DE69619400T2

DE69619400T2 - Flacher mikrogefertigter querstromfilter für flüssigkeiten

Info

Publication number: DE69619400T2
Application number: DE69619400T
Authority: DE
Inventors: P Brody; D Osborn
Original assignee: University of Washington
Current assignee: University of Washington
Priority date: 1995-06-16
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2016-06-15
Also published as: US5922210A; US6387290B1; EP0871539A1; WO1997000121A1; DE69619400D1; EP0871539B1

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Mikrofilter, die beispielsweise zum Trennen von Plasma von Gesamtblut verwendbar sind. Analysierbare Mengen von Plasma, d. h. von etwa 1 pl bis einige 100 nl, können von einem Tropfen Gesamtblut innerhalb weniger Sekunden durch Mikrofilter dieser Erfindung getrennt werden.

Hintergrund der Erfindung

Zahlreiche Bluttests müssen an Plasma, ohne daß Zellmaterial vorhanden ist, durchgeführt werden. In dem Standardlaborprotokoll wird reines Plasma durch Zentrifugieren erhalten. Um einen miniaturisierten Blutsensor herzustellen, ist zum Abtrennen von Plasma ein anderes Verfahren als Zentrifugieren erforderlich.
Eine chemische Analyse von biologischen Proben wird durch die Probengröße beschränkt. Ein Abziehen von einigen Millilitern Blut von einem Erwachsenen kann einen geringen Effekt besitzen, wobei jedoch das Wiederholen dieses Verfahrens jede Stunde oder selbst ein Abziehen bzw. Abnehmen dieser Menge auf einmal von einem Kind signifikant die Gesundheit des Subjekts verändern kann. Aus diesen Gründen wäre ein miniaturisiertes Blutanalysesystem nützlich. Weiters könnte, während zahlreiche verfeinerte Tests, welche eine große Bedeutung für kritische Behandlung aufweisen, in großen bzw. Hauptspitalslaboratorien durchgeführt werden können, ein wesentlicher Effekt auf die Praxis der Notfallmedizin erreicht werden, wenn einige Schlüsseltests an dem Patienten an dem Ort eines Unfalls bzw. einer Verletzung durchgeführt werden könnten.
Mikrohergestellte Fluidfilter existieren in der Literatur; doch fehlen diesen Mikrofiltern die Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Kittisland, G., und Stemme, G. (1990), "A Sub-micron Particle Filter in Silicon", Sensors and Actuators, A21- A23: 904-907; und Stemme, G. und Kittisland, G. (1988), "New fluid filter structure in silicon fabricated using a selfaligning technique", Appl. Phys. Lett. 53: 1566-1568, beschreiben Mikrofilter, die unter Verwendung eines Siliziumwafers hergestellt sind und fähig sind, Teilchen bis zu 50 nm herauszufiltrieren. Dieses Filterdesign kann nicht in die Oberfläche eines Siliziumwafers geätzt werden. Weiters bewirkt, obwohl diese Filter für Gase gut geeignet scheinen, die Oberflächenspannung Probleme, wenn Flüssigkeiten gefiltert werden. Gravesen, P., et al. (1993), "Microfluidics - a review", J. Micromech. Microeng. 3: 168-182.
Wilding, P., et al. (1994), "Manipulation ond Flow of Biological Fluids in Straight Channels Micromachined in Silicon", Clin. Chem. 40: 43-47, offenbart Mikrofilter, die zum Trennen von Blutzellen von Plasma nützlich bzw. verwendbar sind, welche in Siliziumwafern unter Verwendung eines fotolithografischen Verfahrens geätzt sind. Diese Filterdesigns erlauben keinen tangentialen oder querverlaufenden Fluß bzw. Strom des Zufuhrmaterials über die Barriere überwunden hat, welche ein engerer Kanal oder Barrierepfosten sein kann, um die Barriere von Teilchen zu befreien. Weiters muß in allen Fällen ein Druck auf das System angewandt werden, um analysierbare Mengen von Plasma zu erhalten. Da die Minimumdimension bzw. -abmessung dieser Filter durch ein fotolithografisches Verfahren bestimmt ist, haben sie einen Grenzwert von etwa 1 um. Das fotolithografische Verfahren ist gegenüber Defekten empfindlicher und erfordert engere Grenzen bzw. Beschränkungen beim Herstellen als ein Verfahren, welches sich auf der Ätzzeit beruht, um die Größe der Kanäle zu bestimmen, wie dies hier verwendet wird.
Wilding, P., et al., U.S.-Patent 5,304,487, ausgegeben bzw. erteilt am 19. April 1994, offenbart analytische Vorrichtungen für Fluidhandhabung im Mesomaßstab, umfassend Flußkanäle und Fluidhandhabungsbereiche, die in Siliziumwafern mikrobearbeitet sind. Wiederum sind keine Mikrofilter geoffenbart, die tangentiale Strömungs- bzw. Flußfähigkeiten aufweisen, um zu helfen, daß die Barriere frei von Teilchen bleibt.
Raehse, W., et al., U.S.-Patent Nr. 4,751,003, ausgegeben am 14. Juni 1988, offenbart ein Mikrofilter, das ein Querstromprinzip verwendet, das Polysulfonrohre mit einem Mikroporen-Durchmesser von 0,3 bis 0,5 um aufweist, die in einer zylindrischen Konfiguration angeordnet sind. Ehrfeld, W., et al., U.S.-Patent Nr. 4,797,211, erteilt am 31. Jänner 1989, offenbart ein Querstrom-Mikrofilter, umfassend eine mikroporöse Membran, die schlitzförmige Querschnitte aufweist. Solomon, H., et al., U.S.-Patent Nr. 4,212,742, ausgegeben am 15. Juli 1980, offenbart eine Filtrationsvorrichtung zum Trennen von Blutzellen von Flüssigkeiten unter Verwendung von Querstromprinzipien, umfassend mehrere Schichten und Membranfilter.
Ehrsam, C. et al., U.S.-Patent Nr. 4,801,379, ausgegeben am 10. Jänner 1989, offenbart ein Mikrofilter, das aus einer Folie gefertigt ist, die Poren, die in Ausstülpungen bzw. Vorsprüngen auf der Folie eingestellt bzw. vorgesehen sind, aufweist, um bei der Vorbeugung gegen Verklumpen zu helfen. Hillman, R., U.S.-Patent 4,753,776, ausgegeben am 28. Juni 1988, offenbart ein Mikrofilter, das für ein Trennen von Plasma von roten Blutkörperchen verwendbar ist, umfassend Glasfasern unter Verwendung von Kapillarwirkung, um einen Fluß zu fördern.
Shoji, S., und Esashi, M. (1994), "Microflow devices and systems", J. Micromechanics and Microengineering 4: 157-171, stellen einen allgemeinen Überblick über Mikroventile, Mikropumpen, Mikroflußsensoren und integrierte Flußsysteme zur Verfügung.
Keine der vorgenannten Referenzen bzw. Literaturstellen offenbart oder legt das Mikrofilterdesign, das hier geoffenbart ist, nahe, welches einen tangentialen Fluß, Einfachheit und Steuerung bzw. Regelung der Herstellung und eine Minimierung von Oberflächenspannungsproblemen zur Verfügung stellt.
Alle hier genannten Patente und Publikationen sind als Bezug in ihrer Gesamtheit mitumfaßt.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Erfindung stellt ein Mikrofilter zur Verfügung, das zur Behandlung einer Zufuhrflüssigkeit verwendbar bzw. nützlich ist, um Flüssigkeit von darin enthaltenen Partikeln bzw. Teilchen zu trennen, umfassend ein horizontales Substrat und eine Abdeckung, welche die Oberfläche des horizontalen Substrats abdeckt, wobei die folgenden Elemente in der Oberfläche des horizontalen Substrats ausgebildet sind:
a) ein Zufuhreinlaß;
b) ein Zufuhrauslaß;
c) ein Zufuhrströmungskanal, welcher eine Minimumabmessung bzw. minimale Abmessung aufweist, welche ausreichend ist, um einen Fluß bzw. eine Strömung der Teilchen und der Flüssigkeit dadurch zu erlauben, welcher zwischen und in Fluidverbindung mit dem Fluideinlaß und dem Fluidauslaß angeordnet ist;
d) ein Filtratsammelkanal parallel zu dem Zufuhrströmungskanal;
e) ein Barriere- bzw. Sperrkanal parallel zu, zwischen und in Fluidverbindung mit dem Zufuhrströmungskanal und dem Filtratsammelkanal; wobei die minimale Tiefe des Barrierekanals relativ zu der Abdeckung ausreichend gering ist, um eine Strömung bzw. einen Fluß der Flüssigkeit dadurch zu erlauben, jedoch nicht der Teilchen; und
f) einen Filtratauslaß bzw. -austritt in Fluidverbindung mit dem Filtratsammelkanal.
Vorzugsweise umfaßt das Mikrofilter auch einen Filtratauslaßkanal, welcher den Filtratsammelkanal und den Filterauslaß verbindet.
Verfahren zur Herstellung und Verwendung der Mikrofilter dieser Erfindung werden auch zur Verfügung gestellt.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Filterdesigns dieser Erfindung (nicht maßstabsgetreu).
Fig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1, der den Zufuhrströmungskanal, Barrierekanal und Filtratsammelkanal eines Mikrofilters dieser Erfindung zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausbildungen

Fig. 1 zeigt ein Mikrofilter dieser Erfindung, umfassend einen Zufuhreinlaß 1, der als eine rechteckige Öffnung gezeichnet bzw. dargestellt ist, einen Zufuhrauslaß 2, der als eine rechteckige Öffnung gezeichnet bzw. angedeutet ist, einen Filtratausgang 3, der als eine rechteckige Öffnung gezeichnet ist, einen Zufuhrströmungskanal 4, der den Zufuhreinlaß 1 und den Zufuhrauslaß 2 verbindet, einen Sperr- bzw. Barrierekanal 5, der zwischen dem Zufuhrströmungskanal 4 und dem Filtratsammelkanal 6 angeordnet ist, und einen Filtratauslaßkanal 7, der den Barrierekanal 5 mit dem Filtratauslaß bzw. -ausgang 3 verbindet.
Zufuhrflüssigkeit, enthaltend Teilchen, tritt an dem Zufuhreinlaß 1 an der oberen, rechten Seite ein und fließt bzw. strömt zu dem Zufuhrauslaß 2 an der oberen, linken Seite. Etwas von dem teilchenfreiem Fluid wird über den Barrierekanal 5 in den Filtratsammelkanal 6 gedrückt und von dort nach unten und zu dem Filtrataustritt 3 durch den Filtratauslaßkanal 7. Indem der Druckabfall zwischen dem Zufuhreinlaß 1 und dem Filtratauslaß bzw. -austritt 3 gesteuert bzw. geregelt wird, ist es möglich, zu steuern bzw. zu regeln, wie schnell und wieviel Filtrat abgezogen bzw. ausgetragen wird. Scherkräfte in dem Zufuhrströmungskanal 4 wirken, um ein Verklumpen des Barrierekanals 5 durch Teilchen zu verhindern.
Fig. 2 ist ein Querschnitt (nicht maßstabsgetreu), der entlang der Linie 2-2 von Fig. 1 gezogen ist, der den Zufuhrströmungskanal 4, den Barrierekanal 5 und den Filtratsammelkanal 6 ebenso wie ein Substrat 11 und eine Abdeckung bzw. einen Deckel 10 zeigt. Die Kanäle in dem Siliziumsubstrat sind unter Verwendung eines anisotropen Ätzmittels geätzt, um charakteristische, V-förmige Nuten bzw. Vertiefungen zu ergeben. Die Ecken zwischen dem Zufuhrströmungskanal 4 und dem Zufuhreinlaß 1, zwischen dem Zufuhrströmungskanal 4 und dem Zufuhrauslaß 2 und zwischen dem Filtratsammelkanal 6 und dem Filtrataustritt 3 sind tatsächlich nicht so scharf wie gezeigt, was in einer Vergrößerung des Querschnitts der Kanäle an deren Kreuzungspunkt bzw. Zusammentreffen mit den Einlässen und Auslässen resultiert, was beim Verhindern eines Blockierens durch Oberflächenspannung in Abwesenheit von Unterdrucksetzen des Systems kritisch ist. Der Barrierekanal wird in einem unterschiedlichen Schritt von den Strömungs- bzw. Flußkanälen geätzt und kann irgendwo von 0,010 um bis zu einigen Mikrometern tief sein. Der Deckel bzw. die Abdeckung ist vorzugsweise Pyrexglas, das an dem Substrat durch anodisches Bonden bzw. Verbinden, wie dies in der Technik bekannt ist, festgelegt ist. In der Praxis kann die Abdeckung eine Tendenz besitzen, sich zu verbiegen, und kann dazu tendieren, Kanäle, wie den Barrierekanal 5, welcher weniger als 1 um tief sein kann, zu verschließen. Um dieses Problem zu lösen, können Abstandhalter in dem Barrierekanal ausgebildet sein, indem der Kanal geätzt wird, um nicht-geätzte Brücken über ihm zurückzulassen. Vorzugsweise sind Abstandhalter etwa 10 um lang und in 30 um Intervallen über die Breite des Barrierekanals 5 angeordnet.
Der Ausdruck "Mikrofilter" bedeutet ein Filter, das fähig ist, Fluid von Teilchen in einer Größe (mittlerer Durchmesser) von bis zu 0,1 um oder kleiner abzutrennen. Daher kann der Barrierekanal eine Tiefe kleiner als 0,1 um aufweisen, d. h. wenigstens ausreichend klein, daß 0,1 um Teilchen nicht fähig sind, durchzufließen. In einer weiteren Ausbildung weist der Barrierekanal eine Tiefe von etwa 0,01 um auf, so daß Teilchen bis zu nahe 0,010 um in der Größe nicht in der Lage sind, durchzufließen. Die Durchflußkanäle haben vorzugsweise Tiefen von 0,1 um bis etwa 300 um, und Breiten von etwa 0,1 um bis etwa 500 um, obwohl sie breiter sein können, falls dies gewünscht ist. Die Mikrofilter dieser Erfindung sind ausgebildet, um kleine Mengen, d. h. weniger als etwa 10 ul, und vorzugsweise etwa 1 ul (weniger als ein Tropfen) Zufuhrflüssigkeit handzuhaben, und sind fähig, Filtrat in analysierbaren Mengen, wie Pikoliter- und Nanolitermengen, z. B. zwischen etwa 1 pl und etwa 500 nl, zur Verfügung zu stellen, wenn 1 ul Zufuhrflüssigkeit verwendet wird.
Die Zufuhrflüssigkeit kann jede Flüssigkeit sein, enthaltend Teilchen, die zu groß sind, um durch don Barrierekanal zu fließen. Vorzugsweise ist die Zufuhrflüssigkeit Blut, die abzutrennende Flüssigkeit ist Plasma und die Teilchen sind Blutkörperchen. Rote Blutkörperchen sind scheibenförmig, etwa 2 um dick und etwa 8 um im Durchmesser. Weiße Blutkörperchen sind unregelmäßig geformt und im Durchschnitt etwa 15 um im Durchmesser. Zellfreies Plasma wird am Filtratauslaß hergestellt. Vorzugsweise ist die Flüssigkeit eine polare Flüssigkeit, bevorzugter eine wäßrige Flüssigkeit. Das Mikrofilter kann zur Verwendung mit polaren oder nicht-polaren Flüssigkeiten ausgebildet sein. Die Oberflächen des Mikrofilters sollten wie im Stand der Technik behandelt werden, um sie hydrophil oder hydrophob zu machen, so daß sie gut durch die verwendete Art der Zufuhrflüssigkeit benetzt werden.
