WO2003026788A1 - Mikrokomponente - Google Patents

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WO2003026788A1
WO2003026788A1 PCT/EP2002/009718 EP0209718W WO03026788A1 WO 2003026788 A1 WO2003026788 A1 WO 2003026788A1 EP 0209718 W EP0209718 W EP 0209718W WO 03026788 A1 WO03026788 A1 WO 03026788A1
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microcomponent
heating element
micro component
microcomponents
electrical
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Guido Pieper
Michael Schmelz
Hanns Wurziger
Norbert Schwesinger
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Merck Patent Gmbh
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Priority to EP02772245A priority patent/EP1427521A1/de
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    • B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
    • H05K1/0212—Printed circuits or mounted components having integral heating means

Definitions

  • the invention relates to a microcomponent for carrying out chemical reactions.
  • reaction processes carried out for research or production purposes are continuously and increasingly miniaturized.
  • the required amounts of reagents and substances as well as the reaction time required for the process control can be reduced.
  • Individual microcomponents are increasingly being used, which enable process control with dimensions in the micro range.
  • Manufacturing processes of the individual microcomponents must therefore also be adapted to their structural design to the properties prevailing in the micro range.
  • microcomponents can be used to advantage Enable the fastest possible reaction process for which only small amounts of substance are required. This is particularly advantageous when using dangerous or hazardous substances and simplifies the process control in the case of strongly endothermic or exothermic substances
  • test reactions for research purposes can be carried out in large numbers at the same time. In this way it is possible to significantly reduce the development times for new products or chemical processes with relatively little financial effort.
  • microcomponents that are used to carry out miniaturized reaction processes are already known. Separate microcomponents such as pumps, mixers, indwelling elements, reactors and heat exchangers can be used to miniaturize complete reaction processes by connecting them in series. While highly efficient micromixers have been developed for individual reaction steps such as the mixing of several substances with great effort, the temperature determining a reaction process is controlled in a conventional manner by means of heat baths or heat exchangers. If a given temperature is to be kept as constant as possible for some or more process steps, the associated microcomponents are placed in a heating bath. The heat baths or cryostats commonly used have an unnecessarily large usable volume for microcomponents. Changes in the temperature of the heat bath, such as those required for a series of tests of identical reactions at different reaction temperatures, require one corresponding time expenditure and can become the determining time factor of such a series of tests.
  • the object of the invention is therefore to ensure effective heating of individual microcomponents with the simplest possible means.
  • the temperature specified for a reaction step should be easy and quick to change in order to enable extensive test series to be carried out quickly.
  • an electrical heating element is arranged on the surface of the microcomponent.
  • the dimensions of the individual microcomponents are sufficiently small so that an electrical heating element adapted to the microcomponent ensures rapid and sufficiently uniform heating of the microcomponent.
  • the electrical heating element can be attached to the surface of the microcomponent with the simplest of means. In this way, no structural changes are required inside the microcomponent. Since the microcomponent can be heated by the electrical heating element, the use of a thermal bath for heating is unnecessary. The structure and sequence of a reaction process composed of such microcomponents is no longer tied to the spatial requirements of the thermal bath.
  • the microcomponent can be heated in a very short time by means of the electrical heating element, so that the waiting times necessary for a controlled heating of the heating bath are eliminated.
  • Reactions are often carried out with liquid substances that flow through one or more microcomponents in the course of the reaction. Both the microcomponents and the necessary supply and discharge lines, and in particular the connecting elements, must be completely leak-tight to ensure that the process runs undisturbed. While liquids escaping from a leak can hardly be perceived in a warm bath, a micro-component with electrical heating used in the dry allows quick detection and localization of leaks. This considerably reduces the risks associated with the use of dangerous or hazardous substances and at the same time increases the reliability of the reactions carried out.
  • the maximum possible heating temperature of an electrical heating element is not limited to a range up to approximately 100 ° C., so that reactions can also be carried out at significantly higher temperatures. In this way, the temperature range accessible for experiments is significantly expanded for different reaction steps, whereby improved research conditions and completely new applications arise.
  • the electric heating element has a printed conductor track attached to the surface of the microcomponent.
  • the surface of a microcomponent to be heated can be designed as a flat surface without difficulty. Simple and inexpensive methods for producing printed circuits of almost any shape are known.
  • Printed conductor tracks for example in the form of a heating coil, can be firmly attached to the flat surface of the microcomponent. The best possible heat transport into the microcomponent is ensured by the direct contact of the electrical conductor track with the surface of the microcomponent. The course and the dimensionally changeable dimension of the printed conductor track allow the microcomponent to be heated as uniformly as possible or in different regions.
