DE102017218117A1

DE102017218117A1 - Mikrofluidische Vorrichtung, Verfahren zu deren Herstellung und Spritzprägevorrichtung

Info

Publication number: DE102017218117A1
Application number: DE102017218117.6A
Authority: DE
Inventors: Anika Harbord; Stephan Geise
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-11
Filing date: 2017-10-11
Publication date: 2019-04-11

Abstract

Eine Mikrofluidische Vorrichtung (500) umfasst wenigstens eine strukturierte Trägerplatte (100), wenigstens eine Abdeckplatte (300) und eine funktionale elastische Zwischenschicht (200). In der Zwischenschicht (200) ist zumindest ein Temperatursensorelement (400) integriert, welches zumindest zwei mit einer Silikonhülle (405) ummantelte Einzeladern (401, 402) aus unterschiedlichem Metall aufweist, deren einen Enden zusammengeschweißt sind und deren anderen Enden mit einer Kontaktfläche (420) verbunden sind. Dabei ist die Zwischenschicht (200) auf Basis von Flüssigsilikon hergestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung, in die ein Temperatursensorelement implementiert ist, ein Verfahren zu deren Herstellung sowie eine Spritzprägevorrichtung, die zur Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung eingerichtet ist.
Stand der Technik
Für verschiedene Anwendungsbereiche kommen mikrofluidische Vorrichtungen, wie beispielsweise Mikrofluidikchips, zum Einsatz. Derartige, in der Regel aus Kunststoff ausgebildete, fluidische Vorrichtungen können beispielsweise für analytische, präparative oder diagnostische Anwendungen in der Medizin eingesetzt werden. Die mikrofluidischen Vorrichtungen können beispielsweise in Form einen sogenannten Lab-on-Chip-Systems verwendet werden, wobei die Funktionalitäten eines Labors gewissermaßen im Scheckkartenformat zusammengefasst werden. In der Regel bestehen derartige mikrofluidische Vorrichtungen aus einer strukturierten Kunststoffträgerplatte, die die verschiedenen erforderlichen Reaktionskammern, Kanäle und andere funktionale Elemente integriert. Weiterhin kann eine Zwischenplatte oder gegebenenfalls mehrere Zwischenplatten vorgesehen sein. In der Regel ist weiterhin eine Abdeckplatte vorgesehen, um die mikrofluidische Vorrichtung abzudichten. Auf diese Weise können verschiedene Analysebauteile, Pumpen, Wärmequellen, Sensoren und anderes integriert werden, um komplexe biochemische Vorgänge oder Ähnliches in der fluidischen Vorrichtung ablaufen zu lassen. Derartige Systeme eignen sich in besonderer Weise für automatisierte Anwendungen, sodass sie beispielsweise für eine zeitnahe Diagnostik in Arztpraxen oder Krankenhäusern eingesetzt werden können.
Zudem ist bekannt, Temperatursensorelemente zu verwenden, welche die Temperatur innerhalb der Analysekammern einer mikrofluidischen Vorrichtung messen können. Die Temperatursensorelemente können zu einer Kalibrierung der Reaktionskammern beitragen. Herkömmlicherweise werden diese Temperatursensorelemente in die Reaktionskammern eingeschweißt. Dabei ist darauf zu achten, dass die mikrofluidische Vorrichtung nicht undicht wird.
Die Herstellung erfolgt in der Regel durch eine separate Herstellung der einzelnen Kunststoffplatten in speziellen Spritzgieß- oder Prägewerkzeugen oder auf Heißprägeanlagen. Nach der Fertigung der einzelnen Elemente wird die mikrofluidische Vorrichtung mit Hilfe von aufwendigen Klebe- oder Schweißprozessen zusammengefügt und abgedichtet. Vor allem für medizinische Produkte ist die Keimfreiheit der Vorrichtung sehr wichtig. Weiterhin dürfen keine Verunreinigungen in die Vorrichtung gelangen, um beispielsweise spätere Analyseergebnisse nicht zu verfälschen. In der Regel werden daher alle Bauteile eines solchen Systems unter Reinraumbedingungen hergestellt, montiert und verpackt.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2010 041 287 A1 beschreibt beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung, bei dem eine strukturierte Trägerplatte und eine Abdeckplatte separat ausgeformt werden. Zwischen diesen Platten wird ein Funktionselement, beispielsweise eine Zwischenplatte, angeordnet. Anschließend wird die Anordnung mit einer Abdeckplatte abgedeckt und luftdicht verschlossen. Bei dem Funktionselement kann es sich um eine Pumpenmembran handeln, die aus Thermoplastischem Elastomer (TPE) oder Ähnlichem ausgebildet ist. Durch externe Luftventile kann diese Membran eine Pumpenfunktion übernehmen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine mikrofluidische Vorrichtung bereit, die wenigstens eine strukturierte Trägerplatte und wenigstens eine Abdeckplatte umfasst. Weiterhin ist bei der mikrofluidischen Vorrichtung eine funktionale