DE10325110B3

DE10325110B3 - Blasenfrei befüllbarer Fluidkanal und Verfahren zum Füllen eines Fluidkanals

Info

Publication number: DE10325110B3
Application number: DE2003125110
Authority: DE
Inventors: Roland Prof. Dr. Zengerle; Hermann Prof. Dr. Sandmaier; Chris Steinert
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2023-05-31

Abstract

Ein Fluidkanal, der durch Wirkung von Kapillarkräften oder durch einen ausgeübten Druck mit einer Flüssigkeit befüllbar ist, weist einen Kanalquerschnitt auf, der in zumindest ein erstes und ein zweites Segment unterteilt ist, in denen jeweils ein durch Kapillarkräfte oder einen ausgeübten Druck getriebener Flüssigkeitstransport möglich ist. Eine Hemmeinrichtung hemmt einen durch Kapillarkräfte oder einen ausgeübten Druck bewirkten Übertritt der Flüssigkeit von dem ersten Segment zu dem zweiten Segment. In einem Übertrittsbereich ist ein Übertritt der Flüssigkeit von dem ersten Segment zu dem zweiten Segment möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Fluidkanal, der durch Wirkung von Kapillarkräften mit einer Flüssigkeit befüllbar ist, insbesondere auf einen luftblasenfrei befüllbaren Fluidkanal, sowie auf ein Verfahren zum Füllen eines Fluidkanals mit einer Flüssigkeit.
Besonders innerhalb der schnell wachsenden Bereiche der sogenannten Life-Sciences, insbesondere der Medizin und der Biologie, und der Biotechnologie spielt die Mikrofluidik eine immer wichtigere Rolle. Ein häufig genutzter Effekt in der Mikrofluidik ist der Transport von Flüssigkeiten durch die Wirkung von Kapillarkräften.
Kapillarkräfte entstehen durch die Wirkung von spezifischen Grenzflächenenergien bzw. Grenzflächenspannungen σ_ik zwischen einem Festkörper (i, k = 1) , einer Flüssigkeit (i, k = 2) und einem Gas (i, k = 3; beispielsweise Luft) oder einer weiteren Flüssigkeit. Wenn die Differenz σ₂₁ – σ₃₁ der Grenzflächenspannung σ₂₁ zwischen der Flüssigkeit und dem Festkörper und der Grenzflächenspannung σ₃₁ zwischen dem Gas und dem Festkörper negativ ist, nennt man die Flüssigkeit den Festkörper benetzend. Die Vergrößerung einer durch die Flüssigkeiten benetzten Oberfläche des Festkörpers bedeutet in diesem Fall einen Energiegewinn und erfolgt deshalb spontan, wobei die Flüssigkeit auch gegen äußere Kräfte, beispielsweise die Schwerkraft, bewegt wird. In einem Rohr bildet die Flüssigkeit eine konkaven Meniskus aus. Je dünner ein Rohr oder eine Kapillare ist, desto größer ist der Energiegewinn durch Benetzung bezogen auf das bewegte Flüssigkeitsvolumen. In sehr dünnen Rohren oder Kapillaren kann eine die Oberfläche des Rohres benetzende Flüssigkeit deshalb gegen die Schwerkraft eine große vertikale Strecke zurücklegen.
Wenn die Differenz σ₂₁ – σ₃₁ der Grenzflächenspannung σ₂₁ zwischen der Flüssigkeit und dem Festkörper und der Grenzflächenspannung σ₃₁ zwischen dem Gas und dem Festkörper positiv ist, bedeutet eine Verringerung der durch die Flüssigkeit benetzten Oberfläche des Festkörpers einen Energiegewinn. In diesem Fall wird die Flüssigkeit den Festkörper nicht-benetzend genannt. Eine Folge ist die sogenannte Kapillardepression. Eine Flüssigkeit, die das Material eines (dünnen) Röhrchens nicht benetzt, bildet in diesem einen konvexen Meniskus aus und setzt einer Einleitung in das Röhrchen eine Widerstandskraft entgegen. Ohne äußere Kräfte verläßt die Flüssigkeit das Röhrchen spontan.
In der Regel ist die Grenzflächenspannung σ₂₁ zwischen der Flüssigkeit und dem Festkörper größer oder wesentlich größer als die Grenzflächenspannung σ₃₁ zwischen dem Gas und dem Festkörper. Ob eine Flüssigkeit eine Oberfläche eines Festkörpers benetzt hängt damit in erster Linie von der Flüssigkeit und dem Festkörper ab. Beispielsweise benetzt Wasser eine hydrophile Oberfläche bzw. eine Oberfläche eines hydrophilen Festkörpers während Öl diese nicht benetzt. Umgekehrt benetzt Öl eine hydrophobe bzw. lipophile Oberfläche eines Festkörpers während Wasser diese nicht benetzt. In Zusammenhang mit dünnen Rohren oder Kapillaren wird die Differenz σ₂₁ – σ₃₁ als Kapillarkraft bezeichnet, die beispielsweise im Falle einer den Festkörper benetzenden Flüssigkeit ein (vollständiges) spontanes Füllen der Kapillare mit der Flüssigkeit bewirkt.
In der Mikrofluidik werden mit Technologien, die aus der Mikroelektronik und der Mikromechanik übernommen und adaptiert werden, Kapillarkanäle mit Abmessungen bis herab zu wenigen μm und darunter erzeugt. In diesen Kapillarkanälen sind die oben beschriebenen Kapillarkräfte wesentlich oder sogar die dominanten Kräfte, die auf eine Flüssigkeit wirken.
9 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines mikrofluidischen Bauelements mit mehreren Kapillarkanälen bzw. Fluidkanälen 12, 14, 16. Die Querschnitte bzw. Umrisse der Kapillarkanäle 12, 14, 16 sind links von dem mikrofluidischen Bauelement 10 noch einmal schematisch dargestellt.
Ein offener Fluidkanal 12 weist einen U-förmigen offenen Querschnitt auf. Er wird gebildet, indem in einem Substrat 20 eine entsprechende rinnenförmige Ausnehmung gebildet wird.
Ein gedeckelter Fluidkanal 14 weist einen geschlossenen rechteckigen Querschnitt auf. Er wird gebildet, indem in dem Substrat 20 eine Rinne bzw. Ausnehmung entsprechenden Querschnitts gebildet wird. Anschließend wird ein Deckel 22, dessen Konturen in 9 punktiert dargestellt sind, bündig auf das Substrat 20 aufgesetzt. Dadurch wird der Querschnitt des gedeckelten Fluidkanals 14 geschlossen.
Ein abgeschlossener Fluidkanal 16 unterscheidet sich von dem gedeckelten Fluidkanal 14 darin, daß er ähnlich einer Sackbohrung oder einer Sackgasse in dem mikrofluidischen Bauelement 10 endet.
10 ist eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen abgeschlossenen Fluidkanal 16, wie er bereits in 9 dargestellt war. Der Fluidkanal weist an einem Ende eine Öffnung 24 auf, durch die eine Flüssigkeit in den Fluidkanal 16 gefüllt werden soll. Das der Öffnung 24 entgegengesetzte Ende 26 des Fluidkanals 16 ist abgeschlossen. Der abgeschlossene Fluidkanal 16 ist in 10 in drei verschiedenen Stadien bzw. Schritten A, B, B^* dargestellt.
Nach der Herstellung bzw. vor dem Befüllen mit der Flüssigkeit liegt das Stadium A vor. In diesem Stadium ist der Fluidkanal mit einem Fluid gefüllt, beispielsweise mit Luft oder einem anderen Gas oder einer weiteren Flüssigkeit.
Im Stadium B wird der Kapillarkanal 16 mit einer Flüssigkeit 30 befüllt. Die Pfeile 32 stellen die Bewegung der Flüssigkeit 30 von der Öffnung 24 des Kapillarkanals 16 in Richtung zu dessen abgeschlossenem Ende 26 dar. In dem frühen Stadium B des Befüllens ist die auf die Flüssigkeit 30 wirkende Kapillarkraft bzw. der auf die Flüssigkeit 30 wirkende Kapillardruck (Pfeil 34) größer als der ihr entgegenwirkende Luftdruck (Pfeil 36) der im abgeschlossenen Kapillarkanal 16 eingeschlossenen Luftblase 38.
Da mit zunehmender Kompression der Luftblase 38 der Luftdruck 36 ansteigt, wird schließlich ein stationäres Stadium B^* erreicht, in dem der Luftdruck 36 die Kapillarkraft bzw. den Kapillardruck 34 kompensiert und die Flüssigkeit 30 deshalb nicht weiter in den Kapillarkanal 16 eindringen kann. Die Flüssigkeit 30 erreicht somit nie das abgeschlossene Ende 26 des Kapillarkanals 16. Der Lufteinschluß bzw. die eingeschlossene Luftblase 38 ist jedoch für viele Anwendungen problematisch, da ihr Volumen von mehreren Faktoren abhängt und deshalb nicht genau vorherbestimmbar ist. Ferner ist sie elastisch bzw. komprimierbar. Ihr Volumen hängt somit vom Kapillardruck, vom hydrostatischen Druck der Flüssigkeit 30, der Temperatur und ggf. von weiteren Umweltbedingungen ab. Somit ist das Volumen der Luftblase 38 in der Regel zeitlich veränderlich. Aufgrund der Elastizität der Luftblase 38 wird ferner ein Drucksignal, das in die Flüssigkeit 30 eingeleitet wird, von der Luftblase verfälscht und insbesondere gedämpft.
Ferner werden Einrichtungen, die nahe dem abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 angeordnet sind, nicht oder nicht zuverlässig von der Flüssigkeit 30 benetzt. Sensoren zur Erfassung von physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit 30 oder Aktoren zur Modulation von Eigenschaften der Flüssigkeit 30 können deshalb nicht nahe dem abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 angeordnet sein.

