DE60033520T2

DE60033520T2 - Verfahren zur herstellung einer mikroporösen filtermembran

Info

Publication number: DE60033520T2
Application number: DE2000633520
Authority: DE
Inventors: D. James D. Lindenhurst JACOBSON
Original assignee: Baxter International Inc
Current assignee: Baxter International Inc
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: ATE354430T1; US20050263452A1; EP1194216A4; EP1764146A2; US7442303B2; EP1764146A3; CN101362058A; DE60033520D1; EP1194216A1; AU780338B2; US20090029142A1; EP1194216B1; MXPA01008017A; CA2361930A1; JP2008086996A; BR0008062A; EP1764146B1; AU1944601A; ATE523239T1; AR030542A1

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf mikroporöse Membranen, auf Verfahren zur Herstellung mikroporöser Membranen und auf Filtrations- oder Abtrennungsvorrichtungen, die mikroporöse Membranen einsetzen. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung auf mikroporöse Membranen der Art, bei der genau dimensionierte Poren im Mikrometermaßstab eingesetzt werden, und auf Verfahren zur Herstellung solcher Membranen und Vorrichtungen unter Verwendung solcher Membranen.
Hintergrund
Filter, die sich basierend auf der Größe und/oder Form unterscheiden, sind allgemein bekannt. Eine Filterart stellt beispielsweise einen Kanal bereit, durch den Teilchen fließen müssen, um durch den Filter zu gelangen. Diese werden manchmal als Tiefenfilter bezeichnet und verwenden typischerweise ein Filterelement aus einem dicken Bett aus Faser- oder anderem Material. Aufgrund ihrer Dicke und dem Kanalfiltrationsverfahren erfordern diese Filter manchmal relativ hohem transmembranem Druck, d. h. Transfilterdruck, um den Fluß durch den Filter aufgrund seiner Dicke und des Kanalfiltrationsverfahrens zu erleichtern.
Im Gegensatz zu Tiefenfiltern setzt eine andere allgemein bekannte Filterart relativ dünne Filtermembranen mit typischerweise nominalen Porengrößen ein. Solche Membranen wurden in einer breiten Vielzahl an medizinischen und industriellen Anwendungen verwendet. Beispielsweise wurden solche Filtermembranen mit einer nominalen Porengröße von mindestens 0,22 Mikrometer verwendet, um Bakterien und andere Arten von Flüssigkeiten, wie intravenöse Lösungen, zu filtrieren. Solche mikroporösen Filter wurden ebenso zur Trennung der Zellkomponenten aus menschlichem Blut (rote Zellen, weiße Zellen und Blutplättchen) von flüssigem Plasma, wor in die Komponenten suspendiert sind, verwendet. Eine allgemein bekannt Vorrichtung zur Durchführung einer solchen Trennung der Blutkomponenten ist der Autopheresis-C^®-Separator, verkauft von Baxter Healthcare Corporation aus Deerfield, Illinois.
Obwohl Filtermembranen mit nominaler Porengröße im allgemeinen zufriedenstellend funktioniert haben, neigen sie zu einer begrenzten Porosität, unterscheiden sich grundsätzlich allein auf Basis der Größe und leiden aufgrund der Blockierung auf der Oberfläche der Membran manchmal unter verminderten Fließraten. „Porosität", wie hierin verwendet, bezieht sich auf den Teil oder Prozentwert der Membranoberfläche, der aus Poren besteht. Dies kann ebenso als Membran-„transparenz" bezeichnet werden. Eine Filtermembran mit hoher Porosität oder Transparenz, d. h. eine, worin ein großer Teil der Oberfläche aus Poren besteht, ermöglicht höhere Fließraten durch die Filtermembran bei einem gegebenen transmembranen Druck als eine Membran mit geringer Porosität oder Transparenz, d. h. eine, worin ein kleiner Teil der Oberfläche aus Poren besteht.
Vor kurzem waren die Anstrengungen auf die Entwicklung von Filtermembranen mit genauen Porengrößen und Formen zur Verbesserung der Unterschiede, besonders im Mikrometer- und Submikrometermaßstab, zur Trennung von beispielsweise Zellen und Zellkomponenten gerichtet. Solche Filter können insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei der Trennung von Blutzellen oder anderen Zellarten voneinander oder von der Flüssigkeit (Plasma im Falle von Blutzellen), in der sie suspendiert sind, Anwendung finden.
Filter mit Poren im Mikrometer- oder kleineren Maßstab weisen jedoch oft signifikante Einschränkungen auf. Eine solche Filtermembran wird als eine „spurgeätzte" Membran bezeichnet. Eine spurgeätzte Membran hat Löcher oder Poren mit einheitlichem Durchmesser im Mikrometermaßstab zur Unterscheidung basierend auf der Teilchengröße. Spurgeätzte Membranen weisen jedoch typischerweise eine niedrige Porosität auf, was die Durchlaufmenge oder Filtrationsraten einschränkt.
Bei spurgeätzten Filtern liegt die Porosität beispielsweise zwischen ungefähr zwei und sechs oder sieben Prozent. Versuche, die Porosität in spurgeätzten Filtermembranen zu erhöhen, führen oft zu Dubletts oder Tripletts, die überlappende Löcher sind und daher die Unterscheidung der Filtermembran vermindern. Um Dubletts oder Tripletts zu vermeiden wird die Porosität in spurgeätzten Membranen typischerweise auf etwa sieben Prozent und weniger begrenzt.
Zusätzlich zu niedriger Porosität haben spurgeätzte Membranen einen anderen Nachteil. Spurgeätzte Membranen besitzen nur kreisförmige Poren und sind daher für die Unterscheidung basierend auf einer nicht kreisförmigen Teilchenform nicht geeignet.
Kürzlich wurde die Verwendung lithographischer Mikrostrukturherstellungs- oder ähnlicher Mikrobearbeitungstechniken vorgeschlagen, um Filtermembranen bereitzustellen, in denen die Poren eine genaue Größe und Form aufweisen. US-Patent Nr. 5,651,900 offenbart beispielsweise einen Teilchenfilter aus anorganischem Material, wie Silicium, der zur Verwendung bei hohen Temperaturen und mit scharfen Lösungsmitteln geeignet ist. Der Filter hat genau geregelte Porengrößen, die durch Verbindungsglieder, und gegebenenfalls Verstärkungsstäbe, gebildet werden.
Filtermembranen mit genauer Porengröße wurden ebenso vorgeschlagen, beispielsweise zur Trennung einer Klasse von Blutzellen von einer anderen. WO-A-9813131 beschreibt solche Filtermembranen mit genauen Poren im Mikrometermaßstab und präzisionsgeformten Poren, die beispielsweise zur Trennung roter Zellen von weißen Zellen im menschlichen Blut verwendet werden können.
Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß die Herstellung von Mikrostrukturen, wie einschichtige Filtermembranen, durch Mikrolithographie, Mikrobearbeitung oder ähnliche Verfahren an verschiedenen Einschränkungen leiden. Als eine „Faustregel" kann beispielsweise der Durchmesser oder die größte Querdimension der Poren nicht weniger als etwa 1/2 oder 1/3 der Dicke der Membran selbst betragen. Daher erfordern sehr kleine Porengrößen, wie ein Mikrometer oder weniger, sehr dünne Membranen von 2 bis 3 Mikrometer oder kleiner in der Dicke. Das Gegenteil davon ist gemeinhin als „Aspektverhältnis" bekannt und bedeutet im allgemeinen, daß die Dicke nicht mehr als etwa das 2- oder 3fache der Porengröße betragen kann. Solche sehr dünnen Membranen sind jedoch typischerweise sehr zerbrechlich und können für einige der allgemein bekannten Anwendungen mikroporöser Filtermembranen nicht ausreichend robust sein.
Eine solche allgemein bekannte Anwendung liegt in der Autopheresis-C^®-Plasmapheresevorrichtung, verkauft von Baxter Healthcare Corporation aus Deerfield, Illinois. Eine ausführliche Beschreibung der Autopheresis-C^®-Vorrichtung ist in US-Patent Nr. 5,194,145 von Schoendorfer zu finden. Der Autopheresis-^®-Separator setzt eine mikroporöse Membran ein, die auf einen Rotor in einem festen Gehäuse montiert ist. Wie in dem obigen Patent beschrieben, ist eine solche Vorrichtung bei der Trennung von Blutzellen von dem Plasma, in dem sie suspendiert sind, besonders geeignet. Die mikroporöse Membran, die in einer solchen Vorrichtung verwendet wird, muß jedoch flexibel sein und den hohen Drehgeschwindigkeiten, Scherkräften und transmembranen Drücken in einem solchen Trennungssystem standhalten können.
Im Ergebnis wurde die Mikrostrukturherstellung mikroporöser Filtermembranen in der Vergangenheit durch konkurrierende Überlegungen eingeschränkt. Andererseits erfordert eine feinere Filtration (kleinere Porengröße) typischerweise eine Filtermembran, die zunehmend dünner und daher zunehmend zerbrechlicher ist. Andererseits begegneten dem Wunsch nach Membranrobustheit im allgemeinen dickere Membranen, die typischerweise keine Bildung sehr kleiner, genau geregelter Poren mit hoher Porosität gestatten.
Als eine Antwort auf die Frage der Membranbrüchigkeit wurde vorgeschlagen, eine Filtermembran bereitzustellen, worin die Membranschicht auf einer Trägerschicht angeordnet ist. US-Patent Nr. 5,753,014 von Van Rijn beschreibt eine Verbundmembran mit einer Polymermembranschicht auf einem separaten polymeren makroporösen Träger. Die Perforationen oder Poren in der Membranschicht und in dem Träger werden durch ein Mikrobearbeitungsverfahren, wie ein lithographisches Verfahren, in Kombination mit Ätzen erzeugt. Eine Zwischenschicht kann zwischen die Membran und den Träger zur Verbesserung der Bindung und Spannungsreduktion geschichtet werden. Obwohl eine solche Membran für einige Anwendungen geeignet sein kann, bleibt sie eine unter Verwendung kleinvolumiger Verfahren in der Herstellung relativ teure Membran.
Sehr dünne mikroporöse Membranen aus Poren im Mikrometermaßstab sind ebenso in Anwendungen zu finden, die keine Filtrationsanwendungen sind. Beispielsweise offenbart die veröffentlichte internationale Anmeldung Nr. WO 96/10966, veröffentlicht am 18. April 1996, eine mikrohergestellt Struktur zur Implantation in Wirtsgewebe. Die Struktur wurde aus einer Reihe von Polyimidpolymermembranschichten gebildet, wobei jede ein anderes geometrisches Muster an Löchern aufwies, die durch ein Mikrostrukturherstellungsverfahren gebildet wurden. Als ein Ergebnis des Stapelns dieser Membranen wurde eine poröse dreidimensionale Struktur erzeugt, die das Wachstum vaskulärer Strukturen in einem Wirt unterstützt.
In jedem Fall besteht noch immer Bedarf nach neuen oder verbesserten mikroporösen Filtermembranen, nach neuen oder verbesserten Verfahren und Verfahren zur Herstellung solcher Filtermembranen, und nach Vorrichtungen unter Verwendung solcher Membranen.
Zusammenfassung der Erfindung
Filtermembran
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Polymerfiltermembran nach Anspruch 1 bereitgestellt. Die monolithische Polymerfiltermembran, die hergestellt wird, umfaßt eine Filterschicht, einschließend präzisionsgeformte Poren im Mikrometermaßstab, die für eine breite Vielzahl an Filtrationsanwendungen geeignet sind, und eine Trägerschicht, die eine präzisionsgeformte poröse Trägerstruktur für die Filterschicht umfaßt. Wie später ausführlicher besprochen, kann die Filtermembran aus Mehrfachpolymerfilmen gebildet sein, die beispielsweise durch Wärmehärten verbunden sind, um eine einzelne monolithische Membran mit keiner erkennbaren Unterschiedslinie zwischen der Filter- und der Trägerschicht zu bilden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine sehr dünne Filter schicht, die die Bildung sehr kleiner präzisionsgeformter Poren mit relativ hoher Porosität im Mikrometermaßstab gestattet, ohne daß es zu übermäßiger Membranbrüchigkeit führt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Trägerschicht dicker als die Filterschicht, und kann um einen Faktor von zwischen etwa 2 und 250 dicker sein, als die Filterschicht. Ebenso deckt sich die Trägerschicht bevorzugt, aber nicht notwendigerweise, mit der Filterschicht.
