DE112022002144T5 - Flexfolie, mikrofluidische kartusche und mikrofluidische anordnung - Google Patents

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Abstract

Eine Flexfolie zum Abdichten einer mikrofluidischen Kartusche einen flexiblen Trägerfilm und eine integrierte Photodetektorschaltung (IPC), die mindestens einen Photodetektor (PDE) umfasst. Der Trägerfilm umfasst mindestens ein optisch transparentes Fenster (OTW). Die integrierte Photodetektorschaltung (IPC) ist auf dem Trägerfilm so angeordnet, dass der Photodetektor (PDE) zu dem optisch transparenten Fenster (OTW) ausgerichtet ist. Die integrierte Photodetektorschaltung (IPC) ist elektrisch und funktionell mit dem flexiblen Trägerfilm verbunden. Weiterhin werden eine mikrofluidische Kartusche für eine mikrofluidische Anordnung und eine mikrofluidische Anordnung vorgeschlagen.

Description

  • Gebiet der Offenbarung
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Flexfolie zum Abdichten einer mikrofluidischen Kartusche, eine mikrofluidische Kartusche für eine mikrofluidische Anordnung und eine mikrofluidische Anordnung, die z. B. ein Lesegerät zum Auslesen der mikrofluidischen Kartusche umfasst.
  • Hintergrund
  • Die Gestaltung mikrofluidischer Kartuschen spielt eine entscheidende Rolle bei der erfolgreichen Entwicklung eines Diagnosesystems, bei dem Benutzerfreundlichkeit, Durchsatz und Kosten pro Test kritische Faktoren sind. Dies gilt insbesondere für Anwendungen von patientennaher Sofortdiagnostik (Point of Care Testing, kurz POCT), bei denen die Kartusche auch als eine einfache und intuitive Benutzer-Hardwareschnittstelle fungiert und wo optische Detektion angewendet wird, um die mikrofluidische Kartusche auszulesen.
  • Bei niedrigen Signalstärken, wie für Photonenzählung, wie sie bei den meisten empfindlichen biodiagnostischen Reaktionen zur Anwendung kommt, kann eine Integration mit unmittelbarer Nähe wichtig sein, da Lichtintensitäten mit 1/R2 abnehmen, wobei R der Abstand zwischen einer Probe in einer mikrofluidischen Kartusche und einem Detektor ist. In der Technik ist es jedoch üblich, sich auf eine Integration mit losen, großen Komponenten zu stützen, z. B. mit Dioden oder ASICs, die sich in einem Abstand voneinander befinden, mit optischen Komponenten (Linsen, optische Filter usw.) dazwischen, so dass die Kartusche entfernt werden kann. Manchmal werden ASICs auf einer Seite der mikrofluidischen Kartusche angeordnet, wobei Metallbahnen ebenfalls vorhanden sind.
  • Wenigstens aus den folgenden Gründen kann es wichtig sein, R möglichst klein zu halten. 1) Signalverlust, verursacht durch einen großen (> Detektordurmesser) Abstand zwischen Probe und Detektor. Selbst wenn sich Optiken dazwischen befinden. 2) Aufgrund der Größe von Optiken und/oder Sensoren ist es nicht möglich, den Detektionsteil zu miniaturisieren. Dies ist erforderlich, um Kosten zu senken und es in das Gebiet des Pointof-Care-Testing einzuführen. 3) Im Falle einer multiparametrischen Detektion an der mikrofluidischen Kartusche, für welche mehrere Sensoren benötigt werden, Probleme der Ausrichtung und Ausbeute bei jeder Platzierung des Detektors. Wenn zum Beispiel jede Anordnung 95 % liefert, dann beträgt bei 16 Sensoren die Ausbeute der Anordnung (0,95)16 = 0,44. Und 4) im Falle einer multiparametrischen Detektion mit einer Sensor-ASIC, um das Übersprechen zwischen den verschiedenen Sensoren auf der ASIC zu minimieren. Öfter werden eine Leiterplatte und ein separates Detektionssystem verwendet, mit zusätzlichen Optiken und Photodioden, oder es werden (zur Photonenzählung) Photomultiplier verwendet.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein mikrofluidisches System bereitzustellen, welches eine miniaturisierte, kostengünstige Bauform und eine verbesserte Detektion ermöglicht.
  • Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weiterentwicklungen und Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Es versteht sich, dass jedes in Bezug auf irgendeine Ausführungsform beschriebene Merkmal allein oder in Kombination mit anderen hierin beschriebenen Merkmalen verwendet werden kann und auch in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen irgendeiner anderen der Ausführungsformen verwendet werden kann, sofern sie nicht als eine Alternative beschrieben ist. Ferner können auch Äquivalente und Modifikationen, die im Folgenden nicht beschrieben sind, verwendet werden, ohne den Schutzumfang der Flexfolie zum Abdichten einer mikrofluidischen Kartusche, der mikrofluidischen Kartusche für eine mikrofluidische Anordnung und der mikrofluidischen Anordnung zu verlassen, welche in den beigefügten Ansprüchen definiert sind.
  • Kurzdarstellung
  • Das Folgende betrifft ein verbessertes Konzept auf dem Gebiet der Mikrofluidik. Ein Aspekt betrifft die Verwendung einer einzigen Flexfolie zum elektrischen Verdrahten und Herstellen des Kontakts zu einer integrierten Photodetektorschaltung (oder ASIC) und Schließen der Detektionskammern der mikrofluidischen Kartusche. Weitere Aspekte betreffen das Schließen der mikrofluidischen Kartusche und Sensor-Wells (Detektionskammern) . Und das Vorhandensein optisch transparenter Fenster an den Orten der Sensor-Wells. Die Flexfolie umfasst elektrische Verdrahtung und stellt Mittel zum Anbringen integrierter Schaltungen, wie etwa der integrierten Photodetektorschaltung, an der elektrischen Verdrahtung und/oder Pads bereit. Die Flexfolie kann Kontaktpunkte für eine Auslesebuchse aufweisen.
  • Bei mindestens einer Ausführungsform umfasst eine Flexfolie zum Abdichten einer mikrofluidischen Kartusche einen flexiblen Trägerfilm und eine integrierte Photodetektorschaltung. Die integrierte Photodetektorschaltung umfasst mindestens einen Photodetektor. Der Trägerfilm umfasst mindestens ein optisch transparentes Fenster oder einen Ausschnitt. Die integrierte Photodetektorschaltung ist auf dem Trägerfilm so angeordnet, dass der Photodetektor zu dem optisch transparenten Fenster ausgerichtet ist. Schließlich ist die integrierte Photodetektorschaltung elektrisch und funktionell mit dem flexiblen Trägerfilm verbunden.
  • Der Begriff „Trägerfilm“ bezeichnet einen Körper der Flexfolie, welcher ein flexibles Material wie zum Beispiel eine Folie oder einen Film umfasst. Der Trägerfilm kann durch elektrische Verdrahtung ergänzt sein, um die Flexfolie zu bilden. Weiterhin können Komponenten wie etwa die integrierte Photodetektorschaltung elektrisch und funktionell mit dem flexiblen Trägerfilm verbunden sein, um die flexible Folie zu bilden.
