WO2010031559A1 - Microfluidic valve, microfluidic pump, microfluidic system, and a production method - Google Patents

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WO2010031559A1
WO2010031559A1 PCT/EP2009/006728 EP2009006728W WO2010031559A1 WO 2010031559 A1 WO2010031559 A1 WO 2010031559A1 EP 2009006728 W EP2009006728 W EP 2009006728W WO 2010031559 A1 WO2010031559 A1 WO 2010031559A1
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holder
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Gerhard Jobst
Matthias Hartmann
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Definitions

  • the invention relates to a microfluidic valve, a microfluidic pump, a microfluidic system and a method for the production thereof.
  • microfluidic components in the sense of this application are, for example, a microfluidic valve (microvalve) or a microfluidic one
  • micropump The controlled by the micro valve or regulated
  • Fluid conduits or flow channels are designed for fluid transport at flow rates of about 1 ⁇ l / min to about 10 ml / min. Accordingly, the
  • micropumps are designed to produce the above flow rates in the flow channels.
  • microfluidic components For the production of a microfluidic component, therefore, a production method is necessary which forms the flow channels and the further elements of the microfluidic component with sufficient precision.
  • the microfluidic components are produced by methods derived from the field of silicon technology. It is necessary to structure and connect two to three silicon wafers in order to form the necessary structures of a microvalve or a micropump. Due to the hardness of the silicon, microfluidic components produced therefrom are not particle-tolerant, so that, for example, particles stuck in the valve region can prevent the microvalve from closing.
  • the object is to produce and provide a microfluidic component which can be operated more reliably and is easier and less expensive to produce.
  • One aspect of the present invention relates to a method for producing a microfluidic component, comprising the steps:
  • Membranhalterunterseite which is designed to be connected to a flow element and at least one membrane holder opening, which has on the membrane holder top each have a diameter D 0 and on the membrane holder bottom each having a diameter D u ; - Forming at least one resilient, in particular elastically deformable, membrane in the membrane holder opening; Providing an actuator element with at least one actuator;
  • the microvalve is simple and inexpensive to manufacture without consuming steps or using expensive materials.
  • the formation of the resilient membrane in the membrane holder results in a particularly reliable and durable attachment of the membrane.
  • different materials can advantageously be used for the membrane and the membrane holder, which can be selected according to their function.
  • the membrane holder may be in one piece.
  • the membrane holder may be made of metal, in particular stainless steel, or of a polymer, in particular of polymethylmethacrylic or acrylic glass or polyimide.
  • the shape of the membrane is complementary to the Membrane holder opening of the membrane holder.
  • the diameter D u is in particular approximately equal to the fürflußkanal nursemesser. In the case of microfluidic components in the context of this application, the diameter D u is in a range from about 100 ⁇ m to about 1000 ⁇ m.
  • valve seat The region of the flow channel at which the membrane is arranged and the wall of the flow channel mechanically contacted in the actuation position.
  • the membrane holder has a substantially flat shape.
  • the substantially planar membrane holder is defined by the two orthogonal direction vectors of the x and y direction of a Cartesian coordinate system. Perpendicular to this, the z-direction extends upwards, i. against the direction of gravity. Accordingly, the relative positional terms are defined such that an upper position is spaced from the lower position substantially in the z direction as viewed from the lower position.
  • Extension, force and / or displacement direction (s) can be specified with respect to a coordinate system.
  • the term “substantially” means that the direction to be indicated is less than about ⁇ 20 degrees, preferably less than about ⁇ 15 degrees, of said reference direction less than about ⁇ 10 degrees, and most preferably deviates by less than about ⁇ 5 degrees, in particular by less than about ⁇ 2 degrees.
  • the term “substantially” may in particular describe a slight deviation from a desired value, in particular a deviation within the manufacturing accuracy and / or in the context of the necessary accuracy, so that an effect is maintained as it is present at the desired value.
  • the term “substantially” may therefore include a deviation of less than about ⁇ 30%, less than about ⁇ 20%, less than about ⁇ 10%, less than about ⁇ 5%, less than about ⁇ 2%, preferably less than about ⁇ 1% of a setpoint or setpoint position, etc.
  • the term “substantially” includes the term “identical”, ie without deviation from a setpoint, a desired position, etc.
  • diameter is, as far as it is not to be understood in the sense of a circle diameter, to be understood as the maximum extent along a direction.
  • a 1 mm square opening according to this definition has a diameter of V 2 mm.
  • positions and directions are exemplary and, in particular, serve as a reference for describing e.g. from the side of the membrane holder and / or for the determination of directions, for example to indicate clearly definable or determinable coordinates. If necessary, other positions or a different coordinate system can also be used.
  • the diameter D 0 is greater than the diameter D 11 .
  • the membrane holder opening may be conical, for example by a conical cutting of the membrane holder opening the membrane holder or by drilling or lowering a conical membrane holder opening by means of a conical drilling or countersinking tool in the, in particular plate-shaped, membrane holder.
  • the ratio of the diameter D o / D u is preferably greater than 1, 1, more preferably greater than 1, 2, greater than 1, 4, greater than 2, greater than 2.8 and in particular greater than 4.
  • the membrane held therein is prevented by an example conical design of the membrane holder opening, downwards
  • the contact area between the membrane holder and the membrane is increased, so that the binding force between the two is also increased when the specific binding force per unit area between the membrane holder and membrane remains constant.
  • the method further comprises the steps of: providing a lower membrane support layer;
  • Membrane carrier layer to form the membrane holder, so that the central axes M u and M 0 substantially coincide, so that the lower membrane carrier opening and the upper membrane carrier opening form the membrane holder opening.
  • a membrane carrier layer is essentially a flat, flat or plate-shaped workpiece, in particular a foil, which extends substantially parallel to the xy plane.
  • the layer thickness or strength of Membrane carrier layer along the z-direction is more preferably less than about 1000 microns, more preferably less than about 500 microns, more preferably less than about 300 microns, more preferably less than about 100 microns, and in particular less than about 30 microns.
  • the lower and upper membrane carrier layer consist of a polymer, in particular a polyimide.
  • the central axis of the opening is defined by the fact that the central axis is parallel to the z-direction and through the geometric center of the opening.
  • a membrane holder opening can be produced particularly simply by, in particular rectangular, cutting two openings into the membrane carrier layers by means of a blade or a laser beam, in particular by machine. By connecting the two membrane carrier layers, the membrane holder is then formed, wherein the connection can be made in particular by gluing, laminating, welding or vulcanization.
  • the membrane advantageously has an enlarged bearing surface on the lower membrane carrier layer.
  • Diameter DQ / D U preferably greater than 1, 1, more preferably greater than 1, 2, greater than 1, 4, greater than 2, greater than 2.8, greater than 4, in particular greater than 5.
  • the lower membrane support layer and / or the upper membrane support layer is coated on at least one side with an adhesive, and the bonding of the upper membrane support layer to the lower membrane support layer is effected by the bonding.
  • the adhesive may be a hot melt adhesive, in particular an acrylic monomer, which is thermally crosslinked.
  • the temperature is in connecting the membrane support layers in a range of about 100 0 C to about 200 ° C.
  • the compound is preferably performed using Walzenlamination or by pressing.
  • connection between the membrane carrier layers by the adhesive is particularly easy and reliable to produce.
  • the method further comprises the steps of: - placing a cover on the membrane holder in order to close the membrane holder opening on one side; Arranging a template on the unlocked side of the membrane holder opening, wherein the template has a substantially parallel to the at least one membrane holder opening template opening, so that the membrane holder outside the membrane holder opening is substantially completely covered.
  • a substance can be introduced into the membrane holder opening via the still accessible side of the membrane opening, which subsequently forms the membrane.
  • This substance is prevented by the cover at an exit from the membrane holder opening.
  • the cover is expediently arranged on the membrane holder underside.
  • the template is placed on the uncovered side of the membrane holder opening.
  • the formation of the membrane from a still liquid, further solidifying substance allows the formation of a connection between the membrane and the membrane holder.
  • An additional adhesive is not necessary as opposed to inserting a prefabricated membrane into the membrane holder opening.
  • the template consists of metal.
  • the opening of the template with the diameter D 0 can be formed in particular by a (photo) lithographic method.
  • the opening in a metal foil can be formed by an etching bath.
  • the method further comprises the step of: lolling an elastically solidifying substance to form the membrane.
  • the doctoring of the substance is particularly simple and to carry out with little effort.
  • the method further comprises the steps of: - placing a mold on the membrane holder, the mold to each membrane holder opening on the membrane holder top each have a substantially congruent to this recess and in each case at least one inlet and outlet, which the recess with the exterior of the mold connect; Feeding a liquid elastically solidifying substance into the cavity formed by the membrane holder, the cover and the mold; - Solidifying the liquid substance to form the membrane.
  • the mold is arranged on the membrane holder top such that each congruent recess of the mold coincides with the associated membrane holder opening. In this position, the mold is pressed or glued to the membrane holder, so that a substantially fluid-tight, releasable mechanical contact between the mold and the membrane holder is formed.
  • the mold has at least one supply line and at least one discharge, which in each case establish a connection between the exterior and the
  • the mold consists of polymethyl methacrylate (PMMA) or acrylic glass.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • acrylic glass Particularly preferably, the recess of the mold is formed substantially frusto-conical.
  • a liquid, elastically solidifying substance is introduced into the cavity, wherein the air in the cavity can escape via the discharge line.
  • the supply of the liquid substance is stopped as soon as the substance emerges from the discharge.
  • both the supply line and the discharge can serve to supply the liquid substance or to remove the air.
  • the supply of the liquid elastically solidifying substance takes place in the following two steps.
  • the liquid substance is supplied by means of the dispensing tip, which is introduced into the mold through one of the supply lines or through one of the discharge lines.
  • the dispensing tip is preferably brought close to the cover, whereby the cavity between the mold and the membrane holder can be filled with the liquid substance from its lowest point.
  • this prevents the inclusion of air bubbles.
  • the dispensing tip Before the supplied amount of the liquid substance reaches a mouth hole of an inlet or outlet, the dispensing tip is removed from the mold, so that in a second step the supply of the liquid substance via one of the supply lines, wherein the dispensing tip preferably does not protrude into the cavity, but only partially introduced into the supply line.
  • the selection of possible liquid elastically solidifying substance in this method for producing the membrane is particularly extensive.
  • the cover is soluble by a solvent and / or substantially force-free detachable by a solvent.
  • the formed membrane or the membrane holder is not, even partially, dissolved by the solvent.
  • the solvent is water.
  • the cover is particularly preferably a film, in particular a polyester film, which is coated with polyvinyl alcohol and / or polyvinylpyrrolidone is.
  • the coating is water-soluble, so that the cover detachable without force from the membrane holder, that is detachable by water, is.
  • the cover can be detached from the membrane holder and from the formed membrane without the action of force, so that damage to the membrane is prevented.
  • the method comprises dispensing a liquid elastically solidifying substance from the edge of the membrane holder opening towards the center, in particular helically, so that the membrane holder opening is closed.
  • the edge of the membrane holder opening is substantially completely covered by the elastically solidifying substance and in particular the membrane holder opening is substantially completely filled by this substance.
  • membrane training advantageously requires neither a cover nor a template.
  • choice of membrane-forming substances is additionally limited by viscosity, since the membrane-forming substance must be flowable on one hand to form a smooth membrane surface, but on the other hand must be strong enough to stay in the predetermined position in the membrane holder opening until the curing process is complete is.
  • the membrane holder must not rest on a work surface.
  • a substantially flat membrane can be formed which has substantially no surface structure. Furthermore, contamination of the membrane holder can be avoided by the membrane-forming substance.
  • the method comprises forming a drop of a liquid elastically solidifying substance at a dispensing tip, the droplet having a diameter greater than or equal to the diameter D u of the membrane holder opening at the membrane holder bottom (21), and disposing the drop at the membrane holder opening so that the membrane holder opening is closed.
  • the dispensing tip is positioned at a sufficient distance from the membrane holder opening to be closed when a sufficient amount of the liquid elastically solidifying substance is expelled from the dispensing tip to form the drop, so that the substance initially does not come into contact with the membrane holder.
  • the dispensing tip After a predetermined amount of the liquid elastically solidifying substance emerges from the dispensing tip and the drop is formed, the dispensing tip is displaced toward the membrane holder opening to locate the drop at the membrane holder opening so that it is closed. After curing of the liquid substance, the elastic membrane is formed.
  • This alternative type of membrane training advantageously also requires neither a cover nor a template. Further advantageously, there is a larger selection of membrane-forming substances compared to the method described above, since the restriction with respect to the viscosity is less engraved.
  • the elastically solidifying substance for forming the membrane is a polymer.
  • the elastically solidifying substance for forming the membrane is silicone.
  • the membranes can be formed of a technical silicone, which is used as a sealant and adhesive material.
  • this material has particularly good adhesion to surfaces, so that a secure connection with the membrane holder can be formed. Further advantageously, the elongation at break is about 500%. Since silicone is generally transparent, advantageously the quality of the membrane formed in the membrane holder can be easily assessed.
  • the solidification or structural cross-linking of the silicone takes place at an elevated temperature of preferably about 60 ° C to about 120 ° C, more preferably from about 75 ° C to about 105 ° C, especially about 90 ° C.
  • the method comprises the steps: Providing a base;
  • the base is essentially a flat planar or plate-shaped workpiece, which can be both rigid and flexible.
  • the base may be a polymer plate, a metal plate or a (polymer or metal) foil with the base extending substantially parallel to the x-y plane.
  • rigid in relation to flexible in the context of the invention is understood to mean that the modulus of elasticity E and / or the shear modulus G of the rigid body by at least a factor of 2, preferably at least a factor of 5, factor 10 or factor 100, and particularly preferred at least a factor of 1000 greater than the modulus of elasticity E and / or the shear modulus G of the flexible body in comparison.
  • a body is considered as rigid in itself, if its modulus of elasticity E and / or the shear modulus G greater than 1x10 8 Nm "2, greater than 5x10 8 Nm '2, greater than Ixio 9 Nm' 2, greater than 5x10 9 Nm" 2 "2.
  • a body as per se is considered flexible if its modulus of elasticity e and / or the modulus of rigidity G is less than IxI O 7 Nm" and in particular greater than 1x10 10 Nm 2, less than 5x10 6 Nm "2, less than IxI O 6 Nm "2 and in particular less than 5x10 5 Nm " 2 is.
  • the Saudily preferably, the flow channel layer consists of a polymer, in particular a polyimide.
  • the Recess can be particularly easily generated by, in particular rectangular, cutting by means of a blade or a laser beam.
  • the recess extends substantially, in particular in a straight line, along a longitudinal direction Li.
  • the flow element is formed, wherein the compound can be done in particular by gluing, laminating, welding or vulcanization.
  • the base and / or the flow channel layer is coated on at least one side with an adhesive and the bonding base with the fürflußkanal für gluing.
  • the adhesive may be a hot melt adhesive as described above.
  • the connection by the adhesive is particularly simple and reliable to manufacture.
  • the method of forming the flow element comprises providing a flow channel layer and forming at least one flow channel by material removal processing.
  • the flow-through element can be formed in one piece.
  • the at least one flow channel can then be formed by a material-removing machining, for example by machining, shaving and / or eroding machining or by etching, depending on the material of the flow element.
  • a material-removing machining for example by machining, shaving and / or eroding machining or by etching, depending on the material of the flow element.
  • the method comprises applying a wetting filler to the valve seat so that the free surface of the wetting filler assumes a continuously curved shape due to surface tension and then curing the wetting filler.
  • the flow element can be formed with at least one flow channel, wherein the flow channel has a substantially rectangular cross section, so that the flow channel through a
  • Membrane essentially can not be fully closed, as a Fluid in the corner regions of the flow channel can find a flow path.
  • the flow channel can be formed with a trapezoidal cross-section.
  • a liquid filler dispensed into the flow passage rounds off the corners due to the surface tension of the filler.
  • the membrane is therefore better at the wall of the flow channel and therefore closes the flow channel better.
  • the wetting filler is a UV-curing adhesive, and curing is accomplished by exposure to ultraviolet light.
  • the actuation element is formed by the following steps:
  • the step additionally takes place:
  • the cover layer is essentially a flat, flat or plate-shaped workpiece, which can be both rigid and flexible.
  • the base may be a polymer plate or foil, with the base extending substantially parallel to the x-y plane.
  • the Aktuationskanal Mrs is arranged, which is also a substantially flat planar or plate-shaped workpiece, in particular a film.
  • the layer thickness or strength of the Aktuationskanaltik along the z-direction is particularly preferably less than about 1000 microns, more preferably less than about 500 microns or less than about 250 microns or less than about 150 microns, more preferably less than about 100 or less than about 50 microns or less than about 25 microns or less than about 10 microns, and more preferably less than about 5 microns.
  • the Aktuationskanaltik of a polymer in particular a polyimide.
  • the recess In the Aktuationskanal harsh at least one recess is formed, which later forms at least partially an actuation channel.
  • the recess can be particularly easily generated by, in particular rectangular, cutting by means of a blade or a laser beam.
  • the recess extends substantially, in particular in a straight line, along a longitudinal direction L 2 .
  • connection can be made in particular by gluing, laminating, welding or vulcanization.
  • the cover layer and / or the Aktuationskanal harsh is coated at least on one side with an adhesive and the bonding cover layer with the Aktuationskanal harsh by gluing.
  • the adhesive may be a hot melt adhesive as described above.
  • the connection by the adhesive is particularly simple and reliable to manufacture.
  • the actuation element can be formed in one piece, the at least one actuation channel being formed by a material-removing or material-displacing method, for example milling, planing or hot stamping.
  • the actuation element can also be formed in one piece by injection molding.
  • the at least one flow channel is arranged to extend substantially along a first longitudinal direction L 1 and the at least one actuation channel is arranged to extend substantially along a second longitudinal direction L 2 .
  • the angle ⁇ enclosed between the longitudinal directions L1 and L2 is preferably different from zero.
  • the included angle ⁇ is between about 15 degrees and about 90 degrees. More preferably, the included angle ⁇ is about 90 degrees, about 60 degrees, or about 45 degrees.
  • a displacement or deformation of the flow channel and thus a reduction of fürflußkanalqueritess occurs only in the region of Membrane on.
  • a pressure difference between the Aktuationskanal and the flow channel leads due to the large distance in the case of a non-zero angle only to a small deformation of the flow channel.
  • microfluidic valve according to one aspect
  • One aspect of the present invention relates to a microfluidic valve for flow control of fluids comprising:
  • an actuation element with at least one actuator, a flow element with at least one flow channel,
  • a membrane holder having a membrane holder top connected to the actuator, a membrane holder bottom connected to the flow member, at least one membrane holder opening and at least one actuatable resettable, particularly elastically deformable membrane disposed in the at least one membrane holder opening the at least one membrane with a diaphragm underside with the diameter D u is arranged at least partially on the at least one flow channel, wherein the at least one membrane with a membrane top with the diameter D 0 at least partially disposed on the at least one actuator, wherein the diameter D 0 is greater than the diameter D u and wherein the wall of the at least one flow channel through the at least one actuatable membrane in a valve seat is mechanically contacted, so that the at least one flow channel substantially completely by di e membrane is closable.
  • the membrane of the microvalve is formed resilient. That is, the membrane can be transferred by applying a force K by the, in particular one-piece, actuator along an actuating direction B from a rest position to an actuated position, the membrane returns to the rest position when the force K is no longer applied.
  • the membrane is substantially elastic and only to a small extent plastically deformable, so that the membrane is deformed substantially elastically in the Betuschistspositon and due to their inherent elastic restoring force returns substantially to the original rest position when the deforming force K no longer at the Membrane is created. Therefore, the microvalve is advantageously particle-tolerant, since a foreign body in the region of the valve seat can not prevent the transition of the membrane from the rest position into the actuated position. Rather, the membrane is deformed by the foreign body in the operating position accordingly. The flow channel can be substantially completely closed despite the foreign body in the region of the valve seat.
  • actuating direction in the sense of this invention describes a direction along which a force can be applied and a body, in particular the membrane, displaced or deformed, for example, the actuating direction B substantially perpendicular to the cover layer or the membrane holder of the microvalve It is also possible that the direction of actuation B with the reference plane, for example the membrane holder, includes an angle between about 85 ° and about 60 °.
  • the membrane is tapered along the direction of actuation, so that the membrane is advantageously kept particularly reliable when the membrane is acted upon by a force K along the direction of actuation B in order to be transferred to the actuation position.
  • rest position describes, for example, the state or the position of one or more parts or elements of the microvalve, in particular the membrane
  • this invention describes the position of the diaphragm when the microvalve is in an unused condition (as-prepared condition) or in an opened condition. In other words, in the rest position, the membrane does not protrude into the flow channel, so that a fluid can pass through the microvalve substantially unhindered.
  • actuation position describes a state or position of the aforementioned parts or elements, in particular the membrane, different from the aforementioned state or the aforementioned position.
  • a force K is exerted on one or more parts or elements of the microvalve in the actuation position.
  • the membrane is in the actuating position at least partially deformed or displaced along the direction of actuation B and projects at least partially into the flow channel.
  • the regions of the membrane which are arranged close to the central axis of the membrane holder opening are displaced or deformed more than the regions of the membrane which contact the membrane holder.
  • the flow channel is in the actuation position substantially, in particular completely, closed by the membrane.
  • a fluid in the actuation position can not flow along the flow direction F through the flow channel, i. the microvalve substantially completely blocks the flow channel.
  • the actuating direction B and the flow direction F are preferably substantially perpendicular to each other.
  • actuation position as used in the context of the present invention thus describes in particular a position according to which the membrane mechanically contacts the wall of the flow channel, in particular in the region of the valve seat, in particular a direct mechanical contact between the membrane and the membrane Valve seat produced.
  • the membrane holder is integrally formed.
  • the membrane holder of the microvalve comprises a lower membrane carrier layer, in which at least one lower membrane carrier opening, each having a central axis M ⁇ and a diameter D u is formed and an upper membrane carrier layer in which at least one upper membrane carrier opening, each having a central axis M 0 and each a diameter D 0 is formed, wherein the upper membrane support layer is connected to the lower membrane support layer so that the central axes M u and M 0 substantially coincide, so that the lower membrane support opening and the upper membrane support opening form the membrane holder opening.
  • the lower membrane carrier layer and / or the upper membrane carrier layer is preferably coated with an adhesive on at least one side, and the upper membrane carrier layer is adhesively bonded to the lower membrane carrier layer by means of the adhesive.
  • the adhesive is a hot melt adhesive.
  • the membrane is made of a polymer and in particular of an elastomer.
  • the membrane consists of a silicone or silicone mixture.
  • the microvalve comprises a base and a flow channel layer having at least one recess, the flow channel layer being connected to the base.
  • the flow element is integrally formed with the at least one flow channel.
  • the at least one flow channel is at least partially formed with a continuously curved, in particular a conical or trapezoidal or semicircular, cross-section.
  • valve seat is formed by a cured filler at least partially continuously curved.
  • the cured filler is a UV-curing adhesive.
  • the actuation of the membrane can be effected in particular pneumatically, hydraulically, mechanically, electro-magnetically, thermoelectrically and / or piezoelectrically.
  • the mechanical actuation can be done, for example, by plungers, which are controlled via cams. Alternatively, the plunger may also be controlled electromagnetically, e.g. through a surrounding coil.
  • a thermoelectric actuation can be carried out by electrically heating up a fluid or solid volume, which actuates the membrane as a result of the thermal expansion or the increase in volume when the state of matter (evaporation) changes. Alternatively, the expansion of a solid and the resulting actuation can also take place by means of the piezoelectric effect.
  • the actuation of the membrane may also be effected by pressurization by means of a fluid, i. of a gas or a liquid.
  • the actuation element comprises an actuation channel layer with at least one actuation channel and a cover layer, wherein the actuation channel layer with the membrane holder top of the membrane holder and wherein the cover layer is connected to the Aktuationskanal harsh.
  • the cover layer and / or the Aktuationskanal stands rigid or relative to the flexible membrane are rigid, so that the cover layer and / or the Aktuationskanal für actuation element not deform substantially when the pressure in Aktuationskanal is increased.
  • an actuation element allows an improved actuation of the membrane, since only small pressure losses occur by deformation of the actuator.
  • the actuation element can be formed in one piece.
  • the cover layer and / or the Aktuationskanal harshness is coated at least on one side with an adhesive and the cover layer bonded to the Aktuationskanal harshness means of the adhesive.
  • the at least one flow channel extends substantially along a first longitudinal direction Li and the at least one actuation channel substantially along a second longitudinal direction L 2 , the angle ⁇ included between the longitudinal directions L1 and L2 being different from zero.
  • a displacement or deformation of the flow channel wall occurs only in the region of the membrane.
  • a pressure difference between the Aktuationskanal and the flow channel leads due to the large distance between the two in the case of a non-zero angle to a small deformation of the membrane holder and thus the flow channel.
  • the actuation element of the microvalve for each membrane comprises a plunger associated with the respective membrane as the preferred actuator.
  • the actuation in this case is particularly simple to perform mechanically by the use of cams or electromechanically by coil-magnet systems.
  • the microfluidic pump according to one aspect of the present invention relates to a microfluidic pump or micropump for moving fluids (ie, gases and / or liquids), wherein the micropump has at least three microvalves according to the invention.
  • the at least three microvalves are operatively connected in series along the flow channel.
  • the pumping of the fluid is carried out according to the principle of peristalsis by cyclically opening and closing the microvalves.
  • the pumping direction can be reversed by reversing the opening and closing cycle.
  • the micropump is in one piece.
  • the micropump is formed from polymer films which are glued or laminated together and thereby form a part.
  • microfluidic system according to one aspect
  • One aspect of the present invention relates to a microfluidic system comprising at least one microfluidic component according to the invention (ie at least one microvalve according to the invention and / or at least one microfluidic pump according to the invention), at least one flow channel for a fluid and at least one functional component associated with the fluid in the flow channel is contactable includes.
  • Contacted in the sense of the invention is understood to mean that there is a mechanical and / or electrical and / or thermal contact between the fluid in the flow channel and the functional component.
  • the functional component is a sensor for determining physical, chemical and / or biological properties of the fluid.
  • the fluid can be supplied to the sensor by means of the flow channel, so that the sensor can, for example, measure the temperature, the pressure, the density, the electrical conductivity, the viscosity, the coloring, the chemical composition, the type and amount of substances dissolved in the fluid and / or or gases and / or particles present in the fluid and / or colloids and the number of microbiological organisms present in the fluid.
  • the functional component is an electronic component, wherein by means of the flow channel (47), a fluid for cooling the electronic component is provided.
  • a cooling fluid is supplied to the electronic component at least during its operation in order to dissipate the heat-converted electrical power loss of the electronic component thereof.
  • the cooling fluid is preferably a fluid having a high heat capacity. More preferably, the cooling fluid may also be a liquid having a boiling point of less than or equal to 100 0 C, more preferably less than or equal to 80 0 C, in particular less than or equal to 40 0 C. Further preferred is a cooling fluid with a high enthalpy of enthalpy or energy.
  • the evaporation energy is greater than 350 kJ / kg, more preferably the evaporation energy is greater than 450 kJ / kg, greater than 800 kJ / kg, in particular greater than 2200 kJ / kg.
  • the cooling fluid may be water or ethanol. The cooling of the electronic component can preferably be carried out by merely heating the cooling fluid or by evaporating or evaporating the cooling fluid.
  • Figures 1a-i cross sections through the elements, semi-finished products and the microvalve in the rest position according to an embodiment in the individual steps of the production;
  • Figure 1j a cross section through the microvalve in the
  • Figures 1 k - I a cross section through individual elements of the microvalve in an alternative method of forming the membrane
  • Figures 2a-g cross sections through the elements, semi-finished products and the microvalve in the rest position according to an embodiment in the individual steps of the production;
  • Figure 2h a cross section through the microvalve in the
  • Figures 3a-d cross-sections through the elements, semi-finished and the microvalve in the rest position according to an embodiment in the individual steps of the production;
  • FIG. 4 shows a cross section through a micropump
  • Figure 5 an embodiment of a microfluidic system.
  • FIG. 1a-i show the individual steps of a preferred production method of a microvalve 1.
  • a lower membrane support layer 3 is provided which extends substantially parallel to the xy plane and in which at least one lower membrane support opening 5 is formed.
  • Each lower membrane carrier opening 5 has a central axis M u , which extends substantially parallel to the z-direction, and a diameter D u .
  • an upper membrane carrier layer 7 is provided, in which at least one upper membrane carrier opening 9 is formed.
  • Each upper membrane support opening 9 has a central axis M 0 , which extends substantially parallel to the z-direction, and a diameter D 0 .
  • the diameter D 0 of the upper membrane carrier layer opening 9 is greater than the diameter D u , preferably by a factor greater than 1.5.
  • the upper and lower membrane carrier layers 3, 7 are preferably polyimide substrates having a thickness of about 25 ⁇ m to about 50 ⁇ m.
  • the surfaces of the membrane carrier layers 3, 7 may be smooth, profiled, rough and / or differently structured.
  • the upper membrane support layer 7 is coated with an adhesive 11 on the side facing the lower membrane support layer 3.
  • the membrane carrier layers are arranged prior to the mutual connection such that the central axes M u and M 0 substantially coincide and then temporarily fixed in this arrangement.
