EP2567092B1

EP2567092B1 - Mikrofluidisches bauteil, insbesondere peristaltische mikropumpe, und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: EP2567092B1
Application number: EP11709089.4A
Authority: EP
Inventors: Christian Dorrer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-05-04
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2031-03-09
Also published as: EP2567092A1; DE102010028524A1; WO2011138070A1

Description

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 µTAS (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.
Aus dem Dokument WO 2009/065427 A1 ist eine auf einem Schichtaufbau basierende Pumpenanordnung mit Sicherheitsventil bekannt.
Aus den Dokumenten US 2009/0317273 A1 und DE 10238600 A1 sind auf einem Schichtaufbau basierende peristaltische Mikropumpen bekannt.
Mikrofluidische Systeme kommen beispielsweise in Form von miniaturisierten Analysesystemen, so genannten µTAS (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, piezoelektrischen, 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, thermopneumatischen 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 µm 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 µm bis ≤ 1000 µm, beispielsweise 250 µm oder 500 µm 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 µm bis ≤ 1000 µm, beispielsweise 250 µm oder 500 µm 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 µm bis 200 µm, beispielsweise mit einer Dicke von 100 µm, 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.
Erfindungsgemäß weist die Fluidkammer auf ihrem Boden angeordnete Phasenleiter (Phaseguides) auf.
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 11a in die Pumpkammer 5 eingespeist werden und durch einen Auslass 10b über eine Zuleitung 11b 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 µm bis ≤ 1000 µm, beispielsweise 250 µm oder 500 µm, betragen. Unabhängig davon kann die Fluidkammer 5 erfindungsgemäß eine Höhe T2 von ≥ 100 µm bis ≤ 1000 µm, beispielsweise 250 µm oder 500 µm 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 11a und 11b befüllt und entleert werden. Ein Fluid kann beispielsweise durch den Kanal 11a in die Pumpkammer 5 eingespeist werden, diese durchströmen und durch den Kanal 11b 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 µm bis ≤ 1000 µm 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 vorn ≥ 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 µm bis ≤ 1000 µm, beispielsweise 250 µm oder 500 µm, betragen. Unabhängig davon kann auch die Fluidkammer 5 erfindungsgemäß eine Höhe T2 von ≥100 µm bis ≤ 1000 µm, beispielsweise 250 µm oder 500 µm, 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 11a und 11b, beziehungsweise durch den Einlass 10a, befüllt und durch den Auslass 10b entleert werden. Ein Fluid kann beispielsweise durch den Kanal 11a in die Pumpkammer 5 eingespeist werden, diese durchströmen und durch den Kanal 11b 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	Aktuierungskammer 1	Aktuierungskammer 2	Aktuierungskammer 3
1	○	○	○
2	X	○	○
3	X	X	○
4	X	X	X
5	○	X	X
6	○	○	X

Beispiel 2

Schritt	Aktuierungskammer 1	Aktuierungskammer 2	Aktuierungskammer 3
1	○	○	○
2	X	○	○
3	X	X	○
4	○	X	X
5	○	X	X
6	○	○	X

Beispiel 3

Schritt	Aktuierungskammer 1	Aktuierungskammer 2	Aktuierungskammer 3
1	X	○	○
2	X	X	○
3	X	X	X
4	○	X	X
5	○	○	X

Beispiel 4

Schritt	Aktuierungskammer 1	Aktuierungskammer 2	Aktuierungskammer 3
1	X	○	○
2	X	X	○
3	○	X	X
4	○	○	X
5	○	○	○

Beispiel 5

Schritt	Aktuierungskammer 1	Aktuierungskammer 2	Aktuierungskammer 3
1	X	○	○
2	X	X	○
3	○	X	X
4	○	○	X

Beispiel 6

Schritt	Aktuierungskammer 1	Aktuierungskammer 2	Aktuierungskammer 3
1	X	○	○
2	○	X	○
3	○	○	X

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

Mikrofluidisches Bauteil (1), mindestens umfassend einen Schichtaufbau aus einem fluidischen Substrat (2), einem Ansteuerungssubstrat (4) und einer dazwischen angeordneten elastischen Membran (3), wobei
• 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
dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidkammer (5) auf ihrem Boden angeordnete Phasenleiter aufweist.
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 (5) verrundete Seitenwände aufweist.
Mikrofluidisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, 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), nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend die folgenden Schritte:
• Bereitstellen eines fluidischen Substrats (2) mit einer Ausnehmung als Fluidkammer (5),

• Anordnen von Phasenleitern auf einem Boden der 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.
Verfahren nach Anspruch 8 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.
Verwendung eines mikrofluidischen Bauteils (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Lab-on-Chip-System und/oder zur Vorlagerung und/oder Dosierung von Reagenzien und/oder zum Transport eines Fluids.