WO2006072405A1 - Fluidische struktur und verfahren zum erzeugen einer fluidischen struktur - Google Patents

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WO2006072405A1 PCT/EP2005/013910 EP2005013910W WO2006072405A1 WO 2006072405 A1 WO2006072405 A1 WO 2006072405A1 EP 2005013910 W EP2005013910 W EP 2005013910W WO 2006072405 A1 WO2006072405 A1 WO 2006072405A1
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fluid
opening
sealing material
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Gregor Ocvirk
Gernot Hochmuth
Wolfgang Fiedler
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Roche Diagnostics Gmbh
F.Hoffmann-La Roche Ag
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    • Y10T156/1043—Subsequent to assembly

Definitions

  • the invention relates to a method for coupling a fluidic conductor to a fluidic system and to an arrangement which has a fluidic system and a fluidic conductor coupled to this system according to the described method.
  • Such arrangements and fluidic systems are used in particular in chemical analysis, medical diagnostics and other biological and medical applications.
  • Such arrangements and systems can also be used in chemical synthesis and reactor technology.
  • such arrangements and systems can be used in the form of microfluidic systems.
  • fluidic conductors in particular hose systems to fluidic systems, such as microfluidic chips
  • the purpose of such systems can be very different, but in particular the above-mentioned applications of analysis and diagnostics in biological and medical applications, for example, for the purpose of microdialysis and the chemical reactor in the foreground.
  • WO 03/072251 A2 describes a microfluid system with at least one volume which can be flowed through and at least one connecting device connected to the volume, which is designed in the form of a tapered depression or a tapered elevation. Furthermore, WO 03/072251 A2 describes a plug device for use in such a microfluid system, which is designed such that it can be brought into engagement with the described connection device.
  • the microfluidic system described in WO 03/072251 A2 has some disadvantages in practical use. In particular, the production of such microfluidic systems is complicated because the production of the tapered depressions or the tapered elevations in the connection device is technically difficult realize and also the corresponding [plug device makes a complex manufacturing process required.
  • microfluidic system described in WO 03/072251 A2 has an undefined dead volume, since during the mating of the described connection device and the plug device corresponding cavities can form, which first have to be filled with fluid.
  • the described arrangement is only applicable to tubes or tubes with relatively high mechanical strength.
  • connection between a microfluidic system and a hose in which in the microfluidic system, a connecting piece is formed, on which a flexible hose can be attached.
  • the connecting piece does not protrude beyond the substrate surface of the microfluidic system, but is sunk in a hole in the substrate.
  • the system described in US 2004/0017078 A1 similar to the system described in WO 03/072251 A2, has the disadvantage that the connection can only be used for flexible hoses with a relatively high mechanical load capacity.
  • connection recesses produced by reactive ion etching are again proposed, which are in communication with fluidic channels integrated in the silicon chip and into which correspondingly fluidic tubes can be inserted.
  • These openings or recesses can also be provided again with recessed connecting pieces, similar to the method described in US 2004/0017078 A1.
  • the disadvantages of the described methods are similar to the disadvantages already described above and consist in particular in the fact that the method is limited to etchable substrates, in particular silicon, and makes expensive apparatus techniques, such as, for example, reactive ion etching, necessary.
  • DE 202 16 216 U1 discloses a microfluidic system, in particular a micro-flow sensor, which has an inlet / outlet opening in a wafer and a connection element for the inlet / outlet opening.
  • the connection element covers the surface of the wafer in the area of the input / output opening and has a jacket with a projection. Between the projection of the shell and the wafer, an adhesive connection is made.
  • the solution described in DE 202 16 216 U1 also binding of the connecting element with the microfluidic system has numerous disadvantages for practical use, in particular for the purposes mentioned above. Thus, in particular when establishing the connection between the connection element and the wafer, large dead volumes occur, which are disadvantageously noticeable especially in microfluidic systems and are difficult to calculate.
  • connection method described leads to microfluidic systems with a comparatively low packing density of the connection elements, which is in particular due to the fact that the connection elements are sealed from the outside by the adhesive connection.
  • a high packing density is an indispensable prerequisite for many applications in the field of microfluidics.
  • connection elements by means of which corresponding tubes can be connected to a microfluidic system embedded in a silicon wafer, whereby silicon wafers are structured such that they are on one side
  • the connection elements described here are manufactured directly from silicon (bulk coupler or post coupler) or molded from a silicon mold into a polymer (molded coupler).
  • the polymeric coupler may be attached to the wafer or substrate by adhesion, in particular by melt-bonding
  • adhesion in particular by melt-bonding
  • the compounds described have the disadvantage that the manufacturing process of the coupler is extremely complicated and involves several semiconductor manufacturing steps.
  • complex apparatus such as devices for reactive ion etching, required.
  • the method described is applicable in one of its embodiments only for tubes with relatively high mechanical strength.
  • microfluidic connections are described which are suitable for serial and parallel connection techniques with low dead volume and low pressure drop (about 1000 Pa), whereby the end of a hose to be connected is surrounded by an additional flange hose has inside a flange cavity into which a part of the flange hose can penetrate during insertion of the described double hose end, so as a solid connection to form with the substrate.
  • the method described is comparatively complicated, since in particular the production of the connection piece requires high temperatures (above 300 ° C.) and high pressure.
  • the method described is not suitable for polymer substrates.
  • the described compound is applicable only for tubes with relatively high mechanical strength, because the hose to be connected must be pressed under high force into the substrate.
  • US Pat. No. 6,290,791 B1 and EP 0 944 794 B1 disclose an arrangement with a micromechanically produced structure and a capillary or tube and a method for connecting the capillaries or tubes to the structure.
  • the micromechanically produced structure has a substrate into which fluidic flow channels are embedded, which are connected to an opening into which the tube can be inserted.
  • a sealing substance is introduced into the opening around the tube and cured to seal the tube within the opening.
  • One problem in particular is to prevent the sealing substance from penetrating into the tube or the tube and closing it. To solve this problem, various alternatives are proposed.
  • a light-curing adhesive as a sealing substance, wherein the inserted end of the tube or the tube is irradiated with a suitable light source, so that the light-curing adhesive is cured before reaching the end of the tube or tube and thereby stopped, especially if the inserted length of a hose, that is the length, on which a hose in the Opening is inserted, is only very short (especially shorter than 1 mm), stopping a light-curing adhesive is very difficult because in particular the light sources used themselves have a certain extent and edge blurring and are hardly positioned with the required precision.
  • a thread is inserted into the tube or the tube which is not connectable to the sealing substance, so that the fluidic connection between the capillary opening and the adjoining channel is kept free by the thread. The thread must be removed later.
  • a fluctuation of the light intensity of the light source used can lead to different running distances of the light-curing adhesive in the opening and thus close or narrow the end of the tube or hose in many cases of mass production or even penetrate into the fluidic channels of the micromechanically produced structure.
  • the proposed method relies on the tube or the tube can be inserted into one of the openings described. This is not readily possible, especially with thin-walled and easily deformable hoses, since they can be damaged during this process.
  • the production of the proposed openings in particular requires a complex micromechanical drilling or milling, since the conductor channel of the tube must be positioned exactly to the corresponding conductor channel of the microfluidic structure, which in turn requires a complex positioning relative to the embedded in the substrate fluidic flow channels.
  • No. 6,605,472 B1 describes a method by means of which a capillary tube can be connected to a microchip, the microchip having a capillary channel opening at an edge surface.
  • a hole aligned with the capillary opening is drilled into the edge of the microchip, into which the end of the capillary tube can be inserted, so that the capillary tube is pressed against the capillary channel of the microchip. rochips is connected.
  • the method described is in turn technically extremely complex, since - similar to US 6,290,791 Bl and EP 0 944 794 Bl - a precision bore and precision positioning is required.
  • the bore must be located axially of the capillary channel so that fluid from the capillary tube can flow directly into the capillary channel of the microchip. Furthermore, especially in order to avoid dead volumes, the bore bottom must be subsequently leveled before the insertion of the capillary tube.
  • a hot melt adhesive is used to fix the capillary tube in the bore. To fix the compound, high temperatures of up to 800 ° C must be applied, which precludes the use of this method, especially for polymeric structures.
  • the object of the present invention is therefore to disclose a method for coupling a fluidic conductor to a fluidic system, which avoids the disadvantages of the prior art.
  • the described method or an arrangement produced by this method should be inexpensive, in particular also be suitable for microfluidic systems and have a high degree of flexibility with regard to the choice of material.
  • a method for producing a fluidic structure for example a microfluidic structure, which can be used for one of the abovementioned purposes.
  • the fluidic structure can be used in particular for processing or handling fluid media, such as liquids or gases.
  • applications in the field of medical diagnostics, analytics or chemical reactor engineering, in particular microreactorics are in the foreground.
  • the method should have the following steps:
  • the at least one base substrate may be, for example, inorganic substrates, for example silicon substrates or glass, or also organic substrates, in particular various polymers, for. Silicone, po lycarbonate or cyclic olefin copolymers (COC). Also composed of different materials basic substrates are conceivable.
  • the at least one opening can be, for example, a bore introduced into the at least one base substrate, in particular a blind hole bore with, for example, a round, oval or polygonal cross section.
  • the at least one opening may also be a groove arranged on a surface of the at least one base substrate, which is accessible from the outside.
  • this groove may be accessible along its long side from a surface of the at least one base substrate, the groove being accessible from an end face of the at least one base substrate.
  • the groove may for example have a rectangular, round, U-shaped or V-shaped cross-section.
  • the groove can also have a cross-section in the form of a trapezoid, wherein advantageously the longer of the two parallel edges of the trapezoid lies on a surface of the at least one base substrate. This embodiment facilitates the insertion of a fluidic conductor.
  • a fluidic conductor in particular a tube or hose, having at least one backflow and at least one conductor wall is partially introduced into the at least one opening.
  • This fluidic conductor can be, for example, a flexible or rigid tube or a corresponding tube of inorganic or organic material, for example metals, silicone, Teflon, glass or PVC.
  • a lumen is to be understood as meaning a fluidic cavity in the interior of the fluidic conductor, through which a fluid medium can flow.
  • the at least one section of the at least one fluidic conductor can be the end of a tube or hose, in particular an open end, which is introduced into the at least one opening.
  • This introduction advantageously takes place in such a way that a cavity remains between the outer wall of the at least one fluidic conductor and the wall of the at least one opening.
  • the introduction of the at least one section of the at least one fluidic conductor into the at least one opening can take place such that a hose or tube or one end of such a tube or tube is inserted into one of the above-described grooves or into one of the above-described holes is inserted.
  • At least one curable fluid sealing material is introduced into the at least one opening.
  • This introduction of the fluid sealing material can for example be done directly in the externally accessible opening, for example by means of a pipette or microdosing.
  • a dispensing needle or a similar apparatus can be used with which, for example, fluid sealing material is introduced directly into one of the grooves described above or into one of the holes.
  • the introduction of the curable fluid sealing material into the at least one opening can also take place in that at least one Einfiillkanal associated with the at least one opening in the fluidic structure is provided. This filling channel can be accessible, for example, from the outside.
  • This filling channel can be simple or branched and communicate with one of the openings or simultaneously with a plurality of openings. Through this filling channel, fluid sealing material can flow into the at least one opening. It is particularly advantageous if the fluid sealing material completely or advantageously completely fills one or more intermediate spaces, which completely or advantageously completely fills the remaining space after inserting the at least one section of the at least one fluidic conductor into the at least one opening between this at least one fluidic conductor and the at least one opening.
  • This filling channel can be embedded, for example, in the at least one base substrate. Furthermore, this at least one filling channel can also penetrate further substrates, for example at least one intermediate substrate and / or a cover substrate.
  • the at least one section of the introduced at least one fluidic conductor has at least one open end, for example a tube or tube end, which has been introduced into the at least one opening, then it has proven to be particularly advantageous if the at least one curable one fluid sealing material when inserted into the opening closes this at least one open end.
  • the at least one curable fluid sealing material may partially penetrate into this tube or tube end and thus close this open end.
  • Closure means, in particular, for example a tight closure with respect to the fluidic media which flow through the at least one inner lumen of the at least one fluidic conductor.
  • the curable fluid sealing material closes the above-described intermediate space between the at least one fluidic conductor and the surrounding wall of the at least one opening tightly for the fluidic media in the inner lumen of the at least one fluidic conductor.
  • This curable fluid sealing material should be in a liquid state during filling.
  • the at least one fluid sealing material is completely or partially cured. Curing is to be understood as meaning a transition (for example a liquid / solid phase transition or also a transition due to a chemical reaction) in which the hardness and / or viscosity of the curable fluid-tight sealing material is greatly increased.
  • the curable fluid sealing material does not have to be completely solid, but it can, for example also present in a slightly plastic or elastic state.
  • a firm connection between the at least one base substrate of the fluidic structure and the at least one fluidic conductor is produced.
  • the connection between the at least one fluidic conductor and the at least one base substrate is thus mechanically stabilized and thus secured against undesired removal of the fluidic conductor.
  • the at least one section of the at least one fluidic conductor, which is introduced into the at least one opening of the at least one base substrate has a length of at least 0.2 mm, advantageously more than 0.5 mm, and especially advantageously in the range between 0.5 and 1.5 mm.
  • the optimum length of this at least one section also depends strongly on the outer dimensions of the at least one fluidic conductor, for example its diameter.
  • the at least one curable fluid sealing material may be various materials.
  • it may be a curable fluid sealing material, which is initially in the liquid state and is then curable under the action of electromagnetic radiation.
  • it may be a liquid of a photopolymerizable monomer.
  • the curing can then take place, for example, by a large-area light source, advantageously a UV light source, or else by an areal limited light source.
  • the curing can also take place only locally (eg by means of an exposure mask) or also at different points of the fluidic structure at different times.
  • a laser can also be used for the curing, in particular a laser whose wavelength is optimally adapted to the curable fluid sealing material.
  • the electromagnetic radiation used for the curing can penetrate all or part of the fluidic structure, for example the at least one base substrate or even further substrates, for example intermediate substrates or cover substrates, before acting on the at least one curable fluid sealing material.
  • the at least one substrate penetrated by the electromagnetic radiation has a low absorption for the electromagnetic radiation used.
  • transparent substrates can be used, for example, for light.
  • curable fluid sealing materials whose hardening takes place by thermal action.
  • This thermal action can be, for example, an increase in temperature, for example when monomeric fluids are used which carry out a polymerization in the case of a short-term increase in temperature (thermally initiated polymerization) and harden during this process.