Eine breite Vielzahl an Trägerstrukturen kann in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, um die Filterschicht der Membran zu tragen und zu verstärken. Gemäß dieser Erfindung ist die Trägerstruktur präzisionsgeformt und kann daher so konfiguriert sein, daß sie für die besonderen Erfordernisse einer gegebenen Anwendung geeignet ist. In einer offenbarten Ausführungsform besteht die Trägerstruktur aus einer Vielzahl von zueinander beabstandet angeordneten Trägerverstrebungen bzw. Trägerstreben zum Tragen der Filterschicht. Die Trägerverstrebungen sind bevorzugt in einer Entfernung beabstandet, die im wesentlichen größer als die Größe der Poren ist, damit das Filtrat, daß durch die Filterschicht gelangen soll, relativ ungehindert durch die Trägerstruktur gelangen kann. Beispielsweise können die Verstrebungen in dem Bereich von etwa 50 bis 1000 Mikrometer zueinander beabstandet angeordnet sein, obwohl andere Abstände verwendet werden können, ohne von den breiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Eine zweite Vielzahl von zueinander beabstandet angeordneten Trägerverstrebungen kann ebenso verwendet werden, die die erste Vielzahl der Trägerverstrebungen schneidet bzw. kreuzt, um ein Trägergitter zu definieren, daß die Filterschicht trägt. Obwohl das Strebengitter derzeit bevorzugt wird, können andere Trägerstrukturen, wie Pfosten und Balken, Hängenetze und andere ebenso zum Tragen der Filterschicht verwendet werden.
Ferner kann die Trägerstruktur ebenso zwei oder mehr Schichten oder Subgitter für verbesserte(n) Halt und/oder Flexibilität umfassen. Die Trägerschicht kann beispielsweise eine Subschicht ausgewählter Porosität und eine andere Subschicht verschiedener Porosität zwischen der Filterschicht und der zuerst genannten Sub schicht einschließen. Die Trägerschicht kann ebenso zwei oder mehr Subgitter verschiedener Konfiguration einschließen. Beispielsweise könnte in einem Trägergitter der Art, die zueinander beabstandet angeordnete Verstrebungen einsetzt, ein Subgitter Verstrebungen von vorbestimmter Breite und Abstand aufweisen und ein anderes Subgitter könnte Verstrebungen von verschiedener Breite und/oder Abstand aufweisen. Als ein weiteres Beispiel zum Tragen sehr dünner Filterschichten, wie drei Mikrometer oder weniger, könnte das Subgitter, das die Filterschicht direkt trägt, enger zueinander beabstandete Verstrebungen aufweisen, die nicht so umfangreich sind, wie die Verstrebungen in dem anderen Subgitter.
Folglich sollte klar sein, daß die Anzahl und Konfiguration an Subschichten oder Subgittern in Abhängigkeit der besonderen Bedürfnisse der Filtermembran in einer gegebenen Anwendung variieren kann. Zur Reduzierung von Spannung und Vereinfachung der Herstellung kann beispielsweise eine Trägerschicht, umfassend ein Gitter aus sich schneidenden Wänden, Kurven anstelle von scharfen Ecken an den Schnittstellen einsetzen. In einem weiteren Schritt könnte diese Trägerstruktur tatsächlich durch eine Vielzahl an voneinander beabstandeten, im allgemeinen elliptischen oder zylindrischen Poren definiert sein, die sich durch die Gitterdicke erstrecken und Trägerwände oder Netze mit einem engen Taillenbereich und einem breiten sich schneidenden Bereich erzeugen.
Die Filtermembran kann ebenso flexibel sein. Stärker bevorzugt kann die Filtermembran ausreichend flexibel sein, daß sie entlang eines Krümmungsradius von etwa 1,27 cm (1/2 inch) angeordnet sein kann, wenn gewünscht. Wie später ausführlicher beschrieben werden wird, macht dies die Filtermembran besonders geeignet für eine Anwendung in rotierenden Membranseparatoren, wie der zuvor genannten Autopheresis-C^®-Vorrichtung, sowie in anderen Separatoren, die eine unebene, flexible Filtermembran erfordern.
Obwohl die Filtermembran für Anwendungen, wie den Autopheresis-C^®-Separator und andere medizinische Anwendungen geeignet ist, ist die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Filtermembran ebenso für eine breite Vielzahl anderer Anwendungen geeignet, wo mikroporöse Membranen verwendet werden, um Flüssigkeiten oder Suspensionen zu filtrieren, wie Wasser- oder Weinfiltration, und andere industrielle Anwendungen. Typischerweise, obwohl nicht notwendigerweise, betragen die Poren im Mikrometermaßstab der Filterschicht weniger als oder gleich etwa zwanzig Mikrometer in ihrer größten Querdimension, obwohl die besondere Größe in Abhängigkeit der Anwendung variiert werden kann. „Mikrometermaßstab" in dieser Beschreibung bedeutet weniger als etwa 100 Mikrometer. „Präzisionsgeformt" bedeutet eine im allgemeinen spezifische und vorbestimmte Form im Gegensatz zu den Membranen nominaler Porengröße des Standes der Technik. „Präzisionsgeformt" soll eine Variation der Genauigkeit gestatten und diese einschließen, vorrausgesetzt die allgemeine Form der Pore oder anderen Struktur ist eine vorbestimmte nicht zufällige Form.
Die exakte Porengröße hängt von der gewünschten Anwendung ab. Beispielsweise währe eine Filtermembran mit Poren von weniger als oder gleich etwa 0,22 Mikrometer in der größten Querdimension (von Seite zu Seite) zur Filtration von Bakterien sowie anderen Substanzen gleicher Größe aus einer Flüssigkeit geeignet. Eine Filtermembran, worin die Porengröße weniger als oder gleich etwa 0,60–0,65 Mikrometer beträgt, währe zum Entfernen der meisten Zellen und Zellfragmente aus Blut, wobei im wesentlichen zellfreies Plasma hinterlassen wird, oder in einer ganz anderen Anwendung zur Filtration von Wein geeignet. Eine Porengröße von 0,45 Mikrometer oder weniger kann E. coli-Bakterien entfernen oder für diagnostische und mikroskopische Anwendungen verwendet werden. Eine Porengröße von 0,08 Mikrometer kann verwendet werden, um Wasser für elektronische Herstellungsverfahren zu filtrieren.
Die Filtermembran kann ebenso aus einer Vielzahl von Materialien und Konfigurationen hergestellt werden, die für Mikrolithographie- oder Mikrobearbeitungsverfahren geeignet sind. Wie zuvor angemerkt, ist die Filtermembran, die hergestellt wird, monolithisch, d. h., es gibt keine eindeutig erkennbare Unterschiedslinie zwischen den Schichten oder Subschichten. Solch eine Filtermembran kann beispielsweise Schichten aus Materialien umfassen, die sich unterscheiden, aber ausreichend kompatibel sind, daß sie beispielsweise durch gemeinsames Härten monolithisch gemacht werden können.
Das Material der Filterschicht und Trägerschicht ist bevorzugt lichtempfindlich (oder photoabbildbar) und ätzbar (durch Trocken- oder Naßverfahren), obwohl Materialien, die zur Laser-Abtragung geeignet oder zur Verarbeitung auf Strahlungsbasis geeignet sind, ebenso verwendet werden können. Die Filter- und Trägerschicht können, aber müssen nicht notwendigerweise, aus der gleichen Materialart bestehen, vorausgesetzt, sie können monolithisch hergestellt werden. Materialien, die für Trockenätzen geeignet sind, können beispielsweise zur Bildung der Filterschicht, aufgrund der besonders guten Bildschärfe, die aus dem Trockenätzen resultiert, verwendet werden. Die Trägerschicht andererseits ist typischerweise grober als die Filterschicht, und der erforderliche Bildschärfegrad ist geringer, was die Verwendung von photoabbildbaren oder Materialien, die durch Laser abtragbar sind, verlangt/gestattet. Obwohl Photoabbildungs- und Laser-Abtragungsverfahren typischerweise keine so gute Bildschärfe, wie Trockenätzen bereitstellen, sind solche Verfahren zur Bildung der präzisionsgeformten Poren der Filterschicht für die meisten erwarteten Anwendungen geeignet.
Bei der Laser-Abtragung entfernt jeder Laserlichtimpuls nur einen kleinen Teil des Polymermaterials. Demnach währe Laser-Abtragung besser für die Bildung der Filterschicht als der typischerweise wesentlich dickeren Trägerschicht geeignet. Die Trägerschicht in einer solchen Membran könnte mit anderen lithographischen oder Mikrobearbeitungsverfahren mit entweder Einzel- oder Mehrfachfilmaufbau gebildet werden.
Andererseits stellen Synchrotrone stark gebündelte Röntgenstrahlung bereit, die verwendet werden kann, um die Polymerhauptkette von Acrylmaterial, wie Polymethylmethacrylat (PMMA), zu entbinden oder „zu öffnen". Unter Verwendung dieses Konzepts können die ausgesetzten Bereiche einer Polymermembran, wie durch eine Röntgenmaske mit Absorptions- und Transmissionsbereichen, die das gewünschte Muster definieren, durch ionisierende Bestrahlung „geöffnet" und anschließend durch ein Lösungsmittelbad weiter entwickelt werden. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um die Filterschicht, Trägerschicht oder beide zu bilden.
Es wurde ebenso in Betracht gezogen, daß die Poren der integrierten Membran der vorliegenden Erfindung nicht kreisförmig sein müssen, wenn gewünscht, und für bestimmte Anwendungen nicht kreisförmige bevorzugt sind. Beispielsweise können die Poren länglich sein, wie in WO-A-9813131 offenbart, um bestimmten Teilchen, wie roten Zellen, das Hindurchlaufen zu ermöglichen, und andere Teilchen, wie weiße Zellen, zu blockieren. In Abhängigkeit von der Verwendung können andere Formen wünschenswert sein, und die vorliegende Erfindung eignet sich besonders gut zur Anpassung an solche variierenden Bedürfnisse.
Als Materialien für die Filter- und Trägerschicht ist ein bevorzugtes Material zur Herstellung der Filtermembran ein Polyimidpolymer. Polyimidpolymere sind in lichtempfindlicher und ätzbarer Form erhältlich. Ein lichtempfindliches Polymer kann positiv oder negativ sein. In negativ wirkenden lichtempfindlichen Polymeren, werden die Bereiche des Films die Licht ausgesetzt werden, fixiert oder permanent und die nicht-ausgesetzten Bereiche des Films können durch chemische (Lösungsmittel-) Behandlung entfernt werden. In einem positiv wirkenden Film können die Teile des Films, die Licht ausgesetzt wurden, durch chemische Verfahren entfernt werden, und die nicht-ausgesetzten Bereiche bleiben fixiert oder permanent. Die Grundlithographie- und Mikrobearbeitungsverfahren zur Herstellung von Polymermembranen, wie lichtempfindliche oder ätzbare Polyimidmembranen, sind allgemein bekannt, wie beispielsweise in der veröffentlichten internationalen Anmeldung WO 96/10966 gezeigt.
