DE19851644A1 - Verfahren zum Verbinden von mikrostrukturierten Werkstücken aus Kunststoff sowie nach diesem Verfahren erhaltenes Bauteil - Google Patents
Verfahren zum Verbinden von mikrostrukturierten Werkstücken aus Kunststoff sowie nach diesem Verfahren erhaltenes BauteilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Werkstücke, von
denen zumindest das erste Werkstück an der zu verbindenden Fläche
Mikrostrukturen aus Kunststoff mit kleinsten Strukturabmessungen < 1 mm
aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil umfassend mindestens
zwei miteinander verbundene Körper, von denen mindestens ein Körper an der
mit dem anderen Körper verbundenen Fläche Mikrostrukturen aus Kunststoff
mit kleinsten Strukturabmessungen < 1 mm aufweist.
Verfahren zum Verbinden von Werkstücken aus Kunststoff finden in allen
Gebieten der Technik Anwendung. Insbesondere im Bereich der
Biotechnologie, beispielsweise für Reaktions- und Analysensysteme, sowie der
Hydraulik und Pneumatik werden zunehmend miniaturisierte Fluidiksysteme
aus Kunststoff benötigt. Hierzu werden zu einer Seite hin offene
Mikrostrukturen in Kunststoff abgeformt. Zur Ausbildung von geschlossenen
Fluidiksystemen wird die Mikrostrukturen, wie Stege, Nuten oder kanalartige
Ausnehmungen, aufweisende Oberfläche dieser Kunststoffkörper mit einer
dünnen Kunststoffolie überzogen oder mit anderen strukturierten
Kunststoffkörpern verbunden.
M. A. Roberts et. al. (Anal. chem. 69, 1997, 2035-2042) beschreiben die
Herstellung miniaturisierter Analysensysteme mit Kanälen für Flüssigkeiten.
Hierzu wird auf einen mikrostrukturierten Kunststoffkörper eine Folie mit einer
oberen Schicht aus Polyethylenterephthalat und einer unteren dünnen Schicht
aus Polyethylen bei 125°C auflaminiert. R. M. McCormick et. al. (Anal. Chem.
69, 1997, 2626-2630) beschreiben die Herstellung spritzgegossener
Kunststoffchips mit Mikrokanälen für die Elektrophorese von DNA. Durch
Auflaminieren einer Kunststoffdeckfolie auf die mit Nuten versehenen
Kunststoffkörper werden die Mikrokanäle gebildet. Beim Auflaminieren wird
über 5 Minuten eine Temperatur von 105°C angewendet.
Entscheidender Nachteil dieser Verfahren ist die Anwendung erhöhter
Temperaturen, bei denen je nach verwendetem Kunststoff kleinste
Mikrostrukturen Schaden nehmen können. Da die Folie auf der
aufzulaminierenden Seite einen Kunststoff mit einer niedrigen
Erweichungstemperatur aufweist, besteht, insbesondere bei
biotechnologischen Anwendungen, die Gefahr der Kontamination der
Mikrostrukturen. Weiterhin können mit diesen Verfahren nur Folien einer Dicke
< 500 µm auf mikrostrukturierte Körper auflaminiert, aber keine
Kunststoffkörper miteinander verbunden werden.
Ausgehend vom oben beschriebenen Stand der Technik, ist die Aufgabe der
Erfindung, ein Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken bereitzustellen,
von denen mindestens das erste Werkstück an der zu verbindenden Fläche
Mikrostrukturen aus Kunststoff mit kleinsten Strukturabmessungen < 1 mm
aufweist, bei dem die Werkstücke keinen erhöhten Temperaturen ausgesetzt
werden müssen, und das eine kostengünstige Massenfertigung erlaubt.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, mindestens zwei Körper umfassende
Bauteile zur Verfügung zu stellen, von denen mindestens ein Körper an der mit
dem anderen Körper verbundenen Fläche Mikrostrukturen aus Kunststoff mit
kleinsten Strukturabmessungen < 1 mm aufweist.
Hierzu wird zwischen die zu verbindenden Werkstücke ein organisches
Lösungsmittel oder ein Gemisch organischer Lösungsmittel aufgebracht, wobei
mindestens eines der Lösungsmittel den Kunststoff der zu verbindenden
Fläche mindestens eines Werkstücks anzulösen vermag. Die beiden
Werkstücke werden so miteinander in Verbindung gebracht, daß die
überwiegende Anzahl der zwischen den Strukturen liegenden Hohlräume mit
der Umgebung in Verbindung steht. Es ist völlig ausreichend, wenn Hohlräume
nicht selbst, sondern über andere Hohlräume, beispielsweise Kanäle, zur
Umgebung hin offen sind. Hierdurch wird eine Bildung von der Umgebung
abgeschlossener Hohlräume vermieden. Dies kann beispielsweise dadurch
erfolgen, daß die Strukturen des ersten Werkstücks nicht vollständig vom
zweiten Werkstück abgedeckt werden, oder/und daß eines oder beide der
Werkstücke die Strukturen mit der Umgebung verbindende Löcher bzw.