Die Mikrofilter dieser Erfindung sind fähig, eine analysierbare Menge an Flüssigkeit von einer Zufuhrflüssigkeit, enthaltend Teilchen, welche zu groß sind, um durch den Barrierekanal hindurchzutreten, abzutrennen. Es ist nicht notwendig, daß die Mikrofilter dieser Erfindung fähig sind, sämtliche, insgesamt in der Zufuhrflüssigkeit vorhandenen Teilchen abzutrennen, sondern nur daß eine ausreichende Menge an Filtrat frei von größeren Teilchen von dem Filtratauslaß des Mikrofilters ausgetragen wird, um eine Analyse davon zu ermöglichen. Der gewünschte Ausstoß bzw. Austrag des Mikrofilters dieser Erfindung ist eine Menge an Flüssigkeit, von welcher Teilchen entfernt wurden, statt der Teilchen selbst, oder die vollständige Menge an Zufuhrflüssigkeit.
Der Zufuhreinlaß 1 kann jede Größe und Form aufweisen, die fähig ist, ausreichend Zufuhrflüssigkeit zu empfangen, um eine analysierbare Menge an Filtratflüssigkeit zur Verfügung zu stellen. Der Zufuhreinlaß kann eine Zufuhreinlaßöffnung sein, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, die in das horizontale Substrat, wie in Fig. 1 gezeigt ist, geätzt ist; jedoch kann der Zufuhreinlaß Teil einer anderen, verbundenen Vorrichtung sein, die für das vorhergehende Handhaben der Zufuhrflüssigkeit verwendet wurde, z. B. Erhitzen, Trennen, Mischen usw. Vorzugsweise ist der Zufuhreinlaß ein rechteckig geformter Hohlraum, der vollständig durch den Siliziumwafer bzw. die Siliziumscheibe der bevorzugten Ausbildung etwa 1 mm · 1 mm geätzt ist, der im wesentlichen dieselbe Tiefe wie der Zufuhrströmungskanal aufweist. Verbindungen mit anderen Vorrichtungen werden dann von der Rückseite des Wafers aus gebildet. Aufgrund des Ätzverfahrens, das in der bevorzugten Ausbildung verwendet wird, in welcher das Ätzmittel die {100}-Ebenen des Siliziumsubstrats angreift, verwendet wird, wird der Zufuhreinlaß 1 des Mikrofilters von Fig. 1 Seiten aufweisen, die unter einem Winkel von etwa 55º geneigt sind.
Der Zufuhrauslaß 2 kann in analoger Weise von jeder Größe und Form sein, die für ein Sammeln von Zufuhrflüssigkeit, aus welcher einige oder keine der Teilchen und einiges der Flüssigkeit entfernt wurde, geeignet ist, und kann Teil einer zusammenhängenden bzw. angeschlossenen Vorrichtung sein, die für ein weiteres Handhaben oder Ausbringen der Zufuhrflüssigkeit verwendet wird. Der Zufuhrauslaß 2 kann eine Zufuhrauslaßöffnung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, in derselben Größe und Form wie der Zufuhreinlaß 1 sein.
Der Zufuhrströmungskanal 4, der den Zufuhreinlaß 1 und den Zufuhrauslaß 2 verbindet, sollte eine kleinste Abmessung aufweisen, die ausreichend breit ist, um die Teilchen in der Zufuhrflüssigkeit aufzunehmen, wie sie von dem Zufuhreinlaß 1 zu dem Zufuhrauslaß 2 über den Barrierekanal 5 fließt, und eine Strömungs- bzw. Flußgeschwindigkeit unter dem Einfluß einer Kapillarwirkung zur Verfügung stellen, die ausreichend ist, um eine Reynolds-Zahl kleiner als jene zur Verfügung zu stellen, bei welcher Trägheits- bzw. Inerteffekte negierbar bzw. vernachlässigbar sind, wie dies später vollständiger diskutiert werden wird. In einer bevorzugten Ausbildung desselben weist der Zufuhrströmungskanal 4 eine Breite von etwa 50 bis etwa 200 um, eine Tiefe von etwa 50 bis etwa 200 um auf und ist im wesentlichen V- förmig. Jedoch kann der Zufuhrströmungskanal so breit und tief, wie gewünscht, sein.
Ein Filtratsammelkanal 6 verläuft allgemein parallel zu dem Zufuhrströmungskanal 4. Der Filtratsammelkanal 6 ist vorzugsweise so lang wie möglich, um den Durchsatz zu maximieren, und gemeinsam mit dem Filtratauslaßkanal 7 sollte er ein Volumen aufweisen, das groß genug ist, um eine analysierbare Menge des Filtrats zu sammeln. Vorzugsweise ist der Filtratsammelkanal 6 einige Millimeter lang, z. B. etwa 3 bis 5 mm, und hat dieselbe Tiefe, Breite und Form wie der Zufuhrströmungskanal 4, obwohl er ein weites Becken oder Reservoir sein kann. Er kann jede Form aufweisen, die fähig ist, das gesammelte Filtrat zu halten.
Der Zufuhrströmungskanal 4 und der Filtratsammelkanal 6 sind voneinander durch einen Barrierekanal 5 getrennt, der eine kleinere Mindest- bzw. Minimumabmessung als der Zufuhrströmungskanal 4 aufweist, so daß Flüssigkeit von dem Zufuhrströmungskanal 4 durchtreten und in den Barrierekanal 5 und von hier in den Filtratsammelkanal 6 fließen kann, jedoch die Teilchen, die von der Zufuhrflüssigkeit zu trennen sind, in dem Zufuhrströmungskanal 4 verbleiben. Der Barrierekanal 5 ist von einer ausreichenden Länge, um einen Fluß von ausreichend Flüssigkeit für eine Analyse von dem Zufuhrströmungskanal 4 selbst in der Abwesenheit eines Unterdrucksetzens des Systems zur Verfügung zu stellen. Vorzugsweise hat der Barrierekanal dieselbe Länge wie der Filtratsammelkanal 6. In einer bevorzugten Ausbildung ist der Barrierekanal 5 etwa von derselben Breite wie der Zufuhrströmungskanal 4, obwohl er breiter sein kann, um eine größere Einfachheit bei der Fabrikation, die mit einer Erleichterung des Durchsatzes zusammenhängt, zur Verfügung zu stellen. Der Barrierekanal 5 kann eine Tiefe von weniger als etwa 0,1 um bis zu etwa 0,010 um aufweisen und hat vorzugsweise eine Tiefe von etwa 0,5 um oder weniger. Dies wird ausschließen, daß Blutzellen bzw. Blutkörperchen, die eine Maximalabmessung von etwa 8 um oder größer besitzen, durch den Barrierekanal hindurchtreten. Der Barrierekanal 5 ist allgemein zu seicht, um das im wesentlichen V-förmige Profil der Durchflußkanäle zu besitzen.