Aus der US 5,540,888 ist eine Vorrichtung zum Durchführen biochemischer Diagnosen bekannt. Die Vorrichtung umfaßt zwei Fluidkanäle aus einem porösen Material, die Flüssigkeit durch einen kapillaren Fluß zu einer gemeinsamen Stelle auf eine zeitlich gesteuerte Weise befördern, nachdem die Flüssigkeit gleichzeitig den Enden der Kanäle zugeführt wurde. Die Kanäle schneiden sich an einem bestimmten Punkt und setzen sich dann gemeinsam auf eine zu einer elektrischen Brückenschaltung analoge Weise fort. Durch Auswählen der hydraulischen Widerstände der Arme dieser Schaltung kann der Fluß über die Brücke gesteuert werden. Ein Abgleichen der Schaltung hat zur Folge, dass kein Fluß über die Brücke stattfindet und verhindert, dass der Fluß von einem Kanal den von dem dominiert, wenn die Kanäle gefüllt sind. Alternativ kann die Anordnung so sein, dass ein oszillierender Fluß über die Verbindung erzeugt wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen blasenfrei befüllbaren Fluidkanal und ein Verfahren zum blasenfreien Befüllen eines Fluidkanals zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen Fluidkanal nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 16 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Fluidkanal, der durch Wirkung von Kapillarkräften mit einer Flüssigkeit befüllbar ist, mit einem offenen ersten Ende und einem zweiten Ende, mit einem Kanalquerschnitt, der zumindest ein erstes und ein zweites Segment aufweist, in denen jeweils ein durch Kapillarkräfte getriebener Flüssigkeitstransport möglich ist, einer Hemmeinrichtung zum Hemmen eines durch Kapillarkräfte bewirkten Übertritts der Flüssigkeit von dem ersten Segment zu dem zweiten Segment und einem Übertrittsbereich, in dem ein Übertritt der Flüssigkeit von dem ersten zu dem zweiten Segment möglich ist, wobei der Über trittsbereich an dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei sich das erste und das zweite Segment des Kanalquerschnittts von dem ersten Ende zu dem Übertrittsbereich erstrecken.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Füllen eines Fluidkanals mit einer Flüssigkeit durch Wirkung von Kapillarkräften, wobei der Fluidkanal ein offenes erstes Ende und ein zweites Ende, einen in ein erstes und ein zweites Segment unterteilten Kanalquerschnitt und eine Hemmeinrichtung zum Hemmen eines durch Kapillarkräfte bewirkten Übertritts der Flüssigkeit von dem ersten Segment zu dem zweiten Segment aufweist, wobei der Übertrittsbereich an dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei sich das erste und das zweite Segment des Kanalquerschnitts von dem ersten Ende zu dem Übertrittsbereich erstrecken, mit folgenden Schritten:
Füllen des ersten Segments des Kanalquerschnitts des Fluidkanals mit der Flüssigkeit durch Wirkung von Kapillarkräften;
Überführen der Flüssigkeit von dem ersten Segment zu dem zweiten Segment des Kanalquerschnitts in einem Übertrittsbereich nach dem Füllen des ersten Segments; und
Füllen des zweiten Segments des Kanalquerschnitts des Fluidkanals mit der Flüssigkeit durch Wirkung von Kapillarkräften nach dem Überführen der Flüssigkeit von dem ersten Segment zu dem zweiten Segment.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, bei einem Fluidkanal, der mit einer Flüssigkeit befüllt werden soll, einen Kanalquerschnitt vorzusehen, der in zumindest ein erstes und ein zweites Segment unterteilt ist. Ein erster Wandabschnitt, der an das erste Segment des Kanalquerschnitts angrenzt, und ein zweiter Wandabschnitt, der an das zweite Segment des Kanalquerschnitts angrenzt, erstrecken sich jeweils von einem Ende des Fluidkanals zu dem anderen Ende des Fluidkanals. Der erste und der zweite Wandabschnitt sind jeweils durch die Flüssigkeit benetzbar.

Zwischen dem ersten Wandabschnitt und dem zweiten Wandabschnitt ist eine Hemmeinrichtung angeordnet. Die Hemmeinrichtung hemmt oder verhindert eine Benetzung des zweiten Wandabschnitts ausgehend von dem ersten Wandabschnitt, die andernfalls durch Wirkung der Grenzflächenspannungen bzw. der Kapillarkraft spontan erfolgte. Insbesondere hemmt oder verhindert die Hemmeinrichtung eine Verschiebung des Rands der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Fluid von dem ersten Wandabschnitt zu dem zweiten Wandabschnitt. Die Hemmeinrichtung hemmt somit einen Übertritt der Flüssigkeit von dem ersten Segment zu dem zweiten Segment des Kanalquerschnitts.

In einem Übertrittsbereich ist ein Übertritt der Flüssigkeit von dem ersten Segment zu dem zweiten Segment möglich, beispielsweise indem der Querschnitt des Fluidkanals oder die Hemmeinrichtung dort anders ausgebildet ist als außerhalb des Übertrittsbereichs.

Bei dem erfindungsgemäßen Fluidkanal wird die Flüssigkeit zunächst dem ersten Segment des Kanalquerschnitts zugeführt. Da der erste Wandabschnitt durch die Flüssigkeit be netzbar ist, wirken Kapillarkräfte auf die Flüssigkeit, welche die Flüssigkeit entlang des Fluidkanals bis zu dem Übertrittsbereich bewegen. Aufgrund der Wirkung der Hemmeinrichtung bleibt die Flüssigkeit bis dahin im ersten Segment des Kanalquerschnitts des Fluidkanals. Der Übertrittsbereich ist vorzugsweise an oder nahe bei einem abgeschlossenen Ende des Fluidkanals angeordnet. Während die Flüssigkeit das erste Segment des Kanalquerschnitts füllt ist das zweite Segment des Kanalquerschnitts leer. Ein Fluid, insbesondere Gas oder eine weitere Flüssigkeit, das ursprünglich in dem Fluidkanal vorlag und durch die eindringende Flüssigkeit verdrängt wird, kann durch das zweite Segment des Kanalquerschnitts aus dem Fluidkanal entweichen.

