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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung
von Filtern zur Reinigung von Fluiden. Im Speziellen betrifft die
vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrofluid-Antimikrobenfilters.
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Hintergrund der Erfindung
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MEMS-Technologie
integriert elektrische und mechanische Komponenten mit Hilfe von
Mikrofabrikationstechnologie auf einem gemeinsamen Siliziumsubstrat.
Durch IC(integrated circuit, integrierter Schaltkreis)-Fabrikationsverfahren,
wie z. B. Fotolithographieverfahren und andere mikroelektronische Verfahren,
werden die elektrischen Komponenten hergestellt. Die IC-Fabrikationsverfahren
verwenden typischerweise Materialien wie z. B. Silizium, Glas und
Polymere. Durch Mikro-Materialbearbeitungsverfahren, die mit den
IC-Verfahren kompatibel sind, werden Bereiche des integrierten Schaltkreises
selektiv weggeätzt
oder diesem neue strukturelle Schichten hinzugefügt, um die mechanischen Komponenten
zu bilden. Die Integration von Mikroelektronik auf Siliziumbasis
mit Mikro-Materialbearbeitungstechnologie ermöglicht es, vollständige elektromechanische
Systeme auf einem einzigen Chip anzufertigen. Solche Einzelchip-Systeme integrieren
die Rechenfähigkeit
von Mikroelektronik in die mechanischen Mess- und Steuerungsmöglichkeiten
von Mikrotechnologie, um intelligente Vorrichtungen bereitzustellen.
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Eine
Art von MEMS ist ein Mikrofluid-System. Mikrofluid-Systeme schließen Komponenten
ein wie z. B. Kanäle,
Reservoirs, Mischer, Pumpen, Ventile, Kammern, Hohlräume, Reaktionskammern, Heizvorrichtungen,
Fluidverbindungen, Diffusoren, Düsen
und andere Mikrofluid-Komponenten. Diese Mikrofluid-Komponenten
haben typischerweise eine Größe zwischen
wenigen Mikrometern und wenigen hundert Mikrometern. Diese geringen
Maße minimieren
die physische Größe, den
Energieverbrauch, die Reaktionszeit und den Abfall des Mikrofluid-Systems. Solche
Mikrofluid-Systeme können
tragbare Miniaturvorrichtungen bilden, die sich entweder außerhalb oder
innerhalb eines menschlichen oder tierischen Körpers befinden.
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Anwendungen
für Mikrofluid-Systeme
schließen
genetische, chemische, biochemische, pharmazeutische, biomedizinische,
Chromatographie-, IC-Kühlungs-,
Tintenstrahldruckkopf-, medizinische, radiologische, umwelttechnische
sowie jede Art von Vorrichtung ein, die zum Betrieb flüssigkeits-
oder gasgefüllte
Hohlräume
benötigt.
Solche Anwendungen können
Verfahren einschließen,
die Analyse, Synthese und Reinigung betreffen. Die medizinischen
Anwendungen schließen
Diagnose und Patienten-Verwaltung
ein, wie z. B. implantierte Arzneimittelabgabe-Systeme. Die umwelttechnischen Anwendungen
schließen
den Nachweis von gefährlichen
Stoffen oder Bedingungen wie z. B. Luft- oder Wasserverunreinigungen,
chemischen Stoffen, biologische Organismen oder Strahlung ein. Die
genetischen Anwendungen schließen
das Testen und/oder die Analyse von DNA ein.
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Ein
Antimikrobenfilter ist eine Vorrichtung, die Mikroorganismen in
einem Fluidsystem ausfiltert. Antimikrobenfilter werden typischerweise
zur Fluidreinigung verwendet, wie z. B. in Luft-, Wasser- und Arzneimittelabgabe-Systemen.
In Arzneimittelabgabe-Systemen werden Antimikrobenfilter benutzt,
um zu verhindern, dass Mikroorganismen im Körper eines Menschen oder Tiers
die Fluidquelle der Arzneimittelabgabe erreichen. Manche Antimikrobenfilter werden
mit Löchern
hergestellt, die groß genug
sind, damit Fluid in einer Richtung durch den Filter strömen kann,
aber klein genug, um zu verhindern, dass die Mikroorganismen in
die andere Richtung durch den Filter dringen. Antimikrobenfilter
können
auch eine Beschichtung, wie z. B. Silber, haben, die auf die stromabwärts gelegene
Seite des Filters aufgetragen ist und manche Mikroorganismen daran
hindert, am Filter zu haften, und andere Mikroorganismen, welche die
Beschichtung berühren,
abtötet.
Manche Antimikrobenfilter haben einen langen, schmalen, gewundenen
Pfad, auch als "schlangenförmiger Pfad" bezeichnet, der
es Fluid ermöglicht,
in eine Richtung durch den Pfad zu strömen, und gleichzeitig die Bewegung
von Mikroorganismen in die andere Richtung hemmt. Antimikrobenfilter
sind im Makro-Maßstab hergestellt
worden. Die Herstellung von Antimikrobenfiltern im Mikro-Maßstab ist
jedoch mit besonderen Herausforderungen verbunden, z. B. der präzisen Konstruktion
sehr kleiner Löcher,
die gleichzeitig kosteneffektiv, herstellbar und zuverlässig sein
sollen.
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Daher
ist es wünschenswert,
einen Antimikrobenfilter zu haben, der klein genug ist, um in einem
Mikrofluid-System verwendet zu werden. Der Antimikrobenfilter würde mit
Mikro-Materialbearbeitungsverfahren hergestellt werden, um in ein
Mikrofluid-System integriert werden zu können. Das Mikro-Materialbearbeitungsverfahren
muss präzise
und rentabel sein. Somit würde
der Antimikrobenfilter leicht herzustellen und qualitativ hochwertig
sein.