  • Die Verwendung einer einzigen Flexfolie zum elektrischen Verdrahten und Herstellen des Kontakts zu integrierten Schaltungen sowie Schließen der mikrofluidischen Kartusche bietet eine Reihe von Vorteilen. Es kann ein minimaler Abstand zwischen einer flüssigen Probe in Detektionskammern und Photodetektoren erzielt werden. Die Verwendung einer Flexfolie kann einen zusätzlichen Verschlussfilm unnötig machen, d. h. es ist wenigstens eine Filmdicke weniger vorhanden. Anders ausgedrückt, die Flexfolie kann als ein Verschlussfilm wirken, wobei der Trägerfilm zum Beispiel eine mikrofluidische Kartusche abdichtet. Ferner ermöglicht die Flexfolie Mehrkanaldetektion mit einer einzigen Platzierung einer integrierten Photodetektorschaltung, was geringe Kosten des Zusammenbaus und eine hohe Ausbeute bei weniger optischem Übersprechen zur Folge hat. Ein minimiertes Übersprechen zwischen Kanälen ist durch einen dünneren Film und kleineres R und die Verwendung von lichtundurchlässigen Materialien möglich. Der Zusammenbau wird infolge minimierter Schritte des Zusammenbaus vereinfacht (z. B. ein Film weniger). Die resultierend mikrofluidische Anordnung kann lichtdichter sein. Integration integrierter Schaltungen, wie etwa einer Detektor-ASIC und anderer ASICs, auf derselben Flexfolie, sowie Kontakte wie etwa SD-Karten-Kontakte. Ein Kanal kann als ein separater Detektions-Well in Mikrofluidik betrachtet werden, der zu erfassen ist, z. B. durch einen optischen (Sense-SPAD-Array-) Sensor, der einen biodiagnostischen Parameter abdeckt.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Trägerfilm ein Array von optisch transparenten Fenstern. Die integrierte Photodetektorschaltung umfasst ein Array von Photodetektoren. Die integrierte Photodetektorschaltung ist derart auf dem Träger angeordnet, dass jeder Photodetektor zu einem jeweiligen optisch transparenten Fenster ausgerichtet ist.
  • Während des Betriebs kann ein von Flüssigkeit in den Detektionskammern stammendes Lichtsignal nur über die optisch transparenten Fenster detektiert werden. Übersprechen kann reduziert werden.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Trägerfilm optisch transparentes und optisch undurchlässiges Material. Der Trägerfilm ist so strukturiert, dass Abschnitte des Trägerfilms, die das optisch transparente Material umfassen, das eine oder die mehreren optisch transparenten Fenster bilden. Außerdem oder alternativ dazu weisen Abschnitte des Trägerfilms Ausschnitte auf. Die Strukturierung liefert ein Mittel, um das Übersprechen noch weiter zu reduzieren. Tatsächlich kann durch die Verwendung der strukturierten Abschnitte die Notwendigkeit zusätzlicher optischer Barrieren entfallen, welche andernfalls eine zusätzliche Dicke erzeugen würden. Letzten Endes kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Trägerfilm mindestens eine Schicht des optisch transparenten Materials und mindestens eine Schicht des optisch undurchlässigen Materials. Der Trägerfilm ist so strukturiert, dass Abschnitte der Schichten das eine oder die mehreren optisch transparenten Fenster bilden. Diese Schichten bewirken einen hohen Freiheitsgrad zum Erzeugen von Strukturen, welche das Übersprechen wirksam reduzieren.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst die Flexfolie ferner eine integrierte Treiberschaltung. Die integrierte Treiberschaltung ist auf dem Trägerfilm angeordnet. Ferner ist die integrierte Treiberschaltung elektrisch und funktionell mit dem flexiblen Trägerfilm verbunden. Während des Betriebs steuert die integrierte Treiberschaltung die mikrofluidische Kartusche und/oder die integrierte Photodetektorschaltung.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst die Flexfolie ferner elektrische Verdrahtung und eine Schnittstelle. Die Verdrahtung ist dazu betreibbar, eine elektrische Verbindung zu der integrierten Photodetektorschaltung und/oder der integrierten Treiberschaltung über die Schnittstelle herzustellen. Die Verdrahtung kann in erster Linie verwendet werden, um mit den integrierten Schaltungen der Flexfolie einen elektrischen Kontakt herzustellen und sie zu betreiben. Die Verdrahtung kann jedoch auch als Heizelement verwendet werden, um eine Temperatur oder erhöhte Temperatur in den Detektionskammern einzustellen, zu steuern oder konstant zu halten.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Trägerfilm eine oder mehrere Klebeverbindungen, um einen Kontakt des Trägerfilms mit der integrierten Photodetektorschaltung und/oder der integrierten Treiberschaltung herzustellen. Gleichzeitig können die Klebeverbindungen verwendet werden, um das optische Übersprechen zwischen den Photodetektoren auf der integrierten Photodetektorschaltung zu reduzieren. Alternativ dazu sind die integrierte Photodetektorschaltung und/oder die integrierte Treiberschaltung in den Trägerfilm eingebettet. Gemäß einer anderen Alternative wird eine strukturierte Abstandshalterstruktur verwendet, um einen Kontakt des Trägerfilms mit der integrierten Photodetektorschaltung und/oder der integrierten Treiberschaltung herzustellen und das optische Übersprechen zwischen den Photodetektoren auf der integrierten Photodetektorschaltung zu reduzieren.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform weist der Trägerfilm eine Dicke zwischen 10 und 200 µm auf. Dadurch kann ein Abstand zwischen Photodetektoren und einer Kartusche klein sein.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst eine mikrofluidische Kartusche für eine mikrofluidische Anordnung einen Kartuschenkörper. Der Kartuschenkörper weist wenigstens eine Detektionskammer auf, welche mit einem Mikrokanal verbunden ist, um eine zu testende Flüssigkeit aufzunehmen.
  • Während des Betriebs nimmt die mikrofluidische Kartusche die zu testende Flüssigkeit auf, z. B. über den Mikrokanal. Die Flüssigkeit kann der Detektionskammer über den angeschlossenen Mikrokanal zugeführt werden. Der Photodetektor kann ein Lichtsignal, wie etwa Fluoreszenz oder Chemolumineszenz, von der zu testenden Flüssigkeit detektieren, welche in der Detektionskammer vorhanden ist.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Kartuschenkörper mehrere Detektionskammern, welche mit einem jeweiligen Mikrokanal verbunden sind, um eine oder mehrere zu testende Flüssigkeiten aufzunehmen. Jeder Photodetektor auf der integrierten Photodetektorschaltung kann direkt gegenüber einer Detektionskammer auf der mikrofluidischen Kartusche angeordnet und ausgerichtet werden.