Im Übertrittsbereich tritt die Flüssigkeit von dem ersten Segment zu dem zweiten Segment des Kanalquerschnitts über. Danach füllt sich wiederum durch Wirkung von Kapillarkräften das zweite Segment des Kanalquerschnitts des Fluidkanals. Das zweite Segment des Kanalquerschnitts wird, vom Übertrittsbereich ausgehend, befüllt, d. h. die Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem den Fluidkanal ursprünglich erfüllenden Fluid wandert von dem Übertrittsbereich und damit vom abgeschlossenen Ende des Fluidkanals zu dem Ende des Fluidkanals, an dem die Flüssigkeit in das erste Segment des Kanalquerschnitts des Fluidkanals eingeführt wird. Dabei entweicht das Fluid vorzugsweise vollständig aus dem Fluidkanal.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie einen Einschluß des den Fluidkanal ursprünglich erfüllenden Fluids, insbesondere einer Luftblase in dem Fluidkanal verhindert. Die vorliegende Erfindung gewährleistet somit eine vollständige Füllung eines abgeschlossenen Fluidkanals. Da der Fluidkanal keine elastische bzw. kompressible Luftblase mehr enthält, werden in die Flüssigkeit eingeleitete Druckänderungen, insbesondere Druckpulse oder andere Drucksignale weitestgehend unverfälscht, insbesondere ungedämpft bis zu dem abgeschlossenen Ende des Fluidkanals weitergeleitet. Ferner können mit dem erfindungsgemäßen Fluidkanal nun auch an einem abgeschlossenen Ende eines Fluidkanals Einrichtungen, beispielsweise den Druck oder andere physikalische oder chemische Eigenschaften der Flüssigkeit erfassende Sensoren oder den Druck oder andere Eigenschaften der Flüssigkeit modulierende Aktoren, die durch die Flüssigkeit benetzt sein müssen, angeordnet werden.

Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft bei abgeschlossenen Fluidkanälen bzw. Fluidkanälen mit einem abgeschlossenen Ende einsetzbar, wobei der Übertrittsbereich unmittelbar an oder nahe bei dem abgeschlossenen Ende des Fluidkanals angeordnet ist. Ferner ist die vorliegende Erfindung auch bei einem Fluidkanal verwendbar, bei dem aus anderen Gründen beim Befüllen mit einer Flüssigkeit von einem Ende her eine unvollständige Befüllung, insbesondere ein Einschluß einer Luftblase oder eines anderen Restvolumens eines den Fluidkanal ursprünglich erfüllenden Fluids auftreten würde. Ein Beispiel dafür ist ein Fluidkanal, der am zweiten Ende lediglich eine sehr kleine Öffnung, beispielsweise eine Düse am Kanalgrund, aufweist, durch die das den Fluidkanal ursprünglich erfüllende Fluid zu langsam oder aus anderen Gründen nicht vollständig entweichen kann. Ein weiteres Beispiel ist ein Fluidkanal, der ursprünglich mit einem Fluid, insbesondere einer weiteren Flüssigkeit, erfüllt ist, die zwar durch eine Öffnung hindurch verdrängt werden könnte, daran jedoch wiederum durch Wirkung einer Grenzflächenspannung gehindert wird.

Anders ausgedrückt schafft die vorliegende Erfindung einen (abgeschlossenen) Fluidkanal zur blasenfreien, kapillaren Befüllung desselben, gekennzeichnet durch einen in (mindestens) zwei Segmente unterteilten Kanalquerschnitt, wobei in jedem der Segmente ein durch Kapillarkräfte getriebener Flüssigkeitstransport in axialer bzw. Längs-Richtung des Kanals möglich ist, und wobei ein spontaner Übertritt in transversaler Richtung aufgrund der Kapillarkräfte unter bunden ist, sowie eine Einrichtung oder einen Bereich am Ende des (abgeschlossenen) Fluidkanals zum Transfer der Flüssigkeit von dem ersten Kanalsegment in das zweite Kanalsegment.

Nochmals anders ausgedrückt schafft die vorliegende Erfindung einen (abgeschlossenen) Fluidkanal zur blasenfreien kapillaren Befüllung desselben mit einer Flüssigkeit, gekennzeichnet durch einen in (mindestens) zwei Segmente unterteilten Kanalquerschnitt, bei dem die Flüssigkeit zunächst durch Kapillarkräfte in einem ersten Segment und in einer ersten Richtung eingezogen wird und ein spontaner Übergang in transversaler Richtung aufgrund der Kapillarkräfte unterbunden ist, sowie eine Einrichtung am Ende des Fluidkanals zum Transfer der Flüssigkeit von dem ersten Kanalsegment in das zweite Kanalsegment, woraufhin die Flüssigkeit durch Kapillarkräfte in der zur ersten Richtung entgegengesetzten Richtung in dem zweiten Segment gezogen wird.