  • the electrical heating element is a heating foil.
  • Microcomponents already used can be made electrically heatable by means of a heating foil glued to the microcomponent. In this way, almost any microcomponent can be provided with an electrical heating element.
  • An electrical heating foil is inexpensive and can also be attached to uneven surfaces of a microcomponent. Finished components for temperature control already exist
  • Heating foil that can be easily adapted to the requirements of a laboratory or production company.
  • a temperature sensor is arranged on the surface of the microcomponent.
  • the surface temperature of the microcomponent can be measured continuously with a temperature sensor. In this way, regulated heating can be implemented.
  • temperature changes caused by strongly endothermic or exothermic reactions can already be taken into account during the reaction process and the control of the electric heating element can be adapted to this.
  • the temperature sensor essentially consists of a resistance thermometer.
  • Resistance thermometers have a relatively high temperature measurement accuracy over a wide temperature range. Due to their low heat capacity, they affect heating barely noticeable in a microcomponent, but react quickly and precisely to changes in temperature.
  • the connections of the electrical heating element are arranged in the region of a side edge of the microcomponent.
  • the microcomponent can be inserted, for example, in a known connection carrier for plate-shaped microcomponents (DE 198 54 096 AI). Because of the connections arranged in the region of a side edge, the electrical heating element can be contacted for operation on the side edge inserted into the connection carrier via contact surfaces.
  • connections of the heating element have electrical contact surfaces arranged on a side surface.
  • the heating element is then contacted in a space-saving manner via the contact areas on an end face of the microcomponent. This simplifies the design effort for connection carriers, since a plurality of microcomponents can be arranged directly next to one another and the contacting of the respective heating elements on the upper side of the connection carrier facing the microcomponents takes place via adjacently arranged contact surfaces.
  • the invention also relates to a method for producing a microcomponent for carrying out chemical
  • the microcomponent is made of microstructurable material, such as silicon or glass.
  • a micro component made of silicon has very favorable heat conduction properties.
  • the methods and experiences from semiconductor manufacture for example chip manufacture
  • the electrical heating element for example in the form of a printed conductor, can be arranged on the surface of the microcomponent using the same methods.
  • the additional work and material required for the electrical heating element is extremely low, so that the electrical heating element hardly increases the manufacturing costs of the microcomponent.
  • the invention also relates to an arrangement of a plurality of microcomponents on a common base plate. In this way, a complex reaction sequence with, for example, several mixers and different residence components can be implemented very easily.
  • Microcomponent is assigned a separate holding device arranged on the common base plate.
  • Each holding device has separate connections for the supply and discharge of the chemical substances involved and electrical connections for the heating element of the microcomponent. This makes it very flexible and also about the entire process that takes place on the Common base plate is realized, variable and different specification of the reaction conditions possible for individual reaction steps.
  • the assigned connections of the adjacent holding devices have permanently fastened connecting lines. If individual microcomponents are replaced, the associated connecting lines do not have to be disconnected and reconnected. For this reason, changes in the course of the reaction can be made quickly and safely, so that different reactions can be implemented and carried out in a short time using the individual components.
  • the base plate has a common holding device for several microcomponents. Due to the very compact arrangement, a common reaction temperature for all microcomponents can be quickly specified.
  • FIG. 2 shows a further view of the microcomponent shown in FIG. 1,
  • FIGS. 1 and 2 show the rear view of the microcomponent shown in FIGS. 1 and 2,
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a plurality of microcomponents arranged one behind the other in separate holding devices on a common base plate
  • FIG. 5 shows a section along the section line VI-VI of the arrangement shown in FIG. 4,
  • FIG. 6 shows a view of a plurality of microcomponents and accommodated in a common holding device
  • Fig. 7 shows the arrangement shown in Fig. 6 in an exploded view.
  • a microcomponent 1 designed in the form of a thin, rectangular disk.
  • a conductor track 3 is arranged as an electrical heating element.
  • the conductor track 3 has an essentially meandering course over a large area of the front side 2 of the microcomponent 1. In this way, a high, uniform heating effect is achieved by the conductor track 3.
  • a resistance thermometer 4 is arranged, which is operated as a temperature sensor. Both the conductor track 3 and the resistance thermometer 4 have electrical connections 5 in the region of the bottom 6 of the
  • the conductor track 3 can be controlled as an electrical heating element via these electrical connections 5.