  • the temporary fixing can be done for example by registration pins, clamps or adhesive strips, so that mutual displacement is prevented.
  • the upper membrane carrier layer 7 is bonded to the lower membrane carrier layer 3 by gluing or laminating.
  • the bonding process may include heating and compressing the membrane support layers. If a hotmelt adhesive is used as the adhesive 11, the membrane carrier layers and the intermediate melt adhesive must be heated to temperatures of about 100 ° C to about 200 ° C to liquefy the hot melt adhesive and perform the bonding by the subsequent crosslinking of the hot melt adhesive.
  • the lower membrane carrier opening 5 and the upper membrane carrier opening 9 together form the membrane holder opening 15.
  • the membrane holder 13 has a membrane holder top 17 which is adapted to be connected to an actuator element 19 and a membrane holder bottom 21 which is adapted to be connected to a flow element 23.
  • a cover 25 is disposed on the membrane holder bottom 21 to the membrane holder 13 to close the membrane holder opening 15.
  • the cover 25 is preferably a polyvinyl alcohol-coated polyester film.
  • the cover 25 is due to the water-soluble coating 27 in a later step in a water bath from the membrane holder 13 detachable force-free.
  • the membrane 37 is formed by the hardened silicone mixture 33 in the membrane holder opening 15.
  • the curing takes place at an elevated temperature of about 90 ° C in order to promote the cross-linking of the individual silicone molecules and to improve the mechanical strength of the membrane 37.
  • the membrane 37 is more flexible or more elastic than the membrane holder. That by acting in each case the same magnitude, the same direction of force K, the membrane 37 is spatially displaced or deformed more than the membrane holder 13. In other words, the membrane holder 13 is substantially rigid relative to the membrane 37.
  • the template 29 and the cover 25 are again removed from the membrane holder 13 after the formation of the membrane 37, as shown in Figure 1d.
  • an actuation element 19 with an actuator 39 is arranged and fastened to the membrane holder 13.
  • the actuation element 41 used in the embodiment shown comprises an actuation channel 41.
  • the actuation channel 41 is formed by walls which are formed at least in regions by the membrane holder 13, an actuation channel layer 43 and a cover layer 45.
  • an actuation channel 41 is formed as a preferred actuator 39.
  • the Aktuationskanal Anlagen 43 is connected to the
  • Membrane 37 is at least partially disposed on at least one Aktuationskanal 41. In other words, the membrane 13 partially forms the
  • Fluid connection in the cover layer 45 and the Aktuationskanal für 43 the is designed to supply the Aktuationskanal 41 with a fluid, ie a liquid or a gas.
  • a fluid pressure can be built up via the fluid connection by means of the fluid in the actuation channel 41.
  • cover layer 45 Aktuationskanal Mrs 43 and membrane holder 13 is preferably carried out by
  • a flow element 23 with at least one flow channel 47 is provided.
  • the flow element 23 is formed by a base 49 and a Quiflußkanal Mrs 51 with a recess 53.
  • the Englishflußkanal Mrs 51 is a flat layer, wherein the recess 53 forming cut surfaces through the fürflußkanal Mrs 51 are preferably at a right angle to the layer plane. Alternatively, the cut surfaces may also be at an angle greater than 0 degrees and less than 90 degrees to the layer plane.
  • the flow channel layer 51 is connected to the base 49, for example by gluing, and then forms the flow element 23.
  • the base 49 with a suitable choice of material (eg dry resist Pyralux PC-1015 from DuPont for the base 49 and polyimide film LF-1030 also from DuPont for the flow channel layer 51, by rolling on the non-melt-coated side of the flow channel layer 51.
  • a suitable choice of material eg dry resist Pyralux PC-1015 from DuPont for the base 49 and polyimide film LF-1030 also from DuPont for the flow channel layer 51, by rolling on the non-melt-coated side of the flow channel layer 51.
  • the adhesive coated side of the flow channel layer 51 is designed to be connected to the membrane holder bottom 21.
  • the walls of the base 49, the fürflußkanal Anlagen 51 and the membrane holder bottom 21 form at least partially the flow channel 47 after the connection.
  • the region of the flow channel 47 on which the membrane 37 is arranged is referred to as valve seat 55.
  • the flow channel 47 made by the described process has a rectangular or trapezoidal shape Cross-section.
  • a butt edge 57 between the base 49 and the flow channel layer 51 is configured substantially square. This embodiment may result in that the flow channel 47 can not be completely closed and remains in the region of the abutting edge a flow path with a small cross-section. Preferably, the abutting edge 57 is therefore rounded.
  • a wall wetting, liquid filler 59 can be applied. Due to the surface tension of the filler 59, the free surface forms a continuously curved shape. After curing of the filler 59, the corner of the abutting edge 57 and thus the wall of the flow channel 47 is rounded.
  • the flow channel 47 facing surface of the cured filler is considered below as part of the wall of the flow channel 47.
  • the rounding can take place along the entire abutting edge 57 or only in certain regions, in particular in the region of the later valve seat 55, i. in particular the region of the flow channel 47 which will mechanically contact the diaphragm in the operating position of the microvalve.
  • the filler 59 may be a solid substance at room temperature and molten before application, which hardens by cooling or solidification.
  • the filler 59 could be a substance dissolved in a solvent that cures by evaporation of the solvent.
  • the filler 59 could be a UV-curing adhesive, with curing being accomplished by exposure to ultraviolet light.
  • the flow element 23 is connected to the membrane holder bottom 21 of the membrane holder 13, so that the membrane 37 at least partially on the
  • Flow channel 47 is arranged. The wall of the flow channel 47 is then mechanically contacted by the actuatable membrane 37 in the valve seat 55.
  • the connecting of the flow channel 47 is effected by gluing, in particular by means of an adhesive with which the naturalflußkanal Mrs 51 is coated.
  • the naturalflußkanal Mrs 51 is coated with a hot melt adhesive, so that the für fluorescence senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization senorization sening.
  • FIG. 1 i shows the microvalve 1 in the rest position, in which the membrane in particular does not protrude into the flow channel 47.
  • the membrane 37 is deflectable by a force K along the direction of actuation B, wherein the actuating direction B is substantially parallel to the z-direction.
  • This force K is generated by the fact that the Aktuationskanal 41 is acted upon by a pressure P.
  • the pressure P acts omnidirectionally and thus exerts a force K in the direction of actuation B, the magnitude of the force K being proportional to the area of the diaphragm 37 which is acted upon by the pressure P. Since the membrane holder 13 and the actuation element 19 are rigid relative to the membrane 37, the omnidirectional pressure P essentially results in a deformation of the membrane 37 along the actuation direction B.
  • the flow channel 47 extends substantially along a first longitudinal direction L 1 , which is in particular substantially parallel to the y-direction.
  • the actuation channel 41 extends along a second longitudinal direction L 2 , which is in particular substantially parallel to the x-direction. That is, the angle ⁇ included between the longitudinal directions L1 and L2 is about 90 degrees. This minimizes the area outside the membrane 37, in which the actuation channel 41 and the flow channel 47 are spatially separated only by the (small) layer thickness of the membrane holder 13.
  • the membrane holder 13 and thus the membrane 37 can be made thinner, since the membrane holder 13 must absorb lower mechanical loads.
  • first and second longitudinal directions Li and L 2 may also include an arbitrary angle ⁇ when the diaphragm holder 13 is appropriately designed to deform sufficiently little under the compressive loads involved.
  • FIG. 1j shows the microvalve 1 in the actuated position.
  • the membrane 37 is deflected by a force K along the direction of actuation B against the z-direction, which acts on the membrane 37 due to the prevailing pressure in the actuation channel 41 P.
  • the membrane 37 is partially deformed or displaced in the actuation position along the direction of actuation B and protrudes partially into the flow channel 47.
  • the regions of the membrane 37 which are arranged close to the central axis M 0 of the membrane holder opening 15 are displaced or deformed more strongly than the regions of the membrane 37 which contact the membrane holder 13.
  • the membrane is thereby deformed so that it contacts the wall of the flow channel 47 in the region of the valve seat 55 substantially completely mechanically. As a result, the flow channel 47 is substantially completely closed. As shown in Figure 1j, the continuously curved surface or surface of the membrane 37, which projects into the flow channel 47, nestles substantially conforming to the shape of the wall of the flow channel 47 at. Since the resilient diaphragm 37 is substantially elastically deformed in the transition from the rest position to the operating position, this deformation is reversible. This means that the membrane returns to the rest position when in the Aktuationskanal 47 no more pressure P is applied.
  • the membrane holder 13 and the actuator 19 are rigid relative to the membrane 37, the membrane holder 13 and the actuator 19 are substantially not displaced or deformed as compared to the rest position.
  • FIG. 1 k shows, analogously to FIG. 1 b, a cross section through the membrane holder during the formation of the membrane by means of an alternative method.
  • the detachable cover 25 is arranged on the membrane holder 13 in order to close the membrane holder opening 15 on one side.
  • a mold 65 is arranged on the membrane holder 13. The mold 65 faces each membrane holder opening 15 at the
  • Membranhalteroberseite 17 each a substantially congruent to this Recess 67 on.
  • the mold 65 is disposed on the membrane holder top 17 such that the recess 67 of the mold 65 coincides with the membrane holder opening 15. In this position, the mold 65 is pressed against the membrane holder 13, so that there is a substantially fluid-tight, releasable mechanical contact between the mold 65 and the membrane holder 13.
  • an adhesive in particular an adhesive tape, may be applied between the membrane holder top side 17 and the underside of the mold 65 in order to prevent penetration of silicone mixture 33 between the membrane holder top 17 and the underside of the mold 65 ,
  • the mold 65 is preferably made of polymethyl methacrylate (PMMA) or acrylic glass.
  • the recess 67 of the mold 65 is preferably substantially frusto-conical.
  • the mold 65 has at least a lead 69 and a lead 71 which connect the recess 67 to the outside of the mold 65, respectively, so that a silicone compound 33 is supplied from the outside and the air trapped between the mold 65 and the membrane holder 13 is exhausted can.
  • the mouth hole of the lead 69 is disposed in the recess 67 near the contact surface between the mold 65 and the membrane holder 13.
  • the mouth hole of the drain 71 is disposed in the recess 67 in a region remote from the contact surface between the mold 65 and the membrane holder 13, in particular the apex of the conical recess 67.
  • a silicone mixture 33 can be introduced through the feed line 69 into the mold 65, the air trapped in the mold 65 escaping through the discharge line 71.
  • the supply of the silicone mixture 33 is terminated as soon as silicone mixture 33 leaves the discharge line 71.
  • the supply of the silicone mixture takes place in two steps.
  • the supply of the silicone mixture 33 takes place by means of a dispensing tip 35, which is introduced through the outlet 71 opening into the apex of the recess 67.
  • the dispensing tip * 35 is preferably zoomed close to the cover 25, whereby the cavity between the mold 65 and the membrane holder 13 is filled from its lowest point with the silicone mixture.
  • the inclusion of air bubbles prevented is prevented.
  • the dispensing tip 35 is removed from the cavity. During extraction of the dispensing tip 35, it is preferably dispensed continuously, which advantageously prevents the formation of a local underpressure which could cause the inclusion of air bubbles.
  • the supply line 69 has a smaller diameter than the discharge line 71.
  • the silicone compound flow rate i. the amount of silicone compound 33 supplied per unit time, the viscosity of the silicone mixture 33 adapted so that a substantially horizontal air-silicone mixture interface is formed in the cavity. This interface increases during the silicone compound supply to the upper edge of the recess 67 in the mold 65 and further into the discharge line 71. As soon as the silicone mixture 33 exits the discharge line 71, the supply of silicone mixture 33 is terminated.
  • FIG. 11 shows the membrane holder 13 provided with the cover 25 after the hardening of the silicone mixture and the removal of the mold 65
  • Hardening of the silicone mixture 33 to form the membrane 37 is preferably carried out at a temperature of about 90 0 C. The preferred by this
  • Process formed membrane 37 is raised above the membrane holder top 17.
  • the further design of the microvalve can then be carried out as described for FIGS. 1d-j.
  • FIGS. 2a-g show the individual steps of an alternative preferred production method of a microvalve 1.
  • a membrane holder 13 is provided, in which at least one membrane holder opening 15 is formed.
  • the membrane holder opening 15 has a diameter D u on the membrane holder bottom 21 and has a diameter on the membrane holder top 17 D 0 .
  • the diameter D 0 is greater than the diameter D u , preferably by a factor greater than 1, 5.
  • the membrane holder opening 15 is conical.
  • the membrane holder top 17 is adapted to be connected to an actuator element 19, and the membrane holder bottom 21 is adapted to be connected to a flow element 23.
  • the membrane holder 13 is arranged on spacers, so that the membrane holder 13 does not rest with one side on a work surface.
  • a liquid silicone mixture 33 is dispensed from the edge into the membrane holder opening 15.
  • the dispenser tip 35 is moved at a suitable distance from the membrane holder 13 in a suitable way, so that the membrane holder opening 15 is filled with the silicone mixture 33 from the edge and, as shown in FIG. 2c, finally closed.
  • a substantially flat membrane 37 in the membrane holder opening 15 can be produced with this method.
  • the diaphragm 37 has on its diaphragm underside a diameter D u corresponding to the diameter D u of the diaphragm holder opening 15 on the diaphragm holder underside 21.
  • the membrane 37 on its upper side of the membrane has a diameter D 0 corresponding to the diameter D 0 of the membrane holder opening 15 on the membrane holder top 17.
  • an actuation element 19 with an actuator 39 is subsequently arranged and fastened to the membrane holder 13.
  • the actuation element 19 used in the embodiment shown comprises an electric, in particular a piezoelectric, actuator 39.
  • the actuator 39 and its electrical leads 61 are arranged within an actuation channel layer 43 on the membrane 37.
  • the Aktuationskanal Mrs 43 is bonded to the membrane holder top 17 of the membrane holder 13. Subsequently, a cover layer 45 is connected to the Aktuationskanal Mrs 43.
  • the cover layer 45 is preferably substantially rigid to form an abutment for the actuator 39.
  • cover layer 45 Aktuationskanal für 43 and membrane holder 13 is preferably carried out by gluing, as described for Figures 1 e and 1f.
  • a flow element 23 with at least one flow channel 47 is provided.
  • the flow element 23 is integrally formed, wherein the flow channel 47 is formed by removing material in the flow element 23.
  • the cross section of the flow channel 47 is in particular trapezoidal or channel-shaped or circular arc-shaped.
  • the corners of the flow channel 47 may in particular already be round, so that a subsequent rounding is not necessary.
  • the flow member 23 is connected to the membrane holder bottom 21 of the membrane holder 13, so that the
  • Membrane 37 is at least partially disposed on the flow channel 47.
  • the wall of the flow channel 47 is then mechanically contacted by the actuatable membrane 37 in the valve seat 55. Connecting the
  • Flow channel 47 is made by gluing, in particular by means of an adhesive with the flow member 23 or the membrane holder bottom
  • the adhesive is a hot melt adhesive so that bonding can be accomplished by lamination.
  • FIG. 2 g shows the microvalve 1 in the rest position, in which the membrane
  • the membrane 37 is characterized by a force K, which of the electric actuator 39 is applied, along the actuating direction B, ie in particular substantially against the z-direction, deflected.
  • This force K can be generated by the actuator 39 is extended along the direction of actuation B.
  • the actuator 39 may be a piezoelectric crystal, which expands upon application of a voltage of the actuating direction B due to the piezoelectric effect.
  • the actuator 39 could include a coil and a magnet which move against each other when a current flows through the coil, so that the longitudinal extent of the actuator 39 along the direction of actuation B is increased.
  • the actuating direction B and the longitudinal direction Li are substantially perpendicular to each other.
  • FIG. 2h shows the microvalve 1 in the actuation position.
  • the diaphragm 37 is acted upon by an enlargement of the actuator 39 with a force K along the direction of actuation B and deflected.
  • the membrane is deformed so that it contacts the wall of the flow channel 47 in the region of the valve seat 55 substantially completely mechanically and the flow channel 47 substantially completely closes.
  • the resilient diaphragm 37 also returns to the rest position. Since the membrane holder 13 and the actuator 19 are rigid relative to the membrane 37, the membrane holder 13 and the actuator 19 are substantially not displaced or deformed as compared to the rest position.
  • FIGS. 3a-d show the individual steps of a further alternative preferred production method of a microvalve 1.
  • a membrane holder 13 is provided, which may preferably be a one-piece metal plate, in particular an approximately 1 mm thick steel plate.
  • At least one membrane holder opening 15 is formed in the membrane holder 13. Without limiting the generality, only the case of a membrane holder opening 15 will be considered below.
  • the membrane holder opening 15 has a diameter D u on the membrane holder bottom 21 and has a diameter D 0 on the membrane holder top 17.
  • the diameter D 0 is greater than the diameter D 11 , preferably by a factor greater than 1.5.
  • the membrane holder opening 15 is formed by machining or machining by means of a laser beam.
  • the conical membrane holder opening 15 can be produced by drilling and subsequent reworking or in one operation by means of a countersinking drill.
  • the membrane holder 13 is arranged on a spacer such that the membrane holder opening 15 is not closed by a working surface.
  • a liquid silicone mixture 33 is dispensed into downwardly open membrane holder opening 15.
  • a sufficient amount of the liquid silicone mixture 33 for closing the membrane holder opening 33 is expelled from a dispensing tip 35, wherein the dispensing tip is positioned at a sufficient distance from the membrane holder opening 15 to be closed, so that the liquid silicone mixture 33 initially does not come into contact with the membrane holder 13 , Due to its surface tension, the liquid silicone mixture 33 initially remains in the form of a drop at the dispensing tip 35.
  • the dispensing tip 35 After a predetermined amount of the liquid silicone mixture 33 has exited the dispensing tip 35, the dispensing tip is displaced in the direction of the membrane holder opening 15. In this case, the drop is arranged on the membrane holder opening 15, so that it is closed. After curing of the liquid silicone mixture 33, the membrane 37 is formed. In order to make the membrane 37 flush with the membrane holder 13 flush, additional liquid silicone mixture 33 can be additionally dispensed along the edge of the membrane holder opening, whereby the membrane holder opening 15 is substantially completely closed.
  • the amount of the einispens striving silicone mixture 33 may be dimensioned so small that in the membrane holder opening 15 a menisci membrane 37 is formed.
  • Silicone mixture to an elastic membrane is preferably carried out at a Temperature of about 80 0 C to 100 ° C.
  • a flow element 23 with at least one flow channel 47 is provided.
  • the flow element 23 is integrally formed, wherein the flow channel 47 is formed by removing material in the flow element 23.
  • the cross section of the flow channel 47 is executed in this embodiment substantially rectangular with rounded corners.
  • the cross section may in particular also be trapezoidal or channel-shaped, each with or without rounded corners, or circular arc-shaped. Since the corners of the flow channel 47 are already round in this embodiment, a subsequent rounding is not necessary.
  • the flow element 23 is connected to the membrane holder bottom 21 of the membrane holder 13, so that the membrane 37 is at least partially disposed on the flow channel 47.
  • the wall of the flow channel 47 is then mechanically contacted by the actuatable membrane 37 in the valve seat 55.
  • the connecting of the flow channel 47 is effected by gluing, in particular by means of an adhesive with which the flow element 23 or the membrane holder bottom 21 is coated.
  • the adhesive is a hot melt adhesive so that bonding can be accomplished by lamination.
  • an actuation element 19 (not shown in more detail) with a plunger 39 or plunger 39 as a preferred actuator 39 is arranged on the membrane holder 13.
  • the figure 3d shows the microvalve 1 in the rest position, in which the membrane 37 in particular does not project into the flow channel 47, wherein the flow channel 47 along the longitudinal direction L 1 , that extends substantially in the y-direction.
  • the plunger 39 can actuate the diaphragm 37 by applying a force K along the actuation direction B, ie in particular deflecting it substantially counter to the z-direction.
  • the movement of the plunger 39 and thereby applied to the membrane 37 force K can be controlled or controlled by other means of the Aktuationsiatas 19 mechanically, electro-mechanically, hydraulically and / or pneumatically.
  • the actuator 39 may in particular also be a piezoelectric crystal (as shown in FIGS. 2g and 2h), which expands due to the piezoelectric effect when a voltage of the actuating direction B is applied.
  • the actuator 39 could include a coil and a magnet which move against each other when a current flows through the coil, so that the longitudinal extent of the actuator 39 along the direction of actuation B is increased.
  • the components to be joined must be exposed to elevated temperatures and pressures during the bonding step.
  • the individual components may be provided with registration holes. In these holes engage corresponding registration pins, which are introduced along the z-direction in the registration holes, so that a relative displacement is prevented from each other.
  • the registration pins can in particular be arranged on a mounting plate, wherein this mounting plate can serve as an abutment during lamination.
  • FIG. 4 shows a section through a micropump 63 with three microvalves 1, 1 ', 1 ", which are designed to close the flow channel 47 in each case in the region of the valve seats 55, 55', 55".
  • Each microvalve has its own actuation channel 41, 41 ', 41 "for the pneumatic actuation of the diaphragms 37, 37', 37" along the actuation direction B.
  • the necessary pneumatic pressure in the actuation channels 41, 41 ', 41 " is provided by a device, not shown provided and controlled.
  • the sequence of steps 1 to 5 can be cyclic and unlimited.
  • Table 1 A sequence of actuation of the microvalves for fluid delivery
  • step 4 shows the micropump 63 in a state between steps 3 and 4. Due to this exemplary sequence of microvalve actuation, the fluid can only escape from the micropump 63 in the direction of the outlet valve 1 "during steps 1 to 3. Before the membrane of the Displacer 1 'is relieved again and returns to the rest position and thus creates a negative pressure, which can suck the fluid, the exhaust valve 1 "must be closed and the inlet valve 1 is open (step 4). During pressure equalization, the fluid flows through the inlet valve 1 in the direction of the displacer 1 '. After pressure equalization, the inlet valve 1 is closed (step 5). Thereafter, steps 1 to 5 are repeated periodically or cyclically.
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of an embodiment of a microfluidic system 73.
  • This exemplary microfluidic system 73 is designed to supply a fluid to a microbiological cell culture (not shown) in a cell culture chamber 79 by means of a flow channel 47 and to monitor the fluid ,
  • the microfluidic system 73 comprises a micropump 63 according to the invention, which in turn has three microvalves 1, 1 'and 1 "to supply the fluid via the flow channel 47 to the cell culture chamber 79. Within the flow channel, the fluid flows along the flow direction F. Located upstream of the cell culture chamber 79, the flow channel 47 includes a dialysis section 75 and a gas exchange section 77 to facilitate mass transfer between the fluid and the exterior.
  • the flow channel 47 leads back to the micropump 63, so that the microfluidic system is closed.
  • the microfluidic system 73 comprises a
  • the outlet 97 can preferably be blocked by a microvalve 1 "'according to the invention, but it is also possible for the inlet 97 to be blockable
  • Inlet 97 is formed such that the blocking takes place by means of a valve outside the microfluidic system 73.
  • the valve 1 '"in the inlet 97 is preferably upstream of a filter 81 in the inflow direction f, in order to prevent the penetration of unwanted particles into the microfluidic system 73.
  • the drain 95 is preferably also lockable analogous to the inlet 97.
  • the valve (not shown) is widely spaced (as compared to the removal of the valve 1 '') from the flow passage 47.
  • the fluid contained in the drain 95 can be used to compensate for fluid fluctuations in the flow channel 47 Volume in the drain 95 are provided as a compensation volume.
  • corresponding sensors are arranged in the flow channel 47 for detecting chemical or biochemical or physical quantities. Specifically, these are a pH sensor 83, an oxygen sensor 85, a glucose sensor 87, a lactate sensor 89, a pressure sensor 91, and a flow rate sensor 93.

Abstract

The invention relates to a microfluidic valve, to a microfluidic pump, to a microfluidic system, and to a method for the production thereof. A microfluidic valve comprises: an actuation element having at least one actuator, a flow element having at least one flow channel, a membrane holder having a membrane holder top side connected to the actuation element, a membrane holder bottom side connected to the flow element, at least one membrane holder opening, and at least one membrane which can be actuated, is resilient, and in particular can be elastically deformed, and which is arranged in the at least one membrane holder opening, wherein the at least one membrane having a membrane bottom side having the diameter Du is arranged at least in areas on the at least one flow channel, wherein the at least one membrane having a membrane top side having the diameter Do is arranged at least in areas on the at least one actuator, wherein the diameter Do is greater than the diameter Du and wherein the wall of the at least one flow channel can be mechanically contacted in a valve seat by the at least one membrane which can be actuated, so that the at least one flow channel can be closed substantially completely by the membrane.

Description

Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Ventil, eine mikrofluidische Pumpe, ein mikrofluidisches System und ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to a microfluidic valve, a microfluidic pump, a microfluidic system and a method for the production thereof.
Eine mikrofluidische Komponenten im Sinne dieser Anmeldung, sind beispielsweise ein mikrofluidisches Ventil (Mikroventil) oder eine mikrofluidischeA microfluidic components in the sense of this application are, for example, a microfluidic valve (microvalve) or a microfluidic one
Pumpe (Mikropumpe). Die durch das Mikroventil gesteuerten bzw. geregeltenPump (micropump). The controlled by the micro valve or regulated
Fluidleitungen bzw. Durchflußkanäle sind zum Fluidtransport mit Fließraten von etwa 1 μl/min bis etwa 10 ml/min ausgelegt. Dementsprechend weisen dieFluid conduits or flow channels are designed for fluid transport at flow rates of about 1 μl / min to about 10 ml / min. Accordingly, the
Durchflußkanäle Durchmesser im Bereich von etwa 100 μm bis etwa 1 mm auf. Entsprechend sind Mikropumpen dazu ausgelegt, die oben genannten Fließraten in den Durchflußkanälen zu erzeugen.Flow channels diameter in the range of about 100 microns to about 1 mm. Accordingly, micropumps are designed to produce the above flow rates in the flow channels.
Zur Herstellung einer mikrofluidischen Komponente ist es daher ein Herstellungsverfahren notwendig, welches die Durchflußkanäle und die weiteren Elemente der mikrofluidischen Komponente mit hinreichender Präzision auszubilden. Vielfach werden die mikrofluidischen Komponenten daher mit Verfahren hergestellt, die aus dem Bereich der Siliziumtechnologie stammen. Dabei ist es notwendig zwei bis drei Siliziumwafer zu strukturieren und miteinander zu verbinden, um die notwendigen Strukturen eines Mikroventils oder einer Mikropumpe auszubilden. Aufgrund der Härte des Siliziums sind daraus hergestellte mikrofluidische Komponenten nicht partikeltolerant, so daß beispielsweise im Ventilbereich festsitzende Partikel ein Schließen des Mikroventils verhindern können.For the production of a microfluidic component, therefore, a production method is necessary which forms the flow channels and the further elements of the microfluidic component with sufficient precision. In many cases, therefore, the microfluidic components are produced by methods derived from the field of silicon technology. It is necessary to structure and connect two to three silicon wafers in order to form the necessary structures of a microvalve or a micropump. Due to the hardness of the silicon, microfluidic components produced therefrom are not particle-tolerant, so that, for example, particles stuck in the valve region can prevent the microvalve from closing.
Daher stellt sich die Aufgabe eine mikrofluidische Komponente herzustellen und bereitzustellen, die zuverlässiger betrieben werden kann und dabei einfacher und kostengünstiger herzustellen ist.Therefore, the object is to produce and provide a microfluidic component which can be operated more reliably and is easier and less expensive to produce.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Das Herstellungsverfahren gemäß einem AspektThe object is solved by the independent claims. Preferred embodiments are subject of the dependent claims. The manufacturing method according to one aspect
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mikrofluidischen Komponente, umfassend die Schritte:One aspect of the present invention relates to a method for producing a microfluidic component, comprising the steps:
- Bereitstellen eines Membranhalters mit einer Membranhalteroberseite, die ausgelegt ist mit einem Aktuationselement verbunden zu werden, einer- Providing a membrane holder with a membrane holder top, which is designed to be connected to an actuator, a
Membranhalterunterseite, die ausgelegt ist mit einem Durchflußelement verbunden zu werden und zumindest einer Membranhalteröffnung, welche an der Membranhalteroberseite jeweils einen Durchmesser D0 und an der Membranhalterunterseite jeweils einen Durchmesser Du aufweist; - Ausbilden zumindest einer rückstellfähigen, insbesondere elastisch verformbaren, Membran in der Membranhalteröffnung; Bereitstellen eines Aktuationselementes mit zumindest einem Aktuator;Membranhalterunterseite, which is designed to be connected to a flow element and at least one membrane holder opening, which has on the membrane holder top each have a diameter D 0 and on the membrane holder bottom each having a diameter D u ; - Forming at least one resilient, in particular elastically deformable, membrane in the membrane holder opening; Providing an actuator element with at least one actuator;
- Verbinden des zumindest einen Aktuationselementes mit der Membranhalteroberseite des Membranhalters, so daß die Membran zumindest bereichsweise an zumindest einem Aktuator angeordnet ist, so daß die Membran durch den Aktuator aktuierbar ist;- Connecting the at least one Aktuationselementes with the membrane holder top of the membrane holder, so that the membrane is at least partially disposed on at least one actuator, so that the membrane can be actuated by the actuator;
- Bereitstellen eines Durchflußelementes mit zumindest einem Durchflußkanal;- Providing a flow element with at least one flow channel;
Verbinden des Durchflußelementes mit der Membranhalterunterseite des Membranhalters so daß die zumindest eine Membran zumindest bereichsweise an zumindest einem Durchflußkanal angeordnet ist, so daß die Wandung des Durchflußkanals durch die aktuierbare Membran in einem Ventilsitz mechanisch kontaktierbar ist.Connecting the flow element with the membrane holder bottom side of the membrane holder so that the at least one membrane is at least partially disposed on at least one flow channel, so that the wall of the flow channel through the actuatable membrane in a valve seat is mechanically contacted.
