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Die
Erfindung betrifft eine Mikro-Fluid-Vorrichtung und die Steuerung
des Fluidflusses in dieser Vorrichtung.
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Es
gibt ein wachsendes Interesse an der Herstellung und der Verwendung
von Micro-Fluid-Systemen zum Erhalten von chemischen und biologischen
Informationen. Insbesondere können, wenn
sie in Mikro-Fluid-Volumen ausgeführt werden, komplizierte biochemische
Reaktionen unter Verwendung von sehr kleinen Flüssigkeitsvolumen ausgeführt werden.
Neben anderen Vorteilen vergrößern Mikro-Fluid-Systeme
die Antwortzeit der Reaktionen, minimieren das Probenvolumen und
verringern den Reagenzienverbrauch. Wenn flüchtige oder gefährliche
Materialien verwendet oder generiert werden, verbessert das Durchführen von
Reaktionen mit Mikro-Fluid-Volumen ebenfalls die Sicherheit und
reduziert die Entsorgungsmengen.
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Traditionell
sind Mikro-Fluid-Systeme in einer planaren Art unter Verwendung
von Techniken ausgeführt
worden, die aus der Silizium verarbeitenden Industrie entliehen
sind. Repräsentative
Systeme sind z. B. in einigen frühen
Werken von Manz et al. beschrieben (Trends in Anal. Chem: (1990)
10(5): 144–149;
Advances in Chromatography (1993) 33: 1–66). Diese Publikationen beschreiben
den Aufbau von Mikro-Fluid-Vorrichtungen,
bei dem Fotolithografie verwendet wird, um Kanäle auf Silizium oder Glassubstraten
abzugrenzen, oder Ätztechniken,
um das Material von dem Substrat zu entfernen und die Kanäle auszubilden.
Eine Abdeckplatte ist mit der Oberseite der Vorrichtung verbunden,
um einen Abschluss zu bilden.
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In
letzter Zeit ist eine Anzahl von Verfahren entwickelt worden, die
es Mikro-Fluid-Vorrichtungen erlaubt, aus Kunststoff, Silikon oder
anderen polymerischen Materialien aufgebaut zu werden. In einem derartigen
Verfahren wird zunächst
eine Negativ-Gussform aufgebaut und dann Kunststoff oder Silikon
in oder über
die Gussform gegossen. Die Gussform kann unter Verwendung eines
Silizium-Wafers (siehe z. B. Duffy et al., Analytical Chemistry
(1998) 70: 4974–4984;
McCormick et al., Analytical Chemistry (1997) 69: 2626–2630) oder
durch das Herstellen einer traditionellen Spritzgussform für Kunststoffvorrichtungen
aufgebaut werden. Einige Gießeinrichtungen
haben Techniken zum Aufbauen von extrem kleinen Gussformen entwickelt.
Komponenten, die unter Verwendung einer LIGA-Technik ausgeführt worden
sind, sind im Kernforschungszentrum Karlsruhe in Deutschland entwickelt
worden (siehe z. B. Schomburg et al., Journal of Micromechanical
Microengineering (1994) 4: 186–191)
und sind durch MicroParts (Dortmund, Deutschland) kommerzialisiert
worden. Jenoptik (Jena, Deutschland) verwendet ebenfalls LIGA und
eine Heißprägetechnik.
Prägeverfahren
in Polymethylmethacrylat (PMMA) sind auch vorgestellt worden (siehe
z. B. Martynova et al., Analytical Chemistry (1997) 69: 4783–4789).
Jedoch sind diese Techniken nicht im Rapid-Prototyping und bei Herstellungsflexibilität anwendbar.
Außerdem sind
die Werkzeug-Rüstkosten
für derartige
Techniken ziemlich hoch und können
kostenbedingt ausschließend
sein.
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Typischerweise
wurde die Flusssteuerung innerhalb von Mikro-Fluid-Vorrichtungen
durch das Anlegen von elektrischen Strömen bereitgestellt, um einen
elektrokinetischen Fluss zu verursachen. Systeme für das Bereitstellen
derartiger Nutzen sind kompliziert und erfordern vorhandene elektrische Kontakte.
Zusätzlich
funktionieren derartige Systeme nur mit aufgeladenen Fluiden oder
Fluiden, die Elektrolyte enthalten. Abschließend erfordern diese Systeme
Spannungen, die ausreichend hoch sind, um eine Elektrolyse des Wassers
zu verursachen, wodurch Blasen gebildet werden, die das Sammeln
der Proben schwierig machen, ohne sie zu zerstören. Dafür existiert ein Bedarf an Mikro-Fluid-Vorrichtungen,
die geeignet sind, den Fluss einer ausgedehnten Vielfalt von Fluiden
zu steuern, ohne elektrischen Strom zu verwenden.
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Einige
der grundlegenden Herausforderungen, die das Betätigen von Mikro-Fluid-Systemen einschließen, ergeben
sich aus Versuchen, konventionelle "Makro-Größen"-Vorrichtungen mit Mikro-Fluid-Komponenten
zu verbinden. Aufgrund der sehr kleinen Querschnittsbereiche von
Mikro-Fluid-Kanälen
kann der Fluss durch diese Kanäle
ziemlich sensibel auf Druckvariationen sein. Angenommen, dass eine
externe Druckquelle verwendet wird, um den Fluidfluss in einem Mikro-Fluid-System anzuregen, würden einige
Anwendungen profitieren, wenn die Flussrate eines fließenden Fluids
trotz Veränderungen
des Eingangsdrucks gesteuert werden könnte. Z. B. kann eine derartige
Steuerung besonders wertvoll bei der Durchführung von Reaktionen wie etwa chemischen
oder biologischen Synthesen sein. Um die Gesamtkosten zu reduzieren
und eine Vielseitigkeit zu schaffen, wäre es wünschenswert, einen gesteuerten
Fluidfluss in einer Mikro-Fluid-Vorrichtung unter Verwendung verschiedener
Druck-Quellen mit geringer Genauigkeit zu erreichen, z. B. solche
wie eine konventionelle manuell betriebene Spritze oder eine günstige Spritzen-Pumpe
mit geringer Genauigkeit. Auch im Interesse der Kostenreduzierung
wäre es
wünschenswert,
einen gesteuerten Fluidfluss in einer Mikro-Fluid-Vorrichtung mit
einem Minimum an beweglichen Teilen oder Steuerkomponenten zu schaffen.
Daher besteht ein Bedarf für
eine einfache, jedoch robuste Mikro-Fluid-Regelvorrichtung, die
geeignet ist, ein Fluid von einer Quelle mit geringer Genauigkeit
zu erhalten und eine gesteuerte Fluidflussrate trotz Fluktuationen
des Eingangsdruckes zu schaffen.
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Eine
Mikro-Fluid-Vorrichtung mit beschränkten (z. B. Ein-Aus) Fluss-Steuervermögen bietet
das US-Patent 5,932,799 von Moles (das "Moles '799 Patent"). Dabei sind Polyimid- Schichten, die mit
Zinn (zwischen 400–10000
ppm) angereichert sind, Oberflächen-mikrobearbeitet
(z. B. geätzt),
um ausgesparte Kanalstrukturen zu bilden, zusammengestapelt und
dann ohne die Verwendung von Haftmitteln thermisch verbunden. Ein
dünnes,
flexibles Ventilelement, das durch selektive Anwendung von positiv oder
negativ unter Druck gesetztem Fluid betrieben wird, ermöglich oder
verhindert wahlweise die Kommunikation zwischen einem Einlass- und
einem Auslasskanal. Die in dem Moles '799 Patent offenbarte Ventilstruktur
leidet jedoch an einigen Nachteilen, die ihre Verwendbarkeit einschränken. Erstens
ist das Ventil auf eine einfache Ein-Aus-Betätigung beschränkt, die
ein konstantes Betätigungssignal
erfordert, und ist nicht geeignet, einen konstanten Fluss zu regeln.