elastische Zwischenschicht vorgesehen, die zwischen der wenigstens einen Trägerplatte und der wenigstens einen Abdeckplatte angeordnet ist. In diese elastische Zwischenschicht ist ein Temperatursensorelement integriert. Die funktionale elastische Zwischenschicht ist auf der Basis von Flüssigsilikon hergestellt. Im Unterschied zu elastischen Zwischenschichten oder Membranen, die bei derartigen Vorrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt sind, handelt es sich bei der elastischen Zwischenschicht auf der Basis von Flüssigsilikon um eine Elastomerschicht, die vernetzt ist. Dadurch ist diese Zwischenschicht wesentlich unempfindlicher gegenüber verschiedenen Bedingungen, beispielsweise gegenüber erhöhten Temperaturen. Die Zwischenschicht ist auch deutlich medienbeständiger im Vergleich mit herkömmlichen Zwischenschichten. Es wird damit eine mikrofluidische Vorrichtung mit integrierten Reaktionskammern, Kanälen, Temperatursensorelementen und weiteren funktionalen Elementen (z. B. Pumpenfunktionen etc.) bereitgestellt, die sehr medienbeständig und robust ist und daher für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist. Beispielsweise kann die Vorrichtung als vielseitig anpassbarer Mikrofluidik-Analysechip eingesetzt werden. Darüber hinaus werden durch die elastische Zwischenschicht auf der Basis von Flüssigsilikon die Fluidkanäle beispielsweise auch bei erhöhten Temperaturen und bei einer Vielzahl unterschiedlicher Medien dauerhaft abgedichtet. Damit wird auch bei Bedingungen, bei denen herkömmliche mikrofluidische Vorrichtungen nicht mehr einsetzbar sind, durch die mikrofluidische Vorrichtung ein System bereitgestellt, das beispielsweise auch bei erhöhten Reaktionstemperaturen und ganz unterschiedlichen Medien die Pump- und/oder Abdichtfunktion zwischen einzelnen Fluidkanälen durch die elastische Zwischenschicht gewährleistet. Als Resultat ist eine Temperaturmessung mittels dem integrierten Temperatursensorelement direkt an Analysekammern, die in der Zwischenschicht ausgebildet sind, möglich.
Das Temperatursensorelement kann zudem eingerichtet sein, die Temperatur in der Analysekammer innerhalb der Zwischenschicht kontinuierlich zu messen. Dies ist insbesondere durch den direkten Kontakt der Einzeladern des integrierten Temperatursensorelements mit der Analysekammer möglich.
Flüssigsilikon ist beispielsweise unempfindlich gegenüber erhöhten Temperaturen. So ist beispielsweise der Einsatz einer Wärmequelle in dem System unter Umständen möglich. Weiterhin ist eine Sterilisation, die üblicherweise bei hohen Temperaturen durchgeführt wird, möglich.
Das Temperatursensorelement weist zwei ummantelte Einzeladern aus unterschiedlichen Metallen auf, beispielsweise aus Eisen und aus einer Kupfer-Nickel-Legierung. Die einen Enden der beiden Einzeladern sind an einer Messstelle zusammengeschweißt und deren anderen Enden sind mit einer gemeinsamen Kontaktfläche an einer Vergleichsstelle verbunden. Zwischen der Messstelle und der Vergleichsstelle herrscht eine Temperaturdifferenz - andernfalls wäre eine Messtemperatur der Messstelle gleich einer Vergleichstemperatur an der Vergleichsstelle und damit bekannt. Diese Temperaturdifferenz führt zu elektrischen Thermospannungen in den beiden Einzeladern, wobei die Thermospannung vom jeweils gewählten Material abhängt. Gemäß dem Seebeck-Effekt entsteht aus den beiden Thermospannungen für die unterschiedlichen Materialien eine elektrische Spannung, die an der Vergleichsstelle gemessen werden kann. Aus der elektrischen Spannung und der Vergleichstemperatur kann auf die Messtemperatur geschlossen werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der mikrofluidischen Vorrichtung ist die elastische Zwischenschicht optisch transparent. Die optische Transparenz von Flüssigsilikon ist in diesem Zusammenhang eine besonders vorteilhafte Eigenschaft. Eine optisch transparente elastische Zwischenschicht hat den besonderen Vorteil, dass direkt in die Zwischenschicht optische Elemente integriert werden können, beispielsweise Vergrößerungsoptiken und/oder Überwachungsfenster. In diesem Zusammenhang kann es bevorzugt sein, wenn auch die übrigen Bauteile der mikrofluidischen Vorrichtung, also insbesondere die Trägerplatte und/oder die Abdeckplatte, zumindest teilweise transparent sind. Vorzugsweise ist die gesamte Vorrichtung komplett transparent. In dieser Ausgestaltung kann zum einen eine Auswertung der ablaufenden Prozesse durch optische Methoden erfolgen, ohne dass Proben aus der Vorrichtung entnommen werden müssten. Zum anderen können die laufenden Vorgänge in den Fluidkanälen besonders gut überwacht werden.