Wo kein Außendruck vorhanden ist, sollte die Oberflächenspannung des Fluids alleine ausreichend sein, um eine Anfangsbenetzung der Vorrichtung zur Verfügung zu stellen. Diese Anfangsbenetzung stellt einen gewissen Fluß über den Barrierekanal 5 und somit etwas von teilchenfreiem Fluid in dem Filtratsammelkanal 6 zur Verfügung. Um ein Blockieren durch Oberflächenspannung zu verhindern, ist es wichtig, für zunehmendes Änderungen in der Krümmung der Fluid/Luft- Zwischenfläche zu sorgen. Wenn hier eine abrupte Änderung in dem Durchmesser eines Kanals vorliegt (von eng zu weit), wird Fluid nicht nur durch die Kapillarwirkung allein hindurchfließen; wenn jedoch die Durchmesseränderung stufenweise bzw. schrittweise ist, wird die Kapillarwirkung einen ausreichenden Fluidfluß bzw. -strom durch das Filter zur Verfügung stellen, um analysierbare Mengen von Filtrat zu produzieren. Das Ätzverfahren dieser Erfindung stellt ein schrittweises bzw. graduelles Aufweiten des Zufuhrströmungskanals 4 zur Verfügung, wo dieser mit dem Zufuhreinlaß 1 verbunden ist, um ein Blockieren durch Oberflächenspannung zu verhindern, und stellt eine stufenweise bzw. zunehmende Aufweitung des Filtratauslaßkanals 7, wo er mit dem Filtratauslaß 3 verbunden ist, zur Verfügung, um einen Blockieren aufgrund von Oberflächenspannung zu verhindern.
Die Anordnung des Barrierekanals 5 in bezug auf den Zufuhrströmungskanal 4 stellt einen tangentialen Strom der Zufuhrflüssigkeit über den Barrierekanal hinaus zur Verfügung, was dazu tendiert, ein Verklumpen des Barrierekanals zu verhindern, da die Teilchen in den Fluß des Zufuhrmaterials zu dem Zufuhrauslaß geschwemmt werden.
Der Filtratsammelkanal 6 ist vorzugsweise von derselben Länge wie der Barrierekanal 5 und steht in Fluidwechselwirkung bzw. -verbindung mit diesem über seine gesamte Länge, um einen maximalen Fluß von Filtratflüssigkeit zu dem Filtrataustritt 3 zur Verfügung zu stellen.
Der Filtrataustritt bzw. -auslaß 3 hat ein ausreichendes Volumen, um eine analysierbare Menge von Filtrat, wie oben diskutiert, aufzunehmen. Wiederum kann der Filtrataustritt 3 Teil einer zusammenhängenden bzw. angeschlossenen Vorrichtung sein, wie einer Vorrichtung zum Durchführen einer Trennung, Erhitzung, Mischung oder einer analytischen Stufe, wie dies beispielsweise in Wilding et al., U.S.-Patent Nr. 5,304,487 beschrieben ist. Vorzugsweise ist der Filtrataustritt 3 eine Filtrataustrittsöffnung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, mit derselben Größe und Form wie der Zufuhreinlaß 1.
Der Filtrataustritt 3 steht in Fluidwechselwirkung mit dem Filtratauslaßkanal 7, vorzugsweise mit Mitteln oder Einrichtungen, um einen freien Fluß von Filtrat in dem Filtrataustritt 3 in Abwesenheit von Unterdrucksetzung des Systems zu ermöglichen. Mit anderen Worten muß die Oberflächenspannung des Filtrats, das in den Filtrataustritt 3 fließt, fähig sein, den Druck, der durch die Kapillarwirkung allein ausgeübt wird, zu überwinden. Das Filtrat kann von dem Filtratsammelkanal 6 mit jedem in der Technik bekannten Mittel entfernt werden. Der Filtratsammelkanal 6 kann den Filtrataustrittspunkt umfassen. Vorzugsweise ist der Filtrataustritt 3 mit dem Filtratsammelkanal 6 durch einen Filtratauslaßkanal 7 verbunden, der eine Gestalt bzw. Form besitzt, welche einen freien Fluß des Filtrats dadurch gegen die durch die Oberflächenspannung ausgeübte Kraft ermöglicht, z. B. zunehmende bzw. graduelle Änderungen in der Krümmung statt scharfen Kanten. Wie dies noch genauer nachfolgend diskutiert werden wird, resultiert das Ätzverfahren, das verwendet wird, um die im wesentlichen V-förmigen Kanäle dieser Erfindung auszubilden, in einem graduellen Aufweiten der Kanäle, das ausreichend ist, um die Kraft der Oberflächenspannung, wie oben diskutiert, zu überwinden.
Das Mikrofilter dieser Erfindung ist fähig, auf einem Substrat mit Mikrofabrikationstechniken, die in der Technik bekannt sind, ausgebildet zu werden, vorzugsweise durch Ätzen der flachen Oberfläche eines Siliziumwafers und Schneiden, um eine Vorrichtung mit etwa 1 cm · 1 cm und etwa 300 um Dicke auszubilden. Vorzugsweise sind dies {100}-Wafer (n-Typ oder p-Typ), die wenigstens etwa 100 bis etwa 500 nm Siliziumdioxid auf der Oberfläche aufgebracht aufweisen.
Die Länge der Kanäle liegt zwischen etwa 1 um und mehreren Millimetern und die Tiefe irgendwo von etwa 0,010 um bis zu der Dicke des Wafers, z. B. etwa 300 um. Die Breite kann von etwa 0,1 um bis etwa 500 um betragen.
Das Mikrofilter dieser Erfindung wird durch den Zusatz eines Deckels bzw. einer Abdeckung vervollständigt, der (die) über der Oberfläche des Substrats angeordnet ist, die angehobenen Bereiche berührt und eine obere Oberfläche zum Umgeben bzw. Umschließen der Kanäle und Öffnungen zur Verfügung stellt. Vorzugsweise ist dieser Deckel transparent und noch bevorzugter ist Glas an die Oberfläche des Substrats gebunden.