Separator
Die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte Filtermembran kann in einem Separator zur Trennung von Teilchen, wie Zellen aus einer Flüssigkeit oder Suspension, eingesetzt werden, ist aber nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann ein Separator bereitgestellt werden, umfassend ein Gehäuse, einschließlich eines Fluideinlasses und eines ersten Fluidauslasses, wobei ein Fließweg in dem Gehäuse zwischen dem Einlaß und dem ersten Auslaß definiert wird. Eine durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellte monolithische Polymerfiltermembran kann innerhalb des Gehäuses in dem Fließweg des zu filtrierenden Fluids (Filtrat), das dadurch läuft, angeordnet sein. Wie oben beschrieben, umfaßt eine solche Membran eine Filterschicht mit präzisionsgeformten Poren im Mikrometermaßstab, durch die das Filtrat laufen kann, und eine Trägerschicht, einschließlich einer porösen Trägerstruktur für die Filterschicht.
In einem solchen Separator kann die Filtermembran in einer solchen Position angeordnet und so geformt sein, wie es grundsätzlich für bestimmte Anwendungen notwendig ist. Beispielsweise kann die Filtermembran über dem Fließweg angeordnet sein, um Teilchen, einschließlich Zellen oder Zellfragmente, aus der zu filtrierenden Flüssigkeit zu filtrieren, ist aber nicht darauf beschränkt. Alternativ kann die Filtermembran entlang der Länge des Fließwegs angeordnet sein, so daß das Fluid, aus dem das Filtrat entfernt wurde, über die Oberfläche der Membran fließt. In dieser Alternative würde typischerweise ein zweiter Auslaß bereitgestellt werden, um den Teil des Fluids zu entfernen, der nicht durch die Filtermembran läuft.
Aufgrund des flexiblen, robusten Charakters kann die Membran, die aus dem Verfahren der vorliegenden Erfindung resultiert, in einer ihrer bevorzugten Formen in dem Separator in einer gekrümmten Anordnung angeordnet sein und tatsächlich kann die Membran entlang eines Krümmungsradius von etwa 1,27 cm (1/2 inch) gekrümmt sein. Diese Merkmale der Membran machen sie besonders zur Verwendung in der Art von Vorrichtung geeignet, die eine Flüssigkeit oder Suspension trennt, indem sie zwischen zwei in bezug aufeinander drehbare Strukturen durchläuft. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise der Autopheresis-C^®-Separator, der von Baxter Healthcare Corporation verkauft wird.
Der Autopheresis-C^®-Separator setzt einen im Allgemeinen zylindrischen von der Membran bedeckten Rotor innerhalb eines im Allgemeinen zylindrischen Gehäuses ein. Eine Suspension, wie Blut, wird von dem einen Ende des Gehäuses zu dem anderen Ende durch eine Lücke zwischen dem Rotor und der Gehäuseoberflächen geleitet. Plasma fließt durch die Membran und verläßt sie durch einen Auslaß in dem Gehäuse. Wie zuvor erwähnt, wurde festgestellt, daß dies eine sehr effiziente Vorrichtung zur Trennung der Zellkomponenten von menschlichem Blut von dem Plasma ist, worin sie suspendiert sind. Es ist jedoch ein relativ hohes Spannungsumfeld, in dem die Filtermembran für die Befestigung auf dem zylindrischen Rotor oder Gehäuse nicht nur flexibel sein muß, sondern auch ausreichende Robustheit aufweisen muß, um die Montage oder Befestigung der Membran sowie der Hochgeschwindigkeitsrotation des Rotors (mehrere tausend U/min), den Scherkräften, die durch das fließende Fluid erzeugt werden, und signifikantem transmembranem Druck standzuhalten, der eingesetzt werden kann, um das Filtrat zum Fließen durch die Membran zu zwingen (obwohl mit der hohen Porosität, der dünnen Filterschicht der vorliegenden Erfindung, befriedigende Filtratfließraten mit niedrigeren transmembranen Drücken erhalten werden können, als gegenwärtig verwendet werden).
Einer der einzigartigen Aspekte der Autopheresis-C^®-Vorrichtung ist, daß die relative Rotation zwischen dem Rotor und dem Gehäuse eine Reihe starker Wirbelzellen in der Lücke erzeugt – bekannt als Taylor-Wirbel. Die Taylor-Wirbel befreien die Oberfläche der Membran, wobei sie helfen, die Membranoberfläche frei von Verschlußteilchen (Zellen) zu halten und sich die Membranporosität zu Nutze machen. Die Membran mit hoher Porosität mit den präzisionsgeformten Poren im Mikrometermaßstab erfüllt im wesentlichen die bereits ausgezeichnete Leistung der Autopheresis-C^®-Vorrichtung.
Daher kann ein Separator zur Trennung einer oder mehrerer Komponenten einer Flüssigkeit oder Suspension bereitgestellt werden, wobei der Separator ein Gehäuse, das eine im Allgemeinen zylindrische innere Oberfläche und einen Rotor umfaßt, der drehbar in dem Gehäuse befestigt ist und eine im Allgemeinen zylindrische äußere Oberfläche aufweist, die von der inneren Oberfläche des Gehäuses beabstandet ist (oder beides). Eine flexible monolithische Polymermembran, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, kann auf der im Allgemeinen zylindrischen Oberfläche des Rotors oder auf der im Allgemeinen zylindrischen inneren Oberfläche des Gehäuses (oder beiden) angeordnet sein. Eine solche Membran umfaßt eine Filterschicht mit präzisionsgeformten Poren im Mikrometermaßstab und eine Trägerschicht, einschließlich einer Trägerstruktur mit präzisionsgeformten Poren für die Filterschicht. Die Filterschicht der Membran ist dem Abstand zwischen dem Rotor und dem Gehäuse zugewandt angeordnet, egal, ob sie auf dem Rotor oder dem Gehäuse befestigt ist. Mit anderen Worten, wenn die Filtermembran auf dem Rotor befestigt währe, währe die Filterschicht der inneren Gehäuseoberfläche zugewandt und umgekehrt. Das Gehäuse umfaßt einen Einlaß zum Einführen einer Flüssigkeit oder Suspension, wie Blut, in das Gehäuse und einen Auslaß zum Entfernen eines Teils der Suspension aus dem Abstand zwischen dem Rotor und dem Gehäuse. Um ein Filtrat zu entfernen, das durch die Membran läuft, wird ein weiterer Auslaß in dem Gehäuse bereitgestellt, um mit der porösen Seite der Trägerschicht der Membran in Verbindung zu treten.
In dieser Dreh-Separator-Anwendung ist die Filtermembran gekrümmt, damit sie mit der im Allgemeinen zylindrischen Oberfläche des Rotors oder dem Gehäuse, auf der sie angeordnet ist, übereinstimmt. Dies kann einen Krümmungsradius von nur etwa 1,27 cm (1/2 inch) oder so ungefähr erfordern. Gemäß dem zuvor zusammengefaßten Separator kann die Größe der Poren im Mikrometermaßstab der Filtermembran in Abhängigkeit der besonderen Anwendung oder dem Bedarf ausgewählt werden.
Es ist selbstverständlich, daß die Filtermembran, die in den oben zusammengefaßten Separatoren eingesetzt wird, die spezielleren Merkmale und Aspekte einschließen kann, die zuvor unter Bezug auf die Membran zusammengefaßt wurden, ohne daß diese hier alle wiederholt werden müssen. Zusätzliche Trägersubschichten oder Subgitter können eingesetzt werden, um die Flexibilität und/oder Festigkeit zu verbessern, oder es können unterschiedliche Porengrößen oder geometrische Anordnungen in Abhängigkeit der Anwendung verwendet werden.
Verfahren
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Herstellung einer Filtermembran gerichtet. Wie zuvor angegeben, kann die Filtermembran der vorliegenden Erfindung, umfassend eine monolithische Filterschicht, einschließlich präzisionsgeformter Poren im Mikrometermaßstab, und eine Trägerschicht, einschließlich einer präzisionsgeformten Trägerstruktur, aus unterschiedlichen Filmen gebildet werden, die unter Bildung einer monolithischen Filtermembran miteinander verbunden sind.
Die Filtermembran kann monolithisch gemacht werden, indem die Filter- und Trägerschicht aus einzelnen Filmen aus den gleichen oder ausreichend kompatiblen Materialien gebildet werden, damit die Schichten monolithisch werden können, wenn sie aneinander gebunden werden. Beispielsweise müssen die Filme nicht vollständig gehärtet sein, wenn die Poren und Trägerstrukturen gebildet werden, und können dann unter Bildung einer monolithischen Membran gemeinsam gehärtet werden. Wenn die Filtermembran aus zwei oder mehr einzelnen Filmen besteht, wird die Filterschicht durch Entfernen von ausgewähltem Material von einem Polymerfilm gebildet, wodurch eine Vielzahl von präzisionsgeformten Poren im Mikrometermaßstab durch die Membran gebildet wird. Die Trägerschicht wird durch Entfernen von ausgewähltem Material von einem anderen Polymerfilm gebildet, wodurch eine Trägerstruktur mit präzisionsgeformten Poren gebildet wird. Die Filter- und Trägerschicht und irgendeine weitere oder Zwischenschicht, die erforderlich sein kann, werden übereinander und so angeordnet, daß sie miteinander in Kontakt sind, und die Schichten werden unter Bildung der monolithischen Filtermembran miteinander verbunden.
Eine Vielzahl von Verfahren kann zum Entfernen von Material von dem Polymerfilm verwendet werden, und die vorliegende Erfindung wird hinsichtlich der weitesten Bezüge auf kein besonderes Verfahren oder eine Kombination von Verfahren beschränkt. Verfahren, die im Allgemeinen für die Bildung präzisionsgeformter Poren im Mikrometermaßstab und präzisionsgeformter Trägerstrukturen als geeignet erachtet werden, schließen die Mikrolithographie- und Mikrobearbeitungsverfahren von Photoabbildung, Naß- und Trockenätzen, Verarbeitung auf Strahlungsbasis, wie Strahlungs-„Öffnen" („unzipping"), und Laser-Abtragung ein. „Naßätzen" bezieht sich im Allgemeinen auf Ätzen durch Kontaktieren mit flüssigen Elementen und „Trockenätzen" bezieht sich im Allgemeinen auf Ätzen durch Kontaktieren mit Gas oder Plasma. Andere Mikrobearbeitungsverfahren, die bereits existieren oder später entwickelt werden, können ebenso verwendet werden.
Obwohl nicht alle diese Verfahren die gleiche Genauigkeit aufweisen, werden sie im Allgemeinen alle als ausreichend genau für die vorliegende Erfindung und zur Erzeugung „präzisionsgeformter" Poren und anderer Strukturen betrachtet. Beispielsweise kann Laserlicht, das durch eine Maske dringt, verwendet werden, um das Polymermaterial des Films in ausgewählten Bereichen, die durch die Maske definiert werden, abzutragen.
Mit einem ätzbaren Polymerfilm, wie einem Film aus Polyimidmaterial, kann ein Metallfilm auf eine Oberfläche des Polyimidfilms aufgebracht werden, und dann wird eine Photoresistschicht zu dem Metallfilm zugegeben. Ein erstes Muster wird auf der Photoresistschicht durch Licht erzeugt, das durch eine Maske mit dem gewünschten Design gebündelt wird, wodurch Poren im Mikrometermaßstab oder die Trägerstrukturen definiert werden. Ausgewähltes Material der Photoresistschicht wird dann in Abhängigkeit des Musters der Aussetzung durch bekannte chemische Verarbeitungstechniken entfernt. Der Metallfilm wird, in den nach der Entfernung des Photoresistmaterials freigelegten Bereichen, gemäß allgemein bekannten Verfahren entfernt. Die Entfernung des Photoresistmaterials und des Metallfilms in den ausgewählten Bereichen legt Bereiche des Polymerfilms frei, die dem Muster entsprechend, das zuerst auf der Photoresistschicht erzeugt wurde. Diese Bereiche des Polymerfilms können durch verschiedene Verfahren entfernt werden, doch Trockenätzen, wie reaktives Ionenätzen, ist aufgrund der besseren Bildschärfe oder Musterübertragung ein bevorzugtes Verfahren. Die Metallschicht schützt ausgewählte Bereiche des Films vor dem Ätzverfahren. Nach dem Ätzverfahren werden die Reste des Photoresistmaterials und des Metallfilms von dem Polyimidfilm entfernt, wodurch die Filterschicht oder Trägerschicht mit der gewünschten Struktur ausgesetzt wird. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um eine oder beide Schichten einer Membran aus Mehrfachfilmen zu bilden. Es kann ebenso mit anderen Verfahren, wie Laser-Abtragung, Strahlungs-basierender Verarbeitung oder Prägen kombiniert werden, so daß eine Schicht durch ein Verfahren und eine andere Schicht durch ein anderes Verfahren gebildet wird. Aufgrund seiner guten Bildschärfe können Trockenätzen oder Strahlungs-basierende Verarbeitung bevorzugte Verfahren zum Entfernen von Materialien sein, um die Filterschicht zu bilden.
