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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich allgemein auf die Fertigung von Mikrofluidik-Sondenköpfen und die resultierenden Einheiten. Im Besonderen bezieht sie sich auf die Fertigung von vertikalen Mikrofluidik-Sondenköpfen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Mikrofluidik bezieht sich allgemein auf mikrogefertigte Einheiten, die zum Pumpen, Beproben, Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten verwendet werden. Hervorstechende Merkmale davon haben ihren Ursprung in dem besonderen Verhalten, das Flüssigkeiten im Bereich von Mikrometerlängen zeigen. Ein Strom von Flüssigkeiten kann in der Mikrofluidik üblicherweise laminar sein. Durch Fertigen von Strukturen mit seitlichen Abmessungen im Mikrometerbereich können Volumina von weit unter einem Nanoliter erzielt werden. Reaktionen, die bei großen Maßstäben begrenzt sind (durch Diffusion von Reaktanten), können auf diese Weise beschleunigt werden. Dementsprechend wird Mikrofluidik für verschiedene Anwendungen verwendet.
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Viele Mikrofluideinheiten weisen Benutzer-Chip-Schnittstellen und geschlossene Strömungswege auf. Geschlossene Strömungswege vereinfachen die Integration von Funktionselementen (z.B. Heizgeräten, Mischgeräten, Pumpen, UV-Detektoren, Ventilen usw.) in eine Einheit und vermindern gleichzeitig Probleme im Zusammenhang mit Leckstellen und Verdampfung.
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Ein neues und vielseitiges Konzept von MFP wurde kürzlich vorgestellt: die vertikale MFP (in der Literatur auch als vMFP bezeichnet), siehe G. Kaigala et al., Langmuir, 27 (9), S. 5.686 bis 5.693 ff., 2011 (http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/la2003639). Vertikale MFP-Köpfe weisen mikrofluidische Elemente auf, die in einer Ebene mit einer Basisschicht gefertigt sind. Solche Köpfe sind im Betrieb vertikal ausgerichtet, wobei sich der Scheitelpunkt des Kopfes (die Bearbeitungsfläche) parallel zu der bearbeiteten Fläche befindet.
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Die
DE 11 2011 103 579 T5 offenbart einen Mikrofluidik-Sondenkopf mit einer Basisschicht, aufweisend: wenigstens zwei Arbeitsflüssigkeit-Mikrokanäle in Fluidverbindung mit einer Arbeitsflüssigkeit-Öffnung an einer Seite der Basisschicht; und einen Immersionsflüssigkeit-Mikrokanal in Fluidverbindung mit einer Immersionsflüssigkeit-Öffnung an einer Seite der Basisschicht, wobei der Mikrofluidik-Sondenkopf dafür gestaltet ist, in Verwendung ein Mischen von Arbeitsflüssigkeit, die durch die Arbeitsflüssigkeit-Öffnung bereitgestellt wird, mit Immersionsflüssigkeit, die durch die Immersionsflüssigkeit-Öffnung bereitgestellt wird, zu erlauben. Eine zusätzliche Schicht kann bereitgestellt werden, um die Mikrokanäle abzuschließen. Der Kopf kann ferner mit Schläuchen verbunden werden, beispielsweise unter Verwendung von Standardkupplungen für Schlauchanschlüsse.
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Die US 2008 / 0 014 576 A1 offenbart Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden von Mikrochips mit verschiedenen Arten von Modulen. Die offenbarte Technologie kann als Probenvorbereitungs- und Analysesysteme für verschiedene Anwendungen verwendet werden, wie beispielsweise DNA-Sequenzierung und Genotypisierung, Proteomik, Pathogen nachweis, Diagnostik und Biodefense.
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Die
JP 2008 -
238 097 A offenbart eine Mikrokanalstruktur mit einem Anschluss zum Einleiten eines Fluids, Mikrokanälen zum Erzeugen feiner Partikel aus dem Fluid und einem Anschluss zum Ableiten des Fluids, das die erzeugten feinen Partikel enthält. Die Mikrokanalstruktur besteht aus einer Fluidzufuhrstruktur zum Zuführen des Fluids zu den Mikrokanälen, einem Substrat für die Mikrokanäle mit Mikrokanälen sowie einer Platte, die zwischen der Fluidzufuhrstruktur und dem Substrat für die Mikrokanäle angeordnet ist. In einer Implementierung sind mehrere identische Mikrokanal-Layouts ringförmig um eine zentrale Bohrung durch das Substrat angeordnet.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die vorliegende Erfindung als Verfahren zum Fertigen von Mikrofluidik-Sondenköpfen verkörpert, wobei das Verfahren aufweist:
- Bereitstellen eines Satzes von n Layouts von Mikrofluidik-Sondenköpfen auf einem selben zweischichtigen Substrat, das zwei Schichten aufweist, wobei die Layouts ringförmig auf diesem zweischichtigen Substrat verteilt sind und wobei jedes der Layouts aufweist:
- eine erste Schicht, die einem Abschnitt einer der beiden Schichten des zweischichtigen Substrats entspricht; und
- eine zweite Schicht, die
- einem Abschnitt einer anderen der beiden Schichten des zweischichtigen Substrats entspricht; und
- zumindest einen Mikrokanal aufweist, der durch eine Nut definiert wird, die auf einer oberen Fläche der zweiten Schicht geöffnet ist und durch einen Abschnitt einer unteren Fläche der ersten Schicht verschlossen ist;
- Herausarbeiten eines Lochs im Wesentlichen in der Mitte des zweischichtigen Substrats so, dass eine Zylinderwand hergestellt wird, die das Loch begrenzt und jeden des zumindest einen Mikrokanals der Layouts unterbricht, sodass sich der zumindest eine Mikrokanal jedes der Layouts bis zu zumindest einer jeweiligen Öffnung erstreckt, die an einem Ende der Nut auf der Ebene der Zylinderwand ausgebildet ist; und
- Vereinzeln jedes der n Layouts so, dass n Mikrofluidik-Sondenköpfe gewonnen werden.
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Bei Ausführungsformen weist das Verfahren des Weiteren vor dem Vereinzeln einen Schritt zum Polieren der Zylinderwand auf.
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Bevorzugt weist das Verfahren des Weiteren auf: vor dem Herausarbeiten einen Schritt zum Füllen der Mikrokanäle der Sondenkopf-Layouts mit einem verformbaren Material wie zum Beispiel einem Material, das Wachs, ein Polymer oder einen Photolack aufweist; und Entfernen das verformbaren Materials nach dem Herausarbeiten, wobei das Entfernen des verformbaren Materials bevorzugt nach einem Schritt zum Polieren der Zylinderwand und bevorzugter nach dem Vereinzeln jedes der n Layouts ausgeführt wird.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen weist das Verfahren des Weiteren vor dem Bereitstellen der Layouts ein Fertigen des Satzes von n Layouts von Mikrofluidik-Sondenköpfen auf, das ein Auskehlen des zumindest einen Mikrokanals jedes der n Layouts auf der oberen Fläche der anderen der beiden Schichten aufweist.
