-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine mikrofluide Einheit und ein Verfahren zu deren Herstellung und insbesondere auf ein Herstellungsverfahren einer mikrofluiden Einheit unter Nutzung eines Heißprägens von mit Wachs beschichtetem Papier.
-
HINTERGRUND
-
Papiersubstrate sind hydrophil und saugen Flüssigkeiten infolge ihrer Kapillarität leicht auf. Unter Nutzung von Wachs können in dem Papiersubstrat hydrophob wirkende Bereiche gebildet werden. Hierzu kann beispielsweise das sogenannte Wachsdrucken verwendet werden, bei dem eine strukturierte Wachsschicht auf das Papier aufgebracht wird. Die Wachsschicht kann flüssig aufgebracht werden oder als „solid ink“ in einem hochviskosen heißen Zustand auf die Papieroberfläche auftragen und dort erkaltet werden (Verfestigung auf Oberfläche). Durch ein Erhitzen wird es geschmolzen, sodass das flüssige Wachs durch das Papier aufgenommen wird und die hydrophoben Bereiche bildet. Dort wo kein Wachs aufgebracht wird, bleibt das Papiersubtrat hydrophil.
-
3 zeigt einen solchen Wachsdruck, wobei auf dem Papiersubstrat 410 eine strukturierte Wachsschicht 420 aufgedruckt ist. Durch ein anschließendes Erwärmen schmilzt das Wachs 420 und es bilden sich hydrophobe Bereiche 422 in dem Papiersubstrat 410. Zwischen den hydrophoben Bereichen 422 wird das Papier 410 nicht von Wachs 420 getränkt und es bilden sich dort hydrophile Bereiche 411, entlang derer ein kapillarer Flüssigkeitstransport möglich ist. Insbesondere wenn die hydrophilen Bereiche 422 mikrofluide Kanäle bilden kann ein Flüssigkeitstransport über eine größere Strecke durchgeführt werden.
-
Ein Nachteil dieser Vorgehensweise besteht darin, dass es verfahrenstechnisch nur schwer zu kontrollieren ist, wie weit das Wachs sich durch das Erhitzen in das Papier hinein ausbreitet. So hängt die Viskosität des Wachses von der lokal erreichten Temperatur ab. Außerdem ist die Faserstruktur des Papieres häufig inhomogen. Um ein Verschließen der hydrophilen Kanäle 411 zu verhindern, können durch dieses konventionelle Verfahren nur entsprechend breite Kanäle zuverlässig gebildet werden.
-
Daher besteht ein Bedarf nach anderen Herstellungsverfahren, um zuverlässig mikrofluide Kanäle als Teil einer mikrofluiden Einheit zu bilden.
-
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer mikrofluiden Einheit nach Anspruch 1, eine mikrofluide Einheit nach Anspruch 6 und eine Feuchtigkeitsmesseinheit nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer mikrofluiden Einheit. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines kapillar wirkenden Substrats und einer Schicht aus einer hydrophob schmelzbaren Substanz auf oder über einer Oberfläche; und
- - Prägen des Substrats zusammen mit der Schicht aus der hydrophob schmelzbaren Substanz mit einem Stempel mit einer Prägestruktur, um hydrophile Bereiche zu bilden, in denen das Substrat frei bleibt von eingeprägter hydrophob schmelzbaren Substanz, und hydrophobe Bereiche entsprechend der Prägestruktur in das Substrat einzuprägen.
-
Die hydrophob schmelzbare Substanz kann beliebig sein, solange sie hydrophobe Bereiche in dem Substrat ausbildet. Insbesondere können eine oder mehrere der folgenden Materialien genutzt werden: ein Wachs, ein Paraffin, ein Polymere, ein Oligomer, ein oder mehr Fette und/oder Öl(e). Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand von Wachs als ein Beispiel für eine hydrophob schmelzbare Substanz erläutert. Die Erfindung soll jedoch nicht darauf beschränkt werden.
