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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von Verbindungsleitungen
zwischen Kanälen und
Kammern, insbesondere ein Verfahren zur Verwendung in mikrotechnisch
hergestellten Fluidelementen.
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Mikrotechnisch
hergestellte Elemente können
für den
Transport und die Überwachung
des Fluidflusses verwendet werden. Derartige Elemente können bei
einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich chemischer und physikalischer
Analysen, chemischer Umsetzung und der Wärmeübertragung verwendet werden.
Die Verwendung von mikrotechnisch hergestellten Fluidelementen beim
Transport von nicht mischbaren Flüssigkeiten ist in den internationalen
Patentanmeldungen WO 96/12540 und WO 96/12541 beschrieben.
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Die
Vorteile der Verwendung von Mikrofluidelementen, die Kanäle und Kammern
enthalten, sind:
- 1. Nur geringe Probemengen
werden für
die Analyse benötigt;
und
- 2. Transportstrecken für
chemische Umsetzungen von Flüssigkeiten
sind für
gewöhnlich
gering;
- 3. Die Wärmeübertragung
ist verbessert.
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Kanäle und Kammern
werden üblicherweise auf
planaren Substraten gebildet und werden des Weiteren hiermit als „Kanäle" bezeichnet. Es besteht ein
Bedarf für
die Verbindung von einzelnen Kanälen für Anwendungen,
die einen hohen Fluidfluss erfordern, da der Fluidfluss in konventionellen,
mikrotechnisch hergestellten Elementen sehr gering sein kann. Kanäle können durch
Ausbildung von Nuten oder Rinnen auf einer oder mehreren Oberflächen eines Substrats
hergestellt werden. Derartige Substrate können dann miteinander verbunden
werden. Ebenso können
Bohrungen in dem Substrat gebildet werden und diese können die
hierin gebildeten Kanäle verbinden.
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Eine
Reihe von bekannten Verfahren werden verwendet, um Kanäle auf den
Oberflächen
planarer Substrate zu bilden. Diese umfassen:
- 1. Ätzen unter
Verwendung von Maskenmustern, die durch einen lithographischen Prozess,
wie Photolithographie, Siebdruck oder Direktschreibverfahren ausgebildet
werden; oder
- 2. Schneiden, Fräsen
oder Bohren von Substraten durch Funkenerosion oder Laserschmelzen; oder
- 3. Ablagerung oder Aufbau von Schichten auf Substraten gemäß Mustern,
welche durch lithographische Verfahren definiert wurden; oder
- 4. Galvanisieren durch Drucken oder durch photographische Verfahren
definierte Maskenschichten hindurch, einschließlich der Verwendung von Röntgenlithographie,
wie in LIGA (Lithographische Galvanoformung-Abformung); oder
- 5. Aufbau von Substraten durch Verbindung von Schichten, von
denen einige eingeschnitten sein können, um Muster von Nuten oder
Rinnen zu bilden; oder
- 6. Matritzenvervielfältigung
oder Prägung
von Substraten, welche durch eines der oben genannten Verfahren
gebildet wurden.
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Ein übliches
Verfahren ist es, ein mikrotechnisch hergestelltes Element zur Fluidhandhabung durch
anodisches Verbinden von Glas und Siliziumsubstraten herzustellen,
wobei die Substrate Kanäle auf
einem oder beiden Substraten aufweisen.
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Im
Stand der Technik sind Maßnahmen
bekannt, um externe Verbindungen und Verbindungsleitungen in den
Substraten zu bilden. Externe Verbindungen zu Kanälen werden
mittels Bohrungen erreicht, die durch die äußeren Oberflächen des
Substrates hindurchgehen oder dadurch, dass die Kanäle zu den
Seiten eines oder mehrerer Substrate hin verlängert sind. Bohrungen können durch
eine oder mehrere der Substrate hindurch gebildet werden, um Verbindungsleitungen
zwischen den Kanälen
zu bilden. Für
einfache Vorrichtungen mit wenigen externen Verbindungen ist es
angemessen, diese Verfahren anzuwenden. Verfahren zur Verbindung
von Kapillaren mit Kanälen,
die sich über
die Ränder
der Vorrichtungen erstrecken und aus einem oder mehreren Substraten
zusammengesetzt sind, werden in der UK-Patentanmeldung Nr. 9625491.7 beschrieben.