  • the resistance thermometer 4 can be operated as a temperature sensor with little effort, the measured signals of the
  • Resistance thermometer 4 can be used to regulate the heating effect of the conductor track 3.
  • Both the conductor track 3 and the resistance thermometer 4 can essentially be produced as printed conductor tracks using known semiconductor manufacturing methods.
  • a metal layer is applied to the surface of the microcomponent 1, the metal layer is coated with a photoresist lacquer, the photoresist lacquer is then exposed in the region of the conductor track in accordance with the desired design, and the metal layer is subsequently removed in unexposed areas by subsequent etching ,
  • FIG. 3 shows the rear side 7 of the microcomponent 1, which has three openings 8 in the vicinity of the underside 6. These openings 8 are used to connect the microcomponent 1 with supply and discharge lines, so that the substances required for a reaction step can be supplied to the microcomponent 1 and removed therefrom. 4 and 5 are several separate
  • Holding devices 9 are shown, in each of which one of the three microcomponents 1 shown is accommodated arranged side by side on a common base plate 10.
  • the external holding devices 9 each have connections 11 for the inflow and outflow of the substances involved. These line connections 11 can be designed as standardized and sufficiently stable connection devices, so that simple handling and frequent changing of the connected lines are possible.
  • Each holding device 9 has electrical connections 12 for the heating element of the microcomponent 1 contained therein. These are designed as slightly spring-mounted contact surfaces.
  • the connecting lines 13 are fixedly mounted between the adjacent holding devices, so that their tightness is ensured over a long service life. With a corresponding design of the connecting lines 13 between the individual microcomponents 1, a complex reaction process composed of several individual steps can be realized in this way. This leads to a further miniaturization, since the individual microcomponents 1 are arranged in a space-saving, compact manner and complex connecting elements between individual ones
  • FIGS. 6 and 7 show a common holding device 14 for a plurality of microcomponents 1 which is attached to a base plate 10.
  • the holding device 14 consists of a U-shaped holding device 15, in which a plurality of microcomponents 1 are arranged by means of a side part 17 which can be fastened with screws 16.
  • the adjacent microcomponents 1 are separated and sealed from one another by thin layers 18 made of chemically resistant plastic, for example a PTFE film.
  • the holding device has a plurality of connections 11 for the supply and discharge of the chemical substances used.
  • Microcomponents it is possible for the holding device to have separate electrical connections for controlling the individual heating elements of each microcomponent.
  • electrical connections 19, designed as separate contact surfaces are arranged for each microcomponent 1 for connection to the heating element of the associated microcomponent 1. Because of the very compact arrangement, the microcomponents 1 can be heated quickly and reliably to a desired common reaction temperature. Since it is not necessary to bring individual microcomponents 1 or the entire holding device 14 equipped with a plurality of microcomponents 1 into a heat bath, complete reaction processes can also be carried out quickly with the simplest means, even with alternately predetermined temperatures that are the same for the entire reaction process.

Abstract

Eine Mikrokomponente (1) für die Durchführung chemischer Reaktionen weist ein elektrisches Heizelement auf, das direkt auf der Oberfläche der Mikrokomponente (1)angeordnet ist. Das elektrische Heizelement kann beispielsweise eine auf der Oberfläche der Mikrokomponente (1) angebrachte gedruckte Leiterbahn (3) aufweisen. Mit einem im wesentlichen aus einem Widerstandsthermometer (4) bestehenden Temperatursensor ist die Erwärmung der Mikrokomponente (1) kontinuierlich messbar. Die Mikrokomponente (1) und das elektrische Heizelement können mittels Halbleiterfertigungsmethoden hergestellt werden. Mehrere Mikrokomponenten (1) könen nebeneinander angeordnet zur Durchführung eines komplexen Reaktionsprozesses verwendet werden.

Description

Mikrokomponente
Die Erfindung betrifft eine Mikrokomponente für die Durchführung chemischer Reaktionen.
In vielen Bereichen der chemischen, pharmazeutischen und biologischen Industrie werden zu Forschungs- oder Produktionszwecken durchgeführte Reaktionsprozesse ständig und zunehmend miniaturisiert. Dadurch können beispielsweise die benötigten Mengen an Reagenzien und Substanzen sowie die zur Prozessführung benötigte Reaktionszeit reduziert werden. Verstärkt werden dabei einzelne Mikrokomponenten eingesetzt, die eine Prozessführung mit Dimensionen im Mikrobereich ermöglichen.