-
Das beispielhafte Wachs kann beispielsweise flächig aufgedruckt werden. Es ist aber auch möglich, dass das Wachs von einem beschichteten Trägermaterial auf das Papier über den Prägeprozess übertragen wird. Dieses Prinzip ist als Heißfolienprägung bekannt. Auch hierdurch können die hydrophilen Bereiche hergestellt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Wachs direkt von einer (Wachs-) Folie zu nehmen und von dort direkt mittels des Stempels auf das Substrat zu übertragen. Im Grunde wäre dies eine Heißfolienprägung ohne Trägermaterial.
-
Daher kann optional das Bereitstellen des Wachses derart erfolgen, dass das Wachs als eine Schicht auf einem Träger oder trägerfrei über der Oberfläche des Substrats angeordnet wird und durch das Prägen mit dem Substrat in Kontakt gerät, sodass die hydrophilen Bereiche von der Oberfläche her wachsfrei bleiben.
-
Bei allen Methoden kann der Prägeprozess einseitig von einer beliebigen Seite oder beidseitig durchgeführt werden. Zusätzlich gäbe es die Möglichkeit, das Wachs nicht flächig, sondern strukturiert auf das Substrat zu übertragen und dann mit einem flächigen Stempel den Prägeprozess durchzuführen. Daher braucht die Schicht aus Wachs nicht vollflächig über oder auf der Oberfläche bereitgestellt werden, sondern kann bereits eine strukturierte Schicht sein.
-
Optional ist das kapillar wirkende Substrat ein Papiersubstrat. Der Schritt des Bereitstellens umfasst daher optional ein Beschichten des Papiersubstrates mit einem Wachs (flächig, strukturiert, vollflächig, abschnittsweise etc.). Außerdem kann der Stempel eine Temperatur aufweisen, die oberhalb einer Schmelztemperatur des Wachses liegt, sodass die hydrophoben Bereiche durch ein Aufsaugen des Wachses in das Papiersubstrat erzeugen werden. Das Wachs kann somit insbesondere mit einem heißen Stempel in Papier eingebracht werden, wobei die Temperatur zu einem Verflüssigen des Wachses führt, das dann leicht durch das beispielhafte Papier aufgesaugt wird. Das Prägen kann von der Oberfläche aus geschehen, muss aber nicht.
-
Falls das Wachs aber eine ausreichende hohe Viskosität aufweist, so ist es möglich, dass aufgrund des verwendeten Stempels das Wachs in das Papier hineingedrückt wird und dadurch die hydrophoben Bereiche bereits ausgebildet werden. In diesem Fall ist es nicht zwingend erforderlich, den Stempel auf eine Mindesttemperatur, die das Wachs zum Schmelzen bringt, zu erwärmen. Optional kann auch ein Schritt des Aushärtens des Wachses vorgesehen sein, um eine Stabilisierung der mikrofluiden Kanäle zu erreichen.
-
Optional wird das Wachs derart flächig aufgebracht, dass die hydrophilen Bereiche von einem Boden durch das beschichtete Wachs auf der Oberfläche und seitlich durch die hydrophoben Bereiche begrenzt wird.
-
Optional wird der Schritt des Prägens unter Nutzung von zumindest einem der folgenden Prozessparameter ausgeführt: einem Druck in einem Bereich zwischen 20 MPa und 700 MPa (oder zwischen 90 MPa und 300 MPa), eine Temperatur in einem Bereich zwischen 80 °C und 250 °C (oder zwischen 100 °C und 160 °C), einer Prägezeitdauer in einem Bereich zwischen 0,1 s und 300 s (oder zwischen 0,5 s und 30 s oder für einige Sekunden.
-
Optional umfasst der Schritt des Bereitstellens ein Abrollen des kapillar wirkenden Substrates von einer Substratrolle und, optional, ein Abrollen eine Wachsfolie (mit oder ohne Träger) und der Stempel kann als Prägewalze ausgebildet sein. Damit wird eine fortlaufende Prägung durch ein Abrollen des Substrates von der Substratrolle und das Prägen durch ein Walzprägen mittels der Prägewalze auf dem abgerollten Substrat möglich.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine mikrofluide Einheit mit einem kapillar wirkenden Substrat und zumindest einem hydrophilen Mikrofluidkanal, der seitlich durch hydrophobe Bereiche begrenzt ist. Die hydrophoben Bereiche sind durch die eingeprägte hydrophob schmelzbaren Substanz gebildet.
