DE19739722A1 - Zwei- und Dreidimensionale fluidische Mikrosysteme aus Leiterplatten - Google Patents

Zwei- und Dreidimensionale fluidische Mikrosysteme aus Leiterplatten

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Description

Es ist bekannt, daß fluidische Mikrosysteme aus siliziumbasierten Stoffen bestehen (S. Büttgenbach: Mikromechanik, B. G. Teubner, Stuttgart 1991; A. Heuberger: Mikrome­ chanik, Springer-Verlag, Berlin 1991; u. a.). Die Herstellung erfordert aufwendige tech­ nologische Einrichtungen und Ausstattungen.
Mit Hilfe der LIGA-Technik können ebenfalls fluidische Mikrosysteme hergestellt wer­ den (R. Rapp, W. K. Schomburg, P. Bley: Konzeption, Entwicklung und Realisierung einer Mikromembranpumpe in LIGA-Technik, Kernforschungszentrum Karlsruhe 1993).
Miniaturisierte Systeme für Flüssigkeiten werden an der Technischen Universität Wien hergestellt, die aus einem Trägermaterial und mehreren, unterschiedlich strukturierten Laminatschichten bestehen. Als Trägermaterialen werden hier Keramiken, Glas und Leiterplatten (FR4) eingesetzt. (P. Svasek, G. Jobst, G. Urban, E. Svasek: Dreidimen­ sionale Mikrosystemtechnik mit Trockenresisten, Technische Universität Wien).
Es bestand das Problem, auch ohne aufwendige technologische Ausrüstung kostengün­ stige fluidische Mikrosysteme für viele Anwendungen zu schaffen, mit denen eine enge Kopplung von fluidischen und elektronischen Komponenten ermöglicht wird. Dieses bringt Vorteile, da für Sensoren und Aktoren als Bestandteile fluidischer Mikrosysteme meistens eine elektronische Ankopplung zur Energiezufuhr und Datenverarbeitung notwendig ist. Der Kostenaufwand ist für fast alle Anwendungsgebiete ein entscheiden­ des Kriterium und muß daher so niedrig wie möglich liegen.
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch angeführte Vorrichtung gelöst. Er­ staunlicherweise können strukturierte Leiterplatten wesentliche Bestandteile fluidischer Mikrosysteme bilden.
Der Einsatz strukturierter Leiterplatten für eines fluidischen Mikrosystem ermöglicht eine Herstellung von fluidischen und elektronischen Systemkomponenten mit vielen gemeinsamen Herstellungsschritten. An die technologische Ausstattung werden dabei nur sehr moderate Anforderungen gestellt. Es wird möglich, mit im Vergleich z. B. zur Sili­ ziumtechnologie einfachen Mitteln fluidische Mikrosysteme zusammen mit notwendi­ gen elektronischen Baugruppen zu erzeugen. Als Ergebnis liegen kostengünstige fluidi­ sche Mikrosysteme für ein weites Anwendungsspektrum auf technischem, medizinisch­ biologischem Gebiet und in der Chemie vor.
Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 ist ein fluidisches Mikrosystem in Leiterplattentechnologie dargestellt, das aus einem Kanal besteht, der zwei Bohrungen miteinander verbindet. Zur besseren Über­ sicht wurde das System mit angehobener oberer Decklatte dargestellt. Als Ausgangsma­ terial dient handelsübliches Leiterplattenmaterial FR4 der Stärke 1,5 mm mit 35 µm Kup­ fer (2). In geeigneter Art und Weise ist die Kupferschicht so strukturiert, daß zwischen den beteiligten Platten (1) Hohlräume in Form eines Kanales (4) bestehen. Die Bohrun­ gen (3) mit einem Durchmesser von 0,6 mm dienen dem Zu- und Abfluß der Flüssigkeiten und Gase. Die Abdeckplatte wird durch eine plane Platten aus Glas gebildet, es können auch Keramiken oder Kunststoffen eingesetzt werden.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein fluidisches Mikrosystem in Leiterplattentechno­ logie. Dieses ist hier in mehreren Ebenen ausgeprägt. Als Verbindung zwischen den Ebenen dienen Bohrungen (5). Die Kanäle für die Fluide sind 100 µm breit und an den Seiten durch Kupferbahnen (2) der strukturierten Leiterplatte begrenzt. Diese Kupfer­ bahnen können zusätzlich für sensorische und aktorische Aufgaben genutzt werden. Z.B. kann durch das Fließen eines starken elektrischen Stromes durch die Kanalwand der Kanal erwärmt oder durch Messung des elektrischen Widerstandes eines Teiles der Kanalwand auf eine Temperaturänderung rückgeschlossen werden. Die Kanalwände werden zur Messung von Ionenkonzentrationen in den Fluiden als Elektroden genutzt. Sind die Wände zum Fluid elektrisch isoliert, wird die Auswertung der Kapazität zweier gegenüberliegender Wände Informationen zu den Fluiden liefern.
Für den fluidischen Anschluß des Systems an die Außenwelt hat es über die Bohrung angebrachte Stutzen (6).
Fig. 3 zeigt ein Vorratsvolumen (7) im Querschnitt, das durch Aussparung der Leiter­ platte zwischen den beiden Ebenen gebildet wird. Dieses Volumen dient dem Fluidsy­ stem als Vorratsvolumen bzw. als Kammer für sensorische oder aktorische Bauelemente (8). Diese Bauelemente haben elektrische Zuleitungen (9), die durch Kupferbahnen auf Leiterplatten einer angrenzenden Ebene gebildet werden.
Fig. 4 zeigt ein aktives Ventil in Leiterplattentechnologie. Zwischen zwei übereinander angeordneten strukturierten Leiterplatten befindet sich eine Membran aus dünner Me­ tallfolie (10). Auch andere Materialien können verwendet werden. Über einen Steuer­ druck (11) wird der Durchfluß eines Fluides (12) in seiner Stärke geregelt. Wird anstelle der Membran ein geeigneter porenhaltiger Stoff gesetzt, wird ein durchströmendes Fluid gefiltert.
Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines Kanales (4) aus Leiterplattenmaterialien. Von innen ist dieser Kanal mit einer Klebeschicht (13) beaufschlagt. Damit wird direkter Kontakt des Fluids mit den Kupferbahnen vermieden. In ähnlicher Art und Weise werden andere fluidische Elemente, z. B. Vorratskammern oder Sensoren, mit Klebstoff oder Lacken beschichtet.
Die elektronischen Schaltungen zur Ansteuerung der Aktoren und Sensoren, zur Daten­ verarbeitung und Stromversorgung sind zusätzlich auf einer oder mehreren beteiligten Leiterplatten untergebracht.
Wurde beim Herstellungsprozeß als Verbundstoff Klebstoff verwendet, werden die Ka­ näle an den Stellen, wo die Kanalwand besonders breit ist, vom Klebstoff verschlossen. Dieses geschah beim Preßvorgang als Folge des Verdrängens von Klebstoff zwischen den Kupferbahnen und der darüber befindlichen Platte. Wesentlich dafür ist die Größe der Fläche, von der der Klebstoff verdrängt wurde, und der Druck, mit dem beim Zu­ sammenfügen gearbeitet wurde. Dieses Kanalverschließen kommt zum Einsatz, wenn Kupferstrukturen gleichzeitig mechanische Aufgaben (z. B. Kanalbegrenzung) und elek­ trische Aufgaben (z. B. kapazitiver Sensor) übernehmen und voneinander elektrisch iso­ liert sein müssen. An den Isolationsstellen kommt es durch den Verschluß nicht zu ei­ nem Entweichen von Fluiden.
Bezugszeichenliste
1
Leiterplattenmaterial
2
strukturierte Kupferschicht
3
Bohrung
4
Kanal in einer Ebene
5
Bohrung zwischen den Ebenen
6
Anschlußstutzen
7
Volumen
8
elektronische Bauelement
9
elektr. Zuleitungen
10
Membran
11
Steuerdruck
12
gesteuerter Strom
13
Versiegelung mit Klebstoff