Reaktionskomponenten mit derart geringen Abmessungen können nicht einfach durch Verkleinerung bekannter und erprobter Konstruktionen hergestellt werden. Auf Grund der extrem geringen Mengen an beteiligter Substanzen ergeben sich unter anderem oft völlig andere Strömungs- und Reaktionseigenschaften. Neben neuartigen
Herstellungsprozessen der einzelnen Mikrokomponenten muss deshalb auch deren konstruktive Gestaltung an die im Mikrobereich vorherrschenden Eigenschaften angepasst werden.
Vor allem bei Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten sind Mikrokomponenten vorteilhaft einsetzbar, die einen möglichst schnell ablaufenden Reaktionsprozess ermöglichen, für den nur geringe Substanzmengen benötigt werden. Dies ist insbesondere bei der Verwendung gefährlicher oder gesundheitsgefährdender Substanzen günstig und vereinfacht die Prozessführung bei stark endo- oder exothermen
Reaktionen. In Verbindung mit einem deutlich reduzierten Platzbedarf können Testreaktionen zu Forschungszwecken in großer Anzahl gleichzeitig durchgeführt werden. Auf diese Weise ist es möglich, mit verhältnismäßig geringem finanziellen Aufwand die Entwicklungszeiten für neue Produkte oder chemische Verfahren deutlich zu senken.
Es sind bereits einzelne Mikrokomponenten bekannt, die zur Durchführung miniaturisierter Reaktionsverfahren verwendet werden. Aus separaten Mikrokomponenten wie Pumpen, Mischer, Verweilelementen, Reaktoren und Wärmeüberträgern können durch Hintereinanderschaltung vollständige Reaktionsprozesse miniaturisiert durchgeführt werden. Während für einzelne Reaktionsschritte wie beispielsweise das Mischen mehrerer Substanzen mit großem Aufwand hoch effiziente Mikromischer entwickelt wurden, erfolgt die Kontrolle der einen Reaktionsprozess bestimmenden Temperatur auf konventionelle Weise durch Wärmebäder oder Wärmetauscher. Soll für einige oder mehrere Prozessschritte eine vorgegebene Temperatur möglichst konstant gehalten werden, so werden die zugehörigen Mikrokomponenten in ein Wärmebad gebracht. Die üblicherweise verwendeten Wärmebäder oder Kryostaten weisen dabei für Mikrokomponenten ein unnötig großes Nutzvolumen auf. Temperaturänderungen des Wärmebads, wie sie beispielsweise für eine Versuchsreihe identischer Reaktionen bei unterschiedlich vorgegebener Reaktionstemperatur Voraussetzung sind, benötigen einen entsprechenden Zeitaufwand und können zum bestimmenden Zeitfaktor einer derartigen Versuchsreihe werden.
Viele Reaktionsprozesse laufen bei erhöhter Temperatur schneller und/oder effektiver ab. Üblicherweise verwendete Wärmebäder lassen sich nur bis etwa 80 °C Wärmebadtemperatur mit einfachen Mitteln betreiben. Bei der Verwendung von Wasser als Wärmemedium lassen sich Temperaturen oberhalb 100 °C kaum erreichen. Der maximal mögliche Temperaturbereich kann durch die Verwendung spezieller
Zusätze oder eines Öls nicht wesentlich erweitert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, mit möglichst einfachen Mitteln eine effektive Heizung einzelner Mikrokomponenten zu gewährleisten. Die für einen Reaktionsschritt vorgegebene Temperatur sollte einfach und schnell zu ändern sein, um eine schnelle Durchführung umfangreicher Versuchsreihen zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein elektrisches Heizelement auf der Oberfläche der Mikrokomponente angeordnet ist. Die Abmessungen der einzelnen Mikrokomponenten sind ausreichend klein, so dass ein an die Mikrokomponente angepasstes elektrisches Heizelement eine schnelle und ausreichend gleichförmige Beheizung der Mikrokomponente gewährleistet. Das elektrische Heizelement lässt sich mit einfachsten Mitteln an der Oberfläche der Mikrokomponente befestigen. Auf diese Weise sind keine konstruktiven Änderungen im Inneren der Mikrokomponente erforderlich. Da die Mikrokomponente durch das elektrische Heizelement beheizbar ist, wird die Verwendung eines Wärmebads zum Beheizen überflüssig. Der Aufbau und Ablauf eines aus derartigen Mikrokomponenten zusammengesetzten Reaktionsprozesses ist nicht mehr an die räumlichen Vorgaben des Wärmebads gebunden. Die Mikrokomponente kann mittels des elektrischen Heizelementes in kürzester Zeit erwärmt werden, so dass die für eine kontrollierte Aufheizung des Wärmebads notwendigen Wartezeiten entfallen.