-
Wenn die Schicht aus der hydrophob schmelzbaren Substanz das Substrat auf einer Oberfläche bedeckt, ist in den hydrophilen Bereichen in einem Bodenbereich die Schicht aus der hydrophob schmelzbaren Substanz vorhanden.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Messeinheit mit einer zuvor beschriebenen mikrofluiden Einheit, die eine oder mehrere hydrophile Mikrofluidkanäle aufweist. Die Mikrofluidkanäle laufen entlang des beispielhaften Papiersubstrats zu zumindest einem Sensorbereich. Außerdem umfasst die Messeinheit zumindest einen Sensor in dem zumindest einen Sensorbereich. Der Sensor kann ausgebildet sein, um zumindest eine der folgenden Messungen vorzunehmen:
- - Bestimmung einer Flüssigkeitsmenge;
- - Bestimmung einer physikalischen oder chemischen Eigenschaft;
- - Bestimmung eines Inhaltsstoffes der Flüssigkeit.
-
Die Feuchtigkeit kann aus einer Umgebung über die hydrophilen Mikrofluidkanäle zu dem Sensorbereich geführt werden (z.B. durch Kapillarkräfte).
-
Die hydrophile Mikrofluidkanalstruktur ist so gestaltet, dass Flüssigkeit von weit entfernten Bereichen zum Sensor gelangt (mittels z.B. Kapillarkräfte).
-
Um einen möglichst großen Bereich abdecken zu können, kann ein einzelner aber auch eine Vielzahl von Sensoren großflächig verteilt werden, die mit der Mikrokanalstruktur verbunden sind.
-
Optional kann der Sensor einen Transponder aufweisen, um Messergebnisse drahtlos auslesen zu können.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen zumindest ein Teil der eingangs genannten Probleme zum Beispiel dadurch, dass Papier flächig hydrophob beispielhaft mit Wachs beschichtet wird und mittels eines strukturierten Stempels geprägt wird. Der Stempel kann eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Wachses aufweisen. Das Prägen verformt das Papier irreversibel, während das Wachs an den erhabenen Stellen des Stempels (der Stempelstruktur) sich verflüssigt und durch das Papier penetriert. Die hydrophoben Bereiche entstehen daher im Querschnitt des Papiers in der Form des verwendeten Stempels.
-
Im Gegensatz zu dem eingangs erwähnten Wachsdruck wird bei Ausführungsbeispielen die beispielhafte Wachsschicht ganzflächig oder strukturiert auf dem Substrat oder ein Trägersubstrat aufgebracht und die hydrophoben Bereiche durch ein Heißprägen ausgebildet. Der Prägestempel durchtränkt nur jene Papierbereiche mit Wachs, in denen der Prägestempel eine entsprechende Struktur (Erhebung) aufweist. Vorausgesetzt, die aufgebrachte Wachsmenge reicht aus, bzw. die Wachsfolie ist dick genug, kann damit sichergestellt werden, dass das Papier über die gesamte Dicke mit Wachs durchtränkt wird (im Gegensatz zu dem bekannten Wachsdrucken).
-
Im Gegensatz zu anderen bekannten Prägeverfahren kann bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung der Fluidtransport nicht in den deformierten Bereichen des Papiers stattfinden, sondern in den dazwischenliegenden nicht deformierten Bereichen. Dort bleibt das hydrophile Papier intakt. Daher können Ausführungsbeispiele die inhärente Kapillarität von Papier oder von anderen Substraten nutzen, anstatt auf kapillare Effekte des eingeprägten Kanalsystems angewiesen zu sein - die sich nur schwer steuern lassen. Daher bieten Ausführungsbeispiele den weiteren Vorteil, dass beträchtliche Kapillarkräfte bereits durch beispielhafte Papier sichergestellt sind und sehr kleine Strukturen hergestellt werden können. Das bietet für die Sensorik einen großen Vorteil.