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Für elektronische
Vorrichtungen ist es bekannt, dass die Minimierung der Anzahl der
externen Input-/Output-Verbindungen
zu Arrays von Ladungswegen auf einem einzelnen Substrat das Anordnen der
Verbindungen senkrecht zur Substratebene erfordert. Dies wird durch
die Verwendung von Bohrungen erreicht. Die gleichen topologischen
Anforderungen gelten für
Fluidelemente, wo verschiedene Zu- und Ableitungswege mit den Kammern
verbunden sind und die sich untereinander nicht kreuzen sollen, im
Gegensatz zu den Kanälen
selbst. Für
komplexere Vorrichtungen kann eine große Anzahl von externen Anschlüssen erforderlich
sein.
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Vorrichtungen
mit Bohrungen und Verbindungen in multiplen planaren Substraten
entsprechen den topologischen Formen, die verwendet werden, um die
hohe Konnektivität
zu erreichen, die für integrierte
elektronische Vorrichtungen erforderlich sind. Innerhalb solcher
elektronischer Vorrichtungen sind die Ladungswege als feste, selbststützende Materialien
ausgebildet. Die Materialschichten sind üblicherweise dünn genug,
um eine ausreichende Planarität
zu erhalten, welches die Anlagerung, Photolithographie und das Ätzen mit
guten Ergebnissen ermöglicht.
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In
Mikrofluidelementen sind Kanäle
und Bohrungen im Allgemeinen größer dimensioniert
als die entsprechenden Lei tungen und Bohrungen in integrierten elektronischen
Vorrichtungen. Die Kanäle sind
nicht selbstunterstützend
ausgebildet wie die Leitungswege in integrierten elektronischen
Vorrichtungen, da die Bildung eines Kanals oder einer Bohrung das
Entfernen von Substratmaterial erfordert. Die Herstellung von Kanälen und
Bohrungen trägt daher
zur Zerbrechlichkeit der Vorrichtung bei und somit zur Verringerung
der Ausbeute während
der Herstellung. Dies trifft insbesondere für Bohrungen zu, da diese lotrecht
zu den Substratflächen
ausgeführt
sind. Weiterhin erfordert die Schwierigkeit des Ätzens von Bohrungen mit hohem
Seitenverhältnis, das
heißt
einer Bohrung, deren Länge
durch das Substrat größer ist
als deren Weite, dass die laterale Ausdehnung der Bohrungen in der
Substratebene ähnlich
sind, oder häufig
sogar größer, als
die Dicke des Substrats, in welchem diese ausgebildet werden. Die
zuletzt genannten Nachteile können
durch die Verwendung von Techniken, wie Laserschmelzen oder Grabenätzung überwunden
werden, aber derartige Techniken sind teuer und nicht weithin verfügbar.
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Es
ist insbesondere schwierig, Maskenschichten photographisch zu definieren
und zu ätzen, und
zwar innerhalb einer Fläche
eines engen Kanals, der durch einen vorherigen Fabrikationsschritt
in dem Mikrofluidelement gebildet wurde. Diese Beschränkung schreibt
vor, dass Kanäle
für Mikrofluidelemente,
die mit konventionellen Verfahren hergestellt werden, eine relativ
geringe Dichte aufweisen. Dies gilt insbesondere für Bohrungen.
Daraus ergibt sich, dass die Kosten pro Element ansteigen.