Zweitens ist das Ventil normalerweise in seinem nicht-betätigten Zustand
geschlossen. Es wird häufig
in Mikro-Fluid-Systemen gewünscht,
normalerweise offene Ventilstrukturen bereitzustellen, die über die
Betätigung
geschlossen werden. Drittens lehrt das Moles '799 Patent die Herstellung von Kanälen unter
Verwendung von zeitaufwendigen Oberflächen-Mikro-Bearbeitungstechniken,
speziell Fotolithografie in Verbindung mit Ätztechniken. Derartige, zeitaufwendige
Verfahren fordern nicht nur hohe Rüstkosten sondern schränken auch
die Fähigkeit
ein, neue Gestaltungen zu erzeugen, zu modifizieren und zu optimieren.
Viertens lehrt das Moles '799
Patent nur die Herstellung von Vorrichtungen unter Verwendung von
Zinn angereicherten Polyimidmaterialien, was ihre Verwendbarkeit
in etlichen gewünschten
Anwendungen einschränkt.
Z. B. sind Polyimide empfindlich auf Hydrolyse, wenn sie einer alkalischen
Lösung
ausgesetzt werden, die vorteilhaft in Anwendungen wie etwa chemischen
Synthesen verwendet wird. Die Einbeziehung von Zinn in die Vorrichtungsschichten
kann andere Fluid-Kompatibilitätsprobleme
hervorrufen. Schließlich
sind Polyimide generell für
viele nützliche
Lichtspektren undurchlässig,
was ihre Verwendung mit üblichen
Detektions- Techniken
verhindert und ferner eine experimentelle Verwendung und einen Qualitätskontrollen-Nachweis
einschränkt.
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Eine
andere Mikro-Fluid-Ventilstruktur mit eingeschränkter Verwendbarkeit ist in
WIPO internationale Veröffentlichungsnummer
WO 99/60397 von Holl, et al. offenbart. Dabei ist ein Mikro-Fluid-Kanal von
oben durch eine dicke, verformbare, elastische Dichtung mit einer
eingedrückten
Region begrenzt, die durch eine Öffnung über dem
Kanal hervorsteht. Ein betätigter
externer Ventilstift drückt
gegen die elastische Dichtung, die durch die Öffnung in den Kanal bei dem
Versuch hervorragt, den Kanal zu schließen. Jedoch leidet dieses Ventil
an Fehlern, die seine Verwendbarkeit einschränken. Angefangen damit, dass
es schwierig ist, eine elastische Dichtung mit einer eingedrückten Region
herzustellen, die genau durch die Öffnung über dem Kanal passt, ohne Leckagen.
Außerdem
bildet das Ventil eine eingeschränkte
Dichtungsverwendbarkeit, weil es schwierig ist, sicher zu stellen,
dass die vorstehende Dichtung den benachbarten Kanal vollständig füllt, insbesondere
in den unteren Ecken des Kanals. Ferner wird die Kontaktregion zwischen
dem externen Ventilstift und der elastischen Dichtung einem Abrieb ausgesetzt
sein, womit die Präzision
und die Anwendungsdauer des Ventils begrenzt ist.
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Bei
dem Verwenden von konventionellen Technologien ist es generell schwierig,
Gestaltungen schnell zu erzeugen und zu modifizieren, für robuste Mikro-Fluid-Vorrichtungen.
Flusssteuerfähigkeiten
in derartige Vorrichtungen einzubeziehen, erhöht nur die Schwierigkeit. Es
wäre wünschenswert,
eine "generische" Mikro-Fluid-Plattform
zu schaffen, die schnell und leicht auf verschiedene Komponenten und/oder
Materialien abgestimmt werden könnte,
um unterschiedliche Flusssteuerungs-Verwendbarkeiten von einer besonderen
Anwendung zu schaffen, wobei verschiedene Gestaltungskriterien wie
etwa das Betätigungsfluid,
die Flussraten und die einbezogenen Drücke berücksichtigt werden. Falls erhältlich, würde eine
derartige Plattform ein Rapid-Prototyping und
eine Vorrichtungsoptimierung bei im Wesentlichen reduzierten Kosten
im Vergleich zu konventionellen Technologien unterstützen.
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Außerdem wäre es wünschenswert,
einen Fluss durch ein Mikro-Fluid-Kanalnetzwerk zu ermöglichen,
das extern gesteuert ist, ohne die anwesenden Nachteile von elektrokinetischem
oder elektrophoretischem Fluss. Insbesondere wäre es wünschenswert, ein Kanalnetzwerk
mit mehreren Einlässen
und mehreren Auslässen
und der Möglichkeit, Fluidflusspfade
durch das Netzwerk zwischen einem oder mehreren spezifischen Einlässen und
einem oder mehreren spezifischen Auslässen wahlweise einzurichten.
Wenn verfügbar,
könnte
eine derartige Vorrichtung wie ein vielseitiger Fluid-"Schalter" verwendet werden.
Es wäre
insbesondere wünschenswert,
wenn diese Fluid-Schalt-Verwendbarkeit
extern programmiert werden könnte,
um repetitive und/oder sequenzielle Funktionen mit minimaler Anwender-Interaktion
auszuführen.
Vorzugsweise wäre
eine Fluid-Schalt-Vorrichtung oder ein Fluid-Schalt-System einfach
und robust mit einer minimalen Anzahl an Teilen, die einem Verschleiß ausgesetzt
sind.
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Schließlich erfordern
konventionelle "Ein-Aus"-Mikro-Fluid-Ventilstrukturen
wie etwa das Ventil, das im Moles '799 offenbart ist, ein konstantes Anliegen
eines Steuersignals, womit sie externe Betätigungsressourcen für solange
verbrauchen, wie ein Ventilzustand besteht. Um den Verbrauch von
externen Betätigungsressourcen
zu reduzieren und andere Fähigkeiten
inklusive Fluid-Logik-Funktionen zu schaffen, wäre es wünschenswert, robuste Mikro-Fluid-Ventile
mit "Einrast"-Fähigkeit
zu schaffen, mit anderen Worten, die Fähigkeit, eine Position in einem
betätigten
Zustand ohne kontinuierlicher Anwendung von einem Betätigungssignal
zu halten. Auf diese und andere Bedürfnisse und wünschenswerte Aspekte
wird sich hierin bezogen.
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Andere
Fluid-Vorrichtungen mit flexiblen Membranen sind aus
US 5,542,841 bekannt, welche z. B.
eine Pumpe mit einer Fluidkammer lehrt, die zwischen einem Diaphragma
und Ein-Wege-Einlass-und-Auslass-Ventile
geschaltet ist. Derartige Vorrichtungen sind ungeeignet für eine passive Flussregelung.
Weiterhin sind derartige Vorrichtungen über mühsame Mikrobearbeitungsprozesse
wie etwa Ätzen
hergestellt.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
offenbart, die auf das Folgende bezogen sind:
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1A bis 1C sind
Schnittansichten von zumindest einem Teil einer Mikro-Fluid-Vorrichtung
die aus fünf
Materialschichten hergestellt ist, wobei die Vorrichtung eine deformierbare
Membran aufweist, die eine gleichgroße obere Kanalregion und eine
untere Kanalregion voneinander trennt. 1A illustriert
die Membran in einer neutralen Position. 1B illustriert
die Membran in Richtung und in die untere Kanalregion verformt. 1C illustriert
die Membran in Richtung und in die obere Kanalregion verformt.
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Die 2A bis 2B sind
Schnittansichten von zumindest einem Bereich der Fünf-Schichten-Mikro-Fluid-Vorrichtung
mit einer größeren oberen
Kanalregion und einer kleineren unteren Kanalregion. 2A illustriert
die Membran in Richtung und in die kleinere untere Kanalregion verformt. 2B illustriert
die Membran in Richtung und in die größere obere Kanalregion verformt.
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Die 3A bis 3E sind
Schnittansichten von zumindest einem Bereich einer Mikro-Fluid-Vorrichtung
mit drei separaten Kanalregionen (einer oberen, einer zentralen
und einer unteren Kanalregion), die durch zwei deformierbare Membranen
(eine obere und eine untere Membran) voneinander getrennt sind. 3A illustriert
beide Membranen in neutralen Positionen. 3B illustriert
die obere deformierbare Membran in Richtung und in die zentralen
Kanalregionen deformiert. 3C illustriert
beide, die obere und die untere deformierbare Membran, in Richtung
und in die zentrale Kanalregion deformiert. 3D illustriert
die untere deformierbare Membran in Richtung und in die zentrale
Kanalregion verformt. 3E illustriert beide, die obere
und die untere deformierbare Membran weg von der zentralen Kanalregion
verformt, d. h. die obere deformierbare Membran in Richtung und
in die obere Kanalregion verformt und die untere deformierbare Membran in
Richtung und in die untere Kanalregion verformt.
