WO2021255581A1 - Mikrofluidisches bauteil mit metallschichtstapel und damit gebondetem fluidleitungselement aus anderem material - Google Patents

Mikrofluidisches bauteil mit metallschichtstapel und damit gebondetem fluidleitungselement aus anderem material Download PDF

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metal layer
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Armin Steinke
Christian Daniel RUF
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Agilent Technologies, Inc.
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Definitions

  • the present invention relates to a microfluidic component, a sample separation device and a method for producing a microfluidic component for a sample separation device.
  • an HPLC is typically a liquid (mobile phase) at a very precisely controlled flow rate (for example in the range of microliters to milliliters per minute) and at a high pressure (typically 20 to 1000 bar and beyond, currently up to 2000 bar), at which the compressibility of the liquid can be felt, moved through a so-called stationary phase (for example in a chromatographic column) in order to separate individual components of a sample liquid introduced into the mobile phase.
  • a so-called stationary phase for example in a chromatographic column
  • Such an HPLC system is known, for example, from EP 0,309,596 B1 by the same applicant, Agilent Technologies, Inc.
  • Such an HPLC system often has one or more switchable fluid valves.
  • Microfluidic components such as, for example, components of fluid valves, are conventionally manufactured by pressing a starting material in powder form, for example, into a desired shape in a molding tool.
  • microfluidic components for sample separation devices have to withstand high and extremely high pressures.
  • microfluidic components that come into contact with fluid samples and solvents should preferably be biologically and chemically inert.
  • fluids should be able to flow reliably through microfluidic structures of the microfluidic components. This becomes increasingly critical when microfluidic structures of the microfluidic components become smaller and smaller. Then it can During a manufacturing process, for example, it can happen that microfluidic channels or the like are undesirably closed.
  • a microfluidic component for a sample separation device is created, wherein the microfluidic component has a layer body with several interconnected metal layer structures and an element that is made of a different material than the metal layer structures, at least one microfluidic structure and is bonded to the laminate.
  • a sample separation device for separating a fluidic sample
  • the sample separation device having a fluid drive for driving a mobile phase and the fluidic sample located therein, a sample separating device for separating the fluidic sample in the mobile phase and a microfluidic component having the features described above, wherein the fluidic sample and / or the mobile phase is to be conveyed during separation through the at least one microfluidic structure.
  • a method for producing a microfluidic component for a sample separation device comprises connecting a plurality of metal layer structures to form a layer body, and bonding an element that is made of a different material than the metal layer structures and is formed with at least one microfluidic structure, with the layer body.
  • Microfluidic component is understood to mean, in particular, a component that makes a functional contribution within the scope of a sample separation analysis, which includes the passage of a fluid (in particular the fluidic sample to be separated and / or a mobile phase) through microfluidic structures of the component.
  • a fluid in particular the fluidic sample to be separated and / or a mobile phase
  • Such a microfluidic component can be fluidically coupled to one or more other microfluidic components via fluid lines (for example capillaries).
  • microfluidic components are a fluidic valve that can be switched between different fluid coupling states or a component thereof, a sample separation device for separating a fluidic sample or a component thereof, a detector or a detector component for detecting the separated fluidic sample, a fluidic heat exchanger, a mixer for mixing of fluids, etc.
  • microfluidic structure is understood to mean in particular a branched or unbranched channel, a plurality of such channels or another structure with dimensions in the range from micrometers to millimeters through which fluid can flow.
  • an inside diameter of the at least one microfluidic structure can be in a range between 0.05 mm and 1 mm, in particular in a range between 0.1 mm and 0.5 mm.
  • the microfluidic structures can have cavities free of solid material or can be partially filled, for example with a stationary phase as sample separation material.
  • layered body can be understood in particular to mean a body which has a plurality of preferably planar layers, in particular arranged parallel to one another and connected to one another, which together with the element form a common, preferably one-piece, component .
  • the layered body has or consists of metal layer structures, but can optionally also have one or more dielectric layers.
  • metal layer structure can in particular be understood to mean a particularly planar and flat metallic structure which, with the formation of at least one microfluidic structure can be processed.
  • a metal layer structure can comprise or consist of a metal (in particular an elemental metal).
  • a metal layer structure can be formed from iron or stainless steel.
  • a metal layer structure can be a continuous layer of metal or can be a structured metal layer with one or more horizontally and / or vertically and / or obliquely extending recesses.
  • a metal layer structure can also be formed from a plurality of coplanar, non-interconnected metal islands.
  • the term “element made of a different material than the metal layer structures” can in particular be understood to mean a body that has a different material configuration than the metal layer structures.
  • the element can in particular be a foreign material element made of a material different from a laminated body material.
  • the element can have or consist of a dielectric material.
  • Exemplary materials for the element are ceramic or plastic.