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DE 3631804 offenbart ein
Verfahren zur Bereitstellung eines Membranmaterials auf einem Substrat,
Bereitstellung einer Maske mit einer Vielzahl von Vertiefungen und
zum Bilden einer Vielzahl von Löchern
in AUsrichtung mit den Vertiefungen mit Hilfe von Strahlung und Ätzung oder
Fotolitographie-Technik.
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WO
01/85341A offenbart Verfahren zum Bilden von Filtern unter Anwendung
von Maskentechniken, worin eine Vielzahl von Löchern durch reaktives Ionenätzen geformt
wird.
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US 5 753 014 offenbart einen
Membranfilter, der eine Membran unfasst, die mit Hilfe von Silizium-Mikro-Materialbearbeitung
bearbeitet werden kann, durch Auftragen einer relativ dünnen Membranschicht
auf einen Träger
mit Hilfe einer geeigneten Aufdampfungs- oder Rotationsbeschichtungs-Technik,
wonach Perforierungen in der dünnen Membranschicht
vorgenommen werden, z. B. durch Ätzen
mit Hilfe von Fotolithographie oder eine Aufdrucktechnik.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Antimikrobenfilters, ausgebildet
für ein
Mikrofluid-System einschließlich einer
Filtermembran, geformt aus einem Material auf Siliziumbasis und
mit einer Vielzahl darin geformter Löcher, gemäß Anspruch 1 offenbart.
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Eine
Trägerstruktur
ist mit einer ersten Seite der Filtermembran verbunden und erstreckt
sich davon.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine antimikrobielle
Beschichtung zwischen die Löcher
in der Filtermembran aufgetragen.
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Das
Mikrofluid-System kann eine Fluidquelle einschließen, die
ausgebildet ist, um ein Fluid zu enthalten, eine Fluidsenke, die
fluidisch mit der Fluidquelle verbunden und ausgebildet ist, um
das Fluid aufzunehmen, und den Antimikrobenfilter, der fluidisch
mit der Fluidquelle und der Fluidsenke verbunden ist.
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Das
Mikrofluid-System kann weiter einen stromaufwärts gelegenen Kanal einschließen, der
die Fluidquelle fluidisch mit dem Antimikrobenfilter verbindet,
und einen stromabwärts
gelegenen Kanal, der die Fluidsenke fluidisch mit dem Antimikrobenfilter
verbindet.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt der Schritt des Bildens
der Filtermembran weiter den Schritt des Diffundierens von Filtermaterial
in eine vordefinierte Tiefe des Substrats ein, worin die vordefinierte
Tiefe der Diffusion des Filtermaterials in das Substrat einer vordefinierten
Dicke der Filtermembran entspricht.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt der Schritt des Bildens
der Filtermembran weiter den Schritt des Auftragens der Filtermembran
auf das Substrat ein.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst der Schritt des Bereitstellens der Filtermaske
weiter folgende Schritte das Auftragen einer Vielzahl von Abstandhaltern
auf das Filtermaterial, worin ein Teil der Vielzahl von Abstandhaltern
das Filtermaterial berührt,
das Auftragen von Filter-Maskenmaterial teilweise um die Abstandhalter
herum und auf das Filtermaterial, worin der Teil der Vielzahl von
Abstandhaltern, der die Oberfläche
des Filtermaterials berührt,
das Filter-Maskenmaterial daran hindert, zwischen den Teil der Vielzahl
von Abstandhaltern und das Filtermaterial zu gelangen, und das Entfernen
der Vielzahl von Abstandhaltern, um die Vielzahl von Löchern in
der Filtermaske zu bilden, worin jeder Abstandhalter, der das Filtermaterial
berührt,
jedem Loch in der Filtermaske entspricht.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des
Entfernens der Vielzahl von Abstandhaltern weiter den Schritt des
Auflösens
der Vielzahl von Abstandhaltern.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des
Formens der Vielzahl von Löchern
in der Filtermembran weiter den Schritt des Ätzens der Filtermembran durch
die Löcher
in der Filtermaske.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst der Schritt des Entfernens mindestens eines Teils des
Substrats weiter den Schritt des Entfernens von Teilen des Substrats
von der Filtermembran, worin die restlichen Teile des Substrats,
welche die Filtermembran berühren,
die Trägerstruktur
für die
Filtermembran bereitstellen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Schritt des
Entfernens mindestens eines Teils des Substrats weiter den Schritt
des Entfernens des gesamten Substrats von der Filtermembran.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine antimikrobielle
Beschichtung zwischen die Löcher
in der Filtermembran aufgetragen.
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Diese
und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden weiter beschrieben
mit Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen,
worin identische Bezugszeichen identischen Merkmalen oder Elementen
zugeordnet sind, die in verschiedenen Zeichnungen dargestellt sind.
Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen möglicherweise nicht maßstabsgetreu
sind.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 stellt
ein Mikrofluid-System dar, das einen Antimikrobenfilter gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat.
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Die 2A–K stellen,
in einer Sequenz von Querschnittsansichten, ein Mikro-Materialbearbeitungsverfahren
zur Herstellung des Antimikrobenfilters von 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung dar.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Antimikrobenfilters
mit Hilfe des Mikro-Materialbearbeitungsverfahrens
der 2A–2K beschreibt.
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4 ist
ein Grundriss der Oberseite des Antimikrobenfilters in 1.