Claims (1)

  1. Vorrichtung, die aus ein- oder mehrlagigen kupferkaschierten, strukturierten Leiterplat­ ten besteht, die übereinander angeordnet und miteinander verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, daß
    Leiterzüge in geeigneter Weise so angeordnet sind, daß Zwischenräume entstehen,
    die Zwischenräume als Kanäle für Flüssigkeiten und Gase (Fluide) genutzt werden kön­ nen,
    die Zwischenräume mit isolierenden Stoffen, vorzugsweise Klebstoff, gefüllt sein kön­ nen, vorzugsweise dadurch, daß die begrenzenden Leiterzüge an den isolierenden Stof­ fen breiter sind,
    ein mehrlagiger Aufbau aus strukturierten Leiterplatten und nicht strukturierten Leiter­ platten oder Platten aus anderen Materialien besteht,
    Verbindungen für Fluide zwischen den Ebenen durch Bohrungen realisiert sind,
    die Bohrungen über Anschlußstutzen mit anderen Fluidsystemen verbunden sein kön­ nen,
    in einzelnen Platten Aussparungen eingebracht sein können, die als Vorratsvolumina und Reaktionskammern für die Fluide dienen,
    in diesen Aussparungen Sensoren direkt Kontakt zu den Fluiden haben können und elektrische Bauteile (z. B. ein elektrischer Widerstand) Energie übertragen können,
    die Kanäle von innen vollständig mit Klebstoff- oder Lackschichten ausgekleidet sein können, die den direkten Kontakt der Fluide zum Metall und zur Leiterplatte vermeiden, ebene oder strukturierte dünne Folien und Membranen zwischen den Platten als Ventile oder Filter dienen können,
    die kanalbegrenzenden Leitbahnen elektrische Funktionen übernehmen können, vor­ zugsweise zum Heizen der Fluidkanäle, zum Bestimmen der Temperatur und der Leit­ fähigkeit der Fluide oder der Dielektrizitätskonstanten der Fluide,
    ein und dieselbe Leiterplatte Leiterzüge für fluidische Anwendungen und elektronische Schaltungen besitzen kann,
    die Strukturen verwendet werden können für
    • - Transport, Verteilung und Vermischung von Fluiden aller Art, vorzugsweise in Chemie, Biologie, Medizin, beispielsweise Medikamentendosierung und -zusammenstellung,
    • - Analyse von Fluiden aller Art, vorzugsweise in Chemie, Medizin, Biologie, Um­ weltanalytik, Katastrophenschutz,
    • - Veränderung von Fluiden aller Art, vorzugsweise durch chemische Reaktionen oder physikalische Prozesse.
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