit einer seitlichen Wandung 80 der Fluidleitung 62 im Einlassabschnitt 68 und im Auslassabschnitt 72. Dies bewirkt, dass die Strömung des Fluids beim Passieren des engen Bereiches 74 im Halteabschnitt 70 insgesamt weniger abgelenkt wird. Die Gefahr von Verwirbelungen ist deshalb durch die Ausgestaltung der Erweiterung wesentlich vermindert.
In 4 ist eine nochmals verfeinerte Ausgestaltung der Fluidikstruktur dargestellt. In dem Substrat 80 eines mikrofluidischen Chips ist wie zuvor die Fluidleitung 82 in Form eines Kanals ausgebildet. Die Fluidleitung 82 weist in Strömungsrichtung 13 nacheinander einen Einlassabschnitt 88, einen ersten Übergangsabschnitt 89, einen Halteabschnitt 90, einen zweiten Übergangsabschnitt 91 und stromabwärts einen Auslassabschnitt 92 auf. Der Halteabschnitt 90 ist wiederum lateral in einen engen Bereich 94 und seitlich daran angrenzend einen weiten Bereich 96 unterteilt. Auch hier bildet der weite Bereich 96, von dem Niveau des Kanalgrundes 84 im engen Bereich 94 ausgehend, eine Vertiefung, so dass der laterale Übergang zwischen dem engen Bereich 94 und dem weiten Bereich 96 in Form eines in Strömungsrichtung 13 ausgedehnten Absatzes 98 mit scharfer Kante 99 ausgebildet ist. Wie zuvor ist zwar der relevante Wandabstand h_e des engen Bereiches 94 durch die Kanaltiefe bestimmt. Anders als zuvor fällt aber die Richtung des minimalen Wandabstandes h_w in dem weiten Bereich 96 mit der ersten lateralen Richtung zusammen. Anders gesagt ist auch der minimalen Wandabstandes h_w in dem weiten Bereich 96 durch die dortige Kanaltiefe bestimmt. Es gilt erfindungsgemäß auch hier: h_e < h_w.
Die laterale Ausweitung der Fluidleitung in den Übergangsabschnitten und dem Halteabschnitt dient wie zuvor dazu, eine laterale Verjüngung des Leitungsquerschnittes in dem engen Bereich zumindest teilweise zu kompensieren und so die Strömungsgeschwindigkeit hier abzusenken. Auch ist der weite Bereich 96 bei dieser Ausführungsform wieder so positioniert, dass der den lateralen Übergang zum engen Bereich 94 bildende Absatz 98 in einer Flucht mit der Seitenwand 100 der Einlass- und Auslassabschnitte liegt.
Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 3 weisen die Wandungen 101, 102 im ersten Übergangsabschnitt 89, Halteabschnitt 90 und zweiten Übergangsabschnitt 91 gerundete oder „stetig differenzierbare“ Konturen auf. Dies begünstigt die Strömung und verhindert umso mehr die Ausbildung von Verwirbelungen an den Abschnittsübergängen. Zudem minimieren solche kontinuierlichen Konturen die Haltekräfte auf die Kontaktlinie zwischen der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas und der Oberfläche des Kanals (Festkörper), wie oben unter Bezugnahme auf die scharfe Kante 29 in 1 schon angesprochen. An dem hier angesprochenen Übergang ist, im Gegensatz zu der oben besprochenen Kante 29, gewünscht, dass der Wandkontakt ohne erhöhte Energieaufwand abreist, um den Bypass freizugeben. Deshalb sind hier „runde“ oder „weiche“ oder „stetig differenzierbare“ Konturen vorteilhaft.
Auch der weitere Bereich ist bei dieser Ausführungsform ein wenig komplexer als zuvor. Er hat in etwa die Form eines Gehstockes mit einem „Griff“ am auslassseitigen Ende des Halteabschnittes, der von dem engen Bereich 94 weg weist. Hierdurch bildet dieses Ende des weiten Bereiches 96 ein totes Ende 104. Diese hat sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn versehentlich einmal Flüssigkeit in den weiten Bereich hineinlaufen sollte. Dann verhindert ein am toten Ende 104 eingeschlossenes Gaspolster nämlich, dass die Flüssigkeit den weiten Bereich vollständig benetzen kann. Es bleibt hier somit immer eine Grenzfläche bestehen, welche den Ausgangspunkt für einen Flüssigkeitsabriss und somit ein vollständiges Entleeren des weiten Bereiches sicherstellt.