Durchbrüche aufweisen. Nach einer kurzen Verweilzeit wird durch Anlegen
eines Unterdrucks das bzw. die zwischen den beiden Werkstücken befindlichen
Lösungsmittel zumindest weitgehend entfernt. Dadurch, daß die Strukturen
keine nach außen abgeschlossenen Hohlräume bilden, sondern die
überwiegende Anzahl mit der Umgebung verbunden ist, können durch Anlegen
eines Unterdrucks die zwischen den Mikrostrukturen verbliebenen
Lösungsmittel rasch entfernt werden. Darüberhinaus diffundiert das bzw. die
Lösungsmittel aus Bereichen zwischen den Kontaktflächen nicht nur über die
Außenkanten der Bauteile, sondern auch über die durch die Strukturen
gebildeten Hohlräume in die Umgebung.
Das Kleben von Kunststoffen, insbesondere thermoplastischen Kunststoffen,
alleine mit Hilfe von Lösungsmitteln, also ohne weitere Zusätze, wie Polymere,
ist als Diffusionskleben bekannt (G. Habenicht, Kleben - Grundlagen,
Technologie, Anwendungen, S. 442 und 443, Springer-Verlag, Berlin 1990, 2.
Auflage). Die Lösungsmitteldiffusion an der Kunststoffoberfläche führt zu einem
Quellvorgang und damit einer Volumenzunahme des Substrats, wodurch
größere Klebefugen überbrückt werden können. Zur Erreichung einer optimalen
Festigkeit der Klebung wird genannt, daß alle Lösungsmittelanteile vollständig
entfernt sein müssen, was je nach Fügeteildicke Tage oder Wochen dauern
kann. Weiterhin verursachen niedrigsiedende Lösungsmittel, also eine schnelle
Verdunstung der Lösungsmittel, Eigenspannungen und damit Schädigungen in
der Klebefuge, weshalb die Verwendung von Lösungsmittelgemischen aus
Hoch-, Mittel- und Leichtsiedern empfohlen wird. Um ein Ablaufen der
Lösungsmittel und damit ein Anlösen des Substrats außerhalb der Klebefuge
zu vermeiden, wird eine Erhöhung der Viskosität durch Zusatz von
beispielsweise Polymeren vorgeschlagen.
Ausgehend von dieser Auffassung der Fachwelt ist beim Diffusionskleben zur
Ausbildung qualitativ ausreichender Klebungen, bedingt durch ein
notwendigerweise langsames Ausdiffundieren der Lösungsmittel, eine Zeit von
Tagen bis Wochen erforderlich. Der mit der langen Kontaktzeit mit dem
Lösungsmittel einhergehende Quellvorgang, der bei unstrukturierten
Werkstücken zur Überbrückung von Klebefugen vorteilhaft ist, führt bei
mikrostrukturierten Werkstücken jedoch zu einer Zerstörung der
Mikrostrukturen. Selbst niedrig siedende Lösungsmittel verbleiben zu lange im
Bereich der Hohlräume mikrostrukturierter Kontaktflächen und führen damit zu
deren Schädigung. Eine Verwendung von lösungsmittelarmen Klebstoffen, die
polymere Grundstoffe zur Erhöhung der adhäsiven Wechselwirkung enthalten,
würde jedoch zu einem unerwünschten Ausfüllen der Hohlräume zwischen den
Mikrostrukturen mit Feststoffen führen. Diese Problematik wurde in dem
eingangs genannten Stand der Technik durch die Anwendung thermischer
Laminierverfahren umgangen.
Hiernach völlig überraschend haben Versuche mit mikrostrukturierten
Kunststoffkörpern ergeben, daß ein rasches Entfernen von Lösungsmitteln
durch Anlegen eines Unterdrucks zu guten Verbindungen zwischen den
Körpern führt, wenn keine abgeschlossenen Hohlräume zwischen den zu
verbindenden Flächen vorliegen. Die erzielten Verbindungsflächen waren
homogen und wiesen keine Schädigungen auf. Nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren konnten beispielsweise in einem Polymethylmethacrylat (PMMA)-
Substrat 20 nebeneinander angeordnete 50 µm breite Kanäle mit
Zwischenstegen einer Breite von 50 µm durch Aufbringen einer 125 µm dicken
PMMA-Folie gegeneinander abgedichtet werden. Dagegen ergaben Versuche,
die mikrostrukturierte Oberfläche eines Körpers unter Bildung von zur
Umgebung vollständig abgeschlossener Hohlräume mit einem zweiten
Kunststoffkörper zu verbinden, eine sehr inhomogene, Risse und Blasen
aufweisende Verbindungsfläche.
Nach einer ersten Ausführungsform erfolgt das Anlegen des Unterdrucks
derart, daß der Druck der Umgebung der beiden Werkstücke abgesenkt wird.