  • Die mikrofluidische Kartusche kann als eine Kartusche mit mehreren Kanälen betrachtet werden, welche ermöglicht, nicht nur eine einzige Flüssigkeit zu testen und aufzunehmen, sondern entweder eine größere Menge einer Flüssigkeit oder mehrere verschiedene zu testende Flüssigkeiten. Infolge der Ausrichtung der Photodetektoren zu jeweiligen Detektionskammern können die Photodetektoren parallel arbeiten, um Lichtsignale wie etwa Fluoreszenz oder Lumineszenz von den jeweiligen Flüssigkeiten aufzuzeichnen. Die mikrofluidische Kartusche kann Detektionskammern in verschiedenen Ebenen aufweisen, um zu ermöglichen, dass sogar noch weitere Flüssigkeiten parallel getestet werden.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst der Kartuschenkörper ein optisch undurchlässiges und/oder nicht reflektierendes Material. Diese Materialien helfen, Übersprechen zu reduzieren.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform sind die Detektionskammern und/oder Mikrokanäle im Kartuschenkörper als offene Hohlräume ausgebildet. Diese Hohlräume können mittels eines Verschlussfilms, wie etwa der oben erläuterten Flexfolie, verschlossen und abgedichtet sein. Anders ausgedrückt, der Verschlussfilm kann anstelle der Flexfolie oder zusätzlich zu dieser verwendet werden, um die Detektionskammer(n) und/oder Mikrokanäle abzudichten. Zum Beispiel kann der Verschlussfilm entsprechende Abschnitte, optische Fenster und/oder Ausschnitte aufweisen, welche denjenigen der Flexfolie entsprechen, und umgekehrt. Auf diese Weise können der Verschlussfilm und/oder die Flexfolie auf dieselbe Weise zu den Detektionskammern und Photodetektoren ausgerichtet werden.
  • Die mikrofluidische Kartusche kann als eine einzelne (wegwerfbare) Komponente verwendet werden, wobei elektronische Bauelemente auf der Flexfolie oder einem beliebigen anderen geeigneten Träger angeordnet sind. Die mikrofluidische Kartusche kann jedoch auch mit den auf der Flexfolie angeordneten elektronischen Bauelementen implementiert sein, wie oben erläutert. Auf diese Weise kann die mikrofluidische Kartusche zusammen mit der Flexfolie wegwerfbar sein.
  • Zum Beispiel kann die mit dem Verschlussfilm abgedichtete mikrofluidische Kartusche in ein Lesegerät über der elektronischen Flexfolie, welche die integrierte Photodetektorschaltung und/oder integrierte Steuerschaltung umfasst, auf eine solche Weise eingeschoben werden, dass die Detektionskammern und die entsprechenden Photodetektoren zueinander ausgerichtet sind. Dies ermöglicht eine unmittelbare Nähe von optischen Barrieren und deren Verwendung, um ein optisches Übersprechen zwischen den Paaren von Detektionskammern Photodetektoren zu verhindern.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst eine mikrofluidische Anordnung einen Verschlussfilm, welcher an der mikrofluidischen Kartusche befestigt ist, um so Detektionskammern und/oder Mikrokanäle abzudichten. Ferner umfasst die mikrofluidische Anordnung auch eine mikrofluidische Kartusche gemäß einem oder mehreren der oben erläuterten Aspekte. Die mikrofluidische Kartusche ist auf dem Verschlussfilm so angeordnet, dass einer oder mehrere der Photodetektoren der integrierten Photodetektorschaltung zu einer jeweiligen Detektionskammer ausgerichtet sind. Die mikrofluidische Kartusche kann sich weiter erstrecken, als nur über den für die Detektionskammern verwendeten Bereich.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst die mikrofluidische Anordnung eine Flexfolie gemäß einem der oben erläuterten Aspekte, welche zusätzlich zu dem Verschlussfilm an der mikrofluidischen Kartusche befestigt ist. Alternativ dazu umfasst der Verschlussfilm die Flexfolie, d. h. diese wirkt als der Verschlussfilm oder ersetzt ihn, um so die Detektionskammern und/oder Mikrokanäle abzudichten.
  • Bei wenigstens einer Ausführungsform umfasst die mikrofluidische Anordnung ein Lesegerät. Das Lesegerät umfasst weiterhin eine Öffnung zum Einsetzen der mikrofluidischen Kartusche in eine Messposition, um eine Fluoreszenz- und/oder Chemolumineszenz-Messung durchzuführen.
  • Die mikrofluidische Messvorrichtung kann implementiert sein, um eine auf Fluoreszenz basierende Messung oder eine auf Chemolumineszenz basierende Messung durchzuführen. Für die erste Art von Messungen kann das Lesegerät mit einer Anregungslichtquelle ausgestattet sein, um die eine oder mehreren Detektionskammern zu beleuchten, und/oder mit einer Verarbeitungseinheit, um die Lichtquelle zu steuern. Auf diese Weise können die Photodetektoren Fluoreszenz registrieren, die von der Flüssigkeit in den Detektionskammern zurückgegeben wird. In einem solchen Fall sind die Photodetektoren mit der erforderlichen optischen Filteranordnung ausgestattet, um die Anregungslichtwellenlänge zu blockieren und die Fluoreszenzwellenlänge zu detektieren.
  • Für die zweite Art von Messungen muss das Lesegerät nicht unbedingt mit einer Lichtquelle ausgestattet sein, da möglicherweise keine Anregung erforderlich ist, um Lumineszenz auszulösen. Jedoch kann die mikrofluidische Kartusche, d. h. Mikrokanäle, verwendet werden, um chemische Verbindungen einzusetzen, um chemische Reaktionen auszulösen, welche eine Chemolumineszenz-Antwort hervorrufen. Die Flüssigkeiten können jedoch bereits in einer gefriergetrockneten chemischen Zusammensetzung in der mikrofluidischen Detektionskammer (oder zuvor in dem mikrofluidischen System/den Kanälen) vorhanden sein. Die Auslösung kann zum Beispiel erfolge, indem eine Probenflüssigkeit (z. B. Urin, Speichel, Blut) von außerhalb der Kartusche zugegeben wird.
  • Die Verarbeitungseinheit kann die Messungen steuern und/oder verarbeiten. Das Lesegerät kann dafür ausgerüstet sein, eine der oben erläuterten Arten von Messungen oder beide durchzuführen.
  • Weitere Aspekte dieser Offenbarung betreffen Folgendes. Die integrierte Photodetektorschaltung, z. B. eine Photonenzähler-Detektor-ASIC, kann in der Nähe von Detektionskammern einer mikrofluidischen Kartusche zusammengebaut werden. Abschnitte der Kartusche und/oder Flexfolie sollten aus lichtundurchlässigem Material hergestellt sein, z. B. in Schwarz, mit optisch transparenten Fenstern oder, über Ausschnitte, in direktem Kontakt mit einer Passivierungsschicht der integrierten Schaltungen stehen.
  • Das vorgeschlagene Konzept ermöglicht Einkanal- oder Mehrkanaldetektion mit einer einzigen Platzierung einer ASIC auf der mikrofluidischen Kartusche. Dies hat geringe Kosten des Zusammenbaus, eine hohe Ausbeute und weniger Ausrichtungsprobleme zur Folge und ermöglicht ein minimiertes Übersprechen zwischen Kanälen. Einige hier vorgeschlagene Maßnahmen sind: a) minimale verwendete Filmdicken: von 200 um bis hinab zu -10 µm; b) es können schwarze Beschichtungen oder Farben und/oder schwarze Klebstoffe und/oder schwarze Formen verwendet werden; c) es können nicht reflektierende (schwarze) Beschichtungen oder Farben verwendet werden; d) photopische (photopic) und pigmentierte Filme.