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4A ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer Fünf-Schichten-Mikro-Fluid-Vorrichtung mit
einem Druck betätigten
Regulationsventil, das den Fluidfluss in der Vorrichtung steuert. 4B ist eine
Draufsicht der zusammengesetzten Vorrichtung aus 4A.
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5A ist
eine perspektivische Explosionsansicht einer Fünf-Schichten-Mikro-Fluid-Vorrichtung,
die geeignet ist, eine relativ konstante Flussrate von Fluid über einen
großen
Druckbereich hinweg zuzuführen. 5B ist
eine Draufsicht einer zusammengebauten Vorrichtung aus 5A. 5C ist eine
Querschnittsansicht eines Bereiches der Mikro-Fluid-Vorrichtung aus den 5A und 5B entlang
der Schnittlinie "A-A", wie in 5B gezeigt, mit
der Regelregion in offener Stellung. 5D bildet die
gleiche Querschnittsansicht wie 5C, allerdings
mit der Regelregion in geschlossener Stellung.
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5E ist
ein Diagramm, welches die Flussraten zeigt, die an dem unregulierten
und dem regulierten Auslass der Vorrichtung aus 5A bis 5D über einen
Eingangsdruckbereich erreicht werden, wobei jeder Auslass separat
getestet wurde, während
der andere Auslass verschlossen war. 5F ist
ein Diagramm, welches die Flussraten zeigt, die an beiden, dem unregulierten
und dem regulierten Auslass der Vorrichtung aus den 5A bis 5D über einen
Eingangsdruckbereich hinweg erreicht werden, gemessen mit beiden
Auslässen
offen.
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6A ist
eine Schnittansicht eines Bereiches einer Mikro-Fluid-Vorrichtung
mit drei Kanalsegmenten, die sich an einer Regelregion treffen und
die durch eine einzelne deformierbare Membran voneinander getrennt
sind. 6B bildet die gleiche Schnittansicht
wie 6A, allerdings mit der Membran in Richtung und
in das obere Kanalsegment ausgelenkt.
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7A ist
eine Schnittansicht von zumindest einem Bereich einer Mikro-Fluid-Vorrichtung
mit einer deformierbaren Membran, die über einem Durchlass angeordnet
ist, welche eine Fluidkommunikation zwischen zwei Kanälen erlaubt. 7B bildet
die gleiche Schnittansicht wie 7A, allerdings mit
der Membran verformt, um den Durchlass zu verschließen und
die Fluidkommunikation zwischen den zwei Kanälen zu verhindern.
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Definitionen
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Der
Begriff "Kanal", wie er hier verwendet wird,
ist in einem breiten Sinne zu interpretieren. Folglich ist er nicht
beabsichtigt, auf längliche
Konfigurationen beschränkt
zu sein, bei denen die querlaufende oder longitudinale Dimension
die Durchmesser- oder Querschnittsdimension deutlich übersteigt.
Stattdessen soll der Begriff Aushöhlungen, Tunnel oder Kammern
jeder gewünschten
Form oder Konfiguration einschließen, durch die Flüssigkeiten geschickt
werden können.
Eine derartige Fluid-Aushöhlung
kann z. B. eine Durchflusszelle aufweisen, durch die Fluid kontinuierlich
passiert, oder alternativ eine Kammer zum Halten einer spezifizierten,
diskreten Menge Fluids für
eine spezifizierte Zeitdauer. "Kanäle" können gefüllt sein
oder können
interne Strukturen enthalten, die Ventile oder vergleichbare Komponenten
aufweisen.
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Der
Begriff "Kanalsegment", wie er hier verwendet
wird, bezieht sich auf eine Region eines Kanals.
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Ein "Wechsel der Kanalsegmentform
und -Geometrie" indiziert
jede Änderung
in den Dimensionen eines Kanalsegments. Z. B. kann das Kanalsegment
kleiner werden, größer werden,
die Form ändern,
vollständig
geschlossen sein, teilweise geschlossen sein, permanent eingeschränkt sein,
usw.
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Der
Begriff "mikrofluidisch", wie er hier verwendet
wird, soll ohne jede Einschränkung
auf Strukturen oder Vorrichtungen bezogen verstanden werden, durch
die Fluide geeignet sind, zu passieren oder geschickt zu werden,
wobei eine oder mehrere der Dimensionen kleiner als 500 Microns
ist.
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Der
Begriff "Matrize", wie er hier verwendet wird,
bezieht sich auf eine Materialschicht, die vorzugsweise im Wesentlichen
planar ist, durch welche eine oder mehrere unterschiedlich geformte
oder orientierte Bereiche hindurchgeschnitten oder anderweitig durch
die vollständige
Dicke der Schicht entfernt worden sind, und die im Wesentlichen
eine Fluidbewegung innerhalb der Schicht erlaubt (z. B. in Form
von Kanälen
oder Kammern gegenüber
einzelnen Durchgangslöchern
zum Übertragen
von Fluid durch eine Schicht zu einer anderen Schicht). Die Umrisse
der geschnittenen oder anderweitig entfernten Bereiche bilden die
seitlichen Begrenzungen der Mikrostrukturen, die das Einlegen einer
Matrize zwischen Substrate und/oder andere Matrizen gebildet werden.
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Herstellung
von Mikro-Fluid-Vorrichtungen
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Mikro-Fluid-Vorrichtungen
gemäß der Erfindung,
die ein Flusssteuerungsvermögen
aufweisen, können
auf unterschiedlichen Wegen unter Verwendung einer großen Vielzahl
von Materialien hergestellt werden. In einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
werden Mikro-Fluid-Vorrichtungen gemäß der Erfindung unter Verwendung
von Matrizenschichten aufgebaut, um Kanäle und/oder Kammern zu begrenzen.
Wie im weiteren Detail in der veröffentlichten WIPO Patentanmeldung
Nummer WO 01/25138 beschrieben, ist eine Matrizenschicht vorzugsweise
im Wesentlichen eben und hat eine Mikrostruktur, die durch die Schicht
geschnitten ist. Z. B. kann ein computergesteuerter Drucker, der
modifiziert ist, um eine Schneidklinge aufzunehmen, verwendet werden,
um verschiedene Strukturen durch eine Materialschicht hindurch zu
schneiden. Alternativ kann ein computergesteuerter Laserschneider verwendet
werden. Als weitere Alternativen können konventionelles Prägen, Schneiden
und/oder Gießtechnologien
eingesetzt werden, um Matrizenschichten auszubilden. Die breite
Vielfalt von Materialien, die verwendet werden kann, um Mikro-Fluid-Vorrichtungen
unter Verwendung von zusammengelegten Matrizenschichten herzustellen,
umfasst polymerische, metallische, und/oder Verbund-Materialien,
um einige zu nennen. Es ist angemerkt, dass die Verwendung von matrizenbasierten
Herstellungsverfahren eine besondere Vorrichtungsgestaltung ermöglicht,
die für
die besonderen Betätigungsparameter schnell "getuned" oder optimiert ist,
da unterschiedliche Materialtypen und -Dicken für individuelle Schichten in
einer Vorrichtung leicht verwendet und/oder ersetzt werden können. Die
Fähigkeit,
Prototypen von Vorrichtungen schnell mit Matrizen-Herstellungsverfahren
zu schaffen, erlaubt es, viele unterschiedliche Varianten von besonderen
Gestaltungen zu testen und vergleichend zu beurteilen.
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Wenn
die oberen und unteren Flächen
von Matrizenschichten in einer Mikro-Fluid-Vorrichtung zusammengebaut
sind, können
diese mit einer oder mehreren Matrizen oder Substratschichten ineinander
greifen, um eine im Wesentlichen geschlossene Vorrichtung zu bilden,
die typischerweise eine oder mehrere Einlassöffnungen und eine oder mehrere Auslassöffnungen
aufweist. In der einen Ausführungsform
setzen sich eine oder mehrere Schichten der Vorrichtung aus einem
einseitigen oder doppelseitigen Klebeband zusammen, obwohl andere
Verfahren des Verklebens von Matrizenschichten verwendet werden
können.
