WO2012038275A1 - Verfahren zum herstellen einer fluidischen vorrichtung - Google Patents

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WO2012038275A1
WO2012038275A1 PCT/EP2011/065653 EP2011065653W WO2012038275A1 WO 2012038275 A1 WO2012038275 A1 WO 2012038275A1 EP 2011065653 W EP2011065653 W EP 2011065653W WO 2012038275 A1 WO2012038275 A1 WO 2012038275A1
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Stephan Geise
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Robert Bosch Gmbh
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    • B29C45/56—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it into the mould using mould parts movable during or after injection, e.g. injection-compression moulding
    • B29C45/561—Injection-compression moulding

Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a fluidic device. More particularly, the present invention relates to a method of making a media-grade microfluidic device for analytical, preparative or medical applications.
  • fluidic devices such as microfluidic chips or analysis chips
  • microfluidic chips or analysis chips are usually manufactured today from plastic. These can be used, for example, for so-called lab-on-chip systems.
  • the various analysis chips may comprise a structured plastic carrier plate, an intermediate plate and a cover plate. The necessary analysis components or pumps, heat sources and sensors are integrated. The different ones
  • Plastic components are manufactured separately on several injection molding machines in each case special injection molds.
  • the subject matter of the present invention is a method for producing a fluidic, in particular microfluidic device, comprising the steps: a) forming a in particular structured carrier plate in an injection-compression molding tool,
  • step a) forming a cover plate in an injection-compression molding tool, wherein the injection-compression molding tool can be the same or different as in step a).
  • the method according to the invention for producing a fluidic device is based on the principle of two-component injection-compression molding. Under an injection-compression molding is understood in the invention that a
  • Plastic melt is injected as a mass cake in a substantially unpressurized and partially open tool, or in a mold.
  • the tool is completely closed only during the solidification process of the component to be produced.
  • a uniform closing pressure builds up, which is responsible for the final shaping of the
  • Injection stamping tool comprises, be joined together.
  • the process according to the invention is particularly suitable for the production of Microfluidic devices suitable, since according to the invention even the smallest components can be molded with high accuracy.
  • the workflow is also easily programmable, so that even large-scale production is possible.
  • the respective curing characteristic is easily adaptable, so that fluidic devices with well-defined properties, such as hardness, can be produced.
  • Injection embossing also provides very good for all plastics used
  • Such a method offers the advantage that the fluidic device can be manufactured in significantly smaller dimensions. Because the heat development that occurs in an injection-compression molding, is significantly lower than that occurring in conventional manufacturing process heat. Thus, in particular a very heat-intensive assembly of the individual components, in particular the carrier plate with the cover plate, can be dispensed with, in most cases
  • the fluidic device can continue to be manufactured essentially in one production step.
  • the method according to the invention can be carried out in a particularly time-saving and cost-effective manner.
  • the expenditure on equipment is very limited. It will essentially only one
  • the carrier plate may preferably be structured.
  • the support plate has at least one, but advantageously a plurality of structures, in the further method for arranging and / or fastening
  • a functional element in the context of the invention may comprise any component which gives the fluidic connection produced a function.
  • the functional element may comprise an analysis component, a membrane, or also an intermediate plate, wherein one or more functional elements are possible.
  • Exemplary structures are therefore, for example, channels in which a fluid can flow, or also recordings for a desired positioning of the at least one functional element.
  • a fluidic device means according to the invention that with the
  • a microfluidic device is at least one step with at least one fluid is possible.
  • a microfluidic device is one whose dimensions are in at least one dimension in a range of a few to several 100 ⁇ , in particular ⁇ 1 mm.
  • Embodiment makes it possible to produce a fluidic device, wherein no germs or dirt particles enter the system, which could have an influence on the analysis result or other areas of application of the fluidic device. According to the invention, therefore, the entire process for the preparation of the fluidic connection can be carried out in a clean room, wherein a fluidic device is formed, which is hermetically sealed. In this way, eliminates the labor, all the different components, in particular the support plate, the intermediate plate and the cover plate to manufacture in independent steps and later in one
  • a clean room is a volume in which germs or dirt particles are present in an extremely low concentration.
  • a cleanroom of class ISO 7 (according to ISO 14644-1) is used.
  • the carrier plate is formed from a transparent plastic.
  • the interior of the fluidic device is visible at least on one side. This is particularly advantageous if an analysis component is arranged in the fluidic device whose analyzes or data should be visible from outside the fluidic device.
  • the carrier plate is formed from a cyclo-olefin polymer.
  • Such polymers have for the production and
  • cyclo-olefin copolymers are particularly suitable.
  • partially crystalline polyolefins they are amorphous and thus transparent. Their properties can be adapted in a wide range to the desired application. In particular, an adaptation of the
  • cyclo-olefin polymers are characterized by a number of other advantageous features
  • Microfluidic advantageous z. B. as a chip analysis.
  • the cover plate is formed from a cyclo-olefin polymer or from polyphenylene sulfide (PPS), in particular with a mineral filler.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • the above-mentioned advantages can also be achieved in the cover plate.