  • a material bridge can thus be formed between the element and the layer body made of metal layer structures.
  • sample separation device can in particular denote a device that is able and configured or configurable to analyze or separate a fluidic sample, for example to separate it into different fractions.
  • the sample can be separated by means of chromatography or electrophoresis.
  • the sample separator can be a liquid chromatography sample separator.
  • fluid sample is understood to mean, in particular, a medium that contains the matter actually to be analyzed (for example a biological sample such as a protein solution, a pharmaceutical sample, etc.).
  • the mobile phase can be a solvent (e.g. organic and / or inorganic) or a solvent composition (e.g. water and ethanol).
  • Fluid drive should be understood to mean, in particular, a device for conveying and moving fluid which can optionally bring the fluid to an increased pressure.
  • a fluid drive can be a pump, for example a single-stage or multi-stage piston pump.
  • the fluid drive can be designed as a high-pressure chromatographic pump.
  • sample separation device is understood to mean, in particular, a component that can separate a fluidic sample, in particular can separate it into fractions.
  • a sample separation device can have a stationary phase on which the sample is adsorbed and fractionally detached or desorbed from the stationary phase by varying a solvent composition (for example according to a gradient profile).
  • a sample separation device can be a chromatographic separation column.
  • a microfluidic component and an associated manufacturing method are created in which a foreign material element provided with microfluidic structures is preferably integrally connected by bonding to metal layer structures of a layered body. It has been found that such a hybrid component with constituents formed from metallic and other material exhibits strong mechanical cohesion and thus a high level of robustness under harsh operating conditions and pronounced fluidic forces. Microfluidic structures of the component, in particular in the foreign material element, can be used with high reliability and reproducibility for passing a fluid through during the operation of a sample separation device.
  • a component can thus be designed to be extremely stable with respect to high pressures of up to 1000 bar and more, as can occur, for example, in chromatography.
  • the foreign material element in particular can be designed to be biologically and chemically inert. Even the smallest microfluidic structures, in particular in the foreign material element, have proven to be insensitive to undesired clogging or closing during a setting process and during operation.
  • the microfluidic component can be designed as a fluid valve or component of a fluid valve, in particular as a rotor component or stator component of a fluid valve.
  • valve component is understood to mean a valve body which can be moved relative to another valve component during a switching process of the fluid valve.
  • the two valve components are a rotor device and a stator device of a fluidic valve.
  • a fluidic valve can be formed from two components that can move relative to one another, which, in the case of a rotor valve, contain a rotor component to be rotated and a stator component to be maintained in a stationary manner. Ports for fluidically connecting the fluid valve to a fluid environment (for example by means of fluid lines such as capillaries) can be formed in the stator component.
  • fluidic coupling structures such as grooves or channels
  • fluidic decoupling states between the ports in different switching states of the fluid valve.
  • Fluid lines be formed.
  • the stator component and the rotor component can be assembled in such a way that the ports and the fluid channels can be brought into the various fluid coupling states by rotating the rotor component with respect to the stator component.
  • the component can particularly advantageously be produced as a stator component, in which microfluidic structures can form ports in the foreign body element and / or in the metal layer structures.
  • a robust functional surface of the element with high mechanical resistance and favorable friction properties can be formed, which allows interaction with a rotor component even with high contact pressures.
  • the layer body made of metal layer structures, which adjoins the element in one piece, can also have microfluidic structures which can be fluidically coupled to the microfluidic structures of the element and can serve as the base body of the component.
  • a microfluidic component in the form of a fluid valve or a component thereof which is manufactured as a hybrid of metal layer structures and an element made of another material with a microfluidic structure, meets high requirements in terms of mechanical robustness, tightness and reliable provision of a fluidic coupling function . It has advantageously been found that when bonding the multilayer structures to the element in the element, prefabricated microfluidic structures can be reliably maintained (in particular remain open) regardless of the effects of pressure and temperature during bonding.
  • the microfluidic component can be designed as one of a group consisting of a sample separation device or part of a sample separation device, a sample enrichment device (for example a trap column for enriching fluidic sample) or part of a sample enrichment device , a heat exchanger and a mixer:
  • the element can be placed on the layered body made of the metal layer structures, in particular to close off the component as a plug or the like, and can be an undesirable element in a sample separating device Suppress the escape of the stationary phase, while a fluidic access to the stationary phase can advantageously be maintained through microfluidic structures in the foreign material element.
  • the element can be attached to a column entrance and optionally also function as a frit.
  • a microfluidic component according to an exemplary embodiment of the invention can thus be used to close off packing material of a stationary phase on the outside in a metal laminate chip in order to achieve a higher compressive strength.
  • the component can then clearly be used as a fluid-permeable stopper or as a fluid-permeable sieve for the stationary phase of a sample separation device.
  • the stationary phase can be prevented by the element from leaving the component, in particular the layered body.
  • the microfluidic structures can also serve to form a heat exchanger function integrated in a wall of the sample separation device.
  • a heat exchanger can also be designed independently of a sample separation device and, for example, have meander-shaped or helical microfluidic structures through which one fluid can flow to effect a heat exchange with another fluid.
  • a fluidic mixer In a fluidic mixer, one or more fluidic input streams are mixed with one another (for example at a fluidic T-point, Y-point or X-point) and then emerge as a mixed fluid at an output of the microfluidic structure.
  • a mixer can in particular be purely passive, i.e. it can do without moving parts.
  • fluidic fluxes in a fluid line and / or different fluid length paths through which different fluid components flow and are formed by microfluidic structures can form part of such a mixer.
  • the element can be embedded in the laminate body or integrated therein.
  • the foreign material element can be an inlay that is wholly or partially integrated into the layer body.
  • a cavity into which the element is inserted or fitted can be formed in the layer body. This can be especially under Formation of a flat, aligned outer surface of the component take place, which is formed partly by the layered body and partly by the element. Embedding the element in the laminated body further improves the intrinsic cohesion of the component and protects the component from being separated from the laminated body or from mechanical effects.
  • the element can be embedded in the layered body with an undercut, in particular in a form-fitting manner.
  • the element and a receiving volume in the laminate can be designed with an essentially inverse shape to one another, resulting in positive anchoring or allows the element and the laminate to engage in one another.
  • a longitudinal force or a torsional load acts on the component, the element is then particularly reliably protected against undesired separation or detachment from the laminate.
  • the element can be embedded in the layer body in such a way that a functional surface of the element is exposed.
  • a functional surface can be understood to mean a surface of the element on which the (in particular fluidic) function provided by the component takes place when the component is in operation. If the component is designed as a component of a fluid valve, this functional surface can be an interface of a stator component or rotor component which, during operation, adjoins a corresponding interface of another rotor component or stator component. Embedding the element in the layer body while leaving the functional surface free combines secure anchoring with unrestricted functionality of the element.
  • the functional surface of the element can be aligned with an outer surface of the laminated body.
  • the functional surface and an adjoining outer surface of the layered body can form a flat end surface of the component with one another. This predestines the component as a stator component or rotor component of a fluid valve for Interaction with a corresponding rotor component or
  • the at least one microfluidic structure can be accessible to the outside on the exposed functional surface of the element.
  • the exposed microfluidic structure on the exposed functional surface can be fluidically coupled directly to another microfluidic structure of another component that functionally interacts with the component.
  • exposed microfluidic structures are ports of a stator component of a fluid valve, which can interact with exposed fluid channels (in particular grooves) on an opposite, exposed functional surface of a rotor component of the fluid valve through fluidic coupling.
  • Metal layer structures of the layered body have at least one further microfluidic structure.
  • the hybrid component made of metallic and other material can thus also be configured to form microfluidic structures that fluidly communicate with one another.
  • fluidic flux spaces formed therein remain open regardless of the pressure exerted or the thermal effect exerted. Fluidic flea spaces in the multilayer structures can contain horizontal channels and / or vertical fluid connections.
  • the at least one microfluidic structure of the element can be fluidically coupled to the at least one further microfluidic structure of the layered body.
  • Microfluidic structures of the metal layer structures of the layered body can therefore advantageously be brought into fluid connection with the microfluidic structures of the element.
  • complex fluidic tasks can also be implemented by the hybrid component.
  • the element can be a disk.
  • the element can be designed as a stepped disk, which promotes its positive anchoring (preferably with an undercut) as an inlay in the laminated body.
  • Such a disk which can have protrusions in a horizontal plane and / or in a vertical direction (ie perpendicular to and / or along a stacking direction of the multilayer structures) (in particular to improve an anchoring effect with the laminated body), is particularly suitable for accurately positioned embedding into the laminate, releasing a functional surface of the element.
  • an exposed functional surface of the element can have a lower roughness Ra than another outer surface (or even than all other outer surfaces) of the element.
  • Roughness describes the unevenness or the microscopic surface profile of a respective surface.
  • the mean roughness value Ra indicates the mean distance between a measuring point on the surface and the center line.
  • the center line intersects the actual profile within the reference section in such a way that the sum of the profile deviations in a plane parallel to the center line is distributed over the length of the measuring section.
  • an exposed functional surface of the element can be selectively polished in order to achieve the roughness mentioned.
  • a functional surface of the element can be a surface on which the component interacts with another component, in particular interacts in direct physical contact.
  • An example of functional surfaces are contact or contact surfaces of a stator component and a rotor component of a rotary fluid valve.
  • a polishing of the component can only be carried out selectively on the functioning of