Ein Bereich des Bandes (der gewünschten
Form und Dimension) kann geschnitten und entfernt werden, um Kanäle, Kammern und/oder Öffnungen
zu bilden. Eine Wandmatrize kann dann auf einem Tragesubstrat platziert
werden, zwischen den Bandschichten oder zwischen den Schichten und
anderen Materialien. In der einen Ausführungsform können die
Matrizenschichten aufeinander geschichtet werden. In dieser Ausführungsform
kann die Dicke oder Höhe
der Kanäle
durch die Dicke der Matrize (z. B. der Bandträger und das darauf geklebte
Material) oder durch Verwenden mehrerer im Wesentlichen identischer
Matrizenschichten, die aufeinander aufgeschichtet sind, variiert
werden. Unterschiedliche Typen von Bändern sind bei dieser Ausführungsform
anwendbar. Geeignete Bandträgermaterialien
umfassen, sind allerdings nicht darauf beschränkt, Polyester, Polycarbonate,
Polytetrafluorethylene, Polypropylene und Polyimide. Derartige Bänder können unterschiedliche
Verfahren des Härtens
aufweisen, inklusive Härten
durch Druck, Temperatur oder chemische oder optische Wechselwirkung.
Die Dicken dieser Trägermaterialien
und Klebstoffe können
variiert werden.
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Alternativ
können
Mikro-Fluid-Vorrichtungen gemäß der Erfindung
aus Materialien wie etwa Glas, Silizium, Siliziumnitrit, Quarz oder ähnlichen
Materialien hergestellt werden. Verschiedene konventionelle Bearbeitungs-
oder Mikrobearbeitungstechniken wie etwa diejenigen, die aus der
Halbleiterindustrie bekannt sind, können verwendet werden, um Kanäle, Durchlässe und/oder
Kammern in diesen Materialien zu gestalten. Z. B. können Techniken
inklusive Nass- oder Trockenätzen
oder Laserabtragung verwendet werden. Solche Techniken verwendend
können
Kanäle,
Kammern und/oder Durchgänge
in einer oder mehreren Flächen
eines Materials erzeugt werden oder ein Material durchdringen.
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Noch
weitere Ausführungsformen
können aus
verschiedenen Materialien unter Verwendung von gut bekannten Techniken
wie etwa Pressen, Prägen,
Gießen
und Weichlithografie erzeugt werden.
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Zusätzlich zu
der Verwendung von Klebstoffen oder einseitigen oder doppelseitigen
Bändern, wie
oben diskutiert, können
andere Techniken verwendet werden, um eine oder mehrerer verschiedene
Schichten von Mikro-Fluid-Vorrichtungen anzubringen, die bei der
Erfindung nützlich
sind, wie durch einen Fachmann im Materialanbringen erkannt würde. Z.
B. können
Anbring-Techniken inklusive thermischer, chemischer oder lichtbetätigtem Verbinden und
mechanische Anbringungen (wie etwa das Verwenden von Klammern oder
Schrauben um Druck auf die Schichten auszuüben) oder andere ähnliche Verbindungsverfahren
verwendet werden.
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Mikro-Fluid-Membran-Ventile
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In
verschiedenen Ausführungsformen
der Erfindung werden Membrane in Mikro-Fluid-Vorrichtungen verwendet,
um Flusssteuerfähigkeiten
zu schaffen. In einer Ausführungsform
weist eine Mikro-Fluid-Vorrichtung ein erstes Mikro-Fluid-Kanalsegment und
ein zweites Mikro-Fluid-Kanalsegment auf, die an einer Regelregion
durch eine deformierbare Membran voneinander getrennt sind. Die
Kanäle können in
horizontalen Schichten der Vorrichtung durch die deformierbare Membran
begrenzt sein, die eine separate horizontale Schicht bildet, die
die Kanalschichten voneinander trennt. Die Kanäle können sich in jedem geeigneten
Winkel überlappen.
Die Kanäle
können
senkrecht zueinander sein und damit den Bereich der überlappenden
Region begrenzen, oder sie können
im Wesentlichen parallel sein. Der erste und der zweite Kanal können auch
in Fluidkommunikation stehen. Dort, wo die Kanäle in Fluidkommunikation stehen,
bezieht sich die Verwendung der Begriffe erstes Kanalsegment und
zweites Kanalsegment auf Regionen, die einen Kanal ausbilden, der auf
unterschiedlichen Schichten der Vorrichtung liegt. Eine Veränderung
des relativen Drucks zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal ergibt
eine Deformation der Membran, welche die Kanäle voneinander trennt. Die
Membran ist in Richtung des Kanalsegments mit dem niedrigeren relativen
Druck deformiert. Die Membran kann teilweise den Fluss von Fluid
durch das Kanalsegment mit niedrigeren relativen Druck blockieren
oder kann im Wesentlichen den Fluss von Fluid durch das Kanalsegment
mit dem niedrigerem relativen Druck blockieren. Der Grad der Deformation
der deformierbaren Membran hängt
von dem Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal
ab. Allgemein gilt: Je größer der Druckunterschied,
desto größer die
beobachtete Deformation der deformierbaren Membran.
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Die 1A bis 1C illustrieren
zumindest einen Bereich einer Mikro-Fluid-Vorrichtung 90 mit
einer deformierbaren Membran 102, die auf eine Änderung
des Drucks zwischen zwei Kanalsegmenten 105, 106 reagiert.
Die Kanalsegmente 105, 106 können in Matrizenschichten 101, 103 begrenzt
sein, die zwischen äußeren Schichten 100, 104 liegen.
Die deformierbare Membran 102 trennt das erste Kanalsegment 105,
das in der Schicht 101 definiert ist, von dem zweiten Kanalsegment 106,
das in der Schicht 103 definiert ist. Wenn die Drücke in den
Kanälen 105 und 106 im
Wesentlichen gleich sind, dann nimmt die deformierbare Membran 102 eine
neutrale Position ein, wie in 1A gezeigt.
Wenn der Druck in dem Kanalsegment 105 steigt oder der
Druck in dem Kanalsegment 106 im Wesentlichen sinkt, dann wird
sich die deformierbare Membran 102 in Richtung des Kanalsegments 106 verformen,
wie in 1B gezeigt. Wenn ein ausreichend
unterschiedlicher Druck anliegt, kann die deformierbare Membran 102 (genauer,
die untere Fläche 107 der
Membran 102) die obere Fläche 108 der äußeren Schicht 104 berühren. Wenn
der Druck in dem Kanalsegment 106 im Wesentlichen steigt
oder der Druck in dem Kanalsegment 105 im Wesentlichen
sinkt, kann die deformierbare Membran 103 sich in das Kanalsegment 105 verformen,
wie in 1C gezeigt. Wenn ein ausreichend
unterschiedlicher Druck anliegt, wird die deformierbare Membran 102 (genauer,
die obere Fläche 109)
in Kontakt mit der unteren Fläche 110 der
Substratschicht 100 kommen.
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Wie
vorher angemerkt, kann der Kanalsegment-enthaltende Bereich der
Vorrichtung 90 unter Verwendung von jedem geeigneten Material
durch jede geeignete Technik hergestellt sein. In einer besonders
bevorzugten Ausführungsform
ist eine Mikro-Fluid-Vorrichtung mit zusammengelegten Matrizenschichten
aufgebaut. Die Schichten der Vorrichtung, die Kanalsegmente enthalten,
können
auch aus geätztem
Silizium, gegossenen Polymeren oder unter Verwendung anderer Materialien
oder Herstellungsverfahren gefertigt werden, die einem Fachmann
im Herstellen von Mikro-Fluid-Vorrichtungen bekannt sind. Zum Beispiel
kann das Kanalsegment 105 der Vorrichtung 90,
die in den 1A bis 1C illustriert
ist, in eine einzelne integrale Substratschicht oberflächengeätzt sein,
als Ersatz für
die getrennten Schichten 100 und 101. Vergleichbar
kann das Kanalsegment 106 in eine einzelne integrale Substratschicht
geätzt
sein, als Ersatz für
die getrennten Schichten 103 und 104.