Mit besonderem Vorteil sind die wenigstens eine Trägerplatte und die wenigstens eine Abdeckplatte der mikrofluidischen Vorrichtung formschlüssig und insbesondere auch mediendicht miteinander verbunden. Durch eine formschlüssige Verbindung, die insbesondere im Zuge des nachfolgend noch näher erläuterten Montagespritzgießverfahrens realisiert werden kann, können die einzelnen Bauteile unmittelbar bei der Ausformung der einzelnen Elemente miteinander verbunden und gewissermaßen verkapselt werden. Dadurch entfallen nachfolgende aufwändige Schweiß- oder Klebeprozesse. Durch die formschlüssige Verbindung können die verschiedenen Platten in einem Fertigungsschritt mediendicht verbunden und verkapselt werden, wodurch die Herstellung erheblich vereinfacht und vor allem auch verkürzt wird. Bei der mikrofluidischen Vorrichtung kann es weiterhin vorgesehen sein, dass direkt in die Abdeckplatte Zu- und Abführöffnungen für Medien oder allgemein für die Fluide, die durch die mikrofluidische Vorrichtung geführt werden, integriert sind.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung, die wenigstens eine strukturierte Trägerplatte und wenigstens eine Abdeckplatte sowie eine funktionale elastische Zwischenschicht zwischen der Trägerplatte und der Abdeckplatte umfasst. In die funktionale Zwischenschicht wird das Temperatursensorelement implementiert. Dabei werden zumindest zwei mit Silikon ummantelte Einzelandern aus unterschiedlichen Metallen in die Zwischenschicht eingelegt. Anschließend werden die Einzeladern an deren einen Enden zusammengeschweißt werden und an deren anderen Enden mit der Kontaktfläche verbunden. Bei der Herstellung wird die funktionale elastische Zwischenschicht unter Verwendung von Flüssigsilikon gefertigt, dessen Vorteile bereits oben erläutert wurden. Das Flüssigsilikon umfließt den das Thermosensorelement und die Kontaktfläche und schließt diese temperatur- und medienbeständig ab.
Die Einzeladern werden vorteilhafterweise gefertigt, indem sie in eine Endloshülle aus chemisch vernetztem Silikon eingebettet werden. Dadurch werden die Einzeladern vom Silikon umhüllt. Diese Endloshülle mit der jeweiligen Einzelader darin wird schließlich in passende Segmente abgestanzt. Dabei werden die vorderen Enden der Einzeladern abisoliert und können anschließend zusammengeschweißt werden. Vorzugsweise ist das Silikon der Endloshülle und das Flüssigsilikon der Zwischenschicht aus demselben Material.
Die Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung erfolgt vorzugsweise in einem Montagespritzgießverfahren, bei dem die Trägerplatte und die Abdeckplatte sowie die elastische Zwischenschicht hergestellt und während des Fertigungsprozesses mediendicht miteinander verbunden werden. Es werden hierbei keine zusätzlichen Prozessschritte, wie z. B. Laserschweißen oder Kleben oder eine andere Verbindung der Einzelbauteile während der Montage benötigt. Die für eine Medien- bzw. Fluidführung erforderlichen Öffnungen nach außen können während des Fertigungsprozesses direkt in die Vorrichtung integriert werden. Mit diesem Verfahren können Fertigungszeiten verkürzt werden, da beispielsweise Transporte der einzelnen Bauteile zwischen verschiedenen Fertigungsorten entfallen und die Vorrichtung in einem einzigen Fertigungsprozess hergestellt werden kann. Weiterhin werden zusätzliche Werkzeuge, Maschinen und damit verschiedene Fehlerquellen eingespart bzw. vermieden. Wenn das Herstellungsverfahren in einem speziellen Reinraum durchgeführt wird und die eingesetzten Bauteile sauber und steril gehandhabt werden, gelangen keine Keime oder Verunreinigungen in das System, sodass derart hergestellte mikrofluidische Vorrichtungen in besonderer Weise für beispielsweise medizinische Anwendungen geeignet sind. Durch eine Reduzierung der Prozessschritte kann die mikrofluidische Vorrichtung in kurzer Zykluszeit und dabei sehr kostengünstig mit wenig Ausschuss hergestellt werden, da Fehlerquellen bei dem Herstellungsprozess vermieden werden.
Bei der Herstellung wird vorzugsweise zunächst die strukturierte Trägerplatte aus einem thermoplastischen Kunststoff mit entsprechenden Kanälen, Reaktionskammern etc. ausgeformt. Bei der Ausformung der Trägerplatte können weiterhin Elemente vorgesehen sein, die einen Fixierungsrahmen für die spätere Ausrichtung und Zusammenführung der verschiedenen Kunststoffschichten realisieren. Die elastische Zwischenschicht wird separat auf der Basis von Flüssigsilikon hergestellt. Das Material hierfür wird insbesondere in Form von zwei Komponenten bereitgestellt, die zusammengeführt werden und dann miteinander reagieren bzw. vernetzen. Die Vernetzung erfolgt vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur. Für die Vernetzung des Flüssigsilikons kann das entsprechende Werkzeug beispielsweise konstant auf einer Temperatur zwischen 140 °C und 180 °C , abhängig von der konkreten Mischung des Flüssigsilikons, gehalten werden, sodass die Vernetzung des Flüssigsilikons bei der erhöhten Temperatur sehr schnell erfolgen kann. Eine Spritzgießeinheit zur Aufbereitung des Flüssigsilikons kann beispielsweise auf einer Temperatur zwischen 20°C und 30°C gehalten werden. Besonders geeignet für die elastische Zwischenschicht ist ein Flüssigsilikon mit einer Shore A-Härte zwischen 40 und 80. Beispielsweise eignet sich hierfür das Produkt Silopren^® des Unternehmens Momentive mit den Produktbezeichnungen 740 bis 780.
Vorzugsweise werden bei der Fertigung der elastischen Zwischenschicht funktionale Elemente integriert, beispielsweise funktionale Pumpenmembranen und/oder optische Elemente. Beispielsweise kann ein Bereich der elastischen Zwischenschicht in Form einer Linse ausgebildet werden, sodass dieser Bereich entsprechende optische Eigenschaften hat. Weiterhin können bei der Fertigung der elastischen Zwischenschicht elastische Verbindungsstutzen ausgeformt werden, die später direkt mit den Schläuchen des fluidischen Systems, beispielsweise für eine Probenzuführung, verbunden werden können.