-
Figurenliste
-
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränken, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
- 1A-1C zeigen eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses für eine mikrofluide Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
- 2A,2B zeigen mögliche Strukturen, die gemäß Ausführungsbeispiele geprägt werden können.
- 3 zeigt einen konventionellen Wachsdruck.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
1A zeigt eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses für eine mikrofluide Einheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Herstellungsverfahren beginnt mit dem Bereitstellen eines hydrophilen Substrates 110 (z.B. ein Papiersubstrat) mit einer beispielhaften Wachsschicht 120 auf einer Oberfläche 115. Es versteht sich wiederum, dass hier und im Folgenden das beispielhafte Wachs auch durch irgendeine andere hydrophob schmelzbaren Substanz ersetzt werden kann. Die Wachsschicht 120 kann auch in einem separaten Verfahrensschritt aufgebracht werden. Alternativ kann das Papiersubstrat 110 mit der Wachsschicht 120 auch bereits bereitgestellt werden. Es versteht sich die Erfindung nicht zwingend auf ein Papiersubstrat 110 eingeschränkt sein soll. Die Verwendung eines Papiersubstrats 110 bringt den Vorteil, dass es kostengünstig ist und eine hohe Kapillarität für Feuchtigkeit aufweist und daher für bestimmte Anwendungen (z.B. Feuchtigkeitssensorik, Laboranwendungen, Analyseeinheiten etc.) besonders geeignet ist.
-
Daran anschließend erfolgt ein Prägeschritt, bei dem ein Prägestempel 130 mit einer Prägestruktur 132 (erhabene Stellen) unter Anwendung eines Druckes p und einer Temperatur T für eine Zeitdauer t auf das Papiersubstrat 110 aufgedrückt wird. Die Temperatur T des Prägestempels 130 kann so gewählt werden, dass die Wachsschicht 120 beim Prägen schmilzt. Als Resultat wird an den erhabenen Stellen 132 das Wachs 120 geschmolzen und durch das Substrat 110 aufgenommen. Der Prägestempel 130 braucht dabei nicht vollflächig mit dem Wachs 120 in Kontakt zu gelangen. Insbesondere soll verhindert werden, dass die Wachsschicht 120 vollständig schmilzt. Der Wachs 120 soll idealerweise nur an jenen Stellen schmelzen, wo der Prägestempel 130 die erhabenen Stellen 132 aufweist.
-
Als Folge des Prägens umfasst das Substrat 110 hydrophobe Bereiche 112, bei denen das Wachs 120 durch das Substrat 110 aufgesaugt wurde. Zwischen den hydrophoben Bereichen 112 bleibt das hydrophile Substrat 110 erhalten, sodass sich hier hydrophilen Bereiche 111 bilden, die kapillar wirksam bleiben. Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Prägestruktur 132 können zwischen zwei benachbarten hydrophoben Bereichen 112 Mikrokanäle 111 (als hydrophile Bereiche) gebildet werden, die beispielsweise einen Flüssigkeitstransport entlang der Mikrokanäle 111 erlauben.
-
1B zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Herstellungsprozesses für eine mikrofluide Einheit gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in der 1A gezeigte Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Substrat 110 in dem gezeigten Herstellungsprozess nicht mit einer Wachsschicht flächig beschichtet wird. Vielmehr wird die Wachsschicht 120 durch ein Trägersubstrat 122 beispielsweise oberhalb der Oberfläche 115 des Substrats 110 gehalten. Das Wachs 120 gelangt dann durch den Prägeprozess unter Nutzung des Stempels 130 auf das Substrat 110, wobei das Prägen zu dem Ausbilden der hydrophoben Bereiche 112 führt.
-
Als Resultat ist die mikrofluide Einheit, die mit dem Verfahren der 1B hergestellt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass keine Wachsschicht auf der Oberfläche 115 ganzflächig ausgebildet ist (wie es in der 1A der Fall war). Vielmehr sind die hydrophilen Bereiche 111 von der Seite 115 und der gegenüberliegenden Seite 117 beispielsweise wachsfrei und sind seitlich lediglich durch die geprägten hydrophoben Bereich 112 begrenzt.