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Typischerweise
kann die Dichte der Kanäle, die
auf einem Substrat gebildet werden, nicht größer sein als die in 1 gezeigte,
worin a in der Größenordnung
der Dicke des Substrats liegt. Dies gilt für Mikrokontaktarrays mit Kanälen, die
mit Bohrungen verbunden sind und welche durch anisotropes oder isotropes Ätzen des
Substrats hergestellt sind. Es ist daher anzustreben, dass ein Weg
gefunden wird, der es erlaubt, Verbindungsleitungen und Verteilungen von
Kanälen
zu schaffen, ohne die Probleme der geringen Dichte von Kanälen, der
Zerbrechlichkeit des Elements und der geringen Ausbeute bei der
Herstellung.
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Ein
Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Probleme zu überwinden,
und zwar durch zur Verfügungstellung
eines Verfahrens zur Herstellung von Verbindungsleitungen und/oder
Verteilungen in Substraten, insbesondere, aber nicht ausschließlich, für die Verwendung
in Mikrofluidelementen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zum Verbinden von Kanälen in mikrotechnisch
hergestellten Fluidelementen zur Verfügung gestellt, umfassend die
Bildung wenigstens eines Duchflussweges in einem ersten Substrat;
(b) die Bildung wenigstens eines Durchflussweges in einem zweiten
Substrat; (c) das in Kontakt Bringen des ersten und zweiten Substrats,
um wenigstens einen Kanal zu bilden; und (d) die Bildung wenigstens
eines Einschnitts in einer Außenfläche des
ersten Substrats, wobei der Einschnitt von ausreichender Tiefe ist, um
einen oder mehrere der Kanäle
zu kreuzen, so dass, beim Gebrauch, eine Flüssigkeit, die entlang einem
Durchflussweg strömt,
der durch den wenigstens einen Einschnitt definiert ist, in den
wenigsten einen Kanal strömen
kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate verbunden werden
bevor darin der wenigstens eine Einschnitt gebildet wird.
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Die
Substrate werden vor der Bildung der Einschnitte verbunden, um die
physikalische Integrität
der erfindungsgemäßen Elemente
zu erhalten. Die Substrate können
durch anodisches oder thermisches Verbinden oder durch Zusammenkleben
unter Verwendung geeigneter Klebemittel, wie Epoxy-, Acryl- oder
im UV-Licht aushärtende
Klebstoffe, verbunden werden.
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Das
Verfahren kann ebenfalls den Schritt zur Herstellung wenigstens
eines Einschnitts in einer Außenfläche des
zweiten Substrats einschließen,
wobei der Einschnitt von ausreichender Tiefe ist, um einen oder
mehrere der genannten Kanäle
zu kreuzen, so dass nur die erforderlichen Verbindungsleitungen durch
den wenigstens einen Einschnitt hergestellt werden.
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Das
Verfahren umfasst vorzugsweise die Schritte a) der Bildung wenigstens
eines Durchflussweges in einem dritten Substrat und b) das Verbinden des
dritten Substrats mit dem ersten und zweiten Substrat.
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Vorteilhafterweise
wird der wenigstens eine in dem ersten Substrat gebildete Einschnitt
und der wenigstens eine in dem zweiten Substrat gebildete Einschnitt
gegeneinander versetzt, um die physikalische Integrität der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu
bewahren.
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Der
wenigstens eine Einschnitt wird vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht
zur Ebene des Substrats ausgebildet.
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Die
Einschnitte können
mittels mikrotechnischer Sägeverfahren
hergestellt werden, welche bis zu 10 μm kontrolliert werden können. Alternativ
ist es möglich,
mechanisches Fräsen
zu verwenden, solange die verwendete Ausrüstung von relativ hohere Präzision ist.
Laserschmelzen oder Photolithographie und chemisches Ätzen können ebenso
angewendet werden, um die verteilenden Kanäle herzustellen. Dennoch sind
im Allgemeinen mechanische Schneide- oder Frässysteme bevorzugt.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung findet insbesondere Anwendung
für die
Herstellung einer Vorrichtung zum Transport von wenigstens einer
Flüssigkeit,
wobei die Vorrichtung wenigstens ein erstes Substrat und ein zweites
Substrat enthält,
welche jeweils von ihnen entfernte Teile aufweisen, so dass wenigstens
ein Kanal gebildet wird und dieser wenigstens eine Kanal gemäß der vorbeschriebenen Methode
verbunden ist.