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Bevorzugt wird das Auskehlen der Mikrokanäle durch Mikrofertigung wie zum Beispiel mithilfe von Photolithographie oder Mikrobearbeitung ausgeführt und weist bevorzugt einen Schritt zum Nass- oder Trockenätzen jedes Mikrokanals auf.
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Bei Ausführungsformen weist das Verfahren des Weiteren einen Schritt zum Ausrichten und Verbinden der beiden Schichten nach dem Auskehlen jedes Mikrokanals auf.
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Bevorzugt weist das Fertigen des Weiteren für jedes der n Layouts ein Herausarbeiten zumindest einer Durchlassverbindung auf, die senkrecht mit dem zumindest einen Mikrokanal verbunden ist, wobei die zumindest eine Durchlassverbindung bevorzugt durch die andere der beiden Schichten herausgearbeitet wird.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen: weist jede der beiden Schichten im Wesentlichen eine Scheibenform auf; die eine der beiden Schichten des zweischichtigen Substrats: weist einen kleineren mittleren Durchmesser als die andere der beiden Schichten des zweischichtigen Substrats auf und ist im Hinblick auf diese so ausgerichtet, dass ein äußerer Abschnitt der anderen der beiden Schichten verbleibt, der nicht durch die eine der beiden Schichten bedeckt ist, und das Verfahren weist des Weiteren vor dem Bereitstellen des Satzes von Layouts von Mikrofluidik-Sondenköpfen auf demselben zweischichtigen Substrat bevorzugt auf:
- ein zumindest teilweises Metallisieren der anderen der beiden Schichten so, dass zumindest der äußere Abschnitt der anderen der beiden Schichten metallisiert wird.
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Bevorzugt weist das Verfahren des Weiteren auf: vor dem Herausarbeiten Bereitstellen mehrerer Sätze von Sondenkopf-Layouts auf jeweiligen zweischichtigen Substraten; und Übereinanderlegen der jeweiligen zweischichtigen Substrate, wobei der Schritt des Herausarbeitens ein Herausarbeiten eines Lochs im Wesentlichen in der Mitte der übereinandergelegten zweischichtigen Substrate durch sämtliche übereinandergelegten Substrate so aufweist, dass Lochzylinderwände hergestellt werden, die jeden des zumindest einen Mikrokanals der Layouts in jedem der übereinandergelegten zweischichtigen Substrate unterbrechen, und wobei das Verfahren des Weiteren bevorzugt ein Polieren der resultierenden Lochzylinderwände aufweist.
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Bei Ausführungsformen weist das Bereitstellen ein Bereitstellen zumindest zweier konzentrischer, ringförmiger Sätze auf einem selben zweischichtigen Substrat auf, die einen inneren Satz und einen äußeren Satz aufweisen, wobei der innere Satz und der äußere Satz jeweils Sondenkopf-Layouts aufweisen, die ringförmig in ihrem jeweiligen Satz verteilt sind, wobei das Verfahren zwei Schritte zum Herausarbeiten eines Lochs aufweist, wobei: ein erstes Loch so herausgearbeitet wird, dass eine erste Zylinderwand hergestellt wird, die Mikrokanäle des inneren Satzes unterbricht, und ein zweites Loch durch Trennen eines Abschnitts des zweischichtigen Substrats, der den inneren Satz aufweist, so von einem verbleibenden Abschnitt des zweischichtigen Substrats herausgearbeitet wird, dass eine zweite Zylinderwand hergestellt wird, die Mikrokanäle des äußeren Satzes unterbricht.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Erfindung als Mikrofluidik-Sondenkopf verkörpert, der gemäß einem Verfahren gemäß einer beliebigen der obigen Ausführungsformen gewonnen wird, wobei der Kopf aufweist: eine erste Schicht; und eine zweite Schicht, die aufweist: zumindest einen Mikrokanal, der durch eine Nut definiert wird, die auf einer oberen Fläche der zweiten Schicht geöffnet ist und durch einen Abschnitt einer untere Fläche der ersten Schicht verschlossen ist; und zumindest eine Öffnung an einem Ende des zumindest einen Mikrokanals auf der Ebene einer Kante der zweiten Schicht, wobei die Kante einen Teil einer Bearbeitungsfläche des Kopfes definiert.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen ist bei dem Fertigungsverfahren des Mikrofluidik-Sondenkopfes zumindest ein Teil der Bearbeitungsfläche aufgrund des Herausarbeitens des Lochs konkav.
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Bevorzugt weist der Mikrofluidik-Sondenkopf des Weiteren zwei Seitenkantenabschnitte in einem Winkel von 2 π/n ± π/10 und bevorzugt in einem Winkel von 2 π/n ± π/20 auf.
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Bei Ausführungsformen weist der Mikrofluidik-Sondenkopf des Weiteren zumindest zwei Mikrokanäle auf und weist bevorzugt des Weiteren zumindest zwei Durchlassverbindungen auf, die jeweils senkrecht mit den zumindest zwei Mikrokanälen verbunden sind.
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Bevorzugt ist ein äußerer Abschnitt gegenüber der Kante metallisiert, die die Bearbeitungsfläche des Kopfes definiert.
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Einheiten und Verfahren, die die vorliegende Erfindung verkörpern, werden nun mithilfe von nicht beschränkenden Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Technische Merkmale, die in den Zeichnungen dargestellt werden, sind nicht zwingend maßstabsgetreu.
