EP2567092A1 - Mikrofluidisches bauteil, insbesondere peristaltische mikropumpe, und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Mikrofluidisches bauteil, insbesondere peristaltische mikropumpe, und verfahren zu dessen herstellung

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EP2567092A1
EP2567092A1 EP11709089A EP11709089A EP2567092A1 EP 2567092 A1 EP2567092 A1 EP 2567092A1 EP 11709089 A EP11709089 A EP 11709089A EP 11709089 A EP11709089 A EP 11709089A EP 2567092 A1 EP2567092 A1 EP 2567092A1
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EP
European Patent Office
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substrate
elastic membrane
microfluidic component
fluidic
microfluidic
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EP11709089A
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Christian Dorrer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Publication date
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/06—Pumps having fluid drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/12—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B9/08—Piston machines or pumps characterised by the driving or driven means to or from their working members the means being fluid
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    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/12—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F04B43/14—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action having plate-like flexible members

Definitions

  • Microfluidic component in particular peristaltic micropump, and method for its production
  • the present invention relates to a microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, and a method for its production.
  • Macroscopic peristaltic pumps in radial and linear design are known from medical technology and chemical analysis.
  • a flexible hose is compressed from the outside so that it comes to a directed displacement of the liquid contained therein.
  • peristaltic micropumps offer the advantage of a greatly simplified production because there are no check valves
  • Nguyen et al. describe that the peristaltic micropumps require at least three pumping chambers connected by channels, each pumping chamber being bounded on one side by a pumping membrane
  • a wave-like actuation of the pumping chambers can be used to pump a fluid in a desired direction
  • micropumps can be used for the transport of fluids in microfluidic systems.
  • Microfluidic systems are used, for example, in the form of miniaturized analysis systems, so-called ⁇ (Miniaturized Total Analysis System) or lab-on-chip systems or as microreactors. They find particular applications in molecular diagnostics, biotechnology, analytical, pharmaceutical and clinical chemistry, environmental analysis and food chemistry.
  • the subject matter of the present invention is a microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, comprising at least one layer structure comprising a fluidic substrate, a drive substrate and an elastic membrane arranged therebetween, wherein the fluidic substrate has a fluid chamber on its side adjacent to the elastic membrane, the drive substrate , At least on its side adjacent to the elastic membrane side, at least two independent Aktuleiterskomponenten each having at least partially disposed opposite the fluid chamber and can act on the elastic membrane and the Aktuiansskomponenten, optionally by one or more actuators, are independently actuated.
  • the at least three pumping chambers of the known peristaltic micropumps are replaced by a single main chamber. This advantageously results in a minimal fluidic resistance as well as an increased pumping rate. At the same time, the dead volume otherwise given by the connection channels between the pumping chambers can be eliminated.
  • the fluidic substrate is essentially plate-shaped, for example designed in the form of a layer.
  • the fluid chamber is formed as a recess in the fluidic substrate, which is closed by the elastic membrane on the side adjacent to this membrane.
  • the fluidic substrate is connected to the elastic membrane.
  • the fluid chamber according to the invention is also referred to as a pumping chamber or reservoir.
  • the drive substrate Opposite the fluidic substrate and separated therefrom, at least in the region of the pumping chamber, by an elastic membrane is the drive substrate, which is likewise connected to the elastic membrane. This results in a sandwich-like structure of the microfluidic component.
  • the drive substrate may also be substantially plate-shaped.
  • the at least two actuation components may comprise in the drive substrate, for example, actuation chambers, which may be formed as recesses, which are closed by the elastic membrane on the side adjacent to this membrane.
  • the Aktuleitershuntn may for example be separated by webs. The webs are expediently designed as narrow as possible in relation to the Aktu michshuntn.
  • the drive substrate can also be referred to as cover or cap of the microfluidic component.
  • the Aktuiansskomponenten can according to the invention act directly or indirectly on the elastic membrane.
  • the elastic membrane according to the invention can be realized in particular as a continuous film-shaped film.
  • the simplified elastic membrane results in a simplified production, improved mechanical strength and a lower risk of leaks.
  • the elastic membrane is also referred to as a pumping membrane.
  • microfluidic component according to the invention in particular a microfluidic pump, are a higher possible pumping rate relative to the size and a minimized dead volume.
  • the minimized dead volume can in particular also ensure the pumpability of gases and keep the required amounts of possibly expensive samples and reagents low.
  • the actuation of the actuation components used in the microfluidic component can be based, for example, on electromagnetic, piezoelectric based on electrical, hydraulic or pneumatic action principles.
  • the corresponding actuation components and / or actuators used for this purpose usually have the advantage that they can be easily implemented and offer a strong drive.
  • Other possible actuations according to the invention can also be based, for example, on electrostatic, electromagnetic, thermopneumatic or thermomechanical principles of action.
  • the actuation components can comprise actuation chambers which can be subjected to a pneumatic or hydraulic pressure, for example via supply ducts.
  • thermopneumatically a pressure can be generated in the Aktuleitershuntn, for example by heating a gas contained therein or evaporation of a liquid. If the pressure in the respective actuation chamber exceeds the pressure in the fluidic plane, the elastic membrane is deflected into the volume of the fluid chamber and the respective fluid, for example a liquid reagent, displaced. For example, by a Lauflichtianos Aktutechniksmuster a directed fluid flow can be achieved.
  • the component according to the invention can, in particular for controlling the actuation, furthermore a control device.
  • the drive substrate may comprise integrated electromagnetic, electrostatic, piezoelectric and / or shape memory effect actuation components which may be independently actuated.
  • Such actuators can act directly on the membrane and can optionally be produced simultaneously with the microfluidic component and advantageously allow a simplified miniaturization.
  • the actuation substrate instead of the actuation chambers, has an opening through which external electromagnetic, electrostatic, piezoelectric or shape memory effect actuators, if appropriate, can act on the membrane by means of a plunger.
  • the fluidic substrate and / or the drive substrate may be structured Polymer substrate, in particular of polycarbonate, polystyrene, polydimethylsiloxane or a cyclo-olefin copolymer, or designed as a glass or silicon substrate.
  • Polymer substrate in particular of polycarbonate, polystyrene, polydimethylsiloxane or a cyclo-olefin copolymer, or designed as a glass or silicon substrate.
  • made of polymers can be advantageously resorted to suitable and established methods such as hot stamping or injection molding.
  • the preparation of polymers is usually also inexpensive.
  • the recesses can also be subsequently formed for example by photolithography and etching or by milling in the substrates.
  • the fluidic substrate and the drive substrate can independently of one another have a layer thickness of 300 ⁇ m to 10 mm and / or a base area of 5 mm ⁇ 5 mm to 200 mm ⁇ 200 mm, for example of 15 mm ⁇ 30 mm.
  • the fluidic substrate and drive substrate may have the same footprint and terminate flush with each other.
  • the fluid chamber according to the invention for example, a length L1 of
  • the height of the fluid chamber T2 can be, in particular,> 100 ⁇ m to ⁇ 1000 ⁇ m, for example 250 ⁇ m or 500 ⁇ m.
  • the Aktuiansshuntn can, for example, a length L2 of> 3 mm to
  • ⁇ 1000 ⁇ for example, 250 ⁇ or 500 ⁇ amount.
  • the elastic membrane can be designed as a polymer film, in particular with a thickness of> 0.01 ⁇ m to 200 ⁇ m, for example with a thickness of 100 ⁇ m.