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5 ist
ein Aufriss von vorne des Antimikrobenfilters in 1.
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6 ist
ein Aufriss der rechten Seite des Antimikrobenfilters in 1.
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7 ist
ein Grundriss der Unterseite des Antimikrobenfilters in 1.
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8 zeigt
einen Aufriss einer Halbleiter-Konstruktion für den stromaufwärts gelegenen Kanal,
den Antimikrobenfilter und den stromabwärts gelegenen Kanal gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
einen Aufriss einer Halbleiter-Konstruktion für die Fluidquelle und den Antimikrobenfilter
gemäß einer
zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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10 zeigt
einen Aufriss einer Halbleiter-Konstruktion für den Antimikrobenfilter und
die Fluidsenke gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt
ein Mikrofluid-System 100, das einen Anti mikrobenfilter 105 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat. Das Mikrofluid-System 100 wird
mit Hilfe der oben beschriebenen MEMS-Technologie hergestellt. Das Mikrofluid-System 100 schließt allgemein
Folgendes ein: eine Fluidquelle 101, einen stromaufwärts gelegenen
Kanal 103, den Antimikrobenfilter 105, einen stromabwärts gelegenen
Kanal 107, eine Fluidsenke 109 und das Fluid 113.
Die Fluidquelle 101 ist durch den stromaufwärts gelegenen
Kanal 103 und den stromabwärts gelegenen Kanal 107 fluidisch
mit der Fluidsenke 109 verbunden. Die Richtung des Fluidstroms 111 im
Mikrofluid-System 100 ist von der Fluidquelle 101 zur
Fluidsenke 109. Der Antimikrobenfilter 105 filtert
Mikroorganismen im Mikrofluid-System aus. In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hindert der Antimikrobenfilter 105 Mikroorganismen
daran, sich vom stromabwärts
gelegenen Kanal 107 oder von der Fluidsenke 109 zum stromaufwärts gelegenen
Kanal 103 oder zur Fluidquelle 101 zu bewegen.
Der Antimikrobenfilter 105 kann Fluid filtern, das zwischen
zwei Mikrofluid-Komponenten strömt.
Vorzugsweise filtert der Antimikrobenfilter 105 Fluid,
das zwischen dem stromaufwärts gelegenen
Kanal 103 und dem stromabwärts gelegenen Kanal 107 strömt. Alternativ
kann der Antimikrobenfilter 105 Fluid filtern, das zwischen
der Fluidquelle 101 und dem stromaufwärts gelegenen Kanal 103 strömt, oder
zwischen dem stromabwärts
gelegenen Kanal 107 und der Fluidsenke 109, oder
zwischen der Fluidquelle 101 und der Fluidsenke 109 ohne
den stromaufwärts
gelegenen Kanal 103 oder den stromabwärts gelegenen Kanal 107.
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Die
Fluidquelle 101 enthält
das Fluid 113 und steht für jede beliebige der oben beschriebenen
Mikrofluid-Komponenten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf
Reservoirs, Mischer und Kammern. In ähnlicher Weise empfängt die
Fluidsenke 109 das Fluid 113 und steht generisch
für jede
der oben beschriebenen Mikrofluid-Komponenten.
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Der
stromaufwärts
gelegene Kanal 103 und der stromabwärts gelegene Kanal 107 transportieren das
Fluid 113 zwischen der Fluidquelle 101 und der Fluidsenke 109.
Der stromaufwärts
gelegene Kanal 103 und der stromabwärts gelegene Kanal 107 können als
zwei separate Kanäle
geformt sein, die durch den Antimikrobenfilter 105 verbunden
sind, oder als ein Gesamtkanal, in dem der Antimikrobenfilter 105 angebracht
ist. Als Reaktion auf Druck, der auf das Fluid 113 ausgeübt wird,
strömt
das Fluid 113 von der Fluidquelle 101 zur Fluidsenke 109.
Der auf das Fluid 113 ausgeübte Druck kann von einer externen
Quelle oder einer internen Quelle, bezogen auf das Mikrofluid-System 100,
stammen. Beispiele für
die externe Druckquelle schließen
(ohne Ausschließlichkeit) Schwerkraft-
und Rotationsmechanismen ein. Ein Beispiel für die interne Druckquelle schließt (ohne Ausschließlichkeit)
eine Pumpe ein. Vorzugsweise ist die Pumpe ebenfalls eine Komponente
des Mikrofluid-Systems 100.
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Das
Fluid 113 kann in jedem passenden Zustand vorliegen, der
eine Fluidströmung
ermöglicht, wie
z. B. in flüssigem
oder gasförmigem
Zustand. Das Fluid 113 stellt jede Zusammensetzung von
Materie dar, die für
Anwendungen des Mikrofluid-Systems 100 wie oben beschrieben
geeignet ist. Beispiele für
Fluide 113 schließen
(ohne Ausschließlichkeit) chemische,
Körper-,
Gefahr-, biologische und radiologische Fluide ein. Biologische Fluide
können
jede biologisch gewonnene Analysenprobe sein, einschließlich, aber
nicht beschränkt
auf Blut, Plasma, Serum, Lymphe, Speichel, Tränen, Hirn-Rückenmark-Flüssigkeit, Urin, Schweiß, Sperma
und Pflanzen- und Gemüseextrakte.