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Figurenliste
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- 1 stellt verschiedene Schritte schematisch dar, die Teil eines Verfahrens zum Fertigen von Mikrofluidik-Sondenköpfen gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind;
- 2 ist ein Ablaufplan, der Schritte eines Verfahrens zum Fertigen von Mikrofluidik-Sondenköpfen gemäß Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht;
- 3 veranschaulicht schematisch Layouts von Mikrofluidik-Sondenköpfen auf einem selben zweischichtigen Substrat, wie sie Teil von Ausführungsformen der Erfindung sind;
- 4 veranschaulicht eine Variante von 3;
- 5 stellt geometrische Vorgaben für Layouts dar, wie sie in 3 dargestellt werden, wie sie Teil von Ausführungsformen sind;
- 6 veranschaulicht schematisch Schritte in einem Fertigungsverfahren gemäß Ausführungsformen mithilfe zweier konzentrischer, ringförmiger Sätze von Layouts;
- 7 veranschaulicht schematisch Schritte in einem Fertigungsverfahren gemäß Ausführungsformen, wobei mehrere zweischichtige Substrate vor einem Herausarbeiten eines mittigen Lochs übereinandergelegt werden;
- 8 ist eine 3D-Ansicht einer vereinfachten Darstellung eines Mikrofluidik-Sondenkopfes gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und
- 9 veranschaulicht eine Oberflächenbearbeitung durch einen Mikrofluidik-Sondenkopf (2D-Ansicht, vereinfachte Darstellung) gemäß Ausführungsformen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Wie in der Einleitung dargestellt, bieten vertikale MFP-Köpfe mehrere Vorteile. Solche Köpfe werden mikrogefertigt. Zumindest einige der Fertigungsschritte (einschließlich des Polierens) müssen entweder einzeln (d.h. für jede Einheit wiederholt) oder in Gruppen von 3 bis 4 Köpfen durchgeführt werden. Es ist zu erkennen, dass es sich bei solchen Fertigungsschritten um die beschränkenden Schritte bei der Massenfertigung der MFP-Köpfe handelt. Das Polieren der Köpfe (und allgemeiner die Aufbereitung der Bearbeitungsfläche des Kopfes) ist besonders arbeitsaufwendig und trägt daher erheblich zu den Fertigungskosten bei. Darüber hinaus gibt es Probleme mit der Ausbeute (z.B. Polieren in zu geringem oder zu großem Umfang), Polierwerkzeuge haben einen erheblichen Platzbedarf und sind kostspielig. Schließlich kann eine Fehlausrichtung der Köpfe während des Polierens zu unterschiedlichen Größen der Scheitelpunkte führen. Die vorliegende Erfindung löst zumindest einige dieser Probleme (einige Ausführungsformen behandeln alle diese Probleme) durch Einführen eines neuen Fertigungskonzepts, das sich auf ringförmig verteilte MFP-Kopf-Layouts stützt. Dieser Ansatz steht im Gegensatz zu den Ansätzen, die bisher für vMFP-Layouts bekannt sind, bei denen Köpfe aus zweidimensionalen Arrays von Kopf-Layouts zerteilt werden.
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Genauer gesagt und unter Bezugnahme auf 1, 2 und 6, 7 und 8 zusammen, wird zuerst ein Aspekt der Erfindung beschrieben, der ein Verfahren zum Fertigen von Mikrofluidik-Sondenköpfen (im Folgenden als MFPs bezeichnet) 100 betrifft.
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Ganz allgemein erfordert dieses neue Fertigungskonzept einen Satz von n MFP-Layouts 14, die auf einem selben zweischichtigen Substrat 10 angeordnet sind. Dieses zweischichtige Substrat weist zumindest zwei Schichten 11, 12 auf.
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Die Layouts 14 sind ringförmig auf dem zweischichtigen Substrat 10 verteilt. Genauer gesagt, jedes Layout 14 weist auf:
- • eine erste Schicht 110, d.h. einen Abschnitt von einer 11 der Schichten 11, 12, die das zweischichtige Substrat 10 ausbilden; und
- • eine zweite Schicht 120, die einem Abschnitt einer anderen dieser Schichten 11, 12 entspricht.
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Zur Verdeutlichung: Es wird zwischen den Schichtabschnitten 110, 120 unterschieden, die einem einzelnen Layout 14 (oder letzten Endes einem MFP-Kopf 100) entsprechen, wohingegen es sich bei den Schichten 11, 12 um diejenigen größeren Schichten handelt, die ursprünglich das zweischichtige Substrat 10 ausbilden, das für die Fertigung der MFP-Köpfe verwendet wird.
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Mit dem zweischichtigen Substrat ist ein beliebiges geeignetes Substrat gemeint, das zumindest zwei Schichten 11, 12 aufweist. Bei der ersten und der zweiten Schicht 11, 12 kann es sich jeweils besonders praktisch um eine Scheibe handeln, z.B. eine Wafer-Scheibe. Die Schichten 11, 12 müssen jedoch nicht kreisförmig sein: Es ist lediglich eine ringförmige Verteilung der Layouts 14 erforderlich. Die beiden Schichten 11, 12 können aus einem selben Material hergestellt sein. Bevorzugte Materialien sind Glas oder Silicium. Die Materialien der Schichten 11, 12 können jedoch (bei einer beliebigen der Schichten) beinhalten: Kunststoff, Keramik, Metall und/oder ein beliebiges sonstiges hartes Material, das mit den vorliegenden Fertigungsverfahren vereinbar ist.
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Auf der Ebene eines Layouts 14 sind üblicherweise auf einer Schicht (z.B. der zweiten Schicht 120) die meisten der mikrofluidischen Elemente (Mikrokanäle, Durchlassverbindungen usw.) strukturiert. Genau genommen weist sie zumindest einen Mikrokanal 123, 124 auf, wenngleich im Folgenden beschriebene Ausführungsformen unbeschadet des zuvor Gesagten überwiegend zwei Mikrokanäle 123, 124 aufweisen. Ein Mikrokanal ist durch eine Nut definiert, die auf einer oberen Fläche 120u der Schicht 120 geöffnet ist. Die Nut ist durch einen Abschnitt der unteren Fläche 1101 der anderen Schicht verschlossen, die hier als die „erste“ Schicht 110 angenommen wird (siehe 8).
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Aufgrund der ringförmigen Verteilung (oder Ringanordnung) der Layouts sind eines oder mehrere der Funktionselemente jedes der n Layouts 14 (z.B. Mikrokanäle, Durchlassverbindungen usw.) üblicherweise bei einer Drehung von 2 π/n im Hinblick auf eine Quersymmetrieachse unveränderlich, die durch die Mitte der ringförmigen Form verläuft, die durch die Layouts 14 definiert wird. Folglich kann das Substrat 10 bei einer Drehung von 2 π/n unveränderlich sein, zumindest was diese Funktionselemente betrifft. Dies ist selbstverständlich möglicherweise nicht mehr der Fall, wenn auf einem selben Substrat 10a verschiedene Layouts bereitgestellt werden, wie in 4 veranschaulicht.
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Üblicherweise können mehr als 6, 12 oder sogar 24 Layouts auf einem selben zweischichtigen Substrat 10 bereitgestellt werden. Aus Gründen der Ausbeute wird versucht, die Anzahl n von Layouts so weit wie möglich zu erhöhen, z.B. n = 36, 48 oder 72. Bevorzugte Anzahlen von Layouts hängen von der Substratgröße, der Komplexität der Layouts (die von den in Betracht gezogenen Anwendungen abhängt) ab. Nichtsdestotrotz können die hier erörterten Fertigungsverfahren im Prinzip mit einer beliebigen Anzahl n ≥ 2 von Layouts umgesetzt werden (z. B. n ≥ 3, 4, 5, 7, ...).