Bevorzugte Weiterbildungen des Fluidkanals sind in den Unteransprüchen definiert.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des Fluidkanals mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Fluidkanals in sechs verschiedenen Stadien des Befüllens;
2A, 2B schematische Darstellungen einer Draufsicht bzw. eines Querschnitts eines Fluidkanals gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3A, 3B schematische Darstellungen einer Draufsicht bzw. eines Querschnitts eines Fluidkanals gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 schematische Darstellungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Übertrittsbereichs eines erfindungsgemäßen Fluidkanals in verschiedenen Stadien des Befüllens;
5 schematische Darstellungen eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Übertrittsbereichs eines erfindungsgemäßen Fluidkanals in verschiedenen Stadien des Befüllens;
6 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines Fluidkanals gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines Fluidkanals gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts eines Fluidkanals gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 eine schematische perspektivische Darstellung eines mikrofluidischen Bauelements mit herkömmlichen Fluidkanälen (Stand der Technik); und
10 schematische Darstellungen eines Längsschnitts eines herkömmlichen Fluidkanals in verschiedenen Stadien des Befüllens (Stand der Technik).
1 zeigt schematische Darstellungen eines Längsschnitts eines erfindungsgemäßen Fluidkanals in sechs verschiedenen Stadien A, B, C, D, E, F des Befüllens mit einer Flüssigkeit. Der dargestellte Kapillarkanal bzw. Fluidkanal 16 ist durch eine Nut oder eine entsprechende längliche Ausnehmung in einem Substrat 20 gebildet, die durch einen Deckel 22 so verschlossen wird, daß der Fluidkanal 16 einen geschlossenen Querschnitt aufweist. Der Fluidkanal 16 weist an einem Ende eine Öffnung 24 auf. Das der Öffnung 24 entgegengesetzte Ende 26 des Fluidkanal 16 ist abgeschlossen. Der Kanalquerschnitt des Fluidkanals 16 weist ein erstes Segment 42 und ein zweites Segment 44 auf, die sich jeweils von der Öffnung 24 längs des Fluidkanals 16 bis zu dessen abgeschlossenen Ende 26 erstrecken. Zwischen dem ersten Segment 42 und dem zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 ist eine Hemmeinrichtung 46 angeordnet, die in 1 durch eine einfache horizontale Trennlinie zwischen dem ersten Segment 42 und dem zweiten Segment 44 dargestellt ist. Im Detail wird die Ausgestaltung der Hemmeinrichtung 46 weiter unten anhand der 2A, 2B, 3A, 3B näher beschrieben. Die Erstreckung der Hemmeinrichtung 46 in Längsrichtung des Fluidkanals 16 kann von der schematischen Darstellung in 1 abweichen. Insbesondere reicht die Hemmeinrichtung 46 nicht notwendigerweise bis ganz zum abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16, so daß das erste Segment 42 und das zweite Segment 44 dort in einander übergehen.
Die beschriebenen Merkmale des erfindungsgemäßen Fluidkanals 16 sind während des Befüllens desselben unveränderlich und deshalb nur im ersten Stadium A mit Bezugszeichen versehen.
Im Stadium A ist der Fluidkanal 16 leer oder enthält – allgemeiner formuliert – noch nicht die Flüssigkeit, mit der er befüllt werden soll. Statt dessen ist er von einem anderen Fluid, beispielsweise Luft, erfüllt, das durch die Flüssigkeit möglichst vollständig ersetzt bzw. verdrängt werden soll.
Im Stadium B wird die Flüssigkeit 30 in den Fluidkanal 16 und insbesondere in das erste Segment 42 seines Kanalquerschnitts eingeleitet. Die Hemmeinrichtung 46 verhindert bzw. unterbindet bzw. hemmt einen Übertritt der Flüssigkeit 30 von dem ersten Segment 42 in das zweite Segment 44. Es existiert deshalb eine Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit 30 und dem den Fluidkanal 16 ursprünglich erfüllenden Fluid mit einem ersten Abschnitt 52, der im wesentlichen parallel zu der Hemmeinrichtung 46 und in dem dargestellten Längsschnitt näherungsweise deckungsgleich mit der Hemmeinrichtung 46 angeordnet ist, und einem zweiten Abschnitt 54, der sich während des Eindringens der Flüssigkeit 30 in den Fluidkanal 16 in Richtung zu dem abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 bewegt. Im Stadium B wird somit die Wand des Fluidkanals 16 im Bereich des ersten Segments 42 des Kanalquerschnitts von der Öffnung 24 zu dem abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 fortschreitend benetzt.
Die Hemmeinrichtung 46 ist vorzugsweise an der Wand bzw. den Seitenwänden des Fluidkanals 16 angeordnet oder ist eine Eigenschaft der Seitenwände des Fluidkanals 16. Die Hemmeinrichtung 46 hemmt, wie weiter unten mit Bezug auf die 2A, 2B, 3A, 3B näher beschrieben wird, eine Bewegung bzw. einen Übertritt des an die Seitenwand des Fluidkanals 16 angrenzenden Randes des ersten Abschnitts 52 der Grenzfläche der Flüssigkeit 30 in einer Richtung senkrecht zu der Längsrichtung des Fluidkanals 16 und zu der Hemmeinrichtung 46. Vorzugsweise ist die Hemmeinrichtung 46 an zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden des Fluidkanals 16 angeordnet. Der dazwischen liegende Abschnitt 52 der Grenzfläche der Flüssigkeit 30 ist nur im Ausnahmefall eben und im allgemeinen gewölbt. Der Abschnitt 52 der Grenzfläche der Flüssigkeit 30 kann deshalb abweichend von der Darstellung in 1 in der seitlichen Projektion gegenüber der Hemmeinrichtung 46 sowohl in Richtung zu dem ersten Segment 42 als auch in Richtung zu dem zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 gewölbt sein.
Wenn der zweite Abschnitt 54 der Grenzfläche der Flüssigkeit 30 das abgeschlossene Ende 26 des Fluidkanals 16 er reicht hat, liegt das Stadium C vor. Die Flüssigkeit 30 erfüllt entlang des gesamten Fluidkanals 16 von der Öffnung 24 bis zu seinem abgeschlossenen Ende 26 das erste Segment 42 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16.
An dem abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 ist ein Übertrittsbereich 60 vorgesehen, in dem ein spontaner oder von außen induzierter Übertritt der Flüssigkeit 30 von dem ersten Segment 42 zu dem zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 möglich ist. Ausführungsbeispiele des Übertrittsbereichs 60 werden weiter unten mit Bezug auf die 4 und 5 näher beschrieben. Im Stadium D erfolgt im Übertrittsbereich 60 ein Übertritt der Flüssigkeit 30 vom ersten Segment 42 zum zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16. Dieser Übertritt wird ebenfalls weiter unten anhand der 4 und 5 näher beschrieben. Die in 1 im Stadium D dargestellte Form der Flüssigkeit 30 bzw. ihre Grenzfläche kommt beispielsweise dadurch zustande, daß die Hemmeinrichtung 46 an der Stirnfläche des Fluidkanals 16 an seinem abgeschlossenen Ende 26 nicht angeordnet bzw. nicht ausgebildet ist. Wenn die Flüssigkeit das abgeschlossene Ende 26 des Fluidkanals 16 im Stadium C erreicht hat, benetzt die Flüssigkeit 30 deshalb spontan die gesamte Stirnfläche 62 des Fluidkanals 16. Dadurch wird ein Übertritt der Flüssigkeit 30 von dem ersten Segment 42 zu dem zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 bewirkt.
Nach dem Übertritt der Flüssigkeit 30 in das zweite Segment des Kanalquerschnitts benetzt die Flüssigkeit 30 auch die Wand des Fluidkanals 16 im Bereich des zweiten Segments 44 des Kanalquerschnitts, und zwar von dem abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 und von dem Übertrittsbereich 60 ausgehend und zu der Öffnung 24 fortschreitend. Ein zweiter Abschnitt 64 der Grenzfläche der Flüssigkeit 30 bewegt sich dabei im zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 längs des Fluidkanals 16 von dessen abgeschlossenem Ende 26 zu der Öffnung 24. Das den Fluidkanal 16 ur sprünglich erfüllende Fluid wird dabei zur Öffnung 24 des Fluidkanals 16 zurück verdrängt. Der Fluidkanal 16 wird deshalb vollständig und ohne Einschlüsse des Fluids, beispielsweise Luftblasen, befüllt.
Das Stadium F unterscheidet sich nicht qualitativ von dem Stadium E. Der Abschnitt 64 der Grenzfläche der Flüssigkeit 30 hat die Öffnung 24 fast erreicht. Der Fluidkanal 16 ist mithin fast vollständig mit der Flüssigkeit 30 gefüllt.