Häufig werden Reaktionen mit flüssigen Substanzen ausgeführt, die im Verlauf der Reaktion durch einen oder mehrere Mikrokomponenten fließen. Dabei müssen sowohl die Mikrokomponenten als auch die notwendigen Zu- und Ableitungen sowie insbesondere die Verbindungselemente völlig dicht sein, um einen ungestörten Prozessablauf zu gewährleisten. Während an einer undichten Stelle austretende Flüssigkeiten in einem Wärmebad kaum wahrgenommen werden können, ermöglicht eine im Trockenen verwendete Mikrokomponente mit elektrischer Heizung ein schnelles Wahrnehmen und Lokalisieren von undichten Stellen. Dadurch werden die Risiken bei der Verwendung von gefährlichen oder gesundheitsgefährdenden Substanzen erheblich verringert und gleichzeitig die Zuverlässigkeit der durchgeführten Reaktionen erhöht.
Die maximal mögliche Heiztemperatur eines elektrischen Heizelements ist nicht auf einen Bereich bis etwa 100°C beschränkt, so dass auch Reaktionen bei wesentlich höheren Temperaturen durchgeführt werden können. Auf diese Weise wird der für Experimente zugängliche Temperaturbereich für verschiedene Reaktionsschritte deutlich erweitert, wodurch sich verbesserte Forschungsbedingungen und völlig neuartige Anwendungen ergeben.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement eine auf der Oberfläche der Mikrokomponente angebrachte gedruckte Leiterbahn aufweist. Die zu beheizende Oberfläche einer Mikrokomponente kann ohne Schwierigkeiten als ebene Fläche gestaltet werden. Es sind einfach durchführbare und kostengünstige Verfahren zum Herstellen gedruckter Schaltungen von nahezu beliebiger Formgebung bekannt. Auf der ebenen Oberfläche der Mikrokomponente können aufgedruckte Leiterbahnen beispielsweise in Form einer Heizschlange fest angebracht werden. Durch den direkten Kontakt der elektrischen Leiterbahn mit der Oberfläche der Mikrokomponente ist ein bestmöglicher Wärmetransport in die Mikrokomponente gewährleistet. Durch den Verlauf und die beispielsweise abschnittsweise veränderbare Abmessung der aufgedruckten Leiterbahn kann eine möglichst gleichmäßige oder bereichsweise unterschiedliche Beheizung der Mikrokomponente erreicht werden.
Die aufgedruckte' Leiterbahn beansprucht kaum zusätzlichen Platz, auch können die erforderlichen elektrischen Anschlüsse nahezu beliebig klein dimensioniert werden. Mit bereits bekannten Fertigungstechniken lassen sich Leiterbahnen mit charakteristischen Abmessungen im Mikrometerbereich herstellen, so dass ein derartiges elektrisches Heizelement keine Einschränkung einer weiteren Miniaturisierung der Mikrokomponenten darstellt. Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass das elektrische Heizelement eine Heizfolie ist. Bereits verwendete Mikrokomponenten können mittels einer auf die Mikrokomponente geklebten Heizfolie elektrisch beheizbar gemacht werden. Auf diese Weise können nahezu beliebige Mikrokomponenten mit einem elektrischen Heizelement versehen werden. Eine elektrische Heizfolie ist kostengünstig und kann auch auf unebenen Oberflächen einer Mikrokomponente befestigt werden. Es existieren bereits fertige Komponenten zur Temperatursteuerung einer
Heizfolie, die mit einfachen Mitteln an die jeweiligen Anforderungen eines Labor- oder Produktionsbetriebs angepasst werden können.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass auf der Oberfläche der Mikrokomponente ein Temperatursensor angeordnet ist. Mit einem Temperatursensor kann kontinuierlich die Oberflächentemperatur der Mikrokomponente gemessen werden. Auf diese Weise ist eine geregelte Heizung realisierbar. Insbesondere können durch stark endo- oder exotherme Reaktionen hervorgerufene Temperaturänderungen bereits während des Reaktionsprozesses berücksichtigt und die Steuerung des elektrischen Heizelements daran angepasst werden.
Besonders vorteilhaft ist dabei vorgesehen, dass der Temperatursensor im wesentlichen aus einem Widerstandsthermometer besteht. Widerstandsthermometer weisen über einen großen Temperaturbereich eine relativ hohe Genauigkeit der Temperaturmessung auf. Auf Grund ihrer geringen Wärmekapazität beeinflussen sie die Beheizung einer Mikrokomponente kaum merklich, reagieren aber schnell und präzise auf Temperaturänderungen.