  • Polyphenylene sulfide is also a particularly resistant polymer whose good mechanical properties are maintained even at temperatures well above 200 ° C. Also outstanding is the chemical resistance of polyphenylene sulfide to almost all solvents, many acids and alkalis as well as to atmospheric oxygen even at high temperatures.
  • Polyphenylene sulfide has besides a low water absorption also good dimensional stability and inherent flame retardancy. It has good insulation properties, is highly impermeable to most liquids and gases, and has low creep even at higher temperatures. It is also suitable for long, narrow moldings and complex tool geometries due to its good flowability.
  • Suitable fillers include, for example, glass fibers, glass beads or mineral fillers such as quartz sand or chalk. It is also advantageous that after the forming of the support plate, this is at least partially treated with a plasma.
  • Plasma treatment makes it possible to clean the surface of the support plate on the one hand and on the other hand to activate the surface. In this way, a particularly stable connection between the support plate and the
  • Cover plate can be achieved, so that damage caused by an unintentional
  • the fluidic device can safely prevent entry of germs or others
  • Support plate and cover plate even more stable.
  • a connection is realized not only by the adhesion of the plastics to each other, but also by a mechanical fastening means that allows a positive connection between the support plate and cover plate.
  • the undercut is preferably formed directly in the molding of the support plate.
  • the at least one functional element is held in position at least temporarily by at least one web during manufacture. This prevents the functional element from slipping during the manufacturing process and rendering the manufactured device unusable. It can hold in position by otherwise securing the
  • the fluidic device is selected from a particularly microfluidic analytical or preparative device, such as for blood analysis (sepsis) or urine examination (cystitis).
  • the invention further relates to a fluidic, in particular microfluidic device, comprising a particular structured carrier plate, on which at least one functional element, such as in particular an intermediate plate, an analysis component or a pumping element, is arranged, wherein the at least one functional element of a fluidic device of the fluidic device
  • occlusive cover plate is covered, and wherein the support plate has an undercut, in which a nose of the cover plate engages.
  • Figure 1 is a schematic view of a structured carrier plate from above.
  • Fig. 2 is a schematic view of a carrier plate arranged thereon
  • Fig. 3 is a schematic view of a carrier plate one on it
  • Fig. 4 is a schematic view of a carrier plate one on it
  • Fig. 5 a schematic view of a completed fluidic
  • Fig. 6 is a schematic sectional view of a completed fluidic
  • FIGS. 1 to 6 the method according to the invention is described by way of example and not by way of limitation. In the figures for corresponding components or components are the same
  • FIG. 1 shows a carrier plate 10 which is part of a fluidic
  • this support plate 10 is formed in a first step in an injection molding machine in an injection compression tool.
  • an injection unit a plastic in a mold or in a
  • the plastic used is preferably a transparent plastic, such as a cyclo-olefin polymer (COP).
  • COP cyclo-olefin polymer
  • Support plate 10 are formed.
  • an embossing pressure of ⁇ 200 bar is particularly preferred.
  • the support plate 10 can be formed low distortion, so dimensionally stable.
  • a forming film gate can then be punched and removed from the injection molding machine or from the
  • the mold and / or the stamp of the injection molding machine is preferably formed such that the resulting support plate 10 is structured, so having structures for the desired function of the fluidic device to be produced.
  • These structures may include, for example, a receptacle 12 for an analysis component, such as a sensor, or a receptacle 14 for a component of a pump, as shown with reference to FIG.
  • further recordings are conceivable for further in the fluidic
  • the structures may include a channel system 16 in which the fluid may be routed during operation of the fluidic device.
  • Jetties 18 possible.
  • the web 18 may be part of the injection compression tool and therefore form a recess in the support plate 10.
  • the at least one web 18 can initially be maintained in further method steps, in order to provide for the arrangement of further functional elements for increased stability.
  • advantageously structured support plate 10 are treated with a plasma.
  • the surface of the carrier plate 10 can be cleaned and activated in this way.
  • Step improves in the completed fluidic connection, the adhesion of a cover plate 30 to the support plate 10 and so the stability of the fluidic device as such.
  • various functional elements can be arranged on the support plate 10 and optionally attached there.
  • Exemplary functional elements include an analyzer component 20, such as a sensor, or a pumping element 22, as can be seen in FIG.
  • An attachment of the functional elements can be realized for example by the provision of a suitable adhesive.
  • the pump membrane 24 serves to convey a fluid to be treated in the fluidic device and is expediently expandable.
  • the pump membrane 24 may consist of a thermoplastic elastomer (TPE), a thermoplastic polyurethane (TPU) a
  • thermoplastic vulcanizate TPV
  • thermosetting elastomer a thermoplastic vulcanizate
  • control plate intermediate plate 26 disposed above the pump diaphragm 24.
  • the intermediate plate 26 is preferably structured on its underside, wherein the structures 28 are indicated schematically in Figure 4.