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Die
hier beschriebenen Mikro-Fluid-Vorrichtungen können unter Verwendung von weiteren Techniken
hergestellt sein. In einigen Ausführungsformen sind die Kanäle in Materialen
unter Verwendung von Ätz-,
Präge-
oder Gießtechniken
hergestellt. Zwei oder mehr unterschiedliche Elemente können ausgeführt sein.
Dann können
die mehreren Elemente Fläche
auf Fläche
mit einer deformierbaren Membran, die zwischen ihnen angeordnet
ist, zusammengesetzt werden. Die Kanäle in den zwei geätzten oder
geprägten
Vorrichtungen können
sich in einigen Bereichen der Gesamtvorrichtung mit der deformierbaren,
zwischen den Kanalsegmenten zwischenliegenden Schicht überlappen.
Zusätzlich
können
eine oder mehrere Öffnungen
in der zwischenliegenden Schicht vorgesehen sein, um als Durchlässe zu dienen,
die die Kanäle
in den oberen und unteren Vorrichtungen verbinden. Kompliziertere
Systeme können
gefertigt werden.
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Eine
Steuerung der Eigenschaften der Mikro-Fluid-Vorrichtung kann durch Verändern des
deformierbaren Membranmaterials erreicht werden. Das Material kann
elastisch verformbar oder nicht elastisch verformbar sein. Geeignete
Membranmaterialien umfassen Papiere, Folien und Polymere. In einer
bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Membran ein Polymer, z. B. Polyester, Polycarbonat,
Polytetrafluoroethylen, Polypropylen, Polyimid (z. B. Kapton®)
und Polyester (z. B. Mylar®), Sylane (z. B. PDMS)
und Polymethymethacrylat (PMMA). Ein steiferes Material wird sich
aufgrund einer Änderung
im Druck weniger leicht auswölben,
während
ein dehnbareres Material sich leichter auswölben wird. Ein Membranmaterial
kann auch ausgewählt
werden, basierend auf seiner Fähigkeit,
wiederholte Deformationszyklen auszuführen.
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Die
Empfindlichkeit der Mikro-Fluid-Vorrichtung, sich bei unterschiedlichem
Druck zu ändern, kann
auch durch die Veränderung
der Dicke der deformierbaren Membran gesteuert werden. Im Allgemeinen
wird ein dünneres
Membranmaterial leichter deformiert und wird leichter auf eine Änderung
des unterschiedlichen Druckes reagieren. Eine dickere Membran wird
im Allgemeinen weniger leicht deformiert und wird weniger empfindlich
sein, sich bei einem Relativdruck zu ändern. Die Dicke oder Höhe des Kanalsegments,
in welches sich das deformierbare Kanalsegment bewegt, wird auch
das Fluid-Steuerungsverhalten
des Systems beeinflussen.
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Eine
andere Technik zum Einstellen der Empfindlichkeit des Mikro-Fluid-Systems,
sich auf einen Relativdruck hin zu ändern, ist das Ändern des Bereiches
der Regelregion oder deformierbaren Membran. Benachbarte Mikro-Fluid-Kanäle oder Kammern,
die durch eine deformierbare Membran voneinander getrennt sind,
können
in einer breiten Vielfalt von Größen, Formen
und Geometrien gestaltet werden. Kanal- oder Kammersegmente können sich
in senkrechter Form, unter einem Winkel oder entlang der Länge des
parallelen Kanalsegments überlappen.
Kanäle
in einer Regelregion können
mit konstanten Breiten und variablen Breiten ausgebildet sein. Ein
Beispiel einer Regelregion ist in den 5A bis 5B abgebildet,
in dem die Regelregion 207 kreisförmig ist. Die Bereiche der
benachbarten Kanalsegmente gegenüber
der Membran in der Regelregion können
auch unterschiedlich zueinander sein. Z. B., je größer die
deformierbare Membran, desto leichter schafft sie eine im Wesentlichen
komplette Blockade des Fluidflusses in dem benachbarten Kanalsegment.
Die 2A–2B zeigen
zumindest einen Bereich einer Mikro-Fluid-Vorrichtung 299 mit einer
Vielzahl von Vorrichtungsschichten 300 bis 304 und
an der Ventilstelle mit einem relativ großen Kanalsegment 305 und
einem kleineren Kanalsegment 306, die durch die deformierbare
Membran 302 voneinander getrennt sind. Wenn der relative
Druck in dem größeren Kanalsegment 305 höher als
der in dem kleineren Kanalsegment 306 ist, verformt sich die
Membran 302 in der Ventilregion 308 in Richtung und
in das kleinere Kanalsegment 306, wie in 2A gezeigt.
Die relativ kleine Größe des Kanalsegments 306 bedeutet,
dass die deformierbare Membran 302 den verfügbaren Querschnitt
des Kanalsegments 306 nur zur Hälfte seiner Originalgröße reduziert.
Jedoch, wenn der relative Druck in dem Kanalsegment 306 höher als
der Druck in dem Kanalsegment 305 ist, dann deformiert
sich die Membran 302 in der Ventilregion 308 in
Richtung und in das größere Kanalsegment 305,
wie in 2B gezeigt. Wegen des relativ
großen
Bereichs des Kanals 305, der durch den deformierbaren Bereich
der Membran 302 begrenzt wird, kann sich die Membran 302 leichter
in das Kanalsegment 305 hinein bewegen, wodurch sie den Querschnitt
des Kanalsegments 305 signifikant ändert. Zum Beispiel wird sich
eine Membran mit einem deformierbaren Bereich von 5 mm im Durchmesser über einen
3-mil (75 μm)
Kanalsegment leichter als ein deformierbarer Membranbereich von
2 mm Durchmesser auswölben,
weil dort der Prozentsatz der Deformation der größeren Membran kleiner ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
definiert ein von der Fluid-Steuerung abhängiger Kanal eine Öffnung,
die dem Zentrum der deformierbaren Membran gegenüber liegt und zu diesem im
Wesentlichen ausgerichtet ist. In einer derartigen Konfiguration
wird ein Fluidflusspfad in Richtung parallel zu der Richtung der
Bewegung der deformierbaren Membran geschaffen. Zum Beispiel zeigt 5C zumindest
einen Bereich einer Mikro-Fluid-Vorrichtung mit einem Kanalsegment 207 in
Fluidkommunikation mit einem Durchlass 210, der im Wesentlichen
zentral unter der deformierbaren Membran 202 ausgerichtet ist.
Die Deformation der Membran 202 in Richtung des Kanalsegments 207 ergibt
eine im Wesentlichen komplette Blockade des Fluidflusses zwischen
den Kanalsegmenten 210 und 207. Während ähnliche Vorrichtungen
mit Durchlässen
hergestellt werden können,
die in verschiedenen Positionen relativ zu dem Pfad der deformierbaren
Membran liegen, ist es sehr bevorzugt, den Durchlass in der Nähe des Zentrums
der Bewegung der deformierbaren Membran zu positionieren, um eine
feste Blockade des Fluidflusspfades durch die Membran zu unterstützen. Die Größe der Öffnung wird
auch die Druckmenge beeinflussen, die erforderlich ist, um ein im
Wesentlichen leckfreies Abdichten zu schaffen.
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Unter
Verwendung dieser Techniken kann ein System hergestellt werden,
in dem die Deformation des Materials entweder eine teilweise Blockade oder
eine im Wesentlichen vollständige
Blockade des Fluidflusses durch das Kanalsegment ergibt. Ein elastisches
Material kann dort verwendet werden, wo eine reversible Steuerung
des Fluidflusses gewünscht
ist. Das Absenken des Druckes in dem Kanalsegment mit relativ höherem Druck
erlaubt der deformierbaren Membran, in ihren neutralen Zustand zurückzukehren,
wodurch ein ungehinderter Fluidfluss erlaubt wird. In einigen Anwendungen
ist es gewünscht,
einen im Wesentlichen permanenten oder irreversiblen Wechsel eines
Mikro-Fluid-Kanalsegments zu schaffen. Zum Beispiel kann es für ein System
gewünscht
sein, Abschlussventilfähigkeiten
zu schaffen, um stromabwärtige
Komponenten vor Beschädigungen
zu schützen,
die durch einen starken Fluss oder Druck verursacht werden. Über das
Erhöhen
des Drucks in einem Kanalsegment wird ein nicht elastisches Material
plastisch in Richtung des Kanalsegments mit dem niedrigeren Druck
verformt. Das Material wird im Wesentlichen in der deformierten Position
bleiben. Derartige Ergebnisse können
mit semi-elastischen Materialien erzielt werden, die geeignete Metallfolien
aufweisen.