  • Das vorgeschlagene Konzept ermöglicht, einen Abstand zwischen Probe und Detektor zu minimieren, was die Empfindlichkeit erhöht. Dies wird durch verwendete Filmdicken unterstützt, von 200 µm bis hinab zu -10 um, und die Notwendigkeit, dass weniger Schichten verwendet werden, um den Abstand zu verkleinern. Somit werden einzelne Schichten multifunktional. Die Funktionen der vorgeschlagenen Flexfolie bestehen im Verschließen mikrofluidischer Wells, in elektrischer Verdrahtung, elektrischer Heizung, Integration von Wärmesenken und/oder Integration von Kühlelementen.
  • Das hier erörterte Konzept kann jedoch auch ohne Flexfolie implementiert werden, wie etwa mit Trägern wie Laminat oder Platinen, sogar mit FAM Packages.
  • Die Anzahl der Schritte des Zusammenbaus kann verringert werden, indem weniger Komponenten und weniger Schichten verwendet werden. Es kann eine lichtdichte Anordnung erreicht werden, die eine Photonenzähldetektion mit hoher Empfindlichkeit ermöglicht, z. B. alles in Schwarz usw. Einige oder alle Komponenten können wegwerfbar sein und mit einem kleinen Formfaktor implementiert werden (wie eine SD-Karte, oder kleiner).
  • Die Flexfolie und/oder der Träger ermöglicht, einen Wärmeableiter oder Kühler zu integrieren (wobei etwa ein kleinstes Peltier-Element von 1 mm2 ausreichend sein kann, um die Empfindlichkeit beträchtlich zu erhöhen). Mit einer Flexfolie kann eine integrierte elektrische Verdrahtung für ASIC, ein integrierter Heizer mit dem Verschließen der mikrofluidischen Kartusche kombiniert werden.
  • Die folgende Beschreibung von Figuren beispielhafter Ausführungsformen kann Aspekte des verbesserten Konzepts noch weiter veranschaulichen und erläutern. Komponenten und Teile mi derselben Struktur bzw. derselben Wirkung sind mit äquivalenten Bezugszeichen versehen. Sofern Komponenten und Teile in verschiedenen Figuren einander hinsichtlich ihrer Funktion entsprechen, wird die Beschreibung derselben nicht unbedingt für jede der nachfolgenden Figuren wiederholt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Figuren zeigen:
    • 1 eine beispielhafte Ausführungsform einer mikrofluidischen Anordnung,
    • 2 eine andere beispielhafte Ausführungsform einer mikrofluidischen Anordnung,
    • 3 eine andere beispielhafte Ausführungsform einer mikrofluidischen Anordnung,
    • 4 eine beispielhafte Ausführungsform einer mikrofluidischen Kartusche,
    • 5 eine andere beispielhafte Ausführungsform der Flexfolie einer mikrofluidischen Kartusche,
    • 6 eine andere beispielhafte Ausführungsform der Flexfolie einer mikrofluidischen Kartusche, und
    • 7 eine andere beispielhafte Ausführungsform der Flexfolie einer mikrofluidischen Kartusche, und
    • die 8A, 8B beispielhafte Ausführungsformen einer mikrofluidischen Messanordnung.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer mikrofluidischen Anordnung. Die Anordnung umfasst eine mikrofluidische Kartusche und eine Flexfolie.
  • Die Flexfolie umfasst ferner einen Trägerfilm CFL. Der Trägerfilm ist zum Beispiel eine Kunststofffolie und weist eine Dicke zwischen 10 und 200 µm auf. Weiterhin umfasst die Flexfolie elektrische Verdrahtung WIR, welche auf dem Trägerfilm angeordnet ist. Alternativ dazu kann die Verdrahtung auch in den Trägerfilm eingebettet sein. Die Verdrahtung kann mit einer Schnittstelle (nicht dargestellt) verbunden sein, um die Flexfolie und ihre Komponenten über die Schnittstelle zum Beispiel mit einem Lesegerät zu verbinden.
  • Der Trägerfilm CFL ist in verschiedene Abschnitte strukturiert. Es sind Abschnitte vorhanden, welche optisch transparentes Material umfassen und optisch transparente Fenster OTW bilden. Andere Abschnitte weisen optisch undurchlässiges Material auf. Bei dieser Ausführungsform ist der Trägerfilm von der Innenseite her strukturiert. Zum Beispiel werden dabei photopische Filme oder pigmentierte Filme verwendet, strukturiert oder nicht. Alternativ dazu kann der Trägerfilm von der Außenseite her strukturiert sein. Zum Beispiel umfasst der Trägerfilm eine Schicht des optisch transparenten Materials. Das optisch undurchlässige Material ist auf eine strukturierte Weise auf diese Schicht aufgebracht worden, z. B. unter Verwendung einer schwarzen Beschichtung, von schwarzer Farbe, schwarzem Klebstoff, einer schwarzen Form oder eines anderen nicht reflektierenden Materials. Diese Struktur kann als eine strukturierte Schicht von optisch undurchlässigem Material betrachtet werden. Die Abschnitte, welche frei von optisch undurchlässigem Material bleiben, bilden die optisch transparenten Fenster OTW. Alternativ dazu können die OTW aus Ausschnitten in dem Trägerfilm CFL bestehen.
  • Eine integrierte Photodetektorschaltung IPC und eine integrierte Treiberschaltung IDC sind auf dem Trägerfilm CFL angeordnet und an ihm befestigt. Sowohl die integrierte Photodetektorschaltung IPC als auch die integrierte Treiberschaltung IDC sind mit der Verdrahtung mithilfe von Kontakthöckern (Bumps) BMP elektrisch verbunden. Auf diese Weise besteht eine elektrische Verbindung zwischen den Schaltungen und auch, z. B. über die Schnittstelle, zu einer externen Komponente. Zum Beispiel steuert die integrierte Treiberschaltung IDC während des Betriebs die mikrofluidische Kartusche und/oder die integrierte Photodetektorschaltung. Alternativ dazu kann die elektrische Verbindung zwischen der Verdrahtung auf dem Trägerfilm CFL und den integrierten Schaltungen IPC und IDC durch anisotropes leitfähiges Band oder Paste/Klebstoff hergestellt werden.
  • Die integrierte Photodetektorschaltung IPC ist als eine ASIC mit einem oder mehreren Photodetektoren PDE, die in eine gemeinsame integrierte Schaltung integriert sind, implementiert. Die Anzahl der Photodetektoren entspricht einer Anzahl von Messungen, welche parallel durchgeführt werden können. Typischerweise sind die Photodetektoren Photodioden, wie etwa Einzelphoton-Avalanche-Photodioden, welche eine hochempfindliche (Photonenzählungs-) Detektion gewährleisten.