Die 2A, 2B sind schematische Darstellungen einer Draufsicht bzw. eines Querschnitts eines Fluidkanals 16 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Hemmeinrichtung 46 ist hier in Form von Stufen 70 in zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden des Fluidkanals 16 ausgeführt. Der Fluidkanal 16 besteht somit aus einer unteren Kanalstufe aus einem hohen schmalen Kanal und einer oberen Kanalstufe aus einem niedrigen und etwas breiteren Kanal. Das erste Segment 42 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 ist also schmal und hoch, das zweite Segment 44 ist etwas breiter und wesentlich niedriger als das erste Segment 42. Zwischen den beiden Segmenten 42, 44 des Kanalquerschnitts sind die Stufen 70 angeordnet.
Alternativ ist eine funktional entsprechende Stufe 70 zwischen einem ersten Segment 42 und einem zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts angeordnet, die zwei verschiedene Breiten aufweisen, deren Höhen jedoch abweichend von dem obigen Ausführungsbeispiel jeweils beliebige Werte annehmen können. Jedes der beiden Segmente weist die Form eines Rechtecks, eines Trapezes, eines Polygons, eines Kreissegments oder aber eine beliebige aus Geradenabschnitten und/oder Bögen zusammengesetzte Form auf.
Die 3A, 3B zeigen schematische Darstellungen einer Draufsicht bzw. eines Querschnitts eines Fluidkanals 16 gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung. Der Fluidkanal 16 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen einfachen rechteckigen Querschnitt auf. Die Hemmeinrichtung 46 wird durch Wandabschnitte 72 gebildet, die durch die Flüssigkeit, die in den Fluidkanal 16 eingeführt werden soll, nicht benetzbar sind. Die nichtbenetzbaren Wandabschnitte 72 sind streifenförmig und an zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden des Fluidkanals 16 angeordnet. Die Anordnung der nicht-benetzbaren Wandabschnitte 72 definiert ein größeres erstes Segment 42 und ein kleineres zweites Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Hemmeinrichtung 46 streifenförmige hydrophobe Wandabschnitte 72 während der Rest der Wand des Fluidkanals 16 im ersten Segment 42 und im zweiten Segment 44 jeweils hydrophil ist. Eine polare Flüssigkeit, beispielsweise Wasser oder eine wäßrige Lösung, benetzt die Wand des Fluidkanals 16 dann sowohl im ersten Segment 42 als auch im zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16, nicht jedoch die hydrophoben Wandabschnitte 72. Im Fall einer unpolaren Flüssigkeit, beispielsweise einem Öl, ist umgekehrt die Wand im ersten Segment 42 und im zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 lipophil auszuführen, während die streifenförmigen Wandabschnitte 72 der Hemmeinrichtung 46 lipophob sein müssen.
In beiden in den 2A, 2B, 3A, 3B dargestellten Ausführungsbeispielen ist das zweite Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 jeweils kleiner als das erste Segment 42. Die Querschnitte der Segmente 42, 44 und insbesondere ihre Abmessungen und ihre Flächen werden vorzugsweise so dimensioniert, daß der aus der Viskosität der in den Fluidkanal 16 zu füllenden Flüssigkeit 30 resultierende Strömungswiderstand der Flüssigkeit 30 im ersten Segment 42 des Kanalquerschnitts und der aus der Viskosität des aus dem Fluidkanal 16 zu verdrängenden Fluids resultierende Strömungswiderstand des Fluids im zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts zumindest näherungsweise und über den Füllvorgang gleich sind. Alternativ werden bei der Dimensionierung der Segmente 42, 44 neben den Viskositäten der in den Fluidkanal zu einzufüllenden Flüssigkeit und des aus dem Fluidkanal zu verdrängenden Fluids auch die aus den unterschiedlichen Formen des ersten Segments 42 und des zweiten Segments 44 des Kanalquerschnitts resultierenden in den Stadien B und E unterschiedlich großen Kapillarkräfte berücksichtigt. Durch eine derartige Dimensionierung der Segmente 42, 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 ist eine Minimierung der für das Füllen des Fluidkanals 16 erforderlichen Zeit möglich.
4 zeigt schematische Darstellungen eines ersten Ausführungsbeispiels des Übertrittsbereichs 60 eines erfindungsgemäßen Fluidkanals 16 in verschiedenen Stadien und in Draufsicht (linke Spalte) und Längsschnitt (rechte Spalte). Die Hemmeinrichtung 46 umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel Stufen 70, wie sie bereits oben anhand der 2 beschrieben wurden. Die Stufen 70 reichen nicht bis ganz zum abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 sondern verjüngen sich zu diesem hin und sind im Übertrittsbereich 60 nicht vorhanden.
Das Befüllen des Fluidkanals 16 verläuft so wie oben anhand der 1 beschrieben. Im Stadium B bewegen sich die Flüssigkeit 32 und der Abschnitt 54 ihrer Grenzfläche im ersten Segment 42 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 längs des Fluidkanals 16 zu dessen abgeschlossenem Ende 26 hin. Diese Bewegung ist durch die Pfeile 32 dargestellt.
In den Stadien C und D hat die Flüssigkeit 30 das abgeschlossene Ende 26 des Fluidkanals 16 erreicht. Da im Übertrittsbereich 60 am abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 keine Stufe 70 zwischen dem ersten Segment 42 und dem zweiten Segment 44 vorliegt, kriecht (Pfeil 74) die Flüssigkeit 30 im Übertrittsbereich 60 an der Wand des Fluidkanals 16 in das zweite Segment 44. Anders ausgedrückt be netzt die Flüssigkeit 30 im Übertrittsbereich 60 ausgehend von dem ersten Segment 42 spontan auch das zweite Segment 44 und tritt damit vom ersten Segment 42 in das zweite Segment 44 über.
Bereits oben anhand der 1 dargestellt, füllt die Flüssigkeit 30 anschließend im Stadium E das zweite Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 ausgehend von dem Übertrittsbereich 60 (Pfeil 76).
Da bei diesem Ausführungsbeispiel die Flüssigkeit 30 im Übertrittsbereich 60 spontan bzw. selbsttätig bzw. automatisch die Wand des Fluidkanals 16 im zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts benetzt bzw. zu dem Deckel 22 hochkriecht, wird das Befüllen der durch das zweite Segment des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 definierten Kanalstufe automatisch eingeleitet. Die gesamte Befüllung des Fluidkanals 16 mit der Flüssigkeit 30 erfolgt somit vollkommen selbsttätig.
Das Verjüngen und Verschwinden der Stufe 70 zu dem abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 hin werden in diesem Ausführungsbeispiel dadurch bewirkt, daß die untere Kanalstufe bzw. das erste Segment 42 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 sich verbreitert. Alternativ verjüngt bzw. verschmälert sich das zweite Segment 44 auf die Breite des ersten Segments 42. In beiden Fällen weist das erste Segment 42 des Kanalquerschnitts im Übertrittsbereich 60 die gleiche Breite auf wie das zweite Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16. Die Wand des Fluidkanals 16 ist damit bündig bzw. stufenlos zwischen dem ersten Segment 42 und dem zweiten Segment 44. Anders ausgedrückt sind die Enden von oberer und unterer Kanalstufe bei diesem Ausführungsbeispiel bündig. Noch anders ausgedrückt gehen die untere Kanalstufe und die obere Kanalstufe im Übertrittsbereich 60 in einander über. Alternativ sind das erste Segment 42 und das zweite Segment 44 des Kanalquerschnitts nur an einer Stelle, beispielsweise an einer Seite, im Übertrittsbereich 60 bündig.
5 zeigt schematische Darstellungen eines zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiels des Übertrittsbereichs 60 eines erfindungsgemäßen Fluidkanals 16 in Draufsicht (linke Spalte) und Längsschnitt (rechte Spalte). Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem anhand der 4 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß die Stufen 70 sich zum abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 hin zwar verjüngen jedoch nicht vollständig verschwinden. Somit bleibt eine schmale Stufe bzw. ein kleiner Steg zwischen der unteren Kanalstufe respektive dem ersten Segment 42 und der oberen Kanalstufe respektive dem zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 auch im Übertrittsbereich 60 und am abgeschlossenen Ende 26 des Fluidkanals 16 stehen. Dies wird dadurch bewirkt, daß die Breite der unteren Kanalstufe respektive des ersten Segments 42 im Übertrittsbereich 60 fast so groß ist wie die Breite der zweiten Kanalstufe respektive des zweiten Segments 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16. Da die Flüssigkeit 30 bzw. der Rand ihrer Grenzfläche die Stufe 70 nicht spontan überwindet, stoppt der Füllvorgang nach dem Füllen der unteren Stufe bzw. des ersten Segments 42 im Stadium B bei Erreichen des Stadiums C'. Die Füllung der oberen Kanalstufe bzw. des zweiten Segments 44 muß deshalb durch ein äußeres Signal, beispielsweise manuell, eingeleitet werden.