Andere Verfahren zur Bildung der Filter- und Trägerschicht sind ebenso mit der vorliegenden Erfindung erhältlich. Die Filterschicht und/oder Trägerschicht kann einen photoabbildbaren Polymerfilm umfassen und kann durch Aussetzen des Films Licht durch eine Maske, die das Muster der Poren oder Trägerstruktur, die gebildet werden sollen, definiert, gebildet werden. Ausgewähltes Material des Films wird dann in Abhängigkeit davon, ob der Film positive oder negative photoabbildbare Eigenschaf ten hat, entfernt, beispielsweise durch Lösungsmittel, um die gewünschte Schicht zu erzeugen.
Natürlich können Laser-Abtragung und Ätzen ebenso wie gewünscht zur Bildung der verschiedenen Schichten, Subschichten, Gitter, Subgitter und anderer Merkmale der gewünschten Membran verwendet werden, ohne von den breiteren Aspekten dieser Erfindung abzuweichen. Wie oben besprochen, kann ebenso stark gebündelte Synchrotron-Röntgenstrahlung verwendet werden, um die Polymerhauptkette bestimmter Polymermaterialien zu entbinden oder zu öffnen, beispielsweise durch eine Maske, um das gewünschte Muster der Poren (oder Trägerstruktur) zu definieren, wobei die ausgesetzten Stellen in einem Lösungsmittelbad weiter entwickelt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung kann die Filtermembran auf einer progressiven, annähernd kontinuierlichen Basis gebildet werden. In einem solchen Verfahren wird ein kontinuierliches Netz eines Polymerfilms kontinuierlich zugeführt. Wenn es photoabbildbar ist, wird ein Muster wiederholt progressiv auf dem Film erzeugt, indem eine Seite Licht durch eine Maske ausgesetzt wird. Der Film wird dann durch ein Lösungsmittelbad befördert, um ausgewähltes Material zu entfernen, wodurch die Filter- oder Trägerschicht gebildet wird. Wenn der Film durch Laser abtragbar ist, kann Laserlicht durch eine Maske verwendet werden, um Material in einem ausgewählten Muster von einer oder beiden Seiten des Films zu entfernen, wodurch die Filter- und Trägerschicht gebildet werden. Durch photoabbildbare Laser-Abtragung oder Röntgenstrahlbehandlungsverfahren können beide Schichten des Filters und Trägers gleichzeitig oder nacheinander auf den gegenüberliegenden Seiten der Membran gebildet werden, mit dem Ergebnis einer schrittweisen progressiven, im wesentlichen kontinuierlichen Herstellung einer integrierten Filtermembran. Alternativ kann eine Seite des Films eine geprägte oder vorgegossene Trägerstruktur aufweisen, wobei eines der obigen Verfahren eingesetzt wird, um die Filterschicht zu definieren.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung einer integrierten Filtermembran umfaßt die Herstellung der Membran auf einem Substrat, wie Quarz, oder bevorzugt einem Siliciumwafer. In diesem Verfahren wird, wenn das Substrat ein Siliciumwafer ist, die Filtermembran durch Schleudern einer ersten photoabbildbaren Polyimidschicht auf den Siliciumwafer hergestellt. Die erste Polyimidschicht wird Licht durch eine Maske ausgesetzt, die ein erstes Muster einer der Poren im Mikrometermaßstab oder der Trägerstruktur definiert. Eine zweite Polyimidschicht wird dann auf die erste Schicht des Polyimids geschleudert, um so dazwischen eine Grenzfläche zu erzeugen. Die zweite Polyimidschicht wird Licht durch eine Maske ausgesetzt, die ein zweites Muster der anderen Poren im Mikrometermaßstab oder der Trägerstruktur definiert. Ausgewähltes Material wird von der ersten und zweiten Polyimidschicht entfernt, um die Poren im Mikrometermaßstab und die Trägerstruktur zu definieren, und die erste und zweite Polyimidschicht werden gemeinsam gehärtet, um die Grenzfläche dazwischen zu entfernen und eine monolithische Filterschicht-Trägerstruktur zu erzeugen. Die monolithische Filterschicht-Trägerstruktur wird dann von dem Siliciumwafersubstrat entfernt. Der Schritt des Entfernens von ausgewähltem Material von der ersten Polyimidschicht kann durchgeführt werden bevor die zweite Schicht auf die erste Schicht geschleudert wird oder nachdem die zweite Schicht aufgeschleudert und ausgesetzt wurde.
Ein spezielleres Verfahren zur Herstellung der Filtermembran auf einem Siliciumwafersubstrat in einem diskontinuierlichen Verfahren umfaßt ein erstes Aufschleudern von Polyimidmaterial auf ein Substrat, wie einen Siliciumwafer, wonach eine Metallschicht aufgebracht wird, wie durch Sputtern, Eindampfen oder Aufdampfen, und eine Photoresistschicht auf die Metallschicht aufgebracht wird. Die Photoresistschicht wird durch Belichtung durch eine Maske entwickelt, wodurch ein erstes Muster der Poren im Mikrometermaßstab oder der Trägerstruktur definiert wird. Dieses Muster wird auf die Metallschicht übertragen und anschließend auf die Polyimidschicht durch selektives Entfernen von Bereichen der Photoresist- und Metallschicht übertragen, um das Muster der Poren im Mikrometermaßstab für die Filterschicht oder das Trägerstrukturmuster für die Trägerschicht zu erzeugen. Die Photoresist- und Metallschicht werden dann entfernt und eine zweite Polyimidschicht auf die erste Schicht aufgeschleudert. Ein zweites Muster wird auf der zweiten Polyimidschicht erzeugt, wodurch das andere Muster der Poren im Mikrometermaßstab oder die Trägerstruktur definiert werden. Ausgewähltes Material, wie durch das erste und zweite Muster definiert, wird entfernt, um das andere Muster der Poren oder der Trä gerstruktur zu erzeugen. Um die monolithische Filtermembran zu bilden, werden die erste und zweite Polyimidschicht, die nicht vollständig gehärtet sind, gemeinsam gehärtet, wodurch jede Grenzfläche dazwischen entfernt und die monolithische Filtermembran erzeugt wird, die dann von dem Siliciumwafer oder anderen Substrat entfernt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht eines mikroporösen Membranfilters, der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Membranfilters aus 1, worin die Filter- und Trägerschicht getrennt sind, um die Einzelheiten der Trägerschicht darzustellen.
3 ist eine Draufsicht des Membranfilters aus 1.
4 ist ein Querschnitt der Filtermembran aus 3 entlang der Linie 4-4 von 3.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer alternativen Trägerstruktur für die Membran mit gekrümmten bzw. gebogenen Schnittstellen der Trägerwände oder Verstrebungen.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen alternativen Trägerstruktur, definiert durch voneinander beabstandete zylindrische Öffnungen.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer Membran, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann, worin die Filter- und Trägerschicht getrennt wurden, um die Trägerschicht der Mehrfachsubschichten oder -subgitter zu zeigen.
8(a) und (b) sind eine Draufsicht und eine Querschnittsdarstellung einer alternativen Membran, worin die Poren im allgemeinen länglich sind.
9 ist eine Querschnittsansicht eines Separators.
10 ist eine Querschnittsansicht eines anderen Separators.
11 ist eine perspektivische Ansicht eines Filters vom Schleudermembrantyp.
12a–12g veranschaulichen die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Membran der vorliegenden Erfindung.
13a–13i veranschaulichen die Schritte eines anderen Verfahrens zur Herstellung einer Membran der vorliegenden Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
1 stellt eine mikroporöse Polymerfiltermembran dar, im Allgemeinen mit 20 bezeichnet. Die Filtermembran 20 umfaßt mindestens eine Filterschicht 22, die eine Vielzahl an präzisionsgeformten Poren 24 im Mikrometermaßstab umfaßt, und eine Trägerschicht 26, die eine präzisionsgeformte Trägerstruktur (besser in 2 zu sehn) für die Filterschicht umfaß, wobei die Filter- und Trägerschicht monolithisch sind, wobei es keine erkennbare Unterschiedslinie zwischen der Filter- und Trägerschicht gibt. Wie später in Verbindung mit dem Verfahren zur Herstellung einer Membran ausführlicher besprochen werden wird, kann eine monolithische Membran das Ergebnis der Bildung der Filterschicht und Trägerschicht durch verschiedene Filme sein, die entweder aus dem gleichen Material oder aus verschiedenem, aber im wesentlichen kompatiblem Material sind, die zu einer monolithischen Membran gebildet werden können, wie durch Bilden der Schichten in einem ungehärteten oder teilweise gehärteten Zustand und indem sie gemeinsam gehärtet werden.
Für Veranschaulichungszwecke ist die in 1 gezeigte Filtermembran 20 nicht maßstabsgetreu. Obwohl die Trägerschicht theoretisch die gleiche Dicke haben könnte, wie die Filterschicht, ist die Filterschicht 22 typischerweise wesentlich dünner als die Trägerschicht 26. Bevorzugt ist die Trägerschicht um einen Faktor von zwischen zwei und zweihundertfünfzig dicker als die Filterschicht. Spezieller kann die Filterschicht der Filtermembran zwischen etwa 0,3 und 3–5 Mikrometer dick sein, und die gesamte Filtermembran, einschließlich sowohl der Filterschicht als auch der Trägerschicht, kann zwischen etwa 6 und 75 Mikrometer dick sein. Die Dicke von sowohl der Filterschicht als auch der Trägerschicht kann in Abhängigkeit der gewünschten Porengröße, der Form der Poren, dem Grad der Flexibilität der Membran, die gewünscht ist, sowie der Trägermenge, die für die Filterschicht gewünscht wird, variiert werden.
Ein Grund aus dem die Filterschicht typischerweise wesentlich dünner ist als die Trägerschicht, ist die allgemein Faustregel, die bei der Herstellung der Filtermembranen durch typische Mikrostrukturherstellungsverfahren gefunden wurde. Wie zuvor bereits erwähnt, ist diese Faustregel die, daß die Dicke der Filterschicht, durch die die Poren sich erstrecken, nicht größer als etwa 2 oder 3 mal so groß sein darf, wie die Querschnittsdimension der Poren. Wie zuvor erwähnt, wird dies das „Aspektverhältnis" bezeichnet. Beispielsweise sollte, um Poren von 1 Mikrometer in der Querschnittsdimension oder dem Durchmesser zu bilden, die Filterschicht nicht dicker als etwa 2 oder 3 Mikrometer sein.
Für den Zweck dieser Beschreibung bedeutet Poren im „Mikrometermaßstab" eine Porengröße von etwa 100 Mikrometer oder weniger.
„Porengröße" bezieht sich im allgemeinen auf die Querschnittsdimension der Pore, und nicht die Tiefe der Pore durch die Filterschicht. Für Poren mit kreisförmiger Querschnittsform, bezieht sich die Porengröße im allgemeinen auf den Durchmesser der Pore und für Poren, die nicht kreisförmig sind, wie längliche Poren, bezieht sich die „Porengröße" im allgemeinen auf die kleinste Querschnittsdimension der Poren, sofern nicht anders angegeben.