Vorteilhafterweise ist das Mikroventil ohne aufwendige Arbeitsschritte oder Verwendung teuerer Materialien einfach und kostengünstig herzustellen. Durch die Ausbildung der rückstellfähigen Membran in dem Membranhalter erfolgt eine besonderes zuverlässige und haltbare Befestigung der Membran. Ferner können für die Membran und den Membranhalter vorteilhafterweise unterschiedliche Materialien verwendet werden, die entsprechend ihrer Funktion ausgewählt werde können. Insbesondere kann der Membranhalter einstückig sein. Ferner kann der Membranhalter aus Metall, insbesondere Edelstahl, oder aus einem Polymer, insbesondere aus Polymethylmethacryl bzw. Acrylglas oder Polyimid, bestehen. Weiter vorteilhafterweise ist die Gestalt der Membran komplementär zu der Membranhalteröffnung des Membranhalters. Mit anderen Worten kann in einfacher Weise eine Membran mit dem Durchmesser D0 an der Membranhalteroberseite und dem Durchmesser Du an der Membranhalterunterseite ausgebildet werden. Durch das Ausbilden der Membran in der Membranhalteröffnung entsteht weiter vorteilhafterweise eine innige Verbindung zwischen der ausgebildeten Membran und dem Membranhalter.Advantageously, the microvalve is simple and inexpensive to manufacture without consuming steps or using expensive materials. The formation of the resilient membrane in the membrane holder results in a particularly reliable and durable attachment of the membrane. Furthermore, different materials can advantageously be used for the membrane and the membrane holder, which can be selected according to their function. In particular, the membrane holder may be in one piece. Furthermore, the membrane holder may be made of metal, in particular stainless steel, or of a polymer, in particular of polymethylmethacrylic or acrylic glass or polyimide. Further advantageously, the shape of the membrane is complementary to the Membrane holder opening of the membrane holder. In other words, it is easy to form a diaphragm having the diameter D 0 on the diaphragm holder upper side and the diameter D u on the diaphragm holder lower side. By forming the membrane in the membrane holder opening further advantageously creates an intimate connection between the formed membrane and the membrane holder.
Der Durchmesser Du ist insbesondere etwa gleich dem Durchflußkanaldurchmesser. Bei mikrofluidischen Komponenten im Sinne dieser Anmeldung liegt der Durchmesser Du in einem Bereich von etwa 100 μm bis etwa 1000 μm.The diameter D u is in particular approximately equal to the Durchflußkanaldurchmesser. In the case of microfluidic components in the context of this application, the diameter D u is in a range from about 100 μm to about 1000 μm.
Der Bereich der Durchflußkanals an dem die Membran angeordnet ist und die Wandung des Durchflußkanals in der Betätigungsposition mechanisch kontaktiert wird als Ventilsitz bezeichnet.The region of the flow channel at which the membrane is arranged and the wall of the flow channel mechanically contacted in the actuation position is referred to as a valve seat.
Begriffsbestimmungendefinitions
Zum einfacheren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend eine Vielzahl von Begriffen beispielhaft definiert.For ease of understanding the invention, a variety of terms are defined by way of example below.
Der Membranhalter weist eine im wesentlichen flächige Gestalt auf. Zur eindeutigen Beschreibung von Richtungen und geometrischen Relationen wird in der folgenden Beschreibung davon ausgegangen, daß der im wesentlichen ebene Membranhalter durch die zwei orthogonalen Richtungsvektoren der x- und y- Richtung eines kartesischen Koordinatensystems aufgespannt ist. Senkrecht dazu erstreckt sich die z-Richtung nach oben, d.h. entgegen der Schwerkraftrichtung. Dementsprechend sind die relativen Positionsbegriffe derart definiert, daß eine obere Position von der unteren Position aus gesehen im wesentlichen in z- Richtung von der unteren Position beabstandet ist.The membrane holder has a substantially flat shape. For the unambiguous description of directions and geometric relationships, it will be assumed in the following description that the substantially planar membrane holder is defined by the two orthogonal direction vectors of the x and y direction of a Cartesian coordinate system. Perpendicular to this, the z-direction extends upwards, i. against the direction of gravity. Accordingly, the relative positional terms are defined such that an upper position is spaced from the lower position substantially in the z direction as viewed from the lower position.
Erstreckungs-, Kraft- und/oder Verlagerungsrichtung(en) kann/können in bezug auf ein Koordinatensystem angegeben werden. Wird in der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit einer Richtungsangabe der Begriff „im wesentlichen" verwendet, so bedeutet dies insbesondere, daß die Anzugebende Richtung von der genannten Bezugsrichtung um weniger als etwa ±20 Grad, vorzugsweise um weniger als etwa ±15 Grad, weiter bevorzugt um weniger als etwa ±10 Grad, und besonders bevorzugt um weniger als etwa ±5 Grad, insbesondere um weniger als etwa ±2 Grad abweicht. Der Begriff "im wesentlichen" kann insbesondere eine geringfügige Abweichung von einem Sollwert beschreiben, insbesondere eine Abweichung im Rahmen der Herstellungsgenauigkeit und/oder im Rahmen der notwendigen Genauigkeit, so daß ein Effekt beibehalten wird, wie er bei dem Sollwert vorhanden ist. Der Begriff "im wesentlichen" kann daher eine Abweichung von weniger als etwa ±30%, weniger als etwa ±20%, weniger als etwa ±10%, weniger als etwa ±5%, weniger als etwa ±2%, bevorzugt weniger als etwa ±1% von einem Sollwert bzw. Sollposition, usw. beinhalten. Der Begriff "im wesentlichen" umfaßt den Begriff "identisch", d.h. ohne Abweichung von einem Sollwert, einer Sollposition usw. sein.Extension, force and / or displacement direction (s) can be specified with respect to a coordinate system. In the following description, when used in conjunction with a directional indication, the term "substantially" means that the direction to be indicated is less than about ± 20 degrees, preferably less than about ± 15 degrees, of said reference direction less than about ± 10 degrees, and most preferably deviates by less than about ± 5 degrees, in particular by less than about ± 2 degrees. The term "substantially" may in particular describe a slight deviation from a desired value, in particular a deviation within the manufacturing accuracy and / or in the context of the necessary accuracy, so that an effect is maintained as it is present at the desired value. The term "substantially" may therefore include a deviation of less than about ± 30%, less than about ± 20%, less than about ± 10%, less than about ± 5%, less than about ± 2%, preferably less than about ± 1% of a setpoint or setpoint position, etc. The term "substantially" includes the term "identical", ie without deviation from a setpoint, a desired position, etc.
Wird in der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit einer Angabe in einer Maßeinheit Grad der Begriff „etwa" verwendet, so bedeutet dies insbesondere, daß der anzugebende Wert von dem genannten Sollwert um weniger als ±10%, und bevorzugt um weniger als ±5%, weiter bevorzugt um weniger als ±2%, besonders bevorzugt um weniger als ±1%, insbesondere um weniger als ±0,5% abweicht.When the term "about" is used in the following description in connection with an indication in a unit of degree, this means, in particular, that the value to be indicated falls by less than ± 10%, and preferably by less than ± 5%, from the specified value. more preferably by less than ± 2%, more preferably by less than ± 1%, in particular by less than ± 0.5%.
Der Begriff „Durchmesser" ist, soweit er nicht im Sinne eines Kreisdurchmessers zu verstehen ist, als maximale Ausdehnung entlang einer Richtung zu verstehen.The term "diameter" is, as far as it is not to be understood in the sense of a circle diameter, to be understood as the maximum extent along a direction.
Beispielsweise hat eine quadratische Öffnung mit der Kantenlänge 1 mm gemäß dieser Definition einen Durchmesser von V 2 mm.For example, a 1 mm square opening according to this definition has a diameter of V 2 mm.
Die vorgenannten Positionen und Richtungen sind beispielhaft und dienen insbesondere als Referenz zur Beschreibung z.B. von Seiten des Membranhalters und/oder zur Bestimmung von Richtungen, um beispielsweise eindeutig definierbare bzw. bestimmbare Koordinaten anzugeben. Gegebenenfalls können auch andere Positionen verwendet werden bzw. ein anderes Koordinatensystem.The aforementioned positions and directions are exemplary and, in particular, serve as a reference for describing e.g. from the side of the membrane holder and / or for the determination of directions, for example to indicate clearly definable or determinable coordinates. If necessary, other positions or a different coordinate system can also be used.
Bevorzugte Ausführunqsformen des HerstellungsverfahrensPreferred embodiments of the manufacturing process
Vorzugsweise ist der Durchmesser D0 größer als der Durchmesser D11. Insbesondere kann die Membranhalteröffnung konisch ausgebildet sein, beispielweise durch einen konisches Schneiden der Membranhalteröffnung aus dem Membranhalter oder durch Bohren bzw. Senken einer konischen Membranhalteröffnung mittels eines konischen Bohr- bzw. Senkwerkzeugs in den, insbesondere plattenförmigen, Membranhalter. Besonders bevorzugt ist das Verhältnis der Durchmesser Do/Du vorzugsweise größer als 1 ,1 , weiter bevorzugt größer als 1 ,2, größer als 1 ,4, größer als 2, größer als 2,8 und insbesondere größer als 4.Preferably, the diameter D 0 is greater than the diameter D 11 . In particular, the membrane holder opening may be conical, for example by a conical cutting of the membrane holder opening the membrane holder or by drilling or lowering a conical membrane holder opening by means of a conical drilling or countersinking tool in the, in particular plate-shaped, membrane holder. Particularly preferably, the ratio of the diameter D o / D u is preferably greater than 1, 1, more preferably greater than 1, 2, greater than 1, 4, greater than 2, greater than 2.8 and in particular greater than 4.
Vorteilhafterweise wird durch eine beispielsweise konische Ausbildung der Membranhalteröffnung die darin gehaltene Membran gehindert, sich nach untenAdvantageously, the membrane held therein is prevented by an example conical design of the membrane holder opening, downwards
- also entgegen der z-Richtung — zu verlagern, wenn die Membran durch Anlegen einer Kraft an die Membran entgegen der z-Richtung betätigt, d.h. entgegen der z-Richtung verformt bzw. verlagert, wird.that is, against the z direction, when the diaphragm is actuated by applying a force to the diaphragm against the z direction, i. e. deformed or displaced against the z-direction is.
Weiter vorteilhafterweise wird die Kontaktfläche zwischen dem Membranhalter und der Membran vergrößert, so daß die Bindungskraft zwischen beiden ebenfalls vergrößert wird, wenn die spezifische Bindungskraft pro Flächeneinheit zwischen Membranhalter und Membran konstant bleibt.Further advantageously, the contact area between the membrane holder and the membrane is increased, so that the binding force between the two is also increased when the specific binding force per unit area between the membrane holder and membrane remains constant.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren weiter die Schritte: Bereitstellen einer unteren Membranträgerschicht;Preferably, the method further comprises the steps of: providing a lower membrane support layer;
- Bereitstellen einer oberen Membranträgerschicht;Providing an upper membrane carrier layer;
- Ausbilden zumindest einer unteren Membranträgeröffnung in der unteren Membranträgerschicht mit jeweils einer Mittelachse Mu und jeweils einem- Forming at least one lower membrane carrier opening in the lower membrane carrier layer, each having a central axis M u and one each
Durchmesser Du;Diameter D u ;
Ausbilden zumindest einer oberen Membranträgeröffnung in der oberen Membranträgerschicht mit jeweils einer Mittelachse M0 und jeweils einem Durchmesser D0; - Verbinden der oberen Membranträgerschicht mit der unterenForming at least one upper membrane carrier opening in the upper membrane carrier layer, each having a central axis M 0 and each having a diameter D 0 ; - Connecting the upper membrane carrier layer with the lower
Membranträgerschicht unter Ausbildung des Membranhalters, so daß die Mittelachsen Mu und M0 im wesentlichen zusammenfallen, so daß die untere Membranträgeröffnung und die obere Membranträgeröffnung die Membranhalteröffnung ausbilden.Membrane carrier layer to form the membrane holder, so that the central axes M u and M 0 substantially coincide, so that the lower membrane carrier opening and the upper membrane carrier opening form the membrane holder opening.
Eine Membranträgerschicht ist im wesentlichen ein ebenes flächiges bzw. platten- förmiges Werkstück, insbesondere eine Folien, die sich im wesentlichen parallel zu der x-y-Ebene erstreckt. Die Schichtdicke bzw. Stärke der Membranträgerschicht entlang der z-Richtung ist besonders bevorzugt kleiner als etwa 1000 μm, weiter vorzugsweise von kleiner als etwa 500 μm, weiter bevorzugt kleiner als etwa 300 μm, besonders bevorzugt kleiner als etwa 100 μm, und insbesondere kleiner als etwa 30 μm. Besonders bevorzugt bestehen die untere und obere Membranträgerschicht aus einem Polymer, insbesondere einem Polyimid.A membrane carrier layer is essentially a flat, flat or plate-shaped workpiece, in particular a foil, which extends substantially parallel to the xy plane. The layer thickness or strength of Membrane carrier layer along the z-direction is more preferably less than about 1000 microns, more preferably less than about 500 microns, more preferably less than about 300 microns, more preferably less than about 100 microns, and in particular less than about 30 microns. Particularly preferably, the lower and upper membrane carrier layer consist of a polymer, in particular a polyimide.
In zwei Membranträgerschichten werden, insbesondere kreisförmige, Öffnungen mit voneinander verschiedenen Durchmessern Du und D0 ausgebildet, wobei Du als kleinerer Durchmesser ausgebildet wird. Die Membranträgerschicht mit der kleineren Öffnung mit dem Durchmesser Du wird zur unteren Membranträgerschicht, die verbliebene Membranträgerschicht wird demzufolge zur oberen Membranträgerschicht. Die Membranträgerschichten werden derart übereinander angeordnet und miteinander verbunden, daß die Mittelachsen Mu und M0 der Öffnungen, bei kreisförmigen Öffnungen sind dies die Zylinderachsen der Öffnungen, im wesentlichen zusammenfallen. Das heißt, daß der Versatz zwischen den Mittelachsen Mu und M0 kleiner als etwa 20% des Durchmessers Du ist, besonders bevorzugt kleiner als etwa 10% oder etwa 5% des Durchmessers Du ist.In two membrane carrier layers, in particular circular, openings with different diameters D u and D 0 are formed, wherein D u is formed as a smaller diameter. The membrane carrier layer with the smaller opening having the diameter Du becomes the lower membrane carrier layer, the remaining membrane carrier layer thus becomes the upper membrane carrier layer. The membrane carrier layers are superimposed and connected to one another such that the central axes M u and M 0 of the openings, in the case of circular openings, these are the cylinder axes of the openings, substantially coincide. That is, the offset between the center axes M u and M o is less than about 20% of the diameter D u , more preferably less than about 10% or about 5% of the diameter D u .
Bei nicht kreis- bzw. zylinderförmigen Öffnungen sei die Mittelachse der Öffnung dadurch definiert, daß die Mittelachse parallel zur z-Richtung und durch den geometrischen Mittelpunkt der Öffnung verläuft.For non-circular or cylindrical openings, the central axis of the opening is defined by the fact that the central axis is parallel to the z-direction and through the geometric center of the opening.
Vorteilhafterweise kann eine Membranhalteröffnung besonders einfach durch, insbesondere rechtwinkliges, Schneiden zweier Öffnungen in die Membranträgerschichten mittels einer Klinge oder eines Laserstrahles, insbesondere maschinell, erzeugt werden. Durch die Verbindung der zwei Membranträgerschichten wird dann der Membranhalter ausgebildet, wobei die Verbindung insbesondere durch Kleben, Laminieren, Schweißen oder Vulkanisieren erfolgen kann.Advantageously, a membrane holder opening can be produced particularly simply by, in particular rectangular, cutting two openings into the membrane carrier layers by means of a blade or a laser beam, in particular by machine. By connecting the two membrane carrier layers, the membrane holder is then formed, wherein the connection can be made in particular by gluing, laminating, welding or vulcanization.
Die Membran hat vorteilhafterweise eine vergrößerte Auflagerfläche auf der unteren Membranträgerschicht. Um die Membran unter hoher Druckbelastung von etwa 10O kPa bis etwa 50O kPa sicher zu halten, ist das Verhältnis derThe membrane advantageously has an enlarged bearing surface on the lower membrane carrier layer. In order to keep the membrane safe under high pressure load of about 10O kPa to about 50O kPa, the ratio of
Durchmesser DQ/DU vorzugsweise größer als 1 ,1 , weiter bevorzugt größer als 1 ,2, größer als 1 ,4, größer als 2, größer als 2,8, größer als 4, insbesondere größer als 5.Diameter DQ / D U preferably greater than 1, 1, more preferably greater than 1, 2, greater than 1, 4, greater than 2, greater than 2.8, greater than 4, in particular greater than 5.
Vorzugsweise ist die untere Membranträgerschicht und/oder die obere Membranträgerschicht zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet und das Verbinden der oberen Membranträgerschicht mit der unteren Membranträgerschicht erfolgt durch das Kleben.Preferably, the lower membrane support layer and / or the upper membrane support layer is coated on at least one side with an adhesive, and the bonding of the upper membrane support layer to the lower membrane support layer is effected by the bonding.
Besonders vorzugsweise kann das Klebemittel ein Schmelzkleber sein, insbesondere ein akrylisches Monomer, das thermisch vernetzt wird. Insbesondere liegt die Temperatur beim Verbinden der Membranträgerschichten im einem Bereich von etwa 1000 C bis etwa 200° C. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise mittels Walzenlamination oder durch Pressen.Particularly preferably, the adhesive may be a hot melt adhesive, in particular an acrylic monomer, which is thermally crosslinked. In particular, the temperature is in connecting the membrane support layers in a range of about 100 0 C to about 200 ° C. The compound is preferably performed using Walzenlamination or by pressing.
Vorteilhafterweise ist die Verbindung zwischen den Membranträgerschichten durch das Klebemittel besonders einfach und zuverlässig herzustellen.Advantageously, the connection between the membrane carrier layers by the adhesive is particularly easy and reliable to produce.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren weiter die Schritte: - Anordnen einer Abdeckung an den Membranhalter, um die Membranhalteröffnung einseitig zu verschliessen; Anordnen einer Schablone an der unverschlossenen Seite der Membranhalteröffnung, wobei die Schablone eine im wesentlichen zu der zumindest einen Membranhalteröffnung kongruenten Schablonenöffnung aufweist, so daß der Membranhalter außerhalb der Membranhalteröffnung im wesentlichen vollständig abgedeckt ist.Preferably, the method further comprises the steps of: - placing a cover on the membrane holder in order to close the membrane holder opening on one side; Arranging a template on the unlocked side of the membrane holder opening, wherein the template has a substantially parallel to the at least one membrane holder opening template opening, so that the membrane holder outside the membrane holder opening is substantially completely covered.
Durch das, insbesondere bündige, Verschliessen der Membranhalteröffnung an einer Seite, kann über die noch zugängliche Seite der Membranöffnung eine Substanz in die Membranhalteröffnung eingebracht werden, die im Weiteren die Membran ausbildet. Diese Substanz wird durch die Abdeckung an einem Austritt aus der Membranhalteröffnung gehindert. Zweckmäßigerweise ist die Abdeckung an der Membranhalterunterseite angeordnet.By the, in particular flush, closure of the membrane holder opening on one side, a substance can be introduced into the membrane holder opening via the still accessible side of the membrane opening, which subsequently forms the membrane. This substance is prevented by the cover at an exit from the membrane holder opening. The cover is expediently arranged on the membrane holder underside.
Um den Membranhalter beim Einfüllen der Substanz und dem anschließenden Aufrakeln vor Verschmutzungen durch die Substanz zu schützen, wird die Schablone an der unabgedeckten Seite der Membranhalteröffnung angeordnet. Vorteilhafterweise ermöglicht die Ausbildung der Membran aus einer noch flüssigen, sich im Weiteren verfestigenden Substanz die Ausbildung einer Verbindung zwischen der Membran und dem Membranhalter. Ein zusätzliches Klebemittel ist nicht notwendig im Gegensatz zum Einsetzen einer vorgefertigten Membran in die Membranhalteröffnung.In order to protect the membrane holder during filling of the substance and the subsequent Aufrakeln from contamination by the substance, the template is placed on the uncovered side of the membrane holder opening. Advantageously, the formation of the membrane from a still liquid, further solidifying substance allows the formation of a connection between the membrane and the membrane holder. An additional adhesive is not necessary as opposed to inserting a prefabricated membrane into the membrane holder opening.
Besonders bevorzugt besteht die Schablone aus Metall. Die Öffnung der Schablone mit dem Durchmesser D0 kann insbesondere durch ein (photo- )lithographisches Verfahren ausgebildet werden. Insbesondere kann die Öffnung in einer Metallfolie durch ein Ätzbad ausgebildet werden.Particularly preferably, the template consists of metal. The opening of the template with the diameter D 0 can be formed in particular by a (photo) lithographic method. In particular, the opening in a metal foil can be formed by an etching bath.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren weiter den Schritt: Auf räkeln einer elastisch verfestigenden Substanz zur Ausbildung der Membran. Vorteilhafterweise ist das Aufrakeln der Substanz besonders einfach und mit geringem Aufwand durchzuführen.Preferably, the method further comprises the step of: lolling an elastically solidifying substance to form the membrane. Advantageously, the doctoring of the substance is particularly simple and to carry out with little effort.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren weiter die Schritte: - Anordnen einer Form an den Membranhalter, wobei die Form zu jeder Membranhalteröffnung an der Membranhalteroberseite jeweils eine im wesentlichen zu dieser kongruente Aussparung sowie jeweils zumindest eine Zu- und Ableitung, welche die Aussparung mit dem Äußeren der Form verbinden, aufweist; - Zuführen einer flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz in den durch den Membranhalter, die Abdeckung und die Form gebildeten Hohlraum; - Verfestigen der flüssigen Substanz zur Ausbildung der Membran.Preferably, the method further comprises the steps of: - placing a mold on the membrane holder, the mold to each membrane holder opening on the membrane holder top each have a substantially congruent to this recess and in each case at least one inlet and outlet, which the recess with the exterior of the mold connect; Feeding a liquid elastically solidifying substance into the cavity formed by the membrane holder, the cover and the mold; - Solidifying the liquid substance to form the membrane.
Insbesondere wird die Form derart an der Membranhalteroberseite angeordnet, daß sich jede kongruente Aussparung der Form mit der zugeordneten Membran- halteröffnung deckt. In dieser Position wird die Form an den Membranhalter angepreßt oder verklebt, so daß ein im wesentlichen fluiddichter, lösbarer mechanischer Kontakt zwischen der Form und dem Membranhalter ausgebildet ist.In particular, the mold is arranged on the membrane holder top such that each congruent recess of the mold coincides with the associated membrane holder opening. In this position, the mold is pressed or glued to the membrane holder, so that a substantially fluid-tight, releasable mechanical contact between the mold and the membrane holder is formed.
Die Form weist zumindest eine Zuleitung und zumindest eine Ableitung auf, welche jeweils eine Verbindung herstellen zwischen dem Äußeren und demThe mold has at least one supply line and at least one discharge, which in each case establish a connection between the exterior and the
Hohlraum, der durch die Form, den Membranhalter und der Abdeckung gebildet wird. Insbesondere besteht die Form aus Polymethylmethacrylat (PMMA) bzw. Acrylglas. Besonders bevorzugt ist die Aussparung der Form im wesentlichen kegelstumpfförmig ausgebildet.Cavity formed by the mold, the membrane holder and the cover becomes. In particular, the mold consists of polymethyl methacrylate (PMMA) or acrylic glass. Particularly preferably, the recess of the mold is formed substantially frusto-conical.
Vorzugsweise über die Zuleitung wird eine flüssige sich elastisch verfestigende Substanz in den Hohlraum eingebracht, wobei die in dem Hohlraum befindliche Luft über die Ableitung entweichen kann. Die Zufuhr der flüssigen Substanz wird beendet, sobald die Substanz aus der Ableitung austritt. Insbesondere können aber sowohl die Zuleitung als auch die Ableitung dazu dienen, die flüssige Substanz zuzuführen bzw. die Luft abzuleiten.Preferably, via the feed line, a liquid, elastically solidifying substance is introduced into the cavity, wherein the air in the cavity can escape via the discharge line. The supply of the liquid substance is stopped as soon as the substance emerges from the discharge. In particular, however, both the supply line and the discharge can serve to supply the liquid substance or to remove the air.
Besonders vorzugsweise erfolgt die Zufuhr der flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz in den folgenden zwei Schritten. Im ersten Schritt erfolgt die Zufuhr der flüssigen Substanz mittels der Dispensierspitze, die durch eine der Zuleitungen oder durch eine der Ableitungen in die Form eingeführt wird. Dabei wird die Dispensierspitze vorzugsweise bis nahe an die Abdeckung herangeführt, wodurch der Hohlraum zwischen der Form und dem Membranhalter von seinem tiefsten Punkt her mit der flüssigen Substanz ausgefüllt werden kann. Vorteilhafterweise wird dadurch der Einschluß von Luftblasen verhindert.Particularly preferably, the supply of the liquid elastically solidifying substance takes place in the following two steps. In the first step, the liquid substance is supplied by means of the dispensing tip, which is introduced into the mold through one of the supply lines or through one of the discharge lines. In this case, the dispensing tip is preferably brought close to the cover, whereby the cavity between the mold and the membrane holder can be filled with the liquid substance from its lowest point. Advantageously, this prevents the inclusion of air bubbles.
Bevor die zugeführte Menge der flüssigen Substanz ein Mundloch einer Zu- oder Ableitung erreicht, wird die Dispensierspitze aus der Form entfernt, so daß in einem zweiten Schritt die Zufuhr der flüssigen Substanz über eine der Zuleitungen, wobei die Dispensierspitze vorzugsweise nicht in den Hohlraum ragt, sondern lediglich bereichsweise in die Zuleitung eingeführt ist.Before the supplied amount of the liquid substance reaches a mouth hole of an inlet or outlet, the dispensing tip is removed from the mold, so that in a second step the supply of the liquid substance via one of the supply lines, wherein the dispensing tip preferably does not protrude into the cavity, but only partially introduced into the supply line.
Vorteilhafterweise ist die Auswahl an möglichen flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz bei diesem Verfahren zur Herstellung der Membran besonderen umfangreich.Advantageously, the selection of possible liquid elastically solidifying substance in this method for producing the membrane is particularly extensive.
Vorzugsweise ist die Abdeckung durch ein Lösungsmittel löslich und/oder durch ein Lösungsmittel im wesentlichen kraftfrei ablösbar. Zweckmäßigerweise wird die ausgebildete Membran oder der Membranhalter nicht, auch nicht teilweise, durch das Lösungsmittel gelöst. Besonders bevorzugt ist das Lösungsmittel Wasser.Preferably, the cover is soluble by a solvent and / or substantially force-free detachable by a solvent. Conveniently, the formed membrane or the membrane holder is not, even partially, dissolved by the solvent. Most preferably, the solvent is water.
Besonders bevorzugt ist die Abdeckung eine Folie, insbesondere eine Polyesterfolie, welche mit Polyvinylalkohol und/oder Polyvinylpyrolidon beschichtet ist. Die Beschichtung ist wasserlöslich, so daß die Abdeckung ohne Krafteinwirkung von dem Membranhalter lösbar, d.h. durch Wasser ablösbar, ist.The cover is particularly preferably a film, in particular a polyester film, which is coated with polyvinyl alcohol and / or polyvinylpyrrolidone is. The coating is water-soluble, so that the cover detachable without force from the membrane holder, that is detachable by water, is.
Vorteilhafterweise kann die Abdeckung ohne Krafteinwirkung vom Membranhalter und von der ausgebildeten Membran abgelöst werden, so daß eine Beschädigung der Membran verhindert wird.Advantageously, the cover can be detached from the membrane holder and from the formed membrane without the action of force, so that damage to the membrane is prevented.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren das Dispensieren einer flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz vom Rand der Membranhalteröffnung zur Mitte hin, insbesondere spiralförmig, so daß die Membranhalteröffnung geschlossen wird. Besonders vorzugsweise wird der Rand der Membranhalteröffnung durch die sich elastisch verfestigende Substanz im wesentlichen vollständig bedeckt und insbesondere wird die Membranhalteröffnung durch diese Substanz im wesentlichen vollständig verfüllt.Preferably, the method comprises dispensing a liquid elastically solidifying substance from the edge of the membrane holder opening towards the center, in particular helically, so that the membrane holder opening is closed. Particularly preferably, the edge of the membrane holder opening is substantially completely covered by the elastically solidifying substance and in particular the membrane holder opening is substantially completely filled by this substance.