Hierzu werden beispielsweise die miteinander in Kontakt gebrachten
Werkstücke in eine Vakuumkammer überführt und nach einer kurzen
Verweilzeit der Druck in der Kammer abgesenkt. Durch die Wahl der Höhe des
Drucks und des Lösungsmittels bzw. des Lösungsmittelgemisches kann in
Abhängigkeit von der Strukturierung der Werkstücke die Zeit, innerhalb der das
Lösungsmittel im Hinblick auf eine ausreichende Festigkeit unter Erhalt der
Mikrostrukturen ausreichend entfernt wird, beeinflußt werden.
Nach einer zweiten Ausführungsform wird der Unterdruck derart an zwischen
den Mikrostrukturen liegenden, mit der Umgebung verbundenen Hohlräumen
angelegt, daß der Druck in diesen Hohlräumen gegenüber dem Druck der
Umgebung der beiden Werkstücke abgesenkt wird. Hierzu wird beispielsweise
eine mit den Hohlräumen in Verbindung stehende Öffnung der beiden
Werkstücke mit einer Unterdruckvorrichtung druckdicht verbunden.
Gegebenenfalls sind weitere mit den Hohlräumen in Verbindung stehende
Öffnungen druckdicht zu verschließen oder ebenfalls mit der
Unterdruckvorrichtung zu verbinden. Der Druck innerhalb der Hohlräume kann
so gezielt erniedrigt und damit das Lösungsmittel entfernt werden. Aufgrund der
Differenz zwischen dem Umgebungsdruck und dem Druck innerhalb der
Hohlräume werden beide Werkstücke verstärkt aneinander gedrückt. Dies kann
beispielsweise bei der Verwendung einer Kunststoffolie als zweites Werkstück
Abweichungen von einer einheitlichen Strukturhöhe des ersten Werkstückes
ausgleichen helfen. Darüber hinaus ist dieser Fügevorgang ohne weiteres
automatisierbar, wodurch mikrostrukturierte Kunststoffkörper in großen
Stückzahlen zusammengefügt werden können.
Vorteilhaft wird nach der ersten und der zweiten Ausführungsform der Druck
unter den Dampfdruck des am niedrigsten siedenden Lösungsmittels,
besonders vorteilhaft unter den Dampfdruck des am höchsten siedenden
Lösungsmittels abgesenkt. Hierdurch kommt es zu einer besonders raschen
Entfernung des Lösungsmittels. Dies ermöglicht die Verwendung von den
betreffenden Kunststoff gut anlösenden Lösungsmitteln, da durch die rasche
Entfernung eine Schädigung der Mikrostrukturen vermieden wird. Darüber
hinaus gestattet dies eine beträchtliche Verkürzung der Fügezeit.
Nach einer dritten Ausführungsform wird der Unterdruck derart an zwischen
den Mikrostrukturen liegenden Hohlräumen, die über mindestens zwei
Öffnungen mit der Umgebung in Verbindung stehen, angelegt, daß Luft durch
diese Hohlräume gesaugt wird. Hiernach wird, entsprechend der zweiten
Ausführungsform, mindestens eine mit den Hohlräumen in Verbindung
stehende Öffnung der beiden Werkstücke mit einer Unterdruckvorrichtung
verbunden. Jedoch weisen die beiden Werkstücke mindestens eine zweite
Öffnung auf, die mit den gleichen Hohlräumen in Verbindung steht. Im
Gegensatz zu der zweiten Ausführungsform wird diese Öffnung nicht druckdicht
verschlossen oder mit der Unterdruckvorrichtung verbunden, sondern bleibt zur
Umgebung hin offen. Hierdurch wird bei Anlegen eines Unterdrucks an die
erste Öffnung das sich in den Hohlräumen befindliche Lösungsmittel
herausgesaugt und Luft durch die Hohlräume hindurchgesaugt. Auch nach
dieser Ausführungsform ist eine schnelle Entfernung des Lösungsmittels
gewährleistet, wobei die Werkstücke möglichst wenig Hohlräume, in denen das
Lösungsmittel nicht abgesaugt wird, sogenannte Totzonen, aufweisen sollten.
Durch die sich mit der zwischen der ersten und der zweiten Öffnung
aufbauenden Druckdifferenz einhergehende Druckabsenkung im Vergleich zum
Umgebungsdruck werden, wie bei der zweiten Ausführungsform, die beiden
Werkstücke verstärkt aneinander gedrückt. Um eine Kontamination der
Hohlräume durch hindurchströmende Umgebungsluft zu vermeiden, ist es
vorteilhaft, ein gereinigtes Gas der zweiten Öffnung zuzuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders vorteilhaft für
Werkstücke, die an der zu verbindenden Fläche Mikrostrukturen aus Kunststoff
mit kleinsten Strukturabmessungen < 500 µm aufweisen. Auch bei Strukturen
im unteren Mikrometerbereich sowie Submikrometerbereich ist das Verfahren
geeignet.