  • the elastic membrane may also be made thicker or thinner.
  • the elastic membrane may be formed from a thermoplastic, in particular weldable, polymer, in particular from a thermoplastic elastomer.
  • a weldable polymer as an elastic membrane, this can advantageously, in addition to the pumping and displacement function for a fluid, simultaneously serve as connection and sealing of the layer structure according to the invention, for example three-layer structure.
  • the use of a weldable polymer further allows easy connection of the substrates to the elastic membrane, for example by laser welding, ultrasonic welding or thermo-compression welding.
  • the elastic membrane is formed from a non-thermoplastic elastomer.
  • suitable elastomers are silicone elastomers, polyurethanes, rubbers such as polyacrylic rubber, styrene rubber, butadiene rubber or mixtures thereof.
  • the connection to the fluidic substrate and the drive substrate in this case can be done, for example, by an adhesive technique, for example, a lamination.
  • the fluid chamber may have rounded side walls.
  • the elastic membrane deflected downwards into the fluid chamber for example the pumping membrane, can thereby better fit against the fluid chamber and the fluidic resistance in the actuated state is increased.
  • a reflux of a fluid can advantageously be prevented and the pumping rate can be increased.
  • the dead volume is reduced by the rounding.
  • the fluid chamber may have phase conductors (phaseguides) arranged on its bottom.
  • Phase conductors are capillary pressure barriers, for example, edges or other structures that act perpendicular to the direction of movement of a gas, such as air, liquid meniscus. The meniscus then aligns itself with the phase conductor and eventually overcomes the barrier given, for example, by edges. In this way, a controlled, bubble-free filling and emptying with liquids can be achieved.
  • the microfluidic component according to the invention as a reservoir for the pre-storage of liquid reagents, for example in a lab-on-chip system.
  • the phase conductors can allow even more accurate dimensioning and pre-storage of a defined amount of liquid, as well as the substantially residue-free controlled emptying of the reservoir.
  • the chamber in the fluidic substrate for example, completely filled with a liquid reagent.
  • a liquid reagent for example, a liquid reagent.
  • the emptying of the reservoir can take place, for example, by first opening the valve at the outlet of the main chamber and then actuating the actuation chambers sequentially.
  • the fluidic substrate and / or the drive substrate may have further microfluidic structures and / or microfluidic components, for example chambers, mixers, valves.
  • the pumping or reservoir function of the microfluidic component can be further supported and / or the microfluidic component can simultaneously take on additional functions associated with the additional components.
  • these additional structures and / or components can be made at least partially simultaneously with the pumping chamber or the actuation chambers.
  • the invention further relates to a method for producing a microfluidic component, in particular a microfluidic peristaltic pump.
  • the fluidic substrate and the drive substrate can in particular be produced by microtechnological methods and provided for the further production of the microfluidic component.
  • a plate-shaped or sheet-shaped fluidic substrate and / or as a driving substrate a glass substrate, a silicon substrate, a printed circuit board substrate or a
  • Polymer substrate in particular a pyrex substrate, a Teflon substrate, a polystyrene substrate, a polycarbonate substrate, a substrate of a cyclo-olefin copolymer, a polyester substrate or a PDMS substrate, or by injection molding or deep etching or embossing, in particular hot stamping, structured substrate, for example a structured glass substrate,
  • Silicon substrate or polymer substrate in particular a pyrex substrate, a teflon substrate, a polystyrene substrate, a polycarbonate substrate, a substrate of a cyclo-olefin copolymer, a polyester substrate or a PDMS substrate.
  • the invention also relates to the use of a microfluidic component in a lab-on-chip system.
  • the microfluidic component can be used as a peristaltic micropump.
  • a microfluidic component according to the invention can be used in a lab-on-chip system as a reservoir for pre-storage, in particular of liquid reagents. The volume of the fluid chamber then forms the fluid reservoir.
  • the microfluidic component according to the invention can therefore be used for the pre-storage and metering and / or for the transport of fluids, for example liquid reagents.
  • FIG. 1 is a schematic oblique plan view of an inventive microfluidic component, in particular a peristaltic pump
  • FIG. 2 shows a schematic plan view of the embodiment of the microfluidic component shown in FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-section along the line A-A 'through FIG. 1
  • FIG. 4 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic cross section along the line B-B 'through FIG. 4
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of an embodiment of a microfluidic reservoir according to the invention
  • FIG. 7 shows a schematic cross section along the line C-C through FIG. 6 embodiment of a microfluidic reservoir according to the invention
  • FIG. 8 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component according to the invention with three actuation components
  • Fig. 9 is a schematic cross-section along the line DD ' through the embodiment shown in Fig. 7.
  • FIG. 1 shows a microfluidic component 1 according to the invention which has a fluidic substrate 2, a drive substrate 4 and an elastic membrane 3 sandwiched between these substrates.
  • the fluidic substrate 2 adjoins the elastic membrane 3 and is connected to this area.
  • the elastic membrane 3 is also referred to as pumping membrane according to the invention.
  • the fluidic substrate 2 has on the side adjacent to the elastic membrane 3 side a recess 5, which is also referred to as a pumping chamber.
  • the at least two pumping chambers are combined to form a single main pumping chamber 5.
  • the dead volume can be minimized by the construction according to the invention with only one pumping chamber 5, in particular by the associated elimination of connecting channels between the pumping chambers.
  • the driving substrate 4 also abuts and is connected to the elastic membrane 3.
  • the drive substrate 4 has on its side adjacent to the elastic membrane 3 three recesses 6a, 6b, 6c, which are also referred to as Aktu réelleshuntn.
  • the actuation chambers 6a, 6b, 6c which are arranged one behind the other in the flow direction are provided by webs
  • actuation chambers are connected to supply channels 8a, 8b, 8c and can be acted on and actuated via inlet openings 9a, 9b, 9c in the drive substrate 4, for example with a hydraulic or pneumatic pressure by an external pressure device (not shown). Exceeds the pressure in the respective
  • Actuating chamber 6a, 6b, 6c the pressure in the fluidic plane 2, the pumping membrane 3 is deflected into the volume of the pumping chamber 5 into and displaces the respective fluid.
  • a directed fluid flow can be achieved.
  • a fluid can be fed through an inlet 10a via a supply channel 1 1 a in the pumping chamber 5 and led out through an outlet 10b via a feed line 1 1 b from the pumping chamber, in particular be pumped out by the previously described actuation of Aktuiansshuntn 6a, 6b, 6c , Further particularly suitable Aktutechniksmuster for a microfluidic peristaltic pump according to the invention with a fluid chamber 5 and three
  • Actuation chambers 6a, 6b, 6c are reproduced below in Examples 1 to 6.
  • FIG. 2 shows the microfluidic component 1 according to the invention shown in FIG. 1 in a schematic plan view of the drive substrate 4 with its
  • FIG. 3 shows a schematic cross section along the line AA 'through the microfluidic component 1 according to the invention shown in FIG. 2.
  • the height of the Aktu réelleshuntn 6 T1 according to the invention in particular> 100 ⁇ to ⁇ 1000 ⁇ , for example, 250 ⁇ or 500 ⁇ , amount.
  • the fluid chamber 5 according to the invention a height T2 of> 100 ⁇ to ⁇ 1000 ⁇ , for example, 250 ⁇ or 500 ⁇ have.