Es wird gegenwärtig in Betracht gezogen, daß die Porengröße einer mikroporösen Filtermembran, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, typischerweise etwa 20 Mikrometer oder weniger beträgt. Die besondere Porengröße kann von der Anwendung abhängen, der die Filtermembran unterzogen wird. Beispielsweise ist eine Porengröße von weniger als oder gleich etwa 0,22 Mikro meter kleiner als Bakterien und kann Bakterien aus dem Filtrat entfernen, das durch die Filtermembran gelangen soll. Eine Porengröße von weniger als oder gleich etwa 0,6–0,65 Mikrometer kann in biomedizinischen Anwendungen zum Entfernen von Zellen aus menschlichem Blut oder für industrielle Anwendungen, beispielsweise zur Filtration von Wein, verwendet werden. Eine Porengröße von etwa 0,45 Mikrometer oder weniger kann verwendet werden, um E. coli-Baktieren zu entfernen, oder kann in diagnostischen Anwendungen Anwendung finden. Eine Porengröße von 0,08 Mikrometer kann Ultrafiltratwasser bereitstellen, das für elektronische Herstellungsverfahren geeignet ist. Eine Porengröße von etwa 2 Mikrometer könnte Blutplättchen und Plasma von menschlichem Blut das Durchlaufen ermöglichen, würde aber rote Zellen und weiße Zellen blockieren.
Die Dichte der Poren in der Filterschicht oder die „Porosität" der Filterschicht können ebenso gemäß der beabsichtigten Anwendung ausgewählt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Porosität der Filterschicht im wesentlichen höher sein, als in vorhergehenden Beispielen mikrohergestellter Filter festgestellt wurde, und die Porosität kann bis zu 30 Prozent oder mehr betragen, was größere Fließraten oder „Durchfluß" des Filtrats durch die Filtermembran gestattet, als zuvor mit demselben oder weniger transmembranem Druck erhalten.
Die Trägerschicht 26 der Filtermembran 20 aus 1 ist am besten in 2 zu erkennen, worin die Filter- und Trägerschicht getrennt zu sehen sind. Die dargestellte Trägerschicht 26 umfaßt voneinander beabstandete Trägerverstrebungen oder -wände 30, die parallel sind und sich in eine Richtung erstrecken, und Trägerwände oder Verstrebungen 32, die parallel sind und sich senkrecht zu den Trägerwänden 30 erstrecken, und sich schneidende Trägerwände 30 an Verbindungen, die eine Trägergitterstruktur definieren, die unter der Filterschicht liegt. Die Wände oder Verstrebungen 30 und 32 sind bevorzugt mit einer Entfernung beabstandet, die im wesentlichen größer als die Querschnittsdimension der Poren ist, wie ohne weiteres in den 1–8 und 12 zu sehen ist. Dies erzeugt eine poröse, grobere Struktur als die in der Filterschicht erhaltene, was dem Filtrat ohne weiteres das Laufen durch die Trägerstruktur ermöglicht. Die Trägerverstrebungen oder -wände 30 und 32 sind bei einer Membran mit einer Filterschicht, worin die Poren eine Querschnittsdimensi on zwischen etwa 1 und 20 Mikrometer aufweisen, bevorzugt zwischen etwa 50 und 1.000 Mikrometer voneinander beabstandet. Obwohl die in 2 dargestellte Trägerstruktur ein im allgemeinen rechtwinkliges Gitter umfaßt, das durch die sich schneidenden Trägerwände oder Verstrebungen 30 und 32 definiert wird, wie später ausführlicher besprochen wird, kann die Trägerstruktur andere Konfigurationen aufweisen und kann mehr als eine Schicht verschiedener Porosität, Abstand oder Konfiguration besitzen.
3 und 4 zeigen andere Aspekte der Filtermembran von 1. 3 ist eine Draufsicht, die auf die Filterschicht schaut und die Porenanordnung dieser Version der Membran zeigt. 4 ist eine Querschnittsansicht der Filtermembran 20. Es ist aus 4 erkennbar, daß die Trägerstruktur wesentlich grober mit viel größerer Porosität ist als die Filterschicht. Wie zuvor bereits erwähnt, ermöglicht dies dem Filtrat das Durchlaufen der Filterschicht, um ohne weiteres durch die Trägerstruktur zu gelangen, ohne irgendeinen zusätzlichen Druckverlust oder Widerstand.
Die Aufmerksamkeit auf 5 richtend, wird eine alternative Trägerstruktur 34 gezeigt, die der in 2 dargestellten Trägerstruktur gleicht, außer, daß die Trägerwände oder Verstrebungen 30 und 32 an den Verbindungen, wo die Wände oder Verstrebungen sich schneiden, gekrümmt sind (oder Ausrundungen aufweisen) 36. Obwohl sich Mikrobearbeitungsverfahren in den vergangenen Jahrzehnten signifikant entwickelt haben, bleibt es sehr schwierig, Oberflächen im rechten Winkel zu formen, wie in 2 dargestellt, und die Struktur von 5 sollte mit Mikrobearbeitungsverfahren leichter gebildet werden können. Ferner sollte die Verwendung von Krümmungen oder Ausrundungen an sich schneidenden Wänden oder Verstrebungen ebenso zu reduzierter Spannung und Bruchstellen in diesen Bereichen führen, wenn die Membran gebogen wird.
6 zeigt noch eine weitere alternative Trägerstruktur 38, worin die Trägerwände oder Verstrebungen 30 und 32 durch kreisförmige Öffnungen 40 durch die Trägerschicht definiert sind, im Gegensatz zu den rechteckigen Öffnungen in den 2 und 5. Diese Struktur kann leichter herzustellen sein, als die in den 2 und 5 gezeigte. Als Ergebnis der kreisförmigen Öffnungen, weisen die Trägerwände oder Verstrebungen einen im allgemeinen dünneren Taillenbereich 42 und größere Endbereiche 44 auf, wo sie die anderen Trägerverstrebungen oder -wände schneiden.
Die in 1–6 dargestellte mikroporöse Filtermembran hat Poren, die im Querschnitt kreisförmig sind. Wie zuvor erwähnt, brauchen die erfindungsgemäßen Poren keinen kreisförmigen Querschnitt, und können in Abhängigkeit der gewünschten Verwendung verschiedene Formen aufweisen. 8(a) und 8(b) sind Drauf- bzw. Querschnittsansichten einer alternativen Membran, worin die Poren im allgemeinen im Querschnitt länglich sind. Spezieller können die Poren, wie in 8(a) gezeigt, im Querschnitt rechteckig oder oval sein. Diese Form kann größere Porosität als kreisförmige Poren liefern, und ist ebenso besonders nützlich bei der Trennung von roten Zellen, Blutplättchen und Plasma aus menschlichem Blut von weißen Zellen.
Diese besondere Form ist jedoch nicht neu für die vorliegende Erfindung. Wie in WO-A-3813131 offenbart, kann die Filtermembran mit ovalförmigen Poren von ungefähr 3 Mikrometer mal 12 Mikrometer verwendet werden, um das Durchlaufen von roten Zellen, Blutplättchen und Plasma zu ermöglichen, während das Durchlaufen der größeren weißen Zellen blockiert wird. Andere Formen könnten natürlich zum Filtrieren anderer Teilchen verwendet werden, einschließlich Zellen, die auf der besonderen Form der Teilchen sowie der Größe der Teilchen basieren, sind aber nicht darauf beschränkt.
Wie zuvor erwähnt, wird angenommen, daß die Filterschicht, die aus dem Verfahren der vorliegenden Erfindung resultiert, aufgrund der monolithischen Trägerstruktur besonders dünn hergestellt werden kann, wodurch die Bildung sehr kleiner Poren, so klein wie etwa 0,08–0,10 Mikrometer Porengröße, gestattet wird. Für diese Porengröße kann die Filterschicht so dünn wie etwa 0,3 Mikrometer oder so ungefähr sein. Die in 1–6 gezeigte Trägerstruktur kann für Poren von etwa 1 Mikrometer oder größer geeignet sein. Wenn die Porengröße und Filterschichtdicke immer kleiner werden, können andere Trägerstrukturkonfigurationen zum Tragen der Filterschicht erforderlich sein.
Wenn die Porengröße wesentlich kleiner wird und die Filterschicht in ihrer Dicke eingeschränkt wird, kann eine Trägerschicht erforderlich sein, die zum Tragen ultradünner Filmschichten besonders geeignet ist. Beispielsweise kann die Trägerschicht zwei oder mehr Subschichten oder Subgitter unterschiedlicher Porosität, Abstand oder Konfiguration umfassen, um eine sehr dünne Filterschicht besser tragen zu können. Beispielsweise kann die Trägerschicht ein Subgitter mit enger beabstandeten Verstrebungen oder Wänden, die zwischen der Filterschicht und dem Trägergitter der in 2 gezeigten Struktur angeordnet sind, umfassen.
Um der Filterschicht verbesserten Halt bereitzustellen, besonders zum Tragen ultradünner Filterschichten von weniger als etwa 0,3 Mikrometer, kann die Trägerschicht zwei oder mehr Subschichten oder Subgitter 46 und 48 umfassen, wie in 7 gezeigt. Wie darin zu sehen ist, hat die Trägerschicht zwei Subschichten in Form rechteckiger Gitter. Das erste Subgitter oder Subschicht 46 ist hinsichtlich der Konfiguration mit der in 2 gezeigten und oben beschriebenen Trägerstruktur vergleichbar. Die zweite Subschicht oder Subgitter 48 ist zwischen der ersten Subschicht 46 und der Filterschicht 22 angeordnet. Die Trägerwände oder Verstrebungen 50 und 52 im zweiten Subgitter sind enger beabstandet als im ersten Subgitter, wodurch ein weiterer Filterschichtträger bereitgestellt wird.
Die Porosität der unterschiedlichen Subschichten oder Subgitter, sowie die Konfiguration der Trägerstruktur, der Abstand zwischen Trägerwänden oder Verstrebungen, und die relative Dicke der Trägerwände oder Verstrebungen kann gemäß der Anwendung der besonderen Filtermembran variiert werden. Beispielsweise kann die zweite Subschicht, um einen weiteren Träger für die Filterschicht bereitzustellen, weniger Porosität aufweisen, als die erste Subschicht für größeren Kontakt mit und Halt der Filterschicht. Eine andere Alternative für die zweite Subschicht besteht darin, daß sie ein Gitter mit gleichen oder enger beabstandeten Trägerwänden oder Verstrebungen umfaßt, aber wobei die Trägerwände oder Verstrebungen dünner und flexibler sind, als in der ersten Subschicht oder Subgitter, so daß besserer Halt bereitgestellt wird, wobei das erste und zweite Gitter die gleiche Porosität aufweisen. Obwohl die Darstellung als eine Trägerschicht mit zwei Subschichten oder Subgittern in 7 erfolgte, kann die Konfiguration der Trägerstruktur signifikant von der in 7 gezeigten variiert werden, ohne daß sie von der vorliegenden Erfindung abweicht. Beispielsweise kann die Trägerstruktur eine Vielzahl von Trägerverstrebungen umfassen, die alle parallel sind, ein Trägergitter unterschiedlicher Konfiguration, wie dreieckig, rautenförmig, kreisförmig oder eine andere Konfiguration kann zur Vereinfachung der Herstellung oder für verbesserte Membranflexibilität oder Filterschichthalt ausgewählt werden, oder weitere Subschichten oder Subgitter können bereitgestellt werden.