Nach der Fertigung der elastischen Zwischenschicht wird die Zwischenschicht mit der ausgeformten strukturierten Trägerplatte zusammengesetzt. In einem entsprechenden Spritzprägewerkzeug wird die Abdeckplatte aus thermoplastischem Kunststoff ausgeformt. Bei der Fertigung der Trägerplatte und/oder der Abdeckplatte werden vorzugsweise formschlüssige Elemente für eine Verbindung der Abdeckplatte mit der Trägerplatte ausgeformt. Beispielsweise können bei der Trägerplatte Nuten vorgesehen sein, also Aussparungen in der Trägerplatte, die bei der späteren Herstellung der Abdeckplatte mit der Kunststoffschmelze für die Abdeckplatte ausgegossen werden, sodass eine formschlüssige Verbindung der einzelnen Platten der Vorrichtung und gleichzeitig eine mediendichte Verkapselung der mikrofluidischen Vorrichtung erreicht wird. Zu diesem Zweck befinden sich die formschlüssigen Elemente bei der Vorrichtung zweckmäßigerweise im äußeren Randbereich der Vorrichtung.
Je nach der vorgesehenen Anwendung der mikrofluidischen Vorrichtung kann eine Biokompatibilität der einzelnen Elemente der Vorrichtung erforderlich sein. Daher werden vorzugsweise biokompatible Kunststoffkomponenten für die Trägerplatte und die Abdeckplatte verwendet, beispielsweise Cyclo-Olefin-Polymer (COP), Cyclo-Olefin-Copolymer (COC), Polycarbonat (PC) oder Polymethylmethacrylat (PMMA).
Die Erfindung umfasst schließlich eine Spritzprägevorrichtung zur Herstellung der beschriebenen mikrofluidischen Vorrichtung. Die Spritzprägevorrichtung umfasst dabei ein Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeug mit entsprechenden Prägestempeln zur Ausformung der Trägerplatte und zur Ausformung der Abdeckplatte sowie ein Spritzgießwerkzeug zur Fertigung der elastischen Zwischenschicht. Für die Ausformung der strukturierten Trägerplatte ist vorzugsweise eine erste Spritzgießeinheit für einen thermoplastischen Kunststoff vorgesehen, mit dem die Trägerplatte ausgeformt wird. Weiterhin ist vorzugsweise eine zweite Spritzgießeinheit vorgesehen, mit der das Flüssigsilikon für die elastische Zwischenschicht in das entsprechende Spritzgießwerkzeug eingebracht wird. Da es sich bei dem Flüssigsilikon vorzugsweise um eine Zweikomponenten-Mischung handelt, ist hierfür eine Misch- und Dosieranlage erforderlich, mit der das als getrennte Mischungen bereitgestellte Material getrennt gefördert und in einem geeigneten Verhältnis gemischt werden kann. Für diese Dosiereinrichtung kann eine Temperierung vorgesehen sein, um eine vorzeitige Vernetzung zu verhindern. Das Spritzgießwerkzeug zur Fertigung der elastischen Zwischenschicht ist dabei vorzugsweise auf eine erhöhte Temperatur erhitzbar, um eine schnelle und gezielte Vernetzung des Kunststoffes zu erleichtern. Weiterhin ist eine dritte Spritzgießeinheit für den thermoplastischen Kunststoff, aus dem die Abdeckplatte ausgeformt wird, vorgesehen. Diese dritte Spritzgießeinheit ist mit der ersten Spritzgießeinheit vergleichbar.
Das Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeug ist mit geeigneten Prägestempeln zur Ausformung der Trägerplatte und zur Ausformung der Abdeckplatte ausgestattet. Hierbei werden durch den ersten Prägestempel die Strukturierungen der Trägerplatte vorgegeben. Neben verschiedenen Kanälen, die hierbei ausgeformt werden können, sind in der Regel verschiedene Vertiefungen hierbei vorgesehen, die beispielsweise als Reaktionsräume oder Reagenz- oder Pufferkammern (Reagenzriegel) vorgesehen sind. In dem ersten Prägestempel können darüber hinaus auch weitere Einsätze vorgesehen sein, mit denen weitere funktionale Strukturen auf der Trägerplatte realisiert werden. Hierzu gehört auch das Temperatursensorelement, welches in die elastische Zwischenschicht implementiert wird. Beispielsweise kann der Prägestempel einen Tefloneinsatz aufweisen, mit dessen Hilfe beispielsweise eine Verbundfolie als Reagenzkammerfolie in eine Vertiefung der Trägerplatte eingebracht werden kann. Mit Hilfe dieser Verbundfolie kann nach der Entformung der abgekühlten Trägerplatte beispielsweise eine Reagenzkammer mediendicht verschweißt werden, nachdem diese Reagenzkammer mit entsprechenden Medien befüllt wurde.