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Ein wichtiger Schritt der vorliegenden Fertigungsverfahren ist das Herausarbeiten eines Lochs 16 (siehe Schritt S20 in 1 oder 2) im Wesentlichen in der Mitte des zweischichtigen Substrats 10. Durch Herausarbeiten des Lochs wird eine Zylinderwand 18 hergestellt (die das Loch begrenzt). Die Layouts und das Loch sind so konstruiert, dass die Zylinderwand 18 relevante Mikrokanäle der Layouts 14 unterbricht. D.h. es wird eine Öffnung am Ende jedes dieser Mikrokanäle hergestellt. Folglich erstrecken sich nun die Mikrokanäle 123, 124 bis zu den jeweiligen Öffnungen 121, 122 (die beim Herausarbeiten des Lochs 16 ausgebildet werden) auf der Ebene der Zylinderwand 18, wie am besten in 1, 3 und 8 zu sehen ist.
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Das Herausarbeiten des Lochs 16 kann Bohren, Fräsen, Schneiden usw. beinhalten. Es kann des Weiteren einen Drehzylinder, einen Laser, einen Wasserstrahl, Ätzen usw. beinhalten. Es ist zu beachten, dass bei Ausführungsformen, bei denen konzentrische Layouts verwendet werden (siehe 6), dieselbe Technik zum Herausarbeiten des Lochs in dem ersten (inneren) ringförmigen Ring (Schritt S20i in 6) und zum Ausschneiden des inneren Rings verwendet werden kann, um den zweiten (äußeren Ring) zu gewinnen. Bei Varianten können verschiedene Techniken zum Herausarbeiten eines Lochs verwendet werden, um die beiden Ringe zu gewinnen. Die Ausführungsform von 6 wird im Folgenden ausführlich erörtert.
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Schließlich und wie in 1 veranschaulicht, wird jedes der n Layouts vereinzelt (Schritt S30 in 1, 2), um dementsprechend n MFP-Köpfe 100 zu gewinnen. Wie einem Fachmann ersichtlich ist, könnte die radiale Trennung mit einem Zerteilen, Spalten oder Vereinzeln der Layouts 14 einhergehen, indem vorgefertigte, vorgestanzte Linien usw. genutzt werden. 3 stellt ein Muster von Zerteilungs- oder Schnittlinien (gepunktete Linien) dar, die üblicherweise in dem vorliegenden Zusammenhang verwendet werden können.
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Diese hierin erörterten Fertigungsverfahren ermöglichen ein Bearbeiten der Bearbeitungsflächen der MFP-Köpfe auf Wafer-Ebene und lösen dadurch einige der zuvor genannten Probleme bei der Fertigung von vMFP-Köpfen. Mit den vorliegenden Fertigungsverfahren können die Bearbeitungsflächen 310, 320 mehrerer Köpfe (üblicherweise zahlreicher) in einem einzigen Schritt gewonnen werden.
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Im Besonderen sind die Köpfe auf dem Wafer in einer solchen Weise angeordnet, dass vor dem Vereinzeln der Köpfe ein Polieren sämtlicher Köpfe in einem einzigen Schritt durchgeführt werden kann (Polieren auf Wafer-Ebene). In dieser Hinsicht können Ausführungsformen der vorliegenden Fertigungsverfahren des Weiteren vor dem Vereinzeln einen Schritt zum Polieren (S24 in 1, 2) der Zylinderwand 18 aufweisen. Nichtsdestotrotz kann das Polieren zusammen mit dem Herausarbeiten des Lochs 16 oder währenddessen durchgeführt werden. Abhängig von der Technik, die zum Herausarbeiten des Lochs 16 verwendet wird, kann ein zusätzlicher, eigener Schritt zum Polieren tatsächlich überflüssig sein. Auf diese Weise kann das Polieren mit dem Schritt zum Herausarbeiten einhergehen. Das Polieren muss jedoch nicht zwingend mechanische Poliermittel beinhalten. Stattdessen können Mittel wie zum Beispiel Hochdruck-Wasserstrahlschneiden eingesetzt werden. In allen Fällen können die Schritte zum Herausarbeiten und/oder Polieren ermöglichen, dass eine reine Bearbeitungsfläche 310, 320 für die resultierenden MFP-Köpfe 100 gewonnen wird, die eine geringe Oberflächenrauheit aufweist und gut für typische vMFP-Anwendungen geeignet ist.
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Zweckmäßigerweise können vorliegende Fertigungsverfahren des Weiteren vor dem Herausarbeiten einen Schritt zum Füllen S18 von Mikrokanälen der Layouts mit einem verformbaren Material aufweisen, sodass die Mikrokanäle während der nachfolgenden Fertigungsschritte, im Besonderen während des Herausarbeitens S20 des Lochs 16, geschützt werden. In ähnlicher Weise können sonstige mikrofluidische Elemente der Layouts mit einem verformbaren Material gefüllt werden. Dieses Material kann später entfernt werden S40 (nach Schritt S20 oder später). Das verformbare Material wird bevorzugt nach dem Polieren S24 entfernt, wenn überhaupt. Bevorzugter wird es nur nach dem Vereinzeln S30 entfernt, sodass die mikrofluidischen Elemente auch während des Vereinzelns geschützt werden.
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Mit dem verformbaren Material ist ein beliebiges Material gemeint, das dazu verwendet werden kann, die mikrofluidischen Elemente zum Schutz zu füllen und zuzusetzen. Üblicherweise kann dieses verformbare Material entfernt werden, indem es erwärmt und geschmolzen wird, worauf ein geeignetes Reinigen und Spülen der mikrofluidischen Elemente folgt. Ein solches Material kann Wachs, einen Photolack oder allgemeiner ein oder mehrere Polymere aufweisen.
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Photolacke sind insofern vorteilhaft, als sie ermöglichen, die Kanäle durch Belichten zu reinigen, um die Vernetzung des Photolacks aufzuheben und ihn dadurch sehr stark löslich zu machen, wodurch ein einfaches nachfolgendes Entfernen ermöglicht wird. Das verformbare Material sollte bevorzugt nicht in Flüssigkeiten löslich sein, die üblicherweise bei Zerteilungsvorgängen verwendet werden (z.B. könnte Wasser zum Kühlen des Substrats 10 und der Köpfe verwendet werden). Photolacke sind sehr rein und gefiltert; es ist unwahrscheinlich, dass sie jegliche Feststoffe hinterlassen. Allgemeiner gesagt, können sich lichtempfindliche Materialien als vorteilhaft erweisen.
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Ansonsten kann ein Niedertemperaturwachs (ca. 60 bis 80 °C) dazu verwendet werden, die Kanäle zu füllen und zuzusetzen. Nach dem Herausarbeiten des Lochs kann das Wachs erwärmt und anschließend mithilfe eines Vakuums entfernt werden. Es kann auch z.B. mithilfe von Heptan gelöst werden. Jedes reine Niedertemperaturwachs mit einer geringen Viskosität (z.B. bei 80 °C) könnte potenziell für den vorliegenden Zweck geeignet sein.
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Bei Varianten können auch andere Polymere verwendet werden, die entweder durch Licht, Temperatur oder ein Lösungsmittel gelöst und/oder verflüssigt werden können.