Diese alternative Art der Membranausbildung benötigt vorteilhafterweise weder eine Abdeckung noch eine Schablone. Allerdings ist die Auswahl an membranbildenden Substanzen zusätzlich durch die Viskosität eingeschränkt, da die membranbildende Substanz einerseits fließfähig sein muß, um eine glatte Membranoberfläche auszubilden, aber andererseits fest genug sein muß, um an der vorbestimmten Position in der Membranhalteröffnung zu verharren, bis der Aushärtungsprozeß abgeschlossen ist. Ferner darf der Membranhalter nicht auf einer Arbeitsfläche aufliegen.This alternative type of membrane training advantageously requires neither a cover nor a template. However, the choice of membrane-forming substances is additionally limited by viscosity, since the membrane-forming substance must be flowable on one hand to form a smooth membrane surface, but on the other hand must be strong enough to stay in the predetermined position in the membrane holder opening until the curing process is complete is. Furthermore, the membrane holder must not rest on a work surface.
Vorteilhafterweise kann durch genaues Dosieren der Substanzmenge eine im wesentlichen flache Membran ausgebildet werden, welche im wesentlichen keine Oberflächenstruktur aufweist. Ferner können Verschmutzungen des Membranhalter durch die membranbildende Substanz vermieden werden.Advantageously, by accurately metering the amount of substance, a substantially flat membrane can be formed which has substantially no surface structure. Furthermore, contamination of the membrane holder can be avoided by the membrane-forming substance.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren das Ausbilden eines Tropfens einer flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz an einer Dispensierspitze, wobei der Tropfen einen Durchmesser aufweist, der größer oder gleich dem Durchmesser Du der Membranhalteröffnung an der Membranhalterunterseite (21 ) ist und das Anordnen des Tropfens an die Membranhalteröffnung, so daß die Membranhalteröffnung geschlossen wird. Dabei ist die Dispensierspitze in hinreichender Entfernung von der zu verschließenden Membranhalteröffnung positioniert, wenn eine ausreichende Menge der flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz aus der Dispensierspitze ausgestoßen wird, um den Tropfen auszubilden, so daß die Substanz zunächst nicht mit dem Membranhalter in Berührung gelangt. Nachdem eine vorbestimmte Menge des flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz aus der Dispensierspitze ausgetreten und der Tropfen ausgebildet ist, wird die Dispensierspitze in Richtung der Membranhalteröffnung verlagert, um den Tropfen an der Membranhalteröffnung anzuordnen, so daß diese geschlossen ist. Nach dem Aushärten der flüssigen Substanz ist die elastische Membran ausgebildet.Preferably, the method comprises forming a drop of a liquid elastically solidifying substance at a dispensing tip, the droplet having a diameter greater than or equal to the diameter D u of the membrane holder opening at the membrane holder bottom (21), and disposing the drop at the membrane holder opening so that the membrane holder opening is closed. In this case, the dispensing tip is positioned at a sufficient distance from the membrane holder opening to be closed when a sufficient amount of the liquid elastically solidifying substance is expelled from the dispensing tip to form the drop, so that the substance initially does not come into contact with the membrane holder. After a predetermined amount of the liquid elastically solidifying substance emerges from the dispensing tip and the drop is formed, the dispensing tip is displaced toward the membrane holder opening to locate the drop at the membrane holder opening so that it is closed. After curing of the liquid substance, the elastic membrane is formed.
Diese alternative Art der Membranausbildung benötigt vorteilhafterweise ebenfalls weder eine Abdeckung noch eine Schablone. Weiter vorteilhafterweise besteht im Vergleich zu dem vorgehend beschriebenen Verfahren eine größere Auswahl an membranbildenden Substanzen, da die Einschränkung bezüglich der Viskosität weniger graviert ist.This alternative type of membrane training advantageously also requires neither a cover nor a template. Further advantageously, there is a larger selection of membrane-forming substances compared to the method described above, since the restriction with respect to the viscosity is less engraved.
Vorzugsweise ist die elastisch verfestigenden Substanz zur Ausbildung der Membran ein Polymer.Preferably, the elastically solidifying substance for forming the membrane is a polymer.
Vorzugsweise ist die elastisch verfestigenden Substanz zur Ausbildung der Membran Silikon. Insbesondere können die Membranen aus einem technischen Silikon ausgebildet werden, das als Dichtungs- und Klebstoff material verwendet wird.Preferably, the elastically solidifying substance for forming the membrane is silicone. In particular, the membranes can be formed of a technical silicone, which is used as a sealant and adhesive material.
Vorteilhafterweise weist diese Material besonders gute Haftung an Oberflächen auf, so daß eine sichere Verbindung mit dem Membranhalter ausgebildet werden kann. Weiter vorteilhaft liegt die Reißdehnung bei etwa 500%. Da Silikon im allgemeinen transparent ist, kann vorteilhafterweise die Qualität der im Membranhalter ausgebildeten Membran einfach beurteilt werden.Advantageously, this material has particularly good adhesion to surfaces, so that a secure connection with the membrane holder can be formed. Further advantageously, the elongation at break is about 500%. Since silicone is generally transparent, advantageously the quality of the membrane formed in the membrane holder can be easily assessed.
Weiter vorzugsweise erfolgt die Verfestigung bzw. struktuerelle Quervernetzung des Silikons bei einer erhöhten Temperatur von vorzugsweise etwa 60° C bis etwa 120° C, weiter vorzugsweise von etwa 75° C bis etwa 105° C, insbesondere etwa 90° C.Further preferably, the solidification or structural cross-linking of the silicone takes place at an elevated temperature of preferably about 60 ° C to about 120 ° C, more preferably from about 75 ° C to about 105 ° C, especially about 90 ° C.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren die Schritte: Bereitstellen einer Basis;Preferably, the method comprises the steps: Providing a base;
Bereitstellen einer Durchflußkanalschicht mit zumindest einer Ausnehmung; - Verbinden der Durchflußkanalschicht mit der Basis, wodurch das Durchflußelement mit dem Durchflußkanal ausgebildet wird.Providing a flow channel layer having at least one recess; - Connecting the flow channel layer to the base, whereby the flow element is formed with the flow channel.
Die Basis ist im wesentlichen ein ebenes flächiges bzw. plattenförmiges Werkstück, welches sowohl starr als auch flexibel sein kann. Insbesondere kann die Basis eine Polymerplatte, eine Metallplatte oder eine (Polymer- oder Metall- )Folie sein, wobei sich die Basis im wesentlichen parallel zu der x-y-Ebene erstreckt.The base is essentially a flat planar or plate-shaped workpiece, which can be both rigid and flexible. In particular, the base may be a polymer plate, a metal plate or a (polymer or metal) foil with the base extending substantially parallel to the x-y plane.
Der Begriff starr in Relation zu flexibel wird im Sinne der Erfindung dahingehend verstanden, daß der Elastizitätsmodul E und/oder der Schubmodul G des starren Körpers mindestens um den Faktor 2, bevorzugt mindestens um einen Faktor 5, Faktor 10 oder Faktor 100, und besonders bevorzugt mindestens um einen Faktor 1000 größer ist als der Elastizitätsmodul E und/oder der Schubmodul G des im Vergleich dazu flexiblen Körpers. Insbesondere gilt ein Körper als an sich starr, wenn sein Elastizitätsmodul E und/oder der Schubmodul G größer als 1x108 Nm"2, größer als 5x108 Nm'2, größer als IxIO9 Nm'2, größer als 5x109 Nm"2 und insbesondere größer als 1x1010 Nm"2 ist. Insbesondere gilt ein Körper als an sich flexibel, wenn sein Elastizitätsmodul E und/oder der Schubmodul G kleiner als IxI O7 Nm"2, kleiner als 5x106 Nm"2, kleiner als IxI O6 Nm"2 und insbesondere kleiner als 5x105 Nm"2 ist.The term rigid in relation to flexible in the context of the invention is understood to mean that the modulus of elasticity E and / or the shear modulus G of the rigid body by at least a factor of 2, preferably at least a factor of 5, factor 10 or factor 100, and particularly preferred at least a factor of 1000 greater than the modulus of elasticity E and / or the shear modulus G of the flexible body in comparison. In particular, a body is considered as rigid in itself, if its modulus of elasticity E and / or the shear modulus G greater than 1x10 8 Nm "2, greater than 5x10 8 Nm '2, greater than Ixio 9 Nm' 2, greater than 5x10 9 Nm" 2 "2. in particular, a body as per se is considered flexible if its modulus of elasticity e and / or the modulus of rigidity G is less than IxI O 7 Nm" and in particular greater than 1x10 10 Nm 2, less than 5x10 6 Nm "2, less than IxI O 6 Nm "2 and in particular less than 5x10 5 Nm " 2 is.
Parallel zur Basis wird die Durchflußkanalschicht angeordnet, die ebenfalls ein im wesentlichen ein ebenes flächiges bzw. plattenförmiges Werkstück, insbesondere eine Folie, ist. Die Schichtdicke bzw. Stärke der Durchflußkanalschicht entlang der z-Richtung ist besonders bevorzugt kleiner als etwa 1000 μm, weiter vorzugsweise von kleiner als etwa 500 μm bzw. kleiner als etwa 250 μm bzw. kleiner als etwa 150 μm, weiter bevorzugt kleiner als etwa 100 μm bzw. kleiner als etwa 50 μm bzw. kleiner als etwa 25 μm bzw. kleiner als etwa 10 μm, und insbesondere kleiner als etwa 5 μm. Besonders bevorzugt bestehen die Durchflußkanalschicht aus einem Polymer, insbesondere einem Polyimid.Parallel to the base, the Durchflußkanalschicht is arranged, which is also a substantially flat planar or plate-shaped workpiece, in particular a film. The layer thickness of the flow channel layer along the z-direction is particularly preferably less than about 1000 μm, more preferably less than about 500 μm or less than about 250 μm or less than about 150 μm, more preferably less than about 100 or less than about 50 microns or less than about 25 microns or less than about 10 microns, and more preferably less than about 5 microns. Particularly preferably, the flow channel layer consists of a polymer, in particular a polyimide.
In die Durchflußkanalschicht wird zumindest eine Ausnehmung ausgebildet, welche später zumindest bereichsweise einen Durchflußkanal bildet. Die Ausnehmung kann besonders einfach durch, insbesondere rechtwinkliges, Schneiden mittels einer Klinge oder eines Laserstrahles erzeugt werden. Vorzugsweise erstreckt sich die Ausnehmung im wesentlichen, insbesondere geradlinig, entlang eine Längsrichtung Li .In the Durchflußkanalschicht at least one recess is formed, which later forms at least partially a flow channel. The Recess can be particularly easily generated by, in particular rectangular, cutting by means of a blade or a laser beam. Preferably, the recess extends substantially, in particular in a straight line, along a longitudinal direction Li.
Durch die Verbindung der Basis mit der Durchflußkanalschicht wird dann das Durchflußelement ausgebildet, wobei die Verbindung insbesondere durch Kleben, Laminieren, Schweißen oder Vulkanisieren erfolgen kann.By connecting the base with the Durchflußkanalschicht then the flow element is formed, wherein the compound can be done in particular by gluing, laminating, welding or vulcanization.
Besonders vorzugsweise ist die Basis und/oder die Durchflußkanalschicht zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet und das Verbinden Basis mit der Durchflußkanalschicht erfolgt durch Kleben. Insbesondere kann das Klebemittel ein Schmelzkleber sein, wie oben beschrieben. Vorteilhafterweise ist die Verbindung durch das Klebemittel besonders einfach und zuverlässig herzustellen.Particularly preferably, the base and / or the flow channel layer is coated on at least one side with an adhesive and the bonding base with the Durchflußkanalschicht by gluing. In particular, the adhesive may be a hot melt adhesive as described above. Advantageously, the connection by the adhesive is particularly simple and reliable to manufacture.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren zur Ausbildung des Durchflußelementes das Bereitstellen einer Durchflußkanalschicht und das Ausbilden zumindest eines Durchflußkanals durch materialentfernende Bearbeitung.Preferably, the method of forming the flow element comprises providing a flow channel layer and forming at least one flow channel by material removal processing.
Alternativ zu der oben beschriebenen Ausbildung des Durchflußelementes durch das Verbinden einer Basis mit einer Durchflußschicht kann das Durchflußelement einstϋckig ausgebildet sein. Der zumindest eine Durchflußkanal kann dann durch eine materialentfernende Bearbeitung ausgebildet werden, beispielsweise durch spanende, abrasierende und/oder erodierende Bearbeitung oder durch Ätzen, je nach Material des Durchflußelementes. Vorteilhafterweise entfällt bei dieser Alternative der Verfahrensschritt des Verbindens.As an alternative to the above-described embodiment of the flow-through element by connecting a base to a flow-through layer, the flow-through element can be formed in one piece. The at least one flow channel can then be formed by a material-removing machining, for example by machining, shaving and / or eroding machining or by etching, depending on the material of the flow element. Advantageously, eliminates in this alternative, the step of bonding.
Vorzugsweise umfaßt das Verfahren das Aufbringen eines benetzenden Füllstoffes auf den Ventilsitz, so daß die freie Oberfläche des benetzenden Füllstoffes aufgrund der Oberflächenspannung eine stetig gekrümmte Form annimmt und das anschließende Aushärten des benetzenden Füllstoffes.Preferably, the method comprises applying a wetting filler to the valve seat so that the free surface of the wetting filler assumes a continuously curved shape due to surface tension and then curing the wetting filler.
Insbesondere kann das Durchflußelement mit zumindest einem Durchflußkanal ausgebildet werden, wobei der Durchflußkanal einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist, so daß der Durchflußkanal durch eineIn particular, the flow element can be formed with at least one flow channel, wherein the flow channel has a substantially rectangular cross section, so that the flow channel through a
Membran im wesentlichen nicht vollständig geschlossen werden kann, da ein Fluid in den Eckbereichen des Durchflußkanals einen Fließweg vorfinden kann. Vorzugsweise kann der Durchflußkanal mit einem trapezförmigen Querschnitt ausgebildet werden.Membrane essentially can not be fully closed, as a Fluid in the corner regions of the flow channel can find a flow path. Preferably, the flow channel can be formed with a trapezoidal cross-section.
Vorteilhafterweise rundet ein flüssiger Füllstoff, der in den Durchflußkanal dispensiert wird, aufgrund der Oberflächenspannung des Füllstoffes die Ecken ab. Die Membran liegt daher besser an der Wandung des Durchflußkanals an und verschließt den Durchflußkanal daher besser.Advantageously, a liquid filler dispensed into the flow passage rounds off the corners due to the surface tension of the filler. The membrane is therefore better at the wall of the flow channel and therefore closes the flow channel better.
Vorzugsweise ist der benetzende Füllstoff ein UV-härtender Klebstoff und das Aushärten erfolgt durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht.Preferably, the wetting filler is a UV-curing adhesive, and curing is accomplished by exposure to ultraviolet light.
Vorzugsweise wird das Aktuationselement durch folgende Schritte ausgebildet:Preferably, the actuation element is formed by the following steps:
- Bereitstellen einer Aktuationskanalschicht, mit zumindest einem Aktuationskanal als Aktuator;- Providing a Aktuationskanalschicht, with at least one Aktuationskanal as an actuator;
- Verbinden der Aktuationskanalschicht mit der Membranhalteroberseite des Membranhalters, so daß die Membran zumindest bereichsweise an zumindest einem Aktuationskanal angeordnet ist.- Connecting the Aktuationskanalschicht with the membrane holder top of the membrane holder, so that the membrane is at least partially disposed on at least one Aktuationskanal.
Weiter vorzugsweise erfolgt zusätzlich der Schritt:Further preferably, the step additionally takes place:
- Verbinden einer Deckschicht mit der Aktuationskanalschicht.- Connecting a cover layer with the Aktuationskanalschicht.
Die Deckschicht ist im wesentlichen ein ebenes flächiges bzw. plattenförmiges Werkstück, welches sowohl starr als auch flexibel sein kann. Insbesondere kann die Basis eine Polymerplatte oder eine Folie sein, wobei sich die Basis im wesentlichen parallel zu der x-y-Ebene erstreckt.The cover layer is essentially a flat, flat or plate-shaped workpiece, which can be both rigid and flexible. In particular, the base may be a polymer plate or foil, with the base extending substantially parallel to the x-y plane.
Parallel zur Deckschicht wird die Aktuationskanalschicht angeordnet, die ebenfalls ein im wesentlichen ein ebenes flächiges bzw. plattenförmiges Werkstück, insbesondere eine Folie, ist. Die Schichtdicke bzw. Stärke der Aktuationskanalschicht entlang der z-Richtung ist besonders bevorzugt kleiner als etwa 1000 μm, weiter vorzugsweise von kleiner als etwa 500 μm bzw. kleiner als etwa 250 μm bzw. kleiner als etwa 150 μm, weiter bevorzugt kleiner als etwa 100 μm bzw. kleiner als etwa 50 μm bzw. kleiner als etwa 25 μm bzw. kleiner als etwa 10 μm, und insbesondere kleiner als etwa 5 μm. Besonders bevorzugt bestehen die Aktuationskanalschicht aus einem Polymer, insbesondere einem Polyimid. In die Aktuationskanalschicht wird zumindest eine Ausnehmung ausgebildet, welche später zumindest bereichsweise einen Aktuationskanal bildet. Die Ausnehmung kann besonders einfach durch, insbesondere rechtwinkliges, Schneiden mittels einer Klinge oder eines Laserstrahles erzeugt werden. Vorzugsweise erstreckt sich die Ausnehmung im wesentlichen, insbesondere geradlinig, entlang eine Längsrichtung L2.Parallel to the cover layer, the Aktuationskanalschicht is arranged, which is also a substantially flat planar or plate-shaped workpiece, in particular a film. The layer thickness or strength of the Aktuationskanalschicht along the z-direction is particularly preferably less than about 1000 microns, more preferably less than about 500 microns or less than about 250 microns or less than about 150 microns, more preferably less than about 100 or less than about 50 microns or less than about 25 microns or less than about 10 microns, and more preferably less than about 5 microns. Particularly preferably, the Aktuationskanalschicht of a polymer, in particular a polyimide. In the Aktuationskanalschicht at least one recess is formed, which later forms at least partially an actuation channel. The recess can be particularly easily generated by, in particular rectangular, cutting by means of a blade or a laser beam. Preferably, the recess extends substantially, in particular in a straight line, along a longitudinal direction L 2 .
Durch die Verbindung der Deckschicht mit der Aktuationskanalschicht wird dann das Aktuationselement ausgebildet, wobei die Verbindung insbesondere durch Kleben, Laminieren, Schweißen oder Vulkanisieren erfolgen kann.By connecting the cover layer with the Aktuationskanalschicht then the Aktuationselement is formed, the connection can be made in particular by gluing, laminating, welding or vulcanization.
Besonders vorzugsweise ist die Deckschicht und/oder die Aktuationskanalschicht zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet und das Verbinden Deckschicht mit der Aktuationskanalschicht erfolgt durch Kleben. Insbesondere kann das Klebemittel ein Schmelzkleber sein, wie oben beschrieben. Vorteilhafterweise ist die Verbindung durch das Klebemittel besonders einfach und zuverlässig herzustellen.Particularly preferably, the cover layer and / or the Aktuationskanalschicht is coated at least on one side with an adhesive and the bonding cover layer with the Aktuationskanalschicht by gluing. In particular, the adhesive may be a hot melt adhesive as described above. Advantageously, the connection by the adhesive is particularly simple and reliable to manufacture.
Alternativ kann das Aktuationselement einstückig ausgebildet werden, wobei der zumindest eine Aktuationskanal durch ein materialentfernendes oder materialverdrängendes Verfahren, beispielsweise Fräsen, Hobeln, oder Heißprägen, ausgebildet wird. Alternativ kann das Aktuationselement auch durch Spritzgießen einstückig ausgebildet werden.Alternatively, the actuation element can be formed in one piece, the at least one actuation channel being formed by a material-removing or material-displacing method, for example milling, planing or hot stamping. Alternatively, the actuation element can also be formed in one piece by injection molding.
Vorzugsweise wird der zumindest eine Durchflußkanal im wesentlichen entlang einer ersten Längsrichtung L1 erstreckend angeordnet wird und der zumindest eine Aktuationskanal im wesentlichen entlang einer zweiten Längsrichtung L2 erstreckend angeordnet wird. Dabei ist der wobei der zwischen den Längsrichtungen L1 und L2 eingeschlossene Winkel θ vorzugsweise von Null verschieden.Preferably, the at least one flow channel is arranged to extend substantially along a first longitudinal direction L 1 and the at least one actuation channel is arranged to extend substantially along a second longitudinal direction L 2 . In this case, the angle θ enclosed between the longitudinal directions L1 and L2 is preferably different from zero.
Besonders vorzugsweise liegt der eingeschlossene Winkel θ zwischen etwa 15 Grad und etwa 90 Grad. Insbesondere beträgt der eingeschlossene Winkel θ etwa 90 Grad, etwa 60 Grad oder etwa 45 Grad.More preferably, the included angle θ is between about 15 degrees and about 90 degrees. In particular, the included angle θ is about 90 degrees, about 60 degrees, or about 45 degrees.
Vorteilhafterweise tritt eine Verlagerungen bzw. Verformung des Durchflußkanals und somit eine Verringerung des Durchflußkanalquerschnitts nur im Bereich der Membran auf. Ein Druckunterschied zwischen dem Aktuationskanal und dem Durchflußkanal führt aufgrund des großen Abstandes im Falle eines von Null verschiedenen Winkels nur zu einer geringen Verformung des Durchflußkanals.Advantageously, a displacement or deformation of the flow channel and thus a reduction of Durchflußkanalquerschnitts occurs only in the region of Membrane on. A pressure difference between the Aktuationskanal and the flow channel leads due to the large distance in the case of a non-zero angle only to a small deformation of the flow channel.
Das mikrofluidische Ventil gemäß einem AspektThe microfluidic valve according to one aspect
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Ventil bzw. Mikroventil zur Flußsteuerung von Fluiden, umfassend:One aspect of the present invention relates to a microfluidic valve for flow control of fluids comprising:
- ein Aktuationselement mit zumindest einem Aktuator, ein Durchflußelement mit zumindest einem Durchflußkanal,an actuation element with at least one actuator, a flow element with at least one flow channel,
- einen Membranhalter mit einer Membranhalteroberseite, die mit dem Aktuationselement verbunden ist, einer Membranhalterunterseite, die mit dem Durchflußelement verbunden ist, zumindest einer Membranhalteröffnung und zumindest einer aktuierbaren, rückstellfähigen, insbesondere elastisch verformbaren, Membran, welche in der zumindest einen Membranhalteröffnung angeordnet ist, wobei die zumindest eine Membran mit einer Membranunterseite mit dem Durchmesser Du zumindest bereichsweise an dem zumindest einem Durchflußkanal angeordnet ist, wobei die zumindest eine Membran mit einer Membranoberseite mit dem Durchmesser D0 zumindest bereichsweise an dem zumindest einem Aktuator angeordnet ist, wobei der Durchmesser D0 größer als der Durchmesser Du ist und wobei die Wandung des zumindest einen Durchflußkanals durch die zumindest eine aktuierbare Membran in einem Ventilsitz mechanisch kontaktierbar ist, so daß der zumindest eine Durchflußkanal im wesentlichen vollständig durch die Membran verschließbar ist.a membrane holder having a membrane holder top connected to the actuator, a membrane holder bottom connected to the flow member, at least one membrane holder opening and at least one actuatable resettable, particularly elastically deformable membrane disposed in the at least one membrane holder opening the at least one membrane with a diaphragm underside with the diameter D u is arranged at least partially on the at least one flow channel, wherein the at least one membrane with a membrane top with the diameter D 0 at least partially disposed on the at least one actuator, wherein the diameter D 0 is greater than the diameter D u and wherein the wall of the at least one flow channel through the at least one actuatable membrane in a valve seat is mechanically contacted, so that the at least one flow channel substantially completely by di e membrane is closable.
Vorteilhafterweise in die Membran des Mikroventils ist rückstellfähig ausgebildet. Das heißt, daß die Membran durch Anlegen einer Kraft K durch den, insbesondere einstückigen, Aktuator entlang einer Betätigungsrichtung B von einer Ruheposition in eine Betätigungsposition überführbar ist, wobei die Membran in die Ruheposition zurückkehrt, wenn die Kraft K nicht mehr angelegt ist. Insbesondere ist die Membran im wesentlichen elastisch und nur in geringem Maße plastisch verformbar, so daß die Membran in der Betätigungspositon im wesentlichen elastisch verformt ist und aufgrund ihrer inhärenten elastischen Rückstellkraft im wesentlichen in die ursprüngliche Ruheposition zurückkehrt, wenn die verformende Kraft K nicht mehr an der Membran angelegt ist. Deshalb ist das Mikroventil vorteilhafterweise partikeltolerant, da ein Fremdkörper im Bereich des Ventilsitzes den Übergang der Membran von der Ruheposition in die Betätigungsposition nicht verhindern kann. Vielmehr wird die Membran durch den Fremdkörper in der Betätigungsposition entsprechend verformt. Der Durchflußkanal kann trotz des Fremdkörpers im Bereich des Ventilsitzes im wesentlichen vollständig verschlossen werden.Advantageously, in the membrane of the microvalve is formed resilient. That is, the membrane can be transferred by applying a force K by the, in particular one-piece, actuator along an actuating direction B from a rest position to an actuated position, the membrane returns to the rest position when the force K is no longer applied. In particular, the membrane is substantially elastic and only to a small extent plastically deformable, so that the membrane is deformed substantially elastically in the Betätigungspositon and due to their inherent elastic restoring force returns substantially to the original rest position when the deforming force K no longer at the Membrane is created. Therefore, the microvalve is advantageously particle-tolerant, since a foreign body in the region of the valve seat can not prevent the transition of the membrane from the rest position into the actuated position. Rather, the membrane is deformed by the foreign body in the operating position accordingly. The flow channel can be substantially completely closed despite the foreign body in the region of the valve seat.
Der Begriff „Betätigungsrichtung" im Sinne dieser Erfindung beschreibt, eine Richtung, entlang welcher eine Kraft angelegt und ein Körper, insbesondere die Membran, verlagert bzw. verformt werden kann. Beispielsweise kann die Betätigungsrichtung B im wesentlichen senkrecht zu der Deckschicht oder dem Membranhalter des Mikroventils sein. Es ist auch möglich, daß die Betätigungsrichtung B mit der Bezugsebene, beispielsweise dem Membranhalter einen Winkel zwischen etwa 85° und etwa 60° einschließt.The term "actuating direction" in the sense of this invention describes a direction along which a force can be applied and a body, in particular the membrane, displaced or deformed, for example, the actuating direction B substantially perpendicular to the cover layer or the membrane holder of the microvalve It is also possible that the direction of actuation B with the reference plane, for example the membrane holder, includes an angle between about 85 ° and about 60 °.
Die Membran ist eine entlang der Betätigungsrichtung verjüngt ausgebildet, so daß die Membran vorteilhafterweise besonders zuverlässig gehalten wird, wenn die Membran durch eine Kraft K entlang der Betätigungsrichtung B beaufschlagt wird, um in die Betätigungsposition überführt zu werden.The membrane is tapered along the direction of actuation, so that the membrane is advantageously kept particularly reliable when the membrane is acted upon by a force K along the direction of actuation B in order to be transferred to the actuation position.
Der Begriff „Ruheposition", wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beschreibt beispielsweise den Zustand bzw. die Position eines oder mehrerer Teile bzw. Elemente des Mikroventils, insbesondere der Membran. Der Begriff „Ruheposition", wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beschreibt insbesondere diejenige Position der Membran, wenn das Mikroventil in unbenutztem Zustand (Zustand direkt nach der Herstellung) oder geöffnetem Zustand ist. In anderen Worten ragt die Membran in der Ruheposition nicht in den Durchflußkanal, so daß ein Fluid das Mikroventil im wesentlichen ungehindert passieren kann.The term "rest position", as used in the context of the present invention, describes, for example, the state or the position of one or more parts or elements of the microvalve, in particular the membrane In particular, this invention describes the position of the diaphragm when the microvalve is in an unused condition (as-prepared condition) or in an opened condition. In other words, in the rest position, the membrane does not protrude into the flow channel, so that a fluid can pass through the microvalve substantially unhindered.
Der Begriff "Betätigungsposition", wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beschreibt einen von dem vorgenannten Zustand bzw. der vorgenannten Position verschiedenen Zustand bzw. Position der vorgenannten Teile bzw. Elemente, insbesondere der Membran. Im Gegensatz zu der Ruheposition wird in der Betätigungsposition eine Kraft K auf einen oder mehrere Teile bzw. Elemente des Mikroventils ausgeübt. Insbesondere ist die Membran in der Betätigungsposition zumindest bereichsweise entlang der Betätigungsrichtung B verformt bzw. verlagert und ragt zumindest teilweise in den Durchflußkanal hinein. Dabei sind die Bereiche der Membran, die Nahe zur Mittelachse der Membranhalteröffnung angeordnet sind, stärker verlagert bzw. verformt, als die Bereiche der Membran, die mit dem Membranhalter kontaktieren.The term "actuation position" as used in the context of the present invention describes a state or position of the aforementioned parts or elements, in particular the membrane, different from the aforementioned state or the aforementioned position. In contrast to the rest position, a force K is exerted on one or more parts or elements of the microvalve in the actuation position. In particular, the membrane is in the actuating position at least partially deformed or displaced along the direction of actuation B and projects at least partially into the flow channel. In this case, the regions of the membrane which are arranged close to the central axis of the membrane holder opening are displaced or deformed more than the regions of the membrane which contact the membrane holder.