  • the pumping chamber 5 has in this embodiment rounded side walls, whereby advantageously, deflected into the volume of the fluid chamber, elastic membrane, such as pumping membrane, can create better to the fluid chamber walls. This allows the fluidic Resistance can be increased in the actuated state and advantageously prevents backflow of a fluid and the pumping rate can be increased. In addition, the dead volume is reduced by the rounding of the side walls.
  • FIG. 4 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component 1, in particular a peristaltic pump.
  • the fluidic substrate 2, the elastic membrane 3 and the drive substrate 4 are not shown in this illustration for the sake of clarity.
  • FIG. 3 shows once again that according to the invention only one pumping chamber 5 is provided.
  • the pumping chamber 5 can be filled and emptied through the supply channels 1 1 a and 1 1 b.
  • a fluid can be fed, for example through the channel 1 1 a in the pumping chamber 5, flow through them and leave through the channel 1 1 b the pumping chamber 5 again.
  • the generation of a directed fluid flow can be effected by the controlled sequential actuation of the actuation chambers 6a, 6b, 6c.
  • the actuation chambers 6a, 6b, 6c can be acted on and actuated via the supply channels 8a, 8b, 8c, for example, with a pneumatic or hydraulic pressure.
  • the Aktuiansshuntn 6a, 6b, 6c extend beyond the pumping chamber 5 in this embodiment laterally, perpendicular to the flow direction, and do not close, as shown in Figure 1, with the pumping chamber 5 flush.
  • Fig. 5 shows a schematic cross section along the line B-B 'of Fig. 3.
  • the fluidic substrate 2, the elastic membrane 3 and the driving substrate 4 are shown as a three-layer structure.
  • the figure illustrates that only one pumping chamber 5 is arranged essential to the invention in the fluidic substrate, whereby a minimized dead volume is advantageously provided in comparison with the prior art.
  • the controlled sequential actuation of the Aktu réelleshuntn 6a, 6b, 6c for example, pneumatic or hydraulic pressure.
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of an embodiment of a microfluidic component 1 according to the invention as a reservoir, as can be used, for example, for the preliminary storage of liquid reagents in a microfluidic lab-on-chip system.
  • the fluid chamber 5 is used as storage volume, ie as a reservoir.
  • the microfluidic component according to the invention may for example have a length L1 of> 15 mm to ⁇ 30 mm, for example 20 mm, and / or a width W of> 5 mm to ⁇ 15 mm, for example 10 mm.
  • the height of the fluid chamber T2 according to the invention can be in particular> 100 ⁇ to ⁇ 1000 ⁇ .
  • the microfluidic component 1 can furthermore have valves 14, 15 and 16. Through the inlet 10a liquid can be pumped through the reservoir 5 to a vent passage 17 and the reservoir 5 are thereby filled.
  • valve 15 is closed and the valves 14 and 16 are opened and the Aktu réelleshuntn 6a, 6b and 6c not actuated.
  • the valves 14 and 16 can then be closed and the liquid in the reservoir is now "on chip.”
  • the valve 15 can be opened while the valves 14 and 16 remain closed
  • the actuation chamber 6b, and finally the actuation chamber 6c can be evacuated and the reservoir 5 can be basically and not only limited to this embodiment also two or more than three actuation chambers 6 in FIG microfluidic component 1.
  • an amount of liquid precisely defined in the volume can be measured and stored in advance
  • the quantity of liquid provided can then be controlled, if necessary also in several defined S are discharged from the reservoir 5, without an external pump is needed.
  • FIG. 7 shows a schematic cross section along the line CC through FIG. 6 through the actuation chamber 6b and its supply channel 8b.
  • the height of the Aktu istshuntn 6 T1 according to the invention in particular> 100 ⁇ to ⁇ 1000 ⁇ , for example, 250 ⁇ or 500 ⁇ , amount.
  • the fluid chamber 5 can also have a height T2 of> 100 ⁇ m to ⁇ 1000 ⁇ m, for example 250 ⁇ m or 500 ⁇ m.
  • FIG. 8 shows a simplified schematic plan view of a microfluidic component 1, in particular a peristaltic pump, in which the
  • Actuating chambers are replaced by alternative Aktu réelleskomponenten 18a, 18b, 18c.
  • the actuation components 18a, 18b, 18c may, for example, comprise actuators which can act on the elastic membrane directly or via plungers.
  • the actuators may be piezoelectric, electromagnetic, electrostatic or shape memory actuators in this embodiment, for example.
  • the fluidic substrate 2, the elastic membrane 3 and the drive substrate 4 are not shown in this illustration for the sake of clarity. According to the invention, only one pumping chamber 5 is advantageously provided, which not only simplifies the production of the fluidic substrate, but also a minimal fluidic resistance and a pumping rate which is increased in relation to the size can be achieved.
  • the pumping chamber 5 can through the channels 1 1 a and 1 1 b, or through the inlet 10 a, filled and emptied through the outlet 10b.
  • a fluid can be fed, for example through the channel 1 1 a in the pumping chamber 5, flow through them and leave through the channel 1 1 b the pumping chamber 5 again. Directed fluid flow may be accomplished by the controlled sequential actuation of the actuation components 18a, 18b, 18c.
  • Fig. 9 shows a schematic cross section along the line D-D 'through Fig. 8.
  • the fluidic substrate 2 the elastic membrane 3 and the
  • the Aktu istskomponenten are designed as a plunger, which in turn act directly on the elastic membrane 3.
  • the external actuators can be, for example, piezoelectric, electromagnetic, electrostatic or shape memory actuators.
  • Examples 1 to 6 give in tabular form particularly suitable Aktuleitersmuster a peristaltic pump according to the invention, as shown for example in Figure 1 again.
  • the Aktutechniksmuster are independent of the type of Aktutechnik and can for example be applied to an embodiment of the invention, as shown in Figures 8 and 9.
  • the invention provides a microfluidic component, in particular a peristaltic micropump, with an optimized design. Due to the design according to the invention, a minimum dead volume and, furthermore, a higher pumping rate relative to the size can be achieved. In particular, by virtue of the inventively minimized dead volume, by the provision of only one fluid chamber, in particular pumping chamber, the pumpability of gases can be ensured and the required amounts of sample material and reagents can be kept low.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Bauteil (1), insbesondere eine peristaltische Mikropumpe, mindestens umfassend einen Schichtaufbau aus einem fluidischen Substrat (2), einem Ansteuerungssubstrat (4) und einer dazwischen angeordneten elastischen Membran (3), dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Substrat (2) auf seiner an die elastische Membran (3) angrenzenden Seite eine Fluidkammer (5) aufweist, das Ansteuerungssubstrat (4), mindestens auf seiner an die elastische Membran (3) angrenzenden Seite, mindestens zwei voneinander getrennte Aktuierungskomponenten aufweist, die jeweils mindestens teilweise der Fluidkammer (5) gegenüber angeordnet sind und auf die elastische Membran (3) einwirken können und die Aktuierungskomponenten, gegebenenfalls durch ein oder mehrere Aktoren, unabhängig voneinander aktuierbar sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Bauteils (1) sowie dessen Verwendung in einem Lab-on-Chip-System.

Description

Beschreibung Titel
Mikrofluidisches Bauteil, insbesondere peristaltische Mikropumpe, und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Bauteil, insbesondere eine peristaltische Mikropumpe, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Makroskopische peristaltische Pumpen in radialer und linearer Bauform sind aus der Medizintechnik und der chemischen Analytik bekannt. Bei diesen Pumpen wird ein flexibler Schlauch von außen so zusammengedrückt, dass es zu einer gerichteten Verdrängung der darin enthaltenen Flüssigkeit kommt.
