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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf analytische Chemie und insbesondere
auf die Herstellung von Fluidkanalvorrichtungen wie z.B. mikrofluidischen
Vorrichtungen, die in der analytischen Chemie verwendet werden.
Ein wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin,
sicher gebundene hybride harte/weiche mikrofluidische Vorrichtungen
zu liefern.
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Fortschritte
in der Medizin-, Chemie-, Umwelt- und forensischen Wissenschaft
wurden durch Fortschritte bei dem zum Analysieren chemischer Proben
verwendeten Instrumentarium möglich.
Unter den wichtigsten Arten analytischer Instrumente sind Vorrichtungen,
die chemische Komponenten je nach ihren Migrationsraten entlang
einem Kanal trennen. Derartige Trennungstechnologien umfassen Chromatographie,
bei der die Rate der Bewegung einer chemischen Komponente durch
einen Kanal durch ihre Unterteilung in mobile und stationäre Phasen
bestimmt wird. Allgemein liefern Vorrichtungen mit schmaler Bohrung
eine höhere
Trennungsauflösung, indem
sie eine nicht-längsgerichtete
Bewegung durch den Kanal minimieren. Obwohl Kanäle mit weiter Bohrung tendenziell
schlauchförmig
sind, führte der
Trend hin zu Kanälen
mit schmaler Bohrung zu „mikrofluidischen" Trennungskanälen, die
als Gräben mit
geringem Durchmesser in planaren Substraten gebildet sind.
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Mikrofluidische
planare Vorrichtungen können
grob in „harte" und „weiche" Vorrichtungen unterteilt
werden, je nach der Art des für
die Substrate verwendeten Materials. Harte Vorrichtungen sind üblicherweise
aus Silizium, Siliziumdioxid oder anderen anorganischen Oxiden hergestellt.
Weiche Vorrichtungen sind üblicherweise
Polymere. Die weichen Vorrichtungen können dort bevorzugt sein, wo
Flexibilität,
Einfachheit und niedrige Kosten bei der Herstellung wichtig sind.
Die harten Vorrichtungen können
dort bevorzugt sein, wo Starrheit, optische Transparenz, chemische
Trägheit
und Vereinbarkeit mit elektronischen Vorrichtungen und ihren Herstellungstechniken
von höchster
Bedeutung sind.
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Bei
vielen Anwendungen sind Vorteile sowohl von harten als auch weichen
Vorrichtungen erwünscht.
Beispielsweise ist es oft wünschenswert, die
mit harten Vorrichtungen verbundene Transparenz (z.B. zu Erfassungszwecken)
mit der mit weichen Vorrichtungen verbundenen kostengünstigen Herstellung
zu kombinieren. Für
diese Anwendungen sind hybride harte/weiche Vorrichtungen von Interesse.
Beispielsweise können
Fluidkanäle
in einer Platte aus PDMS gebildet werden, die dann zwischen Glasplättchen gegeben
wird („Monolithic
Microfabricated Valves and Pumps by Multilayer Soft Lithography", Mark A. Unger u.
a., Science, Bd. 288, 7. April 2000).
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Hybride
harte/weiche Vorrichtungen müssen die
Herausforderung, die harten und weichen Vorrichtungen zu befestigen,
angehen. Es kann eine externe Klemme verwendet werden, um eine „Sandwich-Struktur" zusammenzuhalten,
dann stellt die Klemme jedoch eine zusätzliche Komponente dar, die
angepasst werden muss und anfällig
für Ausfälle ist.
Es kann ein Haftmittel verwendet werden, um die harten und weichen
Vorrichtungen „zusammenzukleben", wie eine externe
Klemme ist der Klebstoff jedoch eine weitere Komponente, die anfällig für Ausfälle ist.
Ferner ist der Klebstoff eine potentielle Quelle chemischer Verunreinigungen.
Ferner kann der Klebstoff dort, wo ein optischer Zugang erforderlich ist,
die Transparenz beeinträchtigen.
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Harte
und weiche Vorrichtungen können auch
dadurch befestigt werden, dass sie aufeinander aufgeschmolzen werden.
Beispielsweise beruhen manche weiche Vorrichtungen auf Thermoplasten oder
weisen zumindest eine Thermoplastschicht auf. Derartige Vorrichtungen
können
erhitzt und gegen eine harte Vorrichtung gepresst werden, so dass
die harte und die weiche Vorrichtung aneinander haften. Jedoch können die beim
Aufschmelzen verwendeten Temperaturen die Qualität vorgeformter Mikrokanäle oder
zugeordneter wärmeempfindlicher
Komponenten verringern. Wenn die Komponenten außerdem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen,
kann eine unterschiedliche Kontraktion nach dem Aufschmelzen bewirken,
dass eine Komponente kaputt geht, oder kann bei der abgeschlossenen
Struktur unerwünschte
Beanspruchungen bewirken. Ferner sind viele interessierende weiche
Materialien, z.B. viele Polyimide, keine Thermoplaste – somit
ist dieser Lösungsansatz
bezüglich
der Befestigung nicht anwendbar.