In 5 sind zwei Varianten dieser Einleitung des Füllens des zweiten Segments 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 von außen dargestellt. Wenn die Deckelung bzw. der Deckel 22 (elastisch oder plastisch) verformbar ist, kann durch Ausübung einer Kraft F auf den Deckel 22 eine Verformung desselben bewirkt werden, die eine Berührung des Deckels 22 mit der Flüssigkeit 30 zur Folge hat (Stadium D'). Die Flüssigkeit 30 benetzt nun den Deckel 22 in einem (mittleren) Teilbereich und ist damit vom ersten Segment 42 zum zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidka nals 16 übergetreten. Nach diesem Übertritt in das zweite Segment 44 benetzt die Flüssigkeit 30 fortschreitend den Deckel 22 zunächst im gesamten Übertrittsbereich 60. Das weitere Füllen des zweiten Segments 44 mit der Flüssigkeit 30 erfolgt dann im Stadium E genauso wie in den 1 und 4 dargestellt.
Alternativ zur Verformung des Deckels 22 wird ein Drucksignal, vorzugsweise ein Druckpuls bzw. Druckimpuls in die Flüssigkeit 30 eingeleitet. Dieser Druckpuls hat eine kurzzeitige konvexe Verformung der Grenzfläche der Flüssigkeit 30 in Richtung zu dem Deckel 22 zur Folge. Da die Grenzfläche der Flüssigkeit 30 wie die untere Kanalstufe bzw. das erste Segment 42 im Übertrittsbereich 60 die größte Breite aufweist, ist auch ihre konvexe Verformung zu dem Deckel 22 hin im Übertrittsbereich 60 am größten. Folglich berührt die Flüssigkeit 30 bzw. deren Grenzfläche den Deckel 22 im Übertrittsbereich 60 am frühesten. Der Druckpuls bewirkt somit selektiv im Übertrittsbereich 60 einen Übertritt (Pfeil 80) der Flüssigkeit 30 in das zweite Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 und eine Benetzung des Deckels 22 (Stadium D''). Ausgehend vom Übertrittsbereich 60 erfolgt dann wieder wie in den 1 und 4 dargestellt ein Befüllen des zweiten Segments 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 (Stadium E).
Die anhand der 5 beschriebene Funktion der nicht unterbrochenen Stufe 70 wird auch durch eine Stufe 70 erfüllt, die sich zum Übertrittsbereich hin nicht verjüngt. Vorzugsweise ist jedoch der Abstand zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Stufen 70 im Übertrittbereich größer als außerhalb desselben. Dies ist beispielsweise auch dadurch erzielbar, daß sowohl das erste Segment 42 als auch das zweite Segment 44 des Kanalquerschnitts im Übertrittsbereich 60 breiter sind als außerhalb desselben. Der im Übertrittsbereich 60 vergrößerte Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Stufen 70 hat zur Folge, daß die Grenzfläche der Flüssigkeit 30 sich im Übertrittsbe reich 60 stärker wölbt als außerhalb desselben. Ein von außen angelegter Druckpuls bewirkt dann zuerst im Übertrittsbereich 60 eine Berührung bzw. Benetzung des Deckels 22.
Alternativ ist die Breite des zweiten Segments 44 im Übertrittsbereich 60 vergrößert, so daß der Deckel 22 im Übertrittsbereich 60 besonders nachgiebig und besonders leicht zu der Flüssigkeit 30 hin verformbar ist.
Wie bereits oben anhand der 2A, 2B, 4, 5 dargestellt wurde, kann die Hemmeinrichtung 46 bzw. die Trennung zwischen dem ersten Segment 42 und dem zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 geometrisch definiert sein. Beispielsweise kann ein enger Kanal in einem breiten Kanal gebildet sein bzw. eine schmale untere Kanalstufe und eine breite obere Kanalstufe übereinander angeordnet sein. Wie oben anhand der 2 dargestellt ist, resultiert eine Stufe 70. Die Stufe 70 hemmt eine Verschiebung eines Randes einer Grenzfläche senkrecht zu der Stufe, da bei dieser Verschiebung die Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem zu verdrängenden Fluid genauso stark anwächst wie die benetzte Oberfläche bzw. die Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Festkörper. Die Stufe 70 wird deshalb nur dann spontan überwunden, wenn der Energiegewinn durch die Vergrößerung der benetzten Oberfläche größer ist als der Energieverlust durch die Vergrößerung der Grenzfläche zwischen der einzufüllenden Flüssigkeit und dem ursprünglich den Fluidkanal 16 erfüllenden Fluid.
Wenn die Hemmeinrichtung 46 anstelle der Stufen 70 die nicht-benetzbaren Wandabschnitte 72 umfaßt, werden die nicht-benetzbaren Wandabschnitte 72 im Übertrittsbereich 60 weggelassen, unterbrochen, schmäler bzw. mit einer geringeren Breite bzw. einer geringeren parallel zu der Richtung von dem ersten Segment 42 zu dem zweiten Segment 44 gemessenen Höhe ausgeführt. Ein Übertrittsbereich 60 mit entsprechender Wirkung wie bei dem anhand der 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist auch durch eine Verringe rung der Höhe des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16, insbesondere eine Verringerung der Höhe des zweiten Segments 44 realisierbar.
Im Übertrittsbereich 60 können verschiedene Einrichtungen zum Transfer der Flüssigkeit 30 vom ersten Segment 42 in das zweite Segment 44 angeordnet sein. Kapillare Einrichtungen bzw. Einrichtungen, die einen Übertritt der Flüssigkeit 30 vom ersten Segment 42 zum zweiten Segment 44 durch die Wirkung von Grenzflächenspannungen bzw. durch Benetzungseigenschaften bewirken, wurden oben bereits mit Bezug auf die 4 und 5 beschrieben. Dazu zählen allgemein beispielsweise bündig bzw. kontinuierlich bzw. stufenlos oder sogar eben in einander übergehende Wände des ersten Segments 42 und des zweiten Segments 44, welche eine Verbindung zwischen dem ersten Segment 42 und dem zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 schaffen, die nicht durch eine Hemmeinrichtung 46 unterbrochen ist.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung eines fest eingebauten oder eines extern initiierten Dipp-Sticks zur kapillaren Überbrückung. Ein Beispiel eines solchen Dipp-Sticks ist in 6 in einem schematischen Längsschnitt dargestellt. 6 zeigt ähnlich der 1 einen Längsschnitt eines Fluidkanals 16. Der Fluidkanal 16 ist wiederum in Form einer Nut oder einer länglichen Ausnehmung in einem Substrat 20 gebildet und durch einen Deckel 22 geschlossen. Wie in den oben dargestellten Ausführungsbeispielen weist der Fluidkanal 16 ferner einen Querschnitt mit einem ersten Segment 42 und einem zweiten Segment 44 auf, zwischen denen eine Hemmeinrichtung angeordnet ist. Die Hemmeinrichtung ist in diesem Beispiel eine Stufe 70. Der Dipp-Stick ist jedoch ohne weiteres auch mit jeder anderen Hemmeinrichtung, insbesondere beispielsweise mit einem nicht benetzbaren Abschnitt 72, wie er oben anhand der 3 dargestellt wurde, kombinierbar.
Der Dipp-Stick ist eine konvexe Einrichtung 90, die im Übertrittsbereich 60 an einer Wand im zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts angeordnet ist und in das erste Segment 42 des Kanalquerschnitts hineinreicht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Dipp-Stick 90 ein Kegel oder eine Pyramide, die im Übertrittsbereich 60 am Deckel 22 angebracht ist. Da die Höhe des Dipp-Sticks 90 größer ist als die Höhe des zweiten Segments 44 des Kanalquerschnitts reicht der Dipp-Stick 90 in das erste Segment 42 des Kanalquerschnitts hinein. Der Dipp-Stick 90 weist eine Oberfläche auf, die durch die Flüssigkeit 30 benetzbar ist.
Wenn die Flüssigkeit 30 beim Füllen des ersten Segments 42 des Kanalquerschnitts den Übertrittsbereich 60 erreicht, berührt sie den in das erste Segment 42 hineinreichenden Dipp-Stick 90. Da der Dipp-Stick 90 durch die Flüssigkeit 30 benetzbar ist, benetzt die Flüssigkeit 30 den Dipp-Stick 90 spontan. Die Flüssigkeit 30 kriecht an dem Dipp-Stick entlang zu dem Deckel 22 und dringt damit in das zweite Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 ein. Anders ausgedrückt wird die Flüssigkeit 30 durch den Dipp-Stick 90 in das zweite Segment 44 des Kanalquerschnitts gezogen. Damit wird wie bei anderen oben dargestellten Ausführungsbeispielen ein automatisches Befüllen des zweiten Segments 44 des Kanalquerschnitts eingeleitet.