Schließlich befinden sich bei dieser Ausführungsform zwei Stoppstrukturen 105, 106 in den gegenüberliegenden Wandungen 101 und 102 der Fluidleitung 82 vor dem Halteabschnitt 90. Die Stoppstrukturen 105, 106 sind als Hohlform, genauer als Totkanäle, in den beiden Wandungen 101, 102 ausgebildet und unterbrechen den Verlauf derselben dergestalt, dass ein in dem engen Bereich 94 des Halteabschnitts 90 einströmendes Fluid nicht aufgrund von Kapillarkräften wieder zurück in den Einlassabschnitt 98 strömt.
Die 5a bis 5c zeigen eine Sequenz einer in die Fluidikstruktur gemäß 1 einströmenden Flüssigkeit. Alle drei Momentaufnahmen zeigen denselben Ausschnitt des schematisch stark vereinfacht dargestellten mikrofluidischen Chips 110 mit dem Substrat 120, in das die Fluidleitung 122 in Form eines Kanals eingearbeitet ist. Hier nun ist eine Abdeckung 125 in Form einer Folie gezeigt, welche den lateral einseitig offenen Kanal verschließt.
Die Fluidleitung 122 ist im Bereich des Halteabschnitts geschnitten dargestellt, in dem sie einen engen Bereich 134 mit geringerer Kanaltiefe und lateral angrenzend einen weiten Bereich 136 mit größerer Kanaltiefe aufweist. Ein in der Richtung 13 einströmendes erstes Fluid 140 weist eine vordere Front oder Grenzfläche 142 auf, die sich zum Zeitpunkt gemäß 5a noch in dem Einlassabschnitt befindet.
In 5b ist das erste Fluid 140 weiter vorangeschritten, sodass bereits dessen rückwärtige Grenzfläche 144 im Einlassabschnitt zu sehen ist. Das erste Fluid 140 bildet eine sogenannte Fluidsäule. Die vordere Grenzfläche hat bereits den Halteabschnitt der Fluidleitung erreicht und tritt aufgrund von Kapillarkräften in den flachen Bereich 134 ein, während sie den weiten Bereich 136 nicht benetzt.
Hinter der Flüssigkeitssäule befindet sich ein Gaspuffer 146, der das erste Fluid 140 von einem nachfolgenden zweiten Fluid 150 räumlich trennt, welches in 5c im Einlassabschnitt erscheint. Durch das weitere Voranschreiten beider Fluidsäulen gelangt irgendwann auch die rückwärtige Grenzfläche 144 der ersten Flüssigkeitssäule 140 an dem Anfang des weiten Bereiches 136 des Halteabschnittes an. An dieser Stelle reißt die rückwärtige Grenzfläche 144 der ersten Flüssigkeitssäule 140 von der Wandung des Fluidkanals 122 ab, an welcher sich der weite Bereich 136 befindet. Der weite Bereich 136 gibt daraufhin eine Bypassleitung frei, durch welche das Gas aus dem Puffer 146 entweichen kann, wie der Pfeil 152 symbolisiert. Die erste Fluidsäule verharrt derweil in dem Haltebereich, weil sie keinen Förderdruck mehr verspürt. Hierdurch kann die nachfolgende Flüssigkeitssäule 150 weiter in Richtung der ersten Flüssigkeitssäule 140 transportiert werden, bis beide Flüssigkeitssäulen vereint sind. Sodann werden beide gemeinsam weitergefördert. Dies lässt sich entweder so einrichten, dass die vereinigte Flüssigkeitssäule vollständig um ein Luftpolster in der Bypassleitung herum läuft oder dass sie zuerst die Bypassleitung entleert und erst anschließend den Haltebereich vollständig verlässt. Der Ablauf hängt insoweit von Details der Ausformung der Übergangsabschnitte ab.