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Es
ist auch möglich,
hybride Vorrichtungen herzustellen, indem weiche Materialien auf
harte Materialien aufgeschleudert werden oder indem Filme mittels
Dampfphasentechniken aufgewachsen werden. In dem letzteren Fall
liegt das weiche Material zum Zeitpunkt des Herstellens der Verbundstruktur entweder
in flüssiger
Form oder in Gasform vor, wodurch die weiche Schicht vorstrukturiert
wird. Diese Techniken machen es außerdem schwer, Vorrichtungen
herzustellen, bei denen die harte Schicht vorab strukturiert wird.
Dementsprechend verbleibt ein Bedarf an verbesserten hybriden harten/weichen
mikrofluidischen Vorrichtungen und an einem Verfahren zum Herstellen
derselben.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden einer
mikrofluidischen Vorrichtung gemäß Anspruch
1 vorgesehen.
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Die
vorliegende Erfindung sieht eine kovalente Bindung eines Polymerfluidkanalsubstrats
mit einer zweiten strukturellen Komponente, um eine Fluidkanalvorrichtung
zu bilden, vor. Als Vorbereitung auf die kovalente Bindung werden
eine Oberfläche des
Polymerfluidkanalsubstrats und eine Polymer- oder Oxidoberfläche der zweiten strukturellen
Komponente vorbehandelt, um sie komplementär zu machen. Vorzugsweise führen die
Behandlungen dazu, dass eine der Oberflächen freie Aminogruppen aufweist
und die andere Oberfläche Freie-Amino-Komplementärgruppen
(z.B. Hydroxyl-, Carbonyl-, Peroxyl-, Carboxyl-, Anhydrid-, Ester-,
Epoxid- oder Isocyanat-Gruppen) aufweist. Die kovalente Bindung
kann eine Amidierung zwischen den Aminogruppen und den Amino-Komplementärgruppen
sein. Die Erfindung sieht eine Bildung von Fluidkanälen vor,
während
oder nach der kovalenten Bindung vor.
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Die
zweite strukturelle Komponente kann eine Oxidoberfläche aufweisen.
Beispielsweise kann die zweite strukturelle Komponente ein Kieselglas, Silikakristall,
Aluminiumoxid oder Saphir sein. Alternativ dazu kann die zweite
strukturelle Komponente ein Nicht-Oxid, z.B. Silizium, sein, jedoch
eine Oxidbeschichtung, z.B. aus Siliziumdioxid, aufweisen. Ferner
kann die zweite strukturelle Komponente eine Polymerbindungsoberfläche aufweisen.
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Eine
oder beide Bindungsoberflächen
können
thermoplastisch sein: entweder kann eine ganze strukturelle Komponente
thermoplastisch sein, oder eine strukturelle Komponente kann an
der Bindungsoberfläche
eine thermoplastische Schicht aufweisen. Beispielsweise kann eine
nicht-thermoplastische
Polyimidstruktur an der Bindungsoberfläche eine dünne Schicht aus thermoplastischem
Polyimid aufweisen. Die Erfindung sieht ein Erhitzen einer thermoplastischen
Oberfläche
vor, um sie nachgiebig, aber nicht klebrig zu machen, um einen engen
Kontakt zu fördern,
wenn die strukturellen Komponenten aneinandergedrückt werden.
Der enge Kontakt kann dann eine gründlichere kovalente Bindung
zwischen den jeweiligen Oberflächen
fördern.
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Die
Erfindung liefert Vorrichtungen, die Analysen von Fluiden ermöglichen,
sowie Vorrichtungen, die Fluide für gewisse Zwecke verwenden.
Ein Beispiel der Erstgenannten ist die Verwendung eines Fluidkanals
als Proben-Komponente-Trennpfad.
Ein Beispiel der zuletzt Genannten ist die Bewegung eines Immersionsfluids
in optischen Schaltern.