  • In der Zeichnung sind die Photodetektoren PDE als Verarmungsbereiche von SPADs dargestellt. Diese Bereiche sind als aktive Flächen, die der mikrofluidischen Kartusche zugewandt sind, gegenüber jeder Detektionskammer DEC auf dem Trägerfilm CFL angeordnet. Die integrierte Photodetektorschaltung IPC und somit die aktiven Flächen sind mittels einer Passivierungsschicht PAL des CMOS geschützt, welche auf der integrierten Photodetektorschaltung sowie der Treiberschaltung angeordnet ist. Weiterhin sind die Bumps auf der Fläche SF1 angeordnet, die der mikrofluidischen Kartusche zugewandt ist, um einen elektrischen Kontakt der integrierten Photodetektorschaltung mit der Verdrahtung WIR zu ermöglichen. Weiterhin ist eine Abstandshalterstruktur SST, die z. B. eine Form oder Klebstoff umfasst, auf der Fläche SF1 angeordnet. Mittels dieser Abstandshalterstruktur befindet sich die Flexfolie in einem Abstand von der Fläche SF1 sowohl der integrierten Photodetektorschaltung IPC als auch der Treiberschaltung IDC. Gleichzeitig schützt und verschließt die Abstandshalterstruktur SST einen Detektionshohlraum CVT. Die Abstandshalterstruktur klebt auch an dem Trägerfilm CFL und befestigt dadurch die integrierte Photodetektorschaltung IPC und die Treiberschaltung IDC an der Flexfolie. Schließlich kann die Abstandshalterstruktur SST auf eine solche Weise strukturiert sein, dass sie als optische Barriere wirkt, um das optische Übersprechen zwischen den verschiedenen Paaren/Sätzen DEC-PDE zu minimieren. Zum Beispiel können die Detektionshohlräume CVT in der Abstandshalterstruktur SST so angeordnet sein, dass die Photodetektoren PDE von der Struktur umschlossen sind. Auf diese Weise kann das optische Übersprechen zwischen den Photodetektoren reduziert werden. Vorzugsweise ist die Abstandshalterstruktur aus lichtundurchlässigen Materialien hergestellt.
  • Die mikrofluidische Kartusche umfasst eine oder mehrere Detektionskammern DEC, welche in einem Kartuschenkörper CAB angeordnet sind. Der Kartuschenkörper kann aus Glas oder Kunststoff oder einer Form aus transparentem oder lichtundurchlässigem Material oder einer Kombination von beidem bestehen. Die mikrofluidische Kartusche umfasst eine einzige Detektionskammer (ein einziger Kanal), um eine Messung nach der anderen zu ermöglichen, oder eine Anzahl von Detektionskammern (mehrere Kanäle), um eine Anzahl von Messungen zu ermöglichen, welche parallel durchgeführt werden können. In diesem Fall ist der Kartuschenkörper CAB aus lichtundurchlässigen Materialien hergestellt, um optisches Übersprechen zu reduzieren.
  • Die mikrofluidische Kartusche umfasst ferner eine Anzahl von Mikrokanälen MCH, welche ebenfalls in einem Kartuschenkörper angeordnet sind. Die Mikrokanäle sind mit den Detektionskammern verbunden, um eine zu testende Flüssigkeit einzufüllen. Zum Beispiel kann ein spezieller Mikrokanal für jede Detektionskammer vorhanden sein, um den Detektionskammern individuell eine zu testende Flüssigkeit zuzuführen. Es kann jedoch auch eine Anzahl von Detektionskammern einen gemeinsamen Mikrokanal verwenden, so dass ihnen dieselbe zu testende Flüssigkeit zugeführt wird. Oder er kann zu derselben Kammer für Abfallflüssigkeit hinausführen.
  • Die mikrofluidische Kartusche ist auf dem Trägerfilm CFL so angeordnet, dass die Photodetektoren PDE zu den optisch transparenten Fenstern OTW angeordnet sind. Zum Beispiel ruht der Trägerfilm CFL auf der Abstandshalterstruktur SST. Tatsächlich ist der Trägerfilm CFL mit der Abstandshalterstruktur SST nur über seine Abschnitte verbunden, die das optisch undurchlässige Material aufweisen, während die Abschnitte aus optisch transparentem Material praktisch offengehalten werden. Auf diese Weise sind die Detektionshohlräume auch zu den optisch transparenten Fenstern OTW und den Detektionskammern DEC der mikrofluidischen Kartusche ausgerichtet. Gleichzeitig ist ein bestimmter Photodetektor PDE von der integrierten Photodetektorschaltung IPC zu einer jeweiligen Detektionskammer DEC ausgerichtet.
  • Die Flexfolie hat gleichzeitig zwei Funktionen. Erstens stellt sie elektrische Verdrahtungsstrukturen zum Herstellen des elektrischen Kontakts der integrierten Photodetektorschaltung IPC und der integrierten Treiberschaltung IDC bereit. Zweitens ist die mikrofluidische Kartusche, d. h. sind die Detektionskammern DEC und/oder Mikrokanäle MCH gegenüber der Umgebung mittels der Flexfolie abgedichtet, und nicht mit einem zusätzlichen Verschlussfilm. Auf diese Weise befinden sich die Photodetektoren nicht in direktem Kontakt mit der zu testenden Flüssigkeit. Außerdem wird kein extra Platz benötigt, da kein Verschlussfilm erforderlich ist. Dies gewährleistet einen kürzeren Abstand zwischen Detektionskammer und Photodetektor. Infolge der 1/R2-Abhängigkeit kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
  • Optional kann die Flexfolie die Verdrahtung WIR (oder eine zusätzliche Verdrahtung) zum Erwärmen der Detektionskammern verwenden. Auf diese Weise kann die Verdrahtung als ein Heizelement wirken. Es können auch andere Heizelemente vorhanden sein, die in die Flexfolie integriert sind, wie etwa Thermoelemente. Tatsächlich können solche Heizelemente in der Flexfolie so angeordnet sein, dass sie sich in thermischem Kontakt mit einer einzigen Detektionskammer DEC (ein Kanal) oder mit einer Anzahl von Detektionskammern (mehrere Kanäle) befinden. Infolge des thermischen Kontakts kann das Heizelement Wärme zu einer oder mehreren der Detektionskammern leiten und kann eine Temperatur einer zu testenden Flüssigkeit ändern, welche in den Detektionskammern vorhanden sein kann. Auf diese Weise kann die Flüssigkeit in einer Detektionskammer auf eine gewünschte Temperatur erwärmt werden, oder eine solche Temperatur kann für eine Dauer einer oder mehrerer aufeinander folgender Messungen konstant gehalten werden, um eine Referenzbedingung einzustellen. Zum Beispiel kann die Flüssigkeit auf Raumtemperatur eingestellt werden, oder auf 37 °C, um eine Körpertemperatur zu imitieren. Das Heizelement kann mit der integrierten Schaltung und/oder mit einer Treiberschaltung elektrisch verbunden sein.
  • Bei anderen Ausführungsformen kann die Flexfolie einfach eine einzige Schicht aus entweder optisch transparentem oder optisch undurchlässigem Material umfassen. Die Strukturierung kann innen oder außen erzielt werden, wie oben erläutert. Jedoch können in dem Fall, wenn die Flexfolie eine einzige Schicht aus optisch undurchlässigem Material umfasst, Ausschnitte die Flexfolie in die Abschnitte strukturieren, um die optisch transparenten Fenster zu bilden. Zum Beispiel können die Ausschnitte Hohlräume definieren, welche zu den Photodetektoren und Detektionskammern ausgerichtet sind.
  • 2 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform einer mikrofluidischen Anordnung. Diese Ausführungsform ist der in 1 dargestellten ähnlich. Im Folgenden werden einige Aspekte hervorgehoben, während andere nicht nochmals im Detail erörtert werden, aber trotzdem vorhanden sein können.