  • the structures 28 are expediently adapted to the structures of the channel system 16 such that the
  • Pumping membrane 24 can move at least partially in these structures 28 in a conveying operation, such as by the application of a vacuum. In this way, a well-suited for a fluidic pump system is created.
  • the intermediate plate 26 in turn can be produced in another injection-compression molding process, which is carried out in the injection molding machine in an injection-compression mold.
  • the intermediate plate 26 is formed from a low-cost, low distortion plastic. Especially preferred
  • Plastics from which the intermediate plate 26 may be formed include, for example, polyphenylene sulfide, especially with a mineral filler such as quartz sand or chalk.
  • the at least one web 18 can advantageously be arranged in the mold in order to stabilize the applied functional elements.
  • Process step the at least one web 18 is removed from the mold.
  • the injection-compression molding machine of the injection molding machine can be closed and another plastic molded into the mold to form a cover plate 30, as shown in Figures 5 and 6.
  • the injected plastic comprises for this purpose preferably a cyclo-olefin copolymer or polyphenylene sulfide, in particular with one or more mineral fillers.
  • the mineral fillers may include glass fibers, glass beads or mineral fillers, such as quartz sand or chalk.
  • the support plate 10 has an undercut 34, in which a nose 36 of the cover plate 30 for the positive fastening of the
  • Cover plate 30 engages the support plate 10.
  • Geometry of the undercut 34 and the nose 36 is dependent on the corresponding shape or the stamp of the injection embossing machine, in which the support plate 10 and the cover plate 30 is formed.
  • the process according to the invention is particularly preferably carried out completely under clean-room conditions.
  • These can, for example, the
  • Cleanroom be integrated.
  • the method according to the invention is particularly well suited for producing microfluidic devices for highly accurate analytical, preparative or medical applications.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer fluidischen, insbesondere mikrofluidischen, Vorrichtung, umfassend die Schritte: a) Ausformen einer insbesondere strukturierten Trägerplatte (10) in einem Spritzprägewerkzeug, b) Anordnen von wenigstens einem Funktionselement, wie insbesondere einer Zwischenplatte (26), einem Analysenbauteil (20) oder einem Pumpelement (22), auf einer Seite der Trägerplatte (10), c) Ausformen einer Abdeckplatte (30) in einem Spritzprägewerkzeug, wobei das Spritzprägewerkzeug das gleiche oder ein anderes sein kann wie in Schritt a), d) Anordnen der Abdeckplatte (30) auf der Trägerplatte (10) zum Abdecken des wenigstens einen Funktionselements und zum luftdichten Verschließen der fluidischen Vorrichtung.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Herstellen einer fluidischen Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer fluidischen Vorrichtung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer medienechten mikrofluidischen Vorrichtung für analytische, präparative oder medizinische Anwendungen.
Stand der Technik
Für unterschiedliche Anwendungsbereiche, wie beispielsweise zur medizinischen Analyse, werden heutzutage meist aus Kunststoff ausgebildete fluidische Vorrichtungen, wie etwa Mikrofluidikchips beziehungsweise Analysechips, hergestellt. Diese können zum Beispiel für sogenannte Lab-on-Chip-Systeme verwendet werden. Die verschiedenen Analysechips können dabei eine strukturierte Kunststoff -Trägerplatte, eine Zwischenplatte und eine Abdeckplatte umfassen. Dabei werden die notwendigen Analysebauteile beziehungsweise Pumpen, Wärmequellen und Sensoren integriert. Die unterschiedlichen
Kunststoffbauteile werden separat auf mehreren Spritzgießmaschinen in jeweils speziellen Spritzgießwerkzeugen hergestellt.
Bei medizinischen Produkten ist es oftmals von elementarer Bedeutung, dass die Bauteile keimfrei sind. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die späteren Analyseergebnisse nicht durch versehentlich eingetragene Schadstoffe verfälscht werden. Aus diesem Grund werden alle Bauteile des Mikrofluidikchips unter Reinraumbedingungen hergestellt und verpackt. Anschließend werden die Komponenten aus den unterschiedlichen Fertigungsbereichen zur weiteren Montage zusammengeführt. Um in einem nachfolgenden Montageschritt ein medienechtes System zu erhalten, werden die bestückten Trägerplatten mit Zwischenplatten und den Abdeckplatten in einem Laser-Schweißprozess verbunden. Die Schweißnähte müssen dabei in einem ausreichenden Abstand zu den Analysebauteilen verlaufen, damit diese durch die große Hitzeentwicklung keinen Schaden nehmen.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen einer fluidischen, insbesondere mikrofluidischen Vorrichtung, umfassend die Schritte: a) Ausformen einer insbesondere strukturierten Trägerplatte in einem Spritzprägewerkzeug,
b) Anordnen von wenigstens einem Funktionselement, wie insbesondere einer Zwischenplatte, einem Analysenbauteil oder einem Pumpelement, auf einer Seite der Trägerplatte,
c) Ausformen einer Abdeckplatte in einem Spritzprägewerkzeug, wobei das Spritzprägewerkzeug das gleiche oder ein anderes sein kann wie in Schritt a).