Mindestens ein Werkstück weist an der zu verbindenden Fläche einen
Kunststoff auf, der sich mit einem oder mehreren organischen Lösungsmitteln
anlösen läßt. So eignet sich dieses Verfahren besonders zum Verbinden von
Thermoplasten ausreichender Löslichkeit, wie beispielsweise
Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonate (PC), Polystyrol (PS),
Polyoxymethylen (POM), Polyetheretherketon (PEEK), Polysulfon (PSU),
Polybutylenterephthalat (PBT), Polyethylenterephthalat (PET),
Polyvinylidenfluorid (PVDF), Cycloolefinpolymere (COP), Copolymere auf der
Basis von Cycloolefinen und Ethylen (COC) oder Copolymere auf der Basis von
Acrylnitril, Butadien und Styrol (ABS).
Das zweite Werkstück, das ebenfalls Mikrostrukturen aufweisen kann, besteht
vorteilhaft ebenfalls aus einem Kunststoff, beispielsweise einer Kunststoffolie.
Als Material des zweiten Werkstücks eignet sich jedoch auch beispielsweise
Glas oder Quarzglas. Das zweite Werkstück kann an der zu verbindenden
Fläche jedoch auch ein oder mehrere andere Materialien aufweisen.
Es kann vorteilhaft sein, vor der Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens die zu verbindende Fläche eines oder beider Werkstücke einer
mechanischen, physikalischen oder/und chemischen Oberflächenbehandlung
zu unterziehen. Hierdurch kann das Anlöseverhalten einer Kunststoffoberfläche
gegenüber Lösungsmitteln verbessert werden.
Geeignete Lösungsmittel vermögen den Kunststoff der zu verbindenden Fläche
mindestens eines Werkstücks anzulösen. In der Regel eignen sich zum
Anlösen polarer Kunststoffe eher polare Lösungsmittel und zum Anlösen
unpolarer Kunststoffe eher Lösungsmittel geringer Polarität. Daher eignen sich
für das erfindungsgemäße Verfahren je nach verwendetem Kunststoff ein oder
mehrere Lösungsmittel aus der Gruppe der niedermolekularen (C1-C10)
gesättigten oder ungesättigten linearen, verzweigten oder cyclischen,
gegebenenfalls substituierten Alkane, Alkohole, Ether, Ester, Aldehyde,
Ketone, N, N-Dialkylamide, aromatischen Verbindungen oder deren
Mischungen. Geeignete Substituenten sind beispielsweise Halogene, wie Fluor
oder Chlor. Beispiele für Lösungsmittel der obigen Gruppe sind Dichlormethan,
Trichlormethan, Trichlorethylen, Hexan, Heptan, Oktan, Nonan, Decan,
Decahydronaphthalin, Methanol, Ethanol, Propanol, Hexafluorpropanol,
Butanol, Pentanol, Hexanol, di-n-Butylether, tert.-Butylmethylether,
Tetrahydrofuran, Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl- oder Pentylacetat, Aceton,
Hexafluoraceton-Hydrate, Methylethylketon, Methylisobutylketon,
Cyclopentanon, Cyclohexanon, N, N-Dimethylformamid, N, N-Dimethylacetamid,
Toluol oder Xylol.
Vorteilhaft eignen sich Mischungen mindestens zweier Lösungsmittel, von
denen das erste den betreffenden Kunststoff gut an löst und das zweite
Lösungsmittel weniger gute Anlöseeigenschaften besitzt. Besonders vorteilhaft
weist das zweite Lösungsmittel einen höheren Dampfdruck als das erste
Lösungsmittel auf. Ein geeignetes Mischungsverhältnis der Lösungsmittel für
den betreffenden Kunststoff ist dadurch gekennzeichnet, daß gute
Verbindungsergebnisse bei gleichzeitigem Erhalt empfindlicher Strukturen
erzielt werden, d. h. ohne daß in der vorgegebenen Verweilzeit die
Mikrostrukturen beschädigt werden. Daher haben die Auswahl der
Lösungsmittel und die Optimierung des Mischungsverhältnisses nicht nur im
Hinblick auf die Kunststoffe, sondern auch auf die jeweils vorliegenden
Mikrostrukturen zu erfolgen.
Die Werkstücke können durch Aufeinanderlegen oder durch
Aneinanderpressen in Kontakt gebracht werden. Vorteilhaft erfolgt dies bei
Temperaturen zwischen 10°C und 40°C. Je nach den Lösungseigenschaften
der verwendeten Mischung bzw. des verwendeten Lösungsmittels sind
unterschiedlich lange Verweilzeiten vor dem Anlegen eines Unterdrucks zur
Entfernung der Lösungsmittel erforderlich. Als vorteilhaft haben sich
Verweilzeiten < 1 Stunde, insbesondere < 10 Minuten erwiesen. Lange
Verweilzeiten können zu Schädigungen empfindlicher Strukturen führen. Nach
Ablauf der Verweilzeit wird der Unterdruck angelegt, um die Lösungsmittel zu
entfernen.