Realisierungen mikrotechnischer Pumpen, unter anderem mit peristaltischem Pumpprinzip, sind beispielsweise in der Veröffentlichung von N.-T. Nguyen und W. Dötzel „Mikropumpen - der Entwicklungsstand im Überblick", Mikrotechnik, Jahrg. 109, (2001 ), 3, Carl Hanser Verlag, München, beschrieben. Gegenüber anderen Bauformen bieten peristaltische Mikropumpen den Vorteil einer stark vereinfachten Herstellung, da keine Rückschlagventile realisiert werden müssen. Ein weiterer Vorteil ist die Unempfindlichkeit gegenüber Partikeln. Andererseits ist bei Nguyen et al. beschrieben, dass die peristaltischen Mikropumpen mindestens drei Pumpkammern benötigen, die über Kanäle verbunden sind. Jede Pumpkammer ist auf einer Seite durch eine Pumpmembran begrenzt. Durch Auslenkung der Membran aus der Ruhestellung kann das Kammervolumen verändert werden. Durch eine wellenähnliche Aktuierung der Pumpkammern kann ein Fluid in eine gewünschte Richtung gefördert werden. Mikropumpen können beispielsweise für den Transport von Flüssigkeiten in mikrofluidischen Systemen eingesetzt werden. Mikrofluidische Systeme kommen beispielsweise in Form von miniaturisierten Analysesystemen, so genannten μΤΑε (Miniaturized Total Analysis System) bzw. Lab-on-Chip-Systemen oder als Mikroreaktoren zum Einsatz. Sie finden insbesondere in der molekularen Diagnostik, der Biotechnologie, der analytischen, pharmazeutischen und klinischen Chemie, der Umweltanalytik und Lebensmittelchemie wichtige Anwendungsgebiete.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mikrofluidisches Bauteil, insbesondere eine peristaltische Mikropumpe, mindestens umfassend einen Schichtaufbau aus einem fluidischen Substrat, einem Ansteuerungssubstrat und einer dazwischen angeordneten elastischen Membran, wobei das fluidische Substrat auf seiner an die elastische Membran angrenzenden Seite eine Fluidkammer aufweist, das Ansteuerungssubstrat, mindestens auf seiner an die elastische Membran angrenzenden Seite, mindestens zwei voneinander unabhängige Aktuierungskomponenten aufweist, die jeweils mindestens teilweise der Fluidkammer gegenüber angeordnet sind und auf die elastische Membran einwirken können und die Aktuierungskomponenten, gegebenenfalls durch ein oder mehrere Aktoren, unabhängig voneinander aktuierbar sind.
Mit anderen Worten werden erfindungsgemäß im fluidischen Substrat die mindestens drei Pumpkammern der bekannten peristaltischen Mikropumpen durch eine einzige Hauptkammer ersetzt. Dadurch ergibt sich vorteilhafterweise ein minimaler fluidischer Widerstand sowie eine dadurch erhöhte Pumprate. Gleichzeitig kann das ansonsten durch die Verbindungskanäle zwischen den Pumpkammern gegebene Totvolumen eliminiert werden.
Das fluidische Substrat ist erfindungsgemäß im Wesentlichen plattenförmig, beispielsweise schichtförmig ausgestaltet. Die Fluidkammer ist im fluidischen Substrat als Ausnehmung ausgebildet, die von der elastischen Membran, auf der an diese Membran angrenzenden Seite, verschlossen wird. Das fluidische Substrat ist mit der elastischen Membran verbunden. Die Fluidkammer wird erfindungsgemäß auch als Pumpkammer oder Reservoir bezeichnet. Gegenüber dem fluidischen Substrat und von diesem, zumindest im Bereich der Pumpkammer, durch eine elastische Membran getrennt befindet sich das Ansteuerungssubstrat, welches ebenfalls mit der elastischen Membran verbunden ist. Hieraus ergibt sich ein sandwichartiger Aufbau des mikrofluidischen Bauteils. Das Ansteuerungssubstrat kann ebenfalls im Wesentlichen plattenförmig ausgestaltet sein.
Die mindestens zwei Aktuierungskomponenten können im Ansteuerungssubstrat beispielsweise Aktuierungskammern umfassen, die als Ausnehmungen ausgebildet sein können, die von der elastischen Membran, auf der an diese Membran angrenzenden Seite, verschlossen werden. Die Aktuierungskammern können beispielsweise durch Stege voneinander getrennt sein. Die Stege sind in Relation zu den Aktuierungskammern zweckmäßigerweise möglichst schmal ausgebildet. Das Ansteuerungssubstrat kann erfindungsgemäß auch als Deckel oder Deckelung des mikrofluidischen Bauteils bezeichnet werden. Die Aktuierungskomponenten können erfindungsgemäß direkt oder indirekt auf die elastische Membran einwirken.
Die elastische Membran kann erfindungsgemäß insbesondere als durchgängige filmförmige Folie realisiert werden. Im Vergleich zur Verwendung von mehreren unterteilten Membranen ergibt sich erfindungsgemäß mit der durchgängigen elastischen Membran eine vereinfachte Fertigung, verbesserte mechanische Festigkeit und eine geringere Gefahr von Leckagen. Im Falle eines mikrofluidischen Bauteils, dass als peristaltische Mikropumpe ausgestaltet und verwendet wird, wird die elastische Membran auch als Pumpmembran bezeichnet.
Wichtige Vorteile des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Bauteils, insbesondere einer mikrofluidischen Pumpe, sind eine relativ zur Baugröße höhere mögliche Pumprate und ein minimiertes Totvolumen. Durch das minimierte Totvolumen kann insbesondere auch die Pumpbarkeit von Gasen gewährleistet und die benötigten Mengen an unter Umständen teuren Proben und Reagenzien gering gehalten werden.
Die im mikrofluidischen Bauteil eingesetzte Aktuierung der Aktuierungskomponenten kann beispielsweise auf elektromagnetischen, piezo- elektrischen, hydraulischen oder pneumatischen Wirkprinzipien beruhen. Die dafür eingesetzten entsprechenden Aktuierungskomponenten und/oder Aktoren haben meist den Vorteil, dass sie leicht implementiert werden können und einen starken Antrieb bieten. Andere erfindungsgemäß mögliche Aktuierungen können beispielsweise auch auf elektrostatischen, elektromagnetischen, thermopneu- matischen oder thermomechanischen Wirkprinzipien beruhen.
In einer Ausführungsform der Erfindung können die Aktuierungskomponenten Aktuierungskammern umfassen, die beispielsweise über Zuleitungskanäle mit einem pneumatischen oder hydraulischen Druck beaufschlagt werden können.