Mittel zum Aufbringen von Druck auf den Fluß der Zuführflüssigkeit durch die Vorrichtung können auch zur Verfügung gestellt werden. Derartige Mittel können an dem Zufuhreinlaß, dem Filtratausgang (als Vakuum) oder beiden zur Verfügung gestellt sein. Mittel zum Aufbringen eines derartigen Drucks sind in der Technik bekannt, wie sie beispielsweise in Shoji, S. und Esashi, M. (1994), "Microflow devices and systems", J. Micromechanics and Microengineering, 4: 157- 171, beschrieben sind, und umfassen die Verwendung einer Wassersäule oder anderer Mittel zum Aufbringen bzw. Anwenden von Wasserdruck, elektroendoosmotische Kräfte, optische Kräfte, Gravitationskräfte und Oberflächenspannungskräfte. Drücke von 0,00689 Pa [10&supmin;&sup6; psi] bis etwa 68947 Pa [10 psi] können in Abhängigkeit von den Erfordernissen des Systems verwendet werden. Vorzugsweise werden etwa 6,8947 Pa [10&supmin;³ psi] verwendet, wenn Druck erforderlich ist.
Wenn es gewünscht ist, die Mikrofilter dieser Erfindung wiederzuverwenden, können Mittel zum Bereitstellen eines Rückflusses von Fluid über den Barrierekanal 5 zur Verfügung gestellt werden, um die Teilchen davon zu entfernen. Ein Unterdrucksetzen des Filtrataustritts 3 auf etwa die Hälfte des Drucks, der von dem Filtrateinlaß 1 aufgebracht wird, stellt allgemein einen ausreichenden Rückfluß zur Verfügung, um die Vorrichtung zu reinigen.
In einer bevorzugten Ausbildung dieser Erfindung können Mikrofilter dieser Erfindung hydrophile Oberflächen aufweisen, um den Fluß einer Flüssigkeit darin zu erleichtern und eine Arbeitsweise der Vorrichtung ohne die Notwendigkeit eines Unterdrucksetzens zu ermöglichen. Das Substrat kann durch in der Technik bekannte Mittel nach der Herstellung der Kanäle behandelt werden, um sie hydrophil zu machen. Die Abdeckung ist vorzugsweise auch behandelt, um sie hydrophil zu machen.
Das bevorzugte Verfahren zur Herstellung von Mikrofiltern dieser Erfindung umfaßt:
a) Bereitstellen eines {100}-Siliziumwafers;
b) Ätzen eines Zufuhrströmungskanals und eines Filtratsammelkanals in dem Siliziumwafer von Schritt a) mit einem Ätzmittel, das fähig ist, die {100}-Ebenen dieses Siliziumwafers anzugreifen, um im wesentlichen V-förmige Kanäle auszubilden; und
c) Ätzen eines Barrierekanals in den Siliziumwafer.
Ein {100}-Siliziumwafer ist einer, in welchem die Hauptoberflächen im wesentlichen {100}-Ebenen sind, obwohl manchmal die Ausrichtung in diesen kommerziell erhältlichen Wafern nicht präzise ist. Das Ätzen wird vorzugsweise mit EPW-F-Ätzmittel, wie in Reisman, A., et al. (1979), J. Electrochem. Soc. 126: 1406-1415, beschrieben, oder einem anderen Ätzmittel durchgeführt, das fähig ist, im wesentlichen V-förmige Kanäle auszubilden, wie z. B. Kaliumhydroxid in einer Mischung aus Wasser und Isopropylalkohol. Vorzugsweise wird das Ätzen in drei Stufen ausgeführt, die zeitlich so abgestimmt sind, um die erforderliche Tiefe für die Kanäle und Öffnungen zur Verfügung zu stellen. In der Ausbildung von Fig. 1 sind die Einlaß- und Auslaßöffnungen vorzugsweise in einer ersten Stufe geätzt, Strömungs- bzw. Flußkanäle sind vorzugsweise in einer zweiten Stufe geätzt und der Barrierekanal, welcher der seichteste ist, wird vorzugsweise in einer dritten Stufe geätzt. Wie dies durch Fachleute verstanden werden wird, werden die zuvor geätzten Strukturen während nachfolgender Ätzschritte vertieft.
Ein Deckel, vorzugsweise ein Glasblatt, wird dann an das geätzte Substrat gebunden, um den Einschluß der Öffnungen und Kanäle zu vervollständigen. In einer bevorzugten Ausbildung werden das Substrat und der Deckel zuerst behandelt, um sie hydrophil zu machen.
In der Verwendung wird eine Flüssigkeit, vorzugsweise 1 ul Blut, in den Zufuhreinlaß 1 injiziert. Die Flüssigkeit bewegt sich durch das Filter durch Kapillarwirkung und einige Pikoliter Filtrat werden an dem Filtrataustritt 3 zur Analyse gesammelt.
Mittel zum Injizieren von Zufuhrflüssigkeit in die Vorrichtung sind zur Verfügung gestellt, wenn das Mikrofilter dieser. Erfindung als Teil eines analytischen Systems verwendet wird. Derartige Mittel umfassen Standardspritzen und -rohre. Mittel zum Entfernen von Fluid aus dem Filtrataustritt 3 können ebenfalls zur Verfügung gestellt werden, umfassend Aufnahmegefäße für das Fluid, indem ein Fluß bzw. eine Strömung durch Kapillarwirkung, Druck, Schwerkraft und andere Mittel, die in der Technik bekannt sind, wie sie oben beschrieben sind, eingesetzt werden. Derartige Aufnahmegefäße können Teil einer analytischen oder anderen Vorrichtung sein, um das Filtrat weiter zu behandeln.
Eine Analyse des Filtrats kann mittels optischer Mittel, die in der Technik bekannt sind, wie Absorptionsspektroskopie oder Fluoreszenz, durch chemische oder immunologische Mittel oder durch andere in der Technik bekannte Mittel durchgeführt werden, um die Anwesenheit eines Analyten, wie eines Virus, DNA-Sequenz, Antigens, Mikroorganismus oder anderen Faktors, zu detektieren.
Das Herstellungsverfahren dieser Erfindung minimiert die Anzahl von Maskierungsschritten und Wafer/Wafer- oder Wafer/Glas-Verbindungsschritten. Bei der Herstellung der Mikrofilter dieser Erfindung wird eine Größenskalierung ebenfalls in Betracht gezogen. Fluiddynamisches Verhalten ist direkt in Beziehung mit der Reynolds-Zahl des Flusses bzw. der Strömung. In Mikrovorrichtungen variiert, wenn die Geschwindigkeit mit der Kanallänge absinkt (wo angenommen wird, daß die Vorrichtung in einer feststehenden Zeit in allen Maßstäben bzw. Größen arbeitet), die Reynolds-Zahl im Verhältnis zu dem Quadrat der Länge. Da die Vorrichtungen miniaturisiert werden, wird die Reynolds-Zahl in unvermeidbarer Weise reduziert.