  • a temperature reduction can also be used. This is particularly advantageous when fluid sealing materials are used which are liquid at elevated temperature and solidify in a subsequent decrease in temperature, for example to room temperature (liquid / solid phase transition).
  • increased pressure can also be used when introducing the at least one curable fluid sealing material.
  • curable fluid sealing materials materials which are flowable at this elevated pressure to penetrate into the at least one opening.
  • it may be at least one viscoelastic or pseudoplastic sealing material. Under the action of an increased pressure, such materials become correspondingly flowable, with complete or partial curing following reduction of the pressure.
  • curable fluid sealant materials are not limited to the materials mentioned.
  • curable fluid seal materials can also be employed which will self-cure (i.e., not by external action) over time, for example by a corresponding polymerization reaction.
  • monomer liquids with corresponding initiators which have flowable properties for a certain time and then cure.
  • the introduction of these materials into the at least one opening must then occur over time while these materials are fluid.
  • these materials may be, for example, epoxides or silicones.
  • inorganic materials are used, such as self-curing cements.
  • At least one connecting channel is subsequently produced between at least one inner lumen of the at least one fluidic conductor, in particular in the at least one section introduced into the at least one opening and at least one fluid channel of the fluidic structure.
  • This at least one connecting channel establishes a connection between the at least one fluidic conductor and the remaining region of the fluidic structure which can be flowed through for the fluidic media.
  • the remaining fluidic structure has one or more such fluid channels.
  • a fluid channel can be introduced, for example, into the at least one base substrate of the fluidic structure.
  • this at least one fluid channel but also in additional substrates, For example, in one or more deck substrates, be introduced.
  • a fluid channel may, for example, be understood to mean a bore in one of the substrates, or else a corresponding groove on a surface of one of the substrates.
  • Corresponding larger cavities, such as, for example, microreaction chambers, or also further fluidic conductors introduced into the fluidic structure, are analogously included in the term of the fluid channel.
  • the at least one connecting channel can penetrate a subregion of one of the substrates mentioned, or even several subregions or entire substrates simultaneously.
  • the connecting channel can also penetrate through corresponding intermediate substrates.
  • the at least one connecting channel can be simple or even branched.
  • this at least one connecting channel can advantageously also penetrate at least one of the abovementioned sealing materials (which are then advantageously in the cured state) and also, for example, at least one conductor wall of at least one fluidic conductor.
  • Various methods of physical, mechanical or chemical nature can be used to produce this at least one connecting channel, which are optimally adapted to the materials used, the substrate or the sealing materials and / or the conductor walls of the fluidic conductors.
  • a mechanical drilling method or milling method or additionally or alternatively also a stamping method can be used.
  • a corresponding laser beam method for example laser drilling or laser ablation, can also be used.
  • CC> 2 lasers or other gas lasers or even Nd: YAG lasers or other solid-state lasers can be used in continuous operation or in pulsed operation.
  • Such mechanical methods or laser beam methods are optimally accompanied by appropriate suction measures to absorb accumulating dust particles in the manufacture of the at least one connecting channel.
  • the method can be modified in such a way that at least one further substrate is used in addition to the at least one base substrate with the at least one externally accessible opening.
  • this can produce a corresponding layer structure of the fluidic structure, which in particular makes it possible to produce fluid channels, reaction chambers or similar cavities in the interior. of the fluidic structure of staric aposiacnx.
  • at least one intermediate substrate and / or a cover substrate can be applied to the at least one base substrate.
  • the at least one cover substrate and / or the at least one intermediate substrate partially closes off the at least one opening.
  • these may be one or more unstructured intermediate substrates and at least one structured cover substrate, wherein, for example, the at least one cover substrate has at least one fluid channel.
  • Further fluidic cavities for example reaction chambers or else further fluidic conductors can be introduced into the cover substrate.
  • the at least one opening in the at least one base substrate can be designed as a groove (see above), which is accessible from its longer side from a surface of the at least one base substrate and at its end face from an end face of the at least one base substrate.
  • the opening in particular a groove
  • an intermediate substrate in particular an unstructured intermediate substrate
  • Further structures on the base substrate for example fluid channels, which are introduced in the form of further grooves along this surface in the at least one base substrate, can be closed in this process by the at least one intermediate substrate so that form closed fluid channels.
  • one or more structured cover substrates can be applied to this layer structure consisting of the at least one base substrate and the at least one intermediate substrate.
  • these cover substrates may, in turn, have fluid channels, for example corresponding grooves on a surface of the at least one cover substrate, which are advantageously in turn completely or partially closed during application to the other substrates. Again, this creates closed fluidic conductors.
  • at least one appropriately structured cover substrate can be applied directly to the at least one base substrate without using a corresponding non-structured intermediate substrate.
  • the layer structure can be designed in such a way that at least one fluid channel comes to lie above or in the vicinity of the at least one opening in the finished structured fluidic structure. This considerably facilitates the connection of this at least one fluid channel to the at least one inner lumen of the at least one fluidic conductor by means of at least one connecting channel.
  • the method may be performed such that a portion of a fluidic conductor is introduced into an opening, then fluid sealing material is introduced and cured, and then a insectsbbrat is applied to the base substrate. Subsequently, for example by means of a laser, a bore is produced through the intermediate substrate, the hardened sealing material and the conductor wall of the fluidic conductor to the inner lumen of the fluidic conductor.
  • a cover substrate for example a cover substrate with a surface of the same structured fluid channels, for example corresponding grooves, can then be applied to this structure, wherein advantageously one or more fluid channels of this cover substrate come to rest above said bore.
  • a three-dimensional fluidic structure with closed fluid channels and a fluid-permeable connection between the inner lumen of the fluidic conductor and a fluid channel of the fluidic structure can be produced by layered construction.
  • the method can also be carried out such that first a section of a fluidic conductor is introduced into an opening, then a fluid sealing material is introduced into the opening and this is then completely or partially closed with an intermediate substrate. After curing of the fluid sealing material then, for example, the intermediate substrate can be removed again. This is particularly advantageous if planar surfaces are to be produced along the base substrate of the fluidic structure, which should not be interrupted by the cured fluid sealing material.
  • a corresponding layer structure of a plurality of substrates for example a base substrate, an intermediate substrate and a cover substrate
  • various methods can be used to connect these substrates.
  • the selection of a suitable method is naturally dependent on the corresponding properties, in particular the material selection of the substrates used.
  • bonding methods can be used for bonding the substrates or even welding processes, in particular laser welding methods or ultrasonic welding methods.
  • laser or ultrasonic welding methods can be advantageously used in the connection of corresponding plastic substrates.
  • thermal bonding methods can also be used.
  • a corresponding fluidic structure in particular a fluidic structure produced according to the method described in one of its embodiments, is also proposed.
  • the fluidic Structure has at least one base substrate with at least one externally accessible opening, at least one at least one inner lumen and at least one conductor wall having fluidic conductor, wherein at least a portion of the at least one fluidic conductor is disposed in the at least one opening, at least one in the at least one opening introduced hardenable sealing material in the cured state, wherein the curable sealing material at least one space between at least one opening and at least one fluidic conductor completely or partially fills, at least one fluid channel and at least one connecting channel between at least one inner lumen of at least one fluidi- see conductor and at least one fluid channel, wherein the at least one connecting channel penetrates at least one conductor wall.
  • the configuration of said elements can be advantageously chosen according to the above embodiments and embodiments.
  • the method described in one of its embodiments and a corresponding fluidic structure produced by this method have many decisive advantages over conventional methods and method products, for example according to the above-mentioned prior art.
  • a dead volume of a fluidic connection between one or more fluidic conductors and a substrate for example the remaining part of a fluidic structure, can be greatly reduced or reproducibly realized by the described method.
  • the curable fluid sealing material can completely fill a possible opening which remains between the at least one fluidic conductor and the wall of the at least one opening, in particular only at the locations where cavities or openings are required for the purpose of producing the at least one connecting channel, corresponding material is removed or displaced.
  • the location of the fluidic connection between one or more fluidic conductors and the remaining components of a fluidic structure can be freely selected and defined.
  • the position of the at least one connecting channel can be largely freely defined.
  • a plurality of fluid channels can be simultaneously connected to a single fluidic conductor, for example, by producing a plurality of connection channels connecting the inner lumen of the fluidic conductor with a plurality of conductor channels. In this way, in particular distribution systems can be easily produced, which are not feasible with the methods described above, known from the prior art.
  • the described V experienced the at least one fluidic conductor is not exposed to high mechanical stress.
  • the at least one fluidic conductor in particular a pipe or hose end, does not have to be pushed against a stop.
  • the method described requires no complex adjustment steps, as they are indispensable in many prior art methods.
  • no axial bores must be inserted into a base substrate for a conductor channel present in a base substrate. It is particularly simple when the corresponding portion of the fluidic conductor can be easily inserted from above into a corresponding groove and does not have to be pushed from the front into an opening.
  • the method described also has the advantage of high reproducibility.
  • the curable fluid sealing material can in particular completely fill the cavity between the fluidic conductor and the wall of the opening and, for example, also completely close the fluidic conductor, in particular a tube or hose end.
  • the actual fluidic connection between one or more fluid channels in one or more of the substrates and the inner surface of the fluidic conductor is then produced, in particular after the curing of the fluidic sealing material.
  • the fluidic connection in particular the at least one fluidic connection channel, does not depend on how far the fluid sealing material flows into the inner lumen of the fluidic conductor.
  • this method is also suitable in particular for series use, in particular mass production of medical diagnostic equipment, analytical apparatus or microreaction chambers.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a fluidic structure according to the invention from the side;
  • Figure 2 is a sectional view of an alternative to Figure 1 fluidic structure in top view
  • FIG. 3 shows an intermediate product during the production of a fluidic structure according to the invention with a base substrate and a fluidic conductor;
  • Figure 4A shows a first embodiment of an embedded in a base substrate opening in a sectional view in front view
  • FIG. 4B shows an embodiment with a trapezoidal opening cross-section, which is an alternative to FIG. 4A;
  • Figure 4C is an alternative to Figure 4A and 4B embodiment with U-shaped cross section
  • Figure 4D is an alternative to Figures 4A to 4C embodiment of an opening in the form of a recessed into a base substrate bore with a rectangular
  • Figure 5 shows an embodiment of an opening in the form of a recess in a
  • FIG. 6 shows an intermediate product during the production of a fluidic structure according to the invention with a base substrate, a fluidic conductor and an intermediate substrate in the form of a film;
  • Figure 7 is an alternative to Figure 6 embodiment of an intermediate product with a
  • FIG. 8 is a sectional view of an intermediate product of a fluidic structure with a supply channel for the supply of a curable fluid sealing material in top view;
  • FIG. 9 shows an intermediate product during the production according to the invention of a fluidic structure according to the invention with a base substrate, a fluidic conductor, an intermediate substrate and a fluid sealing material;
  • FIG. 10 shows an intermediate product according to FIG. 9 after removal of the intermediate substrate
  • FIG. 11 shows an intermediate substrate in the production according to the invention of a fluidic structure with a base substrate, a fluidic conductor, a hardened sealing material, an intermediate substrate and a connecting channel, which penetrates the intermediate substrate, the sealing material and a conductor wall of the fluidic conductor;
  • FIG. 12 shows a schematic flowchart of an embodiment of a method according to the invention for producing a fluidic structure.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a fluidic structure 110 according to the invention in a sectional view from the side.
  • the structure has a fluidic chip 112, which is produced in layered construction, as well as a fluidic conductor 114 with a conductor wall 116 and an inner lumen 118.
  • the conductor wall 116 is made of silicone in this embodiment.
  • the term conductor wall in FIG. 1 identifies the lateral boundary wall of the fluidic conductor 114.
  • the fluidic chip has a base substrate 120, in which an opening 122 is embedded. Furthermore, the structure has two further substrates, namely an intermediate substrate 124 and a cover substrate 126, which are applied to the base substrate in the stated sequence. While the intermediate substrate 124 is unstructured in this embodiment, the cover substrate 126 in this example has a fluid channel 128 that directly adjoins the intermediate substrate 124 such that the intermediate substrate 124 forms a wall of the fluid channel 128.
  • a connection between the fluidic conductor 114 in the form of a tube and the fluidic chip 112 is made by placing an open end 130 of the fluidic conductor 114 in the opening 122 in the base substrate 120.
  • the open end 130 of the fluidic conductor 114 is surrounded by a sealing material 132.
  • This sealing material 132 completely or partially fills the volume of the opening 122 around the open end 130 of the fluidic conductor 114 in such a way that a conductor Opening 134 is completely sealed by the Dichtmatenal 132.
  • the sealing material 132 directly adjoins the intermediate substrate 124.
  • the open end 130 of the fluidic conductor 114 is also firmly connected by the sealing material 132 with the fluidic chip 112, such that considerable force is required to remove the fluidi- see conductor 114 from the fluidic chip 112.
  • the sealing material 132 thus gives the connection between the fluidic conductor 114 and the fluidic chip 112 a high mechanical stability in addition to the sealing effect mentioned.
  • the fluidic structure 110 has a connection channel 136, which in this embodiment has a cylindrical shape and which connects the fluid channel 128 in the cover substrate 126 with the inner lumen 118 of the fluidic conductor 114.
  • the connecting channel 136 penetrates the unstructured intermediate substrate 124, the sealing material 132 and the conductor wall 116 of the fluidic conductor 114.
  • the connecting channel 136 thus forms a connection between the inner lumen 118 of the fluidic conductor 114 that can be freely flowed through by a fluid, for example a liquid or a gas and the fluidic chip 112, in particular the fluid channel 128 ago.
  • the fluidic structure 110 has only one fluid channel 128 disposed in the cover substrate 126.
  • the fluidic structure 110 can also have further fluid channels 128, which can also be accommodated in the base substrate 120, for example or additionally. If the fluid channels are received only in the base substrate 120, the entire fluidic connection between the fluidic conductor 114 and the fluidic chip 112 in a single substrate (the base substrate 120) is realized.
  • the fluid channel 128 is arranged at the interface between two substrates, in this case at the interface between the cover substrate 126 and the intermediate substrate 124
  • Substrates 120, 124, 126 are arranged, for example in the form of holes.
  • other fluidic cavities for example microreaction chambers
  • Figure 2 is an alternative to Figure 1 embodiment of a fluidic structure 110 in a sectional view in top view, wherein the devislurnen 118 of the fluidi- see conductor 114 is connected in this embodiment with two fluid channels 128 via connection channels 136.