Die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt Filtermembran kann in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden. 9 und 10 werden zur schematischen Veranschaulichung mindestens zwei verschiedener Arten von Filtervorrichtungen oder Separatoren bereitgestellt, worin eine Membran der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Diese Beispiele werden einfach zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung bereitgestellt. Der Separator oder die Filtervorrichtung in 9 umfaßt ein Gehäuse 54, das aus irgendeinem geeigneten Material, wie hartem Kunststoff oder Metall, hergestellt werden kann. Das Gehäuse umfaßt einen Einlaß 56, einen ersten Auslaß 58 und einen zweiten Auslaß 60. Eine Filtermembran 62, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, wird so angeordnet, daß Fluid, das filtriert wird, über die Filterschicht der Membran 62 fließt.
Das Filtrat, daß durch die Filtermembran läuft, wird durch den ersten Auslaß 58 entfernt und das verbleibende Fluid wird durch den zweiten Auslaß 60 entfernt. Die Scherkräfte des Fluids, die sich über die Oberfläche der Membran bewegen, sollten dazu dienen die Membran von Verschlußteilchen zu befreien und zu reinigen. Der Fließweg über die Membran kann im Querschnitt relativ klein sein, wodurch eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit bewirkt wird, was eine solche Befreiungs- oder Reinigungswirkung verstärkt. Um die Fluidübertragung weiter zu verbessern, kann der transmembrane Druck zwischen dem Einlaß 56 und dem ersten Auslaß 58 durch geeignete und allgemein bekannte Pump- und Druckkontrollsysteme gehalten werden, um den Durchsatz oder die Fließrate des Filtrats, das durch die Filtermembran gelangt, zu erhöhen. Natürlich kann das Filtergehäuse ebenso einen festen porösen Trägerrahmen oder Gitter zum Tragen der Membran umfassen.
Eine weitere Filter- oder Separatorart, worin die Membran verwendet werden kann, wird allgemein in 10 gezeigt. 10 veranschaulicht eine Filtervorrichtung oder einen Separator 64 mit einem Gehäuse 66 aus geeignetem. Material mit einem Einlaß 68 und einem Auslaß 70. Eine Filtermembran 72, hergestellt gemäß der vorliegenden Erfindung, wird in dem Gehäuse im Fließweg zwischen dem Einlaß und Auslaß bereitgestellt. Als Ergebnis dieser Anordnung, und im Gegensatz zu dem Separators aus 9, muß das gesamte Fluid, das durch das Filtergehäuse läuft, durch die Filtermembran laufen. Eine Filtervorrichtung oder ein Separator, wie in 10 gezeigt, kann beispielsweise verwendet werden, um Bakterien oder bestimmte Zellen aus einer Flüssigkeit zu entfernen oder um Teilchen, die größer sind als eine bestimmte Größe oder von einer bestimmten Form zu entfernen.
Die Membran, die aus dem Verfahren der vorliegenden Erfindung resultiert, ist bevorzugt flexibel. Die monolithische Kombination der Filtermembran und der Trägerstruktur mit präzisionsgeformten Poren stellt, sofern erforderlich, sowohl Flexibilität als auch Robustheit bereit, was der Membran die Verwendung in Filteranwendungen mit höherer Spannung gestattet, wie in 11 gezeigt.
11 ist eine perspektivische Ansicht einer Filtervorrichtung vom Schleudermembrantyp der Art, die in der Autopheresis-C^®-Plasmapheresevorrichtung, vertrieben von Baxter Healthcare Corporation, eingesetzt wird. Die Struktur und Arbeitsweise dieses Separators werden ausführlich in US-Patent Nr. 5,194,145 dargelegt und eine ausführliche Beschreibung wird hierin nicht wiederholt. Kurz, wie in 11 dargestellt, umfaßt die Filtervorrichtung oder der Separator 74 ein Gehäuse 76, das eine im allgemeinen zylindrische innere Oberfläche 80 definiert. Das Gehäuse umfaßt einen Fluideinlaß 82, den ersten Auslaß 84 und den zweiten Auslaß 86. Ein Rotor 88 mit einer im allgemeinen zylindrischen äußeren Oberfläche ist drehbar in dem Gehäuse montiert, wobei die äußere Oberfläche des Rotors von der inneren Oberfläche des Gehäuses beabstandet ist, wodurch dazwischen eine kleine Lücke 92 definiert wird. Die Filtermembran 94 wird auf dem Rotor montiert, wobei die Filterschicht der zwischen dem Rotor und dem Gehäuse angeordneten Lücke gegenüberliegt. Die Trägerschicht der Filtermembran ruht auf einer Reihe von voneinander beabstandeten Trägerrippen 90 auf der Oberfläche des Rotors. Diese erhöhten Trägerrippen tragen die Membran und bilden Kanäle zum Sammeln des Filtrats, das durch die Filtermembran läuft.
Die Flexibilität der Membran ermöglicht, daß sie um den Rotor gewickelt werden kann und mit der Oberfläche des im allgemeinen zylindrisch geformten Rotors übereinstimmt. Aufgrund der zuvor ausführlich beschriebenen Membrankonstruktion ist die Membran relativ flexibel und soll ausreichend flexibel sein, daß sie zu einem Krümmungsradius von 1,27 cm (1/2 inch) gebogen werden kann. Obwohl die Membran auf der Oberfläche des Rotors in 11 zu sehen ist, könnte die Membran alternativ auf der im allgemeinen zylindrischen inneren Oberfläche des Gehäuses montiert sein. In diesem Fall könnte die Oberfläche des Gehäuses ebenso erhöhte Rippen zum Tragen der Filtermembran und zum Sammeln des Filtrats, das durch die Membran läuft, umfassen.
In einer Alternative des in 11 gezeigten Separators ist die Filtermembran ausreichend robust, um dem großen Scher- und transmembranen Druck, der in einem Separator dieser Art erzeugt wird, standzuhalten, obwohl der erforderliche transmembrane Druck aufgrund der reduzierten Filterdicke und der höheren Porosität in der Membran signifikant niedriger sein kann.
In dem in 11 gezeigten Separator wird Fluid, wie eine biologische Suspension oder Blut, durch den Einlaß 82 eingeführt und fließt herab durch die Lücke 92 zwischen die äußere Oberfläche des Rotors 88 und die innere Oberfläche des Gehäuses 76. Während des Fließens durch die Lücke erzeugt die Hochgeschwindigkeitsrotation des Rotors Verwirbelung in Form von Taylor-Wirbeln, die die Membran von Verschlußzellen oder Bruchstücken befreien. Mit Hilfe von wesentlichem transmembranem Druck, der durch Fließkontrollpumpen erzeugt wird, läuft Plasma aus dem Blut durch die Filtermembran und wird in den Kanälen gesammelt, die zwischen den voneinander beabstandeten erhöhten Rippen 90 definiert sind. Das Plasma fließt herab durch die Kanäle in ein Sammelrohr und läuft durch den ersten Auslaß 84. Der verbleibende Teil des Fluids oder der Suspension wird aus dem Gehäuse durch den zweiten Auslaß 86 abgezogen. Die Merkmale der hohen Porosität, präzisionsgeformter Poren in der Filterschicht im Mikrometermaßstab und Filtermembranrobustheit erfüllen signifikant eine verbesserte Leistung der Autopheresis-C^®-Vorrichtung sowie potentielle neue Verwendungen für einen solchen Separator.
Die Membran kann aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden und ein oder mehrere unterschiedliche Mikrobearbeitungsverfahren können verwendet werden, um die präzisionsgeformten Poren oder Trägerstruktur der Membran zu bilden. 12 zeigt die Schritte, die mit einem Verfahren zur Herstellung einer Filtermembran der vorliegenden Erfindung in einem diskontinuierlichen Verfahren verbunden sind, worin die Filtermembran auf einem Substrat, wie einem Siliciumwafer, hergestellt wird. Zuerst wird, wie in 12a gezeigt, ein Substrat, wie ein Siliciumwafer 96, mit einer Schicht aus Siliciumdioxid (SiO) bereitgestellt. Diese Siliciumdioxidschicht wird später geopfert, um die auf dem Wafer erzeugte Filtermembran zu entfernen.
Wie in 12a dargestellt, wird ein Film aus photoabbildbarem Polyimidpolymer 98, der schließlich die Trägerschicht der Filtermembran wird, zu einer Dicke von beispielsweise etwa 30 Mikrometer auf die Oberseite des Siliciumwafers 96 aufgeschleudert. Die Polyimidschicht wird für ungefähr eine Minute bei etwa 93°C (200°F) vorgetempert oder weichgetempert, um die Polyimidschicht teilweise zu härten, um seine ausreichende Manipulation zu gestatten.
Unter bezug auf 12b wird die Polyimidschicht Licht im tiefem Ultraviolettbereich 100 durch eine Quarz/Chrommaske 101 (die mit allgemein bekannten Verfahren gebildet werden kann) ausgesetzt, um die Struktur der Trägerschicht zu definieren. Wenn das Polyimidmaterial positiv wirkt, werden die ausgesetzten Bereiche durch Vernetzung als Ergebnis der Belichtung permanent gemacht. Die nicht-ausgesetzten Bereiche können zu einem späteren Zeitpunkt in diesem Verfahren entfernt werden, beispielsweise durch Lösungsmittel.
Nachdem die Trägerschicht gebildet wurde, aber bevor das Material entfernt wurde, um die Trägerstruktur zu definieren, wird eine weitere Schicht aus Polyimidmaterial 102 auf die erste Schicht des Materials aufgeschleudert, wie in 12C gezeigt. Diese Schicht, die schließlich die Filterschicht bildet, ist relativ dünn. Sie kann typischerweise 1–3 Mikrometer dick sein, obwohl sie ebenso nur etwa 0,3 Mikrometer dick sein kann. Das für diese Schicht verwendete Polyimidmaterial ist eine ätzbare Polyimidart und kein photoabbildbares Polyimid. Nachdem diese zweite Schicht aus Polyimid gebildet ist, wird sie einem Weichtemperverfahren unterzogen, wie oben beschrieben, um die neu zugegebene Polyimidschicht teilweise zu härten. Eine dünne Schicht aus Metall 104, wie Titan, wird dann zu der Oberfläche der dünnen Polyimidschicht durch ein Sputter-, Eindampfungs- oder Aufdampfverfahren zugegeben. Eine sehr dünne Schicht Photoresistmaterial 106, wie mit einer Dicke von einem Mikrometer, wird dann auf die Metallschicht aufgeschleudert und ein weiteres Weichtemperverfahren wird durchgeführt.
Wie in 12d gezeigt, wird die Photoresistschicht dann Licht im tiefem Ultraviolettbereich durch eine Quarzmaske ausgesetzt, wodurch ein Muster in dem Photoresist gebildet wird, das den gewünschten Poren entspricht. Die Entwicklung des Photoresists entfernt das Photoresistmaterial in den gewünschten Bereichen, wodurch eine Porenstruktur definiert wird. Die Wirkung dieser Entwicklung ist das Aussetzen des Metallfilms in diesen Bereichen, wo Filterschichtmaterial entfernt werden soll, um die Filterporen zu definieren.
Durch ein Einsatz eines Ätzverfahrens, wie reaktives Ionenätzen oder Plasmaätzen, werden die ausgesetzten Teile der Metallschicht und das Polyimidmaterial darunter in der dünnen Polyimidschicht nacheinander entfernt, wodurch die Poren der Filterschicht definiert werden, wie in 12e dargestellt. Die resultierende Photoresist- und Metallschicht kann dann durch Lösungsmittel oder Naßätzen entfernt werden, was zu einer Zweischichtvorform führt – der Filterschicht mit präzisionsgeformten Poren im Mikrometermaßstab und der Trägerschicht, von der das Material noch immer nicht entfernt wurde, um eine Trägerstruktur zu definieren, wie in 12f gezeigt.