Einer Ausführung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die Anschlüsse des elektrischen Heizelements im Bereich einer Seitenkante der Mikrokomponente angeordnet sind. Die Mikrokomponente kann beispielsweise in einem bekannten Anschlussträger für plattenförmige Mikrokomponenten (DE 198 54 096 AI) eingesteckt werden. Wegen der im Bereich einer Seitenkante angeordneten Anschlüsse kann eine für den Betrieb notwendige Kontaktierung des elektrischen Heizelements an der in den Anschlussträger eingesteckten Seitenkante über Kontaktflächen erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Anschlüsse des Heizelements an einer Seitenfläche angeordnete elektrische Kontaktflächen aufweisen. Die Kontaktierung des Heizelements erfolgt dann platzsparend über die Kontaktflächen an einer Stirnfläche der Mikrokomponente. Dadurch vereinfacht sich der Konstruktionsaufwand für Anschlussträger, da mehrere Mikrokomponenten direkt nebeneinander angeordnet werden können und die Kontaktierung der jeweiligen Heizelemente auf der den Mikrokomponenten zugewandten Oberseite des Anschlussträgers über daran angepasst nebeneinander angeordnete Kontaktflächen erfolgt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrokomponente für die Durchführung chemischer
Reaktionen, wobei die Mikrokomponente und das elektrische Heizelement mittels Halbleiterfertigungsmethoden hergestellt werden. Die Mikrokomponente wird dabei aus mikrostrukturierbarem Material, beispielsweise Silizium oder Glas, gefertigt. Eine aus Silizium gefertigte Mikrokomponente weist sehr günstige Wärmeleitungseigenschaften auf.
Für die Herstellung und Bearbeitung der Mikrokomponente kann auf die Verfahren und Erfahrungen aus der Halbleiterfertigung, beispielsweise der Chipherstellung, zurückgegriffen werden. Mit den gleichen Methoden kann das elektrische Heizelement, beispielsweise in Form einer gedruckten Leiterbahn, auf der Oberfläche der Mikrokomponente angeordnet werden. Der für das elektrische Heizelement zusätzlich erforderliche Arbeits- und Materialaufwand ist äußerst gering, so dass das elektrische Heizelement die Herstellkosten der Mikrokomponente kaum erhöht.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Anordnung mehrerer Mikrokomponenten auf einer gemeinsamen Grundplatte. Auf diese Weise kann sehr einfach ein komplexer Reaktionsablauf mit beispielsweise mehreren Mischern und unterschiedlichen Verweilkomponenten realisiert werden.
Vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass jeder
Mikrokomponente eine separate, auf der gemeinsamen Grundplatte angeordnete Haltevorrichtung zugeordnet ist. Jede Haltevorrichtung weist separate Anschlüsse für die Zuleitung und Ableitung der beteiligten chemischen Substanzen sowie elektrische Anschlüsse für das Heizelement der Mikrokomponente auf. Dadurch ist eine sehr flexible und auch über den gesamten Prozessverlauf, der auf der gemeinsamen Grundplatte realisiert ist, variable und für einzelne Reaktionsschritte unterschiedliche Vorgabe der Reaktionsbedingungen möglich.
Einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zufolge ist vorgesehen, dass die zugeordneten Anschlüsse der benachbarten Haltevorrichtungen dauerhaft befestigte Verbindungsleitungen aufweisen. Werden einzelne Mikrokomponenten ausgetauscht, so müssen nicht die zugeordneten Verbindungsleitungen abgetrennt und erneut verbunden werden. Deshalb können Änderungen im Reaktionsverlauf schnell und sicher vorgenommen werden und so mit den einzelnen Komponenten ständig unterschiedliche Reaktionen in kurzer Zeit realisiert und durchgeführt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Grundplatte eine gemeinsame Haltevorrichtung für mehrere Mikrokomponenten aufweist. Durch die sehr kompakte Anordnung kann schnell eine gemeinsame Reaktionstemperatur für alle Mikrokomponenten vorgegeben werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Es zeigt: Fig. 1 eine Ansicht einer Mikrokomponente mit einem elektrischen Heizelement und einem Temperatursensor,
Fig. 2 eine weitere Ansicht der in Fig. 1 dargestellten Mikrokomponente,
Fig. 3 die Ansicht der Rückseite der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Mikrokomponente,
Fig. 4 eine schematische Darstellung mehrerer in separaten Haltevorrichtungen hintereinander angeordneter Mikrokomponenten auf einer gemeinsamen Grundplatte,
Fig. 5 einen Schnitt entlang der Schnittlinie VI-VI der in Fig. 4 dargestellten Anordnung,
Fig. 6 eine Ansicht mehrerer in einer gemeinsamen Haltevorrichtung aufgenommenen Mikrokomponenten und
Fig. 7 die in Fig. 6 gezeigte Anordnung in auseinandergezogener Darstellung.