d) Anordnen der Abdeckplatte auf der Trägerplatte zum Abdecken des wenigstens einen Funktionselements und zum luftdichten Verschließen der fluidischen Vorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer fluidischen Vorrichtung basiert auf dem Prinzip des Zweikomponenten-Spritzprägens. Unter einem Spritzprägen wird im Rahmen der Erfindung verstanden, dass eine
Kunststoffschmelze als Massekuchen in ein im Wesentlichen druckloses und noch teilweise geöffnetes Werkzeug, beziehungsweise in eine Form, eingespritzt wird. Das Werkzeug wird erst während des Erstarrungsvorganges der zu erzeugenden Komponente vollständig geschlossen. Dadurch baut sich ein gleichmäßiger Schließdruck auf, der für die endgültige Ausformung der
Komponente sorgt. Kennzeichnend für ein Zweikomponenten-Spritzprägen ist dabei, dass zwei Kunststoff arten in einer Spritzgießmaschine, die ein
Spritzprägewerkzeug umfasst, zusammengefügt werden.
Durch das Anwenden eines Zweikomponenten-Spritzprägeprozesses ist d erfindungsgemäße Verfahren besonders gut für das Herstellen von mikrofluidischen Vorrichtungen geeignet, da erfindungsgemäß auch kleinste Bauteile mit einer hohen Genauigkeit formbar sind. Der Arbeitsablauf ist ferner leicht programmierbar, so dass auch Großserienfertigungen möglich sind.
Darüber hinaus ist die jeweilige Härtungscharakteristik leicht anpassbar, so dass fluidische Vorrichtungen mit genau definierten Eigenschaften, wie etwa Härte, herstellbar sind.
Spritzprägen liefert ferner bei allen verwendeten Kunststoffen sehr gute
Oberflächeneigenschaften und ferner eine geringe mechanische Anisotropie.
Ein derartiges Verfahren bietet den Vorteil, dass die fluidische Vorrichtung in deutlich kleineren Dimensionen fertigbar ist. Denn die Wärmeentwicklung, die bei einem Spritzprägen auftritt, ist deutlich geringer als die bei herkömmlichen Herstellungsverfahren auftretende Wärme. So kann insbesondere auf ein sehr wärmeintensives Zusammenfügen der Einzelkomponenten, wie insbesondere der Trägerplatte mit der Abdeckplatte, verzichtet werden, bei dem meist
Schweißnähte durch das Anwenden von Laserstrahlen erzeugt werden. Der herkömmlicherweise notwendige Abstand zwischen den wärmeempfindlichen Funktionselementen, wie insbesondere Analysebauteilen oder Membranen, und der Schweißnaht, kann so eingespart werden. Darüber hinaus ist dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine übermäßige Hitzeentwicklung auftritt, auch das Einbinden von komplexen und hitzeempfindlichen
Funktionselementen, wie etwa Analysenbauteilen, problemlos möglich. Durch das Anwenden einer Zweikomponenten-Spritzprägetechnik kann die fluidische Vorrichtung weiterhin im Wesentlichen in einem Fertigungsschritt hergestellt werden. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders zeitsparend und kostengünstig ausgeführt werden. Darüber hinaus ist der apparative Aufwand sehr begrenzt. Es werden im Wesentlichen nur eine
Zweikomponenten-Spritzgießmaschine, ein Zweikomponenten-
Spritzgießwerkzeug beziehungsweise Zweikomponenten-Spritzprägewerkzeug und ein entsprechendes Handhabungssystem benötigt. Ein zusätzlicher
Montageschritt durch Laserschweißen wird nicht benötigt. Es werden somit Kosten von Fertigungs- und Lagerzeiten, Transporten, zusätzlichen Werkzeugen und Maschinen eingespart. Dabei kann die Trägerplatte vorzugsweise strukturiert ausgebildet sein.
Strukturiert im Rahmen der Erfindung bedeutet hier, dass die Trägerplatte wenigstens eine, jedoch vorteilhafterweise eine Vielzahl an Strukturen aufweist, die im weiteren Verfahren für das Anordnen und/oder Befestigen
beziehungsweise für ein gewünschtes Arbeiten von wenigstens einem
Funktionselement verwendet werden kann. Ein Funktionselement im Rahmen der Erfindung kann dabei jegliches Bauteil umfassen, das der hergestellten fluidischen Verbindung eine Funktion verleiht. Beispielsweise kann von dem Funktionselement umfasst sein ein Analysebauteil, eine Membran, oder auch eine Zwischenplatte, wobei ein oder mehrere Funktionselemente möglich sind.
Beispielshafte Strukturen sind daher beispielsweise Kanäle, in denen ein Fluid strömen kann, oder auch Aufnahmen für eine gewünschte Positionierung des wenigstens einen Funktionselements. Eine fluidische Vorrichtung bedeutet dabei erfindungsgemäß, dass mit der
Vorrichtung wenigstens ein Arbeitsschritt mit wenigstens einem Fluid möglich ist. Eine mikrofluidische Vorrichtung ist dabei eine solche, deren Abmessungen in zumindest einer Dimension in einem Bereich von wenigen bis mehreren 100μιη, insbesondere < 1 mm, liegen.
Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird das Verfahren in einem Reinraum durchgeführt. Diese
Ausgestaltung erlaubt es, eine fluidische Vorrichtung herzustellen, wobei keine Keime oder Schmutzpartikel in das System gelangen, die einen Einfluss auf das Analyseergebnis oder andere Anwendungsbereiche der fluidischen Vorrichtung nehmen könnten. Erfindungsgemäß kann daher das gesamte Verfahren zur Herstellung der fluidischen Verbindung in einem Reinraum durchgeführt werden, wobei eine fluidische Vorrichtung entsteht, die luftdicht verschlossen ist. Auf diese Weise entfällt der Arbeitsaufwand, alle verschiedenen Komponenten, wie insbesondere die Trägerplatte, die Zwischenplatte und die Abdeckplatte, in von einander unabhängigen Arbeitsschritten zu fertigen und später in einem
Reinraum zusammenzufügen. Ein Reinraum ist dabei erfindungsgemäß ein Volumen, in dem Keime beziehungsweise Schmutzpartikel in einer äußerst geringen Konzentration vorliegen. Besonders bevorzugt wird ein Reinraum der Klasse ISO 7 (nach ISO 14644-1 ) verwendet. Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Trägerplatte aus einem transparenten Kunststoff ausgeformt. Dadurch ist das Innere der fluidischen Vorrichtung zumindest einseitig einsehbar. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in der fluidischen Vorrichtung ein Analysebauteil angeordnet ist, dessen Analysen beziehungsweise Daten von außerhalb der fluidischen Vorrichtung einsehbar sein sollten.
Insbesondere bei der Ausbildung der Trägerplatte mit einem transparenten Kunststoff ist es vorteilhaft, wenn die Trägerplatte aus einem Cyclo-Olefin- Polymer ausgeformt wird. Derartige Polymere haben für die Herstellung und
Verwendung von fluidischen Vorrichtungen besonders geeignete Eigenschaften. Beispielshaft sind die sogenannten Cyclo-Olefin-Copolymere besonders geeignet. Im Gegensatz zu den teilkristallinen Polyolefinen sind sie amorph und damit transparent. Ihre Eigenschaften lassen sich in einem weiten Bereich an die gewünschte Anwendung anpassen. Insbesondere ist eine Anpassung der
Wärmeformbeständigkeit in einem großen Temperaturbereich möglich, was es ermöglicht, das erfindungsgemäße Verfahren auch bei niedrigen Temperaturen durchführen zu können, wodurch temperaturanfällige Komponenten, wie insbesondere Funktionselemente, geschont werden können. Darüber hinaus zeichnen sich Cyclo-Olefin-Polymere aus durch eine Reihe weiterer vorteilhafter
Eigenschaften, wie etwa gute thermoplastische Fließfähigkeit, hohe Steifigkeit, Festigkeit und Härte sowie niedrige Dichte bei guter Säure- und
Laugenbeständigkeit. Dies ist insbesondere für Anwendungen im
Mikrofluidbereich vorteilhaft, z. B. als Analysechip.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Abdeckplatte aus einem Cyclo-Olefin-Polymer oder aus Polyphenylensulfid (PPS), insbesondere mit einem mineralischen Füllstoff, ausgeformt. Bei der Ausbildung der Abdeckplatte aus einem Cyclo-Olefin- Polymer können die obengenannten Vorteile auch bei der Abdeckplatte erzielt werden. Polyphenylensulfid ist ferner ein besonders widerstandsfähiges Polymer, dessen gute mechanische Eigenschaften auch bei Temperaturen weit über 200°C erhalten bleiben. Herausragend ist zudem die chemische Beständigkeit des Polyphenylensulfids gegenüber nahezu allen Lösemitteln, vielen Säuren und Laugen so wie bedingt gegen Luftsauerstoff auch bei hohen Temperaturen.
Polyphenylensulfid verfügt weiterhin neben einer geringen Wasseraufnahme auch über eine gute Dimensionsstabilität und inhärente Flammwidrigkeit. Es weist gute Isolations-Eigenschaften auf, ist für die meisten Flüssigkeiten und Gase hochgradig impermeabel und hat auch bei höheren Temperaturen nur eine geringe Kriechneigung. Es ist ferner aufgrund seines guten Fließvermögens auch für lange, schmale Formteile und komplexe Werkzeuggeometrien geeignet.