Alternativ kann in den Aktuierungskammern auch thermopneumatisch ein Druck erzeugt werden, zum Beispiel durch Aufheizen eines darin enthaltenen Gases oder Verdampfen einer Flüssigkeit. Übersteigt der Druck in der jeweiligen Aktuierungskammer den Druck in der fluidischen Ebene, so wird die elastische Membran in das Volumen der Fluidkammer ausgelenkt und das jeweilige Fluid, beispielsweise ein flüssiges Reagenz, verdrängt. Beispielsweise durch ein lauflichtartiges Aktuierungsmuster kann ein gerichteter Fluidstrom erreicht werden. Das erfindungsgemäße Bauteil kann, insbesondere zur Steuerung der Aktuierung, weiterhin eine Steuerungsvorrichtung.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann das Ansteuerungssubstrat statt der Aktuierungskammern integrierte elektromagnetische, elektrostatische, piezoelektrische und/oder nach dem Formgedächtniseffekt arbeitende Aktuierungskomponenten umfassen, die unabhängig voneinander angesteuert (aktuiert) werden können. Solche Aktoren können direkt auf die Membran wirken und können gegebenenfalls gleichzeitig mit dem mikrofluidischen Bauteil hergestellt werden und erlauben vorteilhafterweise eine vereinfachte Miniaturisierung. In einer weiteren alternativen Ausführung weist das Ansteuerungssubstrat statt der Aktuierungskammern einen Durchbruch auf, durch den externe elektromagnetische, elektrostatische, piezoelektrische oder nach dem Formgedächtniseffekt arbeitende Aktoren, gegebenenfalls mittels eines Stößels auf die Membran wirken können.
Im Rahmen einer Ausgestaltung des mikrofluidischen Bauteils kann das fluidische Substrat und/ oder das Ansteuerungssubstrat als strukturiertes Polymersubstrat, insbesondere aus Polycarbonat, Polystyrol, Polydimethylsiloxan oder einem Cyclo-Olefin-Copolymer, oder als Glas- oder Siliziumsubstrat ausgestaltet sein. Bei der Fertigung der Substrate mit den entsprechenden Kammern, beziehungsweise dafür vorzusehenden Ausnehmungen, aus Polymeren kann vorteilhafterweise auf geeignete und etablierte Verfahren wie Heißprägen oder Spritzgießen zurückgegriffen werden. Die Herstellung aus Polymeren ist in der Regel außerdem kostengünstig. Die Ausnehmungen können auch nachträglich beispielsweise durch Photolithographie und Ätzen oder durch Fräsen in den Substraten ausgebildet werden.
Das fluidische Substrat und das Ansteuerungssubstrat können unabhängig voneinander eine Schichtdicke von 300 μιη bis 10 mm und/oder eine Grundfläche von 5 mm x 5 mm bis 200 mm x 200 mm, beispielsweise von 15 mm x 30 mm, aufweisen. Beispielsweise können fluidisches Substrat und Ansteuerungssubstrat die gleiche Grundfläche aufweisen und bündig miteinander abschließen.
Die Fluidkammer kann erfindungsgemäß beispielsweise eine Länge L1 von
> 15 mm bis < 30 mm, beispielsweise 20 mm und/oder eine Breite W von > 5 mm bis < 15 mm, beispielsweise 10 mm aufweisen. Die Höhe der Fluidkammer T2 kann erfindungsgemäß insbesondere >100 μιη bis < 1000 μιη, beispielsweise 250 μιη oder 500 μιη betragen.
Die Aktuierungskammern können beispielsweise eine Länge L2 von > 3 mm bis
< 10 mm, beispielsweise 4 mm, 6 mm oder 9 mm und/oder eine Breite W2 von
> 5 mm bis < 15 mm, beispielsweise 10 mm aufweisen. Die Höhe der Aktuierungskammer T1 kann erfindungsgemäß insbesondere >100 μιη bis
< 1000 μιη, beispielsweise 250 μιη oder 500 μιη betragen.
Die Dimensionierung des fluidischen Substrats, des Ansteuerungssubstrats, der Fluidkammern und der Aktuierungskammern, beziehungsweise die Ausgestaltung und Dimensionierung der Aktuierungskomponenten und/oder Aktoren kann erfindungsgemäß auf bestimmte Anwendungen angepasst werden und ist nicht auf die vorstehend angegebenen Werte beschränkt. In einer Ausgestaltung des mikrofluidischen Bauteils kann die elastische Membran als Polymerfolie insbesondere mit einer Dicke von > 0,01 μιη bis 200 μιη, beispielsweise mit einer Dicke von 100 μιη, ausgebildet sein. Die elastische Membran kann je nach Materialauswahl und gegebenenfalls je nach der beabsichtigten Anwendung, der gewünschten und/oder benötigten Belastbarkeit und Elastizität jedoch auch dicker oder dünner ausgelegt sein.
In einer erfindungsgemäßen Ausführung des mikrofluidischen Bauteils kann die elastische Membran aus einem thermoplastischen, insbesondere schweißbaren, Polymer, insbesondere aus einem thermoplastischen Elastomer, ausgebildet sein. Durch den Einsatz eines schweißbaren Polymers als elastische Membran kann diese vorteilhafterweise, neben der Pump- und Verdrängungsfunktion für ein Fluid, gleichzeitig als Verbindung und Abdichtung des erfindungsgemäßen Schichtaufbaus, beispielsweise Dreischichtaufbaus, dienen. Der Einsatz eines schweißbaren Polymers ermöglicht weiterhin eine einfache Verbindung der Substrate mit der elastischen Membran, beispielsweise durch Laserschweißen, Ultraschallschweißen oder Thermokompressionsschweißen.
Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, dass die elastische Membran aus einem nicht-thermoplastischen Elastomer ausgebildet ist. Beispiele für geeignete Elastomere sind Silikonelastomere, Polyurethane, Kautschuke, wie Polyacrylkautschuk, Styrolkautschuk, Butadienkautschuk oder Mischungen daraus. Die Verbindung mit dem fluidischen Substrat und dem Ansteuerungssubstrat kann in diesem Fall beispielsweise durch ein Klebetechnik-Verfahren, beispielsweise eine Laminierung, erfolgen.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Fluidkammer verrundete Seitenwände aufweisen. Vorteilhafterweise hat sich gezeigt, dass sich hierdurch die nach unten in die Fluidkammer ausgelenkte elastische Membran, beispielsweise Pumpmembran, besser an die Fluidkammer anlegen kann und der fluidische Widerstand im aktuierten Zustand erhöht wird. Dadurch kann vorteilhafterweise ein Rückfluss eines Fluids verhindert und die Pumprate erhöht werden. Außerdem wird durch die Verrundung das Totvolumen verringert.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Fluidkammer auf ihrem Boden angeordnete Phasenleiter (Phaseguides) aufweisen. Phasenleiter sind Kapillardruckbarrieren, beispielsweise Kanten oder andere Strukturen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung eines Gas-, beispielsweise Luft-, Flüssigkeitsmeniskus wirken. Der Meniskus richtet sich dann an dem Phasenleiter aus und überwindet letztendlich die, beispielsweise durch Kanten gegebene, Barriere. Auf diese Weise kann eine kontrollierte, blasenfreie Befüllung und Entleerung mit Flüssigkeiten erzielt werden. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Bauteils als Reservoir zur Vorlagerung von flüssigen Reagenzien, beispielsweise in einem Lab-on-Chip-System. Hierbei können die Phasenleiter eine noch genauere Abmessung und Vorlagerung einer definierten Flüssigkeitsmenge, sowie die im Wesentlichen rückstandsfreie kontrollierte Entleerung des Reservoirs ermöglichen.