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Vorzugsweise
enthält
die Vorrichtung ein drittes Substrat. Das dritte Substrat kann zwischen dem
ersten und dem zweiten Substrat oder dem zweiten Substrat benachbart
sein.
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Vorzugsweise
ist das erste Substrat Glas.
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Vorzugsweise
ist das zweite Substrat Silizium.
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Wenn
das dritte Substrat zwischen dem ersten und dem zweiten Substrat
angeordnet ist, ist das dritte Substrat vorzugsweise ein Netz aus
beispielsweise Kupfer oder Stahl. Alternativ kann dieses ein Polymer
enthalten. Das dritte Substrat ist vorzugsweise zwischen 1 und 10
Mikrometern dick.
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Schließt sich
das dritte Substrat an das erste oder zweite Substrat an, dann ist
das dritte Substrat vorzugsweise aus Glas. Das dritte Substrat kann
von diesem entfernte Teile aufweisen, so dass dieses wenigstens
einen Kanal ausbildet.
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Vorzugsweise
ist das Substrat ein Quadrat von zirka 5 × 10–2 m
mal 5 × 10–2 m.
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Die
Kanäle
können
im Wesentlichen gerade oder kurvenförmig sein.
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Vorzugsweise
ist die Länge
der Kanäle
zwischen 1 × 10–2 m
und 5 × 10–2 m.
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Die
Vorrichtung, welche gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt ist, kann in einem Mikrofluidelement (oder anderen)
inkorporiert sein.
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Flüssigkeiten,
welche in der Vorrichtung verwendet werden, können entweder mischbar oder nicht
mischbar sein. Wässrige
und/oder organische Materialien können innerhalb der Vorrichtung
verwendet werden.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
beschrieben, worin:
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1 eine
Aufsicht auf Kanäle
und Kammern zeigt, die auf einem Substrat ausgebildet sind, wie
diese im Stand der Technik bekannt sind;
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2 einen
Querschnitt zweier planarer Substrate zeigt, welche Kanäle enthalten;
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3a und 3b einen
Querschnitt von zwei verbundenen planaren Substraten zeigen, welche
Kanäle
enthalten;
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4a und 4b eine
Aufsicht auf zwei verbundene planare Substrate zeigen, wie in 3 dargestellt;
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5a und 5b einen
Querschnitt entlang der Linie vv' der 4a beziehungsweise 4b zeigen,
worin Verbindungseinschnitte in dem Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung
vorgenommen wurden;
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6a und 6b eine
Aufsicht auf zwei verbundene planare Strukturen wie in 3a bis 5a beziehungsweise 3b bis 5b dargestellt
sind, worin die Verbindungseinschnitte in die Substrate durchgeführt wurden;
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7 einen
Querschnitt von zwei verbundenen planaren Substraten entlang der
Linie v-v' der 6a zeigt;
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8 einen
Querschnitt einer Vorrichtung erhalten gemäß einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, welche zwei verbundene planare
Strukturen zeigt, die Kanäle
enthalten, wo Verbindungseinschnitte in nur einem Substrat vorgenommen
wurden;
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9 eine
Schrägansicht
einer Vorrichtung gemäß der 8 zeigt;
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10 eine
Schrägansicht
einer Vorrichtung, erhalten gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, zeigt;
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11 eine
Aufsicht auf eine Vorrichtung zeigt, welche eine Vorrichtung, hergestellt
gemäß einem
erfindungsgemäßen Verfahren,
beinhaltet;
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12 eine
Vorrichtung, erhalten gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung, zeigt, welche zwei verbundene planare Substrate zeigt, welche
zwei Sätze
von Kanälen
enthalten, wobei Verbindungseinschnitte vorgenommen wurden, um nur einen
Satz der Kanäle
miteinander zu verbinden;
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13a einen Querschnitt einer laminierten Struktur
zeigt;
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13b einen Querschnitt einer laminierten Struktur
zeigt, welcher darin ausgebildete Kammern ausweist;
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14a eine Aufsicht auf eine laminare Struktur der 13 mit der Wiedergabe der Lage der Verbindungseinschnitte
zeigt;
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14b eine Aufsicht auf eine laminierte Struktur
ist, welche die Positionen der Verbindungseinschnitte zeigt, die
in einem Winkel zueinander stehen; und
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15a bis 15d die
Aufsichten auf laminierte Strukturen der 13 zeigen,
welche Verbindungseinschnitte aufweisen.
