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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
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Eine mikrofluidische Vorrichtung, beispielsweise eine Chiplabor-Kartusche, kann ein fluidisches Netzwerk aufweisen, mit dem Reagenzien prozessiert werden können. Die mikrofluidische Vorrichtung kann zur Energieübertragung beispielsweise zwischen der Vorrichtung und einem Analysegerät elektrische Kontakte sowie elektrizitätsführende Netze und Verbraucher aufweisen.
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Zudem können an einem flexiblen und elektrisch isolierenden Substrat Stromleiter angeordnet sein, die zum Bilden einer dreidimensionalen Leiterstruktur gerollt werden können. Die
DE 102007045946A1 beschreibt eine solche Leiterstruktur.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine mikrofluidische Vorrichtung und ein Analysegerät für eine mikrofluidische Vorrichtung gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Der hier vorgestellte Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass in einem Substrat einer mikrofluidischen Vorrichtung eine Leiterbahn angeordnet sein kann, die beim Einführen einer externen Komponente, beispielsweise eines Stößels mit einer weiteren Leiterbahn, die Funktionalität einer elektrischen Spule bereitstellen kann, um eine kontaktfreie induktive Energieübertragung zu ermöglichen. Die Leiterbahn ist vorteilhafterweise platzsparend anordenbar und kostengünstig herstellbar. Zudem ist die Funktionalität der elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung vorteilhaft in Bezug auf degradationsfreie Kontaktierungsvorgänge der Leiterbahn.
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Es wird eine mikrofluidische Vorrichtung vorgestellt. Die Vorrichtung weist ein Substrat mit zumindest einem Hohlraum und zumindest eine Leiterbahn auf. In den Hohlraum ist ein Bewegungselement einführbar. Die Leiterbahn ist an dem Hohlraum angeordnet. Zudem ist die Leiterbahn dazu ausgeformt, eine Funktionalität einer elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen, wenn das Bewegungselement in den Hohlraum eingeführt ist.
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Bei der mikrofluidischen Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung für ein Chiplabor, auch Lab-on-a-Chip-System genannt, handeln. Unter einem Chiplabor kann ein mikrofluidisches System verstanden werden, in dem die gesamte Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem beispielsweise kreditkartengroßen Kunststoffsubstrat, der Chiplaborkartusche, untergebracht werden kann und in dem komplexe biologische, diagnostische, chemische oder physikalische Prozesse miniaturisiert ablaufen können. Mithilfe der mikrofluidischen Vorrichtung kann beispielsweise eine Flüssigkeit auf einem Chip bereitgestellt oder transportiert werden. Die mikrofluidische Vorrichtung kann eine solche mikrofluidische Kartusche sein. Das Substrat kann aus einem Polymer, beispielsweise Polycarbonat oder einem oder einem thermoplastischen Elastomer ausgeformt sein. Der Hohlraum kann eine Kammer der Kartusche sein, beispielsweise eine Fluid-Kammer zum Vorlagern oder Prozessieren eines Fluids in der Kartusche. Auf einer Seite des Hohlraums, auf der das Bewegungselement einführbar ist, kann der Hohlraum beispielsweise durch eine elastische Membran gegenüber einer Umgebung fluiddicht abgedichtet sein. Unter der Leiterbahn kann beispielsweise eine Wicklung verstanden werden. Die Wicklung kann beispielsweise spulenförmig oder spiralförmig an dem Hohlraum angeordnet sein. Die Leiterbahn kann als gedruckte Elektronik, beispielsweise mittels Siebdruck von Silber- oder Karbonpasten realisiert werden. Das Bewegungselement kann beispielsweise ein Stößel eines Analysegeräts für die mikrofluidische Vorrichtung sein. Zum Bereitstellen der Funktionalität einer elektrischen Spule beim Einführen des Bewegungselements kann das Bewegungselement beispielsweise aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material, beispielsweise aus Eisen, ausgeformt sein. Unter der Funktionalität einer elektrischen Spule kann beispielsweise verstanden werden, dass bei einem sich ändernden Magnetfeld eine Spannung in die Leiterbahn induziert wird oder umgekehrt, bei einem Stromfluss durch die Leiterbahn ein Magnetfeld erzeugt wird. Die Leiterbahn kann zum Bereitstellen der Funktionalität zumindest eine Windung aufweisen. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsformen kann die Leiterbahn die zumindest eine Windung bereits vor einem Einführen des Bewegungselements in den Hohlraum aufweisen oder durch das Einführen des Bewegungselements erlangen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Leiterbahn spiralförmig um einen Einführbereich für das Bewegungselement umlaufend angeordnet sein. Der Einführbereich kann beispielsweise einen Abschnitt einer Seite des Hohlraums aufweisen. Die Leiterbahn kann beispielsweise an der einen Seite des Hohlraums angeordnet sein, oder die Leiterbahn kann einen Abschnitt des Hohlraums oder zwei Seitenwände des Hohlraums beispielsweise spiralförmig umgeben. Diese Anordnung der Leiterbahn ist vorteilhafterweise platzsparend. Zudem ermöglicht die Anordnung ein einfaches Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule mittels der Leiterbahn, wenn das Bewegungselement in den Hohlraum mit der Leiterbahn eingeführt ist.
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Wenn das Bewegungselement eine Anregungsspule aufweist und in den Hohlraum eingeführt ist, kann die Leiterbahn gemäß einer Ausführungsform als elektrische Spule ausgeformt sein. In diesem Fall kann die Leiterbahn als elektrische Spule zudem dazu ausgebildet sein, die induktive Energieübertragung bereitzustellen. Die Anregungsspule kann beispielsweise eine weitere Leiterbahn in Form einer Wicklung um das Bewegungselement sein. Wenn das Bewegungselement in den Hohlraum eingeführt ist, kann das Bewegungselement einen Kern für die als elektrische Spule ausgeformten Leiterbahn darstellen. Durch eine Energieübertragung mittels der Anregungsspule ist es somit möglich, durch die Leiterbahn als elektrische Spule die induktive Energieübertragung bereitzustellen. Vorteilhafterweise ist somit eine kontaktfreie induktive Energieübertragung zwischen der mikrofluidischen Vorrichtung und einer Einheit mit dem Bewegungselement, beispielsweise dem Analysegerät für die mikrofluidische Vorrichtung, möglich.
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Wenn die Leiterbahn als elektrische Spule ausgeformt ist, kann die mikrofluidische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform ein Kernelement aufweisen, das innerhalb der elektrischen Spule in dem Hohlraum angeordnet ist. Das Kernelement kann über die elektrische Spule hinausragen, um ein Anregungsmagnetfeld in die Spule einzuleiten. Das Kernelement kann beispielsweise ein Metallkern sein. Zudem kann das Kernelement ausgeformt sein, in die Anregungsspule hineinzuragen, wenn das Bewegungselement in den Hohlraum eingeführt ist. Dazu kann das Bewegungselement beispielsweise als Hohlzylinder ausgeformt sein, und dazu ausgeformt sein, das Kernelement im in den Hohlraum eingeführten Zustand zumindest teilweise zu umschließen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise die Funktionalität der elektrischen Spule unabhängig von einem Material des Bewegungselements.
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Das Substrat kann gemäß einer Ausführungsform ein an dem Hohlraum angeordnetes Abschirmelement aufweisen. Das Abschirmelement kann ausgebildet sein, eine Umgebung des Hohlraums von einem mittels der elektrischen Spule erzeugten Magnetfeld abzuschirmen. Das Abschirmelement kann beispielsweise eine Metallhülle sein. Vorteilhafterweise erhöht das Abschirmelement eine elektromagnetische Verträglichkeit in Bezug auf andere Komponenten der mikrofluidischen Vorrichtung oder des Analysegeräts für die mikrofluidische Vorrichtung.
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Zudem kann das Substrat gemäß einer Ausführungsform ein in dem Hohlraum anordenbares Einlegeelement aufweisen. Die Leiterbahn kann an dem Einlegeelement angeordnet sein. Das Einlegeelement, im Folgenden auch Inlay genannt, kann beispielsweise ausgeformt sein, in das Substrat einsetzbar zu sein. Vorteilhafterweise ist es damit möglich, das Einlegeelement mit der Leiterbahn je nach Bedarf in eine handelsübliche Kartusche einzusetzen. Dies ist auch im Hinblick auf Herstellungskosten vorteilhaft.
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Das Einlegeelement kann gemäß einer Ausführungsform auch eine vorgelagerte Substanz zum Prozessieren in der Vorrichtung aufweisen. Das Einlegeelement kann in diesem Fall beispielsweise einen Reagenzienriegel umfassen, in dem Substanzen vorgelagert sind. Unter der vorgelagerten Substanz kann beispielsweise ein Flüssigreagenz verstanden werden, wie beispielsweise eine salzhaltige, ethanolhaltige oder wässrige Lösung, oder ein Detergens oder Trockenreagenz, wie Lyophilisat oder Salz. Vorteilhafterweise ist die induktive Energieübertragung somit mit einer Substanzvorlagerung in der mikrofluidischen Vorrichtung kombinierbar.
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Auch kann das Substrat gemäß einer Ausführungsform eine Membran umfassen. Die Membran kann an einer Seite des Hohlraums angeordnet sein, an der das Bewegungselement einführbar ist. Zudem kann die Membran dazu ausgeformt sein, den Hohlraum an zumindest der Seite fluiddicht abzudichten. Die Membran kann elastisch sein. Beim Einführen des Bewegungselements kann die Membran entlang einer Bewegungsrichtung des Bewegungselements auslenkbar sein. Das fluiddichte Abdichten des Hohlraums ermöglicht vorteilhafterweise eine Verwendung des Hohlraums als Fluid-Kammer. Dies ist auch in Bezug auf eine kompakte Bauweise der mikrofluidischen Vorrichtung vorteilhaft.
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Die Membran kann gemäß einer Ausführungsform aus einem elastischen und elektrisch isolierenden Material ausgeformt sein. Dazu kann die Membran aus einem Polymer, beispielsweise einem thermoplastischen Elastomer ausgeformt sein. Zudem kann die Membran eine Schichtdicke von 25 bis 500 Mikrometern aufweisen. Die Membran kann auch aus einem Material ausgeformt sein, das eine magnetische Flussdichte erhöht.
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Ferner kann die Leiterbahn gemäß einer Ausführungsform planar an einer dem Hohlraum zugewandten Seite der Membran angeordnet sein. Dazu können sich Wicklungen der Leiterbahn in einer gemeinsamen Ebene erstrecken. Vorteilhafterweise ist die Leiterbahn somit platzsparend anordenbar. Wenn die Leiterbahn planar an der Membran angeordnet ist, kann die Leiterbahn beispielsweise in die Membran eingebettet sein. Dies schützt die Leiterbahn vorteilhaft, beispielsweise gegenüber einer feuchten Umgebung. Zudem kann eine weitere Schicht, beispielsweise eine weitere Membran, auf der Seite der Membran, auf der die Leiterbahn angeordnet ist, aufgebracht werden, beispielsweise mittels Laserschweißen, um die Leiterbahn von zwei Seiten abzudecken.
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Die Leiterbahn kann gemäß einer Ausführungsform zum Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule durch ein Auslenken der Membran verformbar sein. Wenn das Bewegungselement eingeführt wird, kann sich die Leiterbahn verformen. Wenn die Leiterbahn beispielsweise planar an dem Hohlraum angeordnet ist, kann die Leiterbahn durch das Verformen in der Form einer elektrischen Spule ausgeformt werden. Beim Einführen des Bewegungselements kann sich die Membran auslenken, wodurch sich Material zwischen oder im Bereich der Leiterbahn ausdehnen kann. Die Membran und die Leiterbahn können dadurch in der Bewegungsrichtung des Bewegungselements gedrückt werden, wodurch sich die Leiterbahn zu der elektrischen Spule verformt. Vorteilhafterweise ist das Verformen der Spule nicht permanent, sondern wird durch das Auslenken der Membran bewirkt und ist durch Zurückbewegen des Bewegungselements reversibel. Dies ist vorteilhafterweise platzsparend. Zudem wird somit ein Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule bei einem Einführen des Bewegungselements nach Bedarf ermöglicht.
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Wenn die mikrofluidische Vorrichtung die Membran umfasst, kann das Substrat gemäß einer Ausführungsform eine weitere Leiterbahn aufweisen. Die weitere Leiterbahn kann an der Membran oder an einer weiteren Membran an dem Hohlraum angeordnet sein. Die weitere Leiterbahn kann beispielsweise auch planar ausgeführt sein und dazu ausgeformt sein, beim Einführen des Bewegungselements in die Leiterbahn gedrückt zu werden. Dabei können sich die Leiterbahn und die weitere Leiterbahn ineinander verstülpen. Vorteilhafterweise ist somit eine induktive Energieübertragung kontaktfrei möglich.
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Mit diesem Ansatz wird zudem ein Analysegerät für eine mikrofluidische Vorrichtung vorgestellt. Die mikrofluidische Vorrichtung weist ein Substrat mit zumindest einem Hohlraum auf, in den ein Bewegungselement einführbar ist. Zudem weist die mikrofluidische Vorrichtung eine Leiterbahn auf, die an dem Hohlraum angeordnet ist. Die Leiterbahn ist dazu ausgeformt, um eine Funktionalität einer elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen, wenn das Bewegungselement in den Hohlraum eingeführt ist. Das Analysegerät umfasst einen Aufnahmebereich zum Aufnehmen der mikrofluidischen Vorrichtung und eine bewegliche Plattform mit dem Bewegungselement. Die Plattform ist ausgebildet, das Bewegungselement in den Hohlraum einzuführen.
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Bei der mikrofluidischen Vorrichtung kann es sich um eine Ausführungsform der vorstehend genannten Vorrichtung handeln. Die mikrofluidische Vorrichtung kann beispielsweise eine Kartusche für ein Chiplabor sein. Das Analysegerät kann beispielsweise eine Analyseeinheit für die mikrofluidische Vorrichtung sein. Das Bewegungselement kann aus einem elektrisch leitfähigen Material oder magnetisierbaren Material ausgeformt sein, beispielsweise aus Eisen. Beispielsweise kann das Bewegungselement einen Durchmesser von fünf Millimeter bis fünf Zentimeter aufweisen. Bei dem Bewegungselement kann es sich beispielsweise um einen Stößel handeln, der ausgeformt ist, durch ein Einführen in die mikrofluidische Vorrichtung ein Prozessieren eines Fluids in der Vorrichtung vorzubereiten oder herbeizuführen. Dazu kann der Stößel ausgeformt sein, ein Element der mikrofluidischen Vorrichtung, beispielsweise die Membran, zu durchstoßen oder auszulenken. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Bewegungselement als Justagestift zum Justieren oder Korrigieren einer Position der mikrofluidischen Vorrichtung in dem Aufnahmebereich oder in dem Analysegerät sein.
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Das Bewegungselement kann gemäß einer Ausführungsform eine Anregungsspule zur induktiven Energieübertragung umfassen. Die Anregungsspule kann als Wicklung um das Bewegungselement umlaufend an dem Bewegungselement angeordnet sein. Zudem kann die Anregungsspule bei dem Einführen des Bewegungselements in den Hohlraum in die Leiterbahn der mikrofluidischen Vorrichtung hineinragen oder von dieser umgeben werden.
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Alternativ dazu kann die Anregungsspule auch an einem Abschnitt des Bewegungselements angeordnet sein, der beim Einführen nicht in den Hohlraum eingeführt wird, beispielsweise an einem in der Plattform angeordneten Abschnitt des Bewegungselements. In diesem Fall ist die Anregungsspule vorteilhafterweise vor einer Degradation durch ein Freiliegen geschützt.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Bewegungselement als Hohlzylinder ausgeformt sein. Das Bewegungselement kann beispielsweise ausgeformt sein, beim Einführen in den Hohlraum ein anders Element zu umfassen, beispielsweise das obenstehend beschriebene Kernelement der mikrofluidischen Vorrichtung. In diesem Fall kann das Bewegungselement auch aus einem elektrisch isolierenden Material ausgeformt sein, beispielsweise aus einem Kunststoff.
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Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Analysegeräts mit einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 3 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 4 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 5 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 6 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
- 7 eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
- 8 eine schematische Darstellung eines Analysegeräts mit einer mikrofluidischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Analysegeräts 100 mit einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Analysegerät 100 für die mikrofluidische Vorrichtung 105 umfasst einen Aufnahmebereich 110 zum Aufnehmen der mikrofluidischen Vorrichtung und eine bewegliche Plattform 115 mit einem Bewegungselement 120. Die Plattform ist ausgebildet, das Bewegungselement 120 in die mikrofluidische Vorrichtung 105 einzuführen.
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Die mikrofluidische Vorrichtung 105 weist ein Substrat 125 mit zumindest einem Hohlraum 130 auf. Das Bewegungselement 120 des Analysegeräts 100 ist in den Hohlraum 130 einführbar. Zudem weist die mikrofluidische Vorrichtung 105 eine Leiterbahn 135 auf. Die Leiterbahn 135 ist an dem Hohlraum 130 angeordnet. Zudem ist die Leiterbahn 135 dazu ausgeformt, eine Funktionalität einer elektrischen Spule zur induktiven Energieübertragung bereitzustellen, wenn das Bewegungselement 120 in den Hohlraum 130 eingeführt ist.
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Das Analysegerät 100 ist als Chiplabor-Analysegerät für eine mikrofluidische Kartusche wie die hier gezeigte mikrofluidische Vorrichtung 105 verwendbar. Das Substrat 125 der mikrofluidischen Vorrichtung 105 ist aus einem Polymerverbund ausgeformt und die mikrofluidische Vorrichtung 105 beinhaltet ein fluidisches Netzwerk, mit dem Reagenzien prozessierbar sind. Wenn das Analysegerät 100 an eine Energieversorgung, beispielsweise ein Stromnetz, angeschlossen ist, ist eine Elektrifizierung der hier gezeigten mikrofluidischen Vorrichtung 105 mittels Induktion möglich. Somit ist eine kontaktfreie Energieübertragung von dem Analysegerät 100 auf die mikrofluidische Vorrichtung 105 möglich. Dazu weist die mikrofluidische Vorrichtung 105 die Leiterbahn 135 auf. Die an dem Hohlraum 130 angeordnete Leiterbahn 135 weist zumindest eine Wicklung auf. Die Leiterbahn 135 ist optional dazu ausgeformt, den Hohlraum 130 teilweise zu umschließen. Hier ist die Wicklung der Leiterbahn 135 beispielhaft um den Hohlraum 130 herumführend und somit den Hohlraum 130 umgebend ausgeführt. Alternativ dazu kann die Leiterbahn 135 beispielsweise auch planar an einer Seite des Hohlraums 130 angeordnet sein, beispielsweise an einer dem Bewegungselement 120 zugewandten Seite des Hohlraums 130. Die Leiterbahn 135 ist aus einem metallischen Draht, beispielsweise aus einem Kupferlackdraht, ausformbar und weist einen Durchmesser von beispielsweise 0,1 bis 0,5 Millimeter auf. Vorteilhafterweise ist die Leiterbahn 135 platzsparend in der mikrofluidischen Vorrichtung 105 anordenbar. Ausführungsbeispiele der Anordnung und Ausformung der Leiterbahn 135 sind nachfolgend anhand untenstehender Figuren detaillierter beschrieben.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 und eines Analysegeräts 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Als Teil des Analysegeräts 100 ist ein Ausschnitt der Plattform 115 mit dem Bewegungselement 120 gezeigt. Der Ausschnitt der mikrofluidischen Vorrichtung 105 zeigt den Hohlraum 130 in dem Substrat 125 mit der Leiterbahn 135, die gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel als elektrisch leitfähige Spule um den Hohlraum 130 umlaufend angeordnet ist. In den Hohlraum 130 ist hier zudem das Bewegungselement 120 eingeführt.
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Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Leiterbahn 135 spiralförmig um einen Einführbereich für das Bewegungselement 120 umlaufend angeordnet. Hier umgibt die Wicklung der Leiterbahn 135 den Hohlraum 130 spiralförmig. Somit weist die Leiterbahn 135 eine Mehrzahl von Windungen auf. Das Bewegungselement 120 weist gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel eine Anregungsspule 205 auf. Wenn das Bewegungselement 120 mit der Anregungsspule 205 wie in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in den Hohlraum eingeführt ist, umgibt die Leiterbahn 135 die Anregungsspule 205. Somit liegt die Anregungsspule 205 hier als innere Spule innerhalb der als äußerer Spule ausgeformten Leiterbahn 135.
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Die Leiterbahn 135 ist gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel somit als weitere elektrische Spule ausgeformt. Zudem ist die Leiterbahn 135 dazu ausgebildet, die induktive Energieübertragung zu ermöglichen, wenn das Bewegungselement 120 mit der Anregungsspule 205 in den Hohlraum 130 eingeführt ist. Vorteilhafterweise ist damit eine kontaktfreie Energieübertragung zwischen dem Analysegerät 100 und der mikrofluidischen Vorrichtung 105 möglich. Die Leiterbahn 135 und die Anregungsspule 205 sind als Induktionsspulen verwendbar, die sich bei einer mechanischen Kontaktierung durch das Einführen des Bewegungselements 120 ineinander verstülpen.
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Das Bewegungselement 120 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise als Eisenkern, ausgeformt, um ein Magnetfeld bei der induktiven Energieübertragung zu verstärken. Bei dem Bewegungselement 120 handelt es sich beispielsweise um einen Stößel, der dazu ausgebildet ist, durch ein Einführen in eine Reagenzienkammer der mikrofluidischen Vorrichtung 105 Reagenzien freizusetzen. Durch die Anordnung der Anregungsspule 205 an dem Bewegungselement 120 ist hier zusätzlich oder alternativ die Elektrifizierung der mikrofluidischen Vorrichtung 105 mittels Induktion möglich.
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Wenn der Hohlraum 130 von drei Seiten von dem Substrat 125 umschlossen ist, und auf der dem Einführbereich für das Bewegungselements 120 zugewandten Seite beispielsweise durch eine Membran abgedichtet ist, kann der Hohlraum 130 auch als mikrofluidische Kammer oder als Vorlagerungskammer der mikrofluidischen Vorrichtung 105 ausgeführt sein. Vorteilhafterweise ist das Anordnen der Leiterbahn 135 an einer bereits auf der mikrofluidischen Vorrichtung 105 ausgeformten Kammer oder an einer auch anderweitig nutzbaren Kammer als Hohlraum 130 möglich, was platzsparend ist.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 und eines Analysegeräts 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier gezeigten Ausschnitte der mikrofluidischen Vorrichtung 105 mit dem Hohlraum 130 in dem Substrat 125 und der Leiterbahn 135 als elektrischer Spule, sowie des Analysegeräts 100 mit der Plattform 115 und dem Bewegungselement 120 entsprechen oder ähneln dem anhand von 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Anregungsspule 205 jedoch an einem anderen Abschnitt des Bewegungselements 120 angeordnet. Das Bewegungselement 120 weist einen in die Plattform 115 eingebetteten Abschnitt auf, an dem die Anregungsspule 205 angeordnet ist. Wenn das Bewegungselement 120 wie in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in den Hohlraum 130 eingeführt ist, ist die Anregungsspule 205 somit außerhalb des Hohlraums 130 angeordnet und damit auch außerhalb der Leiterbahn 135 als elektrischer Spule angeordnet. Für die induktive Energieübertragung ist das Bewegungselement 120 aus dem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise dem Eisenkern, ausgeformt. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Anregungsspule 205 setzt sich ein so entstehendes Magnetfeld in dem Eisenkern des Bewegungselements 120 fort, wodurch eine Wechselwirkung mit der Leiterbahn 135 ermöglicht wird. Die hier gezeigte Anordnung der Anregungsspule 205 ist in Bezug auf eine Degradation durch wiederholte Bewegung vorteilhafterweise geschützt.
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In dem Hohlraum 130 ist innerhalb der Leiterbahn 135 als elektrischer Spule gemäß einem Ausführungsbeispiel zudem ein Kernelement angeordnet. Das Kernelement ragt über die Leiterbahn 135 hinaus, um ein Anregungsmagnetfeld in die elektrische Spule einzuleiten. Das Kernelement ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeformt, beispielsweise als Metallkern. In diesem Fall ist das Bewegungselement 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel als Hohlzylinder ausgeformt. Bei dem Einführen des Bewegungselements 120 ragt das Kernelement in die Anregungsspule 205 hinein, um das Anregungsmagnetfeld in die elektrische Spule einzuleiten. Das Bewegungselement 120 ist dann beispielsweise auch aus einem elektrisch isolierenden Material wie Kunststoff oder mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit ausführbar.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 und eines Analysegeräts 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ähnlich oder entsprechend dem anhand von 2 und/oder 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst der hier gezeigte Ausschnitt des Analysegeräts 100 die Plattform 115 und das Bewegungselement 120 mit der Anregungsspule 205. Der Ausschnitt der mikrofluidischen Vorrichtung 105 zeigt den Hohlraum 130 in dem Substrat 125.
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Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die mikrofluidische Vorrichtung 105 zudem eine Membran 405. Die Membran 405 ist an einer Seite des Hohlraums 130 angeordnet, an der das Bewegungselement 120 einführbar ist. Zudem ist die Membran 405 dazu ausgeformt, den Hohlraum 130 an zumindest der Seite des Einführbereichs des Bewegungselements 120 fluiddicht anzudichten. Hier ist der Hohlraum 130 durch das Abdichten mittels der Membran 405 als Fluid-Kammer oder Vorhaltungskammer der mikrofluidischen Vorrichtung 105 verwendbar. Die Membran 405 ist elastisch und ist dazu ausgebildet, ansprechend auf einen mechanischen Kontakt mit dem Bewegungselement 120 auslenkbar zu sein. In dem hier gezeigten in den Hohlraum 130 eingeführten Zustand des Bewegungselements 120 ist die Membran 405 ausgelenkt und ragt mit dem Bewegungselement 120 in die Leiterbahn 135 als elektrischer Spule hinein. Zur Elektrifizierung der mikrofluidischen Vorrichtung 105 mittels Induktion ist es vorteilhaft, wenn die Membran 405 aus einem Material ausgeformt ist, das die magnetische Flussdichte erhöht.
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Die Membran 405 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel aus einem elastischen und elektrisch isolierenden Material ausgeformt, beispielsweise aus einem thermoplastischen Elastomer. Die Membran 405 weist eine Schichtdicke von beispielsweise 25 bis 500 Mikrometern auf.
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Die mikrofluidische Vorrichtung 105 weist gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel zudem ein in dem Hohlraum 130 anordenbares Einlegeelement 410 auf. Die Leiterbahn 135 ist in diesem Fall an dem Einlegeelement 410 angeordnet. Das Einlegeelement 410, auch Inlay genannt, ist aus einem Polymer, beispielsweise aus Polycarbonat, ausgeformt. Zudem ist das Einlegeelement 410 vorteilhafterweise je nach Bedarf in die mikrofluidische Vorrichtung 105 einbaubar. Dies ermöglicht vorteilhafterweise eine kostengünstige und einfache Realisierung der Anordnung der Leiterbahn 135 in der mikrofluidischen Vorrichtung 105. Auch bei der Herstellung der mikrofluidischen Vorrichtung 105 oder des Einlegeelements 410 unter Verwendung einer Spritzgussform ist dies vorteilhaft im Hinblick auf Kosten und Aufwand.
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Das Einlegeelement 410 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel zudem eine vorgelagerte Substanz zum Prozessieren in der mikrofluidischen Vorrichtung 105 auf. Dazu ist das Einlegeelement 410 beispielsweise als Reagenzriegel ausgeformt, in dem Reagenzien zum Prozessieren in der mikrofluidischen Vorrichtung 105 aufbewahrt oder vorgelagert werden. In diesem Fall ist die Reagenzienvorlagerung in der mikrofluidischen Vorrichtung 105 in der hier gezeigten Kammer in Form des Hohlraums 130 mit dem Einlegeelement 410 mit der Elektrizitätsübertragung zwischen der mikrofluidischen Vorrichtung 105 und dem Analysegerät 100 kombinierbar.
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Zudem weist die mikrofluidische Vorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel ein an dem Hohlraum 130 angeordnetes Abschirmelement auf. Das Abschirmelement ist ausgebildet, eine Umgebung des Hohlraums 130 von einem mittels der Leiterbahn 135 als elektrischer Spule erzeugten Magnetfeld abzuschirmen. Das Abschirmelement ist beispielsweise als eine Blechhülle realisierbar, die an zumindest einer der Innenwände des Hohlraums 130 anordenbar ist. Das Anordnen des Abschirmelements ist vorteilhaft in Bezug auf eine elektromagnetische Verträglichkeit anderer in der mikrofluidischen Vorrichtung 105 oder dem Analysegerät 100 angeordneter Komponenten.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die mikrofluidische Vorrichtung 105 entspricht oder ähnelt der mikrofluidischen Vorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren und/oder das Analysegerät entspricht oder ähnelt dem Analysegerät aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Als Teil der mikrofluidischen Vorrichtung 105 ist hier eine Aufsicht auf das Substrat 125 mit dem Hohlraum 130 gezeigt, um den die Leiterbahn 135 in Form der Wicklung herumgeführt ist. Der Hohlraum 130 ist hier nicht als Fluid-Kammer ausgeführt, sondern als Hohlraum 130 zum Einführen eines Justagepins zum korrekten Positionieren der mikrofluidischen Vorrichtung 105 in dem Analysegerät. Als Teil des Analysegeräts ist das Bewegungselement 120 mit der Anregungsspule 205 gezeigt. Das Bewegungselement 120 ist hier als Justagepin ausgeführt.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die mikrofluidische Vorrichtung 105 entspricht oder ähnelt der mikrofluidischen Vorrichtung aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Als Teil der mikrofluidischen Vorrichtung 105 sind hier die Membran 405, ein Einführbereich 605 für das Bewegungselement und die spiralförmig um den Einführbereich 605 umlaufend angeordnete Leiterbahn 135 gezeigt. Der Einführbereich 605 entspricht zumindest einem Durchmesser des Bewegungselements 120.
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Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Leiterbahn 135 planar an einer dem Hohlraum zugewandten Seite der Membran 405 angeordnet. Die planaren Wicklungen der Leiterbahn 135 erstrecken sich in einer gemeinsamen Ebene. Die Leiterbahn 135 liegt hier spulenförmig in einer Ebene. Zudem ist die Leiterbahn 135 auf die Membran 405 aufgebracht oder in die Membran 405 eingebettet. Zum Einbetten der Leiterbahn 135 in die Membran 405 ist die Membran 405 in zwei Schichten ausführbar, wobei die Leiterbahn 135 zwischen die beiden beispielsweise durch Laserschweißen verbundenen Schichten der Membran 405 angeordnet ist, um die Elektronik der Leiterbahn 135 von beiden Seiten abzudecken. Das elastische Material der Membran 405 wirkt dabei abdichtend, wodurch die Membran 405 mit der eingebetteten Leiterbahn auch in nasser Umgebung verwendbar ist, beispielsweise wenn der Hohlraum den Reagenzriegel für die mikrofluidische Vorrichtung 105 aufweist. Die Leiterbahn 135 ist als gedruckte Elektronik, beispielsweise mittels Siebdruck von Silber- oder Karbonpasten, realisierbar. Die hier gezeigte planar angeordnete Leiterbahn 135 ist zum Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule optional verformbar, was detaillierter anhand der nachfolgenden 7 beschrieben ist.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 und eines Analysegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der hier gezeigte Teil der mikrofluidischen Vorrichtung 105 ähnelt oder entspricht dem anhand von 6 beschriebenen Ausführungsbeispiel, mit der Membran 405 und der planar und spiralförmig angeordneten Leiterbahn 135. Als Teil des Analysegeräts 100 ist das Bewegungselement 120 gezeigt.
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Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Leiterbahn 135 zum Bereitstellen der Funktionalität der elektrischen Spule durch ein Auslenken der Membran 405 verformbar. Die Membran 405 ist durch einen mechanischen Kontakt mit dem Bewegungselement 120 verformbar. Durch das Einführen des Bewegungselements 120 wird die spulenförmige Windung der Leiterbahn 135 mit dem Auslenken der Membran entlang einer Bewegungsrichtung des Bewegungselements 120 verformt, wodurch eine elektrische Spule ausgeformt wird. Die planar aufgebrachte Leiterbahn 135 wird somit zu einer dreidimensionalen Spule verformt. Somit kann die hier gezeigte mikrofluidische Vorrichtung 105 auch als Vorrichtung zur Herstellung einer Spule bezeichnet werden. In dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Membran 405 ausgelenkt, wenn das Bewegungselement, beispielsweise in Form eines Stößels aus einem magnetisierbaren Material, auf den Einführbereich für das Bewegungselement trifft. Das Material der Membran 405 zwischen den Spulenwindungen der Leiterbahn 135 dehnt sich entsprechend der Form und der Bewegungsrichtung des Bewegungselements 120 aus. Dabei verformt sich die Leiterbahn 135, sodass sie zu einem dreidimensionalen Gebilde wird.
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Die Verformung der Leiterbahn 135 ist mit der Elastizität der Membran 405 reversibel, und wenn das Bewegungselement 120 herausgezogen wird, nimmt die Leiterbahn 135 wieder den flachen, planaren Ausgangszustand ein. Dies ist vorteilhafterweise platzsparend. Für die planare Mikrofabrikation der Leiterbahn 135 ist vorteilhafterweise zudem kein komplexes dreidimensionales Verfahren erforderlich. Bei einer Dimensionierung der Leiterbahn 135 ist ein Steigungswinkel der Windung der Leiterbahn 135 beim Verformen zur der elektrischen Spule wichtig, damit die Leiterbahn 135 keine zu große Biegung erfäh rt.
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Die mikrofluidische Vorrichtung 105 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine weitere Leiterbahn auf. Die weitere Leiterbahn ist an der Membran 405 oder an einer weiteren Membran an dem Hohlraum angeordnet. Dabei sind die Leiterbahn 135 und die weitere Leiterbahn so anordenbar, dass die weitere Leiterbahn beim Einführen des Bewegungselements 120 in die Leiterbahn 135 gedrückt wird. Dadurch bilden sich zwei übereinander liegende Spulen aus der Leiterbahn 135 und der weiteren Leiterbahn, was eine kontaktfreie induktive Energieübertragung ermöglicht.
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Auch die hier gezeigte Ausführungsform der Membran 405 mit der eingebetteten Leiterbahn 135 ist zum Abdichten des Hohlraums verwendbar, um den Hohlraum als Fluid-Kammer, beispielsweise als Reagenzvorlagerungskammer, nutzbar zu machen.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines Analysegeräts 100 mit einer mikrofluidischen Vorrichtung 105 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die mikrofluidische Vorrichtung 105 ähnelt anhand vorhergehend gezeigter Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen und umfasst das Substrat 125 mit dem Hohlraum 130 und der spiralförmig um den Hohlraum 130 umlaufend angeordneten Leiterbahn 135. Das hier gezeigte Analysegerät ähnelt oder entspricht dem anhand vorhergehender Figuren beschriebenen Analysegerät 100 mit der beweglichen Plattform 115 mit dem Bewegungselement 120. Die Anordnung der Anregungsspule 205 an dem Bewegungselement 120 entspricht dem anhand von 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel, mit der Anordnung der Anregungsspule 205 an einem in die Plattform 115 eingebettetem Abschnitt des Bewegungselements 120.
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Die Plattform 115 ist hier in Richtung des Aufnahmebereichs der mikrofluidischen Vorrichtung 105 bewegbar. Hier weist die Plattform 115 zudem beispielhaft eine Spindel 805 auf. Die Spindel 805 ist ausgebildet, die Plattform 115 und damit das Bewegungselement 120 zu bewegen. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Plattform 115, das Bewegungselement 120 und die mikrofluidische Vorrichtung 105 hochgefahren, bis die mikrofluidische Vorrichtung 105 oben an einen Deckenabschnitt des Analysegeräts 100 anstößt, wodurch das Bewegungselement 120 bis zum Anschlag in den von der Leiterbahn 135 umhüllten Hohlraum 130 der mikrofluidischen Vorrichtung 105 eingeführt wird.
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Durch ein Anlegen von Elektrizität an die Anregungsspule 205 kann über die Leiterbahn 135 als elektrischer Spule per Induktion ein Verbraucher 810 auf der mikrofluidischen Vorrichtung 105 betrieben werden. Die mikrofluidische Vorrichtung 105 umfasst optional wie in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel elektrizitätsführende Netze und den Verbraucher 810, beispielsweise für dielektrophoretische Anwendungen. Die Energieübertragung per Induktion wie hier mittels der Leiterbahn 135 als elektrischer Spule und der Anregungsspule 205 an dem Bewegungselement 120 ist dabei vorteilhaft für eine stabile Energieübertragung zwischen dem Analysegerät 100 und der mikrofluidischen Vorrichtung 105 mit einfach trennbaren Kontakten, die auch eine Vielzahl an Kontaktierungsvorgänge degradationsfrei zu überstehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007045946 A1 [0003]