Abweichend von der Darstellung in 6 muß der Dipp-Stick zur Erfüllung seiner beschriebenen Funktion nicht unbedingt bis in das erste Segment 42 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16 hineinreichen, wenn die Grenzfläche der Flüssigkeit 30 konvex bzw. zu dem zweiten Segment 44 hin gewölbt ist. Wenn die Grenzfläche der Flüssigkeit 30 dem Dipp-Stick 90 aufgrund ihrer Eigenschaften oder der herrschenden Druckverhältnisse auf diese Weise entgegenkommt, kann der Dipp-Stick 90 entsprechend kürzer bzw. niedriger ausfallen. Wenn umgekehrt die Grenzfläche der Flüssigkeit 30 konkav ist, muß der Dipp-Stick 90 entsprechend länger sein.
7 zeigt in einem der Darstellung in 6 entsprechenden schematischen Längsschnitt eine Variante des Dipp-Sticks. Diese unterscheidet sich von dem anhand der 6 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, daß der Dipp-Stick kürzer bzw. niedriger ist. Der Dipp-Stick ist so niedrig, daß er bei den gegebenen Bedingungen, insbesondere der gegebenen Wölbung der Grenzfläche der Flüssigkeit 30 in einem normalen Betriebszustand bzw. in seiner Ruhelage die Flüssigkeit 30 nicht berührt und folglich nicht spontan benetzt wird. Die in 7 dargestellte Variante unterscheidet sich von dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ferner dadurch, daß der Deckel 22 im Übertrittsbereich 60 elastisch oder plastisch verformbar ist. Durch eine äußere Kraft F kann der Dipp-Stick 90 somit in Richtung zu der Grenzfläche der Flüssigkeit 30 verschoben oder bewegt werden. Dabei taucht er in die Flüssigkeit 30 ein. Dieser Zustand ist in 7 durch punktierte Umrißlinien angedeutet Die anhand der 7 dargestellte Variante erleichtert somit ein manuelles oder von außen induziertes Überführen der Flüssigkeit von dem ersten Segment 42 zu dem zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts des Fluidkanals 16.
Der Dipp-Stick 90 dient also dazu das Stadium D (vgl. 1, 4, 5) einzuleiten oder zu unterstützen.
Der Dipp-Stick ist mit allen oben dargestellten Ausführungsbeispielen und deren Merkmalen ohne weiteres kombinierbar. Ein Vorteil des Dipp-Sticks besteht darin, daß er im Gegensatz zu anderen oben dargestellten Ausführungsbeispielen keine besondere Ausgestaltung und insbesondere keine Unterbrechung der Hemmeinrichtung 46 im Übertrittsbereich 60 erforderlich macht. Dieser Vorteil gewinnt vor allem in Fällen große Bedeutung, in denen eine Unterbrechung der Hemmeinrichtung 46 nicht ohne weiteres möglich ist.
Ein Beispiel ist die Ausbildung der nicht benetzbaren Wandabschnitte 72 als offenliegende Flächen einer Schicht aus einem nicht benetzbaren Material, die Teil des Substrats 20 bzw. in diesem vergraben ist und durch die den Fluidkanal 16 bildende Nut angeschnitten ist. Ein anderes Beispiel ist die Ausbildung der Stufe 70 durch Ätzen des ersten Kanalabschnitts und des zweiten Kanalabschnitts mit zwei verschiedenen Ätzmasken nacheinander. Dabei ist eine perfekte Deckung der Wände von erstem und zweitem Kanalabschnitt aufgrund unvermeidlicher Ungenauigkeiten schwer erzielbar. Ohne besondere Maßnahmen wird deshalb in der Regel eine Stufe 70 zwischen den beiden Kanalabschnitten bzw. zwischen den Segmenten 42, 44 des Kanalquerschnitts stehenbleiben. Ein kontinuierlicher Übergang zwischen dem ersten Segment 42 und dem zweiten Segment 44 des Kanalquerschnitts im Übertrittsbereich 60 ist deshalb nicht ohne weiteres erzielbar. Hier schafft der Dipp-Stick eine Art Bypass für die spontane Benetzung des zweiten Segments 44 des Kanalquerschnitts, der eine ggf. auch im Übertrittsbereich 60 zurückgebliebene Stufe 70 in der Wand umgeht.
Der Übertrittsbereich 60 kann, wie ebenfalls oben bereits anhand der 5 ausgeführt wurde, ein Bereich mit reduziertem kapillarem Rückhaltedruck bezüglich des Transfers der Flüssigkeit 30 zwischen dem ersten Segment und dem zweiten Segment sein, wobei ein extern initiierter Druckpuls den reduzierten kapillaren Rückhaltedruck überwindet und so einen Übertritt der Flüssigkeit 30 vom ersten Segment 42 zum zweiten Segment 44 auslöst.
8 ist eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch einen Fluidkanal 16 gemäß einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung. Der Fluidkanal 16 entspricht einem beliebigen der Fluidkanäle aus den oben dargestellten Ausführungsbeispielen. Als Beispiel ist ein Fluidkanal 16 dargestellt, der als Hemmeinrichtung 46 eine Stufe 70 aufweist. Der Fluidkanal 16 unterscheidet sich von den bisher dargestellten Ausführungsbeispielen dadurch, daß er im Übertrittsbereich 60 eine kleine Öffnung 92, beispielsweise eine Düse aufweist. Diese Düse 92 ist beispielhaft als vertikales Durchgangsloch im Substrat 20 dargestellt. Der Fluidkanal 16 ist somit an seinem von der Öffnung 24 abgewandten Ende 26' nicht in der Weise vollständig abgeschlossen, wie es bei den oben dargestellten Ausführungsbeispielen der Fall ist.
Es ist erkennbar, daß beim Befüllen des Fluidkanals 16 mit der Flüssigkeit 30 der vordere Abschnitt 54 der Grenzfläche der Flüssigkeit 30 die Düse 92 überschreitet bevor der Übertrittsbereich 60 vollständig von der Flüssigkeit erfüllt ist. Die in 8 dargestellte Variante ist somit ein Beispiel für einen Fluidkanal 16, der zwar an beiden Enden Öffnungen 24, 92 aufweist, der jedoch herkömmlich trotzdem nicht ohne Einschluß eines Restvolumens des den Fluidkanal ursprünglich erfüllenden Fluids befüllbar ist.
Die obigen Ausführungsbeispiele sind in zahlreichen Merkmalen und Eigenschaften variierbar. Beispielsweise kann der Fluidkanal 16 abweichend von den Darstellungen in den Figuren einen entlang seiner Länge und insbesondere auch außerhalb des Übertrittsbereichs 60 nicht konstanten Kanalquerschnitt aufweisen. Das erste Segment 42 und das zweite Segment 44 des Kanalquerschnitts können entlang des Fluidkanals 16 variierende Anteile am Kanalquerschnitt haben. Der Fluidkanal 16 kann eine von den Darstellungen in den Figuren abweichende nicht-lineare, beispielsweise gekrümmte oder gewinkelte Form aufweisen. Die tatsächliche Form der Oberflächen des Fluidkanals 16 kann von den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen abweichen. Die Hemmeinrichtung 46 kann andere Oberflächenstrukturen als die Stufe 70 oder andere Wandabschnitte mit anderen chemischen oder physikalischen Eigenschaften aufweisen als die oben beschriebenen Wandabschnitte 72.
Ferner ist die vorliegende Erfindung auch für Fälle geeignet, in denen ein Befüllen des Fluidkanals nicht oder nicht schnell genug allein aufgrund und durch Wirkung von Kapillarkräften erfolgt. Ein Befüllen des Fluidkanals kann beispielsweise durch ein Partikel gehemmt werden, das versehentlich bzw. ungewollt im Fluidkanal angeordnet ist. Ferner kann eine erwünschte Eigenschaft eines Fluidkanals, beispielsweise ein Knick oder eine stufenartige Änderung seines Kanalquerschnitts, ein Befüllen alleine durch Wirkung von Kapillarkräften hemmen oder ganz vereiteln. Ferner kann beispielsweise ein Rückstand einer bei oder am Ende der Herstellung des Fluidkanals verwendeten Reinigungsflüssigkeit ein Füllen des Fluidkanals alleine durch Wirkung von Kapillarkräften hemmen oder verhindern.
In all diesen Fällen wird vorzugsweise auf die in den Fluidkanal zu füllende Flüssigkeit ein zusätzlicher Druck ausgeübt, wodurch die Hemmung des Füllens überwunden wird. Der zusätzliche Druck wird dabei vorteilhaft so gewählt, daß trotzdem noch kein Übertritt der Flüssigkeit vom ersten zum zweiten Segment des Kanalquerschnitts des Fluidkanals außerhalb des Übertrittsbereichs zur Folge hat. Dies bedeutet insbesondere, daß eine durch den zusätzlichen Druck bewirkte oder verstärkte konvexe Verformung der Grenzfläche der Flüssigkeit außerhalb des Übertrittsbereichs noch keine Berührung der Grenzfläche der Flüssigkeit mit einer Wand im zweiten Segment des Kanalquerschnitts hervorrufen darf. Ferner darf durch den zusätzlichen Druck die Hemmwirkung der Hemmeinrichtung für eine Bewegung des Randes der Grenzfläche der Flüssigkeit in einer Richtung senkrecht zu der Hemmeinrichtung und senkrecht zu dem Rand nicht überwunden werden.