Die Reynolds-Zahl ist das Verhältnis der Trägheits- bzw. Inertkräfte zu den Viskositätskräften. Wenn die Reynolds- Zahl reduziert ist, hängen Flußmuster mehr von viskosen Effekten und weniger von Inerteffekten ab. Unter einer bestimmten Reynolds-Zahl, z. B. 0,1 (basierend auf der Lumengröße für ein System von Kanälen mit Krümmungen und Änderungen in der Lumengröße), können die Inerteffekte im wesentlichen ignoriert bzw. vernachlässigt werden. Die Mikrofluidvorrichtungen dieser Erfindung erfordern keinerlei Inertkräfte, um ihre Aufgaben zu erfüllen, und haben daher kein inhärentes Limit aufgrund von Reynolds-Zahl-Effekten betreffend ihre Miniaturisierung. Die Filterdesigns der Anmelder arbeiten, obwohl sie von den zuvor beschriebenen Designs signifikant unterschiedlich sind, in diesem Bereich.
Die Vorrichtungen der bevorzugten Ausbildung dieser Erfindung stellen einige hundert Pikoliter Plasma während einiger Sekunden zur Verfügung. Sie können auch wiederverwendet werden. Ein Verklumpen ist minimiert und reversibel. Die Größen und Geschwindigkeiten (100 um Breite und 100 um/s) zeigen eine Reynolds-Zahl (Rc = plv/η) von etwa 10&supmin;² an, so daß das Fluid in einem Bereich liegt, wo die Viskosität über die Inertkraft bzw. Trägheit dominiert.
Die Größenordnung des Druckabfalls, der erforderlich ist, um eine mittlere Geschwindigkeit v eines Fluids mit einer Absolutviskosität η und einer Dichte p durch einen kreisförmigen Kanal (Länge 1, Durchmesser d) zu erhalten, kann aus Poiseuille's Gesetz (Batchelor, G.K., An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge Univ. Press 1967)
P/l = 32ηv/d²
berechnet werden. Unter Verwendung von v = 100 um/s und d = 100 um erhalten wir einen Druckabfall äquivalent zu etwa 0,3 mm H&sub2;O/cm Kanallänge. Da die Poiseuille'sche Gleichung streng genommen nur für kreisförmige Durchflußkanäle gültig ist und die Kanäle dieser Erfindung im wesentlichen V-förmige Vertiefungen bzw. Rillen sind, kann sie nur als eine ungefähre Relation zwischen den dargestellten Variablen betrachtet werden.
Wenn eine Flüssigkeit in eine Vorrichtung eingebracht wird, besteht zuerst ein effektiver Druck Peff = P&sub0; + Pst gleich der Summe des aufgebrachten bzw. angewandten Drucks P&sub0; und eines Drucks aufgrund der Oberflächenspannung
Pst = γcosθ/r
Pst ist eine Funktion der Oberflächenspannung des Fluids γ, des Kontaktwinkels des Fluids mit der Oberfläche θ und des Krümmungsradius der Fluidoberfläche r.
Für hydrophile Oberflächen ist cosθ nahezu 1 und für kleine Kanäle ist kein aufgebrachter Druck erforderlich, um die Vorrichtung zu benetzen. Dies wird als "Benetzen durch Kapillarwirkung" bezeichnet. Wenn die Vorrichtung einmal vollständig benetzt ist, muß jedoch auf die Oberflächenspannung am Austrittsbereich geachtet werden. In der in dem Beispiel hier beschriebenen Vorrichtung war der Krümmungsradius des Fluids in dem Austrittsbereich einige Millimeter, so daß der Druck aufgrund der Oberflächenspannung vernachlässigbar war.
Mit einer Kanalbreite bzw. -weite von 100 um ist Pst etwa 1 cm H&sub2;O, so daß die Oberflächenspannung an dem Austrittskanal signifikant ist. Wenn jedoch ein Ätzmittel, wie EPW-F- Ätzmittel, wie unten beschrieben, verwendet wird, welches die {100}-Ebenen von Silizium angreift, bedeutet dies, daß die Ecken, wenn sie geätzt sind, nicht so scharf sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Dies resultiert in einer graduellen bzw. zunehmenden Aufweitung des Kanals auf etwa 1 mm, was den Effekt der Oberflächenspannung reduziert.
Dieser Effekt tritt auch in dem Barrierebereich auf. Unter Verwendung eines Ätzmittels, welches ein vertikales (90º) Profil anstelle der 55º-Charakteristik der {100}-Ebenen von Silizium ergibt, würde dies einen Druck so groß wie 1 atm benötigen, um die Oberflächenspannung in einem 0,1 um Spalt zu überwinden.
Da dieses Filterdesign selbsttragend bzw. -saugend ist, kann es auf zwei Arten betrieben werden. In einem "Ein- Schuß-Modus" kontaktiert ein Tropfen (1 ul) Blut die Eintragsöffnung. Das Blut wird den Kanal hinuntergezogen und Plasma wird durch das Filter ohne einen angewandten bzw. angelegten Druck abgezogen. Dies stellt einige Nanoliter Plasma innerhalb von einigen Sekunden zur Verfügung. Sobald das Fluid die Vorrichtung füllt, stoppt der Fluß bzw. die Strömung. Wenn kein Weg zur Verfügung gestellt ist, um diese Probe aus der Vorrichtung hinauszuwaschen, würde sie nur eine einmalige Verwendung besitzen.
Der zweite Modus, kontinuierlicher Strömungs- bzw. Flußmodus, erfordert ein angelegtes Druckgefälle. Der Relativdruck zwischen dem Zufuhreinlaß, Zufuhrauslaß und Filtratauslaß kann gesteuert bzw. geregelt werden, um einen kontinuierlichen Strom von Filtrat zur Verfügung zu stellen oder einigen Umkehrfluß durch das Filter zu induzieren, welcher verwendbar bzw. nützlich ist, um Teilchen, die in oder nahe dem Barrierekanal stecken, zu entfernen.