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Das
Mikrofluid-System 100 in 1 stellt zum
Zweck der Verdeutlichung ein relativ einfaches System dar. In der
Praxis kann das Mikrofluid-System 100 ein sehr komplexes
System sein, das viele und/oder doppelte Mikrofluid-Komponenten
hat, wie z. B. mehrere Antimikrobenfilter 105. Das Mikrofluid-System 100,
das komplexe oder parallele Funktionen ausführt, benötigt typischerweise viele Antimikrobenfilter 105,
z. B. mehr als zehn Antimikrobenfilter 105, um die Fluide 113 zu
filtern, die gleichzeitig oder zu verschiedenen Zeiten durch unterschiedliche Teile
des Mikrofluid-Systems 100 strömen. Daher ist es wün schenswert,
dass die Antimikrobenfilter 105 kompakt, zuverlässig, einfach
herzustellen und einfach in den Rest des Mikrofluid-Systems 100 zu
integrieren sind.
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Die 2A–2K stellen,
in einer Sequenz von Querschnittsansichten, ein Mikro-Materialbearbeitungsverfahren
zur Herstellung des Antimikrobenfilters 105 in 1 gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. Sie zeigen, wie verschiedene Materialien
hinzugefügt oder
entfernt werden, um die Merkmale des Antimikrobenfilters 105 herzustellen. 3 zeigt
ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung des Antimikrobenfilters 105 mit
Hilfe des Mikro-Materialbearbeitungsverfahrens
wie in den 2A–2K dargestellt
beschreibt. Das Verfahren schließt eine Sequenz der Schritte 302 bis
einschließlich 312 ein. Die
in 3 gezeigten Schritte 302–312 entsprechen jeweils
den Querschnittsansichten in den 2A–2K.
Als Nächstes
werden jeder der Schritte in 3 und die
entsprechenden Querschnittsansichten in den 2A–2K detailliert beschrieben.
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In
Schritt 302 in 3, der 2A entspricht,
wird ein Substrat 211 bereitgestellt. Das Substrat 211 kann
aus jedem Material bestehen, das mit dem Mikro-Materialbearbeitungsverfahren
kompatibel ist. Vorzugsweise besteht das Substrat 211 aus Silizium.
Das Substrat 211 wird mit Verfahren hergestellt, die im
Fachgebiet der Halbleiter-Herstellung gut bekannt sind. Das Substrat 211 stellt
allgemein den Träger
oder die Plattform bereit, auf welcher der Antimikrobenfilter 105 aufgebaut
werden soll. Das Substrat 211 kann eine Dicke im Bereich
von einem Mikron bis Hunderte von Mikron haben und ist vorzugsweise
3 Mikrometer dick. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung stellt das Substrat 211 auch einen strukturellen
Träger
für den
Antimikrobenfilter 105, als fertige Vorrichtung, im MEMS
bereit.
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In
Schritt 303 in 3, entsprechend 2B,
wird Substrat-Maskenmaterial 200 auf die erste, vorzugsweise
untere, Seite des Substrats 211 aufgetragen. Das Substrat-Maskenmaterial 200 kann aus
jedem Material bestehen, das mit dem Mikro-Materialbearbeitungsverfahren kompatibel
ist. Vorzugsweise ist das Substrat-Maskenmaterial 200 Siliziumdioxid.
Vorzugsweise werden das Substrat 202 und das Substrat-Maskenmaterial 200 zusammen
als technisch hergestellte Scheibe bereitgestellt. Das Substrat-Maskenmaterial 200 kann
auf das Substrat 211 mit einer Vielzahl von Verfahren aufgetragen werden,
die im Fachgebiet der Halbleiter-Herstellung gut bekannt sind. Das
Substrat-Maskenmaterial 200 kann
eine Dicke im Bereich von Hunderten bis Tausenden von Angström haben
und ist vorzugsweise 1000 Angström
(0,1 nm) dick. Das Substrat-Maskenmaterial kann auf das Substrat 211 mit
einer Vielzahl von Verfahren aufgetragen werden, die im Fachgebiet
der Halbleiter-Herstellung gut bekannt sind. Das Substrat-Maskenmaterial 200 wird
später
im Mikro-Materialbearbeitungsverfahren verwendet, um eine Substratmaske 212 für das Substrat 211 zu
bilden.
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In
Schritt 304 in 3, der 2C entspricht,
wird Filtermaterial 201 auf der zweiten, oberen Seite des
Substrats 211 geformt. Das Filtermaterial 201 kann
aus jedem Material bestehen, das mit dem Mikro-Herstellungsverfahren
kompatibel ist. In der bevorzugten Ausführungsform wird das Filtermaterial 201 auf
das Substrat 211 mit Aufbringungsverfahren wie elektrochemischem
Auftragen, Ultraschall-Aufsprühen,
Aerosol oder Aufschleudern aufgetragen, die im Fachgebiet der Halbleiterverarbeitung
gut bekannt sind. Alternativ kann das Filtermaterial 201 auf
der Oberfläche
des Substrats 211 durch Dotieren der oberen Oberfläche des
Substrats 211 mit einem Siliziumkompatiblen Material, wie
z. B. Bor, geformt werden. In diesem Fall entspricht die Dicke des
Filtermaterials der Eindringtiefe des Filtermaterials 201 in
die Oberfläche
des Substrats 211. Wenn das Filtermaterial 201 aufgetragen
wird, ist das Filtermaterial 201 vorzugsweise Polysilizium,
kann aber auch Nitrid, Epitaxie u. Ä. sein. Das Filtermaterial 201 kann
eine Dicke im Bereich von 0,1–100
Mikrometern haben und ist vorzugsweise 3–5 Mikrometer dick. Das Filtermaterial 201 wird
später
im Mikro- Materialbearbeitungsverfahren
verwendet, um eine Filtermembran 213 für den Antimikrobenfilter 105,
als fertige Vorrichtung, im MEMS zu bilden.