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Die
Erfindung liefert Fluidkanalvorrichtungen mit einer eingebauten
elektronischen Schaltungsanordnung. Beispielsweise kann eine Fläche einer
Polymerstruktur mit vordefinierten Fluidkanälen kovalent an eine integrierte
Schaltung gebunden werden, die eine Siliziumdioxid-Bindungsoberfläche aufweist. Die
integrierte Schaltung kann Sensoren und Betätigungsglieder (die sich auf
das Fluid in den Kanälen auswirken)
sowie eine Signalverarbeitungsschaltungsanordnung umfassen. Die
gegenüberliegende Fläche der
Polymerstruktur kann an eine Glasabdeckung gebunden werden, um einen
optischen Zugang zu den Fluidkanälen
zu liefern. Somit sieht die Erfindung eine Fluidkanalvorrichtung
mit einer eingebauten Intelligenz vor. Man beachte, dass die Erfindung
ein Behandeln er Oberfläche
der integrierten Schaltung während
oder nach deren Herstellung vorsieht.
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Allgemeiner
gesagt sieht die Erfindung Fluidkanalvorrichtungen vor, die durch
die Vorteile verschiedener Materialien gekennzeichnet sind. Die
kovalenten Bindungen können
in manchen Fällen
die Festigkeit zumindest einer der Komponenten überschreiten, so dass die Bindung
bei der Festigkeit der Anordnung kein begrenzender Faktor ist. Da
die Bindung kovalent ist, ist das Risiko einer Verunreinigung durch
sich frei bewegende klebende Komponenten verringert. Auch können die
molekularen Segmente zwischen den Oberflächen einen gewissen Grad an Elastizität liefern,
um eine unterschiedliche Wärmeausdehnung
ohne Schlupf zu ermöglichen.
Diese und andere Merkmale und Vorteile ergeben sich unter Bezugnahme
auf die folgenden Zeichnungen aus der nachstehenden Beschreibung.
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Unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen werden nachstehend lediglich
beispielhaft Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schematische Veranschaulichung eines bevorzugten mikrofluidischen
Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
schematische Veranschaulichung der gemäß dem Verfahren der 1 hergestellten
mikrofluidischen Vorrichtung; und
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3 ein
Flussdiagramm des Verfahrens der 1.
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
sieht ein kovalentes Binden einer integrierten Schaltung 11 und
einer Glasabdeckung 13 an eine Polyimid-Zwischenstruktur 15 vor,
in 1 gezeigt. Dieser Prozess erfolgt im Kontext der
Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung 20, in 2 gezeigt,
gemäß einem
Verfahren M1, das in 3 als Flussdiagramm dargestellt
ist. Die Polyimidstruktur 15 weist auf einer Seite eine
relativ dicke, 5 Millizoll betragende, nicht-thermoplastische Schicht
(Kapton H) 21 und eine relativ dünne, 1 Mikrometer aufweisende thermoplastische
Beschichtung 23 auf.
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Bei
Schritt S1 wird die Glasabdeckung 13, die unter Verwendung
von standardmäßigen Prozeduren
(z.B. RCA) vorgereinigt ist, mit Aminopropyltrimethoxysilan chemisch
modifiziert, um eine aminreiche Oberfläche zu ergeben (1).
Bei Schritt S2 wird die Polyimidstruktur 15 durch Eintauchen
in eine Kaliumhydroxidlösung
(1M, Raumtemperatur, 1 h) aktiviert; darauf folgt eine HCl-Lösung (ca.
0,2 M), um die Salzionen zu verdrängen, wobei Carboxylgruppen
an der unbeschichteten Polyimidoberfläche 25 freigelegt
werden. Man beachte, dass die Schritte S1 und S2 gleichzeitig oder
in jeder beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden können.
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Bei
Schritt S3 werden die Glasabdeckung 13 und die unbeschichtete
Oberfläche 25 der
Polyimidstruktur 15 aneinander gebunden, indem ein Druck
(ca. 230 psi) und eine erhöhte
Temperatur (325°C)
in Vakuum (ca. 10 mtorr, 2 Stunden) ausgeübt bzw. angelegt werden. Folglich
wird die Glasabdeckung 13 mit hervorragender Haftung an
die Polyimidstruktur 15 gebunden, wobei die Haftung die
innere Kohäsionsfestigkeit
des Polyimids übertrifft.
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Bei
Schritt S4 wird die Polyimidstruktur 15 unter Verwendung
eines Kleinleistungs-Plasmaprozesses und unter Verwendung einer
Laserablation strukturiert, um Fluidkanäle 31 zu definieren.
Die Kanäle 31,
die 150 Mikrometer breite und 0,5 cm lange Kanäle sind, werden auf der nicht-thermoplastischen Seite
laserabladiert, wobei darunter liegendes Glas freigelegt wird. Alternativ
(oder zusätzlich)
dazu kann die Polyimidstruktur 15 von der Glasseite her
laserabladiert werden, da die Glasabdeckung 13 relativ
zu der Polyimidstruktur 15 wenig Energie von dem Laser absorbiert.