Beispiel

Ein Dreimasken-Niveauverfahren wurde verwendet, um ein Mikrofilter dieser Erfindung auf einem Siliziumwafer herzustellen. Das erste Niveau definiert Verbindungsöffnungen, welche vollständig durch den Wafer zu der Rückseite des Siliziums geätzt wurden. Das zweite Niveau definierte die Fluidtransportkanäle und das dritte Niveau definierte die Maximalgröße der Teilchen, welche durch das Filter fließen können.
Vier-Inch-Chrom-Masken wurden für diese Spezifikationen durch Photo Sciences, Inc. (Torrance, CA) hergestellt und 3"-Wafer ({100}, n-Typ), mit 500 nm SiO&sub2; auf diesen aufgewachsen, wurden verwendet.
Die Wafer wurden in einem Piranhabad (H&sub2;SO&sub4; und H&sub2;O&sub2;) (2 : 1) vor einem Verarbeiten gereinigt. Ein Primer (HMDS, gesponnen bei 3000 U/min) wurde verwendet, um ein Anhaften des Fotoresists zu erhöhen. Etwa 1 um AZ-1370-SF (Hoechst) Fotoresist wurde durch Spinbeschichten (3000 U/min) abgeschieden und dies war durch ein vorsichtiges Härten (30 min bei 90ºC) gefolgt.
Ein Kontaktausrichtungselement wurde verwendet, um die Wafer auszurichten und zu belichten. Die Belichtungszeit wurde variiere; um die besten Ergebnisse zu erhalten. Kein Härten bzw. Erhitzen nach dem Belichten wurde durchgeführt. Wafer wurden in AZ-351 (verdünnt 4 : 1) (Hoechst) für 1 min entwickelt und in DI-Wasser gespült. Ein blaues Klebeband (Semiconductor Equipment Corporation, Moorpark, CA) wurde auf die Rückseiten der Wafer aufgebracht, um das Oxid vor dem Oxidätzen des Materials zu schützen.
Die Wafer wurden in gepuffertes Oxidätzmaterial (BOE, 10 : 1 HF (49%) und NH&sub4;F (10%)) für 11 min eingetaucht, um vollständig das nicht-geschützte Oxid wegzuätzen. Das blaue Klebeband wurde mit der Hand entfernt und der Fotoresist wurde in einem Azetonspülen entfernt.
Siliziumätzen wurde in einer Mischung von Ethylendiamin, Pyrocatechol und Wasser (EPW-F-Ätzmittel, wie in Reisman, A., et al. (1979), J. Electrochem. Soc. 126: 1406-1415, beschrieben), das in einem unter Rückfluß kochenden Kolben eingesetzt wurde, durchgeführt. Dieses Ätzmittel greift die {100}-Ebenen von Silizium mit einer Geschwindigkeit bzw. Rate von etwa 100 um/h an. Die Fluidanbringöffnungen wurden in der ersten Stufe für etwa 3 h geätzt. Der Fotoresist wurde neuerlich aufgebracht und die Maske, welche Flußkanäle zwischen den Fluidöffnungen und der Barriereregion enthielt, wurde belichtet. Die Wafer wurden in dieser zweiten Stufe für etwa 1 h entwickelt und geätzt. Der Fotoresist wurde neuerlich aufgebracht und die den Barrierebereich enthaltende Maske wurde belichtet. Die Wafer wurden in dieser Endstufe für etwa 1 min entwickelt und geätzt.
Nach Endbearbeitung wurden die Wafer neuerlich in einem Piranhabad gereinigt und in DI-Wasser gespült. Sie wurden in individuelle Vorrichtungen von etwa 1 cm · 1 cm unterteilt.
Ein anodisches Binden gemäß Wallis, G. und Pomerantz, D.I. (1969) J. Appl. Physics 40: 3946-3949, wurde verwendet, um Pyrexglas an den Siliziumvorrichtungen festzulegen. Ein Inch große, quadratische Stücke von Pyrexglas (100 um Dicke) von Esco Products Inc. (Oak Ridge, NJ) wurden verwendet. Zuerst wurden das Silizium und Pyrexglas in eine Lösung von H&sub2;O&sub2;, NH&sub4;OH und H&sub2;O (1 : 4 : 6), erhitzt auf 50ºC, getaucht. Dieses Verfahren entfernt jegliches organische Material auf den Oberflächen und macht die Oberflächen auch hydrophil. Nach 20 min in dieser Lösung wurden das Silizium und Pyrex mit DI-Wasser gespült und getrocknet. Ein anodisches Binden wurde bei 400ºC mit 400 V, zwischen dem Glas und Silizium angelegt, durchgeführt.
Überprüfen wurde durch Fließen von verdünnten Suspensionen von fluoreszierenden Mikrokügelchen durch die Vorrichtung durchgeführt. Ein Tropfen von fluoreszierenden Mikrokügelchen mit 16 um Durchmesser (1% Feststoffe, von Duke Scientific, Palo Alto, CA) wurde 5 ml DI-Wasser zugesetzt. Eine analoge Mischung von Kügelchen mit 2,6 um Durchmesser wurde ebenfalls hergestellt. Die fluoreszierenden Kügelchen mit 16 um fluoreszierten in grün und die Kügelchen mit 2,6 um fluoreszierten in rot, was sie leicht durch das Auge unterscheidbar macht.
Diese Mischung wurde in die Vorrichtung eingebracht und Beobachtungen wurden unter Verwendung eines Zeiss ICM-405 umgekehrten Mikroskops durchgeführt. Die Fluoreszenz der Kügelchen wurde unter Verwendung einer Silizium-intensivierten Zielkamera (SIT-66x, von Dage-MTI) durchgeführt und die Beobachtungen wurden auf einem Videoband aufgezeichnet. Einige Bilder wurden auch unter Verwendung eines Bildabtasters (Data Translation) und NIH-Bildsoftware digitalisiert.
Die Drücke an der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung der filtrierten Flüssigkeit wurden kontrolliert, indem ein Rohr bis zur geeigneten Höhe mit Flüssigkeit gefüllt wurde. Die Drücke an der Auslaßöffnung der unfiltrierten Zufuhrflüssigkeit wurden innerhalb einiger Millimeter H&sub2;O konstant gehalten.
Das Experiment wurde fortgeführt, indem zuerst eine Mischung von Fluid und Teilchen an der Einlaßöffnung eingebracht wurde. Sobald dies die gesamte Vorrichtung (Ein- Schuß-Modus) befeuchtet, wurde ein gewisser Teilchen-Aufbau am Rand des Barrierekanals beobachtet. Typischerweise würden sich einige 16 um Kügelchen entlang des Barrierekanals, jedoch nicht bis zu einer signifikanten Tiefe, aufbauen.
Die Lösung, enthaltend 2,6 um Kügelchen, wurde dann an dem Einlaß zugesetzt. Diese Kugeln flossen frei durch den Zufuhrströmungskanal und einige querten den Barrierekanal.
Die Filterauslaßöffnung wurde dann auf etwa den halben Druck, der auf den Zufuhreinlaß aufgebracht wurde, unter Druck gesetzt. Dies resultierte in einem Rückfluß über die Barriere, was die 16 um Kügelchen rasch zurück in den Flußstrom beaufschlagte, wo sie zu der Zufuhraustragsöffnung geführt bzw. geleitet wurden.
Die fluoreszierenden Kügelchen mit einem Durchmesser von 16 um waren unmittelbar an der Einlaßöffnung sichtbar, sowie einige, die entlang des Zufuhrströmungskanals flossen, und einige, die gegen den Barrierekanal gedrückt waren. Keines trat durch den Barrierekanal durch. Nach dem Einbringen der 2,6 um Kügelchen waren diese kleinere Kügelchen leicht zu sehen. Die meisten strömten entlang des Zufuhrströmungskanals, einige traten jedoch leicht durch die Barriere durch, welche die 16 um Kügelchen fing bzw. aufhielt.
Die oben beschriebenen, bevorzugten Ausbildungen sind erläuternd anstatt, daß sie die Erfindung beschränken. Wie dies von dem Fachmann leicht verstanden werden wird, können verschiedene Materialien, Verfahren und Parameter variiert werden, um die Ziele dieser Erfindung zu erreichen, um ein Mikrofilter zur Verfügung zu stellen, das fähig ist, analysierbare Mengen einer teilchenfreien Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen, und das die Prinzipien eines Tangentialflusses durch den Barrierekanal, um ein Verklumpen zu reduzieren, und geneigte Kanalwände benutzt, um die Effekte der Oberflächenspannung zu überwinden. Die Erfindung ist nur durch den Rahmen der anhängigen Patentansprüche beschränkt.