Obwohl die photoabbildbare Schicht 98 auf dem Siliciumwafer sitzt, ist der Zugang zu den Bereichen, die nicht vernetzt wurden, durch die Poren der Filterschicht möglich. Indem die Vorform einem geeigneten Lösungsmittel unterzogen wird, kann das ausgewählte Material der Trägerschicht entfernt werden. Die verbleibenden Polyimidschichten werden dann einer Endhärtung bei voller Härtungstemperatur, wie 204°C (400°F) für mehrere Stunden unterzogen, um das Polyimidmaterial vollständig zu härten. Da die Filter- und Trägerschicht vorher nicht vollständig gehärtet werden und aus kompatiblen Polyimidmaterialien bestehen, verbinden sich die Schichten während des Härtungsverfahrens oder vernetzen sich, und die zuvor vorhandene Unterschiedsliene zwischen den Schichten verschwindet, und eine monolithische Filtermembran wird gebildet, wie am besten in 12g zu sehen ist. Nach dem Temperverfahren wird die Filtermembran von dem Wafer entfernt, indem der Siliciumwafer in ein Fluorwasserstoffsäurebad getaucht wird, das die Siliciumdioxidschicht angreift und die fertige Filtermembran freisetzt (siehe 12f).
Alternativ könnten die Filtermembranschichten in umgekehrter Reihenfolge gebildet werden, wobei die Filterschicht zuerst auf einem Siliciumwafer oder anderen Substrat gebildet wird. Dieses Verfahren wird in 13 gezeigt. Eine dünne Schicht aus ätzbarem Polyimidmaterial 108 wird auf das Substrat, einen Siliciumwafer 110, aufgeschleudert. Diese Schicht aus Polyimidmaterial bildet schließlich die Filterschicht der Filtermembran. Nach dem Weichtempern, wie in 13b gezeigt, wird eine dünne Schicht aus Metall 112, wie Titan, dann auf der Oberfläche der Polyimidschicht gebildet, und eine Schicht aus Photoresistmaterial 113 wird auf den Metallfilm aufgeschleudert. Nach dem Weichtempern wird der Photoresist Licht im tiefen UV-Bereich 114 durch eine Quarz/Chrommaske 116 (13c) ausgesetzt, wodurch ein Muster gebildet wird, das der gewünschten Porenanordnung entspricht. Der Photoresist wird dann entwickelt, wodurch das Porenmuster definiert wird, wie in 13d gezeigt. Ätzen, wie durch reaktives Ionenätzen oder Plasmaätzen, kann verwendet werden, um das entsprechende Muster auf die Metallschicht 112 und die darunter befindliche Polyimidschicht 108 zu übertragen (13e).
Die Photoresist- und Metallschicht werden dann von der Filterschicht entfernt, beispielsweise durch Lösungsmittel, wodurch die Filterschicht auf der Oberfläche des Siliciumwafers (13f) hinterbleibt. Wie in 13g dargestellt, wird eine dickere Schicht aus photoabbildbarem Polyimidmaterial 118 dann auf die Filterschicht aufgeschleudert. Diese Schicht bildet schließlich die Trägerschicht der Filtermembran. Nach dem Weichtempern wird die dickere Schicht, wie in 13h gezeigt, Licht im tiefen UV-Bereich durch eine Quarz/Chrommaske 120 ausgesetzt, wodurch die prä zisionsgeformte Trägerstruktur der Filtermembran in der dicken Polyimidschicht definiert wurde. Ausgewähltes Material wurde dann in Abhängigkeit davon, ob die photoabbildbare Polyimidschicht positiv oder negativ wirkt, entfernt, beispielsweise durch Lösungsmittel, wobei die Trägerstruktur oben auf der Filterschicht auf dem Siliciumwafer hinterlassen wurde. Die Filme wurde dann Harttempern bei 204°C (400°F) unterzogen, um die Filme vollständig zu härten. Als ein Ergebnis des Harttemperns wurden die kompatiblen Filme aus Polyimidmaterial verbunden, wodurch eine monolithische Membran gebildet wurde, die von dem Siliciumwafer durch Eintauchen in ein Säurebad abgehoben werden kann, wobei die fertige Filtermembran zurückbleibt, wie in 13i gezeigt.
Die Filtermembran kann aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien sein. Wie zuvor bereits hervorgehoben, ist ein Material, das besonders gut für Photoabbildungs- oder Ätzverfahren geeignet ist, ein Polyimidpolymer. Diese Arten von Polymeren sind allgemein bekannt und beispielsweise von E. I. Du Pont de Nemours and Company aus Wilmington, Delaware, erhältlich. Riston^®-Material ist ein Beispiel für photoabbildbares Filmmaterial, das von Du Pont in Papierrollenform mit einer Dicke von etwa 37 Mikrometer erhältlich ist.
Die Verwendung von Laser-Abtragung eröffnet ebenso die Verwendung anderer Materialien, die andere sind als Polyimidpolymere. Beispielsweise Polycarbonat, Acryl, Nylon, Polytetrafluorethylen, Polyurethan, Polyester, Polypropylen und Polyvinylchlorid.
Das folgende ist ein weiteres spezielles Beispiel eines Verfahrens, das zur Herstellung von Membranen, basierend auf der Verwendung eines Siliciumwafers, durchgeführt wird, ein diskontinuierliches Verfahren.

1. Ein Standard-Siliciumwafer von 15–24 cm (sechs inch) wird als Substrat bereitgestellt.
2. Ein Mikrometer eines thermischen Oxids wächst in dem Wafer bei 1000°C in einem Ofen für ungefähr 5 Stunden.
3. Polyimid (OLIN 114A) wurde aus einer flüssigen Lösung auf den oxidierten Wafer bei 3000 U/min aufgeschleudert, wodurch eine Filmdicke von ungefähr 2,5 Mikrometer erzeugt wurde.
4. Der resultierende Wafer mit den aufgebrachten Schichten wird bei 108°C für 90 Sekunden Heizplatten-getempert, um das Polyimid ein wenig zu verfestigen.
5. Der resultierende Wafer mit den aufgebrachten Schichten wird bei 200°C für 1 Stunde in einem Blue M-Ofen getempert; das Polyimid wird dadurch teilweise gehärtet.
6. Eine Titan/Wolfram-Legierungsschicht wird dann auf die Schichtstruktur durch ein Verfahren, wie Sputtern, ein allgemein bekanntes Verfahren in der Halbleiter- und Mikrostrukturherstellung, aufgebracht, wo energiereicher Beschuß das Ablösen und Ausstoßen in die Gasphase von Atomen von reinen „Targets" verursacht; die Atome wandern anschließend durch die evakuierte Kammer, wo sie an der Oberfläche des Substrats, das zur Bildung einer festen Schicht erzeugt wurde, gesammelt werden.
7. Der Photoresist (Hoechst AZ 5214) wird auf das Schichtsubstrat bei 3000 U/min zu einer Schichtdicke von ungefähr 0,5 Mikrometer aufgeschleudert.
8. Das Schichtsubstrat wird Licht (Wellenlänge von 436 nm) für 12 Sekunden mittels eines OAI Contact mask aligner/exposion-Systems ausgesetzt. Zwischen der Lichtquelle und dem Substrat ist eine Quarzmaske angeordnet, die ein Chrommuster enthält, das das umgekehrte Polaritätsmuster des gewünschten geometrischen Musters der Filterschicht aufweist. Als solches vernetzt das Exponierungslicht den negativ getönten Photoresist nur in den Bereichen, wo Licht für den Photoresist verfügbar ist. Die Mustermaske enthält festes Chrom ebenso in den Bereichen, wo Löcher auf der Filtermembranschicht wünschenswert währen, und kein Chrom, wo festes Material wünschenswert währe, nämlich den Bereichen zwischen den Löchern der Filterschicht. Die Quarz/Chrommaske gleicht denen, die routinemäßig in Lithographieverfahren in der Halbleiter- und Mikrostrukturherstellungsindustrie verwendet werden.
9. Die ausgesetzte Photoresistschicht wird dann durch Eintauchen eines Substrats für 40 Sekunden in eine Lösung entwickelt, die, bezogen auf die Masse, 3 : 1 aus Hoechst AZ 351 Entwicklerlösung zu deionisiertem Wasser besteht. Das gewünschte Membranmuster wird dadurch in der Photoresistschicht gebildet.
10. Das Substrat und die anschließend hergestellten Schichten werden dann einer Spülung aus deionisiertem Wasser für 5 Minuten unterzogen.
11. Das Substrat und die angelagerten Schichten werden dann bei 105°C für 5 Minuten Heizplatten-getempert, um das verbleibende Wasser zu entfernen und das verbleibende Photoresistmaterial durch Entfernen des verbleibenden Lösungsmittels weiter zu härten.
12. Das in der Photoresistschicht entwickelte Muster wird dann gewissenhaft auf die Titan/Wolframschicht übertragen, die nun in den Bereichen ausgesetzt wird, wo der Photoresist im Musterverfahren entfernt worden ist. Diese Musterübertragung wird mittels reaktivem Ionenätzen (RIE), einem allgemein bekannten Verfahren, durchgeführt, durch welches ein Substrat einem Plasma unterzogen wird, das ein relativ inertes Gas in reaktive Spezies spaltet, die mit Hilfe von Ionenbeschuß das gewünschte Material ätzen. Hier wurde ein Plasmatherm 7200 Reactive Ion Etching System bei 400 Watt und 5,3 Pa (40 mTorr) Vakuum mit 90 sccm CF4 und 10 sccm 02 verwendet.
13. Das Muster, das auf die Metallschicht übertragen wurde, wird nun auf die Polyimidschicht übertragen, wobei erneut RIE mittels des PlasmaTerm 7200 RIE Systems bei 5,3 Pa (40 mTorr) und 400 Watt mit 80 sccm 02 als Ätzspezies verwendet wurde. Da dieses Sauerstoffätzen grundsätzlich alle ausgesetzten organischen Verbindungen entfernt, wird der verbleibende Photoresist während dieses Schrittes ebenso entfernt.
14. Die verbleibende Titan/Wolframschicht wird nun durch Anwendung desselben RIE-Schrittes, der in 12 genannt ist, entfernt. Zu diesem Zeitpunkt ist alles, was verbleibt, der oxidierte Wafer und das gemusterte Polyimid, das die Filtermembranschicht der Doppelschichtverbundstruktur bilden wird.
15. Das negativ wirkende photoabbildbare Polyimid (OCG 412) wird dann auf das Substrat bei 2000 U/min zu einer Dicke von 25 Mikrometer aufgeschleudert.
16. Ein Heizplatten-Tempern von 5 Minuten wird bei 110°C durchgeführt.
17. Die photoabbildbare Polyimidschicht wird dann Licht für 60 Sekunden durch eine Umkehr-Polaritätsmaske ausgesetzt, die die Trägergitterstruktur/Muster definiert.
18. Eintauchentwickeln für 5 Minuten, gefolgt von zwei 30-Sekunden-Spülungen in deionisiertem Wasser.
19. Das System wird dann in einem Blue M-Ofen vollständig gehärtet, indem die Temperatur bis auf 400°C gesteigert wird und die Temperatur bei 400°C für 30 Minuten gehalten wird, und die Temperatur zurück auf Raumtemperatur gesenkt wird. Dieses Verfahren härtet das Polyimid vollständig aus beiden Herstellungs- Dieses Verfahren härtet das Polyimid vollständig aus beiden Herstellungsschichten und verbindet die Schichten, wodurch ein monolithischer Block gebildet wird, der noch immer auf dem oxidierten Wafer befestigt ist.
20. Die Probe wird dann in ein 7 : 1-gepuffertes Oxidätzmittel aus 7 Teilen NH4OH (Ammoniumhydroxid) zu einem Teil HF (Fluorwasserstoffsäure) eingetaucht. Die gepufferte HF-Lösung löst die Oxidschicht auf dem Siliciumwafer, wodurch der Doppelschichtmembranfilter freigesetzt wird, der zu der Oberseite der Lösung schwimmt.
21. Die Struktur wird in einem Bad aus deionisiertem Wasser für mehrere Minuten gespült, entfernt und erneut in einem frischen Bad aus deionisiertem Wasser gespült.