Der Durchflußkanal ist in der Betätigungsposition im wesentlichen, insbesondere vollständig, durch die Membran verschlossen. In anderen Worten kann ein Fluid in der Betätigungsposition nicht entlang der Fließrichtung F durch den Durchflußkanal fließen, d.h. das Mikroventil sperrt den Durchflußkanal im wesentlichen vollständig. Dabei stehen die Betätigungsrichtung B und die Fließrichtung F vorzugsweise im wesentlichen senkrecht zueinander.The flow channel is in the actuation position substantially, in particular completely, closed by the membrane. In other words, a fluid in the actuation position can not flow along the flow direction F through the flow channel, i. the microvalve substantially completely blocks the flow channel. In this case, the actuating direction B and the flow direction F are preferably substantially perpendicular to each other.
Der Begriff „Betätigungsposition", wie er im Sinne der vorliegenden Erfindung verwendet wird, beschreibt somit insbesondere eine Position gemäß der die Membran die Wandung des Durchflußkanals, insbesondere im Bereich des Ventilsitzes, mechanisch kontaktiert. Insbesondere ist ein direkter mechanischer Kontakt zwischen der Membran und dem Ventilsitz hergestellt.The term "actuation position" as used in the context of the present invention thus describes in particular a position according to which the membrane mechanically contacts the wall of the flow channel, in particular in the region of the valve seat, in particular a direct mechanical contact between the membrane and the membrane Valve seat produced.
Besonders vorzugsweise ist der Membranhalter einstückig ausgebildet. Weiter vorzugsweise umfaßt der Membranhalter des Mikroventils eine untere Membranträgerschicht, in der zumindest eine untere Membranträgeröffnung mit jeweils einer Mittelachse Mα und jeweils einem Durchmesser Du ausgebildet ist und eine obere Membranträgerschicht, in der zumindest eine obere Membranträgeröffnung mit jeweils einer Mittelachse M0 und jeweils einem Durchmesser D0 ausgebildet ist, wobei die obere Membranträgerschicht mit der unteren Membranträgerschicht so verbunden ist, daß die Mittelachsen Mu und M0 im wesentlichen zusammenfallen, so daß die untere Membranträgeröffnung und die obere Membranträgeröffnung die Membranhalteröffnung ausbilden.Particularly preferably, the membrane holder is integrally formed. Further preferably, the membrane holder of the microvalve comprises a lower membrane carrier layer, in which at least one lower membrane carrier opening, each having a central axis M α and a diameter D u is formed and an upper membrane carrier layer in which at least one upper membrane carrier opening, each having a central axis M 0 and each a diameter D 0 is formed, wherein the upper membrane support layer is connected to the lower membrane support layer so that the central axes M u and M 0 substantially coincide, so that the lower membrane support opening and the upper membrane support opening form the membrane holder opening.
Vorzugsweise ist die untere Membranträgerschicht und/oder die obere Membranträgerschicht zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet und die oberen Membranträgerschicht mit der unteren Membranträgerschicht mittels des Klebemittels verklebt.The lower membrane carrier layer and / or the upper membrane carrier layer is preferably coated with an adhesive on at least one side, and the upper membrane carrier layer is adhesively bonded to the lower membrane carrier layer by means of the adhesive.
Vorzugsweise ist das Klebemittel ein Schmelzkleber. Vorzugsweise besteht die Membran aus einem Polymer und insbesondere aus einem Elastomer.Preferably, the adhesive is a hot melt adhesive. Preferably, the membrane is made of a polymer and in particular of an elastomer.
Vorzugsweise besteht die Membran aus einem Silikon bzw. Silikongemisch.Preferably, the membrane consists of a silicone or silicone mixture.
Vorzugsweise umfaßt das Mikroventil eine Basis und eine Durchflußkanalschicht mit zumindest einer Ausnehmung, wobei die Durchflußkanalschicht mit der Basis verbunden ist.Preferably, the microvalve comprises a base and a flow channel layer having at least one recess, the flow channel layer being connected to the base.
Vorzugsweise ist das Durchflußelement mit dem zumindest einen Durchflußkanal einstückig ausgebildet.Preferably, the flow element is integrally formed with the at least one flow channel.
Vorzugsweise ist der zumindest eine Durchflußkanal zumindest bereichsweise mit einem stetig gekrümmten, insbesondere einem konischen bzw. trapezförmigen bzw. halbkreisförmigen, Querschnitt ausgebildet.Preferably, the at least one flow channel is at least partially formed with a continuously curved, in particular a conical or trapezoidal or semicircular, cross-section.
Vorzugsweise ist der Ventilsitz durch einen ausgehärteten Füllstoff zumindest bereichsweise stetig gekrümmt ausgebildet.Preferably, the valve seat is formed by a cured filler at least partially continuously curved.
Vorzugsweise ist der ausgehärtete Füllstoff ein UV-härtender Klebstoff.Preferably, the cured filler is a UV-curing adhesive.
Die Aktuation der Membran kann insbesondere pneumatisch, hydraulisch, mechanisch, elektro-magnetisch, thermo-elektrisch und/oder piezo-elektrisch erfolgen. Die mechanische Aktuation kann beispielsweise durch Stößel erfolgen, die über Kurvenscheiben gesteuert werden. Alternativ kann der Stößel auch elektromagnetisch gesteuert werden, z.B. durch eine umgebende Spule. Eine thermo-elektrische Aktuation kann durch elektrisches Aufheizen eines Fluid- oder Feststoffvolumens erfolgen, welches infolge der thermischen Ausdehnung bzw. der Volumenvergrößerung bei einer Änderung des Aggregatzustands (Verdampfung) die Membran aktuiert. Alternativ kann die Ausdehnung eines Feststoffes und die daraus resultierende Aktuation auch mittels des piezo- elektrischen Effekts erfolgen. Insbesondere kann die Aktuation der Membran auch durch eine Druckbeaufschlagung mittels eines Fluids, d.h. eines Gases oder einer Flüssigkeit, erfolgen.The actuation of the membrane can be effected in particular pneumatically, hydraulically, mechanically, electro-magnetically, thermoelectrically and / or piezoelectrically. The mechanical actuation can be done, for example, by plungers, which are controlled via cams. Alternatively, the plunger may also be controlled electromagnetically, e.g. through a surrounding coil. A thermoelectric actuation can be carried out by electrically heating up a fluid or solid volume, which actuates the membrane as a result of the thermal expansion or the increase in volume when the state of matter (evaporation) changes. Alternatively, the expansion of a solid and the resulting actuation can also take place by means of the piezoelectric effect. In particular, the actuation of the membrane may also be effected by pressurization by means of a fluid, i. of a gas or a liquid.
Vorzugsweise umfaßt das Aktuationselement eine Aktuationskanalschicht mit zumindest einem Aktuationskanal und eine Deckschicht, wobei die Aktuationskanalschicht mit der Membranhalteroberseite des Membranhalters verbunden ist und wobei die Deckschicht mit der Aktuationskanalschicht verbunden ist.Preferably, the actuation element comprises an actuation channel layer with at least one actuation channel and a cover layer, wherein the actuation channel layer with the membrane holder top of the membrane holder and wherein the cover layer is connected to the Aktuationskanalschicht.
Weiter vorzugsweise sind die Deckschicht und/oder die Aktuationskanalschicht starr oder relativ zur flexiblen Membran starr ausgebildet, so daß sich die Deckschicht und/oder die Aktuationskanalschicht im wesentlichen nicht verformen, wenn der Druck im Aktuationskanal erhöht wird. Vorteilhafterweise ermöglicht ein derart ausgebildetes Aktuationselement eine verbesserte Aktuation der Membran, da nur geringe Druckverluste durch Verformung des Aktuationselementes auftreten.Further preferably, the cover layer and / or the Aktuationskanalschicht rigid or relative to the flexible membrane are rigid, so that the cover layer and / or the Aktuationskanalschicht not deform substantially when the pressure in Aktuationskanal is increased. Advantageously, such an actuation element allows an improved actuation of the membrane, since only small pressure losses occur by deformation of the actuator.
Besonders bevorzugt kann das Aktuationselement einstückig ausgebildet sein.Particularly preferably, the actuation element can be formed in one piece.
Vorzugsweise ist die Deckschicht und/oder die Aktuationskanalschicht zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet und die Deckschicht mit der Aktuationskanalschicht mittels des Klebemittels verklebt.Preferably, the cover layer and / or the Aktuationskanalschicht is coated at least on one side with an adhesive and the cover layer bonded to the Aktuationskanalschicht means of the adhesive.
Vorzugsweise erstreckt sich der zumindest eine Durchflußkanal im wesentlichen entlang einer ersten Längsrichtung Li und der zumindest eine Aktuationskanal im wesentlichen entlang einer zweiten Längsrichtung L2, wobei der zwischen den Längsrichtungen L1 und L2 eingeschlossene Winkel θ von Null verschieden ist.Preferably, the at least one flow channel extends substantially along a first longitudinal direction Li and the at least one actuation channel substantially along a second longitudinal direction L 2 , the angle θ included between the longitudinal directions L1 and L2 being different from zero.
Vorteilhafterweise tritt eine Verlagerungen bzw. Verformung der Durchflußkanalwand nur im Bereich der Membran auf. Ein Druckunterschied zwischen dem Aktuationskanal und dem Durchflußkanal führt aufgrund des großen Abstandes zwischen beiden im Falle eines von Null verschiedenen Winkels zu einer geringen Verformung des Membranhalters und damit des Durchflußkanals.Advantageously, a displacement or deformation of the flow channel wall occurs only in the region of the membrane. A pressure difference between the Aktuationskanal and the flow channel leads due to the large distance between the two in the case of a non-zero angle to a small deformation of the membrane holder and thus the flow channel.
Vorzugsweise umfaßt das Aktuationselement des Mikroventils zu jeder Membran einen der jeweiligen Membran zugeordneten Stößel als bevorzugten Aktuator. Vorteilhafterweise ist die Aktuierung in diesem Fall besonders einfach mechanisch durch die Verwendung von Kurvenscheiben oder elektromechanisch durch Spulen-Magnet-Systeme auszuführen.Preferably, the actuation element of the microvalve for each membrane comprises a plunger associated with the respective membrane as the preferred actuator. Advantageously, the actuation in this case is particularly simple to perform mechanically by the use of cams or electromechanically by coil-magnet systems.
Die mikrofluidische Pumpe gemäß einem Aspekt Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine mikrofluidische Pumpe bzw. Mikropumpe zur Bewegung von Fluiden (d.h. Gasen und/oder Flüssigkeiten), wobei die Mikropumpe zumindest drei erfindungsgemäße Mikroventile aufweist. Insbesondere sind die zumindest drei Mikroventile wirkungsmäßig entlang des Durchflußkanals hintereinander geschaltet. Das Pumpen des Fluids erfolgt gemäß dem Prinzip der Peristaltik durch zyklisches Öffnen und Schließen der Mikroventile. Vorteilhafterweise kann die Pumprichtung durch eine Umkehr des Öffnungs- und Schließzyklus umgekehrt werden.The microfluidic pump according to one aspect One aspect of the present invention relates to a microfluidic pump or micropump for moving fluids (ie, gases and / or liquids), wherein the micropump has at least three microvalves according to the invention. In particular, the at least three microvalves are operatively connected in series along the flow channel. The pumping of the fluid is carried out according to the principle of peristalsis by cyclically opening and closing the microvalves. Advantageously, the pumping direction can be reversed by reversing the opening and closing cycle.
Vorzugsweise ist die Mikropumpe einteilig. Besonders bevorzugt ist die Mikropumpe aus Polymerfolien ausgebildet, welche miteinander verklebt bzw. laminiert sind und dadurch ein Teil bilden.Preferably, the micropump is in one piece. Particularly preferably, the micropump is formed from polymer films which are glued or laminated together and thereby form a part.
Das mikrofluidische System gemäß einem AspektThe microfluidic system according to one aspect
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System, welches zumindest eine erfindungsgemäße mikrofluidische Komponente (d.h. zumindest ein erfindungsgemäßes Mikroventil und/oder zumindest eine erfindungsgemäße mikrofluidische Pumpe), zumindest einen Durchflußkanal für ein Fluid und zumindest eine Funktionskomponente, welche mit dem Fluid in dem Durchflußkanal kontaktierbar ist, umfaßt.One aspect of the present invention relates to a microfluidic system comprising at least one microfluidic component according to the invention (ie at least one microvalve according to the invention and / or at least one microfluidic pump according to the invention), at least one flow channel for a fluid and at least one functional component associated with the fluid in the flow channel is contactable includes.
Unter „Kontaktierten" wird im Sinne der Erfindung verstanden, daß ein mechanischer und/oder elektrischer und/oder thermischer Kontakt zwischen dem Fluid in dem Durchflußkanal und der Funktionskomponente besteht."Contacted" in the sense of the invention is understood to mean that there is a mechanical and / or electrical and / or thermal contact between the fluid in the flow channel and the functional component.
Vorzugsweise ist die Funktionskomponente ein Sensor zur Bestimmung von physikalischen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaften des Fluids.Preferably, the functional component is a sensor for determining physical, chemical and / or biological properties of the fluid.
Insbesondere ist dem Sensor mittels des Durchflußkanals das Fluid zuführbar, so daß der Sensor beispielsweise die Temperatur, den Druck, die Dichte, die elektrische Leitfähigkeit, die Viskosität, die Färbung, die chemische Zusammensetzung, die Art und Menge von im Fluid gelöster Substanzen und/oder Gasen und/oder im Fluid vorhandener Partikel und/oder Kolloide sowie die Anzahl im Fluid vorhandener mikrobiologischer Organismen.In particular, the fluid can be supplied to the sensor by means of the flow channel, so that the sensor can, for example, measure the temperature, the pressure, the density, the electrical conductivity, the viscosity, the coloring, the chemical composition, the type and amount of substances dissolved in the fluid and / or or gases and / or particles present in the fluid and / or colloids and the number of microbiological organisms present in the fluid.
Vorzugsweise ist die Funktionskomponente eine elektronische Komponente, wobei mittels des Durchflußkanals (47) ein Fluid zur Kühlung der elektronischen Komponente bereitstellbar ist.Preferably, the functional component is an electronic component, wherein by means of the flow channel (47), a fluid for cooling the electronic component is provided.
Weiter vorzugsweise wird der elektronischen Komponente zumindest während ihres Betriebes ein Kühlfluid zugeführt, um die in Wärme umgewandelte elektrische Verlustleistung der elektronischen Komponente von dieser abzuführen. Bei dem Kühlfluid handelt es sich vorzugsweise um eine Flüssigkeit mit einer hohen Wärmekapazität. Weiter vorzugsweise kann das Kühlfluid auch eine Flüssigkeit mit einem Siedepunkt von kleiner oder gleich 1000C, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 800C, insbesondere kleiner oder gleich 400C sein. Weiter bevorzugt ist ein Kühlfluid mit einer hohen Verdampfungsenthalpie bzw. - energie. Bevorzugt ist die Verdampfungsenergie größer als 350 kJ/kg, weiter bevorzugt ist die Verdampfungsenergie größer als 450 kJ/kg, größer als 800 kJ/kg, insbesondere größer als 2200 kJ/kg. Insbesondere kann das Kühlfluid Wasser oder Ethanol sein. Die Kühlung der elektronischen Komponente kann vorzugsweise durch lediglich durch Erwärmung des Kühlfluids oder durch Verdunstung bzw. Verdampfung des Kühlfluids erfolgen.Further preferably, a cooling fluid is supplied to the electronic component at least during its operation in order to dissipate the heat-converted electrical power loss of the electronic component thereof. The cooling fluid is preferably a fluid having a high heat capacity. More preferably, the cooling fluid may also be a liquid having a boiling point of less than or equal to 100 0 C, more preferably less than or equal to 80 0 C, in particular less than or equal to 40 0 C. Further preferred is a cooling fluid with a high enthalpy of enthalpy or energy. Preferably, the evaporation energy is greater than 350 kJ / kg, more preferably the evaporation energy is greater than 450 kJ / kg, greater than 800 kJ / kg, in particular greater than 2200 kJ / kg. In particular, the cooling fluid may be water or ethanol. The cooling of the electronic component can preferably be carried out by merely heating the cooling fluid or by evaporating or evaporating the cooling fluid.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen, beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können einzelne Elemente und/oder Merkmale eines jeden beschriebenen Aspekts und/oder einer jeden beschriebenen Ausführungsform mit einzelnen Elementen und/oder Merkmalen der weiteren Aspekte und/oder weiteren Ausführungsformen in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden und somit weitere Aspekte und/oder Ausführungsformen gebildet werden.The present invention is not limited to the above embodiments described by way of example. Rather, individual elements and / or features of each described aspect and / or each described embodiment may be combined with individual elements and / or features of the further aspects and / or further embodiments in any manner and thus further aspects and / or embodiments may be formed ,
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen:Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figuren 1a— i: Querschnitte durch die Elemente, Halbzeuge und das Mikroventil in der Ruheposition entsprechend einer Ausführungsform in den einzelnen Schritten der Herstellung;Figures 1a-i: cross sections through the elements, semi-finished products and the microvalve in the rest position according to an embodiment in the individual steps of the production;
Figur 1j: einen Querschnitt durch das Mikroventil in derFigure 1j: a cross section through the microvalve in the
Betätigungsposition; Figuren 1 k — I: einen Querschnitt durch einzelne Elemente des Mikroventil bei einem alternativen Verfahren zur Ausbildung der Membran;Operating position; Figures 1 k - I: a cross section through individual elements of the microvalve in an alternative method of forming the membrane;
Figuren 2a-g: Querschnitte durch die Elemente, Halbzeuge und das Mikroventil in der Ruheposition entsprechend einer Ausführungsform in den einzelnen Schritten der Herstellung;Figures 2a-g: cross sections through the elements, semi-finished products and the microvalve in the rest position according to an embodiment in the individual steps of the production;
Figur 2h: einen Querschnitt durch das Mikroventil in derFigure 2h: a cross section through the microvalve in the
Betätigungsposition;Operating position;
Figuren 3a-d: Querschnitte durch die Elemente, Halbzeuge und das Mikroventil in der Ruheposition entsprechend einer Ausführungsform in den einzelnen Schritten der Herstellung;Figures 3a-d: cross-sections through the elements, semi-finished and the microvalve in the rest position according to an embodiment in the individual steps of the production;
Figur 4: einen Querschnitt durch eine Mikropumpe;FIG. 4 shows a cross section through a micropump;
Figur 5: eine Ausführungsform eines mikrofluidischen Systems.Figure 5: an embodiment of a microfluidic system.
Die Figuren 1a-i zeigen die einzelnen Schritte eines bevorzugten Herstellungsverfahrens eines Mikroventils 1. Wie in Figur 1a gezeigt, wird in einem ersten Schritt eine untere Membranträgerschicht 3 bereitgestellt, die sich im wesentlich parallel zur x-y-Ebene erstreckt und in der zumindest eine untere Membranträgeröffnung 5 ausgebildet ist. Jede untere Membranträgeröffnung 5 hat eine Mittelachse Mu, die sich im wesentlichen parallel zur z-Richtung erstreckt, und einen Durchmesser Du. Ferner wird eine obere Membranträgerschicht 7 bereitgestellt, in der zumindest eine obere Membranträgeröffnung 9 ausgebildet ist. Jede obere Membranträgeröffnung 9 hat eine Mittelachse M0, die sich im wesentlichen parallel zur z-Richtung erstreckt, und einen Durchmesser D0. Insbesondere ist der Durchmesser D0 der oberen Membranträgerschichtöffnung 9 größer als der Durchmesser Du, vorzugsweise um einen Faktor größer als 1 ,5.1a-i show the individual steps of a preferred production method of a microvalve 1. As shown in FIG. 1a, in a first step, a lower membrane support layer 3 is provided which extends substantially parallel to the xy plane and in which at least one lower membrane support opening 5 is formed. Each lower membrane carrier opening 5 has a central axis M u , which extends substantially parallel to the z-direction, and a diameter D u . Furthermore, an upper membrane carrier layer 7 is provided, in which at least one upper membrane carrier opening 9 is formed. Each upper membrane support opening 9 has a central axis M 0 , which extends substantially parallel to the z-direction, and a diameter D 0 . In particular, the diameter D 0 of the upper membrane carrier layer opening 9 is greater than the diameter D u , preferably by a factor greater than 1.5.
Die obere und untere Membranträgerschicht 3, 7 sind vorzugsweise Polyimidsubstrate mit einer Dicke von etwa 25 μm bis etwa 50 μm. Die Oberflächen der Membranträgerschichten 3, 7 können glatt, profiliert, rauh und/oder anders strukturiert sein. Insbesondere ist die obere Membranträgerschicht 7 auf der Seite, welche der unteren Membranträgerschicht 3 zugewandt ist mit einem Klebemittel 11 beschichtet. Die Membranträgerschichten werden vor dem gegenseitigen Verbinden derart angeordnet, daß die Mittelachsen Mu und M0 im wesentlichen zusammenfallen und anschließend in dieser Anordnung temporär fixiert. Das temporäre Fixieren kann beispielsweise durch Passerstifte, Klemmen oder Klebestreifen erfolgen, so daß eine gegenseitige Verschiebung verhindert wird.The upper and lower membrane carrier layers 3, 7 are preferably polyimide substrates having a thickness of about 25 μm to about 50 μm. The surfaces of the membrane carrier layers 3, 7 may be smooth, profiled, rough and / or differently structured. In particular, the upper membrane support layer 7 is coated with an adhesive 11 on the side facing the lower membrane support layer 3. The membrane carrier layers are arranged prior to the mutual connection such that the central axes M u and M 0 substantially coincide and then temporarily fixed in this arrangement. The temporary fixing can be done for example by registration pins, clamps or adhesive strips, so that mutual displacement is prevented.
Um den Membranhalter 13 auszubilden, wird die obere Membranträgerschicht 7 mit der unteren Membranträgerschicht 3 durch Kleben bzw. Laminieren verbunden. Der Klebevorgang kann das Erwärmen und Zusammenpressen der Membranträgerschichten umfassen. Wird ein Schmelzkleber als Klebemittel 11 verwendet, so müssen die Membranträgerschichten und der dazwischen angeordnete Schmelzkleber auf Temperaturen von etwa 100° C bis etwa 200° C erwärmt werden, um den Schmelzkleber zu verflüssigen und die Klebung durch die anschließende Vernetzung des Schmelzklebers durchzuführen. Nach der Ausbildung des Membranhalters 13 bilden die untere Membranträgeröffnung 5 und die obere Membranträgeröffnung 9 gemeinsam die Membranhalteröffnung 15 aus.In order to form the membrane holder 13, the upper membrane carrier layer 7 is bonded to the lower membrane carrier layer 3 by gluing or laminating. The bonding process may include heating and compressing the membrane support layers. If a hotmelt adhesive is used as the adhesive 11, the membrane carrier layers and the intermediate melt adhesive must be heated to temperatures of about 100 ° C to about 200 ° C to liquefy the hot melt adhesive and perform the bonding by the subsequent crosslinking of the hot melt adhesive. After the formation of the membrane holder 13, the lower membrane carrier opening 5 and the upper membrane carrier opening 9 together form the membrane holder opening 15.
Der Membranhalter 13 weist eine Membranhalteroberseite 17 auf, die ausgelegt ist, um mit einem Aktuationselement 19 verbunden zu werden, und eine Membranhalterunterseite 21 , die ausgelegt ist, um mit einem Durchflußelement 23 verbunden zu werden.The membrane holder 13 has a membrane holder top 17 which is adapted to be connected to an actuator element 19 and a membrane holder bottom 21 which is adapted to be connected to a flow element 23.
Wie in Figur 1 b gezeigt, wird an der Membranhalterunterseite 21 eine Abdeckung 25 an den Membranhalter 13 angeordnet, um die Membranhalteröffnung 15 zu verschliessen. Die Abdeckung 25 ist vorzugsweise eine mit Polyvinylalkohol beschichtete Polyesterfolie. Die Abdeckung 25 ist aufgrund der wasserlöslichen Beschichtung 27 in einem späteren Schritt in einem Wasserbad von dem Membranhalter 13 kraftfrei ablösbar.As shown in Figure 1 b, a cover 25 is disposed on the membrane holder bottom 21 to the membrane holder 13 to close the membrane holder opening 15. The cover 25 is preferably a polyvinyl alcohol-coated polyester film. The cover 25 is due to the water-soluble coating 27 in a later step in a water bath from the membrane holder 13 detachable force-free.
An der Membranhalteroberseite 17 wird eine Schablone 29, insbesondere eine Metallschablone, an den Membranhalter 13 angeordnet, um den Rand der Membranhalteröffnung 15 abzudecken. Deshalb hat die Schablone 29 zu jeder Membranhalteröffnung 15 jeweils eine im wesentlichen dieser kongruente Schablonenöffnung 31. Anschließend wird ein flüssiges Silikongemisch 33 auf die Schablone 29 aufgebracht und mittles eines Rakels 34 in die verschlossene Membranhalteröffnung 15 eingebracht bzw. aufgerakelt. Die Membranhalteroberseite 17 wird durch die Schablone 29 während des Aufrakelns vor einer Kontamination durch das Silikongemisch 33 geschützt.At the membrane holder top 17, a template 29, in particular a metal template, is arranged on the membrane holder 13 in order to cover the edge of the membrane holder opening 15. Therefore, the template 29 has, for each membrane holder opening 15, in each case a substantially congruent template opening 31. Subsequently, a liquid silicone mixture 33 is applied to the template 29 and introduced by means of a doctor blade 34 in the sealed membrane holder opening 15 or scrape. The membrane holder top 17 is protected by the template 29 during the doctoring against contamination by the silicone mixture 33.
Wie in Figur 1c gezeigt, wird die Membran 37 durch das ausgehärtete Silikongemisches 33 in der Membranhalteröffnung 15 ausgebildet. Das Aushärten erfolgt bei einer erhöhten Temperatur von etwa 90° C, um die Quervernetzen der einzelnen Silikonmoleküle zu begünstigen und die mechanische Belastbarkeit der Membran 37 zu verbessern. Die Membran 37 ist dabei flexibler bzw. elastischer als der Membranhalter. D.h. durch Wirken einer jeweils gleich großen, gleich gerichteten Kraft K wird die Membran 37 räumlich mehr verlagert bzw. verformt als der Membranhalter 13. Mit anderen Worten ist der Membranhalter 13 relativ zur Membran 37 im wesentlichen starr.As shown in FIG. 1 c, the membrane 37 is formed by the hardened silicone mixture 33 in the membrane holder opening 15. The curing takes place at an elevated temperature of about 90 ° C in order to promote the cross-linking of the individual silicone molecules and to improve the mechanical strength of the membrane 37. The membrane 37 is more flexible or more elastic than the membrane holder. That by acting in each case the same magnitude, the same direction of force K, the membrane 37 is spatially displaced or deformed more than the membrane holder 13. In other words, the membrane holder 13 is substantially rigid relative to the membrane 37.
Die Schablone 29 und die Abdeckung 25 werden nach der Ausbildung der Membran 37, wie in Figur 1d gezeigt, wieder vom Membranhalter 13 entfernt.The template 29 and the cover 25 are again removed from the membrane holder 13 after the formation of the membrane 37, as shown in Figure 1d.
Im nächsten Schritt wird, wie in den Figuren 1e und 1f gezeigt, ein Aktuationselement 19 mit einem Aktuator 39 an dem Membranhalter 13 angeordnet und befestigt. Das in der gezeigten Ausführungsform verwendete Aktuationselement 19 umfaßt einen Aktuationskanal 41. Der Aktuationskanal 41 wird durch Wandungen geformt, die zumindest bereichsweise durch den Membranhalter 13, einer Aktuationskanalschicht 43 und einer Deckschicht 45 gebildet werden.In the next step, as shown in FIGS. 1e and 1f, an actuation element 19 with an actuator 39 is arranged and fastened to the membrane holder 13. The actuation element 41 used in the embodiment shown comprises an actuation channel 41. The actuation channel 41 is formed by walls which are formed at least in regions by the membrane holder 13, an actuation channel layer 43 and a cover layer 45.