Dadurch, daß die überwiegende Anzahl der Hohlräume zwischen den
Mikrostrukturen mit der Umgebung verbunden ist, wird durch Absenken des
Drucks in den Mikrostrukturen befindliches Lösungsmittel rasch entfernt. Da
dem Lösungsmittel keine Zusätze, wie Polymere, beigefügt sind, bleiben keine
Feststoffe in den Strukturen zurück. Über die Kanten zwischen den beiden
Werkstücken, also die Außenkanten sowie die sich im Bereich der
Mikrostrukturen befindlichen Kanten, gelangen die Lösungsmittel aus dem
Bereich der Kontaktflächen in die Umgebung. Die Kontaktzeit der miteinander
verbundenen Werkstücke bei angelegtem Unterdruck soll mindestens so
bemessen sein, daß die Lösungsmittel so weitgehend entfernt werden, daß
eine ausreichende Qualität der Verbindung gewährleistet ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Kunststoffkörper unter
Erhalt mikrostrukturierter Oberflächen schnell und damit kostengünstig
miteinander verbinden. Da nicht notwendigerweise erhöhte Temperaturen zum
Einsatz kommen, kann dieses Verfahren je nach Wahl der Lösungsmittel auch
bei Strukturen mit biologisch aktivem Material eingesetzt werden.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Bauteile, die mindestens zwei
miteinander verbundene Körper umfassen, von denen mindestens ein Körper
an der mit dem anderen Körper verbundenen Fläche Mikrostrukturen aus
Kunststoff mit kleinsten Strukturabmessungen < 1 mm aufweist. Die Körper
sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verbunden, wobei die
überwiegende Anzahl der zwischen den Strukturen liegenden Hohlräume mit
der Umgebung in Verbindung steht.
Besonders vorteilhaft weisen solche Bauteile Mikrostrukturen zum Lagern,
Durchleiten, Dosieren, Mischen, Trennen, Wärme Tauschen, chemischen
Umsetzen oder/und Detektieren von mindestens einem Stoff auf. Dies können
sowohl passive als auch aktive Mikrostrukturen sein. Passive Strukturen sind
beispielsweise mit Ein- und Auslässen zur Fluidzu- und Fluidabführung
verbundene kanalartige Ausnehmungen mit Misch- oder/und
Reaktionsräumen. Aktive Strukturen können Sensoren, beispielsweise zur
Leitfähigkeitsmessung, oder Mikroventile sein. Vorteilhaft ist der Stoff ein Gas
oder eine Flüssigkeit oder der Stoff, insbesondere Biomoleküle, ist in einer
Flüssigkeit gelöst.
Ein Beispiel für solch ein Bauteil ist ein Kunststoffplättchen, das parallel
zueinander verlaufende Nuten aufweist, wobei die Nuten an ihren
Endbereichen jeweils eine Elektrode aufweisen. Auf das Kunststoffplättchen ist
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine dünne Kunststoffolie angebracht,
die die Nuten bis auf Öffnungen im Elektrodenbereich bedeckt. Solch ein
Bauteil findet Verwendung in der Kapillar-Elektrophorese zur Trennung von
DNA- oder Protein-Fragmenten.
Zum Lagern von Stoffen, beispielsweise von Substanzbibliotheken in der
kombinatorischen Chemie, können eine Vielzahl von miniaturisierten
Hohlräumen vorgesehen sein. Zum Dosieren von Flüssigkeiten kann solch ein
Bauteil mit Kanälen verbundene Öffnungen aufweisen.
Zur Trennung oder/und Detektion von Biomolekülen können Oberflächen der
Mikrostrukturen funktionalisiert sein. Zur optischen Detektion kann das Bauteil
oder Bereiche hiervon aus einem optisch transparenten Kunststoff bestehen.
Zur Durchführung von chemischen Umsetzungen können Oberflächen oder
Hohlräume katalytisch aktives Material aufweisen.
Aufgrund der einfachen abformtechnischen Herstellung solcher Körper,
insbesondere unter Verwendung von mikrotechnisch hergestellten
Formeinsätzen, und mittels des erfindungsgemäßen Verbindungsverfahrens
lassen sich solche Bauteile in großen Stückzahlen kostengünstig fertigen und
können beispielsweise in der medizinischen Analytik oder der
pharmazeutischen Wirkstofforschung Verwendung finden, wobei durch die
kostengünstige Fertigung der einmalige Gebrauch ermöglicht und damit
Reinigungsprozesse und eine Kontaminationsgefahr vermieden werden.