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Eine
deformierbare Membran kann auch aus Materialien mit Oberflächeneigenschaften
hergestellt sein, die ihr Materialverhalten ändern. Zum Beispiel kann eine
Membran klebrig sein oder eine haftende Beschichtung haben. Derartige
Eigenschaften oder Beschichtungen können an einer oder beiden Seiten der
deformierbaren Membran angebracht sein. Abhängig von der Stärke der
Haftung oder dem Grad der Klebrigkeit kann die deformierbare Membran
als ein variabler Schalter arbeiten. Bei relativ niedrigen Drücken kann
die Membran elastisch agieren. Bei hohen Drücken oder für Systeme, die so für die deformierbare
Membran gestaltet sind, dass diese die gegenüberliegende Wand des benachbarten
Kanalsegments physikalisch berührt,
kann die Deformation zu einem permanenten oder semi-permanenten
Verschluss des benachbarten Kanalsegments führen. In einer anderen Ausführungsform
kann die verwendete Membran nicht haftend sein, allerdings kann
die Fläche,
gegen welche sie dichtet, mit einer klebrigen oder haftenden Oberfläche ausgeführt sein.
Zum Beispiel kann in 1B die untere Fläche 107 der
deformierbaren Membran 101 mit einem Haftmittel beschichtet
sein oder aus einem haftenden Band konstruiert sein, sodass über die
Deformation, die ausreichend ist, um einen Kontakt zwischen der
Membran 102 und der unteren Schicht 104 zu schaffen,
die deformierbare Membran 102 an der oberen Fläche 108 der
unteren Schicht 104 fixiert wird. Der Grad der Dauer des
Verschlusses hängt
von Faktoren inklusive der Elastizität der Membran und der Stärke des verwendeten
Haftmaterials ab. Ähnliche
Ergebnisse können
durch Beschichten der obere Fläche 108 mit Haftmitteln
oder beider Flächen 107 und 108 mit Haftmittel
oder durch das Ausbilden einer oder mehrer dieser Flächen aus
einseitigem oder doppelseitigem Klebebandmaterial erzielt werden.
Bezugnehmend auf 1B kann die untere Fläche der
Membran 107 oder die obere Fläche 108 von der unteren Schicht 104 permanent
oder semi-permanente Haftmittel aufweisen. Wenn die Membran 102 verformt ist,
wie etwa durch einen gestiegenen Druck in der oberen Kammer 105,
kann die Membran 102 verformt werden, um die untere Schicht 104 zu
berühren und
dem Haftmittel zu erlauben, die Flächen zu verbinden und permanent
oder semipermanent das untere Kanalsegment 106 zu versperren.
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In
einigen Ausführungsformen
kann die Membran 102 verformt und mit der unteren Fläche in einer
semi-permanenten Art und Weise verbunden werden, die durch eine
weitere Manipulation rückgängig gemacht
werden kann. Zum Beispiel wird die Membran 102, wenn Druck
an dem Kanalsegment 105 anliegt, verformt werden, um mit
der unteren Schicht 104 in Kontakt zu kommen, an der dann
die Membran 102 und die obere Fläche 108 der unteren Schicht 104 haftend
verbunden sind. Alternativ kann die Membran 102 plastisch
in den unteren Kanal 106 hinein verformt sein. Wenn der
Druck zwischen der oberen und der unteren Kammer 105, 106 wieder ausgeglichen
ist, wird die Membran 102 an der unteren Schicht 104 fixiert
bleiben, bis ein ausreichender Druck an dem Kanalsegment 106 angelegt
wird, der die Haftverbindung oder die plastische Verformung der
Membran 102 überwindet.
In vielen Fällen
kann der Druck, der erforderlich ist, um die Membran 102 zurückzustellen
(z. B. zurück
zu verformen) größer sein
als der Druck, sie ursprünglich
zu verformen.
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In
einer anderen Ausführungsform
kann ein Mikro-Fluid-Ventil
zwei Mikro-Fluid-Kanäle
aufweisen, die durch eine Dichtfläche voneinander getrennt sind,
die eine Öffnung
aufweist, passend zu einer deformierbaren Membran, um Flusssteuerungsfähigkeiten
zu schaffen. Zum Beispiel illustrieren die 7A bis 7B eine
Mikro-Fluid-Vorrichtung 197, die
aus sieben Schichten 200–204, 220, 221 hergestellt
ist und einen Steuerkanal 205 aufweist, der zum Teil durch
eine deformierbare Membran 202 begrenzt wird. Mit der deformierbaren
Membran in einem entspannten, neutralen Zustand kann ein Fluidfluss
zwischen einem ersten Kanal 207 und einem zweiten Kanal 222 erzeugt
werden, die in unterschiedlichen Schichten 203, 220 der
Vorrichtung 197 liegen und die durch eine Aufnahmeschicht 204 voneinander getrennt
sind, die einen Durchlass 210 begrenzt. Die deformierbare
Membran 202 ist im Wesentlichen zentral über dem
Durchlass 210 angeordnet, um ein dichtes Abdichten der Öffnung zu
unterstützen,
wenn der Steuerkanal 205 unter Druck gesetzt wird, um die Membran 202 zu
verformen und die Aufnahmeschicht 204 berühren zu
lassen, wie in 7B gezeigt. Die Ventilaufnahmeschicht 204 in
der Nähe
der Öffnung 210 kann
als eine Ventilaufnahmefläche
betrachtet werden. Die Vorrichtung 197 dient daher als ein
normalerweise offenes Ventil, das einen Fluss durch die Öffnung erlaubt,
wenn die deformierbare Membran in einem nicht deformierten Zustand
ist. Das wahlweise unter Druck setzen des Steuerkanals 205 erlaubt
das Schließen
des Ventils. Sowohl die Membran 202 als auch die Aufnahmeschicht 204 kann
mit einer Haftfläche
ausgestattet sein, um Sperrventilfähigkeiten zu schaffen.
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In
weiteren Ausführungsformen
können komplexere
Fluidsteuerungsstrukturen unter Anwendung mehrerer Membranen ausgebildet
werden. Zum Beispiel können
sich mehr als zwei Kanäle durch
eine oder mehrere Membranen voneinander getrennt an einer Ventilregion
treffen. In einigen Ausführungsformen
kann mehr als ein Druckregler in einer gegebenen vertikalen Position
der Mikro-Fluid-Vorrichtung aufgestapelt sein. In einer Ausführungsform überlappen
sich drei Kanäle
an einer einzelnen Ventilregion mit zwei deformierbaren Membranen,
die die verschiedenen Kanäle
voneinander trennen. Die 3A bis 3E zeigen
fünf Querschnittsansichten
von einer derartigen Überlappung. 3A zeigt
einen Querschnitt von zumindest einem Bereich einer Mikro-Fluid-Vorrichtung 119,
die unter Verwendung von zusammengesetzten Matrizen ausgebildet
ist, wobei die Vorrichtung sieben Schichten 120–126 hat
und drei Kanalsegmente/Kanalregionen 127–129 ausbildet.
In dieser Ausführungsform
hat die zentrale Matrizenschicht 123 eine größere Höhe als die
anderen Schichten und die Schichten 122 und 124 sind
flexible oder deformierbare Membranen. Ein Fluidfluss durch das
zentrale Kanalsegment 128 wird durch sowohl die obere Kammerregion 127 als
auch die untere Kammerregion 129 beeinflusst. 3B zeigt
das zentrale Kanalsegment 128 teilweise blockiert durch
einen in der oberen Kammer 127 gestiegenen Druck, der eine
Auswölbung
der oberen Membran 122 in Richtung und in den zentralen
Kanal 128 verursacht. 3C zeigt
das Kanalsegment 128 im Wesentlichen (fast komplett blockiert
aufgrund des Drucks, der in sowohl der oberen als auch der unteren
Kammer 127, 129 gestiegen ist, was ein Deformieren
beider Membranen 122, 124 in Richtung und in den
zentralen Kanal 128 verursacht). 3D zeigt einen
anderen Betätigungszustand,
in dem das Kanalsegment 128 aufgrund eines Druckanstiegs
in der unteren Kammerregion 129 teilweise blockiert ist.