In der Aktuationskanalschicht 43 ist ein Aktuationskanal 41 als bevorzugter Aktuator 39 ausgebildet. Die Aktuationskanalschicht 43 wird mit derIn the Aktuationskanalschicht 43 an actuation channel 41 is formed as a preferred actuator 39. The Aktuationskanalschicht 43 is connected to the
Membranhalteroberseite 17 des Membranhalters 13 verklebt, so daß dieMembranhalteroberoberseite 17 of the membrane holder 13 glued, so that the
Membran 37 zumindest bereichsweise an zumindest einem Aktuationskanal 41 angeordnet ist. Mit anderen Worten bildet die Membran 13 bereichsweise dieMembrane 37 is at least partially disposed on at least one Aktuationskanal 41. In other words, the membrane 13 partially forms the
Wandung des Aktuationskanals 41. Anschließend wird die Deckschicht 45 mit der Aktuationskanalschicht 43 verbunden, um den Aktuationskanal 41 im wesentlichen fluiddicht zu verschließen, mit Ausnahme zumindest einesWall of the Aktuationskanals 41. Subsequently, the cover layer 45 is connected to the Aktuationskanalschicht 43 to close the Aktuationskanal 41 substantially fluid-tight, with the exception of at least one
Fluidanschlußes in der Deckschicht 45 und der Aktuationskanalschicht 43, der dazu ausgelegt ist den Aktuationskanal 41 mit einem Fluid, d.h. einer Flüssigkeit oder einem Gas, zu versorgen. Mit anderen Worten kann über den Fluidanschluß mittels des Fluids in dem Aktuationskanal 41 ein Fluiddruck aufgebaut werden.Fluid connection in the cover layer 45 and the Aktuationskanalschicht 43, the is designed to supply the Aktuationskanal 41 with a fluid, ie a liquid or a gas. In other words, a fluid pressure can be built up via the fluid connection by means of the fluid in the actuation channel 41.
Die Verbindung von Deckschicht 45, Aktuationskanalschicht 43 und Membranhalter 13 erfolgt vorzugsweise durch Kleben. Die gezeigte Deckschicht 45 und Aktuationskanalschicht 43 sind vorzugsweise einseitig mit einem Schmelzkleber beschichtet, so daß die Verbindung mittels Laminieren unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Anpreßdruck erfolgen kann.The combination of cover layer 45, Aktuationskanalschicht 43 and membrane holder 13 is preferably carried out by gluing. The covering layer 45 and Aktuationskanalschicht 43 shown are preferably coated on one side with a hot melt adhesive, so that the connection can be carried out by lamination at elevated temperature and elevated contact pressure.
Wie in Figur 1g gezeigt, wird im nächsten Schritt ein Durchflußelement 23 mit zumindest einem Durchflußkanal 47 bereit gestellt. Das Durchflußelement 23 wird durch eine Basis 49 und eine Durchflußkanalschicht 51 mit einer Ausnehmung 53 ausgebildet.As shown in FIG. 1g, in the next step, a flow element 23 with at least one flow channel 47 is provided. The flow element 23 is formed by a base 49 and a Durchflußkanalschicht 51 with a recess 53.
Die Durchflußkanalschicht 51 ist eine ebene Schicht, wobei die Ausnehmung 53 bildenden Schnittflächen durch die Durchflußkanalschicht 51 vorzugsweise in einem rechten Winkel zu der Schichtebene stehen. Alternativ können die Schnittflächen auch in einem Winkel größer als 0 Grad und kleiner als 90 Grad zu der Schichtebene stehen.The Durchflußkanalschicht 51 is a flat layer, wherein the recess 53 forming cut surfaces through the Durchflußkanalschicht 51 are preferably at a right angle to the layer plane. Alternatively, the cut surfaces may also be at an angle greater than 0 degrees and less than 90 degrees to the layer plane.
Die Durchflußkanalschicht 51 wird mit der Basis 49, beispielsweise durch Kleben, verbunden und bilden dann das Durchflußelement 23. Alternativ kann die Basis 49, bei einer geeigneten Materialwahl (z.B. Trockenresist Pyralux PC- 1015 von DuPont für die Basis 49 und Polyimidfolie LF-1030 ebenfalls von DuPont für die Durchflußkanalschicht 51 , durch Aufwalzen auf die nicht mit (Schmelz-)Kleber beschichtete Seite der Durchflußkanalschicht 51 verbunden werden.The flow channel layer 51 is connected to the base 49, for example by gluing, and then forms the flow element 23. Alternatively, the base 49, with a suitable choice of material (eg dry resist Pyralux PC-1015 from DuPont for the base 49 and polyimide film LF-1030 also from DuPont for the flow channel layer 51, by rolling on the non-melt-coated side of the flow channel layer 51.
Die mit dem Kleber beschichtete Seite der Durchflußkanalschicht 51 ist ausgelegt mit der Membranhalterunterseite 21 verbunden zu werden. Die Wandungen der Basis 49, der Durchflußkanalschicht 51 und der Membranhalterunterseite 21 bilden nach der Verbindung zumindest bereichsweise den Durchflußkanal 47 aus. Der Bereich der Durchflußkanals 47 an dem die Membran 37 angeordnet ist wird als Ventilsitz 55 bezeichnet.The adhesive coated side of the flow channel layer 51 is designed to be connected to the membrane holder bottom 21. The walls of the base 49, the Durchflußkanalschicht 51 and the membrane holder bottom 21 form at least partially the flow channel 47 after the connection. The region of the flow channel 47 on which the membrane 37 is arranged is referred to as valve seat 55.
Wie in Figur 1 g gezeigt, ist hat der nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Durchflußkanal 47 einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt. Eine Stoßkante 57 zwischen der Basis 49 und der Durchflußkanalschicht 51 ist im wesentlichen eckig ausgestaltet. Diese Ausgestaltung kann dazu führen, daß der Durchflußkanal 47 nicht vollständig verschlossen werden kann und im Bereich der Stoßkante ein Fließweg mit geringem Querschnitt verbleibt. Vorzugsweise wird die Stoßkante 57 deshalb verrundet.As shown in Figure 1g, the flow channel 47 made by the described process has a rectangular or trapezoidal shape Cross-section. A butt edge 57 between the base 49 and the flow channel layer 51 is configured substantially square. This embodiment may result in that the flow channel 47 can not be completely closed and remains in the region of the abutting edge a flow path with a small cross-section. Preferably, the abutting edge 57 is therefore rounded.
Um diese Ecke an der Stoßkante 57 zu verrunden, kann, wie in Figur 1 h gezeigt, ein die Wandung benetzender, flüssiger Füllstoff 59 aufgetragen werden. Aufgrund der Oberflächenspannung des Füllstoffes 59 nimmt die freie Oberfläche bildet eine stetig gekrümmte Form an. Nach dem Aushärten des Füllstoffes 59 ist die Ecke der Stoßkante 57 und damit die Wandung des Durchflußkanals 47 verrundet. Die dem Durchflußkanal 47 zugewandte Fläche des ausgehärteten Füllstoffes wird im folgenden als Teil der Wandung des Durchflußkanals 47 betrachtet. Die Verrundung kann entlang der gesamten Stoßkante 57 erfolgen oder nur bereichsweise, insbesondere im Bereich des späteren Ventilsitzes 55, d.h. insbesondere des Bereiches des Durchflußkanals 47, der in der Betriebsposition des Mikroventils mit der Membran mechanisch kontaktieren wird.To round this corner at the abutting edge 57, as shown in Figure 1 h, a wall wetting, liquid filler 59 can be applied. Due to the surface tension of the filler 59, the free surface forms a continuously curved shape. After curing of the filler 59, the corner of the abutting edge 57 and thus the wall of the flow channel 47 is rounded. The flow channel 47 facing surface of the cured filler is considered below as part of the wall of the flow channel 47. The rounding can take place along the entire abutting edge 57 or only in certain regions, in particular in the region of the later valve seat 55, i. in particular the region of the flow channel 47 which will mechanically contact the diaphragm in the operating position of the microvalve.
Der Füllstoff 59 kann eine bei Raumtemperatur feste und vor dem Aufbringen geschmolzene Substanz sein, die durch Abkühlen bzw. Erstarren aushärtet. Alternativ könnte der Füllstoff 59 eine in einem Lösungsmittel gelöste Substanz sein, die durch Verdunsten des Lösungsmittels aushärtet. Vorzugsweise könnte der Füllstoff 59 ein UV-härtender Klebstoff sein, wobei die Aushärtung durch eine Bestrahlung mit ultraviolettem Licht erfolgt.The filler 59 may be a solid substance at room temperature and molten before application, which hardens by cooling or solidification. Alternatively, the filler 59 could be a substance dissolved in a solvent that cures by evaporation of the solvent. Preferably, the filler 59 could be a UV-curing adhesive, with curing being accomplished by exposure to ultraviolet light.
Wie in Figur 1 i gezeigt, wird nach dem Aushärten des Füllstoffes 59 das Durchflußelement 23 mit der Membranhalterunterseite 21 des Membranhalters 13 verbunden, so daß die Membran 37 zumindest bereichsweise an demAs shown in Figure 1 i, after the curing of the filler 59, the flow element 23 is connected to the membrane holder bottom 21 of the membrane holder 13, so that the membrane 37 at least partially on the
Durchflußkanal 47 angeordnet ist. Die Wandung des Durchflußkanals 47 ist dann durch die aktuierbare Membran 37 in dem Ventilsitz 55 mechanisch kontaktierbar.Flow channel 47 is arranged. The wall of the flow channel 47 is then mechanically contacted by the actuatable membrane 37 in the valve seat 55.
Das Verbinden des Durchflußkanals 47 erfolgt durch Verkleben, insbesondere mittels eines Klebemittels mit dem die Durchflußkanalschicht 51 beschichtet ist.The connecting of the flow channel 47 is effected by gluing, in particular by means of an adhesive with which the Durchflußkanalschicht 51 is coated.
Vorzugsweise ist die Durchflußkanalschicht 51 mit einem Schmelzkleber beschichtet, so daß das Durchflußelementes 23 mit dem Membranhalter 13 durch Laminieren verbunden werden kann.Preferably, the Durchflußkanalschicht 51 is coated with a hot melt adhesive, so that the Durchflußelementes 23 with the membrane holder 13 through Laminating can be connected.
Die Figur 1 i zeigt das Mikroventil 1 in der Ruheposition, in welcher die Membran insbesondere nicht in den Durchflußkanal 47 hineinragt. Die Membran 37 ist durch eine Kraft K entlang der Betätigungsrichtung B auslenkbar, wobei die Betätigungsrichtung B im wesentlichen parallel zur z-Richtung verläuft. Diese Kraft K wird dadurch erzeugt, das der Aktuationskanal 41 mit einem Druck P beaufschlagt wird. Der Druck P wirkt omnidirektional und übt damit auch in Betätigungsrichtung B eine Kraft K aus, wobei der Betrag der Kraft K proportional zur der Fläche der Membran 37 ist, die mit dem Druck P beaufschlagt wird. Da der Membranhalter 13 und das Aktuationselement 19 relativ zur Membran 37 starr sind, führt der omnidirektional wirkende Druck P im wesentlichen zur einer Verformung der Membran 37 entlang der Betätigungsrichtung B.FIG. 1 i shows the microvalve 1 in the rest position, in which the membrane in particular does not protrude into the flow channel 47. The membrane 37 is deflectable by a force K along the direction of actuation B, wherein the actuating direction B is substantially parallel to the z-direction. This force K is generated by the fact that the Aktuationskanal 41 is acted upon by a pressure P. The pressure P acts omnidirectionally and thus exerts a force K in the direction of actuation B, the magnitude of the force K being proportional to the area of the diaphragm 37 which is acted upon by the pressure P. Since the membrane holder 13 and the actuation element 19 are rigid relative to the membrane 37, the omnidirectional pressure P essentially results in a deformation of the membrane 37 along the actuation direction B.
Wie in der Figur 1 i gezeigt, erstreckt sich der Durchflußkanal 47 im wesentlichen entlang einer ersten Längsrichtung L1, die insbesondere im wesentlichen parallel zur y-Richtung ist. Im wesentlichen senkrecht dazu erstreckt sich der Aktuationskanal 41 entlang einer zweiten Längsrichtung L2, die insbesondere im wesentlichen parallel zur x-Richtung ist. D.h. der zwischen den Längsrichtungen L1 und L2 eingeschlossene Winkel θ beträgt etwa 90 Grad. Dadurch wird die Fläche außerhalb der Membran 37 minimiert, in welcher der Aktuationskanal 41 und der Durchflußkanal 47 räumlich nur durch die (geringe) Schichtdicke des Membranhalter 13 beabstandet sind. Dadurch wird eine Verformung des Membranhalters und damit des Querschnitts des Aktuationskanals 41 und des Durchflußkanals 47 minimiert, welche aufgrund einer Druckdifferenz zwischen dem Aktuationskanal 41 und dem Durchflußkanal 47 entsteht. Durch diese bevorzugte Ausgestaltung kann der Membranhalter 13 und damit die Membran 37 dünner ausgebildet werden, da der Membranhalter 13 geringere mechanische Belastungen aufnehmen muß.As shown in Figure 1 i, the flow channel 47 extends substantially along a first longitudinal direction L 1 , which is in particular substantially parallel to the y-direction. Substantially perpendicular thereto, the actuation channel 41 extends along a second longitudinal direction L 2 , which is in particular substantially parallel to the x-direction. That is, the angle θ included between the longitudinal directions L1 and L2 is about 90 degrees. This minimizes the area outside the membrane 37, in which the actuation channel 41 and the flow channel 47 are spatially separated only by the (small) layer thickness of the membrane holder 13. Thereby, a deformation of the membrane holder and thus the cross section of the Aktuationskanals 41 and the flow channel 47 is minimized, which arises due to a pressure difference between the Aktuationskanal 41 and the flow channel 47. By this preferred embodiment, the membrane holder 13 and thus the membrane 37 can be made thinner, since the membrane holder 13 must absorb lower mechanical loads.
Alternativ können die ersten und zweiten Längsrichtung Li und L2 auch einen beliebigen Winkel θ einschließen, wenn der Membranhalter 13 entsprechend ausgelegt wird, um sich bei den auftretenden Druckbelastungen hinreichend wenig zu verformen.Alternatively, the first and second longitudinal directions Li and L 2 may also include an arbitrary angle θ when the diaphragm holder 13 is appropriately designed to deform sufficiently little under the compressive loads involved.
Die Figur 1j zeigt das Mikroventil 1 in der Betätigungsposition. Die Membran 37 ist durch eine Kraft K entlang der Betätigungsrichtung B entgegen der z-Richtung ausgelenkt, die aufgrund des im Aktuationskanal 41 herrschenden Drucks P auf die Membran 37 wirkt.FIG. 1j shows the microvalve 1 in the actuated position. The membrane 37 is deflected by a force K along the direction of actuation B against the z-direction, which acts on the membrane 37 due to the prevailing pressure in the actuation channel 41 P.
Die Membran 37 ist in der Betätigungsposition bereichsweise entlang der Betätigungsrichtung B verformt bzw. verlagert und ragt teilweise in den Durchflußkanal 47 hinein. Dabei sind die Bereiche der Membran 37, die Nahe zur Mittelachse M0 der Membranhalteröffnung 15 angeordnet sind, stärker verlagert bzw. verformt, als die Bereiche der Membran 37, die mit dem Membranhalter 13 kontaktieren.The membrane 37 is partially deformed or displaced in the actuation position along the direction of actuation B and protrudes partially into the flow channel 47. In this case, the regions of the membrane 37 which are arranged close to the central axis M 0 of the membrane holder opening 15 are displaced or deformed more strongly than the regions of the membrane 37 which contact the membrane holder 13.
Die Membran wird dabei derart verformt, daß sie die Wandung der Durchflußkanals 47 im Bereich des Ventilsitzes 55 im wesentlichen vollständig mechanisch kontaktiert. Dadurch wird der Durchflußkanal 47 im wesentlichen vollständig verschlossen. Wie in Figur 1j gezeigt, schmiegt sich die stetig gekrümmte Fläche bzw. Oberfläche der Membran 37, die in den Durchflußkanal 47 hineinragt, im wesentlichen formkongruent an die Wandung des Durchflußkanals 47 an. Da die rückstellfähige Membran 37 bei dem Übergang von der Ruheposition in die Betätigungsposition im wesentlichen elastisch verformt wird, ist diese Verformung reversibel. Das heißt, daß die Membran wieder in die Ruheposition zurückkehrt, wenn in dem Aktuationskanal 47 kein Druck P mehr anliegt.The membrane is thereby deformed so that it contacts the wall of the flow channel 47 in the region of the valve seat 55 substantially completely mechanically. As a result, the flow channel 47 is substantially completely closed. As shown in Figure 1j, the continuously curved surface or surface of the membrane 37, which projects into the flow channel 47, nestles substantially conforming to the shape of the wall of the flow channel 47 at. Since the resilient diaphragm 37 is substantially elastically deformed in the transition from the rest position to the operating position, this deformation is reversible. This means that the membrane returns to the rest position when in the Aktuationskanal 47 no more pressure P is applied.
Da der Membranhalter 13 und das Aktuationselement 19 relativ zur Membran 37 starr sind, sind der Membranhalter 13 und das Aktuationselement 19 im Vergleich zur Ruheposition im wesentlichen nicht verlagert oder verformt.Since the membrane holder 13 and the actuator 19 are rigid relative to the membrane 37, the membrane holder 13 and the actuator 19 are substantially not displaced or deformed as compared to the rest position.
Die Figur 1 k zeigt analog zur Figur 1 b einen Querschnitt durch den Membranhalter während der Ausbildung der Membran mittels eines alternativen Verfahrens. An den Membranhalter 13 ist, wie schon in Figur 1 b gezeigt, die ablösbare Abdeckung 25 angeordnet, um die Membranhalteröffnung 15 einseitig zu verschließen.FIG. 1 k shows, analogously to FIG. 1 b, a cross section through the membrane holder during the formation of the membrane by means of an alternative method. As already shown in FIG. 1 b, the detachable cover 25 is arranged on the membrane holder 13 in order to close the membrane holder opening 15 on one side.
An der Membranhalteroberseite 17 wird eine Form 65 an den Membranhalter 13 angeordnet. Die Form 65 weist zu jeder Membranhalteröffnung 15 an derAt the membrane holder top 17, a mold 65 is arranged on the membrane holder 13. The mold 65 faces each membrane holder opening 15 at the
Membranhalteroberseite 17 jeweils eine im wesentlichen zu dieser kongruente Aussparung 67 auf. Die Form 65 wird derart an der Membranhalteroberseite 17 angeordnet, daß sich die Aussparung 67 der Form 65 mit der Membranhalteröffnung 15 deckt. In dieser Position wird die Form 65 an den Membranhalter 13 angepreßt, so daß ein im wesentlichen fluiddichter, lösbarer mechanischer Kontakt zwischen der Form 65 und dem Membranhalter 13 besteht. Alternativ zur Aufbringung eines ausreichenden Anpreßdrucks kann zwischen an der Membranhalteroberseite 17 bzw. der Unterseite der Form 65 ein Klebemittel, insbesondere ein Klebeband, aufgetragen bzw, angeordnet werden, um ein Eindringen von Silikongemisch 33 zwischen der Membranhalteroberseite 17 und der Unterseite der Form 65 zu verhindern.Membranhalteroberseite 17 each a substantially congruent to this Recess 67 on. The mold 65 is disposed on the membrane holder top 17 such that the recess 67 of the mold 65 coincides with the membrane holder opening 15. In this position, the mold 65 is pressed against the membrane holder 13, so that there is a substantially fluid-tight, releasable mechanical contact between the mold 65 and the membrane holder 13. As an alternative to applying a sufficient contact pressure, an adhesive, in particular an adhesive tape, may be applied between the membrane holder top side 17 and the underside of the mold 65 in order to prevent penetration of silicone mixture 33 between the membrane holder top 17 and the underside of the mold 65 ,
Die Form 65 besteht vorzugsweise aus Polymethylmethacrylat (PMMA) bzw. Acrylglas. Die Aussparung 67 der Form 65 ist vorzugsweise im wesentlichen kegelstumpfförmig. Ferner weist die Form 65 zumindest eine Zuleitung 69 und eine Ableitung 71 auf, welche jeweils die Aussparung 67 mit dem Äußeren der Form 65 verbinden, so daß ein Silikongemisch 33 von außen zugeführt werden und die zwischen der Form 65 und dem Membranhalter 13 eingeschlossene Luft entweichen kann. Vorzugsweise ist das Mundloch der Zuleitung 69 in der Aussparung 67 nahe der Kontaktfläche zwischen der Form 65 und dem Membranhalter 13 angeordnet. Weiter vorzugsweise ist das Mundloch der Ableitung 71 in der Aussparung 67 in einem von der Kontaktfiäche zwischen der Form 65 und dem Membranhalter 13 entfernten Bereich, insbesondere der Spitze der kegelförmigen Aussparung 67, angeordnet.The mold 65 is preferably made of polymethyl methacrylate (PMMA) or acrylic glass. The recess 67 of the mold 65 is preferably substantially frusto-conical. Further, the mold 65 has at least a lead 69 and a lead 71 which connect the recess 67 to the outside of the mold 65, respectively, so that a silicone compound 33 is supplied from the outside and the air trapped between the mold 65 and the membrane holder 13 is exhausted can. Preferably, the mouth hole of the lead 69 is disposed in the recess 67 near the contact surface between the mold 65 and the membrane holder 13. Further preferably, the mouth hole of the drain 71 is disposed in the recess 67 in a region remote from the contact surface between the mold 65 and the membrane holder 13, in particular the apex of the conical recess 67.
Zur Ausbildung der Membran kann ein Silikongemisch 33 durch die Zuleitung 69 in die Form 65 eingebracht werden, wobei die in der Form 65 eingeschlossene Luft durch die Ableitung 71 entweicht. Die Zufuhr des Silikongemisches 33 wird beendet, sobald Silikongemisch 33 aus der Ableitung 71 austritt.To form the membrane, a silicone mixture 33 can be introduced through the feed line 69 into the mold 65, the air trapped in the mold 65 escaping through the discharge line 71. The supply of the silicone mixture 33 is terminated as soon as silicone mixture 33 leaves the discharge line 71.
Vorzugsweise erfolgt die Zufuhr des Silikongemisches in zwei Schritten. Im ersten Schritt erfolgt die Zufuhr des Silikongemisches 33 mittels einer Dispensierspitze 35, die durch die in der Kegelspitze der Aussparung 67 mündende Ableitung 71 eingeführt wird. Dabei wird die Dispensierspitze *35 vorzugsweise bis nahe an die Abdeckung 25 heran geführt, wodurch der Hohlraum zwischen der Form 65 und dem Membranhalter 13 von seinem tiefsten Punkt her mit dem Silikongemisch ausgefüllt wird. Vorteilhafterweise wird dadurch der Einschluß von Luftblasen verhindert.Preferably, the supply of the silicone mixture takes place in two steps. In the first step, the supply of the silicone mixture 33 takes place by means of a dispensing tip 35, which is introduced through the outlet 71 opening into the apex of the recess 67. The dispensing tip * 35 is preferably zoomed close to the cover 25, whereby the cavity between the mold 65 and the membrane holder 13 is filled from its lowest point with the silicone mixture. Advantageously, thereby the inclusion of air bubbles prevented.
Bevor die zugeführte Menge des Silikongemisches 33 das Mundloch der Zuleitung 69 erreicht, wird die Dispensierspitze 35 aus dem Hohlraum entfernt. Während des Herausziehens der Dispensierspitze 35 wird vorzugsweise kontinuierlich dispensiert, wodurch vorteilhafterweise die Entstehung eines lokalen Unterdrucks verhindert wird, der einen Einschluß von Luftblasen bewirken könnte.Before the supplied amount of the silicone compound 33 reaches the mouth hole of the supply line 69, the dispensing tip 35 is removed from the cavity. During extraction of the dispensing tip 35, it is preferably dispensed continuously, which advantageously prevents the formation of a local underpressure which could cause the inclusion of air bubbles.
In einem zweiten Schritt erfolgt die Zufuhr des Silikongemisches 33 über die Zuleitung 69, wobei die Dispensierspitze 35 vorzugsweise nicht in den Hohlraum ragt, sondern lediglich bereichsweise in die Zuleitung 69 eingeführt wird. Vorzugsweise weist die Zuleitung 69 einen geringeren Durchmesser als die Ableitung 71 auf. Vorzugsweise wird die Silikongemischfließrate, d.h. die zugeführte Menge des Silikongemisches 33 pro Zeiteinheit, der Viskosität des Silikongemisches 33 derart angepaßt, daß eine im wesentliche horizontale Luft- Silikongemisch-Grenzfläche in dem Hohlraum ausgebildet wird. Diese Grenzfläche steigt während der Silikongemischzufuhr bis zur Oberkante der Aussparung 67 in der Form 65 und weiter bis in die Ableitung 71. Sobald das Silikongemisch 33 aus der Ableitung 71 austritt, wird die Zufuhr von Silikongemisch 33 beendet.In a second step, the supply of the silicone mixture 33 via the supply line 69, wherein the dispensing tip 35 preferably does not protrude into the cavity, but is only partially introduced into the supply line 69. Preferably, the supply line 69 has a smaller diameter than the discharge line 71. Preferably, the silicone compound flow rate, i. the amount of silicone compound 33 supplied per unit time, the viscosity of the silicone mixture 33 adapted so that a substantially horizontal air-silicone mixture interface is formed in the cavity. This interface increases during the silicone compound supply to the upper edge of the recess 67 in the mold 65 and further into the discharge line 71. As soon as the silicone mixture 33 exits the discharge line 71, the supply of silicone mixture 33 is terminated.
Die Figur 11 zeigt den mit der Abdeckung 25 versehenen Membranhalter 13 nach dem Erhärten des Silikongemisches und dem Entfernen der Form 65. DasFIG. 11 shows the membrane holder 13 provided with the cover 25 after the hardening of the silicone mixture and the removal of the mold 65
Erhärten des Silikongemisches 33 zur Ausbildung der Membran 37 erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 900C. Die durch dieses bevorzugteHardening of the silicone mixture 33 to form the membrane 37 is preferably carried out at a temperature of about 90 0 C. The preferred by this
Verfahren ausgebildete Membran 37 ist über der Membranhalteroberseite 17 erhaben. Die weitere Ausbildung des Mikroventils kann anschließend wie zu den Figuren 1d-j beschrieben erfolgen.Process formed membrane 37 is raised above the membrane holder top 17. The further design of the microvalve can then be carried out as described for FIGS. 1d-j.
Die Figuren 2a-g zeigen die einzelnen Schritte eines alternativen bevorzugten Herstellungsverfahrens eines Mikroventils 1. Wie in Figur 2a gezeigt, wird in einem ersten Schritt ein Membranhalter 13 bereitgestellt, in der zumindest eine Membranhalteröffnung 15 ausgebildet ist. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im folgenden lediglich der Fall einer Membranhalteröffnung 15 betrachtet. Die Membranhalteröffnung 15 hat auf der Membranhalterunterseite 21 einen Durchmesser Du und hat auf der Membranhalteroberseite 17 einen Durchmesser D0. Insbesondere ist der Durchmesser D0 größer als der Durchmesser Du, vorzugsweise um einen Faktor größer als 1 ,5. Mit anderen Worten ist die Membranhalteröffnung 15 konisch ausgebildet.FIGS. 2a-g show the individual steps of an alternative preferred production method of a microvalve 1. As shown in FIG. 2a, in a first step, a membrane holder 13 is provided, in which at least one membrane holder opening 15 is formed. Without limiting the generality, only the case of a membrane holder opening 15 will be considered below. The membrane holder opening 15 has a diameter D u on the membrane holder bottom 21 and has a diameter on the membrane holder top 17 D 0 . In particular, the diameter D 0 is greater than the diameter D u , preferably by a factor greater than 1, 5. In other words, the membrane holder opening 15 is conical.
Die Membranhalteroberseite 17 ist ausgelegt, um mit einem Aktuationselement 19 verbunden zu werden, und die Membranhalterunterseite 21 ist ausgelegt, um mit einem Durchflußelement 23 verbunden zu werden.The membrane holder top 17 is adapted to be connected to an actuator element 19, and the membrane holder bottom 21 is adapted to be connected to a flow element 23.
Wie in Figur 2b gezeigt, wird der Membranhalter 13 auf Abstandshaltern angeordnet, damit der Membranhalter 13 nicht mit einer Seite auf einer Arbeitsfläche aufliegt. Ein flüssiges Silikongemisch 33 wird vom Rand her in die Membranhalteröffnung 15 dispensiert. Während des Materialauftrages wird die Dispenserspitze 35 bei geeignetem Abstand zum Membranhalter 13 auf einem geeigneten Weg verfahren, so daß die Membranhalteröffnung 15 vom Rand her mit dem Silikongemisch 33 verfüllt und, wie in Figur 2c gezeigt, letztlich verschlossen wird.As shown in Figure 2b, the membrane holder 13 is arranged on spacers, so that the membrane holder 13 does not rest with one side on a work surface. A liquid silicone mixture 33 is dispensed from the edge into the membrane holder opening 15. During the application of material, the dispenser tip 35 is moved at a suitable distance from the membrane holder 13 in a suitable way, so that the membrane holder opening 15 is filled with the silicone mixture 33 from the edge and, as shown in FIG. 2c, finally closed.
Durch ein entsprechendes Dosieren der aufgetragenen Menge des Silikongemisches 33 in Abhängigkeit von der Viskosität des Silikongemisches 33 und der Verfahrgeschwindigkeit und anschließendem Aushärten des Silikongemisches 33, ist mit diesem Verfahren eine im wesentlichen ebene Membran 37 in der Membranhalteröffnung 15 herstellbar.By a corresponding metering of the applied amount of the silicone mixture 33 as a function of the viscosity of the silicone mixture 33 and the travel speed and subsequent curing of the silicone mixture 33, a substantially flat membrane 37 in the membrane holder opening 15 can be produced with this method.