Bei der Verwendung der Erfindung als Reservoir in einem Lab-on-Chip-System kann die Kammer im fluidischen Substrat, beispielsweise vollständig, mit einem flüssigen Reagenz befüllt werden. Gegebenenfalls befinden sich am Ein- und Auslass der Hauptkammer Ventile, mit denen die befüllte Hauptkammer verschlossen werden kann. Die Entleerung des Reservoirs kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zunächst das Ventil am Auslass der Hauptkammer geöffnet wird und danach die Aktuierungskammern sequentiell aktuiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das fluidische Substrat und/oder das Ansteuerungssubstrat weitere mikrofluidische Strukturen und/oder mikrofluidische Komponenten, beispielsweise Kammern, Mischer, Ventile aufweisen. Hiermit können die Pump- oder Reservoirfunktion des mikrofluidischen Bauteils weiter unterstützt und/oder das mikrofluidische Bauteil kann gleichzeitig weitere mit den zusätzlichen Komponenten verbundene Funktionen übernehmen. Vorteilhafterweise können diese zusätzlichen Strukturen und/oder Komponenten mindestens teilweise gleichzeitig mit der Pumpkammer oder den Aktuierungskammern hergestellt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Bauteils, insbesondere einer mikrofluidischen peristaltischen Pumpe. Das fluidische Substrat und das Ansteuerungssubstrat können insbesondere durch mikrotechnologische Verfahren hergestellt und zur weiteren Fertigung des mikrofluidischen Bauteils bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann als platten- oder folienförmiges fluidisches Substrat und/oder als Ansteuerungssubstrat ein Glassubstrat, ein Siliziumsubstrat, ein Leiterplattensubstrat oder ein
Polymersubstrat, insbesondere ein Pyrexsubstrat, ein Teflonsubstrat, ein Polystyrolsubstrat, ein Polycarbonatsubstrat, ein Substrat aus einem Cyclo- Olefin-Copolymer, ein Polyestersubstrat oder ein PDMS-Substrat, oder ein durch Spritzgießen oder Tiefenätzen oder Prägen, insbesondere Heißprägen, strukturiertes Substrat, beispielsweise ein strukturiertes Glassubstrat,
Siliziumsubstrat oder Polymersubstrat, insbesondere ein Pyrexsubstrat, ein Teflonsubstrat, ein Polystyrolsubstrat, ein Polycarbonatsubstrat, ein Substrat aus einem Cyclo-Olefin-Copolymer, ein Polyestersubstrat oder ein PDMS-Substrat, verwendet werden.
Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung eines mikrofluidischen Bauteils in einem Lab-on-Chip-System. Insbesondere kann das mikrofluidische Bauteil als peristaltische Mikropumpe verwendet werden. Weiterhin kann ein mikrofluidisches Bauteil gemäß der Erfindung in einem Lab-on-Chip-System als Reservoir zur Vorlagerung, insbesondere von flüssigen Reagenzien, genutzt werden. Das Volumen der Fluidkammer bildet dann das Flüssigkeitsreservoir. Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße mikrofluidische Bauteil also zur Vorlagerung und Dosierung und/oder zum Transport von Fluiden, beispielsweise flüssigen Reagenzien verwendet werden.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische schräge Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes mikrofluidisches Bauteil, insbesondere eine peristaltische Pumpe, Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform des mikrofluidischen Bauteils,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A' durch Fig. 1 , Fig. 4 eine vereinfachte schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes mikrofluidisches Bauteil,
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie B-B' durch Fig. 4, Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Reservoirs,
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie C-C durch Fig. 6 Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Reservoirs,
Fig. 8 eine vereinfachte schematische Draufsicht auf erfindungsgemäßes mikrofluidisches Bauteil mit drei Aktuierungskomponenten, und
Fig. 9 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie D-D' durch die in Fig. 7 gezeigte Ausführungsform.
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes mikrofluidisches Bauteil 1 , welches ein fluidisches Substrat 2, ein Ansteuerungssubstrat 4 und eine, sandwichartig zwischen diesen Substraten angeordnete, elastische Membran 3 aufweist. Dabei grenzt das fluidische Substrat 2 an die elastische Membran 3 an und ist mit dieser flächig verbunden. Die elastische Membran 3 wird erfindungsgemäß auch als Pumpmembran bezeichnet. Das fluidische Substrat 2 weist an der an die elastische Membran 3 angrenzenden Seite eine Ausnehmung 5 auf, die auch als Pumpkammer bezeichnet wird. Im Unterschied zu bisherigen Realisierungen von mikrofluidischen peristaltischen Pumpen sind die mindestens zwei Pumpkammern zu einer einzigen Haupt-Pumpkammer 5 zusammengeführt.
Vorteilhafterweise ergeben sich hierdurch ein minimaler fluidischer Widerstand sowie eine erhöhte Pumprate. Zusätzlich kann erfindungsgemäß das Totvolumen durch den erfindungsgemäßen Aufbau mit nur einer Pumpkammer 5, insbesondere durch die damit verbundene Eliminierung von Verbindungskanälen zwischen den Pumpkammern, minimiert werden. Das Ansteuerungssubstrat 4 grenzt ebenso an die elastische Membran 3 und ist mit dieser verbunden. Das Ansteuerungssubstrat 4 weist an seiner an die elastische Membran 3 angrenzenden Seite drei Ausnehmungen 6a, 6b, 6c auf, die auch als Aktuierungskammern bezeichnet werden. Die in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c sind durch Stege
7a, 7b voneinander getrennt und können unabhängig voneinander aktuiert werden. In der gezeigten Ausführungsform sind die Aktuierungskammern mit Zuleitungskanälen 8a, 8b, 8c verbunden und können über Einlassöffungen 9a, 9b, 9c im Ansteuerungssubstrat 4 beispielsweise mit einem hydraulischen oder pneumatischen Druck durch eine externe Druckvorrichtung (nicht gezeigt) beaufschlagt und aktuiert werden. Übersteigt der Druck in der jeweiligen
Aktuierungskammer 6a, 6b, 6c den Druck in der fluidischen Ebene 2, so wird die Pumpmembran 3 in das Volumen der Pumpkammer 5 hinein ausgelenkt und das jeweilige Fluid verdrängt. Beispielsweise durch ein lauflichtartiges Aktuierungsmuster kann ein gerichteter Fluidstrom erzielt werden. Ein Fluid kann durch einen Einlass 10a über einen Zuleitungskanal 1 1 a in die Pumpkammer 5 eingespeist werden und durch einen Auslass 10b über eine Zuleitung 1 1 b aus der Pumpkammer herausgeführt, insbesondere durch die vorher beschriebene Aktuierung der Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c herausgepumpt werden. Weitere besonders geeignete Aktuierungsmuster für eine erfindungsgemäße mikrofluidische peristaltische Pumpe mit einer Fluidkammer 5 und drei
Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c, sind im Folgenden in den Beispielen 1 bis 6 wiedergegeben.
Figur 2 zeigt das in Figur 1 gezeigte, erfindungsgemäße mikrofluidische Bauteil 1 in einer schematischen Draufsicht auf das Ansteuerungssubstrat 4 mit dessen
Einlassöffungen 9a, 9b, 9c, durch die die drei Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c über die Zuleitungskanäle 8a, 8b, 8c mit einem Druck beaufschlagt werden können. Figur 3 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A' durch das in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße mikrofluidische Bauteil 1 . Die Höhe der Aktuierungskammern 6 T1 kann erfindungsgemäß insbesondere > 100 μιη bis < 1000 μιη, beispielsweise 250 μιη oder 500 μιη, betragen. Unabhängig davon kann die Fluidkammer 5 erfindungsgemäß eine Höhe T2 von > 100 μιη bis < 1000 μιη, beispielsweise 250 μιη oder 500 μιη aufweisen. Figur 2 zeigt außerdem, dass in dieser Ausführungsform die Aktuierungskammer 6b und die Pumpkammer 5 in ihren seitlichen Begrenzungen bündig miteinander abschließen. Die Pumpkammer 5 weist in dieser Ausgestaltung verrundete Seitenwände auf, wodurch sich vorteilhafterweise die, in das Volumen der Fluidkammer ausgelenkte, elastische Membran, beispielsweise Pumpmembran, besser an die Fluidkammerwände anlegen kann. Hierdurch kann der fluidische Widerstand im aktuierten Zustand erhöht werden und vorteilhafterweise ein Rückfluss eines Fluids verhindert und die Pumprate erhöht werden. Außerdem wird durch die Verrundung der Seitenwände das Totvolumen verringert.