Im folgenden werden anhand von Beispielen geeignete Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
Es wurden etwa 2,5 cm × 7,5 cm große PMMA-Platten (Plexiglas vom Typ 7
HLE von Röhm) mit Nuten einer Breite und Tiefe von 50 µm und einer Länge
von über 29 mm bei Abständen von 200 µm bis 30 µm eingesetzt. Diese
Platten wurden jeweils mit PMMA-Folie (Plexiglas von Rhöm AG) einer Dicke
von 125 µm und 250 µm sowie einer PMMA-Platte einer Dicke von 2 mm
verbunden, wobei jeweils mindestens ein Ende der Nuten nicht abgedeckt
wurde, so daß keine abgeschlossenen Hohlräume gebildet wurden. Vor dem
Verbinden wurden die Teile in einer Tensidlösung gereinigt. Geeignete
Lösungsmittel waren reines Butylacetat, Gemische von Butylacetat und
1-Propanol in Verhältnissen von bis zu 3 : 5, Butylacetat und 1-Hexanol im
Verhältnis 1 : 1 sowie Pentylacetat und 1-Hexanol im Verhältnis 2 : 1.
Zwischen der PMMA-Platte und PMMA-Folie wurde das jeweilige Lösungs
mittelgemisch mit einer Pipette eingebracht und beide Teile für etwa 1 bis 3
Minuten in Kontakt gebracht. Gemäß der ersten Ausführungsform wurde zum
Verbinden von Platten mit Folien der Umgebungsdruck für etwa 10 min auf
10-4 mbar abgesenkt. Im Falle der Verbindung von Platten untereinander
haben sich längere Kontaktzeiten von bis zu mehreren Stunden bei
erniedrigtem Umgebungsdruck als vorteilhaft erwiesen. Mit gleichem Erfolg
konnte auch die zweite und dritte Ausführungsform, nach der der Unterdruck
gezielt an die Hohlräume, ohne Absenkung des Umgebungsdrucks, angelegt
wird, zum Verbinden eingesetzt werden.
Eine PMMA-Platte mit 4 µm breiten Nuten im Abstand von wenigen µm wurde
mit einer 125 µm dicken PMMA-Folie verbunden. Eingesetzt wurde eine
Mischung aus Butylacetat und 1-Propanol im Verhältnis 1 : 2 bei gleichen
Versuchsbedingungen wie in Beispiel 1.
Eine PMMA-Platte, die eine 27 cm lange, mäanderartig gewundene Nut einer
Breite von 80 bis 200 µm und einer Tiefe von 80 µm aufwies, wobei die Nuten
durch Stege einer Breite von 80 bis 200 µm voneinander getrennt waren, wurde
mit einer 125 µm dicken PMMA-Folie mit der gleichen Lösungsmittel-Mischung
und unter den gleichen Versuchsbedingungen wie in Beispiel 2 verbunden. Die
zweite und die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
erweisen sich hier aufgrund des langen Kanals als sehr vorteilhaft.
Eine PMMA-Platte mit 50 µm breiten Nuten im Abstand von 20 µm bis 200 µm
wurde mit einem in der Mikroskopie üblichen Deckglas von 2 cm × 2 cm
verbunden. Als Lösungsmittel wurde Butylacetat gewählt und die Bedingungen
von Beispiel 1 eingehalten.
Eine Platte aus Polycarbonat (Lexan HF110R des Herstellers General Electric
Plastics) mit Kanälen und dazwischen liegenden Stegen einer Breite von
jeweils 125 µm und einer Länge von 10 mm konnte mit einer Polycarbonat-
Folie (Europlex von Rhöm AG) einer Dicke von 175 µm verbunden werden.
Hierzu eigneten sich Mischungen von Butylacetat und Methanol sowie
Butylacetat und 1-Propanol jeweils im Verhältnis 1 : 1 sowie Cyclopentanon
und 1-Propanol im Verhältnis 2 : 3 bei Bedingungen wie sie zu Beispiel 1
beschrieben wurden.
Zwei mikrostrukturierte Platten der Abmessungen 20 × 20 × 2 mm aus einem
Copolymer auf der Basis von Cycloolefinen und Ethylen (Marke Topas, Typ
5014 der Firma Hoechst) wurden mit Heptan bei gleichen Bedingungen wie in
Beispiel 1 verbunden. Gute Ergebnisse wurden ebenfalls mit einer Mischung
aus di-n-Butylether und tert.-Butylmethylether im Verhältnis 1 : 1 erhalten, wobei
als zweites Werkstück eine 20 µm dicke Folie sowohl aus einem Polymer auf
der Basis Cylcoolefin und Ethylen als auch aus einem Cycloolefinpolymer
(Marke Zeonex der Firma Nippon Zeon) verwendet wurde.
Zwei mikrostrukturierte Platten (20 × 20 × 2 mm) aus Polysulfon (Marke
Ultrason, Typ S1010 der Firma BASF) wurden unter Verwendung von Aceton
als Lösungsmittel und Einhaltung der Versuchsbedingungen von Beispiel 1
verbunden. Weiterhin wurden Mischungen aus Cyclohexanon und n-Butylether
erfolgreich eingesetzt.