Die Spritzprägevorrichtung ist vorzugsweise für die Durchführung des beschriebenen Herstellungsverfahrens eingerichtet. Bezüglich weiterer Elemente der Spritzprägevorrichtung wird daher auf die obige Beschreibung verwiesen. Allgemein kann die erfindungsgemäße Spritzprägevorrichtung und deren einzelne Elemente, beispielsweise die Ausgestaltung der Kavitäten und der Prägestempel, an das vorgesehene Design der mikrofluidischen Vorrichtung angepasst werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Temperatursensorelement von außen ausgelesen werden kann. Durch eine entsprechende Auslegung der Spritzprägevorrichtung können die optischen Elemente, beispielsweise die Linsen der elastischen Zwischenschicht und die verschiedenen Kammern der Trägerplatte so ausgelegt werden, dass beispielsweise ein externes Auswertegerät immer einen optimalen Fokus hat.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Spritzprägevorrichtung sind für den Ausformungsschritt der Abdeckplatte bei dem Spritzprägewerkzeug Elemente vorgesehen, die eine Abgrenzung von funktionalen Elementen der elastischen Zwischenschicht während des Schrittes des Fertigung der Trägerplatte ermöglichen. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um hohle Auswerferelemente (z. B. hohle Stifte), die auf die entsprechenden Bereiche der funktionalen Elemente der Zwischenschicht aufgesetzt werden, sodass während des Einspritzens der Kunststoffschmelze für die Abdeckplatte diese Bereiche ausgespart und nicht von der Kunststoffschmelze bedeckt werden. In diesen Bereichen bildet die Abdeckplatte gewissermaßen Aussparungen, sodass die funktionalen Elemente der elastischen Zwischenschicht, beispielsweise Pumpenmembranen oder optische Elemente, von außen zugänglich bleiben. Mit den Auswerferelementen kann nach dem Schließen des Spritzprägewerkzeugs zusätzlich ein leichter Anpressdruck ausgeübt werden, sodass das Schichtpaket, das von der strukturierten Trägerplatte und der darauf angeordneten elastischen Zwischenschicht gebildet wird, während des Spritzprägens der Abdeckplatte zusätzlich fixiert wird.
Durch die konkrete Ausgestaltung der Spritzprägevorrichtung können die verschiedenen funktionalen Elemente der herzustellenden mikrofluidischen Vorrichtung genau eingestellt und an die vorgesehenen Anwendungen angepasst werden. Beispielsweise kann mit den Dimensionen der Pumpenmembranen und mit einem integrierten Folienstempel genau die Luft- und Reagenzmenge eingestellt werden, die für die Auswertung von definierten Probenmengen erforderlich ist. Bei der Verwendung der mikrofluidischen Vorrichtung, also bei der Durchführung von Analysen oder ähnlichem, bleibt das System auch nach dem Öffnen der verschweißten Reagenzkammern, das mittels der integrierten Folienstempel erfolgt, nach außen (mit Ausnahme der Verbindungsstutzen) komplett verschlossen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 Prinzipskizze eines Spritzprägewerkzeugs der erfindungsgemäßen Spritzprägevorrichtung im Schnitt zur Fertigung einer strukturierten Trägerplatte;
2 Prinzipskizze eines Spritzgießwerkzeugs der erfindungsgemäßen Spritzprägevorrichtung im Schnitt zur Fertigung der elastischen Zwischenschicht mit dem Temperatursensorelement;
3 Prinzipskizze eines Spritzprägewerkzeugs der Spritzprägevorrichtung im Schnitt zur Herstellung der Abdeckplatte und zur Verkapselung der mikrofluidischen Vorrichtung;
4a Schematische Darstellung eines Längsschnitts der Einzelader des Temperatursensorelements.
4b Schematische Darstellung eines Querschnitts der Einzeladern des Temperatursensorelements.
5 schematische Aufsicht auf eine mikrofluidische Vorrichtung gemäß der Erfindung und
6 schematische Schnittansicht einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die 1 bis 3 illustrieren die Werkzeuge, die für die Herstellung einer erfindungsgemäßen mikrofluidischen Vorrichtung in dem Montagespritzgießverfahren eingesetzt werden können. Die erfindungsgemäße Spritzgießvorrichtung umfasst dabei ein Zwei-Kavitäten-Spritzwerkzeug 10 (1 und 3) sowie ein Spritzgießwerkzeug 20 (2). In einer ersten Kavität des Zwei-Kavitäten-Spritzprägewerkzeugs 10 wird zunächst die strukturierte Trägerplatte 100 ausgeformt, wie es in 1 illustriert ist. Das Spritzprägewerkzeug 10 umfasst ein Bodenelement 11 und ein Deckelelement 12, die durch eine Trennebene 13 voneinander getrennt sind. Das Bodenelement 11 und das Deckelelement 12 bilden eine Kavität aus, in der die Trägerplatte 100 ausgeformt wird. Zur Strukturierung der Oberfläche der Trägerplatte 100 ist ein entsprechend strukturierter Prägestempel 14 mit Hydraulikzylindern 19 vorgesehen. Mit dem Prägestempel 14 werden Vertiefungen 101, 110 in der Trägerplatte 100 ausgebildet. In den Vertiefungen 101, 110 werden später eine Reagenzkammer 101 und eine Analysekammer 110 ausgestaltet. Für die Herstellung der Trägerplatte 100 wird eine Kunststoffschmelze über eine hier nicht näher dargestellte erste Spritzgießeinheit 30 in das Werkzeug 10 eingebracht. In dem auf 140 °C bis 180 °C temperierten Spritzwerkzeug 10 wird die Trägerplatte 100 abgeformt. Bei dem Prägestempel 16 kann ein Tefloneinsatz 17 vorgesehen sein, um eine vorgeformte Verbundfolie 103 in den Prägestempel 16 einzulegen. Diese Verbundfolie 103 bildet eine Reagenzkammerfolie für eine Auslegung der Vertiefung 101. Die Verbundfolie 103 wird durch die Ausdehnung des Tefloneinsatzes 17 bei der entsprechenden Werkzeugtemperatur fixiert und im Zuge des Spritzprägevorgangs von der Kunststoffschmelze, also dem vorzugsweise optischen thermoplastischen Kunststoff, hinterspritzt. Nachdem über die Spritzeinheit 30 die Kunststoffkomponente (z. B. COP, COC, PC, PMMA) in die Kavität des Spritzwerkzeugs 10 eingespritzt wurde, wird mit dem strukturierten Prägestempel 16 die Trägerplatte 100 verzugsarm in ihre Form geprägt. Das Bodenelement 11 und das Deckelelement 12 sind so ausgestaltet, dass bei der Spritzprägung der Trägerplatte 100 außerhalb der eigentlichen Strukturen (Kanäle und Vertiefungen bzw. Kammern 101, 102) Nuten 104 und ein Fixierungsrahmen 105 ausgeformt werden, die für eine spätere Ausrichtung und Zusammenführung der verschiedenen Bauteile der mikrofluidischen Vorrichtung genutzt werden.