In den Fig. 1 - 3 ist eine in Form einer dünnen, rechteckigen Scheibe gestaltete Mikrokomponente 1 dargestellt. Auf der Vorderseite 2 der Mikrokomponente 1 ist eine Leiterbahn 3 als elektrisches Heizelement angeordnet. Die Leiterbahn 3 weist einen im wesentlichen mäanderförmigen Verlauf über einen großen Bereich der Vorderseite 2 der Mikrokomponente 1 auf. Auf diese Weise wird eine hohe, gleichmäßige Heizwirkung durch die Leiterbahn 3 erreicht. Im Bereich des mäanderförmigen Verlaufs der Leiterbahn ist ein WiderStandsthermometer 4 angeordnet, das als Temperatursensor betrieben wird. Sowohl die Leiterbahn 3 als auch das Widerstandsthermometer 4 weisen elektrische Anschlüsse 5 im Bereich der Unterseite 6 der
Mikrokomponente 1 auf. Über diese elektrischen Anschlüsse 5 kann die Leiterbahn 3 als elektrisches Heizelement gesteuert werden. In gleicher Weise kann mit geringem Aufwand das Widerstandsthermometer 4 als Temperatursensor betrieben werden, wobei die gemessenen Signale des
Widerstandsthermometers 4 zur Regelung der Heizwirkung der Leiterbahn 3 verwendet werden.
Sowohl die Leiterbahn 3 als auch das Widerstandsthermometer 4 können im wesentlichen als gedruckte Leiterbahnen mittels bekannter Halbleiterfertigungsmethoden hergestellt werden. Dazu wird beispielsweise auf der Oberfläche der Mikrokomponente 1 eine Metallschicht aufgebracht, die Metallschicht mit einem Fotoresist-Lack beschicht, der Fotoresist-Lack wird dann im Bereich des Leiterbahnverlaufs entsprechend des gewünschten Designs belichtet und durch anschließendes Ätzen wird die Metallschicht in nicht belichteten Bereichen wieder abgetragen.
In Fig. 3 ist die Rückseite 7 der Mikrokomponente 1 gezeigt, die in der Nähe der Unterseite 6 drei Öffnungen 8 aufweist. Diese Öffnungen 8 dienen zum Verbinden der Mikrokomponente 1 mit Zu- und Ableitungen, so dass die für einen Reaktionsschritt benötigten Substanzen der Mikrokomponente 1 zugeführt und von dieser abgeführt werden können. In den Fig. 4 und 5 sind mehrere separate
Haltevorrichtungen 9 dargestellt, in denen jeweils eine der drei gezeigten Mikrokomponenten 1 auf einer gemeinsamen Grundplatte 10 nebeneinander angeordnet aufgenommen ist. Jeweils die außenliegenden Haltevorrichtungen 9 weisen Anschlüsse 11 für den Zufluss und Abfluss der beteiligten Substanzen auf. Diese Leitungsanschlüsse 11 können als genormte und ausreichend stabile Anschlussvorrichtungen ausgeführt sein, so dass eine einfache Handhabung sowie ein häufiges Wechseln der angeschlossenen Leitungen möglich sind. Jede Haltevorrichtung 9 besitzt elektrische Anschlüsse 12 für das Heizelement der darin aufgenommenen Mikrokomponente 1. Diese sind als leicht federnd angebrachte Kontaktflächen ausgeführt.