  • Bei dieser Ausführungsform umfasst die mikrofluidische Kartusche mehrere Detektionskammern oder, wie dargestellt, eine einzige Detektionskammer sowie einen einzigen oder mehrere Kanäle. Ein Heizelement HEL ist in einer Flexfolie angeordnet. Zum Beispiel umfasst das Heizelement eine Heizspirale. Die Flexfolie ist auf der mikrofluidischen Kartusche angeordnet, d. h. an einer Fläche des Kartuschenkörpers (nicht dargestellt). Weiterhin ist die Flexfolie an der integrierten Photodetektorschaltung und Treiberschaltung durch ein anisotropes leitfähiges Band ACT befestigt. Die Folie ist optisch transparent oder kann eine Anzahl von Ausschnitten CUT umfassen, welche zu den Photodetektoren PDE ausgerichtet sind. Die integrierte Photodetektorschaltung IPC und die Treiberschaltung IDC sind an einem Träger CAR angebracht, welcher ein Polyimid-Laminat oder eine Leiterplatte sein kann. Diese Schicht kann auch durch einen metallischen Wärmeableiter ersetzt werden, um Wärme von den integrierten Schaltungen abzuleiten.
  • Die Flexfolie kann eine einzige Schicht aus optisch undurchlässigem Material mit Ausschnitten, um die Fenster OTW zu bilden, umfassen. Zum Beispiel können die Ausschnitte Hohlräume definieren, welche zu den Photodetektoren und Detektionskammern ausgerichtet sind.
  • Die Flexfolie kann jedoch auch doppelseitig mit unterschiedlicher Funktionalität sein. Zum Beispiel ist ein Heizelement, wie etwa eine Verdrahtung oder Spirale, auf einer Seite zur Erwärmung angeordnet (oder in sie eingebettet). Und auf der anderen Seite ist die Verdrahtung zum elektrischen Kontakt mit den integrierten Schaltungen angeordnet (oder in die andere Seite eingebettet). Trotz dieser zweifachen Funktionalität spart die Flexfolie noch immer Foliendicke ein, z. B. im Vergleich zu einem zusätzlichen Verschlussfilm.
  • 3 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform einer mikrofluidischen Anordnung. Diese Ausführungsform ist den in den 1 und 2 dargestellten ähnlich. Im Folgenden werden einige Aspekte hervorgehoben, während andere nicht nochmals im Detail erörtert werden, aber trotzdem vorhanden sein können.
  • Diese Ausführungsform kann als eine Kombination derjenigen betrachtet werden, die oben unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erörtert wurden. Eine zusätzliche Dicke und ein Montageschritt können eingespart werden, indem ein anisotropes leitfähiges Band ACT verwendet wird, und nicht eine Abstandshalterstruktur SST. Die flexible Folie kann außerhalb der Fenster OTW ausreichend lichtundurchlässig oder schwarz sein, um Übersprechen zu beseitigen (z. B. mit Dispens- oder Siebdruck gedruckt, oder basierend auf einem photopischen Film). Optional kann die Folie doppelseitig oder zweischichtig sein, um ein Heizelement aufzuweisen. Die integrierte Photodetektorschaltung IPC und die Treiberschaltung IDC können optional auf einem Träger CAR angebracht sein, welcher ein Polyimid-Laminat oder eine Leiterplatte sein kann. Diese Schicht kann auch durch einen metallischen Wärmeableiter ersetzt werden, um Wärme von den integrierten Schaltungen abzuleiten.
  • Die Verwendung eines Trägers unterstützt auch die Verwendung eines Kühlelements. Das Kühlelement kann optional in thermischem Kontakt mit der integrierten Photodetektorschaltung IPC angeordnet sein. Zum Beispiel kann das Kühlelement direkt unter der integrierten Photodetektorschaltung oder einem Träger angebracht sein. Eine Option besteht darin, das Kühlelement durch ein Peltier-Element zu implementieren, wobei dessen kühlende Seite an der integrierten Photodetektorschaltung angebracht ist. In einer seitlichen Abmessung hat das Peltier-Element eine ähnliche Größe wie die integrierte Photodetektorschaltung. Somit kann ein kleines Peltier-Element ausreichen, um alle Photodetektoren in der integrierten Photodetektorschaltung zu kühlen. Ein Kühlkörper unterstützt zusätzlich eine effiziente Wärmeübertragung zu und weg von der integrierten Photodetektorschaltung. Die Wärmeableiter können zum Beispiel als Vias in dem Träger implementiert sein.
  • 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer mikrofluidischen Kartusche mit einem Verschlussfilm. Die Zeichnung oben veranschaulicht die mikrofluidische Kartusche, d. h. nicht in ihrem zusammengebauten Zustand, wie in 1 dargestellt. Die mikrofluidische Kartusche ist mit einem Verschlussfilm abgedichtet. Der Verschlussfilm kann die Flexfolie oder ein strukturierter Verschlussfilm sein. Die Zeichnung unten zeigt die mikrofluidische Kartusche mit dem Verschlussfilm in einer Draufsicht (von unten, von der integrierten Photodetektorschaltung aus gesehen). Sie zeigt die optisch transparenten Fenster OTW, welche entweder Ausschnitte in dem Trägerfilm CFL oder ein Abschnitt von optisch transparentem Material sind. Die Detektionskammern (nicht dargestellt) sind unter den optisch transparenten Fenstern OTW angeordnet.
  • 5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines strukturierten Verschlussfilms. Der Film umfasst eine einzige Schicht, die eine Struktur von Abschnitten mit optisch transparentem Material und optisch undurchlässigem Material aufweist. Der Film umfasst eine Schicht aus optisch transparentem Material und kann von der Außenseite her strukturiert sein, z. B. einseitig, beidseitig oder durch Injizieren von Pigmenten oder Kohlenstoff. Es kann auch ein photopisches Material verwendet werden, um dieselbe Anisotropie in der optischen Dichte, seitwärts im Film gegenüber senkrecht zum Film, zu erzielen.
  • 6 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform eines strukturierten Verschlussfilms. Der Film umfasst eine Schicht LOT aus optisch transparentem Material und eine Schicht LOO aus optisch undurchlässigem Material, die übereinandergestapelt sind. Alternativ dazu kann die Schicht LOO auch, z. B. einseitig, durch schwarze Farbe oder Klebstoffe hergestellt sein.
  • 7 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform einer mikrofluidischen Kartusche. Der Film umfasst eine Schicht LOT aus optisch transparentem Material und zwei Schichten LOO aus optisch undurchlässigem Material, die übereinandergestapelt sind. Alternativ dazu kann die Schicht LOO auch, z. B. beidseitig, durch schwarze Farbe oder Klebstoffe hergestellt sein.
  • Die in den 4 bis 7 dargestellten Filme können in schwarze und klare Teile strukturiert sein. Zum Beispiel wird der Film durch einen Dünnschicht-Formprozess oder einen Dotierprozess mit schwarzem Kohlenstoff hergestellt. Der Film kann von der Außenseite her strukturiert sein, z. B. einseitig, beidseitig oder durch schwarze Farbe oder Klebstoff.
  • Die 8A und 8B zeigen eine beispielhafte Ausführungsformen einer mikrofluidischen Messvorrichtung. Die Vorrichtung umfasst eine mikrofluidische Kartusche, wie in die vorhergehenden Figuren erläutert. Weiterhin umfasst die Vorrichtung ein Lesegerät RED, welches eine Öffnung zum Einsetzen der mikrofluidischen Kartusche in eine Messposition aufweist.