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Wie
in 2 dargestellt, werden Kanäle 14 auf der Oberfläche eines
planaren Substrats 10 ausgebildet, welches in diesem Falle
Glas ist. Kanäle 15 werden
ebenso auf einer Oberfläche
eines planaren Substrats 12 ausgebildet, welches in diesem
Falle Silizium ist. Bohrungen, die erforderlich sind, die einzelnen
Kanäle
miteinander zu verbinden, sind in diesem Stadium noch nicht ausgebildet.
Die Substratschichten 10 und 12 werden dann miteinander
verbunden, wobei die Kanäle 14 und 15 gebildet
werden, wie in den 3a und 3b dargestellt.
Die Substrate können
verbunden werden unter Verwendung eines Epoxydklebers, wie EpoTekTM 353 ND oder eines mit UV-Licht aushärtenden
Acrylklebers, wie Norland Optical Kleber Typ 81.
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Aus
den 3a und 4a kann
man ersehen, dass die Kanäle 14 im
Substrat 10 mit den Kanälen 15 im
Substrat 12 überlappen
und Abschnitte bilden, in denen in den jeweiligen Kanälen 14, 15 Flüssigkeiten
fließen
und an der Nahtstelle 18 in Kontakt kommen. In einer alternativen
Anordnung jedoch überlappen
die Kanäle 14 und 15 nicht
und es entsteht keine Nahtstelle zwischen den Kanälen. Diese Anordnung
ist in den 3b und 4b gezeigt.
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Verbindungsleitungen
oder Verteiler zu Gruppen oder Arrays von Kanälen 14 oder 15 werden durch
Einschnitte 19 oder 20 gebildet, die in einer oder
mehreren der äußeren Seitenflächen der
verbundenen Substrate 10 und 12 angeordnet sind,
wie in den 5 und 6 dargestellt. 5a und 6a zeigen
verbundene Substrate, worin Kanäle 14 und 15 überlappen
und eine Nahtstelle 18 bilden, wohingegen 5b und 6b verbundene
Substrate zeigen, worin die Kanäle 14 und 15 nicht überlappen. Die
Lage und Tiefe dieser Einschnitte ist derart, dass nur gewünschte Verbindungen
zu den jeweiligen Kanälen 14 oder 15 durch
jeden der Einschnitte hergestellt werden. Einschnitte 20,
die in das Substrat 10 eingefügt sind, dürfen nicht zu tief in das Substrat 12 hineinragen,