Figur 4 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht auf ein mikrofluidisches Bauteil 1 , insbesondere eine peristaltische Pumpe. Das fluidische Substrat 2, die elastische Membran 3 sowie das Ansteuerungssubstrat 4 sind in dieser Darstellung der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Figur 3 zeigt noch einmal, dass erfindungsgemäß nur eine Pumpkammer 5 vorgesehen ist. Hierdurch kann vorteilhafterweise ein minimaler fluidischer Widerstand sowie eine in Relation zur Baugröße erhöhte Pumprate erzielt werden. Die Pumpkammer 5 kann durch die Zuleitungskanäle 1 1 a und 1 1 b befüllt und entleert werden. Ein Fluid kann beispielsweise durch den Kanal 1 1 a in die Pumpkammer 5 eingespeist werden, diese durchströmen und durch den Kanal 1 1 b die Pumpkammer 5 wieder verlassen. Die Erzeugung eines gerichteten Fluidstroms kann durch die gesteuerte sequenzielle Aktuierung der Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c erfolgen. Die Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c können über die Zuleitungskanäle 8a, 8b, 8c beispielsweise mit einem pneumatischen oder hydraulischen Druck beaufschlagt und aktuiert werden. Die Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c überragen in dieser Ausführungsform die Pumpkammer 5 seitlich, senkrecht zur Strömungsrichtung, und schließen nicht, wie in Figur 1 wiedergegeben, mit der Pumpkammer 5 bündig ab.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie B-B' durch Fig. 3. In dieser Figur sind das fluidische Substrat 2, die elastische Membran 3 und das Ansteuerungssubstrat 4 als Dreischichtaufbau gezeigt. Die Figur verdeutlicht, dass erfindungswesentlich im fluidischen Substrat nur eine Pumpkammer 5 angeordnet ist, wodurch im Vergleich zum Stand der Technik vorteilhafterweise ein minimiertes Totvolumen gegeben ist. Durch die Zuleitungskanäle 8a, 8b, 8c kann die gesteuerte sequenzielle Aktuierung der Aktuierungskammern 6a, 6b, 6c beispielsweise pneumatischen oder hydraulischen Druck erfolgen.
Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Bauteils 1 als Reservoir, wie es beispielsweise zur Vorlagerung von flüssigen Reagenzien in einem mikrofluidischen Lab-on-Chip-System verwendet werden kann. Die Fluidkammer 5 wird dabei als Vorratsvolumen, also als Reservoir, verwendet. Die Fluidkammer
5 kann beispielsweise eine Länge L1 von >15 mm bis < 30 mm, beispielsweise 20 mm, und/oder eine Breite W von > 5 mm bis < 15 mm, beispielsweise 10 mm aufweisen. Die Höhe der Fluidkammer T2 kann erfindungsgemäß insbesondere >100 μιη bis < 1000 μιη betragen. Das erfindungsgemäße mikrofluidische Bauteil
1 weist auch in dieser Ausgestaltung drei Aktuierungskammern 6a, 6b und 6c auf, die unabhängig voneinander über Zuleitungskanäle 8a, 8b und 8c, beispielsweise pneumatisch oder hydraulisch, mit einem Druck beaufschlagt werden können. Eine pneumatische oder hydraulische Aktuierung kann dabei über externe oder interne Pilotventile erfolgen. Die Aktuierungskammern können beispielsweise eine Länge L2 von > 3 mm bis < 10 mm, beispielsweise 4 mm oder 6 mm, und/oder eine Breite W von > 5 mm bis < 15 mm, beispielsweise 10 mm, aufweisen. Das erfindungsgemäße mikrofluidische Bauteil 1 kann weiterhin Ventile 14, 15 und 16 aufweisen. Durch den Einlass 10a kann Flüssigkeit durch das Reservoir 5 zu einem Entlüftungskanal 17 gepumpt und das Reservoir 5 hierdurch befüllt werden. Hierbei ist das Ventil 15 geschlossen und die Ventile 14 und 16 geöffnet und die Aktuierungskammern 6a, 6b und 6c nicht aktuiert. Die Ventile 14 und 16 können dann geschlossen werden und die im Reservoir befindliche Flüssigkeit ist nun „On Chip" vorgelagert. Zum Freisetzen der Flüssigkeit kann das Ventil 15 geöffnet werden, während Ventil 14 und 16 geschlossen bleiben. Nachfolgend kann zuerst die Aktuierungskammer 6a beispielsweise mit einem pneumatischen oder hydraulischen Überdruck beaufschlagt werden, danach die Aktuierungskammer 6b, und schließlich die Aktuierungskammer 6c. Dadurch kann das Reservoir 5 gezielt und kontrolliert entleert werden. Es können erfindungsgemäß grundsätzlich und nicht nur auf diese Ausführungsform beschränkt auch zwei oder mehr als drei Aktuierungskammern 6 im mikrofluidischen Bauteil 1 vorgesehen werden. Vorteilhafterweise kann in einer solchen erfindungsgemäßen Ausführungsform eine im Volumen genau definierte Flüssigkeitsmenge abgemessen und vorgelagert werden. Die vorgesehene Flüssigkeitsmenge kann dann kontrolliert, gegebenenfalls auch in mehreren definierten Schritten, aus dem Reservoir 5 abgegeben werden, ohne dass eine externe Pumpe benötigt wird. Erfindungsgemäß kann darüber hinaus mit zwei oder mehr Aktuierungskammern
6 verhindert werden, dass, insbesondere in den Ecken des Reservoirs 5, Flüssigkeitsreste zurückbleiben. Hierdurch wird eine exaktere Dosierung von
Fluiden, beispielsweise in einem Lab-on-Chip-System, möglich. Fig. 7 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie C-C durch Fig. 6 durch die Aktuierungskammer 6b und deren Zuleitungskanal 8b. Die Höhe der Aktuierungskammern 6 T1 kann erfindungsgemäß insbesondere >100 μιη bis < 1000 μιη, beispielsweise 250 μιη oder 500 μιη, betragen. Unabhängig davon kann auch die Fluidkammer 5 erfindungsgemäß eine Höhe T2 von >100 μιη bis < 1000 μιη, beispielsweise 250 μιη oder 500 μιη, aufweisen.