  • the connection channels 128 are formed in the base substrate 120, for example in the form of trenches or grooves, which, for example, at the interface between the base substrate 120 and the intermediate substrate 124 (see Figure 1) are arranged. After being covered by the intermediate substrate 124, these grooves in the base substrate 120 thus form closed fluid channels 128.
  • connection channels 136 are provided, wherein a connection channel 136 runs parallel to an axis 210 of the fluidic conductor 114 and thus directly in the conductor opening 134 of the fluidic conductor 114 fluidic conductor 114 opens.
  • a second connection channel 136 runs perpendicular to the axis 210 of the fluidic conductor and penetrates the sealing material 132 and the lateral conductor wall 116 of the fluidic conductor 114. In this way, the inner lumen 118 of the fluidic conductor 114 is connected to a plurality of fluid channels 128.
  • the production of the connecting channels 136 can be done in this exemplary embodiment, for example, by milling or laser ablation, whereas the connecting channel 136 is advantageously carried out in the embodiment of Figure 1 by mechanical drilling or laser drilling.
  • FIGS. 3 to 11 which respectively represent intermediate products and the schematic flowchart according to FIG. 12, an inventive production method of a fluidic structure 110, for example according to the embodiment variants shown in FIGS. 1 and 2, will be described below. It should be noted that, in particular, the method illustrated in FIG. 12 does not necessarily have to be carried out in the sequence shown and that additional method steps, not shown in FIG. 12, can be performed.
  • an opening 122 is introduced into a base substrate 120.
  • This opening 122 can be configured in various ways. Various embodiments of this opening 122 are shown in FIGS. 4A to 4D and in FIG.
  • the opening 122 may have a groove formed in a surface 310 of the base substrate 120, as shown in FIGS. 4A to 4C.
  • This groove can in particular have a rectangular cross section (FIG. 4A), a trapezoidal cross section (FIG. 4B) or a U-shaped cross section (FIG. 4C). In the trapezoidal cross-section according to FIG.
  • the opening 122 may also have a bore, as shown for example in Figure 4D.
  • This hole may be, for example, a blind hole.
  • the bore may in particular have a rectangular or round cross-section.
  • the opening 122 can also be designed in the form of a simple cutout on the surface 310 of the base substrate 120. Further embodiments, for example, with an alternative cross-section (for example, V-shaped cross section) of the groove or opening 122 are conceivable. Subsequently, (step 1212 in FIG.
  • a section 130 of a fluidic conductor 114 is inserted into the opening 122 in the base substrate 120, as shown in FIG.
  • the inserted portion 130 is the open end of a fluidic conductor 114 formed as a tube.
  • insertion of the open end 130 is correspondingly "insertion" the fluidic conductor 114 into the opening 122 to understand.
  • the fluidic conductor 114 is smaller in its outer dimensions than the bore 122, no force is required in this embodiment, in contrast to the prior art for this insertion of the open end 130 into the opening 122, so that in particular the risk of damage to the fluidic conductor 114 is reduced.
  • the surface 310 of the base substrate 120 as shown in Figures 6 and 7, covered by an unstructured intermediate substrate 124, wherein in the embodiment shown in Figures 6 and 7, in which the opening 122 has the shape of one with its long side to Surface 310 open toward the groove and with its narrow side toward the end face 610 of the base substrate 120 has opened groove, the opening 122 along the surface 310 at least partially closed.
  • the intermediate substrate 124 is a thin film, for example a plastic film (eg a plastic film having polycarbonate as the material), in the exemplary embodiment according to FIG Platelets (eg, also a plastic film having polycarbonate as the material).
  • a curable fluid sealing material 132 is introduced into the opening 122, such that the sealing material 132 sealingly fills the remaining cavity between the conductor wall 116 of the fluidic conductor 114 and the wall of the cavity 122.
  • the sealing material 132 may also partially penetrate into the Porteröffhung 134 of the fluidic conductor 114.
  • the unstructured intermediate substrate 124 limits the filling level of the sealing material 132 such that the sealing material 132 is flush with the surface 310 of the base substrate 120.
  • the intermediate substrate 124 terminates in front of the end face 610 of the base substrate 120 in the exemplary embodiments illustrated in FIGS.
  • the fluidic curable sealing material 132 is filled, for example, from the end face 610 into the opening 122 of the base substrate 120, as can be seen with reference to FIGS. 9 and 10 (filling direction 910).
  • filling channels 810 can be used. In the exemplary embodiment shown in FIG. 8, these filling channels 810 are formed as trenches along the surface 210 of the base substrate 120, wherein these trenches extend perpendicular to the opening 122.
  • the filling channels 810 have an extended Zu Kunststoff ⁇ Anlagen 812, in which the curable fluid sealing material 132 can be filled to then flow along the filling channels 810 in the opening 122.
  • volume changes of the curable fluid sealing material 132 can be compensated, for example by avoiding sealing material 132 during hardening into the filling channels 810.
  • stresses are avoided during curing.
  • a light-curing adhesive such as Wellomer UV4032, which can be hardened in particular by the use of UV light, can be used in this exemplary embodiment, for example.
  • the curable fluid sealing material 132 is cured accordingly, so that the open end 130 of the fluidic conductor 114 is firmly fixed in the opening 122 and the conductor opening 132 is sealed.
  • sealing material 132 can penetrate slightly into the conductor opening 134 of the open end 130 of the fluidic conductor 114 and thus additionally increase the sealing effect and the mechanical stability of the connection.
  • the curing of the sealing material 132 may, as described above, completely or partially. Furthermore, various techniques for curing can be used, as also described above, in particular curing under the action of light, for example under the action of UV light. This exposure to light may occur, for example, through the intermediate substrate 124 or also through the base substrate 120, in which case advantageously the intermediate substrate 124 and / or the base substrate 120 are transparent with respect to the wavelength of light used. A localized action of light, for example in the form of a laser beam or by means of a shadow mask, can also take place.
  • the intermediate substrate 124 may optionally remain on the base substrate 120, particularly when the intermediate substrate 124 is a thin film, or alternatively removed from the base substrate 120.
  • the intermediate substrate 124 has not been learned and thus forms an integral part of the layer structure of the fluidic chip 112.
  • a connecting channel 136 is exposed to the inner lumen 118 of the fluidic conductor 114 (see method step 1218 in FIG. 12), as illustrated, for example, in FIG.
  • the connecting channel 136 extends perpendicular to the axis 210 of the fluidic conductor 114 through the intermediate substrate 124, the (now hardened) sealing material 132 and the conductor wall 116 of the fluidic conductor 114.
  • This opening can be made, for example, by means of a mechanical drill or preferably zugt be generated by means of a laser, in particular a CCV laser or excimer laser.
  • the intermediate product shown in FIG. 11 is supplemented to form the fluidic structure 110 illustrated in FIG. 1 by applying a cover substrate 126 to the intermediate substrate 128.
  • this cover substrate 126 has a fluid channel 128, which has been introduced into the cover substrate 126, for example by milling, etching, laser ablation or other methods.
  • the fluid channel 128 is arranged in this case and the cover substrate 126 is aligned with the base substrate 120 such that the fluid channel 128 comes to lie above the connecting channel 136 to the inner 118 of the fluidic conductor 114.
  • the substrates 126, 124, and 120 may be joined together by various suitable joining techniques.
  • the substrates can be welded with a suitable laser or even glued.
  • a suitable clamping technique is conceivable which presses the individual substrates 120, 124, 126 together and which, if necessary, can be released again.

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Abstract

Insbesondere im Bereich der medizinischen Diagnostik, der Analytik oder der Mikroreaktorik ist es häufig erforderlich, fluidische Leiter (114) an bestimmte fluidische Strukturen, beispielsweise Fluidik-Chip (112) zu koppeln. Es wird daher ein Verfahren zum Herstellen einer fluidischen Struktur (110) eingebracht wird. Anschliessend wird mindestens ein Abschnitt (130) eines fluidischen Leiters (114), insbesondere eines Rohres oder Schlauches teilweise in die mindestens eine Öffnung (122) eingebracht. Weiterhin wird mindestens ein aushärtbares fluides Dichtmaterial (132) in die mindestens eine Öffnung (122) eingebracht. Anschliessend wird das mindestens eine fluide Dichtmaterial (132) ganz oder teilweise ausgehärtet, wobei beispielsweise erfolgen kann. Anschliessend wird mindestens ein Verbindungskanal (136) zwischen mindestens einem Innenlumen (118) des mindestens einen fluidischen Leiters (114) und mindestens einem Fluidkanal (128) der fluidischen Struktur (110) erzeugt. Bei der Erzeugung dieses Verbindungskanals (136) lassen sich beispielsweise mechanische Verfahren, zum Beispiel Bohren oder Fräsen oder auch Laserablationsverfahren, Laserbohrverfahren, nasschemisches Ätzen oder Trokkenätzen sowie andere Verfahren einsetzen. Das beschriebene Verfahren lässt sich insbesondere reproduzierbar realisieren, so dass es auch für Serienfertigung fluidischer Strukturen (110) geeignet ist. Weiterhin weisen fluidische Strukturen (110), welche nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt worden sind, geringe Totvolumina der fluidischen Verbindung auf, wobei die Totvolumina reproduzierbar realisiert werden können. Zudem lassen sich mehrere Fluidkanäle (128) gleichzeitig mit dem Innenlumen (118) eines fluidischen Leiters (114) verbinden, und es lässt sich eine sichere, mechanisch stabile Verbindung zwischen dem fluiden Leiter (114) und einem Fluidik-Chip (112) herstellen.

Description

Fluidische Struktur und Verfahren zum Erzeugen einer fluidischen Struktur
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ankopplung eines fluidischen Leiters an ein fluidisches System sowie eine Anordnung, welche ein fluidisches System sowie einen nach dem beschriebenen Verfahren an dieses System angekoppelten fluidischen Leiter aufweist. Derartige Anordnungen und fluidische Systeme werden insbesondere in der chemischen Analytik, der medizinischen Diagnostik und für andere biologische und medizinische An- Wendungen eingesetzt. Auch in der chemischen Synthese und Reaktorik können derartige Anordnungen und Systeme eingesetzt werden. Insbesondere lassen sich derartige Anordnungen und Systeme in Form mikrofluidischer Systeme einsetzen.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, mittels derer fluidische Leiter, insbesondere Schlauchsysteme an fluidische Systeme, beispielsweise mikrofluidi- sche Chips, angekoppelt werden können. Der Zweck derartiger Systeme kann dabei sehr unterschiedlich sein, wobei jedoch insbesondere die oben genannten Anwendungen der Analyse und Diagnostik in biologischen und medizinischen Anwendungen, beispielsweise zum Zwecke der Mikrodialyse sowie die chemische Reaktorik im Vordergrund stehen.
Die WO 03/072251 A2 beschreibt ein Mikrofluidsystem mit mindestens einem durch- strömbaren Volumen und mindestens einer mit dem Volumen verbundenen Anschlusseinrichtung, die in Form einer sich verjüngenden Vertiefung oder einer sich verjüngenden Erhöhung ausgebildet ist. Weiterhin beschreibt die WO 03/072251 A2 eine Steckereinrichtung zur Verwendung in einem derartigen Mikrofluidsystem, welche derart ausgebildet ist, dass sie in Eingriff mit der beschriebenen Anschlusseinrichtung bringbar ist. Das in der WO 03/072251 A2 beschriebene Mikrofluidsystem weist jedoch in der praktischen Anwendung einige Nachteile auf. So ist insbesondere die Herstellung derartiger Mikrofluid- systeme aufwändig, da die Herstellung der sich verjüngenden Vertiefungen beziehungsweise der sich verjüngenden Erhöhungen in der Anschlusseinrichtung technisch schwer zu realisieren ist und auch die entsprechende [Steckereinrichtung ein aufwändiges Herstellungsverfahren erforderlich macht. Weiterhin weist das in der WO 03/072251 A2 beschriebene Mikrofluidsystem ein Undefiniertes Totvolumen auf, da sich beim Zusammenstecken der beschriebenen Anschlusseinrichtung und der Steckereinrichtung entsprechende Hohlräume bilden können, welche zunächst mit Fluid gefüllt werden müssen. Zudem ist die beschriebene Anordnung nur für Schläuche beziehungsweise Röhren mit relativ großer mechanischer Belastbarkeit anwendbar.
Aus US 2004/0017078 Al ist eine Verbindung zwischen einem mikrofluidischen System und einem Schlauch bekannt, bei der in dem mikrofluidischen System ein Anschlussstutzen ausgebildet ist, auf welchen ein flexibler Schlauch aufgesteckt werden kann. Dabei ragt der Anschlussstutzen nicht über die Substratoberfläche des mikrofluidischen Systems hinaus, sondern liegt in einer Bohrung im Substrat versenkt. Auch das in der US 2004/0017078 Al beschriebene Systeme weist, ähnlich dem in der WO 03/072251 A2 beschriebenen System, den Nachteil auf, dass die Verbindung nur für flexible Schläuche mit relativ großer mechanischer Belastbarkeit anwendbar ist.
In Gray et al.: "Novel interconnection technologies for integrated microfluidic Systems", Sensors and Actuators 77 (1999), 57-65, werden verschiedene Verfahren dargestellt, mit- tels derer fluidische Anschlüsse an Silizium-basierte integrierte mikrofluidische Systeme realisiert werden können. Insbesondere werden dabei wieder durch reaktives Ionenätzen hergestellte Anschlussvertiefungen vorgeschlagen, welche mit in den Silizium-Chip integrierten fluidischen Kanälen in Verbindung stehen und in welche entsprechend fluidische Röhrchen eingefügt werden können. Diese Öffnungen beziehungsweise Vertiefungen kön- nen auch wieder, ähnlich der in der US 2004/0017078 Al beschriebenen Methode, mit eingelassenen Anschlussstutzen versehen sein. Die Nachteile der beschriebenen Verfahren sind jedoch ähnlich zu den bereits oben beschriebenen Nachteilen und bestehen insbesondere darin, dass das Verfahren auf ätzbare Substrate, insbesondere Silizium, beschränkt ist und aufwändige apparative Techniken, wie beispielsweise reaktives Ionenätzen, erforder- lieh machen.