-
Die 1C zeigt ein weiteres Herstellungsverfahren gemäß weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung. Das Herstellungsverfahren aus der 1C unterscheidet sich von dem Herstellungsverfahren aus der 1B lediglich dadurch, dass das Wachs 120 in Form einer Folie oberhalb des Substrats 110 gehalten wird. Es umfasst kein separates Trägersubstrat 122. Der Prägeprozess verläuft in der gleichen Weise wie in der 1B oder 1A dargestellt und beschrieben wurde. Als Resultat sind die hydrophilen Bereiche 111 wiederum lediglich seitlich durch die hydrophoben Bereich 112 begrenzt, die durch den Prägeprozess entstanden sind.
-
Es versteht sich, dass das Prägen in den gezeigten Herstellungsverfahren aus den 1A bis 1C nur beispielhaft von der Oberfläche 115 dargestellt ist. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das Prägen auch von der gegenüberliegenden Seite 117 erfolgen. Ebenso ist es möglich, dass das Substrat 110 zwischen der Wachsschicht 120 (mit oder ohne Trägersubstrat 122) und dem Stempel 130 angeordnet wird, wobei das Wachs 120 auf dem Trägersubstrat 122 auf der Substratseite angeordnet ist. Das Prägen erfolgt hier durch einen Druck, der auf das Substrat 110 mit der darunterliegenden Wachsschicht ausgeübt wird. Hierzu kann beispielsweise eine geeignete feste Unterlage oder alternativ ein weiterer Prägestempel genutzt werden. Daher kann das Prägen ebenfalls durch das Substrat hindurch erfolgen, um so das Wachs von der gegenüberliegenden Seiten 117 in das Papier hinein zu saugen (infolge der genutzten Temperatur T des Druckes p des Prägestempels 130).
-
Die Prozessparameter können beispielhaft wie folgt gewählt werden: Der Druck p kann beispielsweise in einem Bereich von 23 MPa bis 320 MPa variiert werden. Die Temperatur T kann so hoch sein, dass das Wachs 120 zumindest zähflüssig wird und in das beispielhafte Papier 110 eingeprägt wird. Beispielsweise kann die Temperatur des Prägestempels 130 in einem Bereich zwischen 100°C und 160 °C liegen. So kann zum Beispiel die Temperatur 100 °C, 120 °C, 140 °C oder 160 °C betragen. Die Prägezeitdauer t kann in einem Bereich zwischen 1 s und 15 s liegen, wobei in Abhängigkeit der gewählten Temperatur und des Druckes bereits Prägezeiten von 1 s oder einigen Sekunden ausreichen (z.B. 5 s, 15 s oder 30 s). Als mögliches Papiersubstrat 110 kann beispielsweise Eukalyptuspapier genutzt werden. Es versteht sich, dass diese Parameter nur Beispiele darstellen. Die vorliegende Erfindung soll nicht auf diese Prozessparameter oder das genutzte Papier eingeschränkt werden. Im Allgemeinen hängen die genutzten Temperaturen und Drücke natürlich von dem genutzten Wachs/Paraffin und dem genutzten Substrat ab und können daher auch in ganz anderen Bereichen liegen.
-
Um das Aufnehmen der Feuchtigkeit zu erleichtern, kann die Wachsschicht 120 aus der 1A beispielsweise nur von einer Seite, der Oberfläche 115, auf das beispielhafte Papiersubstrat 110 aufgebracht werden. Die gegenüberliegende Seite 117 kann frei von Wachs bleiben. Damit wird es möglich, dass Feuchtigkeit beispielsweise von der unbeschichteten Seite 117 (gegenüberliegend zu der Oberfläche 115) durch das Papier aufgenommen wird und entlang der hydrophilen Bereiche 111 transportiert werden kann.