In 3E ist das zentrale Kanalsegment 128 vergrößert in
Antwort auf einen verringerten Druck in sowohl der oberen als auch
der unteren Kammer 127, 129.
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Beim
Betrieb der Vorrichtung der Erfindung kann ein unterschiedlicher
Druck zwischen einem ersten und einem zweiten Kanalsegment entweder durch
ein Erhöhen
des Drucks in einem Kanalsegment oder durch ein relatives Absenken
des Drucks in einem Kanalsegment erzeugt werden. Der Druck eines
Fluids (sowohl Liquide als auch Gase umfassend) kann durch eine
Pumpe wie etwa z. B. ein Spritze oder eine andere mechanisch betätigte Pumpe
erhöht
werden. Ein abgesenkter Druck kann in dem Kanalsegment durch Anlegen
eines Vakuums an ein Kanalsegment z. B. unter Verwendung einer Vakuumpumpe
erreicht werden. Dort wo ein Kanalsegment mehr als den atmosphärischen
Druck unter Druck gesetzt ist und eine Druckreduktion gewünscht ist,
kann der Druck durch Entlüften des
Kanalsegments zur Atmosphäre
oder einem Niedrigeren-Druck-Resevoir
reduziert werden. Der Druck kann auch durch Verändern der Temperatur in einem Kanalsegment
der Vorrichtung gesteuert werden. In einer derartigen Ausführungsform
ist es bevorzugt, dass das Fluid in dem Kanalsegment eine große Volumenänderung
mit dem Ändern
der Temperatur erfährt.
Vorzugsweise ist in einer derartigen Ausführungsform das Fluid ein Gas.
Der Druck kann durch Erhöhen
der Temperatur des Gases in dem Kanalsegment erhöht werden und kann durch Absenken der
Temperatur in dem Kanalsegment verringert werden. Der Druck in einem
Kanalsegment kann auch durch Prozesse verändert werden, wie etwa Verdampfung
oder Elektrolyse (ein Prozess, in dem ein elektrischer Strom verwendet
wird, um ein Liquid in einem Kanalsegment in gasförmige Komponenten aufzuspalten).
Zum Beispiel kann Wasser in Wasserstoffgas und Sauerstoffgas elektrolysiert
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann eine Fluss-Steuerungsvorrichtung
mehr als ein Kanalsegment auf einer gegebenen Schicht an einer Regelregion
aufweisen. Wie in den 6A bis 6B gezeigt,
weist eine Mikro-Fluid-Vorrichtung 699 eine Mehrzahl von
Vorrichtungsschichten 700–704 und zwei Kanalsegmente 706 und 707 auf,
die in der Schicht 703 definiert sind und durch eine deformierbare
Membran 702 von einem Kanalsegment 705 getrennt
sind, das in der oberen Schicht 701 definiert ist. Die
deformierbare Membran 702 ist nicht mit einer Aufnahmeregion 703a verbunden,
die in der Schicht 703 definiert ist. Wenn der Druck in
dem Kanalsegment 705 relativ zu beiden Kanälen 706 und 707 hoch
ist, dann wird eine Fluidkommunikation zwischen den Kanälen 706 und 707 in
der Regelregion durch die Membran 702 verhindert, die in
Kontakt mit der Aufnahmeregion 703a gedrückt wird,
wie in 6A gezeigt. Wenn die relativen
Drücke
in beiden Kanälen 706 und 707 größer als
der in dem Kanal 705 werden, wie in 6B gezeigt,
dann wird die Membran 702 in Richtung und in das Kanalsegment 705 deformiert,
wodurch eine Fluidpassage zwischen den Kanälen 706 und 707 ermöglicht wird.
Ob ein gestiegener Druck in den Kanalsegmenten 706 oder 707 ausreichend
ist, um einen Flusspfad zwischen den Kanälen zu öffnen, wird durch Faktoren
inklusive der Größe der Aufnahmeregion,
der Dicke und Zusammensetzung der flexiblen Membran 702 und
der Größe der Regelregion
(welche die Größe der Membran
beeinflusst, die einer Deformation ausgesetzt ist) beeinflusst.
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Flusssteuervorrichtungen
mit Rückkopplung
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In
weiteren Ausführungsformen
können druckempfindliche
Regionen in eine Mikro-Fluid-Vorrichtung integriert werden, um eine
interne Rückkopplung
zu erzeugen, sodass eine Änderung
im Druck oder in der Flussrate in einer Region eines Kanalsegments
eine andere Region beeinflusst.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Rückkopplungsschleife
verwendet, um eine Druckregelvorrichtung zu erzeugen. Eine Mikro-Fluid-Vorrichtung
wurde aufgebaut, bei der ein erstes Kanalsegment, das in der einen
Schicht einer dreidimensionalen Vorrichtung angeordnet ist, in Fluidkommunikation
mit einem zweiten Kanalsegment in einer anderen Schicht der Vorrichtung
steht. Zum Beispiel können
die zwei Kanäle
in verschiedenen Schichten durch einen Durchlass oder ein Durchgangsloch
zwischen den Schichten verbunden sein. In einer oberen Schicht ist
ein Kanalsegment so positioniert, dass es über das andere Kanalsegment
in einer unteren Schicht zurück
verläuft.
Dieser obere Bereich kann ein oder mehrmals über die untere Region hinweg
verlaufen und kann über
das Kanalsegment parallel, entlang seiner Achse oder quer zu dem Kanalsegment
in einem Winkel verlaufen. Eine deformierbare Membran trennt die
zwei Kanalsegmente an einer Regelregion. Ein Druckanstieg in dem stromaufwärtigen Teil
des Kanalsegments wird ein Ausdehnen des ersten Kanalsegmentes verursachen,
wodurch der überlappenden
stromabwärtige Teil
des Kanalsegments komprimiert wird. Dies wird die Membran in Richtung
des zweiten Kanalsegments verformen, die Form oder Geometrie des
zweiten Kanalsegments verändernd.
Der Fluss durch das zweite Segment kann sich auch verringern und
wird in Abhängigkeit
von der Gestaltung der Regelregion und mit dem anliegenden Druck
variieren. Die Membran kann eine teilweise Blockade oder eine im
Wesentlichen komplette Blockade des Fluidflusses durch ein Kanalsegment
bilden. Eine anschließende Verringerung
des Drucks in dem Kanalsegment wird in dem Kanalsegment ein Erreichen
seines vorherigen unbeschränkten
oder "entspannten" neutralen Zustands
ergeben.
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Ein
druckbetätigtes
Ventil kann einen Fluss zwischen zwei Kanalsegmenten in einem einzelnen Mikro-Fluid-Kanal
regulieren, wegen des Druckabfalls, der stromabwärts in den Mikro-Fluid-Kanälen auftritt.
Der Druck in einem Mikro-Fluid-Kanal
sinkt mit dem Abstand von der Einlassöffnung. Bei niedrigen Eingangsdrücken gibt
es einen minimalen Druckabfall in einem langen Kanalsegment. Sowie der
Eingangsdruck steigt, wird es schwieriger für die internen Drücke sich
abzugleichen und der Druckunterschied von einem Ende des Kanalsegments
zum anderen Ende ist viel größer. Je
höher der
Betätigungsdruck
der Mikro-Fluid-Vorrichtung desto größer der Druckunterschied, der über die
Länge eines
Kanals erzeugt wird. Daher kann durch das Gestalten unterschiedlicher
Mikro-Fluid-Systeme mit Ventilen, die durch verschiedene Längen von
Kanälen
zwischen einer Seite der Druckmembran und der anderen getrennt sind,
unterschiedliche Schließdrücke in der
Vorrichtung gestaltet oder "programmiert" werden. Zum Beispiel
verbindet in den 5A bis 5B (welche
unten in weiteren Details diskutiert werden) ein relativ langes
Kanalsegment die eine Seite einer Schließventilmembran mit der anderen, eine
lange Kanalsegmentlänge
ist vorzugsweise vorgesehen, um den Druckunterschied zu erzeugen.