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Bisher sind die grundlegendsten Aspekte der Fertigungsverfahren in der Annahme beschrieben worden, dass ein vorgefertigtes Substrat verfügbar war (Schritt S16 in 1, 2). Jedoch können Ausführungsformen der vorliegenden Fertigungsverfahren vorgelagerte Fertigungsschritte beinhalten (S8, S10, S12 in 1, 2).
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Solche Schritte können insbesondere ein Auskehlen (Schritt S12) der Mikrokanäle 123, 124, 224 aufweisen. Die Mikrokanäle werden auf der Fläche einer der Schichten 11, 12, z.B. auf der oberen Fläche 120u der Schicht 12 ausgekehlt. Es ist im Grunde nicht von Bedeutung, auf welcher der beiden Schichten die Kanäle ausgekehlt werden, sofern sie durch die andere Schicht verschlossen werden, z.B. nach einem Verbinden.
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Das Auskehlen S12 der Mikrokanäle wird bevorzugt durch Mikrofertigung ausgeführt. Dies kann mit Photolithographie oder Mikrobearbeitung einhergehen. Die Nut kann zum Beispiel mit einem Werkzeug direkt auf der oberen Fläche der Basisschicht 120 eingraviert und/oder gefräst werden. Sie kann eine beliebige geeignete Querschnittform aufweisen, z.B. gerundet, viereckig, ein U-Profil oder ein V-Profil. Das erforderliche Werkzeug kann entsprechend dem Material der Basisschicht gewählt werden. Bei Varianten kann auch eine Laserablation in Betracht gezogen werden. Zweckmäßigerweise wird jedoch ein reaktives lonentiefätzen (deep reactive ion etching, DRIE) zum Fertigen von Mikrokanälen verwendet. Die Mikrofertigung kann ansonsten üblicherweise Schritte zum Nass- oder Trockenätzen der jeweiligen Mikrokanäle beinhalten. Zweckmäßigerweise können die Kanäle aufgrund des hier vorgeschlagenen Ansatzes auf Wafer-Ebene alle auf einmal geätzt werden.
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Die Fertigung kann des Weiteren ein Ausrichten und Verbinden der beiden Schichten 11, 12, vgl. Schritt S14 in 1 oder 2, nach den Schritten S12 zum Auskehlen der Mikrokanäle aufweisen. Es ist zu beachten, dass in 1 die obere Fläche 120u der Schicht 12 dem Leser zugewandt ist, wie auch die untere Fläche 1101 der Schicht 11 (in dem unteren Teil von 1). Die Schicht 11 wird jedoch vor dem Verbinden S14 so umgedreht, dass in Schritt S16 die untere Fläche 1101der Schicht 11 der oberen Fläche 120u der Schicht 12 in 1 zugewandt ist.
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Als erstes Beispiel kann ein thermisches Verbinden von Glasschichten 11, 12 bei 600 °C über 4 Stunden durchgeführt werden (Erwärmungs- und Abkühlungsgeschwindigkeit: 75 °C/Stunde). Dies führt zu einer (unumkehrbaren) Schmelzverbindung der Glassubstrate. Bei der Verwendung von Glassubstraten überschreitet die Abkühlungsgeschwindigkeit bevorzugt nicht 100 °C/Stunde, um Spannungen zu vermeiden. Des Weiteren muss die Wärmeausdehnung der Glas-Wafer gleich sein.
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Als weiteres Beispiel kann eine Anordnung von zwei Si-Wafern 11, 12 durch Rotationsbeschichten von ~3 µm eines Polyimidhaftmittels (HD Microsystems GmbH, Neu-Isenburg, Deutschland) auf der polierten Seite des Deckel-Wafers und durch nachfolgendes Ausrichten und Verbinden beider Wafer erzielt werden. Das Verbinden wird bei 320 °C mit einem Druck von 2 Bar über 10 Minuten durchgeführt (PRESSYS LE, Paul-Otto Weber GmbH, Remshalden, Deutschland). Anschließend können die MFP-Köpfe zerteilt und gelagert werden.
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Die vorgelagerten Fertigungsschritte können des Weiteren auf sonstige mikrofluidische Elemente abzielen, z.B. können sie insbesondere das Herausarbeiten S10 der Durchlassverbindungen 111, 112 beinhalten. Im Besonderen und für jedes der n Layouts 14 kann zumindest eine Durchlassverbindung 111, 112 bereitgestellt werden, um eine senkrechte Verbindung mit einem jeweiligen Mikrokanal 123, 124 herzustellen. Der Einfachheit halber werden Durchlassverbindungen bevorzugt so als Durchgangsloch durch die Schicht 12 herausgearbeitet, dass sie leicht durch dieselbe Schicht 11 verschlossen werden können, die bereits die Kanäle 123, 124 abdichtet. Weitere Einrichtungen (Röhrenanschlüsse und Röhren) können so bereitgestellt werden, dass sie eine Verbindung von der Seite gegenüber der Seite 120u in der Schicht 12 herstellen, um einfach einen vertikalen Einsatz der Köpfe 100 zu ermöglichen.
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Sonstige Fertigungsschritte können insbesondere auf die Herstellung von Ausrichtungslöchern 21, 22 in jeder Schicht 11, 12 (Schritte S8 bzw. S6) zum Ausrichten der Schichten vor dem Verbinden abzielen.
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5 stellt ein Beispiel für einen Satz von Geometrievorgaben dar, die zum Bohren der Glasschichten 11, 12 besonders geeignet sind. Die Ausrichtungslöcher 21, 22 beider Schichten können zusammen gebohrt werden. Zu diesem Zweck können die Schichten 11, 12 vorher z.B. mit Wachs miteinander verbunden werden. Anschließend können die Ausrichtungslöcher 21, 22 durch beide Schichten 11, 12 gebohrt werden. Was die Durchlassverbindungen 111, 112 betrifft: Das Bohren endet an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten 11, 12 so, dass nur eine Schicht 12 die Durchlassverbindungen 111, 112 aufweist.
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Bei Verwendung von Glas-Wafern kann zweckmäßigerweise ein geeigneter Halter für ein präzises Glasbohren verwendet werden, z.B. in einer Maschine mit rechnergestützter numerischer Steuerung (computer numerical control, CNC).
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Beispielsweise kann ein Wafer aus dem Borosilikatglas Schott Borofloat® 33 mit einer Wafer-Dicke von 500 µm und einer Wafer-Größe von 4 Zoll verwendet werden. Die bevorzugten kleinsten Lochgrößen betragen 0,25 mm. In diesem Fall lauten die bevorzugten Bohrparameter:
- - kleine Löcher (0,4 mm): 30 mm/min bei 30.000/min; und
- - Ausrichtungslöcher (1,5 mm): 25 mm/min bei 25.000/min.
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Das Bohren wird bevorzugt in einer wässrigen Kühlflüssigkeit durchgeführt. Es können diamantbeschichtete Bohrer verwendet werden.