  • Die mikrofluidische Messvorrichtung kann implementiert sein, um eine auf Fluoreszenz basierende Messung oder eine auf Chemolumineszenz basierende Messung durchzuführen. Für die erste Art von Messungen kann das Lesegerät mit einer Anregungslichtquelle ausgestattet sein, um die eine oder mehreren Detektionskammern zu beleuchten, und/oder mit einer Verarbeitungseinheit, um die Lichtquelle zu steuern. Auf diese Weise können die Photodetektoren Fluoreszenz registrieren, die von der Flüssigkeit in den Detektionskammern zurückgegeben wird. In einem solchen Fall sind die Photodetektoren mit der erforderlichen optischen Filteranordnung ausgestattet, um die Anregungslichtwellenlänge zu blockieren und die Fluoreszenzwellenlänge zu detektieren.
  • Chemolumineszenz ist die Emission von Licht (Lumineszenz) im Ergebnis einer chemischen Reaktion. Für die zweite Art von Messungen muss das Lesegerät nicht unbedingt mit einer Lichtquelle ausgestattet sein, da möglicherweise keine Anregung erforderlich ist, um Lumineszenz auszulösen. Jedoch kann die mikrofluidische Kartusche, d. h. Mikrokanäle, verwendet werden, um chemische Verbindungen einzusetzen, um chemische Reaktionen auszulösen, wie Testfluide wie Urin, Speichel, Blut oder Derivate davon, welche eine chemolumineszente Antwort auslösen und erzeugen. Dies kann durch die Verarbeitungseinheit gesteuert und/oder verarbeitet werden. Das Lesegerät kann dafür ausgerüstet sein, eine der oben erläuterten Arten von Messungen oder beide durchzuführen. Das Lesegerät kann mit einer USB-Schnittstelle ausgestattet sein (8A), oder mit einer Schnittstelle für ein drahtloses Netzwerk wie etwa Bluetooth (8B).
  • Obwohl diese Patentbeschreibung viele spezifische Details enthält, sollen diese nicht als Einschränkungen des Umfangs des verbesserten Konzepts oder des beanspruchten Gegenstands ausgelegt werden, sondern vielmehr als Beschreibungen von Merkmalen, die für bestimmte Ausführungsformen des verbesserten Konzepts spezifisch sind. Gewisse Merkmale, welche in dieser Patentbeschreibung im Kontext von unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben sind, können auch in einer Kombination bei einer einzigen Ausführungsform implementiert werden. Umgekehrt können verschiedene Merkmale, welche im Kontext einer einzigen Ausführungsform beschrieben sind, auch getrennt voneinander in mehreren Ausführungsformen oder in einer beliebigen geeigneten Unterkombination implementiert werden. Weiterhin können, obwohl Merkmale oben als in bestimmten Kombinationen wirkend beschrieben und sogar zunächst als solche beansprucht sein können, ein oder mehrere Merkmale aus einer beanspruchten Kombination in einigen Fällen aus der Kombination ausgenommen werden, und die beanspruchte Kombination kann auf eine Unterkombination oder Variation einer Unterkombination gerichtet sein.
  • In ähnlicher Weise gilt, dass, während Operationen in den Zeichnungen in einer bestimmten Reihenfolge dargestellt sind, dies nicht so verstanden werden sollte, dass es erforderlich ist, dass diese Operationen in der dargestellten bestimmten Reihenfolge oder nacheinander durchgeführt werden, oder dass alle dargestellten Operationen durchgeführt werden, um wünschenswerte Ergebnisse zu erzielen. Unter bestimmten Umständen können Multitasking und Parallelverarbeitung vorteilhaft sein.
  • Es wurde eine Anzahl von Implementierungen beschrieben. Trotzdem können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Wesen und Schutzbereich des verbesserten Konzepts abzuweichen. Dementsprechend sind auch andere Implementierungen im Schutzbereich der Ansprüche enthalten.
  • Die mikrofluidische Kartusche kann mit einer Flexfolie verwendet werden, welche die Kartusche abdichtet und die integrierten Schaltungen verbindet. Die Kartusche kann jedoch auch mit einem Verschlussfilm zum Abdichten verwendet werden, und mit integrierten Schaltungen, die auf einem Träger angeordnet sind.
  • In diesem Zusammenhang betreffen weitere Aspekte die Integration eines optischen Detektionschips und einer mikrofluidischen Kartusche, die lichtemittierende Chemikalien enthält. Insbesondere ist bei niedrigen Signalstärken, wie für Photonenzählung, wie sie bei den meisten empfindlichen biodiagnostischen Reaktionen zur Anwendung kommt, eine Integration mit unmittelbarer Nähe wichtig, da Lichtintensitäten mit 1/R2 abnehmen, wobei R der Abstand zwischen der Mikrofluidik (= Probe) und dem Detektor ist.
  • Lösungen umfassen einen mittels FAM (Film Assisted Molding, filmunterstützte Ausformung) hergestellten Package-Sensorchip in Schnittstelle mit der mikrofluidischen Kartusche oder einen auf Flexfolie gebondeten Sensorchip in Schnittstelle mit der mikrofluidischen Kartusche, oder TSV (Through-Silicon Vias, Silicium-Durchkontaktierungen) enthaltende Chips in Schnittstelle mit der mikrofluidischen Kartusche. Eine mikrofluidische Kartusche kann über einer Montageöffnung der Sensor-ASIC angeordnet sein. Eine mikrofluidische Kartusche kann in der Montageöffnung der Sensor-ASIC angeordnet sein. Eine mikrofluidische Kartusche kann in der Montageöffnung der Sensor-ASIC so angeordnet sein, dass sich das Fluid in direktem Kontakt mit der Sensor-ASIC befindet.
  • Eine Integration von elektrischer Verdrahtung und Heizer kann in der Flexfolie, in integrierten Schaltungen und/oder in einem Träger erzielt werden. Eine Integration eines Kühlelements (Peltier-Element, MEMS-Kühler) kann optional erfolgen. Es kann eine einzige Flexfolie verwendet werden, um integrierte (Detektor-)Schaltungen elektrisch zu verdrahten und in Kontakt zu bringen sowie um die Wells der mikrofluidischen Kartusche abzudichten.
  • Das vorgeschlagene Konzept ermöglicht einen einfacheren Zusammenbau, einschließlich Einkanal- und Mehrkanaldetektion mit nur einer ASIC-Platzierung (geringe Kosten des Zusammenbaus, hohe Ausbeute, weniger Ausrichtungsprobleme), ein reduziertes Übersprechen zwischen Kanälen, einen reduzierten Abstand zwischen Probe und Detektor, was eine erhöhte Empfindlichkeit bewirkt, weniger Schritte des Zusammenbaus, eine lichtdichte Anordnung, die eine Photonenzähldetektion ermöglicht, einen integrierten Wärmeableiter und/oder Kühler, und mit Flexfolie: integrierte elektrische Verdrahtung für ASIC, einen integrierten Heizer, ein Verschließen der Kartusche.