Die DE 202 16 216 Ul offenbart ein mikrofluides System, insbesondere einen Mikro- Flusssensor, welches eine Ein-/Ausgangsöffnung in einem Wafer und ein Anschlussele- ment für die Ein-/ Ausgangsöffnung aufweist. Das Anschlusselement deckt die Oberfläche des Wafers im Bereich der Ein-/Ausgangsöffnung ab und weist einen Mantel mit einem Vorsprung auf. Zwischen dem Vorsprung des Mantels und dem Wafer wird eine Klebeverbindung hergestellt. Auch die in der DE 202 16 216 Ul dargestellte Lösung zum Ver- binden des Anschlusselements mit dem mikrofluidischen System weist für den praktischen Einsatz, insbesondere für die oben genannten Zwecke, zahlreiche Nachteile auf. So treten insbesondere beim Herstellen der Verbindung zwischen dem Anschlusselement und dem Wafer große Totvolumina auf, welche sich gerade in mikrofluidischen Systemen nachteilig bemerkbar machen und nur schwer berechenbar sind. Weiterhin führt das beschriebene Verbindungsverfahren zu mikrofluidischen Systemen mit einer vergleichsweise geringen Packungsdichte der Anschlusselemente, was insbesondere dadurch bedingt ist, dass die Anschlusselemente von außen durch die Klebeverbindung versiegelt werden. Eine hohe Packungsdichte ist jedoch für viele Anwendungen im Bereich der Mikrofluidik eine uner- lässliche Voraussetzung.
In Meng et al.: "Micromachined Fluid Couplers", in „Proceedings Of The Micro Total A- nalysis Systems 2000 Symposium", Held in Enschede, The Netherlands, 14-18 May 2000, Herausgeber: Berg et al., MESA Monographs, Kluwer Academic Publishers, Niederlande, S. 41-44, werden Standard- Anschlusselemente beschrieben, mittels derer entsprechende Röhren mit einem in einem Silicium- Wafer eingebetteten mikrofluidischen System verbunden werden können. Dabei werden Silizium- Wafer derart sirukturiert, dass sie auf der einen Seite eine Röhre aufnehmen und auf der anderen Seite mit der Ein- /Ausgangsöfrhung eines Wafers verbunden werden können. Die beschriebenen Anschluss- elemente werden dabei direkt aus Silizium gefertigt (bulk coupler beziehungsweise post coupler) oder von einer Siliziumform in einem Polymer abgeformt (moulded coupler). Der polymere Koppler kann an dem Wafer oder Substrat durch Kleben, insbesondere durch Schmelzkleben, befestigt werden. Das beschriebene Verfahren beziehungsweise die beschriebenen Verbindungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass das Herstellungsverfahren der Koppler extrem aufwändig ist und mehrere halbleitertechnische Herstellungsschritte beinhaltet. Zudem sind aufwändige apparative Einrichtungen, wie beispielsweise Einrichtungen zum reaktiven Ionenätzen, erforderlich. Weiterhin ist das beschriebene Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen nur für Röhren mit relativ großer mechanischer Belastbarkeit anwendbar.
In Yao et al.: " Micromachined Rubber O-ring Microfluidic Couplers", 13th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS 2000), Miyazaki, Japan, 23.-27. Januar 2000, wird ein Anschlusskonzept für Röhren an einen Silizium- Mikrofluidic-Chip beschrieben, bei welchem integrierte Gummi- beziehungsweise Silikon- O-Ringe erzeugt werden. Das beschriebene Verfahren ist jedoch wiederum sehr aufwändig, da insbesondere die Herstellung der integrierten Dichtringe apparativ aufwändig ist. Weiterhin ist das beschriebene Verfahren, wie auch teilweise die oben beschriebenen Ver- fahren auf Substratmaterialien beschränkt, welche entsprechende Ätztechniken und andere halbleitertechnische Verfahren zulassen, also insbesondere Silizium.
hi Puntambekar et al.: „Self-aligning microfluidic interconnects for glass- and plastic- based microfluidic Systems", in Journal of Micromechanics and Microengineering, 12 (2002), 35-40 und Puntambekar et al.: „Self-aligning microfluidic interconnects with low dead volume", in „Proceedings Of The Micro Total Analysis Systems 2000 Symposium", Held in Enschede, The Netherlands, 14-18 May 2000, Herausgeber: Berg et al., MESA Monographs, Kluwer Academic Publishers, Niederlande, S. 323-326, werden mikrofluidi- sehen Verbindungen beschrieben, welche für serielle und parallele Anschlusstechniken mit geringem Totvolumen und geringem Druckabfall (ca. 1000 Pa) geeignet sind. Dabei wird das anzuschließende Ende eines Schlauches mit einem zusätzlichen Flansch-Schlauch umgeben. Das aufnehmende Substrat weist im Inneren eine Flansch-Kavität auf, in welche beim Einschieben des beschriebenen doppelten Schlauchendes ein Teil des Flansch- Schlauches eindringen kann, um so eine feste Verbindung mit dem Substrat zu bilden. Wiederum ist das beschriebene Verfahren jedoch vergleichsweise aufwändig, da insbesondere die Herstellung des Anschlussstücks hohe Temperaturen (über 300 °C) und großen Druck voraussetzt. Insbesondere ist aufgrund dieser Herstellungsbedingungen das beschriebene Verfahren nicht für Polymersubstrate geeignet. Weiterhin ist die beschriebene Verbindung nur für Röhren mit vergleichsweise großer mechanischer Belastbarkeit anwendbar, weil der anzuschließende Schlauch unter hoher Krafteinwirkung in das Substrat eingepresst werden muss.
Die US 6,290,791 Bl und die EP 0 944 794 Bl offenbaren eine Anordnung mit einer mik- romechanisch hergestellten Struktur sowie einer Kapillare oder Röhre und ein Verfahren zum Anschließen der Kapillare oder Röhren an die Struktur. Die mikromechanisch hergestellte Struktur weist dabei ein Substrat auf, in welches fluidische Flusskanäle eingelassen sind, welche in Verbindung stehen mit einer Öffnung, in welche die Röhre eingelegt werden kann. Anschließend wird eine abdichtende Substanz in die Öffnung um die Röhre ein- geleitet und ausgehärtet, um die Röhre innerhalb der Öffnung abzudichten. Ein Problem besteht dabei insbesondere darin, zu verhindern, dass die abdichtende Substanz in den Schlauch beziehungsweise die Röhre eindringt und diese verschließt. Zum Lösen dieses Problems werden verschiedene Alternativen vorgeschlagen. Insbesondere wird vorgeschlagen, als abdichtende Substanz einen lichthärtenden Klebstoff einzusetzen, wobei das eingelegte Ende des Schlauchs beziehungsweise der Röhre mit einer geeigneten Lichtquelle bestrahlt wird, so dass der lichthärtende Klebstoff vor Erreichen des Endes des Schlauches beziehungsweise der Röhre ausgehärtet und dadurch abgestoppt wird, insbesondere wenn die eingefügte Länge eines Schlauches, also die Länge, auf der ein Schlauch in die Öffnung eingeschoben wird, nur sehr kurz ist (insbesondere kürzer als 1 mm), ist ein Abstoppen eines lichthärtenden Klebstofs sehr schwierig, da insbesondere die eingesetzten Lichtquellen selbst über eine gewisse Ausdehnung und Randunschärfe verfugen und kaum mit der erforderlichen Präzision positionierbar sind. Weiterhin wird alternativ auch vorge- schlagen, dass ein Faden in den Schlauch beziehungsweise die Röhre eingefügt wird, welcher nicht mit der abdichtenden Substanz verbindbar ist, so dass die fluidische Verbindung zwischen der Kapillaröffnung und dem anschließenden Kanal durch den Faden freigehalten wird. Der Faden muss nachträglich entfernt werden können.
Das in der US 6,290,791 Bl und der EP 0 944 794 Bl beschriebene Verfahren ist jedoch aufgrund der bereits genannten Problematik mit zahlreichen Unsicherheiten verbunden, welche die Tauglichkeit des beschriebenen Verfahrens für einen Serieneinsatz drastisch senken. Das Einfügen eines Fadens in eine Röhre beziehungsweise einen Schlauch ist für einen Serieneinsatz kaum realisierbar, da hierfür insbesondere Handarbeit oder äußerst aufwändige technische Apparaturen erforderlich sind. Ein dünnwandiger und leicht deformierbarer Schlauch kann außerdem beim Einfädeln eines Fadens leicht beschädigt werden. Die weiterhin vorgeschlagene Alternative, das Vordringen der abdichtenden Substanz, insbesondere des lichthärtenden Klebstoffes, durch Einwirkung einer Lichtquelle zu kontrollieren, ist mit zahlreichen Unsicherheiten verbunden. Insbesondere eine Schwankung der Lichtintensität der eingesetzten Lichtquelle kann zu unterschiedlichen Laufstrecken des lichthärtenden Klebstoffs in der Öffnung führen und somit in vielen Fällen der Serienfertigung das Ende der Röhre beziehungsweise des Schlauches verschließen oder verengen oder sogar in die fluidischen Kanäle der mikromechanisch hergestellten Struktur eindringen. Weiterhin ist das vorgeschlagene Verfahren darauf angewiesen, dass sich der Schlauch beziehungsweise die Röhre in eine der beschriebenen Öffnungen einfügen lässt. Dies ist insbesondere bei dünnwandigen und leicht deformierbaren Schläuchen nicht ohne weiteres möglich, da diese dabei beschädigt werden können. Weiterhin erfordert die Herstellung der vorgeschlagenen Öffnungen insbesondere ein aufwändiges mikromechanisches Bohren oder Fräsen, da der Leiterkanal des Schlauches exakt zum entsprechenden Leiterkanal der mikrofluidischen Struktur positioniert werden muss, was wiederum eine aufwändige Positionierung relativ zu den in das Substrat eingelassenen fluidischen Flusskanälen erforderlich macht.
In der US 6,605,472 Bl ist ein Verfahren beschrieben, mittels dessen ein Kapillarröhrchen mit einem Mikrochip verbunden werden kann, wobei der Mikrochip eine kapillare Kanal- öffhung an einer Kantenoberfläche aufweist. Dabei wird ein auf die Kapillaröffhung ausgerichtetes Loch in die Kante des Mikrochips gebohrt, in welches das Ende des Kapillarröhr- chens eingefügt werden kann, so dass das Kapillarröhrchen an den Kapillarkanal des Mik- rochips angeschlossen ist. Das beschriebene Verfahren ist jedoch wiederum technisch äußerst aufwändig, da - ähnlich zur US 6,290,791 Bl und zur EP 0 944 794 Bl - eine Präzisionsbohrung und Präzisionspositionierung erforderlich ist. Die Bohrung muss axial zu dem Kapillarkanal angeordnet sein, damit Fluid aus dem Kapillarröhrchen unmittelbar in den Kapillarkanal des Mikrochips strömen kann. Weiterhin muss, insbesondere um Totvo- lumina zu vermeiden, der Bohrungsboden vor dem Einfügen des Kapülarröhrchens nachträglich eingeebnet werden. Zudem wird zum Fixieren des Kapillarröhrchens in der Bohrung ein Heißkleber eingesetzt. Zum Fixieren der Verbindung müssen hohe Temperaturen von bis zu 800 °C aufgebracht werden, was einen Einsatz dieser Methode insbesondere für polymere Strukturen ausschließt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Ankopplung eines fluidischen Leiters an ein fluidisches System zu offenbaren, welches die dargestellten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere sollte das beschriebene Verfahren beziehungsweise eine nach diesem Verfahren hergestellte Anordnung kostengünstig sein, insbesondere auch für mikrofluidische Systeme geeignet sein und eine hohe Flexibili- tat bezüglich der Materialauswahl aufweisen.
Diese Aufgäbe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer fluidischen Struktur vorgeschlagen, beispielsweise einer mikrofluidischen Struktur, welche zu einem der oben genannten Zwecke eingesetzt werden kann. Die fluidische Struktur kann dabei insbesondere zum Verarbeiten beziehungsweise Handhaben fluider Medien dienen, wie beispielsweise von Flüssigkeiten oder Gasen. Insbesondere stehen dabei Anwendungen im Bereich der medizinischen Diagnostik, der Analytik oder der chemischen Reaktorik, insbesondere der Mikroreaktorik im Vordergrund. Das Verfahren soll folgende Schritte aufweisen:
Zunächst wird in ein Grundsubstrat der fluidischen Struktur mindestens eine von außen zugängliche Öffnung eingebracht. Bei dem mindestens einen Grundsubstrat kann es sich beispielsweise um anorganische Substrate, zum Beispiel Siliziumsubstrate oder Glas, oder auch um organische Substrate, insbesondere um verschiedene Polymere, z. B. Silikon, Po- lycarbonat oder Cyklische Olefine Copolymere (COC), handeln. Auch aus verschiedenen Materialien zusammengesetzte Grundsubstrate sind denkbar.
Bei der mindestens einen Öffnung kann es sich beispielsweise um eine in das mindestens eine Grundsubstrat eingebrachte Bohrung, insbesondere eine Sacklochbohrung mit beispielsweise rundem, ovalem oder vieleckigem Querschnitt handeln. Zusätzlich oder alternativ kann es sich bei der mindestens einen Öffnung auch um eine auf einer Oberfläche des mindestens einen Grundsubstrats angeordnete Nut handeln, welche von außen zugänglich ist. Beispielsweise kann diese Nut entlang ihrer langen Seite von einer Oberfläche des mindestens einen Grundsubstrats zugänglich sein, wobei die Nut von einer Stirnseite des mindestens einen Grundsubstrats zugänglich ist. Die Nut kann beispielsweise einen rechteckigen, runden, U-förmigen oder V-förmigen Querschnitt aufweisen. Weiterhin kann die Nut auch einen Querschnitt in Form eines Trapezoids aufweisen, wobei vorteilhafterweise die längere der beiden parallelen Kanten des Trapezoids auf einer Oberfläche des mindes- tens einen Grundsubstrats liegt. Diese Ausgestaltung erleichtert das Einfügen eines fluidischen Leiters.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird mindestens ein Abschnitt eines mindestens ein hinenlumen sowie mindestens eine Leiterwand aufweisenden fluidischen Leiters, insbe- sondere eines Rohres oder Schlauches, teilweise in die mindestens eine Öffnung eingebracht. Bei diesem fluidischen Leiter kann es sich beispielsweise um ein flexibles oder starres Rohr oder einen entsprechenden Schlauch aus anorganischem oder organischem Material, beispielsweise Metallen, Silikon, Teflon, Glas oder PVC, handeln. Unter einem hinenlumen ist dabei ein fluidischer Hohlraum im Inneren des fluidischen Leiters zu ver- stehen, durch welchen ein fluides Medium strömen kann. Insbesondere kann es sich bei dem mindestens einen Abschnitt des mindestens einen fluidischen Leiters um das Ende eines Rohres oder Schlauches handeln, insbesondere um ein offenes Ende, welches in die mindestens eine Öffnung eingebracht wird. Dieses Einbringen erfolgt vorteilhafterweise dergestalt, dass zwischen der äußeren Wand des mindestens einen fluidischen Leiters und der Wandung der mindestens einen Öffnung ein Hohlraum verbleibt. Insbesondere kann dabei das Einbringen des mindestens einen Abschnitts des mindestens einen fluidischen Leiters in die mindestens eine Öffnung so erfolgen, dass ein Schlauch oder Rohr beziehungsweise ein Ende eines derartigen Schlauches oder Rohres, in eine der oben beschriebenen Nuten eingelegt oder in eine der oben beschriebenen Bohrungen eingeschoben wird.