Claims

1. Mikrofilter verwendbar zur Behandlung einer Zufuhrflüssigkeit, um Flüssigkeit von darin enthaltenen Partikeln bzw. Teilchen zu trennen, umfassend ein horizontales Substrat und eine Abdeckung, welche die Fläche des horizontalen Substrats abdeckt, wobei die folgenden Elemente in die Fläche des horizontalen Substrats aus- gebildet sind:

a) eine Zufuhreinlaß;

b) ein Zufuhrauslaß;

c) ein Zufuhrströmungskanal, welcher eine minimale Abmessung aufweist, welche ausreichend ist, um einen Fluß bzw. eine Strömung der Teilchen und der Flüssigkeit dadurch zu erlauben, welcher zwischen und in Fluidverbindung mit dem Fluideinlaß und dem Fluidauslaß angeordnet ist;

d) ein Filtratsammelkanal parallel zu dem Zufuhrströmungskanal;

e) ein Barriere- bzw. Sperrkanal parallel zu, zwischen und in Fluidverbindung mit dem Zufuhrströmungskanal und dem Filtratsammelkanal; wobei die minimale Tiefe des Barrierekanals relativ zu der Abdeckung ausreichend gering ist, um eine Strömung bzw. einen Fluß der Flüssigkeit dadurch zu erlauben, jedoch nicht der Teilchen; und

f) einen Filtratauslaß bzw. -austritt in Fluidverbindung mit dem Filtratsammelkanal.

2. Mikrofilter nach Anspruch 1, weiters umfassend einen Filtratauslaßkanal, welcher den Filtratsammelkanal und den Filtratauslaß verbindet.

3. Mikrofilter nach Anspruch 1 bis 2, weiters umfassend Mittel bzw. Einrichtungen zum Anwenden bzw. Aufbringen eines Drucks auf den Strom der Zufuhrflüssigkeit durch das Mikrofilter.

4. Mikrofilter nach Anspruch 1 bis 3, worin der Zufuhrströmungskanal und der Filtratsammelkanal ungefähr 100 um breit sind.

5. Mikrofilter nach Anspruch 1 bis 4, worin der Barrierekanal eine Mindestabmessung von weniger als etwa 0,1 um aufweist.

6. Mikrofilter nach Anspruch 1 bis 5, worin das Substrat eine Siliziumscheibe bzw. ein Siliziumwafer ist.

7. Mikrofilter nach Anspruch 1 bis 6, worin die Kanäle durch ein anisotropes Ätzmittel geätzt sind, um ein zunehmendes Aufweiten an dem Einlaß und den Auslässen zur Verfügung zu stellen, wodurch eine Strömung hierdurch mit Hüfe lediglich einer Kapillarwirkung erleichtert ist.

8. Mikrofilter nach Anspruch 6, worin das Substrat ein {100}-Siliziumwafer ist und der Zufuhrströmungskanal und der Filtratsammelkanal im wesentlichen V-förmig sind.

9. Verfahren zur Herstellung eines Mikrofilters gemäß Anspruch 8 umfassend:

a) Ätzen des Zufuhrströmungskanals und des Filtratsammelkanals in den Siliziumwafer mit einem Ätzmittel, welches fähig ist, die {100}-Ebenen des Siliziumwafers anzugreifen, um im wesentlichen V-förmige Kanäle auszubilden; und

b) Ätzen des Barrierekanals.

10. Verfahren zur Rückgewinnung einer Menge einer Flüssigkeit, welche von Partikeln bzw. Teilchen getrennt wird, aus einer Zufuhrflüssigkeit, welche die Partikel enthält, umfassend ein Einbringen der Zufuhrflüssigkeit in den Zufuhreinlaß des Mikrofilters nach Anspruch 1 bis 8 und ein Abziehen von abgetrennter Flüssigkeit aus dem Filtratauslaß.

11. Verfahren nach Anspruch 10, worin die Zufuhrflüssigkeit Blut ist, die Partikel Blutkörperchen sind und die getrennte Flüssigkeit Plasma ist.