In 6 ist eine alternative Ausgestaltung einer Fluidikstruktur gezeigt, welche hinsichtlich der Form der Fluidleitung 158 jener der 1 und 5 entspricht. Einziger Unterschied ist eine Stoppstruktur 160, welche eine Mehrzahl von Vorsprüngen 162 entlang einer Wand bzw. genauer dem Kanalgrund 163 der Fluidleitung aufweist. Die Vorsprünge 162 bilden zusammengenommen eine kammartige Struktur am Ende des engen Bereiches 164. Diese behindert allgemein den Durchfluss einer benetzenden Flüssigkeit und verhindern somit insbesondere, dass diese versehentlich aus dem engen Bereich des Halteabschnittes in den Auslassabschnitt der Fluidleitung zurückströmt.
7 zeigt, einen vereinfachten mikrofluidischen Chip 170 mit einer alternativen Ausgestaltung der Fluidleitung 172, genauer des den lateralen Übergang zwischen dem engen Bereich 174 und dem weiten Bereich 176 bildenden, in Strömungsrichtung ausgedehnten Absatzes 178. Wie in dem Beispiel gemäß 4 sind der Wandabstand h_e des engen Bereiches 174 wie auch der minimale Wandabstandes h_w des weiten Bereiches 176 durch die jeweilige Kanaltiefe bestimmt. Der Absatz 178 aber weist, im Gegensatz zu allen vorstehend gezeigten Ausführungsformen keine scharfe, sondern eine gerundete Kante 180 auf. Außerdem geht der Absatz 178 auch in den Kanalgrund 182 des weiten Bereiches 176 in Form einer Rundung 184 über. Der Übergang hat deshalb einen kurvenförmigen Querschnitt ohne Sprung oder Knick mit dem Effekt, dass der Wandabstand vom engen Bereich 174 in lateraler Richtung hin zum weiten Bereich 176 in stetig differenzierbarer Form zunimmt.
8 zeigt einen vereinfachten mikrofluidischen Chip 190 mit einer abermals alternativen Ausgestaltung der Fluidleitung 192, genauer des den lateralen Übergang zwischen dem engen Bereich 194 und dem weiten Bereich 196 bildenden, in Strömungsrichtung ausgedehnten Absatzes. Wie in dem Beispiel gemäß 7 sind der Wandabstand h_e des engen Bereiches 194 wie auch der minimale Wandabstandes h_w des weiten Bereiches 196 wieder durch die jeweilige Kanaltiefe bestimmt und der Absatz weist eine gerundete Kante sowie im Übergang vom Kanalgrund 202 des weiten Bereiches 196 in den Absatz 198 eine Rundung auf. Im Unterschied zu dem vorherigen Beispiel oder dem Beispiel gemäß 1 bildet der weite Bereich 196, ausgehend vom Kanalgrund 203 im engen Bereich 196, keine Vertiefung aus. Umgekehrt ist der Halteabschnitt hier so ausgeformt, dass der enge Bereich 194, ausgehend vom Kanalgrund 202, eine Erhöhung oder ein Plateau bildet. Diese Form ist mit den Ausführungsbeispielen gemäß den 2 bis 4 verwandt. Im Unterschied dazu setzt sich jedoch der Kanalgrund 202 vom Einlassabschnitt 208 über den ersten Übergangsabschitt 209, den weiten Bereich 196 des Halteabschnittes 210, den zweiten Übergangsabschnitt 211 hin zum Auslassabschnitt 212 übergangslos auf gleichem Niveau fort. Anders gesagt erstrecken sich die Übergangsabschnitte 209, 211 nicht über die gesamte Kanalbreite.