Dies ermöglicht
die Bildung von flachen Kanälen
mit Fenstern.
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Das
gebundene Glas trägt
dazu bei, die Polyimidposition während
des Strukturierens aufrechtzuerhalten. An diesem Punkt kann auch
das Glas strukturiert werden (z.B. unter Verwendung einer Nassätzung wie
z.B. HF), um Mehrebenenkanäle
zu erhalten. Der Prozess durchschneidet sowohl den Thermoplasten
als auch das darunter liegende, nicht-thermoplastische Polyimid, wobei darunter
liegendes Glas freigelegt wird. Die Glasabdeckplatte liefert somit
ein transparentes Fenster zu den Fluidkanälen.
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Bei
Schritt S5 wird die Oberfläche 27 der thermoplastischen
Schicht 23 mit Kaliumhydroxidlösung und anschließend HCl
behandelt, wie oben, um Carboxylgruppen freizulegen. Bei Schritt
S6 wird der aktivierte Thermoplast in eine Polyaminlösung getaucht.
Die Polyaminionen binden sich an die freigelegten Carboxylgruppen
und hinterlassen dabei überschüssige freie
Aminogruppen. Bei Schritt S7 wird die integrierte Schaltung 11 mit
einem Isocyanatsiloxan behandelt, wodurch freie Isocyanatgruppen
an der Siliziumdioxidoberfläche
entstehen. Die Oberflächenaktivierung
kann während
oder nach Abschluss der Herstellung der integrierten Schaltung bewerkstelligt
werden.
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Bei
Schritt S8 wird die Glas-Polyimid-Anordnung 30 mit der
integrierten Schaltung 11 verbunden. Zuerst wird die Anordnung 30 mit
der integrierten Schaltung 11 ausgerichtet, so dass die
Kanäle
ordentlich mit den auf der integrierten Schaltung 11 gebildeten
Sensoren und Betätigungsgliedern 33 ausgerichtet
sind. Dann werden die Anordnung und die integrierte Schaltung verbunden,
indem ein Druck (ca. 230 psi) und eine erhöhte Temperatur (180°C) in Vakuum
(ca. 10 mtorr, 2 Stunden) ausgeübt
bzw. angelegt werden. In diesem Fall ist die erhöhte Temperatur so gewählt, dass
die thermoplastische Schicht 23 nachgiebig, jedoch nicht
klebrig wird. Die Nachgiebigkeit des thermoplastischen Films ermöglicht, dass
er sich an Oberflächenunregelmäßigkeiten
der integrierten Schaltung anpasst, so dass ein enger Kontakt und
somit eine gründlichere
kovalente Bindung erzielt werden. Man beachte, dass die Verarbeitung
bei relativ niedriger Temperatur für Sensoren und Betätigungsglieder 33,
die polymer sind, günstig ist.
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Die
zusammengesetzte Polyimidstruktur 15 kann gebildet werden,
indem die Schichten kovalent gebunden werden, wie hierin gelehrt
wird.
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Da
die zwei Schichten jedoch ähnliche
chemische Charakteristika aufweisen, kann eine von beiden chemisch
modifiziert werden, um sie zu der anderen komplementär zu machen.
Beispielsweise ist eine elektrostatische Selbstorganisation eine
Art und Weise, gezielt eine sehr dünne Schicht eines Polyelektrolyts
einer entgegengesetzten Ladung auf eine der Oberflächen aufzubringen.
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Eine
Oberfläche
aus nicht-thermoplastischem Polyimid (Kapton H) kann unter Verwendung von
KOH aktiviert werden und anschließend in eine 0,12M-Lösung eines
Polyamins bei einem pH-Wert von 4 eingetaucht werden. Die Oberfläche wird
anschließend
mit Wasser gespült
und trocknen gelassen. Dann wird eine zweite aktivierte Polyimidschicht in
Kontakt mit der ersten gebracht, und in einem Vakuum wird Druck
ausgeübt.
Die Temperatur kann auf 325°C
erhöht
werden, um die Schichten zu verbinden. Dieser Lösungsansatz kann verwendet
werden, um zwei beliebige Materialien mit carboxylierten Oberflächen zu
verbinden. Alternativ dazu kann Vernetzer eingebracht werden, um
die zwei aktivierten Oberflächen
kovalent zu binden.