Nach der Entformung der abgekühlten Trägerplatte 100 kann die Vertiefung 101 als Reagenzkammern mit entsprechenden Lösungen oder Medien befüllt werden und die Verbundfolie 103 kann als Deckelschicht der Reagenzkammer 101 mediendicht verschweißt werden. Des Weiteren wird die Vertiefung 110 als Analysekammer ausgestaltet und ein Temperatursensorelement 400 implementiert. Zur genauen Beschreibung des Temperatursensorelements 400 wird auf die 5 verwiesen.
Die Herstellung der elastischen Zwischenschicht, die in einem separaten Fertigungsschritt erfolgt, wird anhand der 2 illustriert. Hierfür wird das Spritzgießwerkzeug 20 verwendet, das ein Bodenelement 21 und ein Deckelelement 22, die von einer Trennebene 23 getrennt werden, umfasst. Zur Ausformung von funktionalen Elementen in der Zwischenschicht weist das Deckelelement 22 einen Formeinsatz 24 für die Analysekammer 110 und das Temperatursensorelement 400 und einen Formeinsatz 25 für eine Pumpenmembran auf. Diese Einsätze 24, 25 können auch in Mehrzahl vorhanden sein. Das Bodenelement 21 weist einen entsprechenden Formeinsatz 26 zur Ausformung der Pumpenmembran 204 auf, wobei die Pumpenmembran 204 eine Aufwölbung der elastischen Zwischenschicht darstellt. Mit Hilfe des Formeinsatzes 24 für die Analysekammer 110 und das Temperatursensorelement 400 wird die Analysekammer mit dem Temperatursensorelement 400 mittels der Zwischenschicht 200 sowohl medienschlüssig als auch temperaturschlüssig verschlossen. Mit Hilfe des Formeinsatzes 26 kann weiterhin ein Folienstempel 201 in die elastische Zwischenschicht 200 im Bereich der Pumpenmembran 204 integriert werden. Zur Herstellung der elastischen Zwischenschicht wird Flüssigsilikon als Zweikomponentenmischung über die nicht näher dargestellte zweite Spritzgießeinheit 40 in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs 20 eingespritzt. Vorzugsweise wird optisches Flüssigsilikon verwendet (z. B. Silopren^® 7060), mit dem auch optische Funktionalitäten der elastischen Zwischenschicht realisiert werden können. Vor dem Schießen des Spritzgießwerkzeugs 20 werden die stabilen Folienstempel 201 aus Thermoplast in das Werkzeug eingesetzt. Mit Hilfe dieser Folienstempel 201 können später die Reagenzkammerfolien 103 aufgerissen werden. Beim Einspritzen des sich bei entsprechender Temperatur vernetzenden Kunststoffs, d.h. dem Flüssigsilikon, in die Kavität des Spritzgießwerkzeugs 20 wird dann die elastische Zwischenschicht mit den funktionalen Elementen 202, den Pumpenmembranen 204 und den Temperatursensorelementen 400 sowie mit einem Fixierungsrahmen 205 ausgeformt. Durch entsprechende Ausformungen des Spritzgießwerkzeugs 20 können darüber hinaus elastische Verbindungsstutzen 203 für die Schläuche der späteren Proben- und Fluidführung erzeugt werden. Anschließend wird das Flüssigsilikon bei einer Temperatur des Spritzgießwerkzeugs 20 zwischen 140 °C und 180 °C chemisch vernetzt, sodass die resultierende elastische Zwischenschicht 200 sehr temperatur- und medienbeständig ist. Die zweite Spritzgießeinheit 40 wird dabei auf eine Temperatur zwischen 20°C und 30°C gekühlt.