22. Die Struktur kann vor der Befestigung oder Verwendung an Luft trocknen.

Die in dem obigen Verfahren gekennzeichneten Lieferanten umfassen (1) OAI-Optical Associates Incorporated, 1425 McCandless Drive, Milpitas, CA; (2) OCG Microlectronic Materials NV, Keetberglaan 1A, Havennumer 1061 B-2070 Zwijndrecht BE; (3) Olin Microelectronic Materials – 42 Kenwood Drive, Woodcliff Lake, NJ und (4) Hoechst Celenese Corporation – Fibers and films Division – 70 Meister Avenue, Somerville, NJ.
Obwohl die vorliegende Erfindung hinsichtlich der bevorzugten und alternativen Ausführungsformen beschrieben worden ist, dient dies dem Zweck der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung der anhängenden Ansprüche, die den Umfang der vorliegenden Erfindung definieren. Der Wortlaut der Ansprüche soll gemäß seiner gewöhnlichen Verwendung interpretiert werden, sofern hierin nicht speziell anders definiert. Es ist nicht beabsichtigt, daß der Wortlaut der Ansprüche auf diese oben beschrieben speziellen Merkmale oder Schritte, die nicht ausdrücklich nach dem Wortlaut der Ansprüche verlangen, begrenzt werden. Beispielsweise ist nicht beabsichtigt, daß Ansprüche, die ein Trägergitter erfordern, auf ein rechteckiges Gitter mit sich schneidenden Wänden oder Verstrebungen beschränkt sind, wie beispielsweise in den 2 und 5 gezeigt. Es ist für jeden Fachmann, der diese Beschreibung liest, offensichtlich, daß andere Konfigurationen von Gittern oder Gitterträgerstrukturen verwendet werden könnten, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Aus diesem Grund wird die vorliegende Erfindung durch die anhän genden Ansprüche und nicht durch die spezifischen Merkmale dieser Offenbarung definiert.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Polymerfiltermembran, umfassend mindestens eine Filterschicht, einschließend präzisionsgeformte Poren im Mikrometer-Maßstab, wobei die Poren eine vorbestimmte, nicht-statistische Form und eine Querschnittsdimension von etwa 100 Mikrometer oder weniger aufweisen, und eine Trägerschicht, einschließend eine poröse Trägerstruktur für die Filterschicht, wobei das Verfahren umfaßt: das Bilden der Filterschicht durch Entfernen von ausgewähltem Material von einem ersten Polymerfilm, um eine Vielzahl von präzisionsgeformten Poren im Mikrometer-Maßstab dadurch zu definieren, das Bilden der Trägerstrukturschicht durch Entfernen von ausgewähltem Material von einem zweiten Polymerfilm, um eine präzisionsgeformte poröse Trägerstruktur zu definieren, und das Verbinden der Filter- und der Trägerschicht zusammen in einer übereinanderliegenden Beziehung, um eine monolithische Filtermembran mit keiner erkennbaren Unterschiedslinie zwischen der Filter- und der Trägerschicht zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin mindestens eine der Filterschicht und der Trägerschicht gebildet ist durch: das Bereitstellen eines Polymerfilms, der aus Polyimidmaterial ist, das Aufbringen eines Metallfilms auf eine Oberfläche des Polyimidfilms, das Aufbringen eines Photoresistmaterials auf den Metallfilm, das Bewirken eines ersten Musters auf der Photoresistschicht, um Poren im Mikromaßstab oder eine Trägerstruktur zu definieren, und das Entfernen von ausgewähltem Material von der Photoresistschicht, das Entfernen von Material von dem Metallfilm in den Bereichen, in denen das Photoresistmaterial entfernt worden ist, und das Entfernen von ausgewähltem Material von dem Polyimidfilm in den Bereichen, in denen der Metallfilm entfernt worden ist, um die Poren oder Trägerstruktur zu definieren, das Entfernen von jeglichem übrigen Photoresistmaterial und des Metallfilms von dem Polyimidfilm.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin mindestens eine der Filterschicht und der Trägerschicht einen photoabbildbaren Polymerfilm umfaßt, und die mindestens eine Schicht durch Aussetzen des Films an Licht über eine Maske, die ein Muster definiert, und Entfernen ausgewählter Bereiche des Polymerfilms, definiert durch das Muster, unter Bilden der Poren oder Trägerschicht gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin der Polymerfilm ein negativ wirkender photoabbildbarer Film ist, und das Entfernen durch Entfernen der nicht-ausgesetzten Bereiche des Films durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin der Film ein positiv wirkender Photoabbildbarer Film ist, und das Entfernen durch Entfernen der ausgesetzten Bereiche des Films durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, worin das Entfernen des ausgewählten Materials von dem Polyimidfilm durch Trockenätzen durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin mindestens einer der Schritte des Entfernens des Materials das Abtragen des Films durch Laser oder Behandeln des Films mit ionisierender Bestrahlung einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 7, welches einen Excimerlaser anwendet, um den Film abzutragen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Trägerschicht dicker als die Filterschicht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei die Trägerschicht um einen Faktor von zwischen 2 und 250 dicker als die Filterschicht ist.
Verfahren gemäß Anspruch 3, worin eine kontinuierliche Bahn des photoabbildbaren Polymerfilms kontinuierlich zugeführt wird und das Muster progressiv auf dem Film bewirkt wird und ausgewähltes Material progressiv entfernt wird, um die Poren oder Trägerstruktur zu definieren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin eine kontinuierliche Bahn eines Laserabtragbaren Polymerfilms kontinuierlich zugeführt wird und ausgewähltes Material progressiv entfernt wird, um die Poren oder Trägerstruktur zu definieren.
Verfahren gemäß Anspruch 3, worin der photoabbildbare Polymerfilm ein Polyimid umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Trägerstruktur eine erste Vielzahl von zueinander beabstandet angeordneten Trägerverstrebungen bzw. Trägerstreben umfaßt, wobei die Verstrebungen in einer Entfernung beabstandet sind, die im wesentlichen größer als die Größe der Poren im Mikrometermaßstab ist.
Verfahren gemäß Anspruch 14, worin die Trägerstruktur eine zweite Vielzahl von zueinander beabstandeten Verstrebungen umfaßt, welche die erste Vielzahl von Verstrebungen schneidet bzw. kreuzt, um ein Trägergitter zu definieren.
Verfahren gemäß Anspruch 14, worin die Verstrebungen in einer Entfernung in dem Bereich von etwa 50 bis 1.000 Mikrometer voneinander beabstandet sind.
Verfahren gemäß Anspruch 14, worin die Verstrebungen zwischen etwa 10 und 100 Mikrometer in der Breite sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Trägerstruktur ein Gitter umfaßt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Trägerstruktur mindestens zwei Subschichten umfaßt, eine erste Subschicht einer ausgewählten Porosität und eine zweite Subschicht mit einer von der ersten Subschicht unterschiedlichen Porosität und angeordnet zwischen der ersten Subschicht und der Filterschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 18, worin das Trägergitter mindestens zwei Subgitter umfaßt, ein erstes Subgitter, welches Verstrebungen von ausgewählter Breite und in einer ausgewählten Entfernung voneinander beabstandet umfaßt, und ein zweites Subgitter, welches zwischen dem ersten Subgitter und der Filterschicht angeordnet ist, wobei die zweite Subschicht Trägerverstrebungen von verschiedener Breite oder Abstand als die Verstrebungen in dem ersten Subgitter einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 18, worin das Gitter eine Vielzahl von sich schneidenden Wänden umfaßt, wobei die Wände mindestens an den Schnittstellen gekrümmt bzw. gebogen sind.
Verfahren gemäß Anspruch 21, worin das Gitter eine Vielzahl von sich schneidenden Wänden umfaßt, definiert durch voneinander beabstandete, im allgemeinen zylindrisch oder elliptisch geformte Poren.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Trägerstrukturschicht durch Entfernen von Material von zwei nicht vollständig gehärteten Polymerfilmen gebildet wird, wobei ein Film Material entfernt aufweist, um eine Trägerstruktur ausgewählter Porosität zu definieren, und ein anderer Film Material entfernt aufweist, um eine Trägerstruktur von größerer Porosität als dem einen Film zu bilden, wobei der Filterschichtenfilm und die Trägerfilme miteinander verbunden sind, um eine integrale Filtermembran zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Filtermembran flexibel ist.
Verfahren gemäß Anspruch 24, worin die Filtermembran ausreichend flexibel ist, um entlang einem Krümmungsradius von 1,3 cm (1/2 inch) angeordnet zu werden.
Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Polymerfiltermembran gemäß Anspruch 1 von einer vorbestimmten Dicke, wobei das Verfahren umfaßt: das Bereitstellen eines Substrats, das Schleudern einer ersten Polyimidschicht auf das Substrat, das Aufbringen einer Metallschicht auf die erste Polyimidschicht, das Aufbringen von Photoresist auf die Metallschicht, das Entwickeln des Photoresists, um ein erstes Muster von einem der Poren im Mikromaßstab oder der Trägerstruktur zu definieren, das Übertragen des ersten Musters von dem Photoresist auf die Metallschicht, das Übertragen des ersten Musters von der Metallschicht auf die erste Polyimidschicht, um derart eines von den Poren im Mikromaßstab oder der Trägerstruktur zu bewirken, nacheinander das Entfernen des Photoresists und der Metallschicht, das Schleudern einer zweiten Polyimidschicht auf die erste Polyimidschicht, um so eine Grenzfläche dazwischen zu bewirken, das Bewirken eines zweiten Musters auf der zweiten Polyimidschicht, um das andere von den Poren im Mikromaßstab oder der Trägerstruktur zu definieren, das Entfernen von ausgewähltem Material von der zweiten Polyimidschicht, um das andere von den Poren vom Mikromaßstab oder der Trägerstruktur zu definieren, das Härten der ersten und zweiten Polyimidschicht, um so die Grenzfläche dazwischen zu entfernen und eine monolithische Filterschicht-Trägerstruktur zu bewirken, und das Entfernen der integralen Filterschicht-Trägerstruktur von dem Substrat.
Verfahren zur Herstellung einer monolithischen Polymerfiltermembran gemäß Anspruch 1 von einer vorbestimmten Dicke, wobei das Verfahren umfaßt: das Bereitstellen eines Siliziumwafersubstrats, das Schleudern einer ersten Polyimidschicht auf den Siliziumwafer, das Aussetzen der ersten Polyimidschicht Licht über eine Maske, wodurch ein erstes Muster von einem der Poren im Mikromaßstab oder der Trägerstruktur definiert wird, das Schleudern einer zweiten Polyimidschicht auf die erste Polyimidschicht, um so eine Grenzfläche dazwischen zu bewirken, das Aussetzen der zweiten Polyimidschicht Licht über eine Maske, wodurch ein zweites Muster des anderen von den Poren im Mikromaßstab oder der Trägerstruktur definiert wird, das Entfernen von ausgewähltem Material von der ersten und zweiten Polyimidschicht, um die Poren im Mikromaßstab und die Trägerstruktur zu definieren, das Härten der ersten und zweiten Polyimidschicht, um so die Grenzfläche dazwischen zu entfernen und eine monolithische Filterschicht-Trägerstruktur zu bewirken, und das Entfernen der monolithischen Filterschicht-Trägerstruktur von dem Siliziumwafersubstrat.
Verfahren gemäß Anspruch 27, worin das Entfernen des ausgewählten Materials von der ersten Polyimidschicht später durchgeführt wird, bevor die zweite Schicht auf die erste Schicht geschleudert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Film zum Zeit punkt des Entfernungsschritts nicht vollständig gehärtet sind, und der Verbindungsschritt das Härten des ersten und zweiten Films einschließt.
Verfahren gemäß Anspruch 26, worin das Substrat einen Siliziumwafer umfaßt.