Zum Verbinden zweier transparenter, mikrostrukturierter Platten (20 × 20 ×
2 mm) aus Polystyrol (Marke Vistyron, Typ 325 der Firma Hüls) wurde tert.-
Butylmethylether bei den zu Beispiel 1 beschriebenen Versuchsbedingungen
verwendet. Darüber hinaus wurden 1 : 1 bis 4 : 1 Mischungen aus
Decahydronaphthalin und n-Decan mit einer 100 um dicken Folie (Typ 2710
von BASF) als zweites Werkstück mit gutem Ergebnis verwendet.
Zwei mikrostrukturierte Werkstücke aus Polyoxymethylen (Typ C9021 von
Hoechst) oder Polybutylenterephthalat (Typ Ceranex 2000-3 von Hoechst)
wurden mit Hexafluorisopropanol entsprechend den Bedingungen des
Versuchs zu Beispiel 1 verbunden.
Zwei 125 µm dicke Folien aus Polyethylenterephthalat (Mylar-Folie von Du
Pont), wobei die erste Folie einen Kanal mit einem quadratischen Querschnitt
von 50 µm und einer Länge von 2 cm aufwies, wurden mit einer 1 : 5 Mischung
aus Hexafluoroisopropanol und Dichlormethan miteinander verbunden. Die
zweite Folie wurde derart auf der ersten Folie positioniert, daß die beiden
Enden des Kanals zur Umgebung hin offen waren. Das Lösungsmittel wurde
gemäß der dritten Ausführungsform durch Heraussaugen mittels Unterdruck
entfernt.
Die miteinander verbundenen Platten und Folien wurden im Lichtmikroskop im
leeren Zustand sowie gefüllt mit einer wäßrigen Farbstofflösung untersucht. In
allen Versuchen erwiesen sich die miteinander verbundenen Stellen als
homogen. Risse und eingeschlossene Blasen konnten nicht beobachtet
werden. Die Mikrostrukturen blieben erhalten und die zwischen den Nuten
liegenden Zwischenstege wurden vollständig mit der aufgebrachten Platte bzw.
Folie verbunden, so daß die mit der Farbstofflösung gefüllten Kanäle durch die
intakten Zwischenstege vollständig voneinander getrennt waren. Die nach den
Beispielen 1 bis 3 und 6 bis 8 miteinander verbundenen Werkstücke ließen sich
nur unter Zerstörung der Strukturen voneinander trennen. Weniger stark
hafteten die nach den Beispielen 4, 5, 9 und 10 verbundenen Platten, bei
denen nach einer Trennung die Strukturen zwar erhalten blieben, aber deren
Verbindungsflächen deutliche Beschädigungen aufwiesen.
Abb. 1 zeigt die Aufnahme eines erfindungsgemäßen Bauteils, das einen
mit Nuten versehenen Kunststoffchip aus PMMA einer Größe von etwa 2 cm ×
2 cm umfaßt, auf dessen Oberfläche eine PMMA-Folie einer Dicke von 125 µm
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht wurde. Als
Lösungsmittelgemisch wurde Butylacetat und 1-Propanol im Verhältnis 1 : 1
verwendet und die Versuchsbedingung zu Beispiel 1 eingehalten. Durch das
Aufkleben der Kunststoffolie wurden auf der mikrostrukturierten Oberfläche des
Kunststoffchips Kanäle gebildet, die vom Randbereich her mit der Umgebung
verbunden waren. Zum Sichtbarmachen der Mikrostrukturen wurden die Kanäle
mit einer wäßrigen Farbstofflösung gefüllt, die hier als dunklere Bereiche zu
erkennen sind. Die unbefüllten Bereiche, also die die Kanäle abgrenzenden
Stege, die mit der darüberliegenden Folie verbunden wurden, sind als helle
Linien erkennbar.
Auf der Oberfläche des Kunststoffchips befinden sich Gruppen von Stegen
einer Höhe von 70 µm. Auf der linken Hälfte der Abb. 1 sind 12 Paare von
benachbarten Stegen angeordnet, wobei zwischen je zwei Stegen (helle Linien)
einer Breite von ca. 300 µm und einer Länge von ca. 10 mm ein Kanal (dunkle
Linie) einer Breite von etwa 125 µm liegt. Auf der rechten Hälfte der Abb.
1 sind 9 Gruppen von benachbarten Stegen übereinander angeordnet, wobei
zwischen je zwei Stegen (breite helle Linien) einer Breite von etwa 300 µm und
einer Länge von etwa 10 mm sich drei weitere Stege (schmale helle Linien)
einer Breite von 125 µm befinden, so daß in jeder Gruppe 4 Kanäle (schmale
dunkle Linien) einer Breite von etwa 125 µm liegen.