  • Referenzbezeichnungen
    • ACT
    anisotropes leitfähiges Band
    BMP
    Kontakthöcker (Bump)
    CAB
    Kartuschenkörper
    CAR
    Träger
    CFL
    Trägerfilm
    CUT
    Ausschnitt
    CVT
    Detektionshohlraum
    DEC
    Detektionskammer
    IDC
    integrierte Treiberschaltung
    IPC
    integrierte Photodetektorschaltung
    HSK
    Wärmeableiter
    LOO
    Schicht aus optisch undurchlässigem Material
    LOT
    Schicht aus optisch transparentem Material
    MCH
    Mikrokanal
    OTW
    optisch transparentes Fenster
    PAL
    Passivierungsschicht
    PDE
    Photodetektor
    RED
    Lesegerät
    SF1
    Fläche
    WIR
    elektrische Verdrahtung

Claims (15)

  1. Flexfolie zum Abdichten einer mikrofluidischen Kartusche, welche einen flexiblen Trägerfilm (CFL) und eine mindestens einen Photodetektor (PDE) umfassende integrierte Photodetektorschaltung (IPC) umfasst, wobei: - der Trägerfilm (CFL) mindestens ein optisch transparentes Fenster (OTW) umfasst, - die integrierte Photodetektorschaltung (IPC) auf dem Trägerfilm (CFL) so angeordnet ist, dass der Photodetektor (PDE) zu dem optisch transparenten Fenster (OTW) ausgerichtet ist, und - die integrierte Photodetektorschaltung (IPC) elektrisch und funktionell mit dem flexiblen Trägerfilm verbunden ist.
  2. Flexfolie nach Anspruch 1, wobei: - der Trägerfilm (CFL) ein Array von optisch transparenten Fenstern (OTW) umfasst, - die integrierte Photodetektorschaltung (IPC) ein Array von Photodetektoren umfasst, und - die integrierte Photodetektorschaltung (IPC) derart auf dem Trägerfilm (CFL) angeordnet ist, dass jeder Photodetektor (PDE) zu einem jeweiligen optisch transparenten Fenster (OTW) ausgerichtet ist.
  3. Flexfolie nach Anspruch 1 oder 2, wobei: - der Trägerfilm (CFL) optisch transparentes und optisch undurchlässiges Material umfasst, und - der Trägerfilm (CFL) so strukturiert ist, dass Abschnitte des Trägerfilms (CFL), die das optisch transparente Material umfassen, das eine oder die mehreren optisch transparenten Fenster (OTW) bilden, und/oder dass Abschnitte des Trägerfilms Ausschnitte aufweisen.
  4. Flexfolie nach Anspruch 3, wobei: - der Trägerfilm (CFL) mindestens eine Schicht (LOT) des optisch transparenten Materials und mindestens eine Schicht (LOO) des optisch undurchlässigen Materials umfasst, und - der Trägerfilm (CFL) so strukturiert ist, dass Abschnitte der Schichten (LOT, LOO) das eine oder die mehreren optisch transparenten Fenster (OTW) bilden.
  5. Flexfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche ferner eine integrierte Treiberschaltung (IDC) umfasst, wobei: - die integrierte Treiberschaltung (IDC) auf dem Trägerfilm (CFL) angeordnet ist, und - die integrierte Treiberschaltung (IDC) elektrisch und funktionell mit dem flexiblen Trägerfilm (CFL) verbunden ist.
  6. Flexfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche ferner elektrische Verdrahtung (WIR) und eine Schnittstelle (INT) umfasst, wobei die Verdrahtung (WIR) dazu betreibbar ist, eine elektrische Verbindung zu der integrierten Photodetektorschaltung (IPC) und/oder der integrierten Treiberschaltung (IDC) über die Schnittstelle (INT) herzustellen.
  7. Flexfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: - der Trägerfilm (CFL) eine oder mehrere Klebeverbindungen (GJO) umfasst, um einen Kontakt des Trägerfilms (CFL) mit der integrierten Photodetektorschaltung (IPC) und/oder der integrierten Treiberschaltung (IDC) herzustellen, - der Trägerfilm (CFL) eine oder mehrere strukturierte Abstandshalterstrukturen (SST) umfasst, um einen Kontakt des Trägerfilms (CFL) mit der integrierten Photodetektorschaltung (IPC) und/oder der integrierten Treiberschaltung (IDC) herzustellen und/oder optisches Übersprechen zwischen den Photodetektoren (PDE) zu blockieren, oder - die integrierte Photodetektorschaltung (IPC) und/oder die integrierte Treiberschaltung (IDC) in den Trägerfilm (CFL) eingebettet sind.
  8. Flexfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Trägerfilm (CFL) eine Dicke zwischen 10 und 200 µm aufweist.
  9. Mikrofluidische Kartusche für eine mikrofluidische Anordnung, welche einen Kartuschenkörper (CAB) umfasst, der wenigstens eine Detektionskammer (DEC) aufweist, welche mit einem Mikrokanal (MCH) verbunden ist, um eine zu testende Flüssigkeit aufzunehmen.
  10. Mikrofluidische Kartusche nach Anspruch 9, wobei der Kartuschenkörper (CAB) mehrere Detektionskammern (DEC) umfasst, welche mit einem jeweiligen Mikrokanal (MCH) verbunden sind, um eine oder mehrere zu testende Flüssigkeiten aufzunehmen.
  11. Mikrofluidische Kartusche nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Kartuschenkörper (CAB) ein optisch undurchlässiges und/oder nicht reflektierendes Material umfasst.
  12. Mikrofluidische Kartusche nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei: - die Detektionskammern (DEC) und/oder Mikrokanäle (MCH) im Kartuschenkörper (CAB) als offene Hohlräume ausgebildet sind und/oder - die Detektionskammern (DEC) und/oder Mikrokanäle (MCH) mittels eines auf dem Kartuschenkörper (CAB) angeordneten Verschlussfilms abgedichtet sind, insbesondere mittels des Verschlussfilms anstelle oder zusätzlich zu der Flexfolie abgedichtet sind.
  13. Mikrofluidische Anordnung, welche umfasst: - einen Verschlussfilm, der an der mikrofluidischen Kartusche befestigt ist, um so Detektionskammern (DEC) und/oder Mikrokanäle (MCH) abzudichten, und - eine mikrofluidische Kartusche nach einem der Ansprüche 9 bis 12, und wobei: - die mikrofluidische Kartusche auf dem Verschlussfilm so angeordnet ist, dass einer oder mehrere der Photodetektoren (PDE) der integrierten Photodetektorschaltung (IPC) zu einer jeweiligen Detektionskammer (DEC) ausgerichtet sind.
  14. Mikrofluidische Anordnung nach Anspruch 13, wobei: - eine Flexfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zusätzlich zu dem Verschlussfilm an der mikrofluidischen Kartusche befestigt ist; oder wobei - der Verschlussfilm die Flexfolie nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfasst.
  15. Mikrofluidische Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, welche ferner ein Lesegerät umfasst, wobei das Lesegerät eine Öffnung zum Einsetzen der mikrofluidischen Kartusche in eine Messposition umfasst, um eine Fluoreszenz- und/oder Chemolumineszenz-Messung durchzuführen.
DE112022002144.6T 2021-07-08 2022-05-18 Flexfolie, mikrofluidische kartusche und mikrofluidische anordnung Pending DE112022002144T5 (de)

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DE102021117680.8 2021-07-08
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