-
Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass die gegenüberliegende Seite 117 zumindest teilweise ebenfalls mit einer weiteren Wachsschicht oder mir einer anderen Beschichtung behandelt wird, sodass der Flüssigkeitstransport entlang der hydrophilen Kanäle 111 immer noch möglich ist (da sie wachsfrei bleiben). Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn die mikrofluide Einheit als ein Analysegerät genutzt werden soll, um eine Feuchtigkeit beispielweise entlang eines Kanals zu transportieren, während Messungen an der Flüssigkeit vorgenommen werden (z.B. um die Zusammensetzung zu analysieren). Durch die beidseitige Beschichtung wird verhindert, dass die Flüssigkeit während des Transportes geändert wird. Ebenso ist eine Strukturierung der optionalen Beschichtung auf der gegenüberliegenden Seite 117 möglich, um so Einlässe und/oder Auslässe gezielt an bestimmten Stellen auszubilden.
-
Der Prägestempel 130 kann optional eine Prägewalze sein und das Substrat 110 kann von einer Substratrolle (z.B. Papierrolle) abgerollt werden. Auf diese Weise wird eine fortlaufende Prägung (Walzprägen) möglich. In diesem fortlaufenden Prozess kann auch die Beschichtung mit Wachs 120 erfolgen, z.B. bevor das beispielhafte Papier durch die Prägewalze läuft.
-
2A, 2B zeigen mögliche Strukturen, die beispielhaft durch den Prägestempel 130 in das beispielhafte Papiersubstrat 110 ausgebildet werden können.
-
Die 2A zeigt beispielhaft eine Draufsicht auf die Seite 117, die der wachsbeschichteten Seite 115 gegenüberliegt. Die geprägte Struktur in der 2A definiert einen hydrophilen Bereiche 111, der einen mäanderförmiger Kanal darstellt. Die schwarz gekennzeichneten Flächen sind die hydrophoben Bereiche 112, die durch das Einprägen von Wachs 120 in das Substrat 110 ausgebildet wurden. Zwischen diesen hydrophoben Bereichen 112 ist der hydrophile Bereich 111 als ein Mikrofluidkanal gebildet, der sich mäanderförmiger über der Seite 117 des Papiersubstrats 110 erstreckt und beispielsweise für Laboranwendungen genutzt werden kann.
-
Die 2B zeigt eine weitere mikrofluide Einheit (Struktur), die durch das Heißprägen gemäß Ausführungsbeispielen gebildet werden kann. Bei der gezeigten mikrofluiden Einheit laufen die mikrofluiden Kanäle 111 sternförmig hin zu einem hydrophilen Sensorbereich 160. In dem Sensorbereich 160 kann beispielsweise ein Sensor 170 vorgesehen sein, der zur Flüssigkeitsmessung genutzt werden kann (oder auch für andere Messungen an der Flüssigkeit). Die gezeigte mikrofluide Struktur kann sich großflächig, z.B. auf einem Blatt Papier, erstrecken. Somit erlauben Ausführungsbeispiele, Wasser großflächig durch die mikrofluiden Kanäle aufzusammeln und entlang der mikrofluiden Kanäle 111 über einen Kapillartransport zu dem Sensor 170 zu führen. Der Sensor 170 kann beispielsweise ein Transpondersystem umfassen, sodass die Flüssigkeitsmessung drahtlos ausgelesen werden kann.
-
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können insbesondere dazu genutzt werden, um beispielsweise innerhalb von Kraftfahrzeugen die Feuchtigkeit zu messen. So kann das Papiersubstrat auf entsprechende Bereiche der Karosserie oder innerhalb der Karosserie aufgebracht werden, um dann über die Mikrofluidkanäle Feuchtigkeit großflächig aufzusammeln und über den Sensor 170 zu messen. Die noch vorhandene Wachsschicht kann gleichzeitig als Klebmaterial genutzt werden, um das beispielhafte Papiersubstrat 110 an der Karosserie zu befestigen. Dieser Sensor 170 kann dann drahtlos über ein Transpondersystem (z.B. einen RFID Chip) ausgelesen werden.