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In
Schritt 305 in 3, der 2D entspricht,
werden Öffnungen 220 im
Substrat-Maskenmaterial 200 geformt, um die Substratmaske 212 zu formen.
Die Öffnungen 220 können auch
als Vertiefungen, Bohrungen, Hohlräume u. Ä. bezeichnet werden. Die Öffnungen 220 werden
im Substrat-Maskenmaterial 200 mit einer Vielzahl von Verfahren
geformt, wie z. B. Fotolack mit einem Ätzverfahren, die im Fachgebiet
der Halbleiterverarbeitung gut bekannt sind. Die Öffnungen 220 erstrecken
sich durch das Substrat-Maskenmaterial 200 bis zur unteren
Oberfläche
des Substrats 211, so dass Abschnitte der unteren Oberfläche des
Substrats freigelegt werden. Die in der Substratmaske 212 geformten Öffnungen 220 bestimmen
Bereiche auf der Unterseite des Substrats 211, die später entfernt
werden, um die Filterhalter zu bilden. Die Öffnungen 220 können nach
jedem Schritt in dem Verfahren in 3 oder nach
jeder Sequenz in den 2B–2K geformt
werden, der/die geeignet oder wünschenswert
ist, da die Bildung der Öffnungen
nicht von einem anderen Schritt abhängt. Die Öffnungen 220 müssen jedoch
im Substrat-Maskenmaterial
geformt werden, bevor die Öffnungen 224 im
Substrat 211 geformt werden können, um die Filterhalter zu
bilden (s. 2I).
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In
Schritt 306 in 3, der 2E entspricht,
werden Abstandhalter 214 auf der oberen Oberfläche des
Filtermaterials angebracht. Die Abstandhalter 214 können aus
jedem Material bestehen, das mit dem Mikro-Herstellungsverfahren
kompatibel ist. Vorzugsweise bestehen die Abstandhalter aus Polystyrol,
aber sie können
auch aus Siliziumdioxid, Polymerisch, Carboxylat (COOH)-polystyrol
u. Ä. hergestellt
werden. Die Abstandhalter 214 können jede beliebige Form und
Größe haben.
Vorzugsweise sind die Abstandhalter 214 Kugeln mit einem
Durchmesser im Submikronbereich. Alternativ können die Abstandhalter 214 Würfel oder
Ovale sein und unregelmäßige oder
willkürlich
ausgewählte Formen
haben. Die Abstandhalter 214 können massiv oder hohl sein.
Die auf dem Filtermaterial angebrachten Abstandhalter 214 haben
vorzugsweise alle dieselben oder nahezu ähnliche Formen und Größen, sie
können
aber auch unterschiedliche Formen und Größen haben. In der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Abstandhalter 214 Kugeln
mit der Teilenummer P0002100N von Bangs Lab, 9025 Technology Drive,
Fishers, IN 46038-2886. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Abstandhalter 214 auf
das Substrat 211 mit Aufbringungsverfahren wie z. B. elektrochemischem
Auftragen, Ultraschall-Aufsprühen,
Aerosol oder Aufschleudern aufgebracht, die im Fachgebiet der Halbleiterverarbeitung
gut bekannt sind. Die Abstandhalter 214 werden vorzugsweise
als eine einzige Schicht von Abstandhaltern 214 aufgetragen,
die Seite an Seite angeordnet sind, sie können aber auch in Form mehrerer
Schichten aufgetragen werden, falls gewünscht und angemessen. Die Abstandhalter 214 können willkürlich oder
in einem vordefinierten Muster aufgebracht werden, wie gewünscht und
angemessen. Vorzugsweise werden die Abstandhalter während des
Aufbringungsvorgangs in einer Flüssigkeit
mitgetragen, wobei nur die Abstandhalter 214 zurückbleiben,
wenn die Flüssigkeit
trocknet. Die Abstandhalter 214 haften natürlicherweise
an der Oberfläche
des Filtermaterials 201, das aus Polysilizium besteht,
können
jedoch mit Hilfe des oben beschriebenen Elektrophorese-Aufbringungsverfahrens,
das auch die Dichte der Abstandhalter 214 erhöht, vom Filtermaterial
angezogen werden. Die Abstandhalter 214 können jeden
Durchmesser oder jede Dicke im Bereich von 0,05–0,5 Mikrometern haben und
sind vorzugsweise 0,2 Mikrometer dick. Wie am besten in 2H zu
sehen ist, werden die Abstandhalter 214 später im Mikro-Materialbearbeitungsverfahren
zum Formen von Löchern 222 in
einer Filtermaske 215 für den
Antimikrobenfilter 105 verwendet. Im Allgemeinen entspricht
der Durchmesser der Abstandhalter 214 dem Durchmesser der
Löcher 222 in
der Filtermaske 215, die wiederum den Löchern 218 in der Filtermembran 213 des
Antimikrobenfilters 105 entsprechen. Daher sollte der Größe der Abstandhalter 214 besondere
Beachtung geschenkt werden, da die Größe jedes Abstandhalters 214 indirekt
mit der Größe der Mikroorganismen
zusammenhängt,
die herausgefiltert werden müssen.
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In
Schritt 307 in 3, entsprechend 2F,
wird Filter-Maskenmaterial um die Abstandhalter 214 auf
das Filtermaterial aufgetragen. Vorzugsweise bedeckt das Filter-Maskenmaterial die Abstandhalter 214 nicht
vollständig.