In einem anschließenden Verfahrensschritt wird mindestens ein aushärtbares fluides Dichtmaterial in die mindestens eine Öffnung eingebracht. Dieses Einbringen des fluiden Dichtmaterials kann beispielsweise direkt in die von außen zugängliche Öffnung erfolgen, beispielsweise mittels eines Pipetten- oder Mikrodosiersystems. Dabei kann beispielsweise eine Dosiernadel oder eine ähnliche Apparatur eingesetzt werden, mit der beispielsweise fluides Dichtmaterial direkt in eine der oben beschriebenen Nuten oder in eine der Bohrungen eingebracht wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Einbringen des aushärtbaren fluiden Dichtmaterials in die mindestens eine Öffnung auch dadurch erfolgen, dass mindestens ein mit der mindestens einen Öffnung in Verbindung stehender Einfiillkanal in der fluidischen Struktur vorgesehen ist. Dieser Einfüllkanal kann beispielsweise von außen zugänglich sein. Dieser Einfüllkanal kann einfach oder auch verzweigt sein und mit einer der Öffnungen oder auch gleichzeitig mit mehreren Öffnungen in Verbindung stehen. Durch diesen Einfüllkanal kann fluides Dichtmaterial in die mindestens eine Öffnung fließen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das fluide Dichtmaterial einen oder mehrere Zwischenräume, welche nach Einbringen des mindestens einen Abschnitts des mindestens einen fluidischen Leiters in die mindestens eine Öffnung zwischen diesem mindestens einen fluidischen Leiter und der mindestens einen Öffnung verbleibenden Zwischenraum ganz oder vorteilhafterweise vollständig ausfüllt. Dieser Einfüllkanal kann beispielsweise in das mindestens eine Grundsubstrat eingelassen sein. Weiterhin kann dieser mindestens eine Einfüllkanal auch weitere Substrate, beispielsweise mindestens ein Zwischensubstrat und/oder ein Decksubstrat, durchdringen. Weist der mindestens eine Abschnitt des eingebrachten mindestens einen fluidischen Leiters mindestens ein offenes Ende auf, beispiels- weise ein Schlauch- oder Rohrende, welches in die mindestens eine Öffnung eingebracht worden ist, so hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn das mindestens eine aushärtbare fluide Dichtmaterial beim Einbringen in die Öffnung dieses mindestens eine offene Ende verschließt. Beispielsweise kann das mindestens eine aushärtbare fluide Dichtmaterial teilweise in dieses Rohr- oder Schlauchende eindringen und so dieses offene Ende verschließen. Unter Verschließen ist dabei insbesondere beispielsweise ein dichter Verschluss bezüglich der fluidischen Medien, welche das mindestens eine Innenlumen des mindestens einen fluidischen Leiters durchströmen, zu verstehen. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das aushärtbare fluide Dichtmaterial den oben beschriebenen Zwischenraum zwischen dem mindestens einen fluidischen Leiter und der umgebenden Wand der mindes- tens einen Öffnung dicht für die fluidischen Medien im Innenlumen des mindestens einen fluidischen Leiters verschließt. Dieses aushärtbare fluide Dichtmaterial sollte beim Einfüllen in flüssigem Zustand vorliegen. In einem anschließenden Verfahrensschritt, nachdem das aushärtbare fluide Dichtmaterial in die mindestens eine Öffnung eingebracht ist, wird das mindestens eine fluide Dichtmaterial ganz oder teilweise ausgehärtet. Unter Aushärten ist dabei ein Übergang (beispielsweise ein Flüssig/Fest-Phasenübergang oder auch ein Übergang infolge einer chemischen Reaktion) zu verstehen, bei dem die Härte und/oder Viskosität des aushärtbaren fluiden Dichtmaterials stark erhöht wird. Dabei muss das aushärtbare fluide Dichtmaterial nicht vollständig fest werden, sondern es kann beispielsweise auch noch in einem leicht plastischen oder elastischen Zustand vorliegen. Vorteilhaft ist jedoch, wenn dabei eine feste Verbindung zwischen dem mindestens einen Grundsubstrat der fluidischen Struktur und dem mindestens einen fluidischen Leiter hergestellt wird. Auf diese Weise wird die Verbindung zwischen dem mindestens einen fluidischen Leiter und dem mindestens einen Grundsubstrat also mechanisch stabilisiert und somit gegen unerwünschtes Entfernen des fluidischen Leiters gesichert. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der mindestens eine Abschnitt des mindestens einen fluidischen Leiters, welcher in die mindestens eine Öffnung des mindestens einen Grundsubstrats eingebracht ist, eine Länge von mindestens 0,2 mm, vorteilhafterweise von mehr als 0,5 mm und besonders vorteilhaft im Bereich zwischen 0,5 und 1,5 mm aufweist. Die optimale Länge dieses mindestens einen Abschnitts hängt jedoch stark auch von den äußeren Abmessungen des mindestens einen fluidischen Leiters, beispielsweise seinem Durchmesser, ab.
Bei dem mindestens einen aushärtbaren fluiden Dichtmaterial kann es sich um verschiede- ne Materialien handeln. Insbesondere kann es sich dabei um ein aushärtbares fluides Dichtmaterial handeln, welches zunächst in flüssigem Zustand vorliegt und anschließend unter Einwirkung elektromagnetischer Strahlen aushärtbar ist. Beispielsweise kann es sich also um eine Flüssigkeit eines photopolymerisierbaren Monomers handeln. Die Aushärtung kann dann beispielsweise durch eine großflächige Lichtquelle, vorteilhafterweise eine UV-Lichtquelle, oder auch durch eine flächenmäßig begrenzte Lichtquelle erfolgen. Insbesondere kann die Aushärtung auch nur lokal erfolgen (z. B. mittels einer Belichtungsmaske) oder auch an verschiedenen Stellen der fluidischen Struktur zu unterschiedlichen Zeiten. Insbesondere kann für die Aushärtung auch ein Laser eingesetzt werden, insbesondere ein Laser, dessen Wellenlänge optimal auf das aushärtbare fluide Dichtmaterial angepasst ist. Insbesondere können die für die Aushärtung eingesetzten elektromagnetischen Strahlen vor Einwirkung auf das mindestens eine aushärtbare fluide Dichtmaterial auch die fluidische Struktur, beispielsweise das mindestens eine Grundsubstrat oder auch weitere Substrate, zum Beispiel Zwischensubstrate oder Decksubstrate, ganz oder teilweise durchdringen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine von den elektromagne- tischen Strahlen durchdrungene Substrat eine geringe Absorption für die eingesetzten e- lektromagnetischen Strahlen aufweist. Insbesondere können also beispielsweise für Licht transparente Substrate eingesetzt werden.
Alternativ oder zusätzlich können auch aushärtbare fluide Dichtmaterialien eingesetzt wer- den, deren Aushärtung durch thermische Einwirkung erfolgt. Bei dieser thermischen Einwirkung kann es sich beispielsweise um eine Temperaturerhöhung handeln, zum Beispiel wenn monomere Fluide eingesetzt werden, welche bei kurzfristiger Temperaturerhöhung eine Polymerisation durchführen (thermisch initiierte Polymerisation) und dabei aushärten. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch auch eine Temperaturerniedrigung eingesetzt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn fluide Dichtmaterialien eingesetzt werden, welche bei erhöhter Temperatur flüssig sind und bei einer anschließenden Temperaturerniedrigung, beispielsweise auf Raumtemperatur, fest werden (Flüssig/Fest- Phasenübergang).
Alternativ oder zusätzlich kann auch beim Einbringen des mindestens einen aushärtbaren fluiden Dichtmaterials erhöhter Druck eingesetzt werden. Dabei werden vorteilhafterweise als aushärtbare fluide Dichtmaterialien Materialien eingesetzt, welche bei diesem erhöhten Druck fließfähig sind, um in die mindestens eine Öffnung einzudringen. Beispielsweise kann es sich dabei um mindestens ein viskoelastisches oder pseudoplastisches Dichtmaterial handeln. Unter Einwirkung eines erhöhten Drucks werden derartige Materialien entsprechend fließfähig, wobei bei Verringerung des Drucks anschließend ein vollständiges oder teilweises Aushärten erfolgt.
Die Auswahl der aushärtbaren fluiden Dichtmaterialien ist jedoch nicht auf die genannten Materialien beschränkt. So lassen sich auch aushärtbare fluide Dichtmaterialien einsetzen, welche mit der Zeit von selbst (d.h. nicht durch aktive Einwirkung von außen) aushärten, beispielsweise durch eine entsprechende Polymerisationsreaktion. Insbesondere lassen sich beispielsweise auch Monomer-Flüssigkeiten mit entsprechenden Initiatoren einsetzen, welche für eine gewisse Zeit fließfähige Eigenschaften aufweisen und anschließend aushärten. Das Einbringen dieser Materialien in die mindestens eine Öffnung muss dann während der Zeit erfolgen, während diese Materialien fließfähig sind. Insbesondere kann es sich bei diesen Materialien beispielsweise um Epoxide oder Silikone handeln. Auch anorganische Materialien sind einsetzbar, wie beispielsweise selbsthärtende Zemente.
Nach dem Aushärten des mindestens einen fluiden Dichtmaterials wird anschließend mindestens ein Verbindungskanal zwischen mindestens einem Innenlumen des mindestens einen fluidischen Leiters, insbesondere in dem mindestens einen in die mindestens eine Öfrhung eingebrachten Abschnitt und mindestens einem Fluidkanal der fluidischen Struktur erzeugt. Dieser mindestens eine Verbindungskanal stellt eine für die fluidischen Medien durchströmbare Verbindung zwischen dem mindestens einen fluidischen Leiter und dem übrigen Bereich der fluidischen Struktur her.
Zu diesem Zweck ist es selbstverständlich erforderlich, dass die restliche fluidische Struktur einen oder mehrere derartige Fluidkanäle aufweist. Ein derartiger Fluidkanal kann beispielsweise in das mindestens eine Grundsubstrat der fluidischen Struktur eingebracht sein. Weiterhin kann dieser mindestens eine Fluidkanal jedoch auch in zusätzlichen Substraten, beispielsweise in einem oder mehreren Decksubstraten, eingebracht sein. Unter einem FIu- idkanal kann dabei beispielsweise eine Bohrung in einem der Substrate verstanden werden, oder auch eine entsprechende Nut an einer Oberfläche eines der Substrate. Auch entsprechende größere Hohlräume, wie beispielsweise Mikroreaktionskammern, oder auch weite- re in die fluidische Struktur eingebrachte fluidische Leiter, fallen sinngemäß unter den Begriff des Fluidkanals.
Der mindestens eine Verbindungskanal kann einen Teilbereich eines der genannten Substrate durchdringen oder auch mehrere Teilbereiche oder ganze Substrate gleichzeitig. Ins- besondere kann der Verbindungskanal auch durch entsprechende Zwischensubstrate dringen. Der mindestens eine Verbindungskanal kann dabei einfach oder auch verzweigt sein. Weiterhin kann dieser mindestens eine Verbindungskanal vorteilhafterweise auch mindestens eins der oben genannten Dichtmaterialien (welche dann vorteilhafterweise im ausgehärteten Zustand vorliegen) durchdringen sowie beispielsweise auch mindestens eine Lei- terwand mindestens eines fluidischen Leiters.
Zum Herstellen dieses mindestens einen Verbindungskanals lassen sich verschiedene Verfahren physikalischer, mechanischer oder chemischer Art einsetzen, welche optimalerweise auf die eingesetzten Materialien des beziehungsweise der Substrate, des beziehungswei- se der Dichtmaterialien und/oder des beziehungsweise der Leiterwände der fluidischen Leiter angepasst sind. Insbesondere lässt sich ein mechanisches Bohrverfahren oder Fräsverfahren oder zusätzlich oder alternativ auch ein Stanzverfahren einsetzen. Auch ein entsprechendes Laserstrahlverfahren, beispielsweise Laserstrahlbohren oder Laserablation, lässt sich einsetzen. Insbesondere können dabei CC>2-Laser oder andere Gaslaser oder auch Nd:YAG-Laser oder andere Festkörperlaser im kontinuierlichen Betrieb oder im gepulsten Betrieb zum Einsatz kommen. Derartige mechanische Verfahren oder Laserstrahlverfahren werden optimalerweise begleitet von entsprechenden Absaugmaßnahmen, um anfallende Staubpartikel beim Herstellen des mindestens einen Verbindungskanals aufzunehmen. Zusätzlich oder alternativ lassen sich auch chemische Verfahren einsetzen, insbesondere nasschemische Verfahren, beispielsweise Ätzverfahren oder Verfahren, bei denen Lösungsmittel eingesetzt werden oder auch trockene Ätzverfahren, beispielsweise durch Einsatz von reaktivem Ionenätzen.