Im dritten Schritt, der in 3 gezeigt ist, wird die Trägerplatte 100 mit den verschlossenen bzw. verschweißten Reaktionskammer(n) 101 und Analysekammer(n) 110 zusammen mit der elastischen Zwischenschicht 200 direkt über der strukturierten Oberfläche der Trägerplatte 100 in den vorgesehenen Fixierungsrahmen 105, 205 in eine zweite Kavität des Spritzwerkzeugs 10 eingelegt. Das Werkzeug wird mit einem zweiten Prägestempel 18 mit Hydraulikzylinder 19 geschlossen. Anschließend fahren hohle Auswerferelemente (Stifte) 31, 32, 33 mit leichtem Anpressdruck auf die Ränder der in der elastischen Zwischenschicht 200 ausgebildeten funktionalen Elemente, also über den Bereich der Pumpenmembran 204 mit dem Folienstempel 201, den Bereich des elastischen Verbindungsstutzens 203 und den Bereich des optischen Elements 202. Hierdurch wird das Schichtpaket zusätzlich fixiert. Als nächstes wird mit der Spritzgießeinheit 50 eine Schmelze eines vorzugsweise optischen thermoplastischen Kunststoffs in die leicht geöffnete Kavität eingespritzt. Mit dem Prägestempel 18 wird die Schmelze gegen die eingelegten Kunststoffschichten, d.h. gegen die Trägerplatte 100 und die elastische Zwischenschicht 200, gepresst und auf diese Weise die Abdeckplatte 300 mit einem Fixierungsrahmen 305 und dem Anschnitt 306 ausgeformt. Dabei werden auch die Verbindungsnuten der Trägerplatte 100 mit Kunststoffschmelze befüllt, sodass ein Formschluss 304 zur Verbindung und zur Verkapselung der auf diese Weise hergestellten mikrofluidischen Vorrichtung realisiert wird. Durch die eingestellte Prägekraft wird die elastische Zwischenschicht 200 leicht zusammengedrückt und dichtet dabei die Fluidkanäle der strukturierten Trägerplatte 100 gegeneinander ab. Nach der Aushärtung des Kunststoffes kann die vorzugsweise komplett transparente und verkapselte mikrofluidische Vorrichtung entnommen und steril verpackt werden.
4a zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnitt entlang der Längsachse einer Einzelader 401 und 4b zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die beiden Einzeladern 401, 402 des Temperatursensorelements 400 im Spritzgießwerkzeug 20 mit dem Bodenelement 21 und dem Deckelelement 22. Die Einzeladern 401, 402 sind mit einer Hülle 405 aus chemisch vernetztem Silikon (Silikonhülle) ummantelt, die zur besseren Haftung aus demselben Material wie das Flüssigsilikon ist. Die Einzelader 401 hat einen Durchmesser von beispielsweise 0,2 mm und besteht aus Eisen. Eine weitere Einzelader 402 des Temperatursensorelements, die hier nicht gezeigt ist, besteht aus einer Kupfer-Nickel-Legierung. Die Silikonhülle 405 liegt in der runden Vertiefung 110. Bei Herstellung der Einzeladern 401, 402 wird ein aus der Kabelherstellung bekanntes Stanzwerkzeug (nicht gezeigt) verwendet. Dabei werden die Enden der beiden Einzeladern 401 und 402 und die Silikonhülle 405, die als Endloshülle vorliegt, abgestanzt, wobei die Enden der beiden Einzeladern 401 und 402 abisoliert werden. Anschließend werden die beiden Enden der beiden Einzeladern 401 und 402 im Schweißpunkt 403 zusammengeschweißt. Der Durchmesser der Silikonhülle 405 wird so gewählt, dass er ein wenig größer ist als die Summe aus der Tiefe der Vertiefung 110 und der Dicke der Zwischenschicht 200. Im Zuge des in den 4a und 4b dargestellten Umspritzens mit der Zwischenschicht 200, wenn das Deckelelement 22 auf das Bodenelement 21 gedrückt wird, wird die Silikonhülle 405 dadurch verpresst. Als Resultat positioniert sich die Silikonhülle 405 in der Mitte der Vertiefung 110 und die Einzeladern 401, 402 sind ebenfalls mittig positioniert.
5 illustriert eine mikrofluidische Vorrichtung 500 mit dem Temperatursensorelement 400 in Aufsicht. 6 zeigt die mikrofluidische Vorrichtung 500 mit dem Temperatursensorelement 400 im Schnitt. Erkennbar ist die Trägerplatte 100 und die Abdeckplatte 300. Durch die Strukturierung der Trägerplatte 100 werden die Analysekammern 110 und verschiedene Fluidkanäle 106 zwischen diesen ausgebildet. Die Fluidkanäle 106 sind über die Verbindungsstutzen 203 von außen zugänglich. Die flexiblen Verbindungsstutzen 203 können dabei mit Schläuchen 501 für die Fluidführung verbunden werden. Die Fluidführung erfolgt über die Pumpenmembranen 204, die in die elastische Zwischenschicht 200 integriert sind. Die Pumpenmembranen 204 mit den Folienstempeln 201 befinden sich dabei oberhalb der Reaktions- oder Reagenz- oder Pufferkammern 101. Für eine Beobachtung und Auswertung der in der mikrofluidischen Vorrichtung ablaufenden Prozesse sind die optischen Elemente 202 der elastischen Zwischenschicht 200 von außen bzw. von oben zugänglich. Das zu untersuchende Fluid wird über die Fluidkanäle in die Analysekammern 110 geführt. Es können noch zusätzliche funktionelle Elemente vorgesehen sein, mittels denen das Fluid bearbeitet, verändert oder analysiert wird oder mittels denen anderweitig auf das Fluid eingewirkt wird.