Figur 8 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht auf ein mikrofluidisches Bauteil 1 , insbesondere eine peristaltische Pumpe, in dem die
Aktuierungskammern durch alternative Aktuierungskomponenten 18a, 18b, 18c ersetzt sind. Die Aktuierungskomponenten 18a, 18b, 18c können beispielsweise Aktoren umfassen, die direkt oder über Stößel auf die elastische Membran wirken können. Die Aktoren können in dieser Ausgestaltung beispielsweise piezoelektrische, elektromagnetische, elektrostatische oder Formgedächtnisaktoren sein. Das fluidische Substrat 2, die elastische Membran 3 sowie das Ansteuerungssubstrat 4 sind in dieser Darstellung der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise nur eine Pumpkammer 5 vorgesehen, wodurch nicht nur die Fertigung des fluidischen Substrats vereinfacht wird, sondern es kann ein minimaler fluidischen Widerstand sowie eine in Relation zur Baugröße erhöhte Pumprate erzielt werden. Die Pumpkammer 5 kann durch die Kanäle 1 1 a und 1 1 b, beziehungsweise durch den Einlass 10 a, befüllt und durch den Auslass 10b entleert werden. Ein Fluid kann beispielsweise durch den Kanal 1 1 a in die Pumpkammer 5 eingespeist werden, diese durchströmen und durch den Kanal 1 1 b die Pumpkammer 5 wieder verlassen. Ein gerichteter Fluidstrom kann durch die gesteuerte sequenzielle Aktuierung der Aktuierungskomponenten 18a, 18b, 18c erfolgen.
Fig. 9 zeigt einen schematischen Querschnitt entlang der Linie D-D' durch Fig. 8. In dieser Figur sind das fluidische Substrat 2, die elastische Membran 3 und das
Ansteuerungssubstrat 4 als Dreischichtaufbau gezeigt. Durch die im fluidischen Substrat angeordnete Haupt-Pumpkammer 5 wird im Vergleich zum Stand der Technik vorteilhafterweise ein minimiertes Totvolumen und eine exaktere und genauer steuerbare Funktion des mikrofluidischen Bauteils 1 erreicht. Die Aktuierungskomponenten sind als Stößel ausgestaltet, die wiederum direkt auf die elastische Membran 3 wirken. Beispielsweise durch externe Aktoren kann die gesteuerte sequenzielle Aktuierung der Stößel 18a, 18b, 18c erfolgen. Die externen Aktoren können beispielsweise piezoelektrische, elektromagnetische, elektrostatische oder Formgedächtnisaktoren sein.
Beispiele
Die folgenden Beispiele 1 bis 6 geben in Tabellenform besonders geeignete Aktuierungsmuster einer erfindungsgemäßen peristaltischen Pumpe, wie sie beispielsweise in Figur 1 gezeigt ist, wieder. Die Aktuierungsmuster sind unabhängig von der Art der Aktuierung und können beispielsweise auch auf eine erfindungsgemäße Ausführungsform angewendet werden, wie sie in den Figuren 8 und 9 wiedergegeben ist.
(X = Aktuierungskammer aktuiert, O = nicht aktuiert)
Beispiel 1
Schritt AktuierungsAktuierungsAktuierungskammer 1 kammer 2 kammer 3
1 0 0 0
2 X 0 0
3 X X 0
4 X X X
5 0 X X
6 0 0 X
Beispiel 2
Schritt AktuierungsAktuierungsAktuierungskammer 1 kammer 2 kammer 3
1 0 0 0
2 X 0 0
3 X X 0
4 0 X X
5 0 X X
6 0 0 X
Beispiel 3
Schritt AktuierungsAktuierungsAktuierungskammer 1 kammer 2 kammer 3
1 X 0 0
2 X X 0
3 X X X
4 0 X X
5 0 0 X Beispiel 4
Zusammenfassend wird erfindungsgemäß ein mikrofluidisches Bauteil, insbesondere eine peristaltische Mikropumpe, mit einem optimierten Design bereitgestellt. Durch das erfindungsgemäße Design kann ein minimales Totvolumen und weiterhin relativ zur Baugröße eine höhere Pumprate erzielt werden. Insbesondere durch das erfindungsgemäß minimierte Totvolumen, durch das Vorsehen nur einer Fluidkammer, insbesondere Pumpkammer, kann die Pumpbarkeit von Gasen gewährleistet und die benötigten Mengen an Probenmaterial und Reagenzien gering gehalten werden.

Claims

Ansprüche
Mikrofluidisches Bauteil (1 ), insbesondere peristaltische Mikropumpe, mindestens umfassend einen Schichtaufbau aus einem fluidischen Substrat (2), einem Ansteuerungssubstrat (4) und einer dazwischen angeordneten elastischen Membran (3), dadurch gekennzeichnet, dass
• das fluidische Substrat (2) auf seiner an die elastische Membran (3) angrenzenden Seite eine Fluidkammer (5) aufweist,
• das Ansteuerungssubstrat (4), mindestens auf seiner an die elastische Membran (3) angrenzenden Seite, mindestens zwei voneinander getrennte Aktuierungskomponenten aufweist, die jeweils mindestens teilweise der Fluidkammer (5) gegenüber angeordnet sind und auf die elastische Membran (3) einwirken können und
• die Aktuierungskomponenten, gegebenenfalls durch ein oder mehrere Aktoren, unabhängig voneinander aktuierbar sind.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuierungskomponenten Aktuierungskammern (6) umfassen, die insbesondere hydraulisch, pneumatisch und/oder thermopneumatisch aktuierbar sind.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuerungssubstrat (4) elektromagnetische, elektrostatische und/oder piezoelektrische Aktuierungskomponenten umfasst, die unabhängig voneinander aktuiert werden können und direkt oder mittels eines Stößels (18) auf die elastische Membran (3) einwirken können.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Substrat (2) und/oder das Ansteuerungssubstrat (4) aus Polycarbonat, Polystyrol, einem Cyclo-Olefin- Copolymer, Polydimethyldisiloxan, Glas oder Silizium ausgebildet sind. Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Membran (3) aus einem schweißbaren, thermoplastischen Elastomer ausgebildet ist.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammer (2) verrundete Seitenwände aufweist.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammer (2) auf ihrem Boden angeordnete Phasenleiter aufweist.
Mikrofluidisches Bauteil (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Substrat (2) und/oder das Ansteuerungssubstrat (4) weitere mikrofluidische Strukturen und/oder mikrofluidische Komponenten aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Bauteils (1 ) , insbesondere einer peristaltischen Mikropumpe, nach einem der Ansprüche 1 bis 8 umfassend die folgenden Schritte:
• Bereitstellen eines fluidischen Substrats (2) mit einer Ausnehmung als Fluidkammer (5) ,
• Bereitstellen einer auf dem fluidischen Substrat (2) angeordneten elastischen Membran (3) ,
• Bereitstellen eines auf der elastischen Membran (3) und gegebenenfalls auf dem fluidischen Substrat (2) angeordneten Ansteuerungssubstrats (4) umfassend mindestens zwei voneinander unabhängig ansteuerbare Aktuierungskomponenten,
• Verbinden des fluidischen Substrats (2) und des Ansteuerungssubstrats (4) mit der elastischen Membran (3) zu einem Schichtverbund, wobei die Aktuierungskomponenten mindestens teilweise auf die elastische Membran (3) einwirken können.
10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Substrat (2) , das Ansteuerungssubstrat (4) und die elastische Membran (3) durch Schweißen, insbesondere Laserstrahl-, Ultraschall- oder thermisches Schweißen, miteinander verbunden werden.
1 1 . Verwendung eines mikrofluidischen Bauteils (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 in einem Lab-on-Chip-System und/oder zur Vorlagerung und/oder Dosierung von Reagenzien und/oder zum Transport eines Fluids.
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