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Nachdem
die Bindung abgeschlossen wurde, kann die entstehende mikrofluidische
Vorrichtung 20 an einer Pumpe befestigt werden, so dass
Packungsmaterial und anschließend
Proben in den und durch den Fluidkanal 31 gepresst werden
können. Aufgrund
der Festigkeit der kovalenten Bindungen kann die Vorrichtung 20 dem
relativ hohen Druck, der zum Packen und für die Hochdruck-Flüssigchromatographie
benötigt
wird, standhalten.
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Obwohl
eine Amidierung auf Carboxylgruppen und ihre aktivierten Formen
angewendet werden kann, kann die Erfindung auch auf Ester und Epoxide angewendet
werden. Im letzteren Fall erzeugt die Amidierungsreaktion kein Wasser,
was ein Vorteil sein kann. Wie oben angegeben wurde, kann die Polyimidoberfläche so behandelt
werden, dass sie aminreich statt elektrophil ist. Statt eines Polyimids können auch
andere Polymermaterialien verwendet werden, einschließlich PEEK
(Polyetheretherketon), PDMS (Polydimethylsiloxan), Polypropylen,
Polyethylen und Polyurethan. Im letzteren Fall kann die Oberfläche aktiviert
werden, um freie Isocyanat- oder Isothiocyanatgruppen zu ergeben,
die bei relativ niedrigen Temperaturen eine Bindung mit Amingruppen
eingehen.
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Bei
dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
wird ein enger Kontakt zwischen zu verbindenden Oberflächen unter
Verwendung einer nachgiebigen thermoplastischen Schicht erzielt.
Alternativ oder zusätzlich
dazu können
verlängerte
Polymere (z.B. Polysilane) verwendet werden, so dass die Bindung über eine
größere Entfernung
hinweg stattfinden kann; in diesem Fall ist zwischen zu verbindenden Oberflächen ein
weniger perfekter Kontakt erforderlich. Beispielsweise kann das
Verbinden über
100 Å statt
5–10 Å stattfinden.
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Die
Erfindung kann auch ein Verbinden von Oberflächen liefern, die anfänglich weder
ein Oxid noch ein Polymer sind. In diesen Fällen kann eine Oberfläche in einen
der zu bindenden Typen umgewandelt werden. Beispielsweise kann eine
Siliziumnitridschicht unter Verwendung von Sauerstoffplasma behandelt
werden, um Oxidstellen zu erzeugen, die unter Verwendung des Verfahrens
der Erfindung an eine Polymeroberfläche gebunden werden können. Auch
Polymeroberflächen
können
unter Verwendung von Plasma- und Puls-Plasma-CVD modifiziert und funktionalisiert
werden, um an aminierte Oberflächen gebunden
zu werden, wie von Stephen Kaplan u. a. in „Applications for Plasma Surface
Treatment in the Medical Industry", http://www.adhesivesmag.com/CDA/ArticleInformation/features/BNP_Features_Item/0,2101,1241,00.html,
beschrieben ist. Eine Kombination aus Plasma-CVD und chemischer
Nass- oder Dampfphasenaktivierung
kann ebenfalls verwendet werden. Beispielsweise kann O2-Plasma alleine
oder gefolgt von einem Eintauchen in eine basische Lösung (KOH
in Wasser) verwendet werden, um Oberflächenhydroxyle zu erzeugen,
die wiederum mit Epichlorhydrin zur Reaktion gebracht werden können, um
Epoxidgruppen auf der polymeren Oberfläche zu erzeugen, und die in der
Lage sind, mit Aminen zu reagieren.
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Ein
anderer Lösungsansatz
besteht darin, die harte Oxidoberfläche mit einem Silan, das eine
aldehydische Funktionalität
aufweist, z.B. 4-Trimethoxybutanal (das Produkt PSX1050 von United
Chemical Technologies), zu modifizieren. Diese Oberfläche reagiert
dann auf kovalente Weise und bindet sich an eine aminmodifizierte
Oberfläche
des polymeren („weichen") Materials. Um dem
Polymer eine Oberfläche
mit endständiger
Amingruppe zu verleihen, kann eine Plasma- CVD-Technik verwendet werden, wie sie
von Stephen Kaplan u. a. (Ibid) beschrieben wurde.
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Die
Erfindung kann eine Vielzahl harter Materialien liefern, an die
die Polymerstruktur gebunden werden kann. Im Vorstehenden sind die
Materialien Glas- und Siliziumdioxidbereiche einer integrierten Schaltung.
Zusätzlich
können
Quarz, Saphir (AlO3) und andere Oxide verwendet
werden. Diese und andere Variationen und Modifikationen beschriebener Ausführungsbeispiele
werden durch die vorliegende Erfindung, deren Schutzumfang durch
die folgenden Patentansprüche
definiert wird, geliefert.