Die Verbindungsleitungen 13 sind fest zwischen den benachbarten Haltevorrichtungen montiert, so dass deren Dichtheit über eine lange Betriebsdauer gewährleistet ist. Bei entsprechender Gestaltung der Verbindungsleitungen 13 zwischen den einzelnen Mikrokomponenten 1 kann auf diese Weise ein aus mehreren Einzelschritten zusammengesetzter, komplexer Reaktionsprozess realisiert werden. Dies führt zu einer weiteren Miniaturisierung, da die einzelnen Mikrokomponenten 1 platzsparend, kompakt angeordnet sind und aufwendige Verbindungselemente zwischen einzelnen
Mikrokomponenten 1 nicht notwendig sind. Dennoch können die einzelnen Mikrokomponenten 1 mittels der jeweiligen .Heizelemente separat auf eine bestimmte vorgegebene Temperatur gebracht werden. Die in jeder Mikrokomponente 1 herrschende Temperatur kann über Temperaturfühler gemessen werden und auf diese Weise eine geregelte Temperatursteuerung ermöglicht werden. In den Fig. 6 und 7 ist eine auf einer Grundplatte 10 angebrachte gemeinsame Haltevorrichtung 14 für mehrere Mikrokomponenten 1 gezeigt. Die Haltevorrichtung 14 besteht aus einer U-förmigen Aufnahmevorrichtung 15, in welcher mittels eines mit Schrauben 16 befestigbaren Seitenteils 17 mehrere Mikrokomponenten 1 angeordnet sind. Die benachbarten Mikrokomponenten 1 sind dabei durch zwischenliegende dünne Schichten 18 aus chemisch beständigem Kunststoff, beispielsweise einer PTFE-Folie, voneinander getrennt und abgedichtet. Die Haltevorrichtung weist mehrere Anschlüsse 11 für die Zuleitung und Ableitung der verwendeten chemischen Substanzen auf.
Bei einer gemeinsamen Haltevorrichtung für mehrere
Mikrokomponenten ist es möglich, dass die Haltevorrichtung separate elektrische Anschlüsse zur Steuerung der einzelnen Heizelemente jeder Mikrokomponente aufweist. Auf der den Mikrokomponenten 1 zugewandten Seite der Grundplatte 10 sind für jede Mikrokomponente 1 als separate Kontaktflächen ausgeführte elektrische Anschlüsse 19 für eine Verbindung mit dem Heizelement der zugeordneten Mikrokomponente 1 angeordnet. Wegen der sehr kompakten Anordnung können die Mikrokomponenten 1 können schnell und zuverlässig auf eine gewünschte gemeinsame Reaktionstemperatur geheizt werden. Da nicht jeweils einzelne Mikrokomponenten 1 oder die gesamte, mit mehreren Mikrokomponenten 1 bestückte Haltevorrichtung 14 in ein Wärmebad gebracht werden muss, können auf diese Weise mit einfachsten Mitteln vollständige Reaktionsprozesse auch mit jeweils wechselnd vorgegebener, für den gesamten Reaktionsprozess gleicher Temperatur schnell durchgeführt werden.

Claims

MikrokomponenteP a t e n t a n s p r ü c h e
1. Mikrokomponente für die Durchführung chemischer
Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisches Heizelement auf der Oberfläche der Mikrokomponente (1) angeordnet ist.
2. Mikrokomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement im wesentlichen ein elektrischer Leiter ist.
3. Mikrokomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement eine auf der Oberfläche der Mikrokomponente (1) angebrachte gedruckte Leiterbahn (3) aufweist.
4. Mikrokomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement eine Heizfolie ist.
5. Mikrokomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der Mikrokomponente (1) ein Temperatursensor angeordnet ist.
6. Mikrokomponente nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor im Wesentlichen aus einem Widerstandsthermometer (4) besteht.
7.. Mikrokomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse des elektrischen Heizelements im Bereich einer Seitenkante der Mikrokomponente angeordnet sind.
8. Mikrokomponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse des Heizelements an einer Seitenfläche angeordnete elektrische Kontaktflächen aufweisen.
9. Verfahren zur Herstellung einer Mikrokomponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Mikrokomponente (1) und das elektrische Heizelement mittels Halbleiterfertigungsmethoden hergestellt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche der Mikrokomponente (1) eine
Metallschicht aufgebracht wird, die Metallschicht mit einem Fotoresist-Lack beschichtet wird, der Fotoresist-Lack im Bereich des Leiterbahnverlaufs belichtet wird und anschließend durch Ätzen die Metallschicht in nicht belichteten Bereichen abgetragen wird.
11. Anordnung mehrerer Mikrokomponenten nach Anspruch 1 auf einer gemeinsamen Grundplatte (10) .
12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Mikrokomponente (1) eine separate, auf der gemeinsamen Grundplatte (10) angeordnete Haltevorrichtung (9) zugeordnet ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten Anschlüsse der benachbarten
Haltevorrichtungen (9) dauerhaft befestigte Verbindungsleitungen (13) aufweisen.
14. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (10) eine gemeinsame Haltevorrichtung (14) für mehrere Mikrokomponenten (1) aufweist.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (14) separate elektrische Anschlüsse (19) zur Steuerung der einzelnen Heizelemente jeder Mikrokomponente (1) aufweist.
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