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Das mittige Loch kann von Hand mithilfe einer normalen Fräsmaschine und eines Diamantbohrers gebohrt werden (20 mm Durchmesser). Das Polieren des mittigen Lochs kann mithilfe eines Polierkissens und einer 1-Mikrometer-Diamantpaste durchgeführt werden. Anschließend kann ein normales Zerteilen zum Vereinzeln der Köpfe durchgeführt werden.
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Die Layouts 14 eines selben Satzes brauchen nicht alle identisch zu sein, wie in 4 veranschaulicht, in der vier Layouts des Substrats 10a im Vergleich mit den übrigen Layouts zusätzliche Mikrokanäle aufweisen. Hier sind die Mikrokanäle wiederum so angeordnet, dass sie sich mit einem mittigen Loch überschneiden, damit sie in einer späteren Phase gebohrt und poliert werden, um letzten Endes Öffnungen auszubilden. Bei diesem Layout beträgt die Wafer-Größe 100 mm, und der Durchmesser des zu bohrenden mittigen Lochs beträgt 20 mm.
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Bei einigen MFP-Anwendungen müssen Elektroden auf der Kopfebene konzipiert werden. In dieser Hinsicht können die vorliegenden Fertigungsverfahren eine Metallisierung perfekt aufnehmen. Eine Metallisierung wird bevorzugt nur auf einer der Schichten 11, 12 ausgeführt. Es ist zum Beispiel bekannt, Pt/Ti-Muster auf Glas zu strukturieren. Elektroden können zweckmäßigerweise zum Erwärmen, elektrochemischen Erfassen usw. implementiert werden.
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In dieser Hinsicht ermöglichen die vorliegenden Verfahren ein einfaches Fertigen von äußeren elektrischen Anschlussflächen. Es werde zum Beispiel angenommen, dass jede der beiden Schichten 11, 12 im Wesentlichen eine Scheibenform aufweist, wobei die Schicht 11 mit einem kleineren mittleren Durchmesser als die Schicht 12 ausgestattet sein kann. Beim Ausrichten der beiden Schichten wird auf diese Weise ein äußerer Abschnitt der Schicht 12 nicht durch die Schicht 11 bedeckt. Dies ermöglicht, zusätzliche Funktionselemente auf der Ebene dieses äußeren Abschnitts bereitzustellen. Im Besonderen kann die obere Seite 120u der Schicht 12 wie zum Beispiel der äußere Abschnitt der zumindest teilweise zu metallisierenden Schicht 12 (zumindest teilweise oder selektiv) metallisiert werden. Eine Metallisierung wird üblicherweise selektiv an der gesamten größeren Schicht ausgeführt. Dementsprechend kann eine Mikrostruktur wie zum Beispiel Erwärmungsstrukturen oder elektrochemische Elektroden gewonnen werden, die durch eine metallisierte Anschlussfläche verbunden werden kann, die an dem äußeren Abschnitt bereitgestellt wird. Der kleinere Wafer gewährleistet, dass die Kontaktflächen der Elektrode frei zugänglich sind. Die Kanäle 123, 124 können wiederum auf einer beliebigen der Schichten 11, 12 bereitgestellt werden, da ihre Fertigung von dem Metallisierungsprozess entkoppelt ist.
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Gegenwärtig werden Verbesserungen erörtert, die eine Vervielfachung der Ausbeute der vorliegenden Fertigungsverfahren ermöglichen, und dies unter Bezugnahme auf 6 und 7.
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Eine Möglichkeit, die Fertigungsausbeute zu erhöhen, besteht darin, die Wafer-Flächen zu optimieren, indem konzentrische Ringe der Layouts ausgenutzt werden, 6. Es können zum Beispiel zwei (oder mehr) konzentrische, ringförmige Sätze von Layouts 14 (ein innerer Satz und ein äußerer Satz) auf demselben zweischichtigen Substrat 10 bereitgestellt werden. Der innere und der äußere Satz weist jeweils Sondenkopf-Layouts 14i, 14o auf, die in ihrem jeweiligen Satz ringförmig verteilt sind. Anschließend kann ein erstes Loch so herausgearbeitet werden (Schritt S20i), dass eine erste Zylinderwand hergestellt wird, die Mikrokanäle des inneren Satzes unterbricht. Als Nächstes kann ein zweites Loch herausgearbeitet werden (Schritt S20o), indem der Abschnitt des Substrats 10, der den inneren Satz 14i aufweist, von dem verbleibenden Abschnitt des Substrats 10 getrennt wird. Dadurch wird eine zweite Zylinderwand hergestellt, die Mikrokanäle des äußeren Satzes 14o unterbricht. Wie zuvor erwähnt, können dieselben oder identische Techniken zum Herausarbeiten verwendet werden, um die erste und die zweite Zylinderwand herzustellen.
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Eine weitere Möglichkeit, die Fertigungsausbeute zu erhöhen, besteht darin, die dritte Dimension auszunutzen, d.h. senkrecht zu den Wafer-Flächen, z.B. durch Bereitstellen übereinandergelegter Scheiben, bevor ein Loch dort hindurch herausgearbeitet wird, siehe 7. Beispielsweise können in Schritt S16 mehrere Sätze von Sondenkopf-Layouts 14 auf jeweiligen zweischichtigen Substraten 10 bereitgestellt werden. Anschließend können in Schritt S19 die Substrate 10 übereinandergelegt werden, bevor ein Loch im Wesentlichen in der Mitte der übereinandergelegten Substrate 10 durch alle übereinandergelegten Substrate herausgearbeitet wird S20. Dies führt dazu, dass ein Loch 16 hergestellt wird, dessen Wände 18 Mikrokanäle in jedem der übereinandergelegten Substrate 10 unterbrechen. Falls erforderlich, werden die Zylinderwände des resultierenden Lochs 16 poliert, wie zuvor erörtert.
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Die Ausführungsformen der 6 und 7 können kombiniert werden. Die Fertigungsausbeute vervielfacht sich wie die Anzahl der konzentrischen Ringe multipliziert mit den übereinandergelegten Substraten.
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Nun wird unter Bezugnahme auf 1, 3 bis 5, 8 und 9 insgesamt ein weiterer Aspekt der Erfindung beschrieben, der MFPs betrifft, die gemäß den vorliegenden Fertigungsverfahren gewonnen werden. In Übereinstimmung mit den oben erörterten Fertigungsverfahren weist eine solche MFP auf: eine erste Schicht 110 und eine zweite Schicht 120. Letztere weist einen oder mehrere Mikrokanäle 123, 124 auf, die durch jeweilige Nuten definiert sind, die auf der oberen Fläche 120u der zweiten Schicht 120 geöffnet sind und durch einen Abschnitt der unteren Fläche 1101 der ersten Schicht 110 verschlossen sind, wie am besten in 8 zu sehen ist. Darüber hinaus sind dank des Prozesses S20, S24 zum Herausarbeiten an den Enden der Mikrokanäle Öffnungen 121 definiert, und dies auf der Ebene der Kante 320 der Schicht 120, in der die Kanäle ausgekehlt sind. Die Kantenfläche 320 bildet einen Teil der Bearbeitungsfläche, die durch die Kantenflächen 310, 320 der jeweiligen Schicht 110, 120 des Kopfes definiert wird. Selbstverständlich und wie zuvor beschrieben, kann ein solcher MFP-Kopf sonstige mikrofluidische Elemente wie zum Beispiel die Durchlassverbindungen 111, 112 beinhalten, die mit den Mikrokanälen verbunden sind.