Bezugszeichenliste

10: Substrat
12: Fluidleitung/Kanal
13: Strömungsrichtung
14: Kanalgrund
16: Oberseite des Kanals
18: Einlassabschnitt
20: Halteabschnitt
22: Auslassabschnitt
24: enger Bereich
26: weiter Bereich
28: Absatz
29: Kante
30: Substrat
32: Fluidleitung
34: Kanalgrund
34‘: Kanalgrund
35: rampenartiger Kanalgrund
35‘: rampenartiger Kanalgrund
36: Oberseite des Kanals
38: Einlassabschnitt
39: erster Übergangsabschnitt
40: Halteabschnitt
41: zweiter Übergangsabschnitt
42: Auslassabschnitt
44: enger Bereich
46: weiter Bereich
48: Absatz
49: Kante
60: Substrat
62: Fluidleitung/Kanal
65: rampenartiger Kanalgrund
65‘: rampenartiger Kanalgrund
68: Einlassabschnitt
69: Übergangsabschnitt
70: Halteabschnitt
71: zweiter Übergangsabschnitt
72: Auslassabschnitt
74: enger Bereich
76: weiter Bereich
78: Absatz
80: seitlichen Wandung der Fluidleitung
80: Substrat
82: Fluidleitung/Kanal
84: Kanalgrund
88: Einlassabschnitt
89: Übergangsabschnitt
90: Halteabschnitt
91: zweiter Übergangsabschnitt
92: Auslassabschnitt
94: enger Bereich
96: weiter Bereich
98: Absatz
99: Kante
100: seitlichen Wandung des Einlass- und Auslassabschnittes
101: Wandungen in den Übergangsabschnitten und im Halteabschnitt
102: Wandungen in den Übergangsabschnitten und im Halteabschnitt
104: totes Ende des weiten Bereiches
105: Stoppstruktur/Hohlform/Totkanal
106: Stoppstruktur/Hohlform/Totkanal
110: mikrofluidischer Chip
120: Substrat
122: Fluidleitung
125: Abdeckung/Folie
134: enger Bereich
136: weiter Bereich
140: erstes Fluid/Fluidsäule
142: vordere Grenzfläche der ersten Fluidsäule
144: hintere Grenzfläche der ersten Fluidsäule
146: Gaspuffer
150: zweites Fluid/Fluidsäule
152: Strömungspfeil
158: Fluidkanal
160: Stoppstruktur
162: Vorsprung
163: Kanalgrund
164: enger Bereich
170: mikrofluidischer Chip
172: Fluidleitung/Kanal
174: enger Bereich
176: weiter Bereich
178: Absatz
180: Kante
182: Kanalgrund des weiten Bereiches
184: Rundung
190: mikrofluidischer Chip
192: Fluidleitung/Kanal
194: enger Bereich
196: weiter Bereich
202: Kanalgrund (im weiten Bereich)
203: Kanalgrund im engen Bereich
208: Einlassabschnitt
209: erster Übergangsabschitt
210: Halteabschnittes
211: zweiter Übergangsabschnitt
212: Auslassabschnitt

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 102009048387 B3 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Droplet-based microfluidic sensing system for rapid fish freshness determination“, von D. Itoh et al., Sensors and Actuators B 171–172 (2012), Seiten 619–626 [0007]

Claims

Fluidikstruktur zum Steuern eines oder mehrerer Fluide mit einer Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122), welche eine Strömungsrichtung (13) und einen allseitig durch Wände begrenzten Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung (13) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) einen in Strömungsrichtung (13) ausgedehnten, von weiteren Zu- und Ableitungen freien Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) aufweist, in dem die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) einen engen Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 170) und lateral angrenzend einen weiten Bereich (26, 46, 76, 96, 136, 172) aufweist, wobei der enge Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 164, 170) in wenigstens einer ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) einen geringeren Wandabstand h_e aufweist als der minimale Wandabstand h_w des weiten Bereiches (26, 46, 76, 96, 136, 172).
Fluidikstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein lateraler Übergang zwischen dem engen Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 164, 170) und dem weiten Bereich (26, 46, 76, 96, 136, 172) in Form eines in Strömungsrichtung (13) ausgedehnten Absatzes (28, 48, 78, 98, 174) ausgebildet ist.
Fluidikstruktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) in Strömungsrichtung (13) vor dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) einen Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88) und in Strömungsrichtung (13) hinter dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) einen Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92) aufweist, wobei der Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88) und der Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92) in Strömungsrichtung (13) absatzlos in den engen Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 164, 170) des Halteabschnittes (20, 40, 70, 90) übergehen.
Fluidikstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88) und/oder der Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92) in der ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) einen Wandabstand h_in bzw. h_out aufweisen, der gleich dem minimalen Wandabstand h_e des engen Bereiches (24, 44, 74, 94, 134, 170) ist.
Fluidikstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88) in der ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) einen Wandabstand h_in > h_e aufweist und dass die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) in Strömungsrichtung (13) nach dem Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88) und vor dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) einen ersten Übergangsabschnitt (39, 69, 89) aufweist, in dem sich der Wandabstand in Strömungsrichtung (13) von h_in auf h_e stetig verjüngt.
Fluidikstruktur nach einem der Ansprüche 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92) in der ersten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) einen Wandabstand h_out > h_e aufweist und dass die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) in Strömungsrichtung (13) hinter dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) und vor dem Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92) einen zweiten Übergangsabschnitt (41, 71, 91) aufweist, in dem sich der Wandabstand in Strömungsrichtung (13) von h_e auf h_out stetig aufweitet.
Fluidikstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) in Strömungsrichtung (13) vor dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) einen Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88) und in Strömungsrichtung (13) hinter dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) einen Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92) aufweist, wobei die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) in dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) in einer zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) gegenüber dem Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88) und dem Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92) lateral erweitert ist.
Fluidikstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der weite Bereich (26, 46, 76, 96, 136, 172) in der zweiten Richtung senkrecht zur Strömungsrichtung (13) gegenüber dem Einlassabschnitt (18, 38, 68, 88) und/oder gegenüber dem Auslassabschnitt (22, 42, 72, 92) versetzt angeordnet ist.
Fluidikstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) in Strömungsrichtung (13) vor und/oder hinter dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) wenigstens eine Stoppstruktur (105, 106, 160) aufweist.
Fluidikstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stoppstruktur (105, 106, 160) in Form eines den Verlauf wenigstens einer der Wände der Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) unterbrechenden Absatzes (28, 48, 78, 98, 174) ausgebildet ist.
Fluidikstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stoppstruktur (105, 106) als Hohlform in der wenigstens einen Wand der Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) ausgebildet ist.
Fluidikstruktur nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stoppstruktur (160) als Vorsprung (162) entlang der wenigstens einen Wand der Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) ausgebildet ist.
Mikrofluidischer Chip mit einem Substrat, einer Abdeckung für das Substrat und einer Fluidikstruktur nach einem der vorstehenden Ansprüche in dem Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) in Form eines Kanals in dem Substrat ausgebildet und von der Abdeckung verschlossen ist, wobei der Kanal in dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) in den engen (24, 44, 74, 94, 134, 164, 170) und den weiten Bereich (26, 46, 76, 96, 136, 172) unterteilt ist.
Mikrofluidischer Chip nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der weite Bereich (26, 46, 76, 96, 136, 172) eine größere Kanaltiefe als der enge Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 164, 170) aufweist.
Verfahren zum Vereinigen wenigstens zweier Flüssigkeitsvolumina in einer Fluidikstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem eine erste Flüssigkeit (140) mit dem Volumen V_Fl1 durch die Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) in den Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) und dort aufgrund von Kapillarkräften in den engen Bereich (24, 44, 74, 94, 134, 164, 170) mit einem Volumen V_e transportiert wird, anschließend wenigstens eine zuvor durch einen Gaspuffer (146) von der ersten Flüssigkeit (140) getrennte zweite Flüssigkeit (150) mit dem Volumen V_Fl2 durch dieselbe Fluidleitung (12, 32, 62, 82, 122) in den Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) transportiert wird, während der Gaspuffer (146) durch den weiten Bereich (26, 46, 76, 96, 136, 172) an der ersten Flüssigkeit vorbei aus dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) herausgefördert wird, bis die wenigstens eine zweite Flüssigkeit (150) die erste Flüssigkeit (140) erreicht und beide bzw. alle Flüssigkeiten vereint aus dem Halteabschnitt (20, 40, 70, 90) herausgefördert werden, wobei die Bedingungen gelten: V_Fl1 < V_e und V_Fl1 + V_Fl2 > V_e.