Die Verbindungsstellen (helle Linien) zwischen dem Kunststoffchip und der
Folie sind vollständig ausgebildet und homogen. Risse oder Blasen sind an den
Verbindungsstellen nicht erkennbar. Daher eignet sich das erfindungsgemäße
Verfahren besonders zur Realisierung von miniaturisierten Fluidiksystemen,
beispielsweise für biotechnologische Anwendungen.
Claims (16)
1. Verfahren zum Verbinden von zwei Werkstücken, von denen zumindest
das erste Werkstück an der zu verbindenden Fläche Mikrostrukturen
aus Kunststoff mit kleinsten Strukturabmessungen < 1 mm aufweist, bei
dem
- a) zwischen die zu verbindenden Werkstücke mindestens ein organisches Lösungsmittel aufgebracht wird, das den Kunststoff der zu verbindenden Fläche mindestens eines Werkstücks anzulösen vermag,
- b) die beiden Werkstücke so miteinander in Kontakt gebracht werden, daß die überwiegende Anzahl der zwischen den Mikrostrukturen liegenden Hohlräume mit der Umgebung in Verbindung steht,
- c) nach einer kurzen Verweilzeit durch Anlegen eines Unterdrucks das zwischen den beiden Werkstücken befindliche Lösungsmittel zumindest weitgehend entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Anlegen des Unterdrucks derart erfolgt, daß der Druck der Umgebung
der beiden Werkstücke abgesenkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an zwischen
den Mikrostrukturen liegenden, mit der Umgebung verbundenen
Hohlräumen der Unterdruck derart angelegt wird, daß der Druck in
diesen Hohlräumen gegenüber dem Druck der Umgebung der beiden
Werkstücke abgesenkt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck unter den Dampfdruck des am
niedrigsten siedenden Lösungsmittels abgesenkt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Druck unter den Dampfdruck des am
höchsten siedenden Lösungsmittels abgesenkt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Unterdruck derart an zwischen den Mikrostrukturen liegenden
Hohlräumen, die über mindestens zwei Öffnungen mit der Umgebung
in Verbindung stehen, angelegt wird, daß Luft durch diese Hohlräume
gesaugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als erstes Werkstück ein Werkstück mit
Mikrostrukturen an der zu verbindenden Fläche mit kleinsten
Strukturabmessungen < 500 µm verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als zweites Werkstück eine Kunststoffolie einer
Dicke von < 250 µm verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß nach einer Verweilzeit von weniger als 1 Stunde,
vorzugsweise von weniger als 10 min, der Unterdruck angelegt wird.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest als erstes Werkstück ein Werkstück,
das an der zu verbindenden Fläche Mikrostrukturen aus einem
Thermoplasten ausreichender Löslichkeit aufweist, verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß als
Thermoplast ein Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Polystyrol,
Polyoxymethylen, Polyetheretherketon, Polysulfon,
Polybutylenterephthalat, Polyethylenterephthalat, Polyvinylidenfluorid,
Cycloolefinpolymer, Copolymer auf der Basis von Cycloolefinen und
Ethylen oder ein Copolymer auf der Basis von Acrylnitril, Butadien und
Styrol verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, daß als zweites Werkstück ein Werkstück aus einem
Glas oder Quarzglas verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens ein Lösungsmittel aus der Gruppe der
niedermolekularen (C1-C10) gesättigten oder ungesättigten linearen,
verzweigten oder cyclischen, gegebenenfalls substituierten Alkane,
Alkohole, Ether, Ester, Aldehyde, Ketone, N, N-Dialkylamide oder
aromatischen Verbindungen verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens ein Lösungsmittel aus der Gruppe Dichlormethan,
Trichlormethan, Trichlorethylen, Hexan, Heptan, Oktan, Nonan, Decan,
Decahydronaphthalin, Methanol, Ethanol, Propanol, Hexafluorpropanol,
Butanol, Pentanol, Hexanol, tert.-Butylmethylether, di-n-Butylether,
Tetrahydrofumn, Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl- oder Pentylacetat,
Aceton, Hexafluoraceton-Hyd rate, Methylethylketon,
Methylisobutylketon, Cyclopentanon, Cyclohexanon, Toluol oder Xylol
verwendet wird.
15. Bauteil umfassend mindestens zwei miteinander verbundene Körper,
von denen mindestens ein Körper an der mit dem anderen Körper
verbundenen Fläche Mikrostrukturen aus Kunststoff mit kleinsten
Strukturabmessungen < 1 mm aufweist, wobei die überwiegende
Anzahl der zwischen den Strukturen liegenden Hohlräume mit der
Umgebung in Verbindung steht und wobei beide Körper mittels eines
Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 miteinander verbunden
sind.
16. Bauteil nach Anspruch 15 gekennzeichnet durch Mikrostrukturen zum
Lagern, Durchleiten, Dosieren, Mischen, Trennen, Wärme Tauschen,
chemischen Umsetzen oder/und Detektieren von mindestens einem
Stoff.
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