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Es ist zu beachten, dass die gewonnenen MFP-Köpfe zwangsläufig durch die zuvor erörterten Fertigungsverfahren beeinflusst werden:
- - Erstens und unter Bezugnahme insbesondere auf 9 kann die Bearbeitungsfläche 310, 320 der MFP-Köpfe 100 aufgrund des Herausarbeitens, Schritt S20, des Lochs 16 konkav sein (wenn keine zusätzliche wesentliche Oberflächenbearbeitung durchgeführt wird, um die Konkavität zu entfernen);
- - Zweitens, nun unter Bezugnahme auf 5, 8 und 9, kann die allgemeine Form der Köpfe 100 des Weiteren die anfänglichen ringförmigen Verteilungen des Layouts 14 widerspiegeln. Beispielsweise können die Köpfe Seitenkanten (oder zumindest Abschnitte davon) aufweisen, die einen Winkel von beinahe 2 π/n mit einer Toleranz von z.B. ± π/10 aufweisen. Die Toleranz hängt von den Abstandselementstreifen (siehe die gepunkteten Linien in 1 oder 3) zwischen den Köpfen in dem Layout und von der verwendeten Vereinzelungstechnik ab. Die resultierenden Kanten sollten jedoch üblicherweise einen Winkel von 2 π/n ± π/20 aufweisen, vorausgesetzt, dass während des Vereinzelungsschritts ausreichend vorsichtig vorgegangen wird;
- - Die Köpfe 100 können des Weiteren sonstige spezifische Eigenschaften der vorliegenden Fertigungstechnik zeigen, z. B.
- ◯ Der feine Flächenzustand der Seitenkanten kann sich aufgrund der unterschiedlichen angewendeten Techniken (d.h. Vereinzelung bei den seitlichen Kanten vs. Herausarbeiten/Bohren/Polieren bei der Bearbeitungsfläche) von demjenigen der Bearbeitungsfläche unterscheiden; und
- ◯ Die segmentartigen Formen der Köpfe 100 (ähnlich wie Segmente eines Kreisdiagramms) und allgemeiner Reste der anfänglichen ringförmigen Verteilung der Layouts, die Symmetrie eines Layouts, das Loch 16, das herausgearbeitet wird, um die Bearbeitungsfläche herzustellen, usw. können aus den vorliegenden Fertigungstechniken resultieren.
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Nach der Vereinzelung können die Köpfe 100 einer nachfolgenden Behandlung oder Bearbeitung unterzogen werden, sodass sie nicht zwingend sämtliche der oben genannten spezifischen Fertigungseigenschaften behalten.
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Wie zuvor erwähnt, beinhalten typische Ausführungsformen der MFP zumindest zwei Mikrokanäle 123, 124 und in Übereinstimmung damit zumindest zwei Durchlassverbindungen 111, 112, die jeweils senkrecht mit den Mikrokanälen verbunden sind. Zudem kann ein äußerer Abschnitt einer der Schichten 11, 12 teilweise metallisiert werden, um elektrische Anschlussflächen bereitzustellen. Dieser äußere Abschnitt befindet sich gegenüber der Bearbeitungsfläche 310, 320.
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Über die Mikrokanäle 123, 124 hinaus könnten auch seitliche Kanäle 224 bereitgestellt werden, wie in 9 dargestellt. Interessanterweise können die Vereinzelungsschritte dazu genutzt werden, Öffnungen 222 an dem Ende der seitlichen Kanäle zu definieren.
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8 stellt eine Ansicht des Bearbeitungsendes eines zweischichtigen MFP-Kopfes 100 dar, der gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Fertigungsverfahren gewonnen worden ist. Der Kopf 100 weist eine Basisschicht 120 auf, wobei Bearbeitungsflüssigkeits-Mikrokanäle 123, 124 zusammen mit Immersionsflüssigkeits-Mikrokanälen 224 bereitgestellt werden (hier wird nur einer der seitlichen Kanäle dargestellt). Jeder Kanal steht mit einer jeweiligen Öffnung 121, 122, 222 in Fluidverbindung, und jede Öffnung befindet sich in diesem Beispiel auf einer Fläche der Basisschicht 120. Die Abdeckschicht 110 verschließt die Kanäle, die auf der oberen Fläche 120u der Basisschicht 120 geöffnet sind. Auf der Ebene der Kantenfläche 320 der Basisschicht 120 sind Öffnungen ausgebildet. Aufgrund des Fertigungsprozesses ist die Bearbeitungsfläche 310, 320 üblicherweise spitzwinklig, was eine kompakte Flüssigkeitsabscheidung auf einer relevanten Fläche 200 ermöglicht und eine einfache optische Überwachung zulässt. Die Konkavität des Scheitelpunkts ist in 8 nicht zu sehen.
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Der Kopf kann des Weiteren mit (nicht dargestellten) Röhrenanschlüssen ausgestattet sein, um eine Fluidverbindung mit den Durchlassverbindungen 111 und 112 zu ermöglichen (in 8, 9 nicht zu sehen). Die Durchlassverbindungen und Anschlüsse sind so gestaltet, dass eine Fluidverbindung von den Anschlüssen zu den Öffnungen 121, 122, 222 durch entsprechende Durchlassverbindungen ermöglicht wird.
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Als ein Anwendungsbeispiel kann bei einem Bewegen des Kopfes in der Nähe einer Fläche 200, wie in 9 schematisch dargestellt, eine Bearbeitungsflüssigkeit PL durch die Öffnung 121 abgegeben werden, die sich mit einer Immersionsflüssigkeit IL vermischt (die möglicherweise durch eine seitliche Öffnung des Kopfes bereitgestellt wird, in 9 nicht dargestellt). Es ist zu beachten, dass die Abmessungen nicht maßstabsgetreu sind, im Besonderen die Abmessungen der Öffnungen, die zur Verdeutlichung bewusst vergrößert sind. Die Einheit 100 ist bevorzugt so gestaltet, dass sie in der Lage ist, laminare Strömungen zu erzielen. Die Abmessungen von Öffnungen können in Wirklichkeit z.B. einige zehn Mikrometer betragen. Üblicherweise sind sie mit einigen zehn bis hundert Mikrometern beabstandet. Da hier Paare von Bearbeitungskanälen/Öffnungen verwendet werden, kann die Bearbeitungsflüssigkeit PL an der Öffnung 122 zusammen mit einem Teil der Immersionsflüssigkeit IL aufgesaugt werden. Der Strömungsweg zwischen den Öffnungen 121 und 122 kann umgekehrt werden, d.h. die Bearbeitungsflüssigkeit kann von der Öffnung 122 aus eingespeist werden, wohingegen die Öffnung 121 die Flüssigkeit aufsaugen kann. Die Bearbeitungsflüssigkeit befindet sich im Betrieb im Wesentlichen in der Nähe der Öffnungen 121 und 122 und ist von Immersionsflüssigkeit umgeben, die üblicherweise nur in der Nähe des Kopfes 100 vorhanden sein kann.