so dass die physikalische Integrität der zusammengefügten Vorrichtung
erhal ten bleibt. Für Kanäle, welche
40 Mikrometer tief sind, sind Einschnitte mit einer Genauigkeit
von annähernd
10 Mikrometern angemessen.
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Zwei
Verfahren zur Bildung von Verteilern werden nun diskutiert. 7 zeigt
eine erste Ausführungsform,
wobei die Verteiler 19 und 20 in beide Substratschichten 10 und 12 eingeschnitten
sind und welche versetzt sind. Einschnitt 19 ist nur durch
das Substrat 12 geführt,
um die Kanäle 15 zu
kreuzen. Einschnitt 20 ist nur durch das Substrat 10 geführt, um
die Kanäle 14 zu
kreuzen. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, wobei Verteiler 20 und 21 in das
gleiche Substrat 10 eingeschnitten sind. Einschnitt 20 ist
durch das Substrat 10 hindurchgeführt und ist tief genug, so
dass es sich mit den Kanälen 15 im
Substrat 12 kreuzt. Einschnitt 21 ist ebenfalls
durch das Substrat 10 geführt, aber dessen Tiefe ist
geringer als der des Einschnitts 20, so dass dieser sich
nur mit den Kanälen 14 im
Substrat 10 kreuzt.
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Verfügen beide
Substrate über
Einschnitte wie in 7, sollten die Einschnitte versetzt
oder so positioniert sein, dass sie die Vorrichtung nicht schwächen. Die
Bildung von Verbindungsleitungen erfordert im Wesentlichen, dass
wenigstens einer der Einschnitte durch ein Substrat ausreichend
ist, um die Kanäle 14 und 15,
die zu verbinden sind, zu kreuzen, und dass dieser nicht durch die
Nahtstelle 18 zwischen den verbundenen Substraten 10, 12 hindurchgeht.
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Wenn
eines der Substrate transparent ist (Substrat 10 in diesem
Fall) ist es vorteilhaft, alle Einschnitte der Verteilung durch
das transparente Substrat zu bilden, wie in den 8 und 9.
Dies erlaubt eine präzisere
Ausrichtung der Einschnitte mit den Kanälen auf den weiteren Substratschichten.
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Die
in den 2 bis 9 diagrammatisch gezeigten Beispiele
sind solche eines Mikrokontaktors. Ähnliche Schritte können durchgeführt werden, um
andere Mikrofluidelemente aus verschiedenen planaren Substraten
zu bilden, vorausgesetzt, dass diese Substrate verbunden und exakt
geschnitten werden können.
Beispielsweise hat in 10 Substrat 11 Verteilereinschnitte 22 und
ist verbunden mit den Substraten 10 und 12, welche
ihrerseits Verteilerschnitte 19 und 20 enthalten.
Die entstehende Vorrichtung hat einen vergrößerten Verteilerquerschnitt und
die Flusskapazität
ist vergrößert.
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Die
Tiefe der Einschnitte 19 ist nicht kritisch, solange wie
die Einschnitte tief genug sind, sich mit dem Kanal zu kreuzen,
welcher mit dem Einschnitt verbunden werden soll, und dass dieser
Schnitt nicht so weit in das weitere Substrat hineinreicht, um die Vorrichtung
zu schwächen.
Für einen
Mikrokontaktor ist es erforderlich, dass die Verteilerverbindungen
die Zwischenschicht zwischen den Kanälen 14 und 15 nicht
kreuzen. Wenn die Verteilerverbindungen die Zwischenschicht kreuzen,
neigen die Flüssigkeiten dazu,
sich zu mischen und der Aufbau einer stabilen Zwischenraumposition
ist verhindert. Dies ist von Bedeutung für Verteilerposition 21 wie
in 8 gezeigt, wo Paare von Kontaktorkanälen 14 und 15 die
Ebene der Verteilereinschnitte kreuzen. Hier muss sichergestellt
werden, dass die Tiefe des Einschnitts auf einen Bereich begrenzt
ist, die vorher bestimmten Kanäle 14 und 15,
die in das Substrat, welches eingeschnitten werden soll, eingeätzt sind,
zu kreuzen, wobei der Einschnitt nicht die Zwischenschicht zwischen
den Substraten erreichen soll.
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Die
Beschränkung
der Tiefe von Verteilereinschnitten gilt für andere Strukturen als Mikrokontaktoren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann auch für
jede andere Fluidstruktur verwendet werden, wo es erforderlich ist,
dass die zu verbindenden Kanäle einen
anderen Satz von Kanälen
nicht kreuzen. Hierbei werden Kanäle 14 und 15 in
einer Schicht des Substrates 10 gebildet. Kanäle 14 sind
tiefer als die Kanäle 15,
so dass die Verteilereinschnitte, die gefertigt werden, um die Kanäle 14 zu
verbinden, die Kanäle 15 nicht
verbinden. Ein Beispiel hierfür
ist in 12 gezeigt. Dieses Konzept kann
beispielsweise in einem Wärmeaustauscher
verwendet werden. Zusätzlich
zu den Kanälen 14 und 15,
welche Flüssigkeiten
befördern,
können
die Kanäle
auch elektronisch leitende Kanäle
oder Lichtleiter oder andere Strukturen sein, die zwischen den zu
verbindenden Kanälen
angeordnet sind, aber welche isoliert von dem Verteiler bleiben
müssen.
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13a und 13b zeigen
einen Querschnitt einer verbundenen, beschichteten Struktur, in welcher
Verteilereinschnitte noch nicht gebildet sind. Die verbundene Struktur,
die in 13a gezeigt ist, enthält eine
dünne mittlere
Schicht 30 des Substrats, wobei der mittlere Teil desselben
an die obere Substratschicht 32a gebunden ist, sowie eine
untere Substratschicht 32b. Die äußeren Bereiche der einen Seite
der Schicht 30 sind mit einer ersten Substratschicht 10 verbunden
und die äußeren Bereiche
der anderen Seite der Schicht 30 sind mit einer zweiten Substratschicht 12 verbunden.
Material 32 (welches in Kontakt mit dem zentralen Bereich
der Schicht 30 ist) kann in einem späteren Schritt herausgelöst oder herausgeschmolzen
werden. Die Schichten 32a, b können beispielsweise ein Polymer
oder ein Polymer/Wachs-Gemisch,
ein Metall, wie Kupfer, oder eine Legierung, wie Stahl, welche auch
die Form eines Netzes aufweisen können, angeordnet sein. Die Schichten
des Materials 32a und 32b sind weiterhin mit den
entsprechenden Schichten des Substrats 10 und 12 verbunden,
und zwar derart, dass, wenn das Material 32 entfernt wird,
die jeweiligen Kammern 34a und 34b in den Substratschichten 10 und 12 gebildet
werden.
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Die
laminierte Struktur kann alternativ auch durch Bindung der äußeren Regionen
der einen Seite der Schicht 30 an eine erste Substratschicht 10 gebildet
werden und auf der anderen durch eine zweite Substratschicht 12,
wobei die Substratschichten 10 und 12 weggeschnittene
Bereiche haben, so dass die Kammern 34a, b gebildet werden,
ohne dass die Schichten 32a, b benötigt werden. Eine derartige
laminierte Struktur ist in 13b gezeigt.
Diese Struktur liefert weniger Unterstützung als diese in 13a gezeigte, aber die äußere ungeschnittene Schicht 10, 12 bewirkt
physikalische Stabilität
für die
gesamte Struktur während
des Zusammenbaus und der Verbindung, wodurch die Verformung der
geschichteten Struktur verringert wird.
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14a zeigt eine Aufsicht auf die laminierten Strukturen
der 13a und 13b und
zeigt die Positionen der Verteilungseinschnitte 19 und 20 an.
Jedoch können
die Verteilungseinschnitte so gestaltet sein, dass sie einen Winkel
zueinander bilden, wie in 14b gezeigt.
Der Winkel sollte groß genug sein,
damit die Vorrichtung nicht geschwächt wird.
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Die 15a bis 15b zeigen
Querschnitte der laminierten Struktur der 13a und 13b, welche verschiedene Verteilungseinschnitte
darin tragen. 15a zeigt eine laminierte Struktur,
welche Verteilungseinschnitte 20 und 19 aufweist,
die in den Substraten 10 beziehungsweise 12 gebildet sind.
In diesem Fall sind die Einschnitte wie die Schichten 32a,
b hergestellt. Material 32 wird dann entfernt (wie zuvor
beschrieben), um die Kammern 34a, b zu bilden, welche mit
den Kanälen 20 und 19 verbunden
sind. Die Einschnitte 19 und 20 sind versetzt,
so dass sie die Vorrichtung nicht schwächen. 15c zeigt
eine geschichtete Struktur, welche Verteilungseinschnitte 20 und 21 aufweist,
die in der äußeren Fläche des
Substrates 10 angeordnet sind. Einschnitt 20 erstreckt
sich durch die obere Schicht 32a und Einschnitt 21 erstreckt
sich (über
die Schicht 30) in die untere Schicht 32b hinein.
Wird das Material der Schichten 32a und 32b entfernt,
werden die Kammern 34a beziehungsweise 34b gebildet.
Die Kammern 34a und 34b sind über die Verteilungseinschnitte 20 beziehungsweise 21 verbunden.
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Die 11 zeigt
eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung, die eine Zahl von
Kanälen 14, 15 und
Verteilungseinschnitte 20, 21 aufweist. Die Struktur
dieser Vorrichtung ist die gleiche, wie in den 8 und 9 dargestellt.
Organisches Material geht durch die Kanäle 15 hindurch, die
im Siliziumsubstrat 12 durch die Verteilungsschnitte 20 gebildet sind.
Einschnitte 20 gehen durch das Glassubstrat 10 und
das Siliziumsubstrat 12 hindurch, um die Kanäle 15,
die im Siliziumsubstrat 12 gebildet sind, zu kreuzen. Wässriges
Material fließt
in den Kanälen 14,
die im Glassubstrat 10 über
die Verteilungseinschnitte 21 gebildet sind. Hierbei ist
das verwendete organische Material eine Mischung aus Xylol und TBP
(Tributylphosphat), welches gelöste
Eisenionen (Fe3+) enthält, und das wässrige Material
ist Salzsäure.
Dort, wo sich die Kanäle 14 und 15 treffen,
kommen die wässrigen
und organischen Materialien miteinander in Kontakt. Dort findet
ein Transfer von Eisenionen aus dem organischen Material in das
wässrige
Material statt. Diese Reaktion ist ein Beispiel für ein flüssig-flüssig Lösemittelextraktionsverfahren
und wird beispielsweise in der pharmazeutischen und Nuklearindustrie
verwendet. Die or ganischen und wässrigen
Materialien treten dann aus der Vorrichtung aus.
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Vorrichtungen,
die nach diesem Verfahren hergestellt werden, können 120 Mikrokontaktoren mit einer
Länge von
14 mm auf einer Substratfläche
von 50 mm2 aufweisen. Dies ist etwa der
zehnfache Wert der Dichte von Kanälen, die mit früheren Methoden untre Ätzen von
Material und die Verwendung von solchen Strukturen, wie diese in
der 1 gezeigt ist, welche Bohrungen 2 und Kanäle 1 besitzen,
erreichbar waren. Flüssigkeits-
und Transferraten für
Vorrichtungen, die nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden,
haben gegenüber
den Verfahren des Standes der Technik eine Verbesserung um den Faktor
120 zur Folge.
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Zusammenfassend
wird festgestellt, dass Vorrichtungen, die gemäß dem Verfahren der Ausbildung
von Verbindungsleitungen für
Kanäle,
wie sie hierin beschrieben sind, die folgenden Vorteile haben:
- 1. bessere Ausnutzung des Raumes/höhere Packungsdichte
von Kanälen
als in anderen Methoden
- 2. verbesserte Ausbeute, da die in einem Substrat ausgebildeten
Kanäle
von einem anderen Substrat unterstützt werden;
- 3. verbesserte Ausbeute, da die Substrate während des Verbindungsprozesses
weniger leicht brechen, als dies bei anderen Methoden der Fall ist;
und
- 4. verbesserte Festigkeit der zusammengefügten Vorrichtungen.