Das Temperatursensorelement 400 ist in die Zwischenschicht 200 implementiert und misst kontinuierlich die Temperatur in den Analysekammern 110 innerhalb der Zwischenschicht 200. Hierfür sind die Einzeladern 401 und 402 in ihren Silikonhüllen 405 zu den Analysekammern 110 geführt. Die Enden der Einzeladern 401 und 402 sind im Schweißpunkt 403 zusammengeschweißt. Dieser Schweißpunkt 403 und die abisolierten Enden der Einzeladern 401 und 402 werden in der Analysekammer angeordnet. Bei der Umspritzung mit dem Flüssigsilikon in der Zwischenschicht 200 werden die Analysekammern 110 und die Silikonhülle 405 medienschlüssig und temperaturschlüssig miteinander verbunden und somit abgedichtet. Die anderen Enden der Einzeladern 401 und 402 werden mit einer gemeinsamen Kontaktfläche 420 verbunden, ohne dass diese zuvor kurzgeschlossen werden. Dabei umschließt die Zwischenschicht 200 die Silikonhülle 405 und beide werden durch die Trägerplatte 100 und die Abdeckplatte 300 medienschlüssig und temperaturschlüssig abgedichtet. Wie in Bezug auf 4 bereits beschrieben, bestehen die beiden Einzeladern 401 und 402 aus unterschiedlichen Metallen. Eine Temperaturdifferenz zwischen einer Messtemperatur in der Analysekammer 110 und einer Vergleichstemperatur an der Kontaktfläche 420, wie z. B. der Umgebungstemperatur, führt zu elektrischen Thermospannungen in den beiden Einzeladern 401 und 402, wobei die Thermospannung vom jeweils gewählten Material abhängt. Gemäß dem Seebeck-Effekt entsteht aus den beiden Thermospannungen für die unterschiedlichen Materialien eine elektrische Spannung, die an der Kontaktfläche 420 abgegriffen werden kann. Hierfür kann ein nicht gezeigtes Messgerät mit der Kontaktfläche 420 über ebenfalls nicht dargestellte Anschlussstellen verbunden werden. Aus der gemessenen elektrischen Spannung und der Vergleichstemperatur an der Kontaktfläche 420, die beispielsweise durch ein Temperatur-Messgerät, wie z. B. einem Thermometer, abgelesen werden, wird auf die Messtemperatur innerhalb der Analysekammer 110 geschlossen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010041287 A1 [0005]

Claims

Mikrofluidische Vorrichtung (500) mit wenigstens einer strukturierten Trägerplatte (100), wenigstens einer Abdeckplatte (300) und einer funktionalen elastischen Zwischenschicht (200), wobei zumindest ein Temperatursensorelement (400) in der Zwischenschicht (200) integriert ist, welches zumindest zwei mit einer Silikonhülle (405) ummantelte Einzeladern (401, 402) aus unterschiedlichem Metall aufweist, deren einen Enden zusammengeschweißt sind und deren anderen Enden mit einer Kontaktfläche (420) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (200) auf Basis von Flüssigsilikon hergestellt ist.
Mikrofluidische Vorrichtung (500) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Temperatursensorelement (400) eingerichtet ist, eine kontinuierliche Messung der Temperatur in Analysekammern (110) innerhalb der Zwischenschicht (200) durchzuführen.
Mikrofluidische Vorrichtung (500) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das die elastische Zwischenschicht (200) optisch transparent ist.
Mikrofluidische Vorrichtung (500) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Trägerplatte (100) und die wenigstens eine Abdeckplatte (300) formschlüssig miteinander verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung (500) mit wenigstens einer strukturierten Trägerplatte (100), wenigstens einer Abdeckplatte (300) und einer funktionalen elastischen Zwischenschicht (200), wobei zumindest ein Temperatursensorelement (400) in die Zwischenschicht (200) integriert wird, indem zumindest zwei mit einer Silikonhülle (405) ummantelte Einzeladern (401, 402) aus unterschiedlichem Metall an deren einen Enden zusammengeschweißt werden und an deren anderen Enden mit einer Kontaktfläche (420) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (200) unter Verwendung von Flüssigsilikon gefertigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das die Einzeladern (401, 402) gefertigt werden, indem sie in eine Endloshülle (405) aus chemisch vernetztem Silikon eingebettet werden und anschließend abgestanzt werden
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (100) und die wenigstens eine Abdeckplatte (300) mit der funktionalen eleatischen Zwischenschicht (200) in einem Montagespritzgießverfahren hergestellt und mediendicht verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vernetzung des Flüssigsilikons bei einer erhöhten Temperatur erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fertigung der elastischen Zwischenschicht (200) funktionale Pumpmembranen (204) und/oder optische Elemente integriert und/oder ausgeformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fertigung der elastischen Zwischenschicht (200) elastische Verbindungsstutzen (203) ausgeformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Fertigung der Trägerplatte (100) und/oder der Abdeckplatte (300) formschlüssige Elemente (104, 304) für eine mediendichte Verbindung der Abdeckplatte (300) mit der Trägerplatte (100) ausgeformt werden.
Spritzprägevorrichtung zur Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung (500) mit wenigstens einer strukturierten Trägerplatte (100), wenigstens einer Abdeckplatte (300) und einer funktionalen elastischen Zwischenschicht (200), in die zumindest ein Temperatursensorelement (400) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, das die Spritzprägevorrichtung ein Zweikavitäten-Spritzprägewerkzeug (10) mit Prägestempeln (16, 18) zur Ausformung der Trägerplatte (100) und zur Ausformung der Abdeckplatte (300) sowie ein Spritzgießwerkzeug (20) zur Fertigung der elastischen Zwischenschicht (200) auf der Basis von Flüssigsilikon, bei der das Temperatursensorelement (400) in die Zwischenschicht (200) integriert wird, umfasst.
Spritzprägevorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzprägevorrichtung für die Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 4 bis 10 eingerichtet ist.
Spritzprägevorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Zweikavitäten-Spritzwerkzeug (10) hohle Auswerferelemente (31, 32, 33) zur Abgrenzung des Temperatursensorelements (400) und ggf. weiterer funktionaler Elementen der elastischen Zwischenschicht (200) während des Schrittes der Ausformung der Abdeckplatte (300) aufweist.