Die Membran 37 weist auf ihrer Membranunterseite einen Durchmesser Du entsprechend dem Durchmesser Du der Membranhalteröffnung 15 auf der Membranhalterunterseite 21 auf. Analog weist die Membran 37 auf ihrer Membranoberseite einen Durchmesser D0 entsprechend dem Durchmesser D0 der Membranhalteröffnung 15 auf der Membranhalteroberseite 17 auf.The diaphragm 37 has on its diaphragm underside a diameter D u corresponding to the diameter D u of the diaphragm holder opening 15 on the diaphragm holder underside 21. Analogously, the membrane 37 on its upper side of the membrane has a diameter D 0 corresponding to the diameter D 0 of the membrane holder opening 15 on the membrane holder top 17.
Zur Vermeidung von Verschmutzungen des Membranhalters sind vorteilhafterweise weder eine Abdeckung 25 noch eine Schablone 29 notwendig. Die Verschmutzung wird stattdessen durch eine genaue Steuerung des Verfahrweges der Dispenserspitze 35 zuverlässig vermieden.To avoid contamination of the membrane holder advantageously neither a cover 25 nor a template 29 are necessary. The contamination is instead reliably prevented by precise control of the travel path of the dispenser tip 35.
Wie in den Figuren 2d und 2e gezeigt, wird anschließend ein Aktuationselement 19 mit einem Aktuator 39 an dem Membranhalter 13 angeordnet und befestigt.As shown in FIGS. 2d and 2e, an actuation element 19 with an actuator 39 is subsequently arranged and fastened to the membrane holder 13.
Das in der gezeigten Ausführungsform verwendete Aktuationselement 19 umfaßt einen elektrischen, insbesondere einen piezoelektrischen, Aktuator 39. Der Aktuator 39 und seine elektrischen Zuleitungen 61 werden innerhalb einer Aktuationskanalschicht 43 an der Membran 37 angeordnet.The actuation element 19 used in the embodiment shown comprises an electric, in particular a piezoelectric, actuator 39. The actuator 39 and its electrical leads 61 are arranged within an actuation channel layer 43 on the membrane 37.
Die Aktuationskanalschicht 43 wird mit der Membranhalteroberseite 17 des Membranhalters 13 verklebt. Anschließend wird eine Deckschicht 45 mit der Aktuationskanalschicht 43 verbunden. Die Deckschicht 45 ist vorzugsweise im wesentlichen starr, um ein Widerlager für den Aktuator 39 zu bilden.The Aktuationskanalschicht 43 is bonded to the membrane holder top 17 of the membrane holder 13. Subsequently, a cover layer 45 is connected to the Aktuationskanalschicht 43. The cover layer 45 is preferably substantially rigid to form an abutment for the actuator 39.
Die Verbindung von Deckschicht 45, Aktuationskanalschicht 43 und Membranhalter 13 erfolgt vorzugsweise durch Kleben, wie zu den Figuren 1 e und 1f beschrieben.The combination of cover layer 45, Aktuationskanalschicht 43 and membrane holder 13 is preferably carried out by gluing, as described for Figures 1 e and 1f.
Wie in Figur 2f gezeigt, wird im nächsten Schritt ein Durchflußelementes 23 mit zumindest einem Durchflußkanal 47 bereit gestellt. Das Durchflußelement 23 ist einstückig ausgebildet, wobei der Durchflußkanal 47 durch Abtragen von Material in dem Durchflußelement 23 ausgebildet wird. Der Querschnitt des Durchflußkanals 47 ist insbesondere trapezförmig oder rinnenförmig oder kreisbogenförmig ausgebildet. Die Ecken des Durchflußkanals 47 können insbesondere schon rund ausgebildet sein, so daß eine nachträgliche Verrundung nicht notwendig ist.As shown in FIG. 2f, in the next step, a flow element 23 with at least one flow channel 47 is provided. The flow element 23 is integrally formed, wherein the flow channel 47 is formed by removing material in the flow element 23. The cross section of the flow channel 47 is in particular trapezoidal or channel-shaped or circular arc-shaped. The corners of the flow channel 47 may in particular already be round, so that a subsequent rounding is not necessary.
Wie in Figur 2g gezeigt, wird das Durchflußelement 23 mit der Membranhalterunterseite 21 des Membranhalters 13 verbunden, so daß dieAs shown in Figure 2g, the flow member 23 is connected to the membrane holder bottom 21 of the membrane holder 13, so that the
Membran 37 zumindest bereichsweise an dem Durchflußkanal 47 angeordnet ist.Membrane 37 is at least partially disposed on the flow channel 47.
Die Wandung des Durchflußkanals 47 ist dann durch die aktuierbare Membran 37 in dem Ventilsitz 55 mechanisch kontaktierbar. Das Verbinden desThe wall of the flow channel 47 is then mechanically contacted by the actuatable membrane 37 in the valve seat 55. Connecting the
Durchflußkanals 47 erfolgt durch Verkleben, insbesondere mittels eines Klebemittels mit dem das Durchflußelement 23 oder die MembranhalterunterseiteFlow channel 47 is made by gluing, in particular by means of an adhesive with the flow member 23 or the membrane holder bottom
21 beschichtet ist. Vorzugsweise ist das Klebemittel ein Schmelzkleber, so daß das Verbinden durch Laminieren erfolgen kann.21 is coated. Preferably, the adhesive is a hot melt adhesive so that bonding can be accomplished by lamination.
Die Figur 2g zeigt das Mikroventil 1 in der Ruheposition, in welcher die MembranFIG. 2 g shows the microvalve 1 in the rest position, in which the membrane
37 insbesondere nicht in den Durchflußkanal 47 hineinragt, wobei sich der Durchflußkanal 47 entlang der Längsrichtung L1, d.h. im wesentlichen in y-37 in particular does not project into the flow channel 47, wherein the flow channel 47 along the longitudinal direction L 1 , ie substantially in y
Richtung erstreckt. Die Membran 37 ist durch eine Kraft K, die von dem elektrischen Aktuator 39 aufgebracht wird, entlang der Betätigungsrichtung B, d.h. insbesondere im wesentlichen entgegen der z-Richtung, auslenkbar. Diese Kraft K kann dadurch erzeugt, werden das sich der Aktuator 39 entlang der Betätigungsrichtung B ausdehnt. Insbesondere kann der Aktuator 39 ein Piezo- Kristall sein, welches sich aufgrund des piezo-elektrischen Effekts bei Anlegen einer Spannung der Betätigungsrichtung B ausdehnt. Alternativ könnte der Aktuator 39 eine Spule und einen Magneten umfassen, die sich gegeneinander verlagern, wenn ein Strom durch die Spule fließt, so daß die Längserstreckung des Aktuators 39 entlang der Betätigungsrichtung B vergrößert wird. Insbesondere stehen die Betätigungsrichtung B und die Längsrichtung Li im wesentlichen senkrecht aufeinander.Direction extends. The membrane 37 is characterized by a force K, which of the electric actuator 39 is applied, along the actuating direction B, ie in particular substantially against the z-direction, deflected. This force K can be generated by the actuator 39 is extended along the direction of actuation B. In particular, the actuator 39 may be a piezoelectric crystal, which expands upon application of a voltage of the actuating direction B due to the piezoelectric effect. Alternatively, the actuator 39 could include a coil and a magnet which move against each other when a current flows through the coil, so that the longitudinal extent of the actuator 39 along the direction of actuation B is increased. In particular, the actuating direction B and the longitudinal direction Li are substantially perpendicular to each other.
Die Figur 2h zeigt das Mikroventil 1 in der Betätigungsposition. Die Membran 37 ist durch eine Vergrößerung des Aktuators 39 mit einer Kraft K entlang der Betätigungsrichtung B beaufschlagt und ausgelenkt. Dabei wird die Membran derart verformt, daß sie die Wandung der Durchflußkanals 47 im Bereich des Ventilsitzes 55 im wesentlichen vollständig mechanisch kontaktiert und den Durchflußkanal 47 im wesentlichen vollständig verschließt. Kehrt der Aktuator 39 wieder in seine Ruheposition zurück, so kehrt auch die rückstellfähige Membran 37 in die Ruheposition in zurück. Da der Membranhalter 13 und das Aktuationselement 19 relativ zur Membran 37 starr sind, sind der Membranhalter 13 und das Aktuationselement 19 im Vergleich zur Ruheposition im wesentlichen nicht verlagert oder verformt.FIG. 2h shows the microvalve 1 in the actuation position. The diaphragm 37 is acted upon by an enlargement of the actuator 39 with a force K along the direction of actuation B and deflected. The membrane is deformed so that it contacts the wall of the flow channel 47 in the region of the valve seat 55 substantially completely mechanically and the flow channel 47 substantially completely closes. When the actuator 39 returns to its rest position, the resilient diaphragm 37 also returns to the rest position. Since the membrane holder 13 and the actuator 19 are rigid relative to the membrane 37, the membrane holder 13 and the actuator 19 are substantially not displaced or deformed as compared to the rest position.
Die Figuren 3a-d zeigen die einzelnen Schritte eines weiteren alternativen bevorzugten Herstellungsverfahrens eines Mikroventils 1. Wie in Figur 3a gezeigt, wird in einem ersten Schritt ein Membranhalter 13 bereitgestellt, welcher vorzugsweise eine einstückige Metallplatte sein kann, insbesondere eine etwa 1 mm dicke Stahlplatte. In den Membranhalter 13 wird zumindest eine Membranhalteröffnung 15 ausgebildet. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit wird im folgenden lediglich der Fall einer Membranhalteröffnung 15 betrachtet. Die Membranhalteröffnung 15 hat auf der Membranhalterunterseite 21 einen Durchmesser Du und hat auf der Membranhalteroberseite 17 einen Durchmesser D0. Insbesondere ist der Durchmesser D0 größer als der Durchmesser D11, vorzugsweise um einen Faktor größer als 1 ,5. Mit anderen Worten ist die Membranhalteröffnung 15 konisch ausgebildet, vorzugsweise mit einem Spitzenwinkel des entsprechenden Kegelstumpfes von etwa 90° bis etwa 120° Grad.FIGS. 3a-d show the individual steps of a further alternative preferred production method of a microvalve 1. As shown in FIG. 3a, in a first step, a membrane holder 13 is provided, which may preferably be a one-piece metal plate, in particular an approximately 1 mm thick steel plate. At least one membrane holder opening 15 is formed in the membrane holder 13. Without limiting the generality, only the case of a membrane holder opening 15 will be considered below. The membrane holder opening 15 has a diameter D u on the membrane holder bottom 21 and has a diameter D 0 on the membrane holder top 17. In particular, the diameter D 0 is greater than the diameter D 11 , preferably by a factor greater than 1.5. In other words, that is Membrane holder opening 15 conical, preferably with a point angle of the corresponding truncated cone of about 90 ° to about 120 ° degree.
Weiter vorzugsweise wird die Membranhalteröffnung 15 durch spanende Bearbeitung oder durch Bearbeitung mittels eines Laserstrahles ausgebildet. Insbesondere kann die konische Membranhalteröffnung 15 durch Bohren und anschließender Nachbearbeitung oder in einem Arbeitsgang mittels eines Senk- Bohrwerkzeugs erzeugt werden.Further preferably, the membrane holder opening 15 is formed by machining or machining by means of a laser beam. In particular, the conical membrane holder opening 15 can be produced by drilling and subsequent reworking or in one operation by means of a countersinking drill.
Der Membranhalter 13 wird auf einem Abstandhalter derart angeordnet, daß die Membranhalteröffnung 15 nicht durch eine Arbeitsfläche verschlossen wird. Ein flüssiges Silikongemisch 33 wird in nach unten offene Membranhalteröffnung 15 eindispensiert. Dabei wird eine zum Verschließen der Membranhalteröffnung 15 ausreichende Menge des flüssigen Silikongemisches 33 aus einer Dispensierspitze 35 ausgestoßen, wobei die Dispensierspitze in ausreichender Entfernung von der zu verschließenden Membranhalteröffnung 15 positioniert ist, so daß das flüssige Silikongemisch 33 zunächst nicht mit dem Membranhalter 13 in Berührung gelangt. Aufgrund seiner Oberflächenspannung verbleibt das flüssige Silikongemisches 33 in Form eines Tropfens zunächst an der Dispensierspitze 35.The membrane holder 13 is arranged on a spacer such that the membrane holder opening 15 is not closed by a working surface. A liquid silicone mixture 33 is dispensed into downwardly open membrane holder opening 15. In this case, a sufficient amount of the liquid silicone mixture 33 for closing the membrane holder opening 33 is expelled from a dispensing tip 35, wherein the dispensing tip is positioned at a sufficient distance from the membrane holder opening 15 to be closed, so that the liquid silicone mixture 33 initially does not come into contact with the membrane holder 13 , Due to its surface tension, the liquid silicone mixture 33 initially remains in the form of a drop at the dispensing tip 35.
Nachdem eine vorbestimmte Menge des flüssigen Silikongemisches 33 aus der Dispensierspitze 35 ausgetreten ist, wird die Dispensierspitze in Richtung der Membranhalteröffnung 15 verlagert. Dabei wird der Tropfen an der Membranhalteröffnung 15 angeordnet, so daß diese verschlossen ist. Nach dem Aushärten des flüssigen Silikongemisches 33 ist die Membran 37 ausgebildet. Um die Membran 37 mit dem Membranhalter 13 bündig abschließend auszubilden, kann entlang des Randes der Membranhalteröffnung zusätzlich flüssiges Silikongemisch 33 eindispensiert werden, wodurch die Membranhalteröffnung 15 im wesentlichen vollständig verschlossen wird.After a predetermined amount of the liquid silicone mixture 33 has exited the dispensing tip 35, the dispensing tip is displaced in the direction of the membrane holder opening 15. In this case, the drop is arranged on the membrane holder opening 15, so that it is closed. After curing of the liquid silicone mixture 33, the membrane 37 is formed. In order to make the membrane 37 flush with the membrane holder 13 flush, additional liquid silicone mixture 33 can be additionally dispensed along the edge of the membrane holder opening, whereby the membrane holder opening 15 is substantially completely closed.
Wie in Figur 3b dargestellt, kann die Menge des eindispensierten Silikongemischs 33 so gering bemessen sein, daß in der Membranhalteröffnung 15 eine Menisken aufweisende Membran 37 ausgebildet wird. Die Vernetzung bzw. Aushärtung desAs shown in Figure 3b, the amount of the einispensierten silicone mixture 33 may be dimensioned so small that in the membrane holder opening 15 a menisci membrane 37 is formed. The networking or curing of the
Silikongemisches zu einer elastischen Membran erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 800C bis 100° C.Silicone mixture to an elastic membrane is preferably carried out at a Temperature of about 80 0 C to 100 ° C.
Wie in Figur 3c gezeigt, wird im nächsten Schritt ein Durchflußelementes 23 mit zumindest einem Durchflußkanal 47 bereit gestellt. Das Durchflußelement 23 ist einstückig ausgebildet, wobei der Durchflußkanal 47 durch Abtragen von Material in dem Durchflußelement 23 ausgebildet wird. Der Querschnitt des Durchflußkanals 47 ist in dieser Ausführungsform im wesentlichen rechteckig mit gerundeten Ecken ausgeführt. Alternativ kann der Querschnitt insbesondere auch trapezförmig oder rinnenförmig, jeweils mit oder ohne gerundete Ecken, oder kreisbogenförmig ausgebildet sein. Da die Ecken des Durchflußkanals 47 in dieser Ausführungsform bereits rund ausgebildet sind, ist eine nachträgliche Verrundung nicht notwendig.As shown in Figure 3c, in the next step, a flow element 23 with at least one flow channel 47 is provided. The flow element 23 is integrally formed, wherein the flow channel 47 is formed by removing material in the flow element 23. The cross section of the flow channel 47 is executed in this embodiment substantially rectangular with rounded corners. Alternatively, the cross section may in particular also be trapezoidal or channel-shaped, each with or without rounded corners, or circular arc-shaped. Since the corners of the flow channel 47 are already round in this embodiment, a subsequent rounding is not necessary.
Wie in Figur 3d gezeigt, wird das Durchflußelement 23 mit der Membranhalterunterseite 21 des Membranhalters 13 verbunden, so daß die Membran 37 zumindest bereichsweise an dem Durchflußkanal 47 angeordnet ist. Die Wandung des Durchflußkanals 47 ist dann durch die aktuierbare Membran 37 in dem Ventilsitz 55 mechanisch kontaktierbar. Das Verbinden des Durchflußkanals 47 erfolgt durch Verkleben, insbesondere mittels eines Klebemittels mit dem das Durchflußelement 23 oder die Membranhalterunterseite 21 beschichtet ist. Vorzugsweise ist das Klebemittel ein Schmelzkleber, so daß das Verbinden durch Laminieren erfolgen kann.As shown in Figure 3d, the flow element 23 is connected to the membrane holder bottom 21 of the membrane holder 13, so that the membrane 37 is at least partially disposed on the flow channel 47. The wall of the flow channel 47 is then mechanically contacted by the actuatable membrane 37 in the valve seat 55. The connecting of the flow channel 47 is effected by gluing, in particular by means of an adhesive with which the flow element 23 or the membrane holder bottom 21 is coated. Preferably, the adhesive is a hot melt adhesive so that bonding can be accomplished by lamination.
Auf der dem Durchflußkanal 47 abgewandten Seite der Membran 37 wird in dieser Ausführungsform ein Aktuationselement 19 (nicht näher dargestellt) mit einem Stößel 39 bzw. Stempel 39 als bevorzugter Aktuator 39 an dem Membranhalter 13 angeordnet. Die Figur 3d zeigt das Mikroventil 1 in der Ruheposition, in welcher die Membran 37 insbesondere nicht in den Durchflußkanal 47 hineinragt, wobei sich der Durchflußkanal 47 entlang der Längsrichtung L1, d.h. im wesentlichen in y-Richtung erstreckt. Der Stößel 39 kann die Membran 37 durch Aufbringen einer Kraft K entlang der Betätigungsrichtung B aktuieren, d.h. insbesondere im wesentlichen entgegen der z-Richtung auslenken. Dabei kann die Bewegung des Stößels 39 und die dadurch auf die Membran 37 aufgebrachte Kraft K durch weitere Einrichtungen des Aktuationselementes 19 mechanisch, elektro- mechanisch, hydraulisch und/oder pneumatisch geregelt bzw. gesteuert werden. Alternativ zum dem Stößel 39 kann der Aktuator 39 insbesondere auch ein Piezo- Kristall (wie in den Figuren 2g und 2h gezeigt) sein, welches sich aufgrund des piezo-elektrischen Effekts bei Anlegen einer Spannung der Betätigungsrichtung B ausdehnt. Alternativ könnte der Aktuator 39 eine Spule und einen Magneten umfassen, die sich gegeneinander verlagern, wenn ein Strom durch die Spule fließt, so daß die Längserstreckung des Aktuators 39 entlang der Betätigungsrichtung B vergrößert wird.In this embodiment, on the side of the diaphragm 37 facing away from the flow channel 47, an actuation element 19 (not shown in more detail) with a plunger 39 or plunger 39 as a preferred actuator 39 is arranged on the membrane holder 13. The figure 3d shows the microvalve 1 in the rest position, in which the membrane 37 in particular does not project into the flow channel 47, wherein the flow channel 47 along the longitudinal direction L 1 , that extends substantially in the y-direction. The plunger 39 can actuate the diaphragm 37 by applying a force K along the actuation direction B, ie in particular deflecting it substantially counter to the z-direction. In this case, the movement of the plunger 39 and thereby applied to the membrane 37 force K can be controlled or controlled by other means of the Aktuationselementes 19 mechanically, electro-mechanically, hydraulically and / or pneumatically. As an alternative to the plunger 39, the actuator 39 may in particular also be a piezoelectric crystal (as shown in FIGS. 2g and 2h), which expands due to the piezoelectric effect when a voltage of the actuating direction B is applied. Alternatively, the actuator 39 could include a coil and a magnet which move against each other when a current flows through the coil, so that the longitudinal extent of the actuator 39 along the direction of actuation B is increased.
Da die Verbindung der einzelnen Bestandteile bzw. Schichten eines Mikroventils 1 wie zu den Figuren 1 bis 3 beschrieben vorzugsweise durch Kleben oder Laminieren erfolgt, müssen die zu verbindenden Bestandteile während des Verbindungsschrittes erhöhten Temperaturen und Drücken ausgesetzt werden. Um die Bestandteile während des Klebens bzw. Laminierens zu fixieren, so daß die relative Position in x-/y-Richtung im wesentlichen nicht verändert, können die einzelnen Bestandteile mit Passerlöchern versehen sein. In diese Löcher greifen entsprechende Passerstifte ein, welche entlang der z-Richtung in die Passerlöcher eingeführt werden, so daß ein relatives Verschieben zueinander verhindert wird. Die Passerstifte können insbesondere auf einer Montageplatte angeordnet sein, wobei diese Montageplatte als Widerlager beim Laminieren dienen kann.Since the connection of the individual components or layers of a microvalve 1 as described in FIGS. 1 to 3 preferably takes place by gluing or laminating, the components to be joined must be exposed to elevated temperatures and pressures during the bonding step. In order to fix the components during the bonding or laminating, so that the relative position in the x- / y-direction substantially does not change, the individual components may be provided with registration holes. In these holes engage corresponding registration pins, which are introduced along the z-direction in the registration holes, so that a relative displacement is prevented from each other. The registration pins can in particular be arranged on a mounting plate, wherein this mounting plate can serve as an abutment during lamination.
Die Figur 4 zeigt einen Schnitt durch eine Mikropumpe 63 mit drei Mikroventilen 1 , 1 ', 1", die ausgelegt sind den Durchflußkanal 47 jeweils im Bereich der Ventilsitze 55, 55', 55" zu verschließen. Jedes Mikroventil umfaßt einen eigenen Aktuationskanal 41 , 41 ', 41" zur pneumatischen Aktuierung der Membranen 37, 37', 37" entlang der Betätigungsrichtung B. Der nötige pneumatische Druck in den Aktuationskanälen 41 , 41 ', 41 " wird durch eine nicht gezeigt Vorrichtung bereitgestellt und gesteuert.FIG. 4 shows a section through a micropump 63 with three microvalves 1, 1 ', 1 ", which are designed to close the flow channel 47 in each case in the region of the valve seats 55, 55', 55". Each microvalve has its own actuation channel 41, 41 ', 41 "for the pneumatic actuation of the diaphragms 37, 37', 37" along the actuation direction B. The necessary pneumatic pressure in the actuation channels 41, 41 ', 41 "is provided by a device, not shown provided and controlled.
Um die Förderung eines Fluids in eine Fließrichtung F im wesentlichen senkrecht zur Betätigungsrichtung B zu erreichen, müssen die zumindest drei Mikroventile 1 , 1', 1 " in einer geeigneten Abfolge aktuiert werden. Angenommen das Fluid soll die drei Mikroventile 1 , 1', 1 " in dieser Reihenfolge durchströmen, d.h. von dem ersten Mikroventil 1 (Einlaßventil) durch das zweite Mikroventil 1 ' (Verdränger) zum dritten Mikroventil 1 " (Auslaßventil), so können die Mikroventile 1 , 1 ', 1 " beispielsweise in der in Tabelle 1 gezeigten Abfolge betätigt werden. Die Abfolge der Schritte 1 bis 5 kann dabei zyklisch und unbegrenzt erfolgen.In order to achieve the conveyance of a fluid in a flow direction F substantially perpendicular to the actuation direction B, the at least three microvalves 1, 1 ', 1 "must be actuated in a suitable sequence "flow through in this order, ie from the first micro-valve 1 (inlet valve) through the second micro-valve 1 '(displacer) to the third micro-valve 1" (exhaust valve), so the micro-valves 1, 1', 1 " for example, in the sequence shown in Table 1 are operated. The sequence of steps 1 to 5 can be cyclic and unlimited.
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Tabelle 1 : Eine Abfolge der Aktuierung der Mikroventile zur FluidförderungTable 1: A sequence of actuation of the microvalves for fluid delivery
Die Figur 4 zeigt die Mikropumpe 63 in einem Zustand zwischen den Schritten 3 und 4. Aufgrund dieser beispielhafte Abfolge der Mikroventilaktuierung kann das Fluid während der Schritte 1 bis 3 immer nur in Richtung des Auslaßventils 1" aus der Mikropumpe 63 entweichen. Bevor die Membran des Verdrängers 1 ' wieder entlastet wird und in die Ruheposition zurückkehrt und dadurch ein Unterdruck entsteht, der das Fluid ansaugen kann, muß das Auslaßventil 1 " geschlossen und das Einlaßventil 1 geöffnet sein (Schritt 4). Während des Druckausgleichs fließt das Fluid durch das Einlaßventil 1 in Richtung des Verdrängers 1 '. Nach erfolgtem Druckausgleich wird das Einlaßventil 1 geschlossen (Schritt 5). Danach werden die Schritte 1 bis 5 periodisch bzw. zyklisch wiederholt.4 shows the micropump 63 in a state between steps 3 and 4. Due to this exemplary sequence of microvalve actuation, the fluid can only escape from the micropump 63 in the direction of the outlet valve 1 "during steps 1 to 3. Before the membrane of the Displacer 1 'is relieved again and returns to the rest position and thus creates a negative pressure, which can suck the fluid, the exhaust valve 1 "must be closed and the inlet valve 1 is open (step 4). During pressure equalization, the fluid flows through the inlet valve 1 in the direction of the displacer 1 '. After pressure equalization, the inlet valve 1 is closed (step 5). Thereafter, steps 1 to 5 are repeated periodically or cyclically.
Die Figur 5 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine Ausführungsform eines mikrof luidischen Systems 73. Dieses beispielhafte mikrof luidische System 73 ist ausgelegt, eine mikrobiologische Zellkultur (nicht gezeigt) in einer Zellkulturkammer 79 mittels eines Durchflußkanals 47 mit einem Fluid zu versorgen und das Fluid zu überwachen.FIG. 5 shows a schematic plan view of an embodiment of a microfluidic system 73. This exemplary microfluidic system 73 is designed to supply a fluid to a microbiological cell culture (not shown) in a cell culture chamber 79 by means of a flow channel 47 and to monitor the fluid ,
Das mikrofluidische System 73 umfaßt eine erfindungsgemäße Mikropumpe 63, welche ihrerseits drei Mikroventile 1 , 1 ' und 1 " aufweist, um das Fluid über den Durchflußkanal 47 der Zellkulturkammer 79 zuzuführen. Innerhalb des Durchflußkanals fließt das Fluid entlang der Fließrichtung F. Der Zellkulturkammer 79 vorgelagert bzw. stromaufwärts gelegen umfaßt der Durchflußkanal 47 einen Dialysebereich 75 und einen Gasaustauschbereich 77, um einen Stoffaustausch zwischen Fluid und dem Äußeren zu ermöglichen.The microfluidic system 73 comprises a micropump 63 according to the invention, which in turn has three microvalves 1, 1 'and 1 "to supply the fluid via the flow channel 47 to the cell culture chamber 79. Within the flow channel, the fluid flows along the flow direction F. Located upstream of the cell culture chamber 79, the flow channel 47 includes a dialysis section 75 and a gas exchange section 77 to facilitate mass transfer between the fluid and the exterior.
Im Anschluß an die Zellkulturkammer 79 führt der Durchflußkanal 47 zurück zur Mikropumpe 63, so daß das mikrofluidische System geschlossen ist. Um einenFollowing the cell culture chamber 79, the flow channel 47 leads back to the micropump 63, so that the microfluidic system is closed. To one
Austausch von Fluid zu ermöglichen, umfaßt das mikrofluidische System 73 einenTo enable exchange of fluid, the microfluidic system 73 comprises a
Ablauf 95 und einen Zulauf 97. Der Zulauf 97 ist vorzugsweise durch ein erfindungsgemäßes Mikroventil 1"' sperrbar. Es ist aber auch möglich, daß derThe outlet 97 can preferably be blocked by a microvalve 1 "'according to the invention, but it is also possible for the inlet 97 to be blockable
Zulauf 97 derart ausgebildet ist, daß die Sperrung mittels eines Ventils außerhalb des mikrofluidischen Systems 73 erfolgt. Dem Ventil 1 '" im Zulauf 97 ist vorzugsweise in Zulauffließrichtung f ein Filter 81 vorgelagert, um das Eindringen von unerwünschten Partikeln in das mikrofluidische System 73 zu verhindern.Inlet 97 is formed such that the blocking takes place by means of a valve outside the microfluidic system 73. The valve 1 '"in the inlet 97 is preferably upstream of a filter 81 in the inflow direction f, in order to prevent the penetration of unwanted particles into the microfluidic system 73.
Der Ablauf 95 ist vorzugsweise ebenfalls analog zum Zulauf 97 sperrbar. In dieser Ausführungsform ist das Ventil (nicht gezeigt) in Fließhchtung f weit (verglichen zur Entfernung des Ventils 1 '") vom Durchflusskanal 47 entfernt angeordnet. Vorteilhafterweise kann dadurch das im Ablauf 95 enthaltene Fluid zum Ausgleich von Fluidschwankungen im Durchflußkanal 47 genutzt werden bzw das Volumen im Ablauf 95 als Ausgleichsvolumen zur Verfügung gestellt werden.The drain 95 is preferably also lockable analogous to the inlet 97. In this embodiment, the valve (not shown) is widely spaced (as compared to the removal of the valve 1 '') from the flow passage 47. Advantageously, thereby the fluid contained in the drain 95 can be used to compensate for fluid fluctuations in the flow channel 47 Volume in the drain 95 are provided as a compensation volume.