Durch die Füllstoffe können die Eigenschaften dabei an die gewünschte
Anwendung angepasst werden. Geeignete Füllstoffe umfassen beispielsweise Glasfasern, Glaskugeln oder mineralische Füllstoffe wie Quarzsand oder Kreide. Es ist weiterhin vorteilhaft, dass nach dem Ausformen der Trägerplatte diese zumindest teilweise mit einem Plasma behandelt wird. Durch eine
Plasmabehandlung wird es möglich, die Oberfläche der Trägerplatte einerseits zu reinigen und andererseits die Oberfläche zu aktivieren. Auf diese Weise kann eine besonders stabile Verbindung zwischen der Trägerplatte und der
Abdeckplatte erzielt werden, so dass Beschädigungen durch ein ungewolltes
Öffnen dieser Verbindung nahezu ausgeschlossen werden. Dadurch kann die fluidische Vorrichtung sicher vor einem Eintritt von Keimen oder anderen
Verschmutzungen geschützt werden. Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird an der Trägerplatte eine Hinterschneidung zum Eingreifen einer Nase der Abdeckplatte ausgebildet. Dadurch wird die Verbindung von
Trägerplatte und Abdeckplatte noch stabiler. Eine Verbindung wird so nicht nur durch das Haften der Kunststoffe aneinander realisiert, sondern auch durch ein mechanisches Befestigungsmittel, das einen Formschluss zwischen Trägerplatte und Abdeckplatte erlaubt. Die Hinterschneidung wird dabei vorzugsweise direkt bei dem Ausformen der Trägerplatte ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das wenigstens eine Funktionselement während der Herstellung zumindest zeitweise durch wenigstens einen Steg in Position gehalten. Dadurch wird verhindert, dass das Funktionselement während des Herstellungsverfahrens verrutscht und die hergestellte Vorrichtung dadurch unbrauchbar wird. Dabei kann das in Position halten durch ein anderweitiges Befestigen des
Funktionselements unterstützt werden. Es ist daher nicht zwingend, dass das
Funktionselement nur oder hauptsächlich von den Stegen in Position gehalten wird, auch ein zusätzliches Verkleben oder anderweitiges Befestigen ist im Rahmen der Erfindung möglich. Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei dem Vorsehen einer Zwischenplatte als Funktionselement vorteilhaft.
Im Rahmen einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die fluidische Vorrichtung ausgewählt aus einer insbesondere mikrofluidischen analytischen oder präparativen Vorrichtung, wie etwa zur Blutuntersuchung (Sepsis) oder Urinuntersuchung (Zystitis).
Die Erfindung betrifft ferner eine fluidische, insbesondere mikrofluidische Vorrichtung, umfassend eine insbesondere strukturierte Trägerplatte, auf der wenigstens ein Funktionselement, wie insbesondere eine Zwischenplatte, ein Analysenbauteil oder ein Pumpelement, angeordnet ist, wobei das wenigstens eine Funktionselement von einer die fluidische Vorrichtung luftdicht
verschließenden Abdeckplatte abgedeckt ist, und wobei die Trägerplatte eine Hinterschneidung aufweist, in die eine Nase der Abdeckplatte eingreift.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die
Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer strukturierten Trägerplatte von oben; Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Trägerplatte mit darauf angeordneten
Analysenbauteil und Pumpelement von oben;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Trägerplatte einer darauf
angeordneten Membran von oben;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Trägerplatte einer darauf
angeordneten Zwischenplatte von oben;
Fig. 5: eine schematische Ansicht einer fertiggestellten fluidischen
Vorrichtung von oben;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer fertiggestellten fluidischen
Vorrichtung von der Seite. In den Figuren 1 bis 6 wird das erfindungsgemäße Verfahren in beispielhafter und nicht beschränkender weise beschrieben. Dabei werden in den Figuren für entsprechende Bauteile beziehungsweise Komponenten die gleichen
Bezugszeichen verwendet.
In Figur 1 ist eine Trägerplatte 10 gezeigt, die Teil einer fluidischen,
insbesondere einer mikrofluidischen, Vorrichtung sein kann. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Trägerplatte 10 in einem ersten Schritt in einer Spritzgießmaschine in einem Spritzprägewerkzeug ausgeformt. Dazu kann ein Spritzaggregat einen Kunststoff in eine Form beziehungsweise in ein
Spritzprägewerkzeug spritzen. Der verwendete Kunststoff ist dabei vorzugsweise ein transparenter Kunststoff, wie etwa ein Cyclo-Olefin-Polymer (COP). Durch das Einwirken eines strukturierten Prägestempels in die Form kann die
Trägerplatte 10 ausgeformt werden. Dazu ist ein Prägedruck von < 200bar besonders bevorzugt. Die Trägerplatte 10 kann dabei verzugsarm, also formstabil ausgeformt werden. Ein sich bildender Filmanguss kann anschließend abgestanzt und aus der Spritzgießmaschine beziehungsweise aus dem
Spritzprägewerkzeug entfernt werden. Die Form und/oder der Stempel der Spritzgießmaschine ist dabei vorzugsweise derart ausgeformt, dass die entstandene Trägerplatte 10 strukturiert ist, also für die gewünschte Funktion der herzustellenden fluidischen Vorrichtung Strukturen aufweist. Diese Strukturen können beispielsweise eine Aufnahme 12 für ein Analysebauteil, wie etwa einen Sensor, oder eine Aufnahme 14 für ein Bauteil einer Pumpe umfassen, wie dies mit Bezug auf Figur 2 gezeigt wird. Darüber hinaus sind weitere Aufnahmen denkbar für weitere in der fluidischen
Vorrichtung anzuordnende Funktionselemente. Ferner können die Strukturen ein Kanalsystem 16 umfassen, in dem das Fluid während des Betriebs der fluidischen Vorrichtung geführt werden kann.