-
Auf diese Weise wird durch einfache und kostengünstige Mittel eine Flüssigkeitsmessung selbst in Bereichen möglich, die sonst für herkömmliche Flüssigkeitsmessung nur ungenügend erreichbar ist.
-
Die vorliegende Erfindung erlaubt die folgenden Vorteile:
- - Der papiereigene Kapillareffekt kann genutzt werden.
- - Eine schnelle und einfache Herstellung wird durch das Prägen mit einem heißen Stempel möglich.
- - Die Herstellung von Rolle-zu-Rolle ist möglich. Durch ein anschließendes Vereinzeln des Papiersubstrates können hohe Stückzahlen innerhalb kurzer Zeit hergestellt werden. Daher besteht die Möglichkeit, das Verfahren in einem kontinuierlichen Prozess umzusetzen.
- - Es erfolgt keine oder nur geringe zusätzliche Papiermodifikation, außer dass das Papier oder ein anderes Trägermaterial zunächst flächig mit Wachs beschichtet werden kann. Bei der Verwendung einer Wachsfolie (ohne Trägermaterial) bleibt das Papier unbehandelt.
- - Die hydrophilen Bereiche können sehr fein und sehr komplex gewählt werden und lassen sich innerhalb kurzer Zeit herstellen.
- - Über eine entsprechende Wahl der Temperatur T des Prägestempels 130 und des ausgeübten Drucks p besteht die Möglichkeit der Kontrolle, inwieweit das Wachs in das Papier hineingelangt.
- - Außerdem können mikrofluidische Kanäle hergestellt werden, die einen kapillaren Fluss konstant aufrechterhalten, d. h. es ergeben sich konstante Bedingungen entlang des Mikrofluidkanals.
- - Die Prozessfaktoren können derart angepasst werden, dass der Prägeprozess von wachsbedruckten Papieren innerhalb einer sehr kurzen Zeit (zum Beispiel einer Kontaktzeit von nur 1 Sekunde) erreichbar ist. Bei dem bekannten Wachsdruckverfahren braucht man dahingehend eine längere Zeit und einen längeren thermischen Eintrag, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen.
-
Ausführungsbeispiele können insbesondere für folgende Anwendungen genutzt werden:
- - Sensorik für Wasser/Feuchtigkeit.
- - Dichteprüfung in der Automobilindustrie oder in der Bauindustrie.
- - Biomedizinische Sensorik, um beispielsweise entlang des Fluidflusses Tests oder Analysen durchzuführen.
- - Als Metallsensoren oder Metallionensensoren, die z. B. bei Gewässeruntersuchungen genutzt werden. Es handelt sich hier häufig um sehr umweltschädliche Stoffe (besonders Schwermetalle), die über die mikrofluidischen Kanäle zu den jeweiligen Sensoren gelangen und dort detektiert werden können, um die Gewässerqualität beurteilen zu können.
- - In Elektrokatalysatoren, wobei die mikrofluidischen Kanäle bei Reaktionen unter Einsatz von Elektrokatalysatoren mit dem Ziel verwendet werden, die Reaktanden oder das Produkt über ein mikrofluidisches Kanalsystem zu- bzw. abzuführen.
- - In Brennstoffzellen, wobei die mikrofluidischen Kanäle bei Brennstoffzellen mit dem Ziel verwendet werden, die Reaktanden oder das Produkt über ein mikrofluidisches Kanalsystem zuzuführen oder abzuführen.
-
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Außerdem werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen für gleiche oder ähnlich wirkende Elemente definiert, auch wenn nicht immer darauf hingewiesen wird bzw. die Elemente nicht immer identisch bezeichnet sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 110, 410
- Substrat (z.B. Papiersubstrat)
- 111, 411
- hydrophiler Bereiche/Mikrofluidkanal
- 112, 422
- hydrophober Bereich
- 115
- Oberfläche des Substrats
- 117
- gegenüberliegende Seite des Substrats
- 120, 420
- Wachs
- 130
- Stempel
- 132
- Prägestruktur des Stempels (erhabene Stellen)
- 160
- Sensorbereich(e)
- 170
- Sensor(en)