Claims

Fluidkanal (16), der durch Wirkung von Kapillarkräften oder eines ausgeübten Drucks mit einer Flüssigkeit (30) befüllbar ist, mit folgenden Merkmalen: einem ersten offenen Ende und einem zweiten Ende; einem Kanalquerschnitt, der zumindest ein erstes Segment (42) und ein zweites Segment (44) aufweist, die bezüglich zueinander offen sind, in denen jeweils ein durch Kapillarkräfte oder einen ausgeübten Druck getriebener Flüssigkeitstransport möglich ist; einer Hemmeinrichtung (46; 70; 72) in einem Bereich, in dem das erste Segment (42) und das zweite Segment (44) aneinandergrenzen, zum Hemmen eines durch Kapillarkräfte oder einen ausgeübten Druck bewirkten Übertritts der Flüssigkeit (30) von dem ersten Segment (42) zu dem zweiten Segment (44); und einem Übertrittsbereich (60), in dem ein Übertritt der Flüssigkeit (30) von dem ersten Segment (42) zu dem zweiten Segment (44) möglich ist, wobei der Übertrittsbereich an dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei sich das erste und das zweite Segment des Kanalquerschnitts von dem ersten Ende zu dem Übertrittsbereich erstrecken.
Fluidkanal (16) nach Anspruch 1, bei dem die Hemmeinrichtung (46; 70; 72) im Übertrittsbereich (60) nicht ausgebildet ist.
Fluidkanal nach Anspruch 1, bei dem die Hemmeinrichtung (46; 70; 72) auch im Übertrittsbereich (60) angeordnet ist.
Fluidkanal (16) nach Anspruch 3, bei dem die Hemmeinrichtung (46; 70; 72) im Übertrittsbereich (60) eine geringere Hemmwirkung aufweist als außerhalb des Übertrittsbereichs (60).
Fluidkanal (16) nach Anspruch 3 oder 4, bei dem das zweite Segment (42) des Kanalquerschnitts eine Höhe aufweist, die parallel zu einer Richtung von dem ersten Segment (42) zu dem zweiten Segment (44) gemessen wird, und die im Übertrittbereich (60) kleiner als außerhalb des Übertrittsbereichs (60) ist.
Fluidkanal (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Kanalquerschnitt eine Breite aufweist, die senkrecht zu einer Richtung von dem ersten Segment (42) zu dem zweiten Segment (44) gemessen wird, und die im Übertrittsbereich (60) größer als außerhalb des Übertrittsbereichs (60) ist.
Fluidkanal (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das erste Segment (42) und das zweite Segment (44) des Kanalquerschnitts im Übertrittsbereich (60) zumindest an einer Stelle bündig ineinander übergehen.
Fluidkanal (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das erste Segment (42) und das zweite Segment (44) des Kanalquerschnitts im Übertrittsbereich (60) die gleiche senkrecht zu der Richtung zwischen dem ersten Segment (42) und dem zweiten Segment (44) gemessene Breite aufweisen.
Fluidkanal (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Kanalquerschnitt eine Höhe aufweist, die parallel zu einer Richtung von dem ersten Segment (42) zu dem zweiten Segment (44) gemessen wird, und die im Übertrittsbereich (60) kleiner als außerhalb des Übertrittsbereichs (60) ist.
Fluidkanal (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Kanalquerschnitt im Übertrittsbereich (60) durch eine äußere Kraft verformbar ist.
Fluidkanal (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Hemmeinrichtung eine Stufe (70) zwischen dem ersten Segment (42) und dem zweiten, Segment (44) aufweist.
Fluidkanal (16) nach Anspruch 11, bei dem die Stufe (70) im Übertrittsbereich (60) schmäler ist als außerhalb des Übertrittsbereichs (60).
Fluidkanal (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem ein erster Wandabschnitt der Wand des Fluidkanals (16) im ersten Segment (42) und ein zweiter Wandabschnitt der Wand des Fluidkanals (16) im zweiten Segment (44) angeordnet sind, bei dem die Hemmeinrichtung einen dritten Wandabschnitt (72), der zwischen dem ersten Wandabschnitt und dem zweiten Wandabschnitt angeordnet ist, umfaßt, und bei dem der erste und der zweite Wandabschnitt durch die Flüssigkeit (30) benetzbar und der dritte Wandabschnitt (72) durch die Flüssigkeit (30) nicht benetzbar sind.
Fluidkanal (16) nach Anspruch 13, bei dem der dritte Wandabschnitt (72) im Übertrittsbereich (60) eine geringere Breite aufweist als außerhalb des Übertrittsbereichs (60).
Fluidkanal (16) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner mit einer konvexen Einrichtung (90), die im Übertrittsbereich (60) an einer Wandung (22) im zweiten Segment (44) des Kanalquerschnitts des Fluidkanals (16) angeordnet ist, in das erste Segment (42) des Kanalquerschnitts des Fluidkanals (16) hineinreicht oder sich in Richtung zu dem ersten Segment (42) des Kanalquerschnitts des Fluidkanals (16) hin erstreckt und durch die Flüssigkeit (30) benetzbar ist.
Verfahren zum Füllen eines Fluidkanals (16) mit einer Flüssigkeit (30) durch Wirkung von Kapillarkräften oder durch Wirkung eines ausgeübten Drucks, mit folgenden Schritten: Verwenden eines Fluidkanals mit den Merkmalen des Anspruchs 1 Füllen (B) des ersten Segments (42) des Kanalquerschnitts des Fluidkanals (16) mit der Flüssigkeit (30) durch Wirkung von Kapillarkräften oder durch Wirkung eines ausgeübten Drucks; Überführen (D, D', D'') der Flüssigkeit (30) von dem ersten Segment (42) zu dem zweiten Segment (44) des Kanalquerschnitts in einem Übertrittsbereich (60) nach dem Füllen des ersten Segments (42); und Füllen (E) des zweiten Segments (44) des Kanalquerschnitts und des Fluidkanals (16) mit der Flüssigkeit (30) durch Wirkung von Kapillarkräften oder durch Wirkung eines ausgeübten Drucks nach dem. Überführen (D) der Flüssigkeit (30) von dem ersten Segment (42) zu dem zweiten Segment (44), wobei der Schritt des Überführens einen Schritt (D') des Verformens des Kanalquerschnitts in dem Übertrittsbereich (60) oder einen Schritt des Anlegens (D'') eines Druckpulses an die Flüssigkeit (30) umfaßt.