Weiterhin kann, insbesondere bei der Ausformung beziehungsweise
Strukturierung der Trägerplatte 10, eine Hinterschneidung 34 ausgebildet werden, die in dem späteren Verfahrensverlauf von einer Abdeckplatte 30 hintergriffen werden kann, wie dies mit Bezug auf Figur 6 zu erkennen ist. Dies ist durch das Vorsehen wenigstens eines, vorzugsweise einer Mehrzahl von
Stegen 18 möglich. Der Steg 18 kann Teil des Spritzprägewerkzeugs sein und deshalb eine Aussparung in der Trägerplatte 10 bilden. Der wenigstens eine Steg 18 kann in weiteren Verfahrensschritten zunächst erhalten bleiben, um bei der Anordnung weiterer Funktionselemente für eine vergrößerte Stabilität zu sorgen.
In einem nächsten Schritt kann die Oberfläche der ausgeformten und
vorteilhafterweise strukturierten Trägerplatte 10 mit einem Plasma behandelt werden. Dazu kann eine Plasmapistole in die geöffnete Form zielen und so ein Plasma auf die Oberfläche der Trägerplatte 10 einwirken lassen. Die Oberfläche der Trägerplatte 10 kann auf diese Weise gereinigt und aktiviert werden. Dieser
Schritt verbessert bei der fertiggestellten fluidischen Verbindung die Haftung einer Abdeckplatte 30 an der Trägerplatte 10 und so die Stabilität der fluidischen Vorrichtung als solcher. Anschließend können, beispielsweise durch ein Handhabungssystem, verschiedene Funktionselemente auf der Trägerplatte 10 angeordnet und gegebenenfalls dort befestigt werden. Beispielhafte Funktionselemente umfassen ein Analysenbauteil 20, wie etwa einen Sensor, oder ein Pumpelement 22, wie dies in Figur 2 zu erkennen ist. Ein Befestigen der Funktionselemente kann beispielsweise durch das Vorsehen eines geeigneten Klebstoffs realisiert werden.
In einem nächsten Schritt kann als weiteres Funktionselement eine
Pumpenmembran 24 auf der Trägerplatte 10 angeordnet werden, wie dies in Figur 3 gezeigt ist. Die Pumpenmembran 24 dient dabei der Förderung eines in der fluidischen Vorrichtung zu behandelnden Fluids und ist zweckmäßigerweise dehnbar. Die Pumpenmembran 24 kann dabei aus einem thermoplastischen Elastomer (TPE), einem thermoplastischen Polyurethan (TPU) einem
thermoplastischen Vulkanisat (TPV), oder auch einem duroplastischen Elastomer ausgebildet sein.
Zweckmäßigerweise wird anschließend gemäß Figur 4 als weiteres
Funktionselement eine auch als Kontrollplatte bezeichnete Zwischenplatte 26 oberhalb der Pumpenmembran 24 angeordnet. Die Zwischenplatte 26 ist dabei vorzugsweise an ihrer Unterseite strukturiert, wobei die Strukturen 28 in Figur 4 schematisch angedeutet sind. Die Strukturen 28 sind dabei zweckmäßigerweise an die Strukturen des Kanalsystems 16 derart angepasst, dass die
Pumpenmembran 24 sich bei einem Fördervorgang, etwa durch das Anlegen eines Vakuums, zumindest teilweise in diese Strukturen 28 verlagern kann. Auf diese Weise wird ein für ein fluidisches System gut geeignetes Pumpsystem geschaffen.
Die Zwischenplatte 26 wiederum kann in einem anderen Spritzprägeprozess hergestellt werden, der in der Spritzgießmaschine in einer Spritzprägeform durchgeführt wird. Vorteilhafterweise wird die Zwischenplatte 26 aus einem kostengünstigen, verzugsarmen Kunststoff geformt. Besonders bevorzugte
Kunststoffe, aus denen die Zwischenplatte 26 geformt sein kann, umfassen beispielsweise Polyphenylensulfid, insbesondere mit einem mineralischen Füllstoff, wie etwa Quarzsand oder Kreide.
In den vorgenannten Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der wenigstens eine Steg 18 vorteilhafterweise in der Form angeordnet sein, um die aufgebrachten Funktionselemente zu stabilisieren. Für den nächsten
Verfahrensschritt wird der wenigstens eine Steg 18 aus der Form entfernt.