Wie bereits oben beschrieben, kann das Verfahren derart modifiziert werden, dass neben dem mindestens einen Grundsubstrat mit der mindestens einen von außen zugänglichen Öffnung mindestens ein weiteres Substrat eingesetzt wird. Insbesondere kann dadurch ein entsprechender Schichtaufbau der fluidischen Struktur erzeugt werden, was insbesondere die Herstellung von Fluidkanälen, Reaktionskammern oder ähnlichen Hohlräumen im In- neren der fluidischen Struktur staric vereiniacnx. uisoesondere kann dabei mindestens ein Zwischensubstrat und/oder ein Decksubstrat auf das mindestens eine Grundsubstrat aufgebracht werden. Vorteilhafterweise verschließt das mindestens eine Decksubstrat und/oder das mindestens eine Zwischensubstrat die mindestens eine Öffnung teilweise. Beispiels- weise kann es sich dabei um ein oder mehrere unstrukturierte Zwischensubstrate und mindestens ein strukturiertes Decksubstrat handeln, wobei beispielsweise das mindestens eine Decksubstrat mindestens einen Fluidkanal aufweist. Auch weitere fluidische Hohlräume, beispielsweise Reaktionskammern oder auch weitere fluidische Leiter können in das Decksubstrat eingebracht werden. Beispielsweise kann die mindestens eine Öffnung in dem mindestens einen Grundsubstrat als Nut ausgestaltet sein (siehe oben), welche von ihrer längeren Seite von einer Oberfläche des mindestens einen Grundsubstrats zugänglich ist und an ihrer Stirnfläche von einer Stirnseite des mindestens einen Grundsubstrats. Nach Einbringen des mindestens einen Abschnitts des mindestens einen fluidischen Leiters in diese mindestens eine Öffnung und nach Einbringen des mindestens einen fluiden Dicht- materials in die Öffnung kann dann die Öffnung, insbesondere eine Nut, durch Aufbringen eines Zwischensubstrats, insbesondere eines unstrukturierten Zwischensubstrats, verschlossen werden. Auch weitere Strukturen auf dem Grundsubstrat, beispielsweise Fluid- kanäle, welche in Form von weiteren Nuten entlang dieser Oberfläche in das mindestens eine Grundsubstrat eingebracht sind, können bei diesem Vorgang durch das mindestens eine Zwischensubstrat verschlossen werden, so dass sich geschlossene Fluidkanäle bilden. Anschließend können beispielsweise ein oder mehrere strukturierte Decksubstrate auf diesen Schichtaufbau, bestehend aus dem mindestens einen Grundsubstrat und dem mindestens einen Zwischensubstrat, aufgebracht werden. Insbesondere können diese Decksubstrate wiederum Fluidkanäle aufweisen, beispielsweise wiederum entsprechende Nuten an einer Oberfläche des mindestens einen Decksubstrats, welche vorteilhafterweise wiederum ganz oder teilweise beim Aufbringen auf die übrigen Substrate verschlossen werden. Wiederum entstehen dadurch geschlossene fluidische Leiter. Alternativ kann auch mindestens ein entsprechend strukturiertes Decksubstrat unmittel auf das mindestens eine Grundsubstrat aufgebracht werden, ohne dass ein entsprechendes unsirukturiertes Zwischensubstrat verwendet wird.
Insbesondere kann dabei der Schichtaufbau derart gestaltet werden, dass in der fertig strukturierten fluidischen Struktur mindestens ein Fluidkanal über oder in der Nähe der mindestens einen Öffnung zu liegen kommt. Dies erleichtert die Verbindung dieses mindestens einen Fluidkanals mit dem mindestens einen Innenlumen des mindestens einen fluidischen Leiters mittels mindestens eines Verbindungskanals erheblich. Beispielsweise kann das Verfahren derart durchgeführt werden, dass ein Abschnitt eines fluidischen Leiters in eine Öffnung eingebracht wird, anschließend fluides Dichtmaterial eingebracht und ausgehärtet wird und anschließend ein Zwischensύbstrat auf das Grundsubstrat aufgebracht wird. Anschließend wird, beispielsweise mittels eines Lasers, eine Bohrung durch das Zwischensubstrat, das ausgehärtete Dichtmaterial und die Leiterwand des fluidischen Leiters hindurch zum Innenlumen des fluidischen Leiters erzeugt. Anschließend kann dann ein Decksubstrat, beispielsweise ein Decksubstrat mit auf einer O- berfläche desselben strukturierten Fluidkanälen, beispielsweise entsprechenden Nuten, auf diesen Aufbau aufgebracht werden, wobei vorteilhafterweise ein oder mehrere Fluidkanäle dieses Decksubstrats oberhalb der genannten Bohrung zu liegen kommen. Auf diese Weise lässt sich durch schichtweisen Aufbau eine dreidimensionale fluidische Struktur mit geschlossenen Fluidkanälen und einer für ein Fluid durchströmbaren Verbindung zwischen dem Innenlumen des fluidischen Leiters und einem Fluidkanal der fluidischen Struktur erzeugen. Alternativ kann auch auf das unstrukturierte Zwischensubstrat verzichtet wer- den, wobei die genannte Bohrung beispielsweise nur durch das ausgehärtete Dichtmaterial und die Leiterwand des fluidischen Leiters erfolgt. Insbesondere kann das Verfahren auch so durchgeführt werden, dass zunächst ein Abschnitt eines fluidischen Leiters in eine Öffnung eingebracht wird, anschließend ein fluides Dichtmaterial in die Öffnung eingebracht wird und diese anschließend mit einem Zwischensubstrat ganz oder teilweise verschlossen wird. Nach Aushärten des fluiden Dichtmaterials kann dann beispielsweise das Zwischensubstrat wieder entfernt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn plane Oberflächen entlang des Grundsubstrats der fluidischen Struktur erzeugt werden sollen, welche auch durch das ausgehärtete fluide Dichtmaterial nicht unterbrochen werden sollen.
Wird ein entsprechender Schichtaufbau aus mehreren Substraten, beispielsweise einem Grundsubstrat, einem Zwischensubstrat und einem Decksubstrat, eingesetzt, so lassen sich verschiedene Verfahren einsetzen, um diese Substrate zu verbinden. Die Auswahl eines geeigneten Verfahrens ist dabei naturgemäß abhängig von den entsprechenden Eigenschaften, insbesondere der Materialauswahl der eingesetzten Substrate. Vorteilhafterweise las- sen sich zum Verbinden der Substrate Klebeverfahren einsetzen oder auch Schweiß verfahren, insbesondere Laserschweißverfahren oder Ultraschall-Schweißverfahren. Laser- oder Ultraschall-Schweißverfahren können beispielsweise vorteilhaft bei der Verbindung entsprechender Kunststoffsubstrate eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können auch thermische Bondverfahren eingesetzt werden.
Neben dem vorgeschlagenen Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen wird auch eine entsprechende fluidische Struktur, insbesondere eine nach dem beschriebenen Verfahren in einer seiner Ausgestaltung hergestellte fluidische Struktur, vorgeschlagen. Die fluidische Struktur weist mindestens ein Grundsubstrat mit mindestens einer von außen zugänglichen Öffnung, mindestens einen mindestens einen Innenlumen sowie mindestens eine Leiterwand aufweisenden fluidischen Leiter, wobei mindestens ein Abschnitt des mindestens einen fluidischen Leiters in der mindestens einen Öffnung angeordnet ist, mindestens ein in die mindestens eine Öffnung eingebrachtes aushärtbares Dichtmaterial in ausgehärtetem Zustand, wobei das aushärtbare Dichtmaterial mindestens einen Zwischenraum zwischen mindestens einer Wand der mindestens einen Öffnung und mindestens einem fluidischen Leiter ganz oder teilweise ausfüllt, mindestens einen Fluidkanal sowie mindestens einen Verbindungskanal zwischen mindestens einem Innenlumen des mindestens einen fluidi- sehen Leiters und mindestens einem Fluidkanal auf, wobei der mindestens eine Verbindungskanal mindestens eine Leiterwand durchdringt. Die Ausgestaltung der genannten Elemente kann dabei vorteilhafterweise entsprechend den oben genannten Ausgestaltungen und Ausführungsformen gewählt werden.
Das beschriebene Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen sowie eine nach diesem Verfahren hergestellte entsprechende fluidische Struktur weisen gegenüber herkömmlichen Verfahren und Verfahrensprodukten, beispielsweise gemäß dem oben genannten Stand der Technik, zahlreiche entscheidende Vorteile auf. So kann durch das beschriebene Verfahren ein Totvolumen einer fluidischen Verbindung zwischen einem oder mehreren fluidischen Leitern und einem Substrat, beispielsweise dem verbleibenden Teil einer fluidischen Struktur, stark verringert beziehungsweise reproduzierbar realisiert werden. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass das aushärtbare fluide Dichtmaterial eine etwaige Öffnung, welche zwischen dem mindestens einen fluidischen Leiter und der Wand der mindestens einen Öffnung verbleibt, vollständig ausfüllen kann, wobei lediglich an den Stellen, an denen Hohlräume beziehungsweise Öffnungen benötigt werden, insbesondere zum Zwecke der Herstellung des mindestens einen Verbindungskanals, entsprechend Material abgetragen beziehungsweise verdrängt wird.
Weiterhin kann nach dem beschriebenen Verfahren der Ort der fluidischen Verbindung zwischen einem oder mehreren fluidischen Leitern und den übrigen Bauteilen einer fluidischen Struktur frei gewählt und definiert werden. Insbesondere kann auch die Lage des mindestens einen Verbindungskanals weitgehend frei definiert werden. Außerdem können auch mehrere Fluidkanäle gleichzeitig mit einem einzelnen fluidischen Leiter verbunden werden, beispielsweise indem mehrere Verbindungskanäle hergestellt werden, welche das Innenlumen des fluidischen Leiters mit mehreren Leiterkanälen verbinden. Auf diese Weise lassen sich insbesondere Verteilersysteme einfach herstellen, welche mit den oben beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht realisierbar sind. Weiterhin wird bei dem beschriebenen V erfahren der mindestens eine fluidische Leiter keiner hohen mechanischen Belastung ausgesetzt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn dünnwandige Schläuche oder Rohre eingesetzt werden, welche bei einigen der oben genannten Verfahren des Standes der Technik bei einer entsprechenden Montage leicht beschädigt werden. Insbesondere muss der mindestens eine fluidische Leiter, insbesondere ein Rohr- oder Schlauchende, nicht gegen einen Anschlag gestoßen werden.
Weiterhin erfordert das beschriebene Verfahren keine aufwändigen Justageschritte, wie sie in vielen Verfahren aus dem Stand der Technik unerlässlich sind. So müssen insbesondere keine zu einem in einem Grundsubstrat vorhandenen Leiterkanal axiale Bohrungen in ein Grundsubstrat eingefügt werden. Besonders einfach ist es dabei, wenn der entsprechende Abschnitt des fluidischen Leiters einfach von oben in eine entsprechende Nut eingelegt werden kann und nicht von vorne in eine Öffnung eingeschoben werden muss.
Weiterhin weist das beschriebene Verfahren auch den Vorteil einer hohen Reproduzierbarkeit auf. Das aushärtbare fluide Dichtmaterial kann den Hohlraum zwischen dem fluidischen Leiter und der Wand der Öffnung insbesondere vollständig ausfüllen und beispielsweise auch den fluidischen Leiter, insbesondere ein Rohr- oder Schlauchende vollständig verschließen. Die eigentliche fluidische Verbindung zwischen einem oder mehreren Fluid- kanälen in einem oder mehreren der Substrate und dem mnenlumen des fluidischen Leiters wird anschließend, insbesondere nach dem Aushärten des fluidischen Dichtmaterials, erzeugt. Somit ist die fluidische Verbindung, insbesondere der mindestens eine fluidische Verbindungskanal, nicht davon abhängig, wie weit das fluide Dichtmaterial in das Innenlumen des fluidischen Leiters hineinfließt. Somit ist im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren dieses Verfahren insbesondere auch für einen Serieneinsatz, insbesondere eine Serienfertigung medizinisch-diagnostischer Geräte, analytischer Apparaturen oder von Mikroreaktionskammern, geeignet.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche beziehungsweise hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt: Figur 1 eine Schnittdarstellung einer eründungsgemäßen fluidischen Struktur von der Seite;
Figur 2 eine Schnittdarstellung einer zu Figur 1 alternativen fluidischen Struktur in Ansicht von oben;
Figur 3 ein Zwischenprodukt bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen fluidischen Struktur mit einem Grundsubstrat und einem fluidischen Leiter;
Figur 4A eine erste Ausfuhrungsform einer in ein Grundsubstrat eingelassenen Öffnung in Schnittdarstellung in Ansicht von vorne;
Figur 4B eine zu Figur 4A alternative Ausgestaltung mit trapezoidem Öffhungsquer- schnitt;
Figur 4C eine zu Figur 4A und 4B alternative Ausgestaltung mit U-förmigem Querschnitt;
Figur 4D eine zu den Figuren 4A bis 4C alternative Ausgestaltung einer Öffnung in Form einer in ein Grundsubstrat eingelassenen Bohrung mit rechteckigem
Querschnitt;
Figur 5 eine Ausfuhrungsform einer Öffnung in Form einer Aussparung in einem
Grundsubstrat in Schnittdarstellung von der Seite;
Figur 6 ein Zwischenprodukt bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen fluidischen Struktur mit einem Grundsubstrat, einem fluidischen Leiter und einem Zwischensubstrat in Form einer Folie;
Figur 7 eine zu Figur 6 alternative Ausgestaltung eines Zwischenprodukts mit einem
Plättchen anstelle einer Folie;
Figur 8 eine Schnittdarstellung eines Zwischenprodukts einer fluidischen Struktur mit einem Zuführkanal für die Zufuhr eines aushärtbaren fluiden Dichtmate- rials in Ansicht von oben; Figur 9 ein Zwischenprodukt bei der eründungsgemäßen Herstellung einer erfindungsgemäßen fluidischen Struktur mit einem Grundsubstrat, einem fluidischen Leiter, einem Zwischensubstrat und einem fluiden Dichtmaterial;
Figur 10 ein Zwischenprodukt gemäß Figur 9 nach Entfernen des Zwischensubstrats;
Figur 11 ein Zwischensubstrat bei der erfindungsgemäßen Herstellung einer fluidischen Struktur mit einem Grundsubstrat, einem fluidischen Leiter, einem ausgehärteten Dichtmaterial, einem Zwischensubstrat und einem Verbin- dungskanal, welcher das Zwischensubstrat, das Dichtmaterial und eine Leiterwand des fluidischen Leiters durchdringt;
Figur 12 einen schematischen Ablaufplan einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer fluidischen Struktur.
In Figur 1 ist ein erstes Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen fluidischen Struktur 110 in Schnittdarstellung von der Seite dargestellt.