Weiterhin kommt das Filter-Maskenmaterial nicht zwischen die Abstandhalter 214 und
das Filtermaterial 201, wo die Abstandhalter 214 das
Filtermaterial berühren.
In der Praxis erstreckt sich das Filter-Maskenmaterial über ungefähr die Hälfte des
Wegs unterhalb der Kugeln aufgrund der gekrümmten Form der Kugeln gegen die
relativ flache Oberfläche
des Substrats und aufgrund des verwendeten Aufbringungsverfahrens. Diese
relativ ungenaue Aufbringung des Filter-Maskenmaterial ist akzeptabel,
weil es das Endziel ist, Löcher 218 in
der Filtermembran 213 zu haben, die dem Durchmesser der
Abstandhalter 214 entsprechen, wie unten im Zusammenhang
mit den restlichen Schritten beschrieben ist. Die Filtermaske 215 kann
aus jedem Material bestehen, das mit dem Mikro-Herstellungsverfahren
kompatibel ist. In der bevorzugten Ausführungsform wird das Filter-Maskenmaterial
auf das Filtermaterial 201 mit Aufbringungsverfahren wie
z. B. elektrochemischem Auftragen, Ultraschall-Aufsprühen, Aerosol
oder Aufschleudern aufgetragen, die im Fachgebiet der Halbleiterverarbeitung
gut bekannt sind. Vorzugsweise besteht die Filtermaske 215 aus
Material, das das Hindurchdringen von Ionen nicht gestattet. Somit
kann die Filtermaske 215 aus den meisten feuerfesten Metallen
bestehen, wie z. B. Titan, Chrom, Wolfram, Platin, Nickel u. Ä. Das Filter-Maskenmaterial
kann eine Dicke im Bereich von 0,05–0,3 Mikrometern haben und
ist vorzugsweise 0,05 Mikrometer dick. Das Filter-Maskenmaterial
wird später
im Mikro-Materialbearbeitungsverfahren verwendet, um eine Filtermaske 215 für den Antimikrobenfilter 105 zu
bilden.
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Im
Schritt 308 in 3, der 2G entspricht,
werden die Abstandhalter 214 entfernt, um Löcher 222 im
Filter-Maskenmaterial
zu bilden, um die Filtermaske 215, auch Filterschablone
genannt, bereitzustellen. Die Abstandhalter 214 können mit
jedem Verfahren entfernt werden, das mit dem Mikro-Herstellungsverfahren
kompatibel ist. Vorzugsweise werden die Abstandhalter 214 entfernt
durch Auflösen
der Abstandhalter 214 mit Lösungen, z. B. einer sauren
Lösung,
einer basischen Lösung
oder einer oxidierenden Lösung.
Zum Beispiel lösen
sowohl Wasserstoffperoxid als auch Schwefelsäure Abstandhalter 214 auf,
die aus einem Polymermaterial bestehen. Auch kann z. B. Aceton Abstandhalter 214 auflösen, die
aus organischen Verbindungen bestehen. Alternativ können die
Abstandhalter 214 entfernt werden durch Zersetzen der Abstandhalter 214 mit Verfahren
einschließlich,
aber nicht beschränkt
auf Ultraschall, Ethylendiamin-Brenzcatechin-Wasser (ethylenediamine-pyrocatechol-water,
EDP) u. Ä.
In der Praxis haben die Löcher 222 im
Filter-Maskenmaterial,
da sich das Filter-Maskenmaterial ungefähr über die Hälfte des Wegs unter die Abstandhalter 214 erstreckt,
wie in Schritt 307 beschrieben, einen Durchmesser von ungefähr dem halben
Durchmesser der Abstandhalter 214. Es ist interessant anzumerken,
dass in der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung das Verfahren die Löcher 222 in der Filtermaske 215 formt,
indem ein Element (d. h. die Abstandhalter 214), die aus
einem Material bestehen, aus dem Filter-Maskenmaterial entfernt wird, das aus
einem anderen Material besteht. Dieses bevorzugte Verfahren des
Formens der Löcher
in der Filtermaske 215 steht im Gegensatz zu teureren, zeitaufwendigeren
und weniger präzisen
Verfahren des Formens von Löchern
in einer Filtermaske, z. B. durch einen Elektronenstrahl, tief ultraviolettes
Licht, Röntgen
oder Fotolithographie.
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In
Schritt 309 in 3, der 2H entspricht,
werden mit Hilfe der Filtermaske 215 Löcher 218 im Filtermaterial
geformt, um die Filtermembran 213 zu bilden. Die Löcher 218 erstrecken
sich durch die Dicke des Filtermaterials. Die Löcher 218 können mit
jedem Verfahren geformt werden, das mit Halbleiter-Herstellung kompatibel
ist. In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein direktional gesteuertes Ätzverfahren
angewandt, um die Löcher 218 zu
formen. Vorzugsweise wird ein reaktives Ionenätzverfahren (reactive ion etching, RIE)
angewandt, aber andere Verfahren, wie z. B. Ionenstrahlfräsen, können ebenfalls
angewandt werden. Während
des RIE-Vorgangs bombardieren Ionen die Filtermaske 215.