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Eine
Mikro-Fluid-Vorrichtung mit einem eingebauten Druckregelsystem wird
in den 4A bis 4B gezeigt.
Bezugnehmend auf 4A wurde eine Mikro-Fluid-Vorrichtung 130 unter
Verwendung eines Sandwich-Matrizen-Herstellungsverfahrens aus fünf Schichten 131 bis 135 aufgebaut.
Die erste Schicht 131 definiert eine Einlassöffnung 136 und zwei
Auslassöffnungen 137, 138.
Die zweite Schicht 132 definiert zwei Durchlässe 140 und
ein Kanalsegment 139 mit einer nominalen Weite von 40 mills (1000 μm). Die dritte
Schicht 133 definiert einen zentralen Durchlass 141 und
zwei laterale Durchlässe 142.
Die vierte Schicht 134 definiert einen Kanal 143, der
auch eine nominale Breite von 40 mills (1000 μm) aufweist. Alle Durchlässe sind
70 mills (1750 μm)
im Durchmesser. Die Schichten 131–134 sind alle aus einem
3 mill (75 μm)
dicken einseitigen Band mit einem Poypropylenträger mit einem wasserbasierten Haftmittel
aufgebaut. Die untere Schicht 135 ist ein 0.25 inch (6.3
mm) dicker Block aus Acryl.
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Bei
der Verwendung wird ein Fluid an der Einlassöffnung 136 bei einem
niedrigen Gegendruck eingespritzt. Das Fluid passiert das Kanalsegment 139 bis
es den Abzweigungspunkt 144 erreicht. Dann teilt sich das
Fluid gleichmäßig die
zwei Teile des Kanalsegments 143 hinunter, bis es die Auslassöffnungen 137 und 138 erreicht.
Da das Fluid weiterfließt, teilt
sich das Fluid gleichmäßig an dem
Anschlusspunkt 144 und wird gleichmäßig geteilt. Wenn ein erhöhter Druck
an der Eingangsöffnung 136 anliegt, steigt
der Druck in dem Kanalsegment entsprechend der Flussrate. In der
Region 145, bei der sich die Kanäle 139 und 143 überlappen,
drückt
der Druck in dem oberen Kanalsegment 139 auf die polymerische Membran 133,
welche die zwei Kanäle
voneinander trennt. Das Polymermaterial 133 wird lokal
deformiert und blockiert teilweise das untere Kanalsegment 134,
wodurch der Fluss in diesem Kanalsegment teilweise eingeschränkt wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
bezogen auf dieses Beispiel ist die Größe der Ausgangskanäle so eingestellt,
dass der Fluss aus der Vorrichtung 130 heraus konstant
bleibt, unabhängig
vom anliegenden Gegendruck. Diese Vorrichtung 130 kann in
verschiedenen Anwendungen verwendet werden, inklusive, aber nicht
darauf beschränkt,
der konstanten Zuführung
von Stoffen wie etwa in Medikamenten-Zuführanwendungen. In einer bevorzugten
Ausführungsform
ist die Einlassöffnung 136 mit
einem unter Druck stehenden Fluid-Behälter (nicht dargestellt) verbunden,
der ein Medikament von Interesse enthält. Die Auslassöffnungen 137, 138 sind
mit einem Zuführmechanismus
zu einem Körper
verbunden. Wenn der unter Druck stehende Behälter voll ist, ist der Staudruck
hoch und der Auslass 137 ist geschlossen und 138 ist
offen. Obwohl der Druck hoch bleibt, ist der Widerstand in den Kanälen sogar
höher, da
es nur einen Auslass gibt. Da der unter Druck stehende Körper Fluid
verliert, sinkt der Druck, was ein langsames Öffnen des Ausgangs 137 erlaubt.
Da nun 2 Kanäle
offen sind, fällt
der Druck ab und der Widerstand in den Kanälen sinkt. Eine kompliziertere Struktur
mit vielen Rückkopplungsschleifen
kann aufgebaut werden, sodass ein annähernd konstanter Fluss über einen
großen
Bereich von Eingangsdrücken
aufrechterhalten werden kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
wurde eine Mikro-Fluid-Vorrichtung
aufgebaut, welche die Flussrate über
einen großen
Bereich von Eingangsdrücken
reguliert. Bezugnehmend auf die 5A–5B wurde
eine Mikro-Fluid-Flussregel-Vorrichtung 199 unter Verwendung
eines Matrizen-Herstellungsverfahrens von 5 Schichten 200–204 aufgebaut.
Beginnend mit dem Boden definiert die erste Schicht 204 eine
Einlassöffnung 209 und zwei
Auslassöffnungen 210, 211.
Die zweite Schicht 203 definiert einen Durchlass 214 und
einen Kanal 206, der an einer Kammer 207 endet.
Die dritte Schicht 202 definiert zwei Durchlässe 208, 208a.
Die vierte Schicht 201 definiert einen Kanal 205 und
die verbundene Kammer 215. Die fünfte Schicht 200 dient
als Abdeckung für
die vierte Schicht 201. Die zusammengebaute Vorrichtung
ist in 5B dargestellt. Die Überlappungsregion 212 wird
im Querschnitt mit dem Ventil in offener bzw. geschlossener Position
in den 6C–6D gezeigt.
Bei der Verwendung wird Fluid in die Einlassöffnung 209 eingespritzt.
Das Fluid fließt
durch die Durchlässe 214, 208,
durch das Kanalsegment 205 hinunter, durch den Durchlass 208a und
den Kanal 206 und wird in Richtung der zwei Ausgänge 210 und 211 geteilt. Wenn
der Eingangsdruck relativ niedrig ist, ist die flexible Membran 202 im
Wesentlichen nicht verformt (siehe 5C) und
das Fluid fließt
gleichmäßig aus den
zwei Ausgängen 210, 211.
Sowie der Druck an dem Eingang steigt, steigt der Druck in dem Kanal 205 und
der Kammer 215, wodurch die Membran 202 deformiert
wird (siehe 5D) und sie den Ausgang 210 teilweise
blockiert.
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Zwei
Versuchsreihen sind mit dieser Vorrichtung 199 durchgeführt worden.
In dem ersten Experiment wurde der Druck gegenüber der Flusscharakteristik
der zwei Ausgangsöffnungen 210 und 211 unabhängig voneinander
gemessen. Eine der Ausgangsöffnungen
war vollständig
verschlossen und der Druck an dem Einlass 209 wurde gegenüber dem Fluss
an dem Auslass gemessen. Bezugnehmend auf 5E für den Ausgang 211 (nicht
reguliert) steigt die Flussrate mit dem Anstieg des Druckes, wie es
zu erwarten wäre.
Jedoch wird für
die (regulierte) Ausgangsöffnung 210,
sowie der Druck über
3 psi (21 mPa) steigt, die Membran 202 deformiert, was
zu einem eingeengten Kanalsegment führt. Die Vorrichtung 199 arbeitet
als ein Flussregulator. Sowie der Druck weiter steigt, bleibt der
Fluss konstant, da der Fluss proportional zum Druck und den Kanalsegment-Dimensionen
ist. Wenn der Druck steigt, reduziert sich die Kanalsegment-Dimension,
was zu einer im Wesentlichen konstanten Flussrate führt.
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Das
gleiche Experiment wurde wiederholt, wobei beide Kanäle gleichzeitig
gemessen wurden. Die Ergebnisse dieses Experiments werden in 5F bereitgestellt.
Wieder ist der Fluss reguliert, allerdings ist in diesem Fall der
Fluss bei einer gleichmäßig niedrigeren
Flussrate reguliert.
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Eine
im Wesentlichen ähnliche
Struktur zu der in den 5C–5D illustrierten
ist in den 7A–7B geschaffen,
mit dem Hauptunterschied des hinzugefügten Auslasskanals 222,
der durch die Matrizenschicht 220 definiert wird, und einem
Substrat 221, um den Fluss in der Vorrichtung 197 weiterzuführen.