Stromabwärts zur Zellkulturkammer 79 sind im Durchflußkanal 47 zum Erfassen chemischer bzw. biochemischer bzw. physikalischer Größen entsprechende Sensoren angeordnet. Im einzelnen sind dies ein pH-Sensor 83, ein Sauerstoffsensor 85, ein Glucosesensor 87, ein Laktatsensor 89, ein Drucksensor 91 sowie ein Flußratensensor 93.Downstream of the cell culture chamber 79 corresponding sensors are arranged in the flow channel 47 for detecting chemical or biochemical or physical quantities. Specifically, these are a pH sensor 83, an oxygen sensor 85, a glucose sensor 87, a lactate sensor 89, a pressure sensor 91, and a flow rate sensor 93.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auch die obigen, beispielhaft beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können einzelne Elemente und/oderThe present invention is not limited to the above embodiments described by way of example. Rather, individual elements and / or
Merkmale eines jeden beschriebenen Aspekts und/oder einer jeden beschriebenen Ausführungsform mit einzelnen Elementen und/oder Merkmalen der weiteren Aspekte und/oder weiteren Ausführungsformen in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden und somit weitere Aspekte und/oder Ausführungsformen gebildet werden.Features of each described aspect and / or each described embodiment with individual elements and / or features of the further aspects and / or further embodiments are combined in any way with each other and thus further aspects and / or embodiments are formed.
Insbesondere können die verschiedenen Verfahrensschritte zur Herstellung der Membran 37 ohne Einschränkung mit den verschiedenen Ausführungsformen des Membranhalters 13 (einstückig, aus Schichten hergestellt, mit konischer oder gerader Membranhalteröffnung 15) durchgeführt werden. Ferner können die verschiedenen gezeigten Ausführungsformen des Aktuationselementes 19 (einstückig, mehrteilig, mit Aktuationskanal 41 , mit piezo-elektrischer Aktuation oder mit mechanischer Aktuation durch Stößel) und die verschiedenen gezeigten Ausführungsformen des Durchflußelementes 23 (einstückig, mehrteilig, mit geraden oder verrundetem oder konischen oder kreisförmigen Durchflußkanal 47) in beliebiger Kombination mit den gezeigten Ausführungsformen der Membranhalter 13 einschließlich der verschiedenen Ausgestaltungen einer Membran 37 kombiniert werden.In particular, the various process steps for the production of the Membrane 37 without restriction with the various embodiments of the membrane holder 13 (in one piece, made of layers, with conical or straight membrane holder opening 15) are performed. Furthermore, the various embodiments shown of the Aktuationselementes 19 (one-piece, multi-part, with Aktuationskanal 41, with piezoelectric actuation or mechanical actuation by plunger) and the various embodiments of the Durchflußelementes shown 23 (one-piece, multi-piece, with straight or rounded or conical or circular flow channel 47) in any combination with the illustrated embodiments of the membrane holder 13, including the various configurations of a membrane 37 are combined.
Weiterhin können auch die einzelnen Verfahrensschritte in geänderter Reihenfolge ausgeführt werden. Insbesondere ist die Reihenfolge bezüglich der Anordnung des Durchflußelementes und des Aktuationselementes an den Membranhalter beliebig.Furthermore, the individual process steps can be performed in a different order. In particular, the order with respect to the arrangement of the flow element and the Aktuationselementes to the membrane holder is arbitrary.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
I MikroventilI microvalve
3 untere Membranträgerschicht3 lower membrane carrier layer
5 untere Membranträgeröffnung 7 obere Membranträgerschicht5 lower membrane carrier opening 7 upper membrane carrier layer
9 obere Membranträgeröffnung9 upper membrane carrier opening
I 1 Schmelzkleber 13 MembranhalterI 1 hot melt adhesive 13 membrane holder
15 Membranhalteröffnung 17 Membranhalteroberseite15 membrane holder opening 17 membrane holder top
19 Aktuationselement19 Actuation element
21 Membranhalterunterseite21 membrane holder base
23 Durchflußelement23 flow element
25 Abdeckung 27 wasserlösliche Beschichtung25 cover 27 water-soluble coating
29 Schablone29 template
31 Schablonenöffnung 33 Silikongemisch31 Template opening 33 silicone mixture
34 Rakel34 squeegee
35 Dispenserspitze35 Dispenser tip
37 Membran37 membrane
39 Aktuator39 actuator
41 Aktuationskanal41 actuation channel
43 Aktuationskanalschicht43 Actuation channel layer
45 Deckschicht45 topcoat
47 Durchflußkanal47 flow channel
49 Basis49 basis
51 Durchflußkanalschicht51 flow channel layer
53 Ausnehmung53 recess
55 Ventilsitz55 valve seat
57 Stoßkante57 edge
59 benetzender Füllstoff59 wetting filler
61 elektrische Zuleitung61 electrical supply line
63 Mikropumpe63 micropump
65 Form65 form
67 Aussparung in der Form 6567 recess in the mold 65
69 Zuleitung in der Form 6569 supply line in the form 65
71 Ableitung in der Form 6571 derivative in the form 65
73 mikrofluidisches System73 Microfluidic system
75 Dialysebereich75 dialysis area
77 Gasaustauschbereich77 gas exchange area
79 Zellkulturkammer79 cell culture chamber
81 Filter81 filters
83 pH-Sensor83 pH sensor
85 Sauerstoffsensor85 oxygen sensor
87 Glucosesensor87 glucose sensor
89 Laktatsensor89 lactate sensor
91 Drucksensor91 pressure sensor
93 Fließratensensor93 flow rate sensor
95 Ablauf95 process
97 ZulaufB Betätigungsrichtung D0 Durchmesser97 inlet B actuating direction D 0 diameter
Du DurchmesserYou diameter
F Fließrichtung f Fließrichtung im Zulauf 97 f Fließrichtung im Ablauf 95F Flow direction f Flow direction in the inlet 97 f Flow direction in the outlet 95
K KraftK force
L1 erste LängsrichtungL 1 first longitudinal direction
L2 zweite LängsrichtungL 2 second longitudinal direction
M0 MittelachseM 0 central axis
Mu MittelachseM u central axis
P Druck P pressure

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung einer mikrofluidischen Komponente, umfassend die Schritte:A method of making a microfluidic component, comprising the steps of:
- Bereitstellen eines Membranhalters (13) mit - einer Membranhalteroberseite (17), die ausgelegt ist mit einem- Providing a membrane holder (13) with - a membrane holder top (17) which is designed with a
Aktuationselement (19) verbunden zu werden, einer Membranhalterunterseite (21 ), die ausgelegt ist mit einem Durchflußelement (23) verbunden zu werden und zumindest einer Membranhalteröffnung (15), welche an der Membranhalteroberseite (17) jeweils einen Durchmesser D0 und an der Membranhalterunterseite (21) jeweils einen Durchmesser Du aufweist;Actuation element (19), a membrane holder bottom side (21) which is adapted to be connected to a flow element (23) and at least one membrane holder opening (15) which on the membrane holder top (17) each have a diameter D 0 and at the membrane holder bottom (21) each having a diameter D u ;
Ausbilden zumindest einer rückstellfähigen Membran (37) in der Membranhalteröffnung (15); - Bereitstellen eines Aktuationselementes (19) mit zumindest einemForming at least one resilient membrane (37) in the membrane holder opening (15); - Providing an actuator element (19) with at least one
Aktuator (39);Actuator (39);
- Verbinden des zumindest einen Aktuationselementes (19) mit der Membranhalteroberseite (17) des Membranhalters (13), so daß die Membran (37) zumindest bereichsweise an zumindest einem Aktuator (39) angeordnet ist, so daß die Membran (37) durch den Aktuator (39) aktuierbar ist;- Connecting the at least one Aktuationselementes (19) with the membrane holder top side (17) of the membrane holder (13), so that the membrane (37) at least partially on at least one actuator (39) is arranged, so that the membrane (37) through the actuator (39) can be actuated;
- Bereitstellen eines Durchflußelementes (23) mit zumindest einem Durchflußkana! (47);- Providing a flow element (23) with at least one Durchflußkana! (47);
Verbinden des Durchflußelementes (23) mit der Membranhalterunterseite (21 ) des Membranhalters (3), so daß die zumindest eine Membran (37) zumindest bereichsweise an zumindest einem Durchflußkanal (47) angeordnet ist, so daß die Wandung des Durchflußkanals (47) durch die aktuierbare Membran (37) in einem Ventilsitz (55) mechanisch kontaktierbar ist. Connecting the flow element (23) to the membrane holder underside (21) of the membrane holder (3) so that the at least one membrane (37) is arranged at least partially on at least one flow channel (47), so that the wall of the flow channel (47) through the actuatable membrane (37) in a valve seat (55) is mechanically contacted.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei der Durchmesser D0 größer als der Durchmesser Du ist.2. The method of claim 1, wherein the diameter D 0 is greater than the diameter D u .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend die Schritte: Bereitstellen einer unteren Membranträgerschicht (3); Bereitstellen einer oberen Membranträgerschicht (7);The method of claim 1 or 2, further comprising the steps of: providing a lower membrane support layer (3); Providing an upper membrane carrier layer (7);
- Ausbilden zumindest einer unteren Membranträgeröffnung (5) in der unteren Membranträgerschicht (3) mit jeweils einer Mittelachse Mu und jeweils einem Durchmesser Du;- Forming at least one lower membrane carrier opening (5) in the lower membrane carrier layer (3), each having a central axis M u and each having a diameter D u ;
- Ausbilden zumindest einer oberen Membranträgeröffnung (9) in der oberen Membranträgerschicht (7) mit jeweils einer Mittelachse M0 und jeweils einem Durchmesser D0;- Forming at least one upper membrane carrier opening (9) in the upper membrane carrier layer (7), each having a central axis M 0 and each having a diameter D 0 ;
- Verbinden der oberen Membranträgerschicht (7) mit der unteren Membranträgerschicht (3) unter Ausbildung des Membranhalters (13), so daß die Mittelachsen Mu und M0 im wesentlichen zusammenfallen, so daß die untere Membranträgeröffnung (5) und die obere Membranträgeröffnung (9) die Membranhalteröffnung (15) ausbilden.- Connecting the upper membrane carrier layer (7) with the lower membrane carrier layer (3) to form the membrane holder (13), so that the central axes M u and M 0 substantially coincide, so that the lower membrane carrier opening (5) and the upper membrane carrier opening (9 ) form the membrane holder opening (15).
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die untere Membranträgerschicht (3) und/oder die obere Membranträgerschicht (7) zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet ist und das Verbinden der oberen Membranträgerschicht (7) mit der unteren Membranträgerschicht (3) durch das Kleben erfolgt.4. The method according to claim 3, wherein the lower membrane carrier layer (3) and / or the upper membrane carrier layer (7) is coated on at least one side with an adhesive and connecting the upper membrane carrier layer (7) with the lower membrane carrier layer (3) by gluing ,
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend die Schritte:5. The method according to any one of the preceding claims, further comprising the steps:
- Anordnen einer Abdeckung (25) an den Membranhalter (13), um die Membranhalteröffnung (15) einseitig zu versch Hessen; - Anordnen einer Schablone (29) an der unverschlossenen Seite der- placing a cover (25) against the membrane holder (13) to unilaterally seal the membrane holder opening (15); Placing a template (29) on the unlocked side of the
Membranhalteröffnung (15), wobei die Schablone (29) eine im wesentlichen zu der zumindest einen Membranhalteröffnung (15) kongruenten Schablonenöffnung (31 ) aufweist, so daß der Membranhalter (13) außerhalb der Membranhalteröffnung (15) im wesentlichen vollständig abgedeckt ist.A membrane holder opening (15), wherein the template (29) has a template opening (31) which is substantially congruent with the at least one membrane holder opening (15), so that the membrane holder (13) outside the membrane holder opening (15) in FIG substantially completely covered.
6. Verfahren nach ein Anspruch 5, weiter umfassend den Schritt: Aufrakeln einer elastisch verfestigenden Substanz zur Ausbildung der Membran (37).6. The method of claim 5, further comprising the step of: doctoring a resilient substance to form the membrane (37).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend die Schritte:7. The method according to any one of claims 1 to 4, further comprising the steps:
- Anordnen einer Abdeckung (25) an den Membranhalter (13), um die Membranhalteröffnung (15) einseitig zu verschliessen; - Anordnen einer Form (65) an den Membranhalter (13), wobei die Form- placing a cover (25) on the membrane holder (13) to close the membrane holder opening (15) on one side; - placing a mold (65) on the membrane holder (13), wherein the shape
(65) zu jeder Membranhalteröffnung (15) an der Membranhalteroberseite (17) jeweils eine im wesentlichen zu dieser kongruente Aussparung (67) sowie jeweils zumindest eine Zu- und Ableitung (69, 71 ), welche die Aussparung (67) mit dem Äußeren der Form (65) verbinden, aufweist;(65) to each membrane holder opening (15) on the membrane holder top (17) each have a substantially congruent to this recess (67) and in each case at least one inlet and outlet (69, 71) which the recess (67) with the exterior of Connect form (65) has;
Zuführen einer flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz (33) in den durch den Membranhalter (13), die Abdeckung (25) und die Form (65) gebildeten Hohlraum; Verfestigen der flüssigen Substanz (33) zur Ausbildung der Membran (37).Feeding a liquid elastic solidifying substance (33) into the cavity formed by the membrane holder (13), the cover (25) and the mold (65); Solidifying the liquid substance (33) to form the membrane (37).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Abdeckung 25 durch ein Lösungsmittel löslich und/oder durch ein Lösungsmittel im wesentlichen kraftfrei ablösbar ist.8. The method according to any one of claims 5 to 7, wherein the cover 25 is soluble by a solvent and / or substantially force-free detachable by a solvent.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend den Schritt: Dispensieren einer flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz vom Rand der Membranhalteröffnung (15) zur Mitte hin, so daß die Membranhalteröffnung (15) geschlossen wird.9. The method according to any one of claims 1 to 4, further comprising the step of: dispensing a liquid elastically solidifying substance from the edge of the membrane holder opening (15) towards the center, so that the membrane holder opening (15) is closed.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend die Schritte:10. The method according to any one of claims 1 to 4, further comprising the steps:
- Ausbilden eines Tropfens einer flüssigen sich elastisch verfestigenden Substanz an einer Dispensierspitze (35), wobei der Tropfen einen Durchmesser aufweist, der größer oder gleich dem Durchmesser Du der Membranhalteröffnung (15) an der Membranhalterunterseite (21 ) ist;- Forming a drop of a liquid elastically solidifying substance at a Dispensierspitze (35), wherein the drop has a diameter which is greater than or equal to the diameter D u the membrane holder opening (15) is on the membrane holder lower side (21);
- Anordnen des Tropfens an die Membranhalteröffnung (15), so daß die Membranhalteröffnung (15) geschlossen wird.- Arranging the drop to the membrane holder opening (15), so that the membrane holder opening (15) is closed.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elastisch verfestigenden Substanz zur Ausbildung der Membran (37) ein Polymer ist.11. The method according to any one of the preceding claims, wherein the elastically solidifying substance for forming the membrane (37) is a polymer.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die elastisch verfestigenden Substanz zur Ausbildung der Membran (37) Silikon ist.12. The method according to any one of the preceding claims, wherein the elastically solidifying substance for forming the membrane (37) is silicone.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend die Schritte:13. The method according to any one of the preceding claims, further comprising the steps:
Bereitstellen einer Basis (49); - Bereitstellen einer Durchflußkanalschicht (51 ) mit zumindest einerProviding a base (49); - Providing a Durchflußkanalschicht (51) with at least one
Ausnehmung (53);Recess (53);
- Verbinden der Durchflußkanalschicht (51 ) mit der Basis (49), wodurch das Durchflußelement (23) mit dem Durchflußkanal (47) ausgebildet wird.- Connecting the flow channel layer (51) to the base (49), whereby the flow element (23) with the flow channel (47) is formed.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, weiter umfassend die Schritte zur Ausbildung des Durchflußelements (23):14. The method according to any one of claims 1 to 12, further comprising the steps of forming the flow element (23):
Bereitstellen einer Durchflußkanalschicht (51 ) Ausbilden zumindest eines Durchflußkanals (47) durch materialentfernende Bearbeitung.Providing a flow channel layer (51) forming at least one flow channel (47) by material removal processing.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, weiter umfassend die Schritte:15. The method according to any one of the preceding claims, further comprising the steps:
- Aufbringen eines benetzenden Füllstoffes (59) auf den Ventilsitz (55), so daß die freie Oberfläche des benetzenden Füllstoffes (59) aufgrund der Oberflächenspannung eine stetig gekrümmte Form annimmt; Aushärten des benetzenden Füllstoffes (59).- Applying a wetting filler (59) on the valve seat (55), so that the free surface of the wetting filler (59) assumes a steadily curved shape due to the surface tension; Curing the Wetting Filler (59).
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der benetzende Füllstoff (59) ein UV- härtender Klebstoff ist und das Aushärten durch Bestrahlung mit ultraviolettem Licht erfolgt.16. The method of claim 15, wherein the wetting filler (59) is a UV curing adhesive and the curing is carried out by irradiation with ultraviolet light.
17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Aktuationselement (19) durch folgende Schritte ausgebildet wird:17. The method according to any one of the preceding claims, wherein the Aktuationselement (19) is formed by the following steps:
- Bereitstellen einer Aktuationskanalschicht (43), weiter aufweisend zumindest einen Aktuationskanal (41) als Aktuator (39);- Providing an Aktuationskanalschicht (43), further comprising at least one Aktuationskanal (41) as an actuator (39);
- Verbinden der Aktuationskanalschicht (43) mit der Membranhalteroberseite (17) des Membranhalters (13), so daß die Membran (37) zumindest bereichsweise an zumindest einem Aktuationskanal (41) angeordnet ist.- Connecting the Aktuationskanalschicht (43) with the membrane holder top (17) of the membrane holder (13), so that the membrane (37) at least partially disposed on at least one Aktuationskanal (41).
18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der zumindest eine Durchflußkanal (47) im wesentlichen entlang einer ersten Längsrichtung Li erstreckend angeordnet wird und der zumindest eine Aktuationskanal (41 ) im wesentlichen entlang einer zweiten Längsrichtung L2 erstreckend angeordnet wird, wobei der zwischen den Längsrichtungen L1 und L2 eingeschlossene Winkel θ von Null verschieden ist.18. The method of claim 17, wherein the at least one flow channel (47) is arranged extending substantially along a first longitudinal direction Li and the at least one Aktuationskanal (41) is arranged extending substantially along a second longitudinal direction L 2 , wherein between the longitudinal directions L1 and L2 included angle θ is different from zero.
19. Mikroventil zur Flußsteuerung von Fluiden, umfassend:19. A microvalve for controlling the flow of fluids, comprising:
- ein Aktuationselement (19) mit zumindest einem Aktuator (39),an actuation element (19) with at least one actuator (39),
- ein Durchflußelement (23) mit zumindest einem Durchflußkanal (47),a flow element (23) with at least one flow channel (47),
- einen Membranhalter (13) mit - einer Membranhalteroberseite (17), die mit dem Aktuationselement (19) verbunden ist, einer Membranhalterunterseite (21 ), die mit dem Durchflußelement (23) verbunden ist, zumindest einer Membranhalteröffnung (15) und - zumindest einer aktuierbaren, rückstellfähigen Membran (37), welche in der zumindest einen Membranhalteröffnung (15) angeordnet ist, wobei die zumindest eine Membran (37) mit einer Membranunterseite mit dem Durchmesser Du zumindest bereichsweise an dem zumindest einem Durchflußkanal (47) angeordnet ist, wobei die zumindest eine Membran (37) mit einer Membranoberseite mit dem Durchmesser D0 zumindest bereichsweise an dem zumindest einem Aktuator (47) angeordnet ist, wobei der Durchmesser D0 größer als der Durchmesser Du ist und wobei die Wandung des zumindest einen Durchflußkanals (47) durch die zumindest eine aktuierbare Membran (37) in einem Ventilsitz (55) mechanisch kontaktierbar ist, so daß der zumindest eine Durchflußkanal (47) im wesentlichen vollständig durch die Membran (37) verschließbar ist.- A membrane holder (13) with - a membrane holder top (17) which is connected to the Aktuationselement (19), a membrane holder bottom (21) which is connected to the flow element (23), at least one membrane holder opening (15) and - at least one actuatable, resilient membrane (37), which is arranged in the at least one membrane holder opening (15), wherein the at least one membrane (37) with a diaphragm bottom with the diameter D u at least partially on the at least a flow channel (47) is arranged, wherein the at least one membrane (37) is arranged with a membrane top with the diameter D 0 at least partially on the at least one actuator (47), wherein the diameter D 0 is greater than the diameter D u and wherein the wall of the at least one flow channel (47) through the at least one actuatable membrane (37) in a valve seat (55) is mechanically contacted, so that the at least one flow channel (47) is substantially completely closed by the membrane (37).
20. Mikroventil nach Anspruch 19, wobei der Membranhalter (13) weiter umfaßt:The microvalve of claim 19, wherein the membrane holder (13) further comprises:
- eine untere Membranträgerschicht (3), in der zumindest eine untere Membranträgeröffnung (5) mit jeweils einer Mittelachse Mu und jeweils einem Durchmesser Du ausgebildet ist und- A lower membrane carrier layer (3), in which at least one lower membrane carrier opening (5), each with a central axis M u and each having a diameter D u is formed and
- eine obere Membranträgerschicht (7), in der zumindest eine obere Membranträgeröffnung (9) mit jeweils einer Mittelachse M0 und jeweils einem Durchmesser D0 ausgebildet ist, wobei die obere Membranträgerschicht (7) mit der unteren Membranträger- schicht (3) so verbunden ist, daß die Mittelachsen Mu und M0 im wesentlichen zusammenfallen, so daß die untere Membranträgeröffnung (5) und die obere Membranträgeröffnung (9) die Membranhalteröffnung (15) ausbilden.- An upper membrane carrier layer (7), in which at least one upper membrane carrier opening (9), each having a central axis M 0 and a diameter D 0 is formed, the upper membrane carrier layer (7) with the lower membrane carrier layer (3) so connected in that the central axes M u and M 0 substantially coincide so that the lower membrane carrier opening (5) and the upper membrane carrier opening (9) form the membrane holder opening (15).
21. Mikroventil nach Anspruch 20, wobei die untere Membranträgerschicht (3) und/oder die obere21. A microvalve according to claim 20, wherein the lower membrane carrier layer (3) and / or the upper
Membranträgerschicht (7) zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet ist und die oberen Membranträgerschicht (7) mit der unteren Membranträgerschicht (3) mittels des Klebemittels verklebt ist.Membrane carrier layer (7) is coated on at least one side with an adhesive and the upper membrane carrier layer (7) is glued to the lower membrane carrier layer (3) by means of the adhesive.
22. Mikroventil nach Anspruch 21 , wobei das Klebemittel ein Schmelzkleber ist.22. A microvalve according to claim 21, wherein the adhesive is a hot melt adhesive.
23. Mikroventil nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Membran (37) aus einem Polymer besteht. 23. A microvalve according to any one of claims 19 to 22, wherein the membrane (37) consists of a polymer.
24. Mikroventil nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die Membran (37) aus einem Silikon besteht.24. A microvalve according to any one of claims 19 to 23, wherein the membrane (37) consists of a silicone.
25. Mikroventil nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei das Durchflußelement (23) umfaßt: eine Basis (49) und eine Durchflußkanalschicht (51 ) mit zumindest einer Ausnehmung (53), wobei die Durchflußkanalschicht (51) mit der Basis (49) verbunden ist.25. A microvalve according to any of claims 19 to 24, wherein the flow member (23) comprises: a base (49) and a flow channel layer (51) having at least one recess (53), the flow channel layer (51) being connected to the base (49) connected is.
26. Mikroventil nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei das Durchflußelement (23) mit dem zumindest einen Durchflußkanal (47) einstückig ausgebildet ist.26. A microvalve according to any one of claims 19 to 24, wherein the flow element (23) with the at least one flow channel (47) is integrally formed.
27. Mikroventil nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei der zumindest eine Durchflußkanal (47) zumindest bereichsweise mit einem stetig gekrümmten Querschnitt ausgebildet ist.27. Microvalve according to one of claims 19 to 26, wherein the at least one flow channel (47) is formed at least partially with a continuously curved cross-section.
28. Mikroventil nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei der Ventilsitz (55) durch einen ausgehärteten Füllstoff (59) zumindest bereichsweise stetig gekrümmt ausgebildet ist.28. A microvalve according to any one of claims 19 to 27, wherein the valve seat (55) is formed by a cured filler (59) at least partially continuously curved.
29. Mikroventil nach Anspruch 28, wobei der ausgehärtete Füllstoff (59) ein UV- härtender Klebstoff ist.29. A microvalve according to claim 28, wherein the cured filler (59) is a UV-curing adhesive.
30. Mikroventil nach einem der Ansprüche 19 bis 29, wobei das Aktuations- element (19) weiter umfaßt:30. A microvalve according to any one of claims 19 to 29, wherein the actuation element (19) further comprises:
- eine Aktuationskanalschicht (43) mit zumindest einem Aktuationskanal- An Aktuationskanalschicht (43) with at least one Aktuationskanal
(41 ) und - eine Deckschicht (45), wobei die Aktuationskanalschicht (43) mit der Membranhalteroberseite (17) des Membranhalters (13) verbunden ist und wobei die Deckschicht (45) mit der Aktuationskanalschicht (43) verbunden ist. (41) and - a cover layer (45), wherein the Aktuationskanalschicht (43) with the membrane holder top (17) of the membrane holder (13) is connected and wherein the cover layer (45) is connected to the Aktuationskanalschicht (43).
31. Mikroventil nach Ansprüche 30, wobei die Deckschicht (45) und/oder die Aktuationskanalschicht (43) zumindest einseitig mit einem Klebemittel beschichtet ist und die Deckschicht (45) mit der Aktuationskanalschicht (43) mittels des Klebemittels verklebt ist.31. A microvalve according to claim 30, wherein the cover layer (45) and / or the Aktuationskanalschicht (43) is coated at least on one side with an adhesive and the cover layer (45) is glued to the Aktuationskanalschicht (43) by means of the adhesive.
32. Mikroventil nach Ansprüche 30 oder 31 , wobei sich der zumindest eine Durchflußkanal (47) im wesentlichen entlang einer ersten Längsrichtung L1 erstreckt und sich der zumindest eine Aktuationskanal (41) im wesentlichen entlang einer zweiten Längsrichtung L2 erstreckt, wobei der zwischen den Längsrichtungen L1 und L2 eingeschlossene Winkel θ von Null verschieden ist.32. A microvalve according to claim 30 or 31, wherein the at least one flow channel (47) extends substantially along a first longitudinal direction L 1 and the at least one Aktuationskanal (41) extends substantially along a second longitudinal direction L 2 , wherein between the Longitudinal directions L1 and L2 included angle θ is different from zero.
33. Mikroventil nach einem der Ansprüche 19 bis 29, wobei das Aktuations- element (19) zu jeder Membran (37) einen der jeweiligen Membran (37) zugeordneten Stößel (39) umfaßt.33. A microvalve according to any one of claims 19 to 29, wherein the Aktuations- element (19) to each membrane (37) one of the respective membrane (37) associated ram (39).
34. Mikrofluidische Pumpe zur Bewegung von Fluiden, die zumindest drei Mikroventile (1) nach einem der Ansprüche 19 bis 33 aufweist.34. A microfluidic pump for moving fluids, which has at least three microvalves (1) according to one of claims 19 to 33.
35. Mikrofluidische Pumpe nach Anspruch 34, wobei die mikrofluidische Pumpe (63) einteilig ist.35. The microfluidic pump of claim 34, wherein the microfluidic pump (63) is in one piece.
36. Mikrofluidisches System, umfassend: zumindest ein Mikroventil (1 ) nach einem der Ansprüche 19 bis 33 und/oder zumindest eine Mikrofluidische Pumpe (63) nach Anspruch 34 oder 35, zumindest einen Durchflußkanal (47) für ein Fluid, - zumindest eine Funktionskomponente, welche mit dem Fluid in dem36. A microfluidic system, comprising: at least one microvalve (1) according to one of claims 19 to 33 and / or at least one microfluidic pump (63) according to claim 34 or 35, at least one flow channel (47) for a fluid, - at least one functional component , which with the fluid in the
Durchflußkanal (47) kontaktierbar ist.Flow channel (47) is contactable.
37. Mikrofluidisches System nach Anspruch 36, wobei die Funktionskomponente ein Sensor zur Bestimmung von physikalischen, chemischen und/oder biologischen Eigenschaften des Fluids ist.37. The microfluidic system according to claim 36, wherein the functional component is a sensor for determining physical, chemical and / or biological properties of the fluid.
38. Mikrofluidisches System nach Anspruch 36, wobei die Funktionskomponente eine elektronische Komponente ist, wobei mittels des Durchflußkanals (47) ein Fluid zur Kühlung der elektronischen Komponente bereitstellbar ist. 38. The microfluidic system according to claim 36, wherein the functional component is an electronic component, wherein a fluid for cooling the electronic component can be provided by means of the flow channel (47).
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