Aufgrund des Materials der Filtermaske 215, wie oben in
Schritt 307 beschrieben, prallen die Ionen von der Filtermaske 215 ab. Die
Löcher 222,
die in der Filtermaske 215 geformt wurden, wie in Schritt 308 beschrieben,
ermöglichen es
jedoch den Ionen, durch die Löcher 222 zu
dringen, um das Filtermaterial auf der gegenüberliegenden Seite der Filtermaske
zu erreichen. Die Ionen reagieren mit dem Filtermaterial, um es
selektiv zu entfernen, wie im Fachgebiet der Halbleiter-Herstellung gut
bekannt ist, um die Löcher 218 im
Filtermaterial zu erzeugen. Die Geschwindigkeit der Bildung der Löcher 218 und
die Tiefe der Löcher 218 sind
abhängig
von Faktoren wie der Intensität
und der Dauer des Ionenbeschusses ebenso wie vom Filtermaterial.
Die in der Filtermembran 213 geformten Löcher 218 sind tendenziell
etwas größer, um
etwa die halbe Größe der Abstandhalter 214,
als die Löcher 222 in
der Filtermaske 215 aufgrund eines Durchschlag- oder Randeffekts
der Ionen, die durch die Löcher 222 in der
Filtermaske 215 dringen. Da die in der Filtermaske 215 geformten
Löcher 222 einen
Durchmesser haben, der ungefähr
den halben Durchmesser der Abstandhalter 214 beträgt, haben
die Löcher 218 im
Filtermaterial eine Größe, die
ungefähr
gleich der Größe der Abstandhalter 214 ist.
Die Löcher 218 im
Filtermaterial haben eine geeignete Größe, um unerwünschte Mikroorganismen
effektiv auszufiltern.
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In
Schritt 310 in 3, der 2I entspricht, werden
Löcher 224 im
Substrat 211 geformt, um die Filterhalter zu bilden. Die
Verwendung von Filterhaltern ist fakultativ und hängt ab von
der strukturellen und materiellen Stabilität der Filtermembran 213 ebenso
wie von der Konstruktion und dem Material des MEMS, in das die Filtermembran 213 integriert ist.
Die Löcher 224 können mit
jedem Verfahren geformt werden, das mit Halbleiter-Herstellung kompatibel
ist, wie im Fachgebiet gut bekannt ist. Die Löcher 224 erstrecken
sich durch die Dicke des Substrats 211 und entsprechen
den Öffnungen 220,
die im Substrat-Maskenmaterial 200 geformt sind, wie in Schritt 305 beschrieben.
Die Löcher 224 im
Substrat 211 legen die Löcher 218 in der Filtermembran 213 frei.
Indem das Substratmaterial selektiv entfernt wird, um die Löcher 224 zu
bilden, bildet das restliche Substratmaterial die Filterhalter.
Die Anzahl und Position der Filterhalter kann je nach Wunsch und
Notwendigkeit variieren.
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In
Schritt 311 in 3, der 2J entspricht, werden
das Filter-Maskenmaterial und das Substrat-Maskenmaterial mit Verfahren
entfernt, die im Fachgebiet der Halbleiter-Herstellung gut bekannt sind.
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In
Schritt 312 in 3, der 2K entspricht,
wird eine Beschichtung 216 auf die Seite der Filtermembran 213 aufgetragen,
die nicht an die Filterhalter angrenzt. Die Beschichtung 216,
auch als Film bezeichnet, kann mit jedem Verfahren aufgetragen werden,
das mit Halbleiter-Herstellung kompatibel ist, wie z. B. elektrochemischem
Auftragen, Ultraschall-Aufsprühen,
Aerosol oder Aufschleudern, die im Fachgebiet der Halbleiterverarbeitung
gut bekannt sind. Vorzugsweise besteht die Beschichtung 216 aus
einem Material, das es Mikroorganismen nicht gestattet, daran zu
haften, und/oder das Mikroorganismen abtötet, die die Beschichtung 216 berühren. Vorzugsweise
besteht die Beschichtung 216 aus Silber. Die Beschichtung 216 kann
eine Dicke im Bereich von 0,05 bis zu mehreren Mikron haben und
ist vorzugsweise 0,1 Mikrometer dick. Vorzugsweise wird die Beschichtung 216 auf
die stromabwärts
gelegene Seite der Filtermembran 213 aufgetragen. Wenn
Fluid durch die Filtermembran 213 strömt, hindert der Druck des Fluids
typischerweise die Mikroorganismen daran, sich gegen den Fluiddruck
stromaufwärts zu
bewegen, um die Fluidquelle zu erreichen. Wenn der Druck des Fluidstroms
jedoch nachlässt,
versuchen die Mikroorganismen möglicherweise
durch Migration oder Diffusion, sich stromaufwärts durch die Filtermembran 213 zu
bewegen. In diesem Fall verhindert oder hemmt die Beschichtung 216 eine
solche Bewegung. Je nach der Anwendung der Filtermembran 213 ist
die Beschichtung fakultativ.
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Mit
den oben beschriebenen Schritten wird vorteilhafterweise ein Antimikrobenfilter 105 produziert,
der klein genug ist, um im Mikrofluid-System 100 verwendet
zu werden. Der Antimikrobenfilter 105 wird mit Hilfe von
Mikro-Materialbearbeitungsverfahren konstruiert, um in das Mikrofluid-System 100 integriert
werden zu können.
Der Antimikrobenfilter 105 hat genau definierte Lochgrößen, die
kosteneffektiv und einfach zu produzieren sind. Der Filter 105 filtert
unerwünschte
Mikoorganismen zuverlässig aus.
In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der Antimikrobenfilter 105 in intravenösen oder
implantierten Miniatur- oder Mikro-Arzneimittelabgabe-Systemen verwendet.