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Die Konkavität der Bearbeitungsfläche 310, 320, die natürlich aus dem Fertigungsprozess resultiert, kann ausgenutzt werden, um Flüssigkeiten in dem konvexen Raum einzuschließen, der zwischen der Bearbeitungsfläche und der zu bearbeitenden Fläche ausgebildet ist, wie in 9 schematisch dargestellt wird. Die Immersionsflüssigkeit ist jedoch unter Umständen dennoch erforderlich, um die Bearbeitungsfläche hydrodynamisch einzuschließen und dadurch ein Ausbreiten der Bearbeitungsflüssigkeit zu vermeiden. Dennoch gewährleistet die konkave Form des Scheitelpunktes bereits eine gewisse Einschließung der Strömung der Bearbeitungsflüssigkeit innerhalb der Konkavität, wenn die Einheit mit der Fläche in Kontakt steht. Bei dieser Betriebsart ist keine Steuerung des Abstands erforderlich. Es ist zu beachten, dass die Krümmung des Scheitelpunkts geändert werden kann, um ein spezifisches, einzukapselndes Flüssigkeitsvolumen zu „entwerfen“. Schließlich definiert die Krümmung einen spezifischen Strömungswiderstand, der die Geometrie der Strömungsbeschränkung bewirkt.
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MFP-Köpfe, wie sie oben erörtert worden sind, sind für Anwendungen zur Oberflächenbearbeitung besonders zweckdienlich. Letztere gehen anders als biologische Anwendungen mit potenziell kleineren Mustern und einem breiteren Spektrum von Flüssigkeiten und Chemikalien einher. Durch Einsetzen eines dünnen Si-Wafers (z.B. mit einer Dicke von 100 µm) zum Fertigen der Basisschicht 12 können etwa genau definierte Öffnungen mit seitlichen Abmessungen von weniger als 10 µm mithilfe eines herkömmlichen DRIE oder eines fokussierten lonenstrahls gefertigt werden und gleichzeitig eine mechanische Festigkeit des Kopfes aufgrund eines Si-Deckels 11 mit einer ausreichenden Dicke sichergestellt werden. Mehrschichtige Köpfe, wie sie hierin erörtert worden sind, sind außerdem besser für eine Verwendung zahlreicher Bearbeitungsflüssigkeiten geeignet, da die Öffnungen klein sein und nahe beieinanderliegen können, wobei sich horizontale Mikrokanäle in ausreichender Weise fächerförmig ausbreiten und dabei genügend Platz zum Hinzufügen zahlreicher Anschlüsse auf den Schichten 11, 12 lassen. Allgemeiner gesagt, hat die vorliegende MFP-Technologie ein Potenzial zum Strukturieren von Flächen, Bearbeiten von Materialien, Abscheiden und Entfernen von Biomolekülen und Zellen auf/von Flächen, Analysieren von Zellen und Biomolekülen auf Flächen, Herstellen von chemischen Gradienten auf Flächen, Untersuchen biologischer Proben wie zum Beispiel Gewebeschnitten und Herstellen von Strukturen mit ungewöhnlichen Profilen wie zum Beispiel sich verjüngenden Hohlräumen.
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Die hierin beschriebenen Verfahren können bei der Fertigung von MFP-Köpfen und MFP-Chips verwendet werden. Die resultierenden Köpfe/Chips können durch den Hersteller in der Rohform (das heißt, als strukturiertes zweischichtiges Substrat oder in einem Gehäuse) vertrieben werden. In letzterem Fall kann der Chip in einem Einzel-Chip-Gehäuse angebracht werden. In jedem Fall kann der Kopf oder der Chip mit sonstigen Elementen als Teil entweder (a) eines Zwischenprodukts oder (b) eines Endprodukts integriert werden.
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Die obigen Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen kurz beschrieben worden, und es ist eine Reihe von Varianten möglich. Es können mehrere Kombinationen der obigen Merkmale in Betracht gezogen werden. Beispiele für solche Kombinationen werden in den Zeichnungen gegeben. Die vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen, Varianten und die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden, für Fachleute ist jedoch ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und gleichartige Elemente ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Besonderen kann ein (einheitenähnliches oder verfahrensähnliches) Merkmal, das bei einer bestimmten Ausführungsform, Variante erwähnt worden ist oder in einer Zeichnung dargestellt worden ist, mit einem weiteren Merkmal in einer weiteren Ausführungsform, Variante oder Zeichnung kombiniert oder ersetzt werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Verschiedene Kombinationen der Merkmale, die im Hinblick auf jegliche der obigen Ausführungsformen oder Varianten beschrieben worden sind, können dementsprechend in Betracht gezogen werden, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche bleiben. Darüber hinaus können zahlreiche kleinere Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die vorliegende Erfindung soll alle Ausführungsformen beinhalten, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen. Darüber hinaus können zahlreiche andere Varianten als die oben ausdrücklich erwähnten in Betracht gezogen werden. Beispielsweise können andere Materialien als diejenigen, die hierin ausdrücklich genannt worden sind, jeweils für die Schichten 11, 12 verwendet werden. In ähnlicher Weise könnten die Kanäle, Durchlassverbindungen, Öffnungen mit anderen Abmessungen bereitgestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 10a
- zweischichtiges Substrat
- 100
- Mikrofluidik-Sonden(MFP)-Kopf/Köpfe
- 11, 12
- erste und zweite Schicht des Substrats
- 110
- erste (Deckel-)Schicht des Kopfes 100
- 110l
- untere Fläche der ersten Schicht 11, 110
- 111, 112
- senkrechte Durchlassverbindungen
- 120
- zweite (Basis-)Schicht des Kopfes 100
- 120u
- obere Fläche der zweiten Schicht 12, 120
- 121, 122
- Mikrokanalöffnungen
- 123, 124
- Mikrokanäle
- 14
- MFP-Layouts
- 14i, 14o
- konzentrische Probenkopf-Layouts
- 16
- mittiges Loch
- 18
- Zylinderwand, die das mittige Loch begrenzt
- 21, 22
- Ausrichtungslöcher
- 222
- Öffnung des seitlichen Mikrokanals
- 224
- seitlicher Mikrokanal
- 310, 320
- Bearbeitungsfläche des Kopfes