Nunmehr kann das Spritzprägewerkzeug der Spritzgießmaschine geschlossen und ein weiterer Kunststoff in die Form gespritzt werden, um eine Abdeckplatte 30 auszuformen, wie dies in den Figuren 5 und 6 gezeigt ist. Der eingespritzte Kunststoff umfasst dazu vorzugsweise ein Cyclo-Olefin-Copolymer oder auch Polyphenylensulfid, insbesondere mit einem oder mehreren mineralischen Füllstoffen. Die mineralischen Füllstoffe können dabei umfassen Glasfasern, Glaskugeln oder mineralische Füllstoffe, wie Quarzsand oder Kreide.
Wenn dieser Kunststoff in die Form gespritzt wurde, wird ein vorzugsweise ebener Stempel in die Form gepresst, wodurch der zweite Kunststoff auf die Trägerplatte 10 geprägt wird. Dabei formt sich durch die Ausbildung der Form und des Prägestempels eine Abdeckplatte 30 aus. Der entstandene Filmanguss kann daraufhin entfernt werden. Durch die in einem früheren Schritt
durchgeführte Plasmabehandlung der Oberfläche der Trägerplatte 10 entsteht ein guter Halt der Abdeckplatte 30 auf der Trägerplatte 10, so dass die hergestellte fluidische Vorrichtung sehr stabil wird. Wenn, wie mit Bezug auf Figur 1 beschrieben, ein Steg 18 oder eine Mehrzahl von Stegen 18 verwendet wurden, wurden diese wie bereits erläutert vor dem Ausformen der Abdeckplatte 30 entfernt. Dieser Hohlraum wird anschließend durch einen Haltebereich 32 der Abdeckplatte 30 ausgefüllt. Dies ist in Figur 6 zu erkennen. Durch eine geeignete Strukturierung von Trägerplatte 10 und
Abdeckplatte 30 weist die Trägerplatte 10 eine Hinterschneidung 34 auf, in die eine Nase 36 der Abdeckplatte 30 zum formschlüssigen Befestigen der
Abdeckplatte 30 an der Trägerplatte 10 eingreift. Die Größe, Form und
Geometrie der Hinterschneidung 34 beziehungsweise der Nase 36 ist dabei abhängig von der entsprechenden Form beziehungsweise des Stempels der Spritzprägemaschine, in der die Trägerplatte 10 und die Abdeckplatte 30 ausgeformt wird.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren vollständig unter Reinraumbedingungen durchgeführt. Dazu können beispielsweise die
Zweikomponenten-Spritzgießmaschine beziehungsweise das
Spritzprägewerkzeug und das Handhabungssystem vollständig in einem
Reinraum integriert sein. In diesem Fall ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut geeignet, um mikrofluidische Vorrichtungen für hochgenaue analytische, präparative oder medizinische Anwendungen herzustellen.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Herstellen einer fluidischen, insbesondere mikrofluidischen, Vorrichtung, umfassend die Schritte:
a) Ausformen einer insbesondere strukturierten Trägerplatte (10) in einem Spritzprägewerkzeug,
b) Anordnen von wenigstens einem Funktionselement, wie insbesondere einer Zwischenplatte (26), einem Analysenbauteil (20) oder einem
Pumpelement (22), auf einer Seite der Trägerplatte (10),
c) Ausformen einer Abdeckplatte (30) in einem Spritzprägewerkzeug, wobei das Spritzprägewerkzeug das gleiche oder ein anderes sein kann wie in Schritt a),
d) Anordnen der Abdeckplatte (30) auf der Trägerplatte (10) zum Abdecken des wenigstens einen Funktionselements und zum luftdichten Verschließen der fluidischen Vorrichtung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem Reinraum durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Trägerplatte (10) aus einem transparenten Kunststoff ausgeformt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (10) aus einem Cyclo-Olefin-Polymer ausgeformt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (30) aus einem Cyclo-Olefin-Polymer oder aus
Polyphenylensulfid, insbesondere mit einem mineralischen Füllstoff, ausgeformt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ausformen der Trägerplatte (10) diese zumindest teilweise mit einem Plasma behandelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Trägerplatte (10) eine Hinterschneidung (34) zum Eingreifen einer Nase (36) der Abdeckplatte (30) ausgebildet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Funktionselement während der Herstellung zumindest zeitweise durch wenigstens einen Steg (18) in Position gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die fluidische Vorrichtung ausgewählt ist aus einer insbesondere
mikrofluidischen analytischen oder präparativen Vorrichtung.
10. Fluidische, insbesondere mikrofluidische Vorrichtung, umfassend eine
insbesondere strukturierte Trägerplatte (10), auf der wenigstens ein
Funktionselement, wie insbesondere eine Zwischenplatte (26), ein
Analysenbauteil (20) oder ein Pumpelement (22), angeordnet ist, wobei das wenigstens eine Funktionselement von einer die fluidische Vorrichtung luftdicht verschließenden Abdeckplatte (30) abgedeckt ist, und wobei die Trägerplatte (10) eine Hinterschneidung (34) aufweist, in die eine Nase (36) der Abdeckplatte (30) eingreift.
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