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Die 4-7 zeigen
die Ansichten des Antimikrobenfilters 105 von oben, von
vorne, von rechts bzw. von unten. Die 5 und 6 zeigen die
Beschichtung 216, die auf die Filtermembran 213 aufgetragen
ist, welche auf dem Substrat 211 geformt ist. Die 4 und 7 zeigen
die im Antimikrobenfilter 105 geformten Löcher. 7 zeigt
das Substrat 211, geformt als Filterhalter, welche eine
Wand entlang des Umfangs des Filters 105 und sechs Stützen innerhalb
des Umfangs des Filters 105 umfassen. 4 zeigt
die Filterhalter mit gestrichelten Linien, da sie in dieser Ansicht
verborgen sind.
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Die
Größe und Form
des Antimikrobenfilters 105, wie in 4 und 7 dargestellt,
kann nach Wunsch und nach Eignung für eine bestimmte Anwendung
variieren. Die Form des Antimikrobenfilters 105, wie in
den 4 und 7 dargestellt, kann quadratisch,
rechteckig, rund oder oval sein, eine Form mit einer beliebigen
Anzahl von Seiten sowie jede unregelmäßige Form haben. In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt die Größe des Antimikrobenfilters 105,
wie in den 4 und 7 dargestellt,
in der Größenordnung von
mehreren zehn Mikronen bis zu mehreren Millimetern und beträgt vorzugsweise
1 mm × 1
mm. In der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt die Dicke des Antimikrobenfilters 105, wie
in den Aufrissen 5 und 6 gezeigt,
im Bereich von 0,1 und 50 Mikrometern und beträgt vorzugsweise 3 Mikrometer.
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Als
Nächstes
werden die 8, 9 und 10 zusammen
beschrieben. 8 stellt einen Aufriss einer
Halbleiter-Konstruktion für
den stromaufwärts
gelegenen Kanal 103, den Antimikrobenfilter 105 und
den stromabwärts
gelegenen Kanal 107 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. 9 zeigt
einen Aufriss einer Halbleiter-Konstruktion für die Fluidquelle 101 und
den Antimikrobenfilter 105 gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 10 stellt einen
Aufriss einer Halbleiter-Konstruktion für den Antimikrobenfilter 105 und
die Fluidsenke 109 gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar.
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Allgemein
werden in den 8, 9 und 10 der
stromaufwärts
gelegene Kanal 103, der stromabwärts gelegene Kanal 107,
der Antimikrobenfilter 105, die Fluidquelle 101 und
die Fluidsenke 109 mit Mikro-Materialbearbeitungsverfahren
und Materialien geformt, die mit einer Halbleiter-Konstruktion kompatibel
sind. Vorzugsweise ist die Halbleiter-Konstruktion eben, um zu ermöglichen,
dass der stromaufwärts
gelegene Kanal 103, der stromabwärts gelegene Kanal 107,
der Antimikrobenfilter 105, die Fluidquelle 101 und
die Fluidsenke 109 unter Verwendung bekannter Montageverfahren
und Materialien in einer gestapelten Anordnung zusammengebaut werden
können.
Jede beliebigen einzelnen Elemente können ineinander integriert
sein, falls gewünscht
und für
eine bestimmte Anwendung geeignet. Die Beschichtung 216 auf
dem Antimikrobenfilter 105 ist so angeordnet, dass sie
sich auf der stromabwärts
gelegenen Seite des Antimikrobenfilters 105 befindet, um
zu verhindern, dass sich Mikroorganismen stromaufwärts durch
den Filter 105 bewegen.
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In 8 stellen
der stromaufwärts
gelegene Kanal 103 und der stromabwärts gelegene Kanal 107 einen
Fluidkanal dar, vorzugsweise geformt aus Halbleitermaterial mit
Hilfe von Mikro-Materialbearbeitungstechniken.
Vorzugsweise strömt
das Fluid in die rechte Seite des stromaufwärts gelegenen Kanals 103,
aber es kann alternativ in die linke Seite des stromaufwärts gelegenen
Kanals 103 (wie durch gestrichelte Linien dargestellt)
oder sowohl in die rechte als auch in die linke Seite des stromaufwärts gelegenen
Kanals 103 strömen.
Ebenso kann das Fluid aus der linken Seite des stromabwärts gelegenen
Kanals 107 strömen,
aber es kann alternativ aus der rechten Seite des stromabwärts gelegenen
Kanals 107 (wie durch gestrichelte Linien dargestellt)
oder sowohl aus der linken als auch aus der rechten Seite des stromabwärts gelegenen
Kanals 107 strömen.
Der Antimikrobenfilter 105 ist zwischen dem stromaufwärts gelegenen
Kanal 103 und dem stromabwärts gelegenen Kanal 107 angeordnet.
Das Substrat 211, das den Filterhalter bildet, steht im
Kontakt mit dem stromaufwärts
gelegenen Kanal 103. Die Beschichtung 216 auf
der Filtermembran 213 steht im Kontakt mit dem stromabwärts gelegenen
Kanal 107.
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In 9 steht
die Fluidquelle 101 in direktem Kontakt mit dem Antimikrobenfilter 105,
ohne dass der stromaufwärts
gelegene Kanal 103 zwischen der Fluidquelle 101 und
dem Antimikrobenfilter 105 angebracht ist. In diesem Fall
steht das Substrat 211, das den Filterhalter bildet, in
Kontakt mit der Fluidquelle 101.
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In 10 steht
die Fluidsenke 109 in direktem Kontakt mit dem Antimikrobenfilter 105,
ohne dass der stromabwärts
gelegene Kanal 107 zwischen der Fluidsenke 107 und
dem Antimikrobenfilter 105 angebracht ist. In diesem Fall
steht die Beschichtung 216 in Kontakt mit der Fluidsenke 107.