Die Struktur weist einen Fluidik-Chip 112, welcher in Schichtbauweise hergestellt ist, so- wie einen fluidischen Leiter 114 mit einer Leiterwand 116 und einem Innenlumen 118 auf. Die Leiterwand 116 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus Silikon. Mit der Bezeichnung Leiterwand ist in Figur 1 die seitliche Begrenzungswand des fluidischen Leiters 114 identifiziert.
Der Fluidik-Chip weist ein Grundsubstrat 120 auf, in welches eine Öffnung 122 eingelassen ist. Weiterhin weist die Struktur zwei weitere Substrate, nämlich ein Zwischensubstrat 124 und ein Decksubstrat 126 auf, welche in der angegebenen Reihenfolge auf das Grundsubstrat aufgebracht sind. Während das Zwischensubstrat 124 in diesem Ausführungsbeispiel unstrukturiert ist, weist das Decksubstrat 126 in diesem Beispiel einen Fluidkanal 128 auf, welcher unmittelbar an das Zwischensubstrat 124 angrenzt dergestalt, dass das Zwischensubstrat 124 eine Wand des Fluidkanals 128 bildet.
In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Verbindung zwischen dem fluidischen Leiter 114 in Form eines Schlauches und dem Fluidik-Chip 112 dadurch hergestellt, dass ein offenes Ende 130 des fluidischen Leiters 114 in die Öffnung 122 im Grundsubstrat 120 eingelegt ist. Dabei ist das offene Ende 130 des fluidischen Leiters 114 von einem Dichtmaterial 132 umgeben. Dieses Dichtmaterial 132 füllt das Volumen der Öffnung 122 um das offene Ende 130 des fluidischen Leiters 114 ganz oder teilweise aus, dergestalt, dass eine Leiter- Öffnung 134 durch das Dichtmatenal 132 vollständig abgedichtet wird. Das Dichtmaterial 132 grenzt unmittelbar an das Zwischensubstrat 124 an. Das offene Ende 130 des fluidischen Leiters 114 wird außerdem durch das Dichtmaterial 132 fest mit dem Fluidik-Chip 112 verbunden, dergestalt, dass erheblicher Kraftaufwand erforderlich ist, um den fluidi- sehen Leiter 114 vom Fluidik-Chip 112 zu entfernen. Das Dichtmaterial 132 verleiht der Verbindung zwischen dem fluidischen Leiter 114 und dem Fluidik-Chip 112 somit neben der genannten Dichtwirkung eine hohe mechanische Stabilität.
Weiterhin weist die fluidische Struktur 110 einen Verbindungskanal 136 auf, welcher in diesem Ausführungsbeispiel eine zylindrische Form aufweist und welcher den Fluidkanal 128 im Decksubstrat 126 mit dem Innenlumen 118 des fluidischen Leiters 114 verbindet. Dabei durchdringt der Verbindungskanal 136 das unstrukturierte Zwischensubstrat 124, das Dichtmaterial 132 und die Leiterwand 116 des fluidischen Leiters 114. Der Verbindungskanal 136 stellt also eine von einem Fluid, beispielsweise einer Flüssigkeit oder eines Gases, frei durchströmbare Verbindung zwischen dem Innenlumen 118 des fluidischen Leiters 114 und dem Fluidik-Chip 112, insbesondere dem Fluidkanal 128 her.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die fluidische Struktur 110 nur einen Fluidkanal 128 auf, welcher in dem Decksubstrat 126 angeordnet ist. Alternativ oder zusätz- lieh kann die fluidische Struktur 110 auch weitere Fluidkanäle 128 aufweisen, welche beispielsweise auch oder zusätzlich in dem Grundsubstrat 120 aufgenommen sein können. Sind die Fluidkanäle lediglich in dem Grundsubstrat 120 aufgenommen, so wird die gesamte fluidische Verbindung zwischen dem fluidischen Leiter 114 und dem Fluidik-Chip 112 in einem einzelnen Substrat (dem Grundsubstrat 120) realisiert. Neben der dargestell- ten Ausführung, in welcher der Fluidkanal 128 an der Grenzfläche zwischen zwei Substraten, in diesem Fall an der Grenzfläche zwischen dem Decksubstrat 126 und dem Zwischensubstrat 124, angeordnet sind, ist auch eine Ausgestaltung von Fluidkanälen 128 möglich, welche im Inneren eines Substrates 120, 124, 126 angeordnet sind, beispielsweise in Form von Bohrungen. Neben der dargestellten langgestreckten Form der Fluidkanäle 128 ist weiterhin auch eine Aufnahme anderer fluidischer Hohlräume, beispielsweise von Mikroreaktionskammern in einem oder mehreren der Substrate 120, 124 und 126 denkbar.
hl Figur 2 ist eine zu Figur 1 alternative Ausgestaltung einer fluidischen Struktur 110 in Schnittdarstellung in Ansicht von oben dargestellt, wobei das Innenlurnen 118 des fluidi- sehen Leiters 114 in diesem Ausführungsbeispiel mit zwei Fluidkanälen 128 über Verbindungskanäle 136 verbunden ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Verbindungskanäle 128 in dem Grundsubstrat 120 ausgebildet, beispielsweise in Form von Gräben oder Nuten, welche beispielsweise an der Grenzfläche zwischen dem Grundsubstrat 120 und dem Zwischensubstrat 124 (siehe Figur 1) angeordnet sind. Nach Abdeckung durch das Zwischensubstrat 124 bilden diese Nuten im Grundsubstrat 120 somit geschlossene Fluid- kanäle 128. In diesem Ausfuhrungsbeispiel sind zwei Verbindungskanäle 136 vorgesehen, wobei ein Verbindungskanal 136 parallel zu einer Achse 210 des fluidischen Leiters 114 verläuft und somit unmittelbar in der Leiteröfmung 134 des fluidischen Leiters 114 mündet. Ein zweiter Verbindungskanal 136 verläuft senkrecht zur Achse 210 des fluidischen Leiters und durchdringt dabei das Dichtmaterial 132 und die seitliche Leiterwand 116 des fluidischen Leiters 114. Auf diese Weise ist das Innenlumen 118 des fluidischen Leiters 114 mit mehreren Fluidkanälen 128 verbunden. Die Herstellung der Verbindungskanäle 136 kann in diesem Ausfuhrungsbeispiel beispielsweise durch Fräsen oder Laserablation erfolgen, wohingegen der Verbindungskanal 136 im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 vorteilhafterweise durch mechanisches Bohren oder Laserstrahlbohren erfolgt.
Anhand der Figuren 3 bis 11, welche jeweils Zwischenprodukte darstellen sowie dem schematischen Ablaufplan gemäß Figur 12, soll im Folgenden ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren einer fluidischen Struktur 110, beispielsweise gemäß den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsvarianten beschrieben werden. Dabei ist zu beachten, dass insbesondere das in Figur 12 dargestellte Verfahren nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden muss und dass noch zusätzliche, in Figur 12 nicht dargestellte, Verfahrensschritte durchgeführt werden können.
Zunächst wird in einem ersten Verfahrensschritt (Verfahrensschritt 1210 in Figur 12) eine Öffnung 122 in ein Grundsubstrat 120 eingebracht. Diese Öffnung 122 kann verschiedenartig ausgestaltet sein. Verschiedene Ausführungsformen dieser Öffnung 122 sind in den Figuren 4A bis 4D und in Figur 5 dargestellt. Insbesondere kann die Öffnung 122 eine in eine Oberfläche 310 des Grundsubstrats 120 eingebrachte Nut aufweisen, wie in den Figuren 4A bis 4C dargestellt. Diese Nut kann insbesondere rechteckigen Querschnitt (Figur 4A), trapezoiden Querschnitt (Figur 4B) oder auch U-fδrmigen Querschnitt (Figur 4C) aufweisen. Bei dem trapezoiden Querschnitt gemäß Figur B ist es vorteilhaft, wenn die längere der beiden parallelen Seiten des Trapezoids auf der Oberfläche 310 des Grundsubstrats 120 zu liegen kommt. Alternativ oder zusätzlich kann die Öffnung 122 auch eine Bohrung aufweisen, wie beispielsweise in Figur 4D dargestellt. Bei dieser Bohrung kann es sich beispielsweise um eine Sacklochbohrung handeln. Die Bohrung kann insbesondere rechteckigen oder runden Querschnitt aufweisen. Gemäß dem in Figur 5 dargestellten Aus- führungsbeispiel kann die Öffhung 122 auch in Form einer einfachen Aussparung auf der Oberfläche 310 des Grundsubstrats 120 ausgestaltet sein. Weitere Ausgestaltungen, beispielsweise mit alternativem Querschnitt (zum Beispiel V-förmigem Querschnitt) der Nut beziehungsweise Öffnung 122 sind denkbar. Anschließend wird (Verfahrensschritt 1212 in Figur 12) ein Abschnitt 130 eines fluidischen Leiters 114 in die Öffnung 122 im Grundsubstrat 120 eingelegt, wie in Figur 3 dargestellt. In diesem Fall handelt es sich bei dem eingelegten Abschnitt 130 um das offene Ende eines als Schlauch ausgebildeten fluidischen Leiters 114. Im Falle einer als Bohrung ausgestalteten Öffnung 122 gemäß dem in Figur 4D dargestellten Ausführungsbeispiel ist unter "Einlegen" entsprechend ein Einschieben des offenen Endes 130 des fluidischen Leiters 114 in die Öffnung 122 zu verstehen. Da jedoch der fluidische Leiter 114 in seinen Außenabmessungen kleiner ist als die Bohrung 122, ist in diesem Ausführungsbeispiel im Gegensatz zum Stand der Technik für dieses Einschieben des offenen Endes 130 in die Öffnung 122 kein Kraftaufwand erforderlich, so dass insbesondere auch die Gefahr einer Beschädigung des fluidischen Leiters 114 verringert wird.
Anschließend wird die Oberfläche 310 des Grundsubstrats 120, wie in den Figuren 6 und 7 dargestellt, durch ein unstrukturiertes Zwischensubstrat 124 abgedeckt, wobei in dem in den Figuren 6 und 7 dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem die Öffnung 122 die Form einer mit ihrer langen Seite zur Oberfläche 310 hin geöffneten Nut und mit ihrer schmalen Seite hin zur Stirnfläche 610 des Grundsubstrats 120 geöffneten Nut aufweist, die Öffnung 122 entlang der Oberfläche 310 zumindest teilweise verschlossen. Bei dem in Figur 6 dar- gestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Zwischensubstrat 124 um eine dünne Folie, beispielsweise eine Kunststofffolie (z. B. eine Polycarbonat als Material aufweisende Kunststofffolie), in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 um ein mit dem Grundsubstrat 120 verbindbares Plättchen (z. B. ebenfalls eine Polycarbonat als Material aufweisende Kunststofffolie).
Anschließend wird (Verfahrensschritt 1214 in Figur 12) ein aushärtbares fluides Dichtmaterial 132 in die Öffnung 122 eingebracht, dergestalt, dass das Dichtmaterial 132 den verbleibenden Hohlraum zwischen der Leiterwand 116 des fluidischen Leiters 114 und der Wandung des Hohlraums 122 abdichtend ausfüllt. Dabei kann das Dichtmaterial 132 auch teilweise in die Leiteröffhung 134 des fluidischen Leiters 114 eindringen. Wie in Figur 9 dargestellt, begrenzt dabei das unstrukturierte Zwischensubstrat 124 die Füllhöhe des Dichtmaterials 132, so dass das Dichtmaterial 132 bündig mit der Oberfläche 310 des Grundsubstrats 120 abschließt. Das Zwischensubstrat 124 endet in den in den Figuren 6, 7 und 9 dargestellten Ausführungsbeispielen vor der Stirnfläche 610 des Grundsubstrats 120, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist, so dass auch über die Stirnfläche 610 hervorstehende Zwischensubstrate 124 oder bündig mit der Stirnfläche 610 des Grundsubstrats 120 abschließende Zwischensubstrate 124 eingesetzt werden können. Das fluidische aushärtbare Dichtmaterial 132 wird beispielsweise von der Stirnfläche 610 aus in die Öffnung 122 des Grundsubstrats 120 eingefüllt, wie anhand der Figuren 9 und 10 erkennbar (Einfüllrichtung 910). Alternativ lassen sich auch, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 in Schnittdarstellung von oben dargestellt, Einfüllkanäle 810 ein- setzen. Diese Einfüllkanäle 810 sind in dem in Figur 8 dargestellten Ausführungsbeispiel als Gräben entlang der Oberfläche 210 des Grundsubstrats 120 ausgebildet, wobei diese Gräben senkrecht zur Öffnung 122 verlaufen. Weiterhin weisen die Einfüllkanäle 810 eine erweiterte Zuführδffnung 812 auf, in welche das aushärtbare fluide Dichtmaterial 132 eingefüllt werden kann, um dann entlang der Einfüllkanäle 810 in die Öffnung 122 zu fließen. Auf diese Weise ist auch gewährleistet, dass Volumenänderungen des aushärtbaren fluiden Dichtmaterials 132 ausgeglichen werden können, beispielsweise indem Dichtmaterial 132 beim Aushärten in die Einfüllkanäle 810 ausweicht. Auf diese Weise werden beim Aushärten Spannungen vermieden. Als aushärtbares fluides Dichtmaterial 132 kann in diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise ein lichthärtender Klebstoff, wie zum Beispiel Wello- mer UV4032, verwendet werden, welcher sich insbesondere durch den Einsatz von UV- Licht aushärten lässt.
Anschließend wird (Verfahrensschritt 1216 in Figur 12) das aushärtbare fluide Dichtmaterial 132 entsprechend ausgehärtet, so dass das offene Ende 130 des fluidischen Leiters 114 fest in der Öffnung 122 befestigt und die Leiteröffnung 132 dicht verschlossen wird. Beim Aushärten kann zusätzlich Dichtmaterial 132 geringfügig in die Leiteröffnung 134 des offenen Endes 130 des fluidischen Leiters 114 eindringen und so die Dichtwirkung und die mechanische Stabilität der Verbindung zusätzlich erhöhen.
Das Aushärten des Dichtmaterials 132 kann, wie oben beschrieben, vollständig oder teilweise erfolgen. Weiterhin lassen sich verschiedene Techniken zum Aushärten einsetzen, wie ebenfalls oben beschrieben, insbesondere ein Aushärten unter Lichteinwirkung, zum Beispiel unter Einwirkung von UV-Licht. Diese Lichteinwirkung kann beispielsweise durch das Zwischensubstrat 124 oder auch durch das Grundsubstrat 120 hindurch erfolgen, wobei in diesem Fall vorteilhafterweise das Zwischensubstrat 124 und/oder das Grundsubstrat 120 transparent bezüglich der eingesetzten Lichtwellenlänge sind. Auch eine lokal begrenzte Einwirkung von Licht, beispielsweise in Form eines Laserstrahls oder mittels einer Schattenmaske, kann erfolgen.
Nach dem Aushärten des Dichtmaterials 132 in der Öffnung 122 kann das Zwischensubstrat 124 wahlweise auf dem Grundsubstrat 120 verbleiben, insbesondere bei einer Ausführung des Zwischensubstrats 124 als dünne Folie, oder alternativ vom Grundsubstrat 120 entfernt werden. Bei dem in Figur 1 dargestellten Schichtaufbau der fluidischen Struktur 110 ist das Zwischensubstrat 124 nicüt entlernt worαen und bildet somit einen festen Bestandteil des Schichtaufbaus des Fluidik-Chips 112.
Anschließend wird (siehe Verfahrensschritt 1218 in Figur 12) ein Verbindungskanal 136 zum Innenlumen 118 des fluidischen Leiters 114 freigelegt, wie beispielsweise in Figur 11 dargestellt. In diesem Ausfuhrungsbeispiel erstreckt sich der Verbindungskanal 136 senkrecht zur Achse 210 des fluidischen Leiters 114 durch das Zwischensubstrat 124, das (nunmehr ausgehärtete) Dichtmaterial 132 und die Leiterwand 116 des fluidischen Leiters 114. Diese Öffnung kann zum Beispiel mit Hilfe eines mechanischen Bohrers oder bevor- zugt mit Hilfe eines Lasers, insbesondere eines CCVLasers oder Excimer-Lasers erzeugt werden. Wie oben beschrieben, lassen sich dabei jedoch auch andere Verfahren einsetzen, wie beispielsweise nasschemische Ätzverfahren, lithografische Verfahren oder Trockenätzen.
Anschließend wird in einem letzten Schritt das in Figur 11 dargestellte Zwischenprodukt zu der in Figur 1 dargestellten fluidischen Struktur 110 ergänzt, indem ein Decksubstrat 126 auf das Zwischensubstrat 128 aufgebracht wird. Dieses Decksubstrat 126 weist, wie anhand von Figur 1 oben beschrieben, einen Fluidkanal 128 auf, welcher beispielsweise durch Fräsen, Ätzen, Laseräblation oder andere Verfahren in das Decksubstrat 126 einge- bracht worden ist. Der Fluidkanal 128 ist dabei so angeordnet und das Decksubstrat 126 wird derart zum Grundsubstrat 120 ausgerichtet, dass der Fluidkanal 128 über dem Verbindungskanal 136 zum mnenlumen 118 des fluidischen Leiters 114 zu liegen kommt. Auf diese Weise wird eine von einem Fluid durchströmbare Verbindung zwischen dem Fluidkanal 128 und dem mnenlumen 118 des fluidischen Leiters über den Verbindungskanal 136 hergestellt. Die Substrate 126, 124 und 120 können, wie oben beschrieben, durch verschiedene geeignete Fügetechniken miteinander verbunden werden. Insbesondere können die Substrate mit einem geeigneten Laser verschweißt werden oder auch verklebt werden. Alternativ ist auch eine geeignete Klemmtechnik denkbar, welche die einzelnen Substrate 120, 124, 126 aufeinanderpresst und welche im Bedarfsfall wieder lösbar ist.
Bezugszeichenliste
110 fluidische Struktur
112 Fluidik-Chip 114 fluidischer Leiter
116 Leiterwand
118 Innenlumen
120 Grundsubstrat
122 Öffnung 124 Zwischensubstrat
126 Decksubstrat
128 Fluidkanal
130 offenes Ende des fluidischen Leiters 114
132 Dichtmaterial 134 Leiteröffnung
136 Verbindungskanal
210 Achse des fluidischen Leiters 114
310 Oberfläche des Grundsubstrats 120 610 Stirnfläche des Grundsubstrats 120
810 Eüifüllkanäle
812 Zufuhröffnung
910 Einfüllrichtung
1210 Einbringen einer Öffnung 122 in ein Grundsubstrat 120
1212 Einbringen eines Abschnitts 130 eines fluidischen Leiters 114 in die Öffnung 122
1214 Einbringen eines fluiden Dichtmaterials 132 in die Öffnung 122
1216 Aushärten des Dichtmaterials 132
1218 Erzeugung eines Verbindungskanals 136

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Herstellen einer fluidischen Struktur (110) mit folgenden Schritten:
a) mindestens eine von außen zugängliche Öffnung (122) wird in mindestens ein
Grundsubstrat (120) der fluidischen Struktur (110) eingebracht;
b) mindestens ein Abschnitt (130) eines mindestens ein Innenlumen (118) sowie mindestens eine Leiterwand (116) aufweisenden fiuidischen Leiters (114), insbe- sondere eines Rohres oder Schlauches, wird teilweise in die mindestens eine Öffnung (122) eingebracht;
c) mindestens ein aushärtbares fluides Dichtmaterial (132) wird in die mindestens eine Öffnung (122) eingebracht;
d) das mindestens eine fluide Dichtmaterial (132) wird ganz oder teilweise ausgehärtet; und
e) mindestens ein Verbindungskanal (136) zwischen mindestens einem Innenlumen (118) des mindestens einen fluidischen Leiters (114) und mindestens einem FIu- idkanal (128) der fluidischen Struktur (110) wird erzeugt wobei der erzeugte Verbindungskanal (136) mindestens eine Leiterwand (116) durchdringt.
2. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Ansprach mit zusätzlich folgendem Schritt:
f) mindestens ein Zwischensubstrat (124) und/oder Decksubstrat (126) wird auf das mindestens eine Grundsubstrat (120) aufgebracht, wobei das mindestens eine Decksubstrat (126) und/oder das mindestens eine Zwischensubstrat (124) die mindestens eine Öffnung (122) teilweise verschließt.
3. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Ansprach, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Decksubstrat (126) aufgebracht wird, wobei das mindestens eine Decksubstrat (126) mindestens einen Fluidkanal (128) aufweist.
4. Verfahren gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zwischensubstrat (124) aufgebracht wird, wobei das Zwischensubstrat (124) nach Durchführung von Verfahrensschritt d) wieder entfernt wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt a) dergestalt durchgeführt wird, dass die mindestens eine Öffnung (122) mindestens eine Nut mit rechteckigem, runden, U-förmigem oder V- förmigem Querschnitt aufweist.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Öffnung (122) eine die Form einer Nut mit einem Querschnitt in Form eines Trapezoids aufweist.
7. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die längere Kante des Trapezoids auf einer Oberfläche (310) des mindestens einen Grundsubstrats (120) liegt.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Öffnung (122) mindestens eine Bohrung mit rundem, ovalem oder vieleckigem, Querschnitt aufweist.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abschnitt (130) des in Verfahrensschritt b) eingebrachten mindestens einen fluidischen Leiters (114) mindestens ein offenes Ende (130) des mindestens einen fluidischen Leiters (114) aufweist.
10. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt c) das mindestens eine Leiteröffnung (134) des offenen Endes
(130) durch das mindestens eine aushärtbare fluide Dichtmaterial (132) verschlossen wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt c) das mindestens eine aushärtbare fluide Dichtmaterial
(132) durch mindestens einen mit mindestens einer Öffnung (122) in Verbindung stehenden Einfüllkanal (810) der fluidischen Struktur (110) in die mindestens eine Öffnung (122) eingebracht wird.
12. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Einfüllkanal (810) mindestens ein Grundsubstrat (120) und/oder mindestens ein Zwischensubstrat (124) durchdringt.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt d) eine Einwirkung elektromagnetischer Strahlen, insbesondere Licht, auf mindestens ein aushärtbares fluides Dichtmaterial (132) erfolgt.
14. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Strahlen vor Einwirkung auf das mindestens eine aushärtbare fluide Dichtmaterial (132) ganz oder teilweise die fluidische Struktur (110) durchdringen.
15. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt d) eine thermische Einwirkung, insbesondere in Form einer Temperaturerhöhung oder Temperaturerniedrigung, auf mindestens ein aushärtbares fluides Dichtmaterial (132) erfolgt.
16. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt d) eine Polymerisation, insbesondere eine Photopolymerisation, und/oder ein flüssig-fest Phasenübergang, insbesondere ein Erstarren, mindestens eines aushärtbaren fluiden Dichtmaterials (132) erfolgt.
17. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verfahrensschritt c) ganz oder teilweise unter erhöhtem Druck durchgeführt wird, wobei mindestens ein viskoelastisches oder pseudoplastisches Dichtmaterial (132) eingesetzt wird und dass in Verfahrensschritt d) relativ zum Verfahrensschritt c) eine Verringerung des Drucks erfolgt, wodurch das mindestens eine viskoelasti- sehe oder pseudoplastische Dichtmaterial (132) ganz oder teilweise ausgehärtet wird.
18. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt c) das aushärtbare fluide Dichtmaterial (132) mindestens einen selbsthärtenden Zement aufweist.
19. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt c) mindestens ein nach Durchführung von Verfahrensschritt b) in der mindestens einen Öfrhung (122) verbleibender Hohlraum vollständig mit dem mindestens einen aushärtbaren fluiden Dichtmaterial (132) ausgefüllt wird.
20. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt e) mindestens ein Verbindungskanal (136) zwischen mindestens einem Innenlumen (118) des mindestens einen fluidischen Leiters (114) und mindestens einem ganz oder teilweise in das mindestens eine Grundsubstrat (120) und/oder mindestens einem ganz oder teilweise in das mindestens eine Decksubstrat (126) eingelassenen Fluidkanal (128) erzeugt wird.
21. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt e) ein mechanisches Bohrverfahren und/oder ein mechanisches Fräsverfahren und/oder ein Stanzverfahren und/oder ein Laserstrahlbohren und/oder ein nasschemisches oder trockenes Ätzverfahren eingesetzt wird.
22. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Verfahrensschritt e) erzeugte Verbindungskanal (136) außer der mindestens einen Leiterwand (116) mindestens ein Zwischensubstrat (124) und/oder mindestens ein Dichtmaterial (132) durchdringt.
23. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem mindestens einen Grundsubstrat (120) mindestens ein weiteres Substrat (124, 126), insbesondere ein Decksubstrat (126) und/oder ein Zwischensubstrat (124), eingesetzt wird, wobei mindestens zwei der Substrate (120, 124, 126) mittels eines Klebeverfahrens und/oder eines Schweißverfahrens, insbesondere eines Laser- Schweißverfahrens oder Ultraschallschweißverfahren, und/oder eines thermischen
Bondverfahrens verbunden werden.
24. Fluidische Struktur ( 110) mit
a) mindestens einem Grundsubstrat (120), wobei das mindestens eine Grundsubstrat
(120) mindestens eine von außen zugängliche Öffnung (122) aufweist;
b) mindestens einem mindestens ein mnenlumen (118) sowie mindestens eine Leiterwand (116) aufweisenden fluidischen Leiter (114), wobei mindestens ein Ab- schnitt (130) des mindestens einen fluidischen Leiters (114) in der mindestens einen Öffnung (122) angeordnet ist;
c) mindestens einem in die mindestens eine Öffnung (122) eingebrachtem aushärtbaren Dichtmaterial (132) in ausgehärtetem Zustand, wobei das aushärtbare Dichtmaterial (132) mindestens einen Zwischenraum zwischen mindestens einer
Wand der mindestens einen Öffnung (122) und mindestens einem fluidischen Leiter (114) ganz oder teilweise ausfüllt; d) mindestens einem Fluidkanal (128); und
e) mindestens einem Vefbindungskanal (136) zwischen mindestens einem Innenlumen (118) des mindestens einen fluidischen Leiters (114) und mindestens einem Fluidkanal (128), wobei der mindestens eine Verbindungskanal (136) mindestens eine Leiterwand (116) des mindestens einen fluidischen Leiters (114) durchdringt.
25. Fluidische Struktur (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn- zeichnet, dass der mindestens eine Verbindungskanal (136) das mindestens eine aushärtbare Dichtmaterial (132) im ausgehärteten Zustand ganz oder teilweise durchdringt.
26. Fluidische Struktur (110) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wo- bei die fluidische Struktur (110) weiterhin mindestens ein Decksubstrat (126) aufweist, wobei das mindestens eine Decksubstrat (126) die mindestens eine Öffnung (122) teilweise verschließt.
27. Fluidische Struktur (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Decksubstrat (126) mindestens einen Fluidkanal (128) aufweist.
28. Fluidische Struktur (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Fluidkanal (128) des mindestens einen Decksubstrats (126) mindestens eine Nut aufweist.
29. Fluidische Struktur (110) gemäß einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das mindestens eine Grundsubstrat (120) und das mindestens eine Decksubstrat (126) mindestens ein Zwischensubstrat (124) eingebracht ist.
30. Fluidische Struktur (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verbindungskanal (136) das mindestens eine Zwischensubstrat (124) durchdringt.
31. Fluidische Struktur (110) gemäß einem der vorhergehenden, auf eine fluidische Struktur (110) gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung (122) mindestens eine Nut mit rechteckigem, runden, U-förmigem, V- förmigem oder trapezoidem Querschnitt aufweist.
32. Fluidische Struktur (110) gemäß einem der vorhergehenden, auf eine fluidische Struktur (110) gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung (122) mindestens eine Bohrung mit rundem, ovalem oder vieleckigem, Querschnitt aufweist.
33. Fluidische Struktur (110) gemäß einem der vorhergehenden, auf eine fluidische Struktur (110) gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abschnitt (130) des mindestens einen fluidischen Leiters (114) mindestens ein offenes Ende (130) des mindestens einen fluidischen Leiters (114) aufweist.
34. Fluidische Struktur (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine offene Ende (130) durch das mindestens eine aushärtbare Dichtmaterial (132) in ausgehärtetem Zustand verschlossen ist.
35. Fluidische Struktur (110) gemäß einem der vorhergehenden, auf eine fluidische Struktur (110) gerichteten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abschnitt (130) des mindestens einen fluidischen Leiters (114) durch das mindestens eine aushärtbare Dichtmaterial (132) in ausgehärtetem Zustand fest mit dem mindestens einen Grundsubstrat (120) verbunden ist.
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