EP1596974B1 - Verfahren und vorrichtung zur durchmischung kleiner flüssigkeitsmengen in mikrokavitäten - Google Patents

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EP1596974B1
EP1596974B1 EP04713531A EP04713531A EP1596974B1 EP 1596974 B1 EP1596974 B1 EP 1596974B1 EP 04713531 A EP04713531 A EP 04713531A EP 04713531 A EP04713531 A EP 04713531A EP 1596974 B1 EP1596974 B1 EP 1596974B1
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EP
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interdigital transducer
solid state
microcavity
state layer
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Advalytix AG
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Definitions

  • the invention relates to a method for mixing liquids in microcavities and to an apparatus for carrying out the method.
  • Microcavities, z As in the arrangement of micro-titer plates are used in pharmaceutical research and diagnostics as reaction vessels. Based on the standard format of micro-titer plates, highly automated processes are possible in modern laboratories. So z. As pipetting robots, devices for optical readout of biological assays and the corresponding transport systems adapted to the standard format. Such standard micro-titre plates are available today with 96, 384 or 1536 cavities. Typical volumes per well are in the range of 300 ⁇ l for 96-well plates, about 75 ⁇ l for 384 microtitre plates and about 12 ⁇ l for 1536-well plates. Micro-titer plates are generally made of plastic, for. As polypropylene or polystyrene, and often coated or biologically functionalized.
  • micro-titer plates or microcavities finds its justification in the often expensive reagents and in the fact that often sample material is not available in the desired amount, so that reactions at high sample concentration can only be carried out if the Volumes are reduced accordingly.
  • Micro-titer plates or generally microcavities are mixed in known methods by means of so-called shakers.
  • shakers include mechanically moving parts and are difficult to integrate into highly automated lines.
  • the mixing is also particularly in small cavities, so z.
  • 384 microtiter plates or 1536 microtitre plates are very inefficient.
  • small amounts of liquid appear to be very viscous, and in small volumes only laminar flows are possible, i. There is no turbulence that would cause effective mixing.
  • high power of the shaker is necessary.
  • WO 00/10011 describes a method by which a microcavity in the frequency range of 1 to 300 kHz is shaken. There are powers of 0.1 to 10 watts applied.
  • No. 6,357,907 B1 describes the use of magnetic beads which move in an external, temporally or spatially variable magnetic field. To carry out the mixing process, the beads must be introduced into the liquid, which is often undesirable because of contamination problems.
  • US 6,244,738 B1 describes a mixing process in an elongated closed channel. Two streams of liquid pass an ultrasonic generator and are mixed in the microchannel. To carry out the process, a complicated structure with a microchannel system is necessary and no separate individual volumes can be mixed.
  • US 5,736,100 describes the use of a turntable with small vessels in the micro cavities, z. B. Eppendorf caps, can be used. In these pots is z.
  • DE-A-101 17 772 describes the mixing of liquids using surface acoustic waves generated by means of interdigital transducers.
  • the liquid is located directly on the sound-transmitting medium itself. At least with multiple use of the devices there is a risk of contamination. An insert with a micro-titer plate is not possible in the described arrangements.
  • US 6,168,948 B1 describes an acoustic mixing process for mixing a sample in a reaction chamber using a piezoelectric volume vibrating element at a frequency of 2 MHz.
  • the object of the present invention is to specify a method and a device which enable effective mixing of liquids in microcavities, in particular a microtitre plate, and which minimize the risk of contamination.
  • an ultrasonic wave having a frequency greater than or equal to 10 MHz is passed through a solid layer in the direction of the at least one microcavity and the liquid therein to produce a sound-induced flow there.
  • the extent of the solid-state layer in the sound propagation direction is greater than 1/4 of the wavelength of the ultrasonic wave.
  • the frequency range greater than or equal to 10 MHz ensures that a jarring of the entire device, as z. B. in shaking mechanisms of the prior Technique is used, does not occur in the inventive method.
  • a solid-state layer greater than 1 ⁇ 4 of the wavelength of the ultrasonic wave can effectively prevent membrane-like flexural plate wave modes or Lamb modes from forming.
  • the ultrasound passes through the solid-state layer directly into the microcavity and generates there a sound-induced flow.
  • the use of the high frequency also ensures that the sound absorption in the liquid is high.
  • the liquid to be mixed is not in direct contact with the sound-generating medium. A contamination with multiple use is therefore excluded.
  • a separate substrate for. B. of plastic, metal or glass.
  • the thicknesses are depending on the ultrasonic wavelength used z. B. in the range of 0.1 mm to a few cm. Typical ultrasonic wavelengths are in the range of 10 .mu.m to 100 .mu.m.
  • the solid state layer can also z. Example, be formed directly by the bottom of a microcavity or the bottom of a micro-titer plate, which is optionally adjusted or ground to a desired thickness, or include the ground.
  • the piezoelectric transducer can be excited either monochromatically by applying a high-frequency signal of the resonance energy or a harmonic (continuous or pulsed). By changing the frequency or amplitude can be selectively influenced on the resulting mixed pattern. Feeding the resonant frequency of the transducer also increases the efficiency of converting the electrical energy into acoustic energy.
  • Ultrasonic absorption in the liquid to be mixed is particularly effective when the wavelength of the ultrasonic wave is chosen to be less than or equal to the mean level in the microcavity in the liquid.
  • the sound transducer may be formed over the entire surface under the solid state layer. However, it is particularly advantageous if the lateral extent of the sound transducer is smaller than the lateral extent of the microcavity used. First, with a larger transducer, the capacitive component of its impedance is increased, thereby changing the electrical matching, and second, the mixing efficiency is smaller when the transducer is larger than the lateral extent of the microcavity. On the other hand, if the lateral extent of the sound transducer is smaller than the lateral extent of the microcavity, the ultrasonic beam has a smaller lateral extent than the lateral extent of the microcavity. Side of the upward ultrasonic beam, the liquid can flow down again, so that thereby optimal mixing of the liquid is achieved. For example, the ultrasonic wave can be coupled centrally from below into the microcavity, so that the liquid can move upwards centrally in the microcavity and can flow back downwards again at the edge of the microcavity.
  • the latter effect can be achieved in an alternative process by introducing between the sound transducer and the microcavity an intermediate layer comprising a sound absorbing material in an arrangement which allows the ultrasound to propagate in the direction of the microcavity only in a limited spatial area .
  • advantageous sound-absorbing media are silicone, rubber, silicone rubber, soft PVC, wax or the like.
  • a liquid or solid compensating medium for.
  • water, oil, glycerol, silicone, epoxy resin or a gel film are introduced to compensate for bumps and to ensure safe acoustic contact.
  • microcavities z As Eppendorf caps or pipette tips or other microreactors can be used. To parallelize the process, several microcavities can be used simultaneously. Particularly advantageous is the use of a micro-titer plate, which already provides a large number of cavities in a predetermined pitch.
  • micro cavities z. B. be defined by means of an adhesive film with holes on a Glasslide, preferably in the dimensions of a conventional micro-titer plate.
  • the term "microtiter plate" is intended to include such an arrangement.
  • the Glasslide be used directly as a solid layer, which is irradiated by the ultrasonic wave. In this way, a particularly compact arrangement can be realized.
  • an adhesive film with only one hole is used in an analogous manner.
  • the method according to the invention can also be carried out with a device analogous to a microtitre plate, in which a field of partial regions is provided on a substrate, which are preferably wetted by the liquid to be mixed and thus serve as anchorage for the liquid to be mixed. If these fields are arranged in the grid dimension of a conventional microtitre plate, then, after application of the liquid, a lateral distribution of the liquid results, as in a conventional microtitre plate, wherein individual drops are held together by their surface tension.
  • the term "microtitre plate" is intended to include such embodiment.
  • a microtiter plate can be placed on the solid layer. Is z. B. only one transducer, so the micro-titer plate on the solid state layer be moved to sonicate different cavities with ultrasound. In this way, it can be individually selected which microcavity is to be exposed to the mixing.
  • a field of piezoelectric transducers below the solid state layer used which have the same arrangement as the cavities of a micro-titer plate. If these sound transducers are individually controlled, the liquids in the individual cavities can be mixed independently. Such a field of piezoelectric transducers can be easily integrated into automation solutions.
  • ultrasound is coupled into the solid-state layer with the aid of an ultrasound wave generating device such that ultrasound power can be coupled into a corresponding number of microcavities at least at two outcoupling points from the solid-state layer.
  • This can be z. B. be achieved by an ultrasonic wave generating device which radiates bidirectionally.
  • the ultrasonic wave is generated by means of an interdigital transducer on a piezoelectric crystal deposited on a piezoelectric crystal.
  • the piezoelectric crystal carrying the interdigital transducer may be glued, pressed, bonded or bonded, pressed or bonded to the solid state layer via a coupling medium (eg electrostatically or via a gel film).
  • a coupling medium eg electrostatically or via a gel film.
  • Such interdigital transducer are comb-like metallic electrodes whose double finger spacing defines the wavelength of the surface acoustic wave and by optical photolithography z. B. can be made in the range of 10 microns finger spacing.
  • Such interdigital transducers be z. B. on piezoelectric crystals provided to excite surface acoustic waves in a conventional manner.
  • volume sound waves can be generated in the solid-state layer in a different manner, which transpose this obliquely.
  • the interdigital transducer generates a bi-directionally radiating interfacial wave (LSAW) at the interface between the piezoelectric crystal and the solid state layer on which it is deposited.
  • This interface leakage wave radiates energy as volume sound waves (BAW) into the solid state layer.
  • BAW volume sound waves
  • the piezoelectrically induced deformations in the piezoelectric crystal below the comb-like interdigitated interdigital transducer fingers radiate volume sound waves (BAW) also directly into the solid-state layer.
  • the angle of incidence relative to the normal of the solid-state layer, the levitation angle So be predetermined by the frequency. Both effects can occur side by side.
  • Both mechanisms allow oblique irradiation of the solid state layer.
  • the entire electrical contacting of the interdigital transducer can take place on the side of the solid-state layer facing away from the microcavity or the liquid.
  • the interdigital transducer is located on the piezoelectric element on a side of the solid state layer facing away from the microcavity. Due to the described oblique coupling of the ultrasonic wave in the solid state layer also geometries are possible in which the interdigital transducer is arranged with the piezoelectric element on an end face of the solid state layer.
  • the material of the solid-state layer to be penetrated is selected with regard to the acoustic attenuation at the frequencies used and the reflection properties of the interfaces such that a partial reflection of an obliquely coupled-in ultrasonic wave takes place.
  • a compensating medium between micro-titer plate and solid state layer may be provided, so that adjusts an interface between the compensating medium and toteurschallender solid state layer, in which a reflection coefficient of z. B. sets 80% to 90% for an ultrasonic wave of the frequency used, so that 10% to 20% of the current in the solid state layer ultrasonic wave are coupled out and the rest is reflected.
  • the ultrasonic wave Due to the reflection at the interfaces, the ultrasonic wave is guided through the solid-state layer as in a waveguide. Where the ultrasonic wave strikes the interface between the solid-state layer and the compensation medium or solid-state layer and liquid in one of the microcavities, part of the ultrasonic power is decoupled.
  • the thus defined Auskopplungsorte the ultrasonic power can be determined locally accurate. In such a process management can thus z. B. several micro-cavities of a micro-titer plate are sonicated simultaneously with ultrasonic power without a large number of transducers would be necessary. Problems that z. B. could occur with the wiring of a variety of transducers are avoided in this way.
  • interdigital transducers with non-constant finger spacing allow the selection of the Abstrahlungsortes the interdigital transducer using the applied frequency. In this way it can be precisely determined at which point the ultrasonic wave emerges from the solid-state layer.
  • tapped interdigital transducers which additionally has not just trained finger electrodes, in particular z.
  • the azimuth angle ⁇ can be controlled by varying the operating frequency.
  • the levitation angle ⁇ with the frequency can be changed by the direct BAW generation at the interdigital transducer.
  • z. B one or more interdigital transducers for generating the ultrasonic waves, which are either contacted separately or contacted together in series or parallel to each other. For example, with different finger electrode spacing they can be controlled separately via the choice of frequency and thus also offer the possibility of selecting specific areas.
  • the ultrasound wave can be diffusely scattered by suitably selecting a diffusely scattering surface of the solid-state layer.
  • a diffusely scattering surface of the solid-state layer For this purpose, the corresponding area z. B. roughened. Targeted such a roughened surface can also be used to selectively expand the ultrasonic wave to be able to sonicate a larger area.
  • Suitable angularly arranged lateral end faces of the solid state layer can be used for targeted reflection and guide the sound beam defined.
  • the substrate may be formed separately or z.
  • B. be formed by the bottom of a micro-titer plate or a microcavity.
  • the substrate may, for. Example, also include a glass lid, on which an adhesive film is fixed with preferably periodically arranged holes, to obtain in this way an array of microcavities.
  • a glass slide with a glued-on perforated adhesive film can be used like a microtitre plate.
  • a switching device which applies high-frequency electrical power to individual sound transducers.
  • FIG. 1 schematically shows an arrangement in cross-section for explanation.
  • 1 shows a piezoelectric thickness vibrator, the operation of which will be explained with reference to FIG. 9 shows the schematic cross section through a microtitre plate in the region of the cavities 3. Shown are three cavities, but microtitre plates generally have 96, 384 or 1536 cavities in a rectangular arrangement.
  • the diameter D of a single cavity 3 is greater than the diameter d of the piezoelectric thickness vibrator 1.
  • the diameter D is a 96-well microtiter plate 6 mm and the thickness vibrator has a diameter of 3 mm.
  • the micro-cavities 3 of the micro-titer plate 9 is liquid 5. The liquid is shown with due to the surface tension upwardly curved surface.
  • F denotes the mean level in a single microcavity. Between the thickness vibrator and the microcavities is solid material 15, z. B. formed from plastic, metal or glass to protect the Dickenschwingers or contacts. 19 designates a planar electrode below the substrate 15. This electrode forms an electrical connection for the piezoelectric thickness oscillator 1.
  • the other electrode of the thickness vibrator is designated 21.
  • the electrodes 19, 21 are connected to the high-frequency generator 17 via electrical connections 23, 25.
  • an optional coupling medium 11, 13, z On the main surfaces of the substrate 15 is an optional coupling medium 11, 13, z.
  • As water, oil, glycerol, silicone, epoxy resin or a gel film to compensate for unevenness of the individual layers and to ensure optimal sound coupling.
  • Shown is a state in which the thickness vibrator 1 radiates an ultrasonic wave in the direction of the central cavity shown, whereby a movement in the liquid 7 is generated.
  • Figure 2 shows another arrangement. Like elements are designated by like reference numerals. Individual thickness transducers for the individual microcavities of the micro-titer plate 9 are provided. With the aid of a switching device 26, the high-frequency signal of the high-frequency generator 17 can be applied to the different thickness oscillator 1. 31 schematically indicates an optional sound-absorbing medium that prevents crosstalk. This sound-absorbing medium may be a structuring or a suitably selected plastic.
  • Figure 3 shows an arrangement in which one or more sound transducers 33 are used, which are connected via waveguides 35 to the bottoms of various cavities.
  • These waveguides are preferably made of a material with similar acoustic properties as the thickness oscillator itself in order to optimize the coupling, so z.
  • FIG. 4 shows the arrangement in a grid.
  • FIG. 4a shows the top view of a 96-well microtitre plate.
  • Figure 4b shows the top view of the arrangement of individual piezoelectric thickness vibrator 27 on a substrate 29.
  • the pitch of the micro-titer plate R is also observed for the distance of the piezoelectric thickness vibrator 27.
  • the thickness vibrator may be fully applied to the substrate 29 and only the electrode assembly may correspond to the pattern of the microtitre plate.
  • Figure 5 shows in detail the cross section through a single microcavity for explanation.
  • 2 shows the ultrasonic wave which is emitted by the thickness oscillator.
  • 6 designates the meniscus without irradiated ultrasonic wave and 4 the meniscus during irradiation.
  • the thickness of the substrate 15 including the possible coupling media 11, 13 is greater than 1 ⁇ 4 of the wavelength of the ultrasonic wave in the substrate, which is typically in the range of a few hundred microns.
  • materials for the substrate z.
  • metal such as aluminum, glass or plastic in question.
  • thickness is meant the thickness of the substrate 15 in the sound propagation direction. In a substrate made of aluminum, the wavelength of a 20 MHz sound wave z. B. 315 microns, in glass 275 microns and in plastic 125 microns,
  • Figure 6 illustrates the principle of the piezoelectric thickness vibrator 1.
  • an ultrasonic wave is generated perpendicular to the surface area of the thickness vibrator.
  • the oscillation direction is designated 37.
  • a thickness of the thickness of z. B. 200 microns results in a wavelength of 400 microns, when the fundamental is excited.
  • materials come piezoelectric single crystals, z.
  • Other vibrators have piezoelectric layers, e.g. As cadmium sulfide or zinc sulfide or piezoelectric ceramics, for.
  • piezoelectric polymers eg, polyvinylidene difluoride
  • the material of the solid 15 or of the microtiter plate 9 is acoustically adapted to the sound transducer, that is to say has a similar speed of sound and density.
  • FIG. 7 shows a device which can be used like a one-piece microtitre plate.
  • a perforated adhesive film 110 is applied to a glass lid (eg a slide) 109.
  • FIG. 7b shows a plan view in which the cutting direction AA 'of the section shown in FIG. 7a is indicated.
  • the grid R of holes corresponds to z. B. the pitch of a conventional micro-titer plate.
  • the periodically arranged holes 3 define microcavities which are also present in a microtitre plate.
  • a device of Figure 7 may be employed as a microtitre plate, and for purposes of the present text, the term "microtitre plate" shall also include a corresponding arrangement.
  • a mixing method can be performed with the above-described apparatuses as follows.
  • the micro-titer plate 9 On the substrate 15, the micro-titer plate 9 is placed. For optimum compensation of unevenness, a compensation medium 11, for. As water, are arranged in between.
  • the micro-titre plate 9 is placed in such a way that it is arranged with a cavity 3 above the piezoelectric thickness oscillator 1 (FIG. 1).
  • the liquid 5 is introduced into the microcavities 3, taking care that the filling level F is sufficiently high to be greater than the wavelength of the ultrasound which can be generated by the thickness oscillator.
  • Applying high frequency to the electrodes 19, 21 of the thickness oscillator 1 by means of the high-frequency generator 17 generates an ultrasonic wave perpendicular to the thickness vibrator 1, which propagates in the direction of the middle shown cavity 3 and causes a mixing of the liquid 7 therein.
  • the ultrasonic beam whose lateral extent is the size of the thickness vibrator 1, strikes the microcavity 3 from below and generates an impulse and a flow upwards in the liquid, which can lead to a deformation of the meniscus 4 (see FIG. 5). Laterally to the upward ultrasonic beam, the liquid can flow down again, so that thereby a mixing of the liquid is achieved.
  • the microtiter titer may be added to expose another microcavity to the ultrasound.
  • FIG. 4b shows the plan view of an arrangement of the piezoelectric thickness oscillators 27 used for this purpose.
  • the ultrasound is generated by means of the ultrasound generator 33 and passed through waveguide 25 under the microcavities, which are then sonicated simultaneously with ultrasound.
  • the high-frequency excitation can be done in all embodiments in the form of an intense needle pulse. This contains many Fourier coefficients, so that the resonance frequency of the thickness vibrator 1 is taken. Alternatively, the high frequency signal is equal to the resonance frequency of the thickness vibrator or a harmonic fed. Typical frequencies are in the range of greater than or equal to 10 MHz.
  • FIG. 8 a shows an embodiment according to the invention in which an interdigital transducer 101, which is indicated only schematically, is used to generate the sound wave.
  • 115 denotes the substrate, e.g. B. of quartz glass.
  • 102 is a piezoelectric crystal element, e.g. B. from lithium niobate.
  • the z. B. was applied in advance on the piezoelectric crystal 102.
  • An interdigital transducer is typically formed of comb-like interdigitated metallic electrodes whose double finger spacing defines the wavelength of a surface acoustic wave generated by applying a high frequency alternating field (in the range of, for example, several MHz to several hundred MHz) to the interdigital transducer in the piezoelectric crystal be stimulated.
  • a high frequency alternating field in the range of, for example, several MHz to several hundred MHz
  • the term "surface acoustic wave” is also intended to encompass interfacial waves at the interface between piezoelectric element 102 and substrate 115.
  • a low acoustic attenuation material at the frequencies used is used as the substrate 115.
  • quartz glass is suitable for Frequencies in the range of 10 MHz to 250 MHz
  • Interdigital transducers are described in DE-A-101 17 772 and known from surface wave filter technology Electrodes of the interdigital transducer 101 serve metallic leads, which are not shown in FIG. 8a and will be explained in more detail with reference to FIG.
  • ultrasonic waves 104 can be generated in the indicated direction, which as described above, pass through the glass body 115 at an angle ⁇ to the normal of the substrate 115 volume sound waves.
  • 111 denotes an optional coupling medium between glass body 115 and micro-titer plate 109, as described above for another embodiment.
  • 108 designate the regions of the interface between glass body 115 and coupling medium 111, which are essentially hit by the volume sound waves 104.
  • 106 denotes the reflection points at the interface substrate 115 / air.
  • 109 describes a microtitre plate in whose cavities 103 the liquid 105 is located.
  • volume sound waves 104 entering the substrate are generated obliquely. These impinge at the points 108 on the interface between substrate 115 and coupling medium 111.
  • Appropriate selection of substrate material 115 causes part of the ultrasonic wave 104 to be reflected at points 108 and another part to be coupled out. In this case, the materials are selected such that at the interface between substrate 115 and coupling medium 111, a partial reflection takes place, at the interface between substrate 115 and air, ie at points 106, an almost complete reflection begins.
  • the intensity of the beam 104 reflected multiple times in the glass substrate decreases by about 10 dB after ten reflections.
  • the beam has already covered a lateral distance of 250 mm.
  • the bottom of the micro-titer plate 109 itself serves as a substrate, on the underside of which the piezoelectric crystal 102 is attached or pressed.
  • the ultrasonic wave 104 is then coupled directly into the bottom of the microtiter plate and decoupled into the liquid at the interface formed by the bottom of the individual microcavities, as described for the embodiment shown for coupling into the coupling medium.
  • FIG. 8b serves to explain how with an embodiment according to the invention of FIG. 8a different coupling-in angles can be set by selecting different frequencies.
  • the emission angle ⁇ can be adjusted into the substrate 115 by varying the excitation frequency.
  • V s the sound velocity of the ultrasonic wave
  • f is the frequency
  • I IDT the Periodicity of the interdigital transducer electrodes.
  • Figure 9 shows a variation of Figure 8. Shown is a lateral. Sectional View From the bidirectionally radiating interdigital transducer 101, a beam 104L in the figure 9 goes to the left and a beam 104R to the right obliquely into the substrate 115. At the edge 112 of the substrate 115, the sound beam 104L is reflected and in the direction of the interface between substrate 115 and Coupling medium 111 deflected.
  • the impact points 108 can be adapted to the pitch of a micro-titer plate.
  • the interdigital transducer 101 is located on the piezoelectric element 102 not on a major surface of the substrate 115, but on an end face, for. B. at the edge 112, as is visible in Figure 9. In this way, it is also possible with the bidirectionally emitting interdigital transducer 101 to produce two volume sound waves 104, which pass obliquely through the substrate 115 and can be used analogously to the method procedure shown in FIG. 9.
  • a plurality of interdigital transducers may be juxtaposed on one or more piezoelectric elements 102 to sonicate not only a row of microcavities 103 but a field of juxtaposed rows, as shown corresponds to a conventional micro-titer plate.
  • FIG. 10 a shows a plan view of a cross-section of an arrangement according to the invention, approximately at the level of the surface of the substrate 115, which enables a special steering of the sound beam in the substrate 115.
  • sound beams 104 strike at the points 108 on the upper boundary surface of the substrate 115. Not visible in the illustration of the figure, therefore, the beam is guided through the substrate 115 in the form of a zigzag line analogous to the sectional illustration in FIG. 8a.
  • the thus-directed sound beam 104 is deflected at interfaces 110 of the substrate 115.
  • suitable geometry of the surfaces 110 a desired movement pattern of the sound beam can be generated.
  • FIG. 10b shows an arrangement according to the invention with which it can be achieved that a planar substrate 115 can be covered almost completely by means of only one bidirectionally emitting interdigital transducer 101 in this way, this being done with the aid of multiple reflections on the side surfaces 110 of the substrate 115 is reached.
  • the reflection points on the main surface of the substrate 115 are not shown for the sake of clarity, but only the propagation direction the ultrasonic waves 104, by reflection on the major surfaces of the substrate 115, such as. B. described with reference to Figure 8a, is effected.
  • FIG. 11 shows a lateral section through another arrangement according to the invention for carrying out a method according to the invention.
  • the beam cross-section is effectively broadened here by using a plurality of interdigital transducers 101 for generating parallel beams 104.
  • the upper boundary surface of the substrate 115 are sonicated to z.
  • Fig. 12 shows an arrangement with volume oscillator for illustrative purposes only.
  • a piezoelectric volume oscillator 130 for example, a piezoelectric thickness oscillator, is used, which is arranged such that an oblique coupling of the sound wave takes place for this purpose, a so-called wedge transducer is used.
  • FIG. 13 shows an embodiment according to the invention in which an edge 108 of the substrate 115 is roughened in order to achieve a diffuse reflection of the impinging sound wave 104. This can be useful to disable an unwanted sound beam reflected at an edge.
  • the sound beam 104 in such an embodiment, similar to that explained with reference to FIG. 8, is guided by the substrate 115 in the manner of a waveguide by reflections on the upper and lower main surfaces of the substrate 115. At the roughened surface 118 diffuse reflection into the individual beams 120 takes place. In this way, the directional sound beam 104 can be made ineffective or widened such that a homogeneous irradiation of a plurality of microcavities which are located on the substrate 115 is possible.
  • FIG. 13 again shows a plan view to a cross section approximately corresponding to the upper boundary surface of the substrate 115.
  • FIG. 14 shows an embodiment according to the invention, in which the back surface 114 of the substrate 115 is roughened.
  • the interdigital transducer 101 is located on this rear surface.
  • the beam 104 is widened by diffraction due to the roughened surface. This effect is further enhanced in the further reflections on the surface 114.
  • the Einkoppeltician is widened accordingly.
  • FIG. 14 shows a partial cross-sectional view in which the microtitre plate was not shown.
  • FIG. 15 shows only a partial cross-sectional view in which the substrate 115 is shown. On the substrate 115 are in described and not shown here, for. B. the coupling medium 111 and the micro-titer plate 109th
  • Figure 16 shows a further embodiment of the invention in a schematic representation.
  • the view of the interface between substrate 115 and coupling medium 111 is shown.
  • only a few interdigitated fingers of the interdigital transducer 201 are shown here for clarity, although a realized interdigital transducer has a larger number of finger electrodes.
  • the spacing of the individual finger electrodes of the interdigital transducer 201 is not constant.
  • the interdigital transducer 201 therefore radiates at a high frequency fed only in a place where the finger spacing correlates with the frequency, as it is for another application z. B. in WO 01/20781 A1 is described.
  • the finger electrodes are also not straight, but arcuate. Since the interdigital transducer radiates substantially perpendicular to the orientation of the fingers, the direction of the radiated surface acoustic wave can be determined in this way by selecting the supplied high frequency.
  • FIG. 16 shows, by way of example, the emission directions 204 for two frequencies f1 and f2, wherein at the frequency f1 the emission direction is indicated by the angle ⁇ 1 and for the frequency f2 by the angle ⁇ 2. 16 schematically shows the plan view of the interface between the piezoelectric substrate 102 on which the interdigital transducer 201 is applied and the substrate 115 which is in contact with the piezoelectric substrate 102.
  • FIGS. 17a to 17c show different possibilities for electrical contacting of the interdigital transducer electrodes in the embodiments of FIGS. 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15 or 16.
  • metallic traces are formed on the Substrate 115 applied on the back.
  • the piezoelectric crystal 102 with the interdigital transducer 101 is placed on the substrate 115 so as to overlap the metallic electrode on the substrate 115 with an electrode of the interdigital transducer 101 on the piezoelectric substrate 102.
  • bonding the piezoelectric transducer to the substrate is glued in the overlap region with electrically conductive adhesive, whereas the remaining surface is glued with conventional non-electrically conductive adhesive. If necessary, purely mechanical contact is sufficient.
  • the electrical contact 122 of the metallic interconnects on the substrate 115 in the direction of the high-frequency generator electronics, not shown, is done by a solder joint, an adhesive connection or a spring contact pin.
  • the piezoelectric crystal 102 on which the interdigital transducer electrodes with leads 124 are applied is applied to the substrate 115 such that a protrusion from the first to the second results.
  • the contacting continues 122 directly on the applied on the piezoelectric crystal 102 electrical leads 124.
  • the contact can be soldered, glued or bonded or done by means of a spring contact pin.
  • the substrate 115 is provided with a hole 123 per electrical contact and the piezoelectric crystal 102 is placed directly on the substrate 115, that applied to the piezoelectric transducer electrical leads through the holes 123 can be contacted through.
  • the electrical contact can be made in this case by a spring contact pin directly on the electrical leads on the piezoelectric crystal 102.
  • Another possibility is to fill the hole with a conductive adhesive 123 or glue it to a metallic bolt.
  • the further contacting 122 in the direction of high-frequency generator electronics then takes place by means of a solder connection, a further adhesive connection or a spring contact pin.
  • the electrical leads to the interdigital transducer electrodes are formed such that they serve as an antenna for contactless control of the high-frequency signal.
  • this is an annular electrode on the piezoelectric substrate, which serves as a secondary circuit of a high-frequency transformer whose primary circuit is connected to the high-frequency generator electronics. This is kept external and is mounted directly adjacent to the piezoelectric transducer.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchmischung von Flüssigkeiten in Mikrokavitäten und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • Mikrokavitäten, z. B. in der Anordnung von Mikro-Titerplatten, werden in der pharmazeutischen Forschung und Diagnostik als Reaktionsgefäße eingesetzt. Auf Basis des Standardformates von Mikro-Titerplatten sind hochautomatisierte Prozeßabläufe in modernen Labors möglich. So sind z. B. Pipettierroboter, Geräte zur optischen Auslesung biologischer Assays und auch die entsprechenden Transportsysteme auf das Standardformat abgestimmt. Solche Standard-Mikro-Titerplatten gibt es heute mit 96, 384 oder 1536 Kavitäten. Typische Volumina liegen je Kavität im Bereich von 300 µl für 96er Titerplatten, etwa 75 µl für 384er Mikro-Titerplatten sowie etwa 12 µl für 1536er Titerplatten. Mikro-Titerplatten sind im allgemeinen aus Kunststoff gefertigt, z. B. aus Polypropylen oder Polystyrol, und häufig beschichtet oder biologisch funktionalisiert.
  • Die Miniaturisierung in Form solcher Mikro-Titerplatten bzw. Mikrokavitäten im allgemeinen findet seine Begründung in den oftmals teuren Reagenzien und in der Tatsache, daß Probenmaterial oft nicht in gewünschter Menge zur Verfügung steht, so daß Reaktionen bei hoher Probenkonzentration nur durchgeführt werden können, wenn die Volumina entsprechend verringert werden.
  • Um die Reaktionen zu beschleunigen sowie homogene Reaktionsbedingungen sicherzustellen, ist es wünschenswert, die Reaktanden während der Reaktion zu durchmischen. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn ein Reaktionspartner ("Sonde") gebunden ist, d.h. ein inhomogener Assay vorliegt. Hier kann eine Durchmischung eine Verarmung der Probe an den gebundenen Sonden verhindern. Ganz allgemein ist bei fehlender Durchmischung häufig die Diffusion der Reaktanden der zeitbestimmende Schritt. Es kommt dadurch zu langen Reaktionszeiten und geringem Probendurchsatz.
  • Mikro-Titerplatten bzw. allgemein Mikrokavitäten werden bei bekannten Verfahren mittels sogenannter Schüttler durchmischt. Solche Schüttler umfassen mechanisch bewegliche Teile und sind zum einen schwer in hochautomatisierte Linien zu integrieren. Die Durchmischung ist darüber hinaus insbesondere in kleinen Kavitäten, also z. B. 384er Mikro-Titerplatten oder 1536er Mikro-Titerplatten sehr ineffizient. Bei so kleinen Mikrokavitäten werden kleine Flüssigkeitsmengen scheinbar sehr viskos und in kleinen Volumina sind nur laminare Strömungen möglich, d.h. es gibt keine Turbulenzen, die eine effektive Durchmischung bewirken würden. Um trotz der bei kleinen Flüssigkeitsmengen scheinbar hoch werdenden Viskosität einen ausreichenden Mischungseffekt zu erzielen, sind hohe Leistungen des Schüttlers notwendig.
  • So beschreibt WO 00/10011 ein Verfahren, mit dessen Hilfe eine Mikrokavität im Frequenzbereich von 1 bis 300 kHz geschüttelt wird. Es werden Leistungen von 0,1 bis 10 Watt appliziert.
  • In der Literatur sind verschiedene andere Verfahren zur Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen beschrieben.
  • In US 2002/0009015 A1 wird zur Mischung die Ausnutzung von Kavitation beschrieben, also Nukleation, Expansion und Zerfall oder Kollaps eines lokalen Vakuumraumes in der Flüssigkeit oder einer Blase, also eines lokalen Gas-/Dampfraumes in der Flüssigkeit, aufgrund eines akustischen Druckfeldes. Das Mischen der Flüssigkeit wird durch die Eigendynamik des lokalen Vakuumraumes bzw. der Blase, also deren Expansion und Zerfall erreicht. Um die akustische Leistungsschwelle zur Bildung der lokalen Vakuumräume bzw. der Blasen herabzusetzen, werden Nukleationskeime benötigt. Durch diese Nukleationskeime ist die Gefahr der Verunreinigung groß. Zudem ist die Bildung von lokalen Vakuumräumen oder Blasen oftmals unerwünscht.
  • Andere bekannte Verfahren (z. B. "Microfluidic motion generation with acoustic waves", X. Zhu et al. Sensors and Actuators, A. Physical, Vol. 66/1-3, page 355 to 360 (1998) oder "Novel acoustic wave micromixer", V.Vivek et al., IEEE International Microelectro mechanical systems conference 2002, pages 668 to 673, oder US 5,674,742) beschreiben die Verwendung von membranartigen Elementen, die in sogenannten "flexural plate wave modes" schwingen. Das bewegungsvermittelnde Medium ist dabei in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit. Die Herstellung derartig dünner Membranen ist sehr kompliziert und die Gefahr der Verunreinigung durch den Kontakt der Flüssigkeit mit dem bewegungsvermittelnden Medium ist erhöht.
  • US 6,357,907 B1 beschreibt die Verwendung von magnetischen Kügelchen, die sich in einem externen, zeitlich oder räumlich variablen Magnetfeld bewegen. Zur Durchführung des Mischvorganges müssen die Kügelchen in die Flüssigkeit eingebracht werden, was aufgrund von Verunreinigungsproblemen oftmals nicht erwünscht ist.
  • US 6,244,738 B1 beschreibt einen Mischvorgang in einem langgestreckten geschlossenen Kanal. Zwei Flüssigkeitsströme strömen an einem Ultraschallgeber vorbei und werden im Mikrokanal durchmischt. Zur Durchführung des Verfahrens ist ein komplizierter Aufbau mit einem Mikrokanalsystem notwendig und es sind keine separaten, einzelnen Volumina mischbar.
  • US 5,736,100 beschreibt die Verwendung eines Drehtellers mit kleinen Gefäßen, in die Mikrokavitäten, z. B. Eppendorf caps, eingesetzt werden können. In diesen Töpfchen befindet sich z. B. Wasser, das von außen mit Ultraschall bestrahlt wird. Die beschriebene Vorrichtung wirkt also wie ein konventionelles Ultraschallbad. Das Wasser wird in Schwingung versetzt und wirkt als bewegungsvermiffeindes Element direkt auf das jeweilige Töpfchen, das auf diese Weise gerüttelt wird.
  • DE-A-101 17 772 beschreibt die Durchmischung von Flüssigkeiten unter Verwendung von Oberflächenschallwellen, die mit Hilfe von Interdigitaltransducern erzeugt werden. Die Flüssigkeit befindet sich direkt auf dem schallvermittelnden Medium selbst. Zumindest bei Mehrfachverwendung der Vorrichtungen besteht die Gefahr der Kontamination. Ein Einsatz mit einer Mikro-Titerplatte ist bei den beschriebenen Anordnungen nicht möglich.
  • US 6,168,948 B1 beschreibt einen akustischen Mischprozess zum Mischen einer Probe in einer Reaktionskammer unter Einsatz eines piezoelektrischen Volumenschwingelements bei einer Frequenz von 2 MHz.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die eine effektive Durchmischung von Flüssigkeiten in Mikrokavitäten, insbesondere einer Mikro-Titerplatte, ermöglichen und die Gefahr der Kontamination gering halten.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 und einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 21 gelöst. Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungen gerichtet.
  • Erfindungsgemäß wird mit Hilfe zumindest eines piezoelektrischen Schallwandlers eine Ultraschallwelle einer Frequenz größer oder gleich 10 MHz durch eine Festkörperschicht hindurch in Richtung der zumindest einen Mikrokavität und der darin befindlichen Flüssigkeit geschickt, um dort eine schallinduzierte Strömung zu erzeugen. Das Ausmaß der Festkörperschicht in Schallausbreitungsrichtung ist größer als ein ¼ der Wellenlänge der Ultraschallwelle.
  • Der Frequenzbereich größer oder gleich 10 MHz stellt sicher, daß ein Rütteln der gesamten Vorrichtung, wie sie z. B. bei Schüttelmechanismen des Standes der Technik verwendet wird, bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht auftritt. Eine Festkörperschicht, die größer ist als ¼ der Wellenlänge der Ultraschallwelle, kann wirksam verhindern, daß sich membranartige "flexural plate wave modes" oder Lamb-modes ausbilden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren tritt der Ultraschall durch die Festkörperschicht direkt in die Mikrokavität ein und erzeugt dort eine schallinduzierte Strömung. Die Verwendung der hohen Frequenz stellt zudem sicher, daß die Schallabsorption in der Flüssigkeit groß ist.
  • Die zu durchmischende Flüssigkeit ist nicht in direktem Kontakt mit dem schallerzeugenden bzw. -vermittelnden Medium. Eine Kontamination bei Mehrfachverwendung ist also ausgeschlossen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine effektive Durchmischung mit Leistungen erreicht werden, die typischerweise kleiner sind als 50 Milliwatt pro Kavität. Bei guter akustischer Anpassung kann der Wert auch auf kleiner als 5 Milliwatt pro Kavität gesenkt werden.
  • Als Festkörperschicht kann ein gesondertes Substrat, z. B. aus Kunststoff, Metall oder Glas eingesetzt werden. Die Dicken liegen je nach der verwendeten Ultraschallwellenlänge z. B. im Bereich von 0,1 mm bis zu einigen cm. Typische Ultraschallwellenlängen liegen im Bereich von 10 µm bis 100 µm. Die Festkörperschicht kann auch z. B. durch den Boden einer Mikrokavität oder den Boden einer Mikro-Titerplatte direkt gebildet werden, der ggf. auf eine gewünschte Dicke eingestellt bzw. geschliffen wird, bzw. den Boden umfassen.
  • Der piezoelektrische Schallwandler kann entweder monochromatisch durch Anlegen eines Hochfrequenzsignales der Resonanzenergie bzw. einer Harmonischen angeregt werden (kontinuierlich oder gepulst). Durch Wechsel der Frequenz oder Amplitude kann gezielt Einfluß auf das sich ergebene Mischmuster genommen werden. Einspeisung der Resonanzfrequenz des Schallwandlers erhöht zudem die Effizienz der Umwandlung der elektrischen in akustische Energie.
  • Vorteilhaft kann aber auch ein Nadelimpuls verwendet werden, der neben vielen anderen Fourier-Koeffizienten in der Regel auch solche aufweist, die den Schallwandler resonant anregen können. Dies senkt die Anforderungen an die benötigte Elektronik, da keine spezielle Frequenz einstellbar sein muß.
  • Besonders effektiv ist die Ultraschallabsorption in der zu mischenden Flüssigkeit, wenn die Wellenlänge der Ultraschallwelle so gewählt wird, daß sie in der Flüssigkeit kleiner oder gleich dem mittleren Füllstand in der Mikrokavität ist.
  • Der Schallwandler kann unter der Festkörperschicht vollflächig ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die laterale Ausdehnung des Schallwandlers kleiner ist als das laterale Ausmaß der verwendeten Mikrokavität. Zum einen ist bei größerem Schallwandler der kapazitive Anteil seiner Impedanz erhöht, wodurch sich die elektrische Anpassung verändert, und zum zweiten ist die Mischeffizienz kleiner, wenn der Schallwandler größer ist als das laterale Ausmaß der Mikrokavität. Wenn das laterale Ausmaß des Schallwandlers andererseits kleiner ist als das laterale Ausmaß der Mikrokavität, hat der Ultraschallstrahl eine kleinere laterale Ausdehnung als das laterale Ausmaß der Mikrokavität. Seitlich des nach oben gerichteten Ultraschallstrahles kann die Flüssigkeit wieder nach unten fließen, so daß dadurch eine optimale Durchmischung der Flüssigkeit erreicht wird. Zum Beispiel kann die Ultraschallwelle zentral von unten in die Mikrokavität eingekoppelt werden, so daß sich die Flüssigkeit zentral in der Mikrokavität nach oben bewegt und am Rande der Mikrokavität wieder nach unten zurückfließen kann.
  • Der letztgenannte Effekt kann bei einer alternativen Verfahrensführung erreicht werden, indem zwischen den Schallwandler und die Mikrokavität eine Zwischenschicht eingebracht wird, die ein schallabsorbierendes Material in einer Anordnung umfaßt, die es dem Ultraschall nur in einem begrenzten räumlichen Bereich ermöglicht, in Richtung der Mikrokavität zu propagieren. Beispiele für vorteilhaft einsetzbare schallabsorbierende Medien sind Silikon, Kautschuk, Silikonkautschuk, weiches PVC, Wachs o.ä.
  • Zwischen der Mikrokavität und dem Festkörpermaterial kann ein flüssiges oder festes Ausgleichsmedium, z. B. Wasser, Öl, Glyzerin, Silikon, Epoxidharz oder ein Gelfilm eingebracht werden, um Unebenheiten auszugleichen und einen sicheren akustischen Kontakt zu gewährleisten.
  • Als Mikrokavitäten können z. B. Eppendorf caps oder Pipettenspitzen oder andere Mikroreaktoren eingesetzt werden. Um den Prozeß parallelisieren zu können, können mehrere Mikrokavitäten gleichzeitig eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Mikro-Titerplatte, die bereits in einem vorgegebenen Rastermaß eine große Anzahl von Kavitäten bereitstellt.
  • Ebenso können mehrere Mikrokavitäten z. B. mit Hilfe einer Klebefolie mit Löchern auf einem Glasslide definiert werden, vorzugsweise in den Maßen einer herkömmlichen Mikro-Titerplatte. Für die Zwecke des vorliegenden Textes soll der Begriff "Mikro-Titerplatte" eine solche Anordnung mit umfassen. Bei einer solchen Ausführungsform kann z. B. das Glasslide direkt als Festkörperschicht eingesetzt werden, die von der Ultraschallwelle durchstrahlt wird. Auf diese Weise ist eine besonders kompakte Anordnung realisierbar. Für die Realisierung von nur einer Mikrokavität wird in analoger Weise eine Klebefolie mit nur einem Loch eingesetzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch mit einem einer Mikro-Titerplatte analogen Device durchführbar, bei dem auf einem Substrat ein Feld von Teilbereichen vorgesehen ist, die bevorzugt von der zu durchmischenden Flüssigkeit benetzt werden und so als Ankerplatz für die zu durchmischende Flüssigkeit dienen. Sind diese Felder im Rastermaß einer konventionellen Mikro-Titerplatte angeordnet, so ergibt sich nach Aufbringen der Flüssigkeit eine laterale Verteilung der Flüssigkeit wie bei einer herkömmlichen Mikro-Titerplatte, wobei einzelne Tropfen durch ihre Oberflächenspannung zusammengehalten werden. Im vorliegenden Text soll der Begriff "Mikro-Titerplatte" eine solche Ausführung mit umfassen.
  • Eine Mikro-Titerplatte kann auf die Festkörperschicht aufgesetzt werden. Ist z. B. nur ein Schallwandler vorhanden, so kann die Mikro-Titerplatte auf der Festkörperschicht bewegt werden, um unterschiedliche Kavitäten mit Ultraschall zu beschallen. Auf diese Weise kann individuell ausgewählt werden, welche Mikrokavität gerade der Durchmischung ausgesetzt werden soll.
  • Zur Durchmischung von Flüssigkeiten in den einzelnen Kavitäten einer Mikro-Titerplatte wird bei einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens z. B. ein Feld von piezoelektrischen Schallwandlern unterhalb der Festkörperschicht eingesetzt, die die gleiche Anordnung haben wie die Kavitäten einer Mikro-Titerplatte. Werden diese Schallwandler individuell angesteuert, können die Flüssigkeiten in den einzelnen Kavitäten unabhängig durchmischt werden. Ein solches Feld piezoelektrischer Schallwandler läßt sich einfach in Automatisierungslösungen integrieren.
  • Bei einer anderen vorteilhaften Verfahrensführung wird mit Hilfe einer Ultraschallwellenerzeugungseinrichtung Ultraschall derart in die Festkörperschicht eingekoppelt, daß Ultraschalleistung zumindest an zwei Auskoppelpunkten aus der Festkörperschicht in eine entsprechende Anzahl von Mikrokavitäten einkoppelbar ist. Dies kann z. B. durch eine Ultraschallwellenerzeugungseinrichtung erreicht werden, die bidirektional abstrahlt.
  • Bei der Erfindung wird die Ultraschallwelle mit Hilfe eines Interdigitaltransducers auf einem piezoelektrischen Kristall erzeugt, der auf einem piezoelektrischen Kristall aufgebracht ist.
  • Der den Interdigitaltransducer tragende piezoelektrische Kristall kann auf die Festkörperschicht geklebt, gepreßt, gebondet oder über ein Koppelmedium (z. B. elektrostatisch oder über einen Gelfilm) an die Festkörperschicht geklebt, gepreßt oder gebondet sein.
  • Derartige Interdigitaltransducer sind kammartig ausgebildete metallische Elektroden, deren doppelter Fingerabstand die Wellenlänge der Oberflächenschallwelle definiert und die durch optische Fotolithographieverfahren z. B. im Bereich um die 10 µm Fingerabstand hergestellt werden können. Solche Interdigitaltransducer werden z. B. auf piezoelektrischen Kristallen vorgesehen, um darauf Oberflächenschallwellen in an sich bekannter Weise anzuregen.
  • Mit Hilfe eines solchen Interdigitaltransducers können auf unterschiedliche Weise Volumenschallwellen in der Festkörperschicht erzeugt werden, die dieses schräg durchsetzen. Der Interdigitaltransducer erzeugt eine bidirektional abstrahlende Grenzflächenwelle (LSAW) an der Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Kristall und der Festkörperschicht, auf der er aufgebracht ist. Diese Grenzflächen-Leckwelle strahlt Energie als Volumenschallwellen (BAW) in die Festkörperschicht ab. Dadurch nimmt die Amplitude der LSAW exponentiell ab, wobei typische Abklinglängen etwa 100 µm sind. Der Abstrahlwinkel α der Volumenschallwellen in die Festkörperschicht gemessen gegen die Normale der Festkörperschicht ergibt sich aus dem Arcussinus des Verhältnisses der Schallgeschwindigkeit Vs der Volumenschallwelle in der Festkörperschicht und der Schallwelle VSAW der mit dem Interdigitaltransducer erzeugten Grenzflächenschallwelle (α=arcsin (Vs/VLSAW). Eine Abstrahlung in die Festkörperschicht ist daher nur möglich, wenn die Schallgeschwindigkeit in der Festkörperschicht kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit der Grenzflächen-Leckwelle. In der Regel werden daher in der Festkörperschicht transversale Wellen angeregt, da die longitudinale Schallgeschwindigkeit in der Festkörperschicht größer ist als die Geschwindigkeit der Grenzflächen-Leckwelle. Ein typischer Wert für die Grenzflächen-Leckwellengeschwindigkeit ist z. B. 3900 m/s.
  • Die piezoelektrisch hervorgerufenen Deformationen in dem piezoelektrischen Kristall unterhalb der kammartig ineinander greifenden Interdigitaltransducerfinger strahlen Volumenschallwellen (BAW) auch direkt in die Festkörperschicht ab. In diesem Fall ergibt sich ein Abstrahlwinkel α gemessen gegen die Normale der Festkörperschicht als Arcussinus des Verhältnisses einerseites der Schallgeschwindigkeit in der Festkörperschicht Vs und andererseits dem Produkt aus der Periode des Interdigitaltransducers IIDT und der angelegten Hochfrequenz f (α=arcsin (Vs/(IIDT · f)). Für diesen Schalleinkoppelungsmechanismus kann der Einstrahlwinkel gegenüber der Normalen der Festkörperschicht, der Levitationswinkel, also durch die Frequenz vorgegeben werden. Beide Effekte können nebeneinander auftreten.
  • Beide Mechanismen (LSAW, BAW) ermöglichen die schräge Durchstrahlung der Festkörperschicht. Die gesamte elektrische Kontaktierung des Interdigitaltransducers kann auf der der Mikrokavität bzw. der Flüssigkeit abgewandten Seite der Festkörperschicht stattfinden.
  • Bei einer einfach zu realisierenden Ausführungsform befindet sich der Interdigitaltransducer auf dem piezoelektrischen Element an einer der Mikrokavität abgewandten Seite der Festkörperschicht. Aufgrund der beschriebenen schrägen Einkopplung der Ultraschallwelle in die Festkörperschicht sind auch Geometrien möglich, bei denen der Interdigitaltransducer mit dem piezoelektrischen Element an einer Stirnfläche der Festkörperschicht angeordnet ist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Material der zu durchschallenden Festkörperschicht bezüglich der akustischen Dämpfung bei den verwendeten Frequenzen und den Reflexionseigenschaften der Grenzflächen derart ausgewählt wird, daß eine Teilreflexion einer schräg eingekoppelten Ultraschallwelle erfolgt. Zum Beispiel kann ein Ausgleichsmedium zwischen Mikro-Titerplatte und Festkörperschicht vorgesehen sein, so daß sich eine Grenzfläche zwischen Ausgleichsmedium und zu durchschallender Festkörperschicht einstellt, bei der sich ein Reflexionskoeffizient von z. B. 80% bis 90% für eine Ultraschallwelle der verwendeten Frequenz einstellt, so daß 10% bis 20% der in der Festkörperschicht laufenden Ultraschallwelle ausgekoppelt werden und der Rest reflektiert wird. Zwischen Festkörperschicht und Luft an der anderen Begrenzungsfläche der Festkörperschicht findet in der Regel eine nahezu 100%ige Reflexion statt. Bei einer anderen Ausgestaltung, bei der der Boden der Mikro-Titerplatte selbst als zu durchschallende Festkörperschicht eingesetzt wird, wird aus dem als Festkörperschicht dienenden Boden der Mikro-Titerplatte in die Flüssigkeit in der jeweiligen Mikrokavität 10% bis 20% der Ultraschalleistung ausgekoppelt und der Rest im Boden der Mikro-Titerplatte reflektiert.
  • Durch die Reflexion an den Grenzflächen wird die Ultraschallwelle wie in einem Wellenleiter durch die Festkörperschicht geführt. Dort wo die Ultraschallwelle auf die Grenzfläche zwischen Festkörperschicht und Ausgleichsmedium bzw. Festkörperschicht und Flüssigkeit in einer der Mikrokavitäten trifft, wird ein Teil der Ultraschalleistung ausgekoppelt. Durch geeignete Auswahl der Geometrien, z. B. der Dicke der Festkörperschicht bzw. des Bodens der Mikro-Titerplatte, lassen sich die auf diese Weise definierten Auskopplungsorte der Ultraschalleistung örtlich genau festlegen. Bei einer derartigen Verfahrensführung können also z. B. mehrere Mikrokavitäten einer Mikro-Titerplatte gleichzeitig mit Ultraschalleistung beschallt werden, ohne daß eine große Anzahl von Schallwandlern notwendig wäre. Probleme, die z. B. mit der Verdrahtung einer Vielzahl von Schallwandlern auftreten könnten, werden auf diese Weise vermieden.
  • Als vorteilhaft hat sich z. B. aufgrund geringer Dämpfung die Verwendung von Quarzglas als Festkörperschicht bei einer Frequenz von 10 MHz bis 250 MHz erwiesen. Während an der Grenzfläche Festkörperschicht/Luft in einem solchen Fall nahezu 100% reflektiert werden, wird an der Grenzfläche Festkörperschicht/Flüssigkeit (also z. B. Ausgleichsmedium bzw. die Flüssigkeit in der Mikrokavität) ein gewisser Prozentsatz der Schallenergie in die jeweilige Flüssigkeit ausgekoppelt.
  • Verwendung von Interdigitaltransducern mit nicht konstantem Fingerabstand ("getaperte Interdigitaltransducer"), wie sie für eine andere Anwendung z. B. in WO 01/20781 A1 beschrieben sind, ermöglichen die Auswahl des Abstrahlungsortes des Interdigitaltransducers mit Hilfe der angelegten Frequenz. Auf diese Weise kann genau festgelegt werden, an welcher Stelle die Ultraschallwelle aus der Festkörperschicht austritt. Bei Verwendung eines getaperten Interdigitaltransducers, der zusätzlich nicht gerade ausgebildete Fingerelektroden aufweist, insbesondere z. B. bogenförmig ineinander greifende Fingerelektroden, läßt sich der Azimuthalwinkel θ durch Variation der Betriebsfrequenz steuern. Andererseits läßt sich der Levitationswinkel α mit der Frequenz durch die direkte BAW-Erzeugung am Interdigitaltransducer verändern.
  • Mit Hilfe der beschriebenen Einstellung der Abstrahlrichtung durch Auswahl der Frequenz ggf. durch Einsatz entsprechend ausgeformter Interdigitaltransducer können sehr präzise z. B. einzelne Mikrokavitäten einer Mikro-Titerplatte zur Durchmischung ausgewählt werden. Durch zeitliche Variation der Betriebsfrequenz kann ein zeitlicher Verlauf des Mischortes vorgegeben werden.
  • Auf dem piezoelektrischen Element befinden sich z. B. ein oder mehrere Interdigitaltransducer zur Erzeugung der Ultraschallwellen, die entweder getrennt kontaktiert werden oder gemeinsam in Reihe oder parallel zueinander kontaktiert sind. Zum Beispiel bei unterschiedlichem Fingerelektrodenabstand lassen diese sich über die Wahl der Frequenz getrennt ansteuern und bieten so ebenfalls die Möglichkeit der Auswahl bestimmter Bereiche.
  • Um zu verhindern, daß Reflexionen an unerwünschten Orten der Festkörperschicht in unkontrollierter Weise erfolgen (also z. B. an Stirnflächen), kann durch geeignete Auswahl einer diffus streuenden Fläche der Festkörperschicht die Ultraschallwelle diffus gestreut werden. Dazu wird die entsprechende Fläche z. B. aufgerauht. Gezielt kann eine solche aufgerauhte Oberfläche auch eingesetzt werden, um die Ultraschallwelle gezielt aufzuweiten, um eine größere Fläche beschallen zu können.
  • Geeignet winkelig angeordnete seitliche Stirnflächen der Festkörperschicht können zur gezielten Reflexion eingesetzt werden und den Schallstrahl definiert lenken.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein Substrat auf, auf dessen einer Hauptfläche zumindest ein Interdigitaltransducer angeordnet ist, der zur Erzeugung einer Ultraschallwelle einer Frequenz größer oder gleich 10 MHz elektrisch angeregt werden kann, wobei die Dicke des Substrates in Schallausbreitungsrichtung größer als ¼ der Ultraschallwellenlänge ist. Das Substrat kann dabei gesondert ausgebildet sein oder z. B. durch den Boden einer Mikro-Titerplatte oder einer Mikrokavität gebildet sein.
  • Das Substrat kann z. B. auch ein Glasslide umfassen, auf dem eine Klebefolie mit vorzugsweise periodisch angeordneten Löchern befestigt ist, um auf diese Weise eine Anordnung von Mikrokavitäten zu erhalten. Ein solches Glasslide mit einer aufgeklebten gelochten Klebefolie kann eingesetzt werden wie eine Mikro-Titerplatte.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Vielzahl von piezoelektrischen Schallwandlern im Rastermaß einer Mikro-Titerplatte verwendet werden, um die Mikrokavitäten einer Mikro-Titerplatte parallel mit Ultraschall zu beschallen.
  • Um einzelne Schallwandler individuell ansteuern zu können, ist vorteilhafterweise eine Schalteinrichtung vorgesehen, die elektrische Hochfrequenzleistung an individuelle Schallwandler anlegt.
  • Vorteile anderer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung der unterschiedlichen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den für entsprechende Verfahrensausgestaltungen beschriebenen Vorteilen und Eigenschaften.
  • Im folgenden werden besondere Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der beiliegenden Figuren im Detail erläutert. Die Figuren sind dabei nur schematischer Natur und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Dabei zeigt
    • Figur 1:
    zur Erläuterung den Ausschnitt eines Querschnittes einer Vorrichtung-während der Durchführung eines Mischverfahrens,
    Figur 2:
    zur Erläuterung den Ausschnitt eines Querschnittes einer andere Vorrichtung zur Durchführung eines Mischverfahrens,
    Figur 3:
    den Querschnitt einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung eines Mischverfahrens,
    Figur 4a:
    die Draufsicht auf eine Mikro-Titerplatte zur Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Figur 4b:
    die Anordnung eines Feldes piezoelektrischer Volumenschwinger einer Vorrichtung zur Durchführung eines Mischverfahrens,
    Figur 5:
    die Wirkungsweise einer Vorrichtung bzw. eines Mischverfahrens am Beispiel einer einzelnen Mikrokavität,
    Figur 6:
    eine erläuternde Skizze zur Wirkungsweise eines piezoelektrischen Dickenschwingers,
    Figur 7a:
    eine Schnittansicht durch eine Einrichtung zur Definition von einer periodischen Anordnung von Mikrokavitäten,
    Figur 7b:
    eine Draufsicht auf die Einrichtung der Figur 7a,
    Figur 8a:
    eine Querschnittsansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Figur 8b:
    eine Querschnittsansicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erläuterung einer besonderen Betriebsweise,
    Figur 9:
    eine Querschnittsansicht auf eine alternative erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Figur 10a:
    eine Draufsicht auf einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Figur 10b:
    eine Draufsicht auf einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Figur 11:
    eine seitliche Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Figur 12:
    zur Erläuterung eine seitliche Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines Mischverfahrens,
    Figur 13:
    eine Draufsicht auf einen Querschnitt einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Figur 14:
    eine seitliche Teilschnittansicht durch ein erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Figur 15:
    eine seitliche Teilschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Figur 16:
    eine Draufsicht auf einen Querschnitt einer erfindugsgemäße Anordnung zur Durchführung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    Fig. 17a-c:
    schematische Teilschnittansichten verschiedener Ausgestaltungen der elektrischen Kontaktierung einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Figur 1 zeigt zur Erläuterung schematisch eine Anordnung im Querschnitt. 1 zeigt einen piezoelektrischen Dickenschwinger, dessen Funktionsweise mit Bezug zu Figur 6 erläutert werden wird. 9 bezeichnet den schematischen Querschnitt durch eine Mikro-Titerplatte im Bereich der Kavitäten 3. Gezeigt sind drei Kavitäten, Mikro-Titerplatten weisen aber in der Regel 96, 384 oder 1536 Kavitäten in rechteckiger Anordnung auf. Der Durchmesser D einer einzelnen Kavität 3 ist größer als der Durchmesser d des piezoelektrischen Dickenschwingers 1. Zum Beispiel ist der Durchmesser D eine 96er Mikro-Titerplatte 6 mm und der Dickenschwinger hat einen Durchmesser von 3 mm. In den Mikrokavitäten 3 der Mikro-Titerplatte 9 befindet sich Flüssigkeit 5. Gezeigt ist die Flüssigkeit mit aufgrund der Oberflächenspannung nach oben gewölbter Oberfläche. F bezeichnet den mittleren Füllstand in einer einzelnen Mikrokavität. Zwischen dem Dickenschwinger und den Mikrokavitäten befindet sich Festkörpermaterial 15, z. B. gebildet aus Kunststoff, Metall oder Glas zum Schutz des Dickenschwingers bzw. der Kontakte. 19 bezeichnet eine flächige Elektrode unterhalb des Substrates 15. Diese Elektrode bildet einen elektrischen Anschluß für den piezoelektrischen Dickenschwinger 1.
  • Die andere Elektrode des Dickenschwingers ist mit 21 bezeichnet. Die Elektroden 19, 21 sind über elektrische Verbindungen 23, 25 mit dem Hochfrequenzgenerator 17 verbunden. Auf den Hauptflächen des Substrates 15 befindet sich ein optional vorhandenes Koppelmedium 11, 13, z. B. Wasser, Öl, Glyzerin, Silikon, Epoxidharz oder ein Gelfilm, um Unebenheiten der einzelnen Schichten auszugleichen und eine optimale Schallankopplung zu gewährleisten.
  • Gezeigt ist ein Zustand, in dem der Dickenschwinger 1 eine Ultraschallwelle in Richtung der mittleren gezeigten Kavität abstrahlt, wodurch eine Bewegung in der Flüssigkeit 7 erzeugt wird.
  • Figur 2 zeigt eine andere Anordnung. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Individuelle Dickenschwinger für die einzelnen Mikrokavitäten der Mikro-Titerplatte 9 sind vorgesehen. Mit Hilfe einer Schalteinrichtung 26 kann das Hochfrequenzsignal des Hochfrequenzgenerators 17 an die unterschiedlichen Dickenschwinger 1 angelegt werden. 31 bezeichnet schematisch ein optionales schallabsorbierendes Medium, das ein Übersprechen verhindert. Dieses schallabsorbierende Medium kann eine Strukturierung sein oder ein entsprechend ausgewählter Kunststoff.
  • Figur 3 zeigt eine Anordnung, bei der ein oder mehrere Schallwandler 33 verwendet werden, die über Wellenleiter 35 mit den Böden diverser Kavitäten verbunden sind. Diese Wellenleiter bestehen vorzugsweise aus einem Material mit ähnlichen akustischen Eigenschaften wie der Dickenschwinger selbst, um die Einkopplung zu optimieren, also z. B. Metallstäbe.
  • Figur 4 zeigt die Anordnung in einem Raster. Figur 4a zeigt dabei die Draufsicht auf eine Mikro-Titerplatte mit 96 Kavitäten. Figur 4b zeigt die Draufsicht auf die Anordnung einzelner piezoelektrischer Dickenschwinger 27 auf einem Substrat 29. Das Rastermaß der Mikro-Titerplatte R wird dabei auch für den Abstand der piezoelektrischen Dickenschwinger 27 eingehalten. Alternativ kann der Dickenschwinger vollflächig auf dem Substrat 29 aufgebracht sein und nur die Elektrodenanordnung dem Muster der Mikro-Titerplatte entsprechen.
  • Figur 5 zeigt im Detail den Querschnitt durch eine einzelne Mikrokavität zur Erläuterung. Dabei zeigt 2 die Ultraschallwelle, die von dem Dickenschwinger abgestrahlt wird. 6 bezeichnet den Meniskus ohne eingestrahlte Ultraschallwelle und 4 den Meniskus während der Einstrahlung. Die Dicke des Substrates 15 einschließlich der möglichen Koppelmedien 11, 13 ist größer als ¼ der Wellenlänge der Ultraschallwelle in dem Substrat, die typischerweise im Bereich einiger 100 µm ist. Als Materialien für das Substrat kommen z. B. Metall, wie Aluminium, Glas oder Kunststoff in Frage. Mit "Dicke" ist die Dicke des Substrates 15 in Schallausbreitungsrichtung gemeint. In einem Substrat aus Aluminium beträgt die Wellenlänge einer 20 MHz-Schallwelle z. B. 315 µm, in Glas 275 µm und in Plastik 125 µm,
  • Figur 6 erläutert das Prinzip des piezoelektrischen Dickenschwingers 1. Bei Anlegen eines Hochfrequenzfeldes mit Hilfe des Hochfrequenzgenerators 17 an die Elektroden 19, 21 des Dickenschwingers wird eine Ultraschallwelle senkrecht zur Flächenausdehnung des Dickenschwingers erzeugt. Die Schwingungsrichtung ist mit 37 bezeichnet. Bei einer Dicke des Dickenschwingers von z. B. 200 µm ergibt sich eine Wellenlänge von 400 µm, wenn die Grundschwingung angeregt wird. Als Materialien kommen piezoelektrische Einkristalle, z. B. Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat in Frage. Andere Schwinger weisen piezoelektrische Schichten, z. B. Cadmiumsulfid oder Zinksulfid oder piezoelektrische Keramiken, z. B. Blei-Zirkonat-Titanat, Bariumtitanat oder jeweils mit Beimengungen zur Optimierung der Schallgeschwindigkeit an dem Festkörper auf. Ebenso sind piezoelektrische Polymere (z. B. Polyvinylidendifluorid) oder komposite Materialien möglich. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Material des Festkörpers 15 bzw. der Mikro-Titerplatte 9 akustisch an den Schallwandler angepaßt ist, also ähnliche Schallgeschwindigkeit und Dichte aufweist.
  • Figur 7 zeigt eine Einrichtung, die wie eine einstückige Mikro-Titerplatte eingesetzt werden kann. Auf ein Glasslide (z. B. ein Objektträger) 109 ist eine gelochte Klebefolie 110 aufgebracht. Figur 7b zeigt eine Draufsicht, in der die Schnittrichtung A-A' des in Figur 7a gezeigten Schnittes angedeutet ist. Das Rastermaß R der Löcher entspricht z. B. dem Rastermaß einer herkömmlichen Mikro-Titerplatte. Die periodisch angeordneten Löcher 3 definieren Mikrokavitäten, wie sie auch in einer Mikro-Titerplatte vorhanden sind. Ein Device der Figur 7 kann eingesetzt werden wie eine Mikro-Titerplatte und für die Zwecke des vorliegenden Textes soll der Begriff "Mikro-Titerplatte" auch eine entsprechende Anordnung umfassen.
  • Ein Mischverfahren kann mit den oben beschriebenen Vorrichtungen wie folgt durchgeführt werden.
  • Auf das Substrat 15 wird die Mikro-Titerplatte 9 aufgesetzt. Zum optimalen Ausgleich von Unebenheiten kann ein Ausgleichsmedium 11, z. B. Wasser, dazwischen angeordnet werden. Die Mikro-Titerplatte 9 wird dabei derart platziert, daß sie mit einer Kavität 3 oberhalb des piezoelektrischen Dickenschwingers 1 angeordnet ist (Figur 1). Die Flüssigkeit 5 wird in die Mikrokavitäten 3 eingebracht, wobei darauf geachtet wird, daß der Füllstand F ausreichend hoch ist, um größer zu sein als die Wellenlänge des mit dem Dickenschwinger erzeugbaren Ultraschalles. Anlegen von Hochfrequenz an die Elektroden 19, 21 des Dickenschwingers 1 mit Hilfe des Hochfrequenzgenerators 17 erzeugt eine Ultraschallwelle senkrecht zum Dickenschwinger 1, der sich in Richtung der mittleren gezeigten Kavität 3 ausbreitet und eine Durchmischung der darin befindlichen Flüssigkeit 7 bewirkt.
  • Der Ultraschallstrahl, dessen laterale Ausdehnung von der Größe des Dickenschwingers 1 ist, trifft von unten auf die Mikrokavität 3 und erzeugt einen Impuls und eine Strömung in der Flüssigkeit nach oben, die zu einer Verformung des Meniskus 4 (siehe Figur 5) führen kann. Seitlich zum nach oben gerichteten Ultraschallstrahl kann die Flüssigkeit wieder nach unten fließen, so daß dadurch eine Durchmischung der Flüssigkeit erreicht wird.
  • Nach der Durchmischung der Flüssigkeit in einer Mikrokavität wird die Mikro-Titerptatte ggf. versetzt, um eine andere Mikrokavität dem Ultraschall auszusetzen.
  • Bei einer Anordnung der Figur 2 wird die Mikro-Titerplatte 9 ebenfalls auf das Substrat 15 gesetzt. Die Mikrokavität, deren Flüssigkeit durchmischt werden soll, kann mit Hilfe der Schalteinrichtung 26 ausgewählt werden. Figur 4b zeigt die Draufsicht auf eine dazu verwendete Anordnung der piezoelektrischen Dickenschwinger 27.
  • Bei einer Anordnung der Figur 3 wird der Ultraschall mit Hilfe des Ultraschallgebers 33 erzeugt und über Wellenleiter 25 unter die Mikrokavitäten geleitet, die dann gleichzeitig mit Ultraschall beschallt werden.
  • Die Hochfrequenzanregung kann bei allen Ausgestaltungen auch in Form eines intensiven Nadelimpulses geschehen. Dieser enthält viele Fourier-Koeffizienten, so daß auch die Resonanzfrequenz des Dickenschwingers 1 getroffen wird. Alternativ wird das Hochfrequenzsignal gleich mit der Resonanzfrequenz des Dickenschwingers bzw. einer Harmonischen eingespeist. Typische Frequenzen liegen im Bereich von größer oder gleich 10 MHz. Durch den Betrieb der piezoelektrischen Dickenschwinger entstehende Verlustleistung in Form von Wärme kann, wenn sie unerwünscht ist, sehr einfach dadurch abgeführt werden, daß der Dickenschwinger auf einem Kühlkörper montiert wird.
  • Figur 8a zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der ein nur schematisch angedeuteter Interdigitaltransducer 101 zur Erzeugung der Schallwelle eingesetzt wird. 115 bezeichnet das Substrat, z. B. aus Quarzglas. 102 ist ein piezoelektrisches Kristallelement, z. B. aus Lithiumniobat. Auf dem piezoelektrischen Kristallelement 102 und somit zwischen dem piezoelektrischen Kristallelement 102 und dem Substrat 115 befindet sich ein Interdigitaltransducer 101, der z. B. im Vorhinein auf dem piezoelektrischen Kristall 102 aufgebracht wurde. Ein Interdigitaltransducer wird im Regelfall aus kammartig ineinander greifenden metallischen Elektroden gebildet, deren doppelter Fingerabstand die Wellenlänge einer Oberflächenschallwelle definiert, die durch Anlegen eines hochfrequenten Wechselfeldes (im Bereich von z. B. einigen MHz bis einigen 100 MHz) an den Interdigitaltransducer in dem piezoelektrischen Kristall angeregt werden. Für die Zwecke des vorliegenden Textes sollen unter den Begriff ''Oberflächenschallwelle" auch Grenzflächenwellen an der Grenzfläche zwischen piezoelektrischem Element 102 und Substrat 115 umfaßt sein. Als Substrat 115 wird ein Material geringer akustischer Dämpfung bei den verwendeten Frequenzen eingesetzt. Zum Beispiel eignet sich Quarzglas für Frequenzen im Bereich von 10 MHz bis 250 MHz Interdigitaltransducer sind in DE-A-101 17 772 beschrieben und aus der Oberflächenwellenfiltertechnologie bekannt. Zum Anschluß der Elektroden des Interdigitaltransducers 101 dienen metallische Zuleitungen, die in Figur 8a nicht gezeigt werden und unter Bezugnahme auf Figur 17 näher erläutert werden.
  • Mit Hilfe des bidirektional abstrahlenden Interdigitaltransducers 101 können Ultraschallwellen 104 in der angegebenen Richtung erzeugt werden, die wie oben beschrieben unter einem Winkel α zur Normalen des Substrates 115 Volumenschallwellen den Glaskörper 115 durchsetzen. 111 bezeichnet ein optional vorhandenes Koppelmedium zwischen Glaskörper 115 und der Mikro-Titerplatte 109, wie oben für eine andere Ausführungsform beschrieben. 108 bezeichnen die Bereiche der Grenzfläche zwischen Glaskörper 115 und Koppelmedium 111, die wesentlich von den Volumenschallwellen 104 getroffen werden. 106 bezeichnet die Reflexionspunkte an der Grenzfläche Substrat 115/Luft. Mit 109 ist eine Mikro-Titerplatte beschrieben, in deren Kavitäten 103 sich die Flüssigkeit 105 befindet.
  • Mit Hilfe des Interdigitaltransducers 101, an dem in bekannter Weise die Hochfrequenz über die in Figur 8a nicht gezeigten Zuleitungen angelegt wird, werden schräg in das Substrat einlaufende Volumenschallwellen 104 erzeugt. Diese treffen an den Punkten 108 auf die Grenzfläche zwischen Substrat 115 und Koppelmedium 111. Geeignete Auswahl des Substratmaterials 115 bewirkt, daß ein Teil der Ultraschallwelle 104 an den Punkten 108 reflektiert wird und ein anderer Teil ausgekoppelt wird. Dabei werden die Materialien derart ausgewählt, daß an der Grenzfläche zwischen Substrat 115 und Koppelmedium 111 eine teilweise Reflexion stattfindet, an der Grenzfläche zwischen Substrat 115 und Luft, also an den Punkten 106, eine fast vollständige Reflexion einsetzt. Zum Beispiel bei Verwendung von SiO2-Glas ergibt sich ein Reflexionsfaktor an der Grenzfläche zwischen Koppelmedium und Glas von ca. 80% bis 90%, also eine Einkopplung in das Koppelmedium von ca. 10% bis 20%. Unter Annahme eines Reflexionsfaktors von 80% nimmt die Intensität des mehrfach in dem Glassubstrat reflektierten Strahles 104 nach zehn Reflexionen um ca. 10 dB ab. Dabei hat bei einer Substratdicke von 3 mm der Strahl bereits eine laterale Strecke von 250 mm zurückgelegt. Durch geeignete Auswahl der Geometrie, z. B. der Dicke des Substrates, können auf diese Weise die Punkte 108, an denen ein Teil der Ultraschallwelle aus dem Substrat 115 in das Koppelmedium eingekoppelt wird, örtlich genau festgelegt werden und an das Rastermaß der verwendeten Mikro-Titerplatte 109 angepaßt werden.
  • In einer nicht gezeigten Alternative dient der Boden der Mikro-Titerplatte 109 selbst als Substrat, an dessen Unterseite der piezoelektrische Kristall 102 befestigt oder angedrückt wird. Die Ultraschallwelle 104 wird dann direkt in den Boden der Mikro-Titerplatte eingekoppelt und an der Grenzfläche, die durch den Boden der einzelnen Mikrokavitäten gebildet wird, in die Flüssigkeit ausgekoppelt, wie es für die gezeigte Ausführungsform für die Einkopplung in das Koppelmedium beschrieben ist.
  • Figur 8b dient der Erläuterung, um zu zeigen, wie mit einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Figur 8a durch Auswahl unterschiedlicher Frequenzen unterschiedliche Einkoppelungswinkel eingestellt werden können. Bei direkter Anregung von Volumenmoden (BAW) kann durch Variation der Anregungsfrequenz der Abstrahlwinkel α in das Substrat 115 eingestellt werden. Bei dem Interdigitaltransducer 101 kann es sich dabei um einen einfachen Normalinterdigitaltransducer handeln, wobei sich der Levitationswinkel α nach dem Zusammenhang sinα=Vs/(IIDT ·f) einstellt, wobei Vs die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwelle, f die Frequenz und IIDT die Periodizität der Interdigitaltransducerelektroden ist. Durch Variation der Frequenz läßt sich also der Abstrahlwinkel z. B. von α zu α' verändern. Auf diese Weise können die Auskoppelpunkte 108 z. B. an das Rastermaß einer Mikro-Titerplatte 109 optimal angepaßt werden.
  • Figur 9 zeigt eine Variation der Figur 8. Gezeigt ist eine seitliche. Schnittansicht Von dem bidirektional abstrahlenden Interdigitaltransducer 101 geht ein Strahl 104L in der Figur 9 nach links und ein Strahl 104R nach rechts schräg in das Substrat 115. An der Kante 112 des Substrates 115 wird der Schallstrahl 104L reflektiert und in Richtung der Grenzfläche zwischen Substrat 115 und Koppelmedium 111 abgelenkt. Durch geeignete Auswahl der Geometrie, z. B. der Dicke des Substrates 115, können so ebenfalls die Auftreffpunkte 108 an das Rastermaß einer Mikro-Titerplatte angepaßt werden.
  • Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform befindet sich der Interdigitaltransducer 101 auf dem piezoelektrischen Element 102 nicht an einer Hauptfläche des Substrates 115, sondern an einer Stirnfläche, z. B. an der Kante 112, wie sie in Figur 9 sichtbar ist. Auf diese Weise lassen sich ebenfalls mit dem bidirektional abstrahlenden Interdigitaltransducer 101 zwei Volumenschallwellen 104 erzeugen, die schräg durch das Substrat 115 hindurchtreten und analog zu der Verfahrensführung, die in Figur 9 gezeigt ist, eingesetzt werden können.
  • Sowohl bei der Ausführungsform der Figur 8 als auch bei der Ausführungsform der Figur 9 können mehrere Interdigitaltransducer auf einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen 102 nebeneinander angeordnet sein, um nicht nur eine Reihe von Mikrokavitäten 103 zu beschallen, sondern ein Feld aus nebeneinander liegenden Reihen, wie es einer konventionellen Mikro-Titerplatte entspricht.
  • Figur 10a zeigt eine Draufsicht auf einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung, etwa in Höhe der Oberfläche des Substrates 115, der eine besondere Lenkung des Schallstrahles in dem Substrat 115 ermöglicht. Von dem Interdigitaltransducer 101 gehen in einer Weise, wie sie mit Bezug zu Figur 8 beschrieben ist, Schallstrahlen 104 aus, die an Punkten 108 auf die obere Grenzfläche des Substrates 115 treffen. In der Darstellung der Figur nicht erkennbar wird der Strahl also in Form einer Zickzacklinie analog der Schnittdarstellung in Figur 8a durch das Substrat 115 geführt. Der so geleitete Schallstrahl 104 wird an Grenzflächen 110 des Substrates 115 abgelenkt. Durch geeignete Geometrie der Flächen 110 kann ein gewünschtes Bewegungsmuster des Schallstrahles erzeugt werden.
  • In Figur 10b ist eine erfindungsgemäße Anordnung gezeigt, mit der erreicht werden kann, daß ein flächiges Substrat 115 nahezu vollständig mit Hilfe nur eines bidirektional abstrahlenden Interdigitaltransducers 101 auf diese Weise abgedeckt werden kann, wobei dies mit Hilfe von Mehrfachreflexionen an den Seitenflächen 110 des Substrates 115 erreicht wird. In Figur 10b sind die Reflexionspunkte an der Hauptfläche des Substrates 115 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, sondern nur die Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen 104, die durch Reflexion an den Hauptflächen des Substrates 115, wie z. B. mit Bezug zu Figur 8a beschrieben, bewirkt wird.
  • Figur 11 zeigt einen seitlichen Schnitt durch eine andere erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Strahlquerschnitt wird hier effektiv verbreitert, indem mehrere Interdigitaltransducer 101 zur Erzeugung paralleler Strahlenbündel 104 verwendet werden. Auf diese Weise kann in nahezu homogener Weise die obere Grenzfläche des Substrates 115 beschallt werden, um z. B. mehrere Mikrokavitäten 105 einer Mikro-Titerplatte 109 gleichzeitig zu beschallen.
  • Fig. 12 zeigt nur zu Erläuterungszwecken eine Anordnung mit Volumenschwinger. Ein piezoelektrischer Volumenschwinger 130, z.B. ein piezoelektrischer Dickenschwinger, wird eingesetzt, der derart angeordnet ist, daß eine schräge Einkopplung der Schallwelle stattfindet Dazu wird ein sogenannter wedge transducer eingesetzt. Der Einstrahlwinkel α zur Flächennormale der Fläche, auf der der wedge transducer aufgebracht wurde, bestimmt sich aus dem Winkel β, unter dem er aufgebracht ist, und dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten des wedge transducers vw und des Substrates 115 vs gemäß α=arcsin [(vs/vw) - sinβ].
  • Figur 13 zeigt eine Erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der eine Kante 108 des Substrates 115 aufgerauht ist, um eine diffuse Reflexion der auftreffenden Schallwelle 104 zu erreichen. Dies kann nützlich sein, um einen unerwünschten, an einer Kante reflektierten Schallstrahl unwirksam zu machen. Der Schallstrahl 104 wird bei einer solchen Ausführungsform ähnlich wie mit Bezug zu Figur 8 erläutert durch das Substrat 115 in Art eines Wellenleiters durch Reflexionen an der oberen und unteren Hauptfläche des Substrates 115 geleitet. An der aufgerauhten Oberfläche 118 findet eine diffuse Reflexion in die einzelnen Strahlen 120 statt. Auf diese Weise kann der gerichtete Schallstrahl 104 unwirksam gemacht werden bzw. derart verbreitert werden, daß eine homogene Beschallung mehrerer Mikrokavitäten möglich ist, die sich auf dem Substrat 115 befinden. Figur 13 zeigt dabei wiederum eine Draufsicht auf einen Querschnitt in etwa entsprechend der oberen Grenzfläche des Substrates 115.
  • Figur 14 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung, bei der die Rückfläche 114 des Substrates 115 aufgerauht ist. An dieser Rückfläche befindet sich der Interdigitaltransducer 101. Bei der beschriebenen Einkopplung der Ultraschallwelle in das Substrat 115 wird aufgrund der aufgerauhten Oberfläche der Strahl 104 durch Beugung aufgeweitet. Dieser Effekt wird bei den weiteren Reflexionen an der Fläche 114 noch verstärkt. Mit wachsendem Abstand der Einkoppelpunkte 108 vom Substrat in das nicht gezeigte Koppelmedium, auf dem sich die Mikro-Titerplatte befindet, wird der Einkoppelpunkt dementsprechend verbreitert. Figur 14 zeigt dabei eine Teilquerschnittsansicht, bei der die Mikro-Titerplatte nicht dargestellt wurde.
  • Ein ähnlicher Effekt ist mit einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Figur 15 erreichbar. Hier wird die Aufweitung des Schallstrahles 104 nach dem Einkoppeln vom Interdigitaltransducer 101 in das Substrat 115 durch Reflexion an einer gewölbten Reflexionskante 116 erreicht. Genau wie hier eine Aufweitung beschrieben ist, kann eine Fokussierung mit Hilfe einer entsprechend ausgestalteten Reflexionskante erreicht werden. Auch Figur 15 zeigt nur eine Teilquerschnittsansicht, in der das Substrat 115 gezeigt ist. Auf dem Substrat 115 befinden sich in beschriebener und hier nicht gezeigter Weise z. B. das Koppelmedium 111 und die Mikro-Titerplatte 109.
  • Figur 16 zeigt eine weitere erfindungsgemäßen Ausgestaltung in schematischer Darstellung. Auch hier ist der Blick auf die Grenzfläche zwischen Substrat 115 und Koppelmedium 111 gezeigt. Wie auch in den anderen Darstellungen sind hier der Übersichtlichkeit nur wenige ineinander greifende Finger des Interdigitaltransducers 201 gezeigt, obwohl ein verwirklichter Interdigitaltransducer eine größere Anzahl von Fingerelektroden aufweist. Der Abstand der einzelnen Fingerelektroden des Interdigitaltransducers 201 ist nicht konstant. Der Interdigitaltransducer 201 strahlt daher bei einer eingespeisten Hochfrequenz nur an einem Ort ab, bei dem der Fingerabstand mit der Frequenz entsprechend korreliert, wie es für eine andere Anwendung z. B. in WO 01/20781 A1 beschrieben ist.
  • Bei der Ausgestaltung der Figur 16 sind die Fingerelektroden zudem nicht gerade, sondern bogenförmig. Da der Interdigitaltransducer im wesentlichen senkrecht zur Ausrichtung der Finger abstrahlt, läßt sich auf diese Weise durch Auswahl der eingespeisten Hochfrequenz die Richtung der abgestrahlten Oberflächenschallwelle bestimmen. In Figur 16 sind beispielhaft die Abstrahlrichtungen 204 für zwei Frequenzen f1 und f2 gezeigt, wobei bei der Frequenz f1 die Abstrahlrichtung durch den Winkel θ1 und für die Frequenz f2 durch den Winkel θ2 angegeben ist. Figur 16 zeigt dabei schematisch die Draufsicht auf die Grenzfläche zwischen dem piezoelektrischen Substrat 102, auf dem der Interdigitaltransducer 201 aufgebracht ist, und dem Substrat 115, das mit dem piezoelektrischen Substrat 102 in Kontakt ist.
  • Figur 17a bis 17c zeigen unterschiedliche Möglichkeiten zur elektrischen Kontaktierung der Interdigitaltransducerelektroden bei den Ausführungsformen der Figuren 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15 oder 16. In der Ausführungsform, wie sie in Figur 17a dargestellt ist, werden metallische Leiterbahnen auf dem Substrat 115 rückseitig aufgebracht. Der piezoelektrische Kristall 102 mit dem Interdigitaltransducer 101 wird so an dem Substrat 115 plaziert, daß sich ein Überlapp der metallischen Elektrode auf dem Substrat 115 mit einer Elektrode des Interdigitaltransducers 101 auf dem piezoelektrischen Substrat 102 ergibt. Beim Verkleben des piezoelektrischen Schallwandlers mit dem Substrat wird im Überlappbereich mit elektrisch leitfähigem Kleber geklebt, wohingegen die verbleibende Fläche mit herkömmlichem nicht elektrisch leitfähigem Kleber verklebt wird. Gegebenenfalls reicht rein mechanischer Kontakt aus. Die elektrische Kontaktierung 122 der metallischen Leiterbahnen auf dem Substrat 115 in Richtung der nicht gezeigten Hochfrequenzgeneratorelektronik geschieht durch eine Lötverbindung, eine Klebeverbindung oder einen Federkontaktstift.
  • In der Ausführungsform der elektrischen Kontaktierung der Figur 17b wird der piezoelektrische Kristall 102, auf dem die Interdigitaltransducerelektroden mit Zuleitungen 124 aufgebracht sind, derart auf das Substrat 115 aufgebracht, daß sich ein Überstand des ersten zum zweiten ergibt. In diesem Fall setzt die Kontaktierung 122 direkt auf den auf dem piezoelektrischen Kristall 102 aufgebrachten elektrischen Zuleitungen 124 an. Der Kontakt kann gelötet, geklebt oder gebondet werden oder mittels eines Federkontaktstiftes erfolgen.
  • In der Ausführungsform der elektrischen Kontaktierung, wie sie in Figur 17c dargestellt ist, wird das Substrat 115 mit einem Loch 123 pro elektrischem Kontakt versehen und der piezoelektrische Kristall 102 wird direkt auf das Substrat 115 plaziert, daß die auf dem piezoelektrischen Schallwandler aufgebrachten elektrischen Zuleitungen durch die Löcher 123 hindurch kontaktiert werden können. Der elektrische Kontakt kann in diesem Fall durch einen Federkontaktstift direkt auf die elektrischen Zuleitungen auf dem piezoelektrischen Kristall 102 erfolgen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Loch mit einem leitfähigen Kleber 123 zu füllen oder damit einen metallischen Bolzen einzukleben. Die weitere Kontaktierung 122 in Richtung Hochfrequenzgeneratorelektronik geschieht dann durch eine Lötverbindung, eine weitere Klebeverbindung oder einen Federkontaktstift.
  • Eine weitere Möglichkeit der Zuführung der elektrischen Leistung an den piezoelektrischen Schallwandler besteht in der induktiven Kopplung. Dabei werden die elektrischen Zuleitungen zu den Interdigitaltransducerelektroden derart ausgebildet, daß sie als Antenne zur kontaktlosen Ansteuerung des Hochfrequenzsignales dienen. Im einfachsten Fall handelt es sich dabei um eine ringförmige Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat, das als Sekundärkreis eines Hochfrequenztransformators dient, dessen Primärkreis mit der Hochfrequenzgeneratorelektronik verbunden ist. Dieser wird extern gehalten und ist direkt benachbart zu dem piezoelektrischen Schallwandler angebracht.
  • Einzelne Ausgestaltungen der Verfahren bzw. der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen lassen sich in geeigneter Form auch kombinieren, um die dadurch erzielten Wirkungen und Effekte gleichzeitig erreichen zu können.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine effiziente Durchmischung kleinster Flüssigkeitsmengen möglich. Es ist nicht notwendig, daß die Flüssigkeit mit dem bewegungsvermittelnden Medium selbst in Berührung kommt. Es muß z. B. kein Mischelement in die Flüssigkeit eingebracht werden. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung lassen sich einfach und kostengünstig mit heutigen Laborautomaten, die in der Biologie, Diagnostik, pharmazeutischen Forschung oder Chemie verwendet werden, anwenden. Die Verwendung hoher Frequenzen vermeidet auf effektive Weise die Bildung von Kavitation. Schließlich läßt sich eine flache Bauform realisieren und die Vorrichtung kann einfach in Laborstraßen eingesetzt werden.

Claims (37)

  1. Verfahren zur Durchmischung von Flüssigkeiten (105) in zumindest einer Mikrokavität (3, 103) unter Ausnutzung schallinduzierter Strömung, bei dem mit Hilfe zumindest eines auf einem piezoelektrischen Kristall vorgesehenen Interdigitaltransducers (101, 201) zumindest eine Ultraschallwelle (104, 204) einer Frequenz größer oder gleich 10 MHz durch eine Festkörperschicht (115) eines Ausmaßes in Schallausbreitungsrichtung, das größer ist als ein ¼ der Wellenlänge der Ultraschallwelle, zur Erzeugung einer schallinduzierten Strömung in die zumindest eine Mikrokavität (3, 103) geschickt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wellenlänge der Ultraschallwelle in der Flüssigkeit derart gewählt wird, daß sie kleiner als der mittlere Füllstand (F) in der zumindest einen Mikrokavität (3, 103) ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die laterale Ausdehnung des zumindest einen Interdigitaltransducers (101) kleiner ist als das laterale Ausmaß der Mikrokavität (3, 103).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zwischen dem zumindest einen Interdigitaltransducer und der Mikrokavität (3) eine Zwischenschicht eingebracht ist, die ein ultraschallabsorbierendes Material in einer Anordnung umfaßt, daß sich der Ultraschall nur in begrenztem räumlichen Bereich, vorzugsweise einem Bereich, der kleiner als das laterale Ausmaß der Mikrokavität (3) ist, in Richtung der Mikrokavität (3) ausbreiten kann.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwischen der Mikrokavität (3, 103) und der Festkörperschicht (115) ein Ausgleichsmedium (111) eingebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem mehrere Mikrokavitäten (3, 103) eingesetzt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Mikrokavitäten (3, 103) einer Mikro-Titerplatte (9, 109) eingesetzt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem mehrere Interdigitaltransducer eingesetzt werden, die vorzugsweise individuell angesteuert werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein Interdigitaltransducer eingesetzt wird, dessen laterales Ausmaß kleiner ist als der Durchmesser einer Kavität der Mikro-Titerplatte (9), und die Mikro-Titerplatte zur individuellen Durchmischung von Flüssigkeit in einer ausgewählten Kavität mit dieser ausgewählten Kavität oberhalb des Interdigitaltransducers auf der Festkörperschicht aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, bei dem eine Mikro-Titerplatte (9) mit mehreren Interdigitaltransducem, die im Rastermaß (R) einer Mikro-Titerplatte (9) an dem Festkörpermaterial angeordnet sind, eingesetzt werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem mit Hilfe des Interdigitaltransducers (101, 201) Ultraschall (104, 204) derart durch die Festkörperschicht (115) geschickt wird, daß Ultraschalleistung zumindest an zwei Auskoppelpunkten (108) aus der Festkörperschicht in eine entsprechende Anzahl von Mikrokavitäten (103) eingekoppelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die zumindest eine Ultraschallwelle (104, 204) schräg durch die Festkörperschicht (115) hindurch geschickt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem ein Interdigitaltransducer (101, 201) auf einem piezoelektrischen Kristall (102) eingesetzt wird, der an die Festkörperschicht (115) geklebt, gepresst, gebondet oder über ein Koppelmedium an die Festkörperschicht geklebt, gepresst oder gebondet ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem eine Ultraschallwelle (104) derart in die Festkörperschicht (115) eingekoppelt wird, daß sie zumindest einmal innerhalb der Festkörperschicht reflektiert wird, wobei für die Festkörperschicht ein Material gewählt wird, bei dem die Reflexion (106) an der der zumindest einen Mikrokavität (103) abgewandten Oberfläche möglichst total und auf der der Mikrokavität bzw. der Flüssigkeit zugewandten Oberfläche (108) verlustbehaftet, aber ungleich 0 ist, und die akustische Dämpfung innerhalb der Festkörperschicht (115) möglichst gering ist.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die zumindest zwei Auskoppelpunkte durch zeitliche Variation der Abstrahlrichtung des zumindest einen Interdigitaltransducers (201) erzeugt werden.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die zumindest eine Ultraschallwelle mit Hilfe eines Interdigitaltransducers (201) auf einem piezoelektrischen Element erzeugt wird, dessen ineinander greifende Fingerelektroden einen räumlich nicht konstanten Abstand zueinander aufweisen, und durch Änderung der an den Interdigitaltransducer (201) anliegenden Frequenz der Abstrahlungsort eingestellt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ein Interdigitaltransducer (201) eingesetzt wird, dessen ineinander greifende Fingerelektroden nicht gerade, sondern insbesondere bogenförmig sind, und durch Auswahl der Frequenz des angelegten Hochfrequenzfeldes die Abstrahlrichtung (204) gewählt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die zumindest eine Ultraschallwelle (104, 204) mit Hilfe eines Interdigitaltransducers (101, 201) auf einem piezoelektrischen Element (102) an einer der zumindest einen Mikrokavität (103) abgewandten Seite der Festkörperschicht (115) erzeugt wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem eine Festkörperschicht (115) eingesetzt wird, die zumindest eine diffus streuende Fläche (114, 118) aufweist, um die zumindest eine Ultraschallwelle (104) in der Festkörperschicht zu verbreitern.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem die Ausbreitungsrichtung der zumindest einen Ultraschallwelle (104) in der Festkörperschicht (115) durch Reflexionsflächen (110) gelenkt wird.
  21. Vorrichtung zur Durchmischung von Flüssigkeiten in zumindest einer Mikrokavität (3, 103), insbesondere der Mikrokavitäten einer Mikro-Titerplatte (9, 109), zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 mit
    - einem Substrat (15, 115), und
    - zumindest einem auf einem piezoelektrischen Element (102) vorgesehenen Interdigitaltransducer (101, 201), der an einer Hauptfläche des Substrates (15, 115) angeordnet ist und zur Erzeugung einer Ultraschallwelle (104, 204) einer Frequenz größer oder gleich 10 MHz elektrisch angeregt werden kann, wobei das Ausmaß des Substrates (115) in Schallausbreitungsrichtung größer ¼ der Ultraschallwellenlänge ist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21 mit einer Vielzahl von Interdigitaltransducern im Rastermaß (R) einer Mikro-Titerplatte (9).
  23. Vorrichtung nach Anspruch 22 mit einer Schalteinrichtung (26) zur Ansteuerung einzelner Interdigitaltransducer.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, bei der der zumindest eine Interdigitaltransducer (101, 201) derart ausgewählt ist, daß die von ihm erzeugte Ultraschallwelle eine Wellenlänge aufweist, die kleiner ist als die Höhenausdehnung der zumindest einen Kavität (3).
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, bei der die laterale Ausdehnung des zumindest einen Interdigitaltransducers kleiner ist als die laterale Ausdehnung einer Kavität (3) einer Mikro-Titerplatte (9).
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24 mit einer Zwischenschicht auf einer Hauptfläche des Substrates, die ein ultraschallabsorbierendes Medium in einer Anordnung aufweist, die die Ultraschallabstrahlung in Richtung der Mikrokavität (3) räumlich begrenzt, vorzugsweise in der Anordnung der Mikrokavitäten einer Mikro-Titerplatte (9).
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, bei der der Interdigitaltransducer (101, 201) derart augestaltet ist, daß zumindest eine Ultraschallwelle schräg in das Substrat (115) eingekoppelt wird.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 27, bei der der zumindest eine Interdigitaltransducer (101, 201) bidirektional abstrahlend ist.
  29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 27 oder 28, bei der das Material des Substrates (115) derart ausgewählt ist, daß die Reflexionen (106) an der der Mikrokavität (103) abgewandten Oberfläche möglichst total und die Reflexionen (108) an der der Mikrokavität bzw. der Flüssigkeit zugewandten Seite verlustbehaftet, aber ungleich 0 sind, und die akustische Dämpfung innerhalb der Festkörperschicht (115) möglichst gering ist.
  30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 29, bei der der zumindest eine Interdigitaltransducer (101, 201) auf einem piezoelektrischen Element (102) angeordnet ist, das an die Festkörperschicht (115) geklebt, gepresst, gebondet oder über ein Koppelmedium an die Festkörperschicht geklebt, gepresst oder gebondet ist.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der der elektrische Anschluß des zumindest einen Interdigitaltransducers (101) durch eine erste Zuleitung auf dem piezoelektrischen Element und eine zweite Zuleitung (116) auf dem Substrat (115) gebildet ist, die derart angeordnet sind, daß sie einander überlappen.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der das piezoelektrische Element (102) einen Überstand (124) über das Substrat (115) aufweist, auf dem sich eine Kontaktstelle für die elektrische Zuleitung (122) zu dem mindestens einen Interdigitaltransducer (101) befindet.
  33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 30, bei der der zumindest eine Interdigitaltransducer (101) durch ein Loch (123) durch das Substrat hindurch kontaktiert wird, das vorzugsweise mit einem leitfähigen Kleber gefüllt ist.
  34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 30, bei der der Interdigitaltransducer über Antenneneinrichtungen verfügt, die zur kontaktlosen Einkopplung eines Hochfrequenzsignales einsetzbar sind.
  35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 34, bei der die Fingerelektroden des Interdigitaltransducers (201) keinen örtlich konstanten Abstand zueinander aufweisen.
  36. Vorrichtung nach Anspruch 35, bei der die Fingerelektroden des Interdigitaltransducers (201) nicht gerade, sondern insbesondere bogenförmig ausgestaltet sind.
  37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 36, bei der das Substrat zumindest eine diffus streuende Oberfläche (114, 118) aufweist.
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