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Stand der Technik
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Die Erfindung geht von einer Trägerplatte für eine mikrofluidische Analysekartusche, einer Analysekartusche mit einer Trägerplatte und einem Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
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Analysekartuschen, die auch als Lab-on-Chip Kartuschen bezeichnet werden können, werden aus unterschiedlichen Kunststoffkomponenten für Mikrofluidik-Analysesysteme zur Auswertung von Körperflüssigkeiten in Arztpraxen und Krankenhäusern eingesetzt. Die Kartuschen bestehen dabei aus zwei hochtransparenten Kunststoffträgerplatten mit Mikrofluidikkanälen und zahlreichen Anschlussbohrungen, die mit komplett hochglanzpolierten Formeinsätzen im Spritzgießverfahren hergestellt werden. Zwischen den Trägerplatten ist eine schwarze Elastomerschicht angeordnet, auf die die transparenten Kunststoffplatten aufgeschweißt sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Trägerplatte für eine mikrofluidische Analysekartusche, eine Analysekartusche mit Trägerplatte und ein Verfahren zum Herstellen einer Trägerplatte 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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Die Trägerplatte kann als Teil der Analysekartusche verwendet werden, um ein Fluid, wie beispielsweise Blut oder andere Körperflüssigkeiten, zu analysieren. Hierzu können verschiedene Reaktionen innerhalb der Analysekartusche veranlasst werden, um anhand der Ergebnisses eine bestimmte Charakteristik des Fluids zu bestimmen. Mit der hier vorgestellten Trägerplatte kann ein solcher Analysevorgang vorteilhafterweise optimiert werden.
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Es wird eine Trägerplatte für eine mikrofluidische Analysekartusche vorgestellt, wobei die Trägerplatte mindestens einen Fluidkanal zum Führen eines Fluids umfasst, wobei mindestens eine Kanalinnenfläche des Fluidkanals eine Optimierungsstruktur zum Optimieren einer Strömung des Fluids aufweist.
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Die Trägerplatte kann beispielsweise mittels eines Spritzprägeverfahrens aus einem transparenten Kunststoff, zum Beispiel aus Polycarbonat, PC, oder aus Styrene Acrylonitrile, SAN, gefertigt sein. Die Trägerplatte kann zum Beispiel als Bestandteil einer Analysekartusche eingesetzt werden, um verschiedene Charakteristiken eines Fluids, beispielsweise Blut, zu untersuchen. Dabei können spezielle Oberflächenbereiche der Fluidik Trägerplatte mit unterschiedlichen Mikrostrukturen versehen sein. Durch den Fluidkanal können zum Beispiel verschiedene Elemente der Trägerplatte, wie zum Beispiel Reagenzriegelaufnahmen, verschiedene Kammern und Mikrofluidkanäle, ein Pneumatikanschluss und zusätzlich oder alternativ ein Fluidanschluss, fluidisch miteinander verbunden sein. Mittels der Optimierungsstruktur von mindestens einer Kanalinnenfläche des Fluidkanals kann die mikrofluidische Strömung innerhalb der Trägerplatte sowie der dafür nötige Druckbedarf optimiert und somit ein in der Analysekartusche durchgeführter Analyseprozess verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Optimierungsstruktur eine Riblet-Struktur sein. Da sogenannte Riblets in der Natur unter anderem auf der Haut von schnell schwimmenden Haien gefunden werden können, kann die Riblet-Struktur auch als Mikrostruktur-Haifischhaut bezeichnet werden. Durch die Verwendung einer Riblet-Struktur kann der Reibungswiderstand entlang der Kanalinnenfläche herabgesetzt werden, wodurch vorteilhafterweise fluidische Prozesse beschleunigt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Riblet-Struktur ein Feld von Erhebungen umfassen. Beispielsweise können diese Erhebungen als feine, spitz zulaufende Rippen ausgeformt sein, deren Längsachsen in Strömungsrichtung angeordnet sein können. Ein solches Feld von Erhebungen kann zum Beispiel im Herstellungsprozess der Trägerplatte in einer Spritzgießmaschine durch einen Formeinsatz in einem Spritzprägewerkzeug realisiert werden, der durch ein UP-Zerspanungsverfahren gefertigt wurde. Vorteilhafterweise kann die Riblet-Struktur als Feld von Erhebungen der Ausformung des Fluidkanals angepasst werden.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Erhebungen eine Höhe von 30µm bis 70µm und zusätzlich oder alternativ einen Abstand zueinander von 70µm bis 150µm aufweisen. Das hat den Vorteil, dass die Riblet-Struktur in Form und Größe optimal an die Größe einer mikrofluidischen Analysekartusche angepasst werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Trägerplatte mindestens einen weiteren Fluidkanal umfassen, wobei mindestens eine weitere Kanalinnenfläche eine Struktur mit einer Rauigkeit von 100nm bis 400nm aufweisen kann. Während eines Herstellungsprozesses kann beispielsweise die Kanalinnenfläche des Fluidkanals mittels eines Ultrapräzisions-Zerspanungsverfahrens mit einer Riblet-Struktur versehen werden, während der weitere Fluidkanal mittels eines Feinzerspanungsverfahrens ausgefräst werden kann. Auf der weiteren Kanalinnenfläche kann der weitere Fluidkanal somit eine entsprechende Mikrostruktur, die auch als Mikrostruktur Feinzerspanung bezeichnet werden kann, aufweisen. So können zum Beispiel unterschiedlich mikrostrukturierte Oberflächen auf der Trägerplatte erzielt werden. Dabei kann die Riblet-Struktur zum Beispiel in Bereichen der Trägerplatte eingesetzt werden, in denen ein Herabsetzen des Reibungswiderstandes vorteilhaft ist, während in anderen Bereichen eine Mikrostruktur mit einer Rauigkeit von 100nm bis 400nm verwendet werden kann. Vorteilhafterweise können dadurch Kosten und Arbeitsaufwand in der Herstellung der Trägerplatte minimiert und gleichzeitig die Strömungsverhältnisse innerhalb der Trägerplatte optimiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Optimierungsstruktur eine in einem Spritzprägeverfahren zum Herstellen der Trägerplatte eingeprägte Struktur repräsentieren. Ein Abformungsverfahren mittels Spritzprägen hat den Vorteil, dass der Herstellungsprozess einer Optimierungsstruktur leicht in einen bekannten Herstellungsprozess einer Trägerplatte integriert werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Trägerplatte ein Auslesefenster zum optischen Auslesen einer Charakteristik eines sich in einer Kammer befindlichen Fluids aufweisen, wobei eine äußere Oberfläche des Auslesefensters mit einer Mottenaugenstruktur ausgeformt sein kann. Beispielsweise kann die äußere Oberfläche eine Außenfläche der Analysekartusche repräsentierten. Die Mottenaugenstruktur kann ein Feld von Säulen umfassen, die zum Beispiel jeweils einen Durchmesser von 80nm bis 200nm und zusätzlich oder alternativ eine Höhe von 100nm bis 300nm und zusätzlich oder alternativ einen Abstand zueinander von 80nm bis 200nm aufweisen können. Das Auslesefenster kann beispielsweise auf einer der äußeren Oberfläche gegenüber liegenden inneren Oberfläche eine Rauigkeit von 50nm bis 200nm aufweisen. Dabei kann die innere Oberfläche eine mittels Hochglanzpolitur hergestellte Fläche repräsentieren. Eine solche Mottenaugenstruktur hat den Vorteil, dass Lichtreflexionen oder Spiegelungen von seitlich auf die äußere Oberfläche einfallendem Licht verhindert werden können. Dadurch kann vorteilhafterweise die Sicht eines Nutzers auf ein in der Kammer befindliches Fluid verbessert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Trägerplatte eine Auflagefläche zum Verbinden mit einer Membran aufweisen, wobei die Auflagefläche eine Rauigkeit von 100nm bis 400nm aufweisen kann. Die Membran kann zum Beispiel als schwarze Elastomermembran ausgebildet sein und in einem Laserschweißprozess entlang der Auflagefläche mit der Trägerplatte verbindbar sein. Durch eine erhöhte Rauigkeit der Auflagefläche, die beispielsweise durch eine definierte Politur der Kavitätenoberfläche eines Spritzgießwerkzeugs erreicht werden kann, können zum Beispiel Überschreitungen der Formtoleranzen und Welligkeiten auf der Oberfläche vermieden werden. Vorteilhafterweise kann die definierte Rauigkeit der Auflagefläche dementsprechend zu einem besonders positiven Schweißergebnis und einer hohen Haftfestigkeit zwischen der Trägerplatte und der Membran führen.
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Zudem wird eine Analysekartusche mit einer Variante einer zuvor vorgestellten Trägerplatte vorgestellt. Die Analysekartusche kann zum Beispiel zur Untersuchung und Auswertung von Fluiden, beispielsweise von Körperflüssigkeiten, eingesetzt werden. Vorteilhafterweise können durch die Integration der Trägerplatte in die Analysekartusche alle zuvor genannten Vorteile optimal umgesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Analysekartusche eine weitere Trägerplatte und eine zwischen der Trägerplatte und der weiteren Trägerplatte angeordnete Membran umfassen, wobei der Fluidkanal in der Trägerplatte und zusätzlich oder alternativ in der weiteren Trägerplatte ausgeformt sein kann. Die Trägerplatte und die weitere Trägerplatte können zum Beispiel eine Mehrzahl von Kammern und Fluidkanälen aufweisen und mittels eines Laserschweißprozesses über die zwischengelagerte Membran miteinander verbunden sein. Vorteilhafterweise können durch einen solchen Aufbau die Strömungsverhältnisse sowie der Druckbedarf in den Fluidkanälen und den Kammern optimiert werden.
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Zudem wird ein Verfahren zum Herstellen einer Variante einer zuvor vorgestellten Trägerplatte vorgestellt, wobei das Verfahren einen Schritt des Bereitstellens eines Spritzprägewerkzeugs umfasst, das zumindest einen Bereich mit einer Prägestruktur zum Prägen der Optimierungsstruktur aufweist. Zudem umfasst das Verfahren einen Schritt des Spritzprägens der Trägerplatte unter Verwendung des Spritzprägewerkzeugs.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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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 Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Analysekartusche mit Trägerplatte;
- 2 eine Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Spritzprägewerkzeugs; und
- 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Trägerplatte.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren eine Höhe eine Höhe von 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 Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Analysekartusche 100 mit einer Trägerplatte 105.
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Die Analysekartusche 100 kann auch als Lab-on-Chip Kartusche oder kurz als LoC-Kartusche bezeichnet werden. Lediglich beispielhaft besteht die Trägerplatte 105 in diesem Ausführungsbeispiel aus transparentem Polycarbonat, weshalb die Trägerplatte 105 beispielsweise in einem Spritzprägeverfahren herstellbar ist. Für die Umsetzung eines solchen Herstellverfahrens ist eine Spritzgießmaschine mit Prägesoftware und Handling sowie ein Spritzprägewerkzeug nötig. Aufgrund der in der Trägerplatte 105 durchführbaren fluidischen Prozesse kann die Trägerplatte 105 auch als Trägerplatte Fluid oder Fluidik Trägerplatte bezeichnet werden.
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Die Trägerplatte 105 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Kammer 110 zum Aufnehmen eines Fluids, die durch einen Fluidkanal 115, der auch als Mikrofluidkanal bezeichnet werden kann, mit anderen Bereichen der Trägerplatte 105 fluidisch verbunden ist. Der Fluidkanal 115 weist entlang einer Kanalinnenfläche 120 eine Optimierungsstruktur 125 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel als Riblet-Struktur ausgeformt ist. Diese Riblet-Struktur kann auch als Mikrostruktur Haifischhaut bezeichnet werden und ist lediglich beispielhaft mit einem Feld von Erhebungen 130 ausgeformt.
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Dabei weisen die Erhebungen 130 lediglich beispielhaft jeweils eine Höhe von 30µm und einen Abstand zueinander von 70µm auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel können die Erhebungen eine Höhe von bis zu 70µm und/oder und einen Abstand zueinander von bis zu 150µm aufweisen. Durch die Optimierungsstruktur 125 ist der Reibungswiderstand innerhalb des Fluidkanals 115 herabgesetzt.
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Weiterhin umfasst die Trägerplatte 105 in diesem Ausführungsbeispiel einen weiteren Fluidkanal 135, wobei eine weitere Kanalinnenfläche 140 lediglich beispielhaft eine Struktur mit einer Rauigkeit von 100nm aufweist. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die weitere Kanalinnenfläche eine Struktur mit einer Rauigkeit von bis zu bis 400nm aufweisen. Durch diese Ausführungen der weiteren Kanalinnenfläche 140 in Kombination mit der Optimierungsstruktur 125 der Kanalinnenfläche 120 des Fluidkanals 115 sind die Strömungsverhältnisse innerhalb der Trägerplatte 105 optimiert.
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Zudem ist in diesem Ausführungsbeispiel die Kammer 110 mit einem Auslesefenster 145 ausgeformt. Das Auslesefenster 145 ist ausgebildet, um die optische Auslesbarkeit einer Charakteristik eines in der Kammer 110 befindlichen Fluids zu ermöglichen. Dabei ist eine äußere Oberfläche 150 des Auslesefensters 145 lediglich beispielhaft mit einer Mottenaugenstruktur ausgeformt, um Spiegelungen sowie Lichtreflexionen auf der äußeren Oberfläche 150 zu vermeiden. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Mottenaugenstruktur ein Feld von Säulen 155, die lediglich beispielhaft jeweils einen Durchmesser von 80nm, eine Höhe von 100nm und einen Abstand zueinander von 80nm aufweisen. Lediglich beispielhaft weist das Auslesefenster 145 auf einer der äußeren Oberfläche 150 gegenüber liegenden inneren Oberfläche 160 eine Rauigkeit von 50nm bis 200nm auf. Durch diese hochglanzpolierte innere Oberfläche 160 in Kombination mit der Mottenaugenstruktur der äußeren Oberfläche 150 ist das Auslesefenster 145 mit optimalen Sichtverhältnissen in die Kammer 110 beziehungsweise auf ein in der Kammer 110 angeordnetes Fluid ausgebildet.
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Die Trägerplatte 105 ist in einem Ausführungsbeispiel entlang einer Auflagefläche 165 mit einer Membran 170 verbunden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Auflagefläche 165 ohne Welligkeiten und lediglich beispielhaft mit einer Rauigkeit von 100nm ausgeformt. In einem anderen Ausführungsbeispiel beträgt die Rauigkeit der Auflagefläche 170 bis 400nm. Die Auflagefläche 170 weist aufgrund ihrer Rauigkeit in diesem Ausführungsbeispiel eine hohe Haftfestigkeit zu der Membran 170 auf, die lediglich beispielhaft als schwarze Elastomermembran ausgeformt ist. Auf einer der Trägerplatte 105 gegenüberliegenden Seite der Membran 170 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine weitere Trägerplatte 175 angeordnet, die auch als Trägerplatte Pneumatik bezeichnet werden kann. Ebenso wie die Trägerplatte 105 ist die weitere Trägerplatte 175 mittels eines Laserschweißprozesses fest mit der Membran 170 verbunden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind der Fluidkanal 115 und der weitere Fluidkanal 135 fluidisch miteinander verbunden und der Fluidkanal 115 ist über einen Verbindungskanal 180 fluidisch mit der Kammer 110 verbunden. Somit bilden der er Fluidkanal 115, der weitere Fluidkanal 135 und der Verbindungskanal 180 ein Kanalsystem. Auf einer der Trägerplatte 105 abgewandten Seite ist das Kanalsystem durch die Membran 170 begrenzt. Die Membran 170 ist im Bereich des Kanalsystems sowohl in Richtung des Kanalsystems als auch in Richtung der weiteren Trägerplatte 175 auslenkbar. Die Membran 170 kann im Bereich des Kanalsystems ausgelenkt werden, um ein sich in dem Kanalsystem befindliches Fluid zu prozessieren. Die weitere Trägerplatte 175 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel dem Kanalsystem gegenüberliegend eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen auf.
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Auf einer der Trägerplatte 105 zugewandten Seite ist das Kanalsystem durch die Trägerplatte 105 begrenzt. Im Bereich des Kanalsystems weist die Trägerplatte 105 eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 181, 182, 183, 184 auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der die Optimierungsstruktur 125 aufweisende Fluidkanal 115 zwischen einer ersten Durchgangsöffnung 181 und einer zweiten Durchgangsöffnung 182 angeordnet, wobei die erste und die zweite Durchgangsöffnungen 181, 182 benachbarten zueinander angeordnet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Verbindungskanal 180 zwischen der ersten Durchgangsöffnung 181 und der Kammer 110 angeordnet und gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen mit einer der Optimierungsstruktur 125 entsprechenden Struktur oder ohne eine der Optimierungsstruktur 125 entsprechenden Struktur ausgeformt. Ebenso ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der weitere Fluidkanal 135 gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zumindest abschnittsweise mit oder ohne eine der Optimierungsstruktur 125 entsprechenden Struktur ausgeformt. Beispielsweise ist ein zwischen den benachbarten Durchgangsöffnungen 182, 183 liegender Abschnitt des Kanalsystems ohne eine der Optimierungsstruktur 125 entsprechenden Struktur ausgeformt und ein zwischen den benachbarten Durchgangsöffnungen 183, 184 liegender Abschnitt des Kanalsystems mit einer der Optimierungsstruktur 125 entsprechenden Struktur ausgeformt.
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Somit können unterschiedlich mikrostrukturierte Oberflächen, wie die Mottenaugenstruktur und die Riblet-Struktur auf Fluidik-Trägerplatten, wie der Trägerplatte 105, von Lab-on-Chip Kartuschen realisiert werden. Dazu kann beispielsweise ein Abformungsverfahren zur Herstellung verwendet werden, wie es nachfolgend beschrieben ist.
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2 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Spritzprägewerkzeugs 200 zum Herstellen einer Trägerplatte, wie sie in 1 beschrieben wurde. Auf der Auswerferseite 205 des Werkzeugs ist hinter einem Prägestempel 210 ein Vakuum 215 angelegt, das das spätere Bauteil beim Öffnen der Trennebene 220 auf der Seite festhält und Verunreinigungen vom Medizinprodukt fernhält.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist in einen Formeinsatz 225 mit Fluidikkanälen auf der feststehenden Düsenseite 230 des Prägewerkzeugs durch ein Ultrapräzisions-Zerspanungsverfahren ein Negativ 235 einer strömungsoptimierenden Riblet-Mikrostruktur eingebracht, die auf dem abgeformten Kunststoffbauteil den Reibungswiderstand der Oberfläche vermindert. Dabei weisen die Spitzen der eingebrachten Rillen lediglich beispielhaft eine Höhe von 30µm und einen Abstand zueinander von 70µm auf. Zudem umfasst der Formeinsatz 225, der auch als Formeinsatzbereich bezeichnet werden kann, in diesem Ausführungsbeispiel einen kleinen erhabenen Bereich 240 für ein optisches Auslesefenster. Der erhabene Bereich 240 ist lediglich beispielhaft mit einer Hochglanzpolitur Mikrostruktur versehen, die eine Rauigkeit von 50nm aufweist.
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Die restlichen Kavitätsbereiche sind in diesem Ausführungsbeispiel in einem Feinzerspanungsverfahren mit erhabenen Fluidikkanälen und Auslesefenster ausgefräst, die auf der Oberseite weiterhin die entsprechende Mikrostruktur aufweisen. Mittels des Feinzerspanungsverfahrens ist eine formgenaue Kavitätsoberfläche ohne Welligkeiten gegeben, die mit einer Mikrostruktur und damit einer geringen Rauigkeit nach dem Laserschweißprozess an den abformbaren Trägerplatten eine hohe Haftfestigkeit zu einer Elastomermembrane aufweist.
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Zudem ist im Prägestempel 210 für das optische Auslesefenster der abformbaren Trägerplatte ebenfalls mit einem Ultrapräzisions-Zerspanungsverfahren ein anderes Negativ 245 einer Mottenaugenstruktur eingebracht, die auch als Mottenaugen-Mikrostruktur oder Mikrostruktur Mottenauge bezeichnet werden kann. Auf den später abgeformten Trägerplatten verhindert die Mottenaugenstruktur seitliche Lichtreflektionen oder Spiegelungen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das andere Negativ 245 mit einem Feld von Säulen ausgeformt, die lediglich beispielhaft jeweils einen Durchmesser von 20nm, eine Höhe von 100nm und einen Abstand zueinander von 80nm aufweisen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist während eines Fertigungsverfahrens eine transparente Kunststoffschmelze 250, beziehungsweise ein transparenter Kunststoff, mit einer Teilfüllung drucklos in die geöffnete Kavität des Spritzprägewerkzeugs 200 einspritzbar. Während eines solchen Vorgangs ist der Forminnendruck durch einen Forminnendrucksensor 255 überwachbar. Durch ein Vorfahren des Prägestempels 210 sind die unterschiedlichen Negative der Mikrostrukturen mit einem gleichmäßigen Flächendruck abformbar. Nach einer bestimmten Kühlzeit und einem Öffnen der Trennebene 220 ist die fertige Fluidik Trägerplatte mit unterschiedlichen positiven Mikrostrukturen durch den Prägestempel 210 ausstoßbar.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Herstellen einer Trägerplatte. Das Verfahren 300 umfasst einen Schritt 305 des Bereitstellens eines Spritzprägewerkzeugs, das zumindest einen Bereich mit einer Prägestruktur zum Prägen der Optimierungsstruktur aufweist. Zudem umfasst das Verfahren 300 einen Schritt 310 des Spritzprägens der Trägerplatte unter Verwendung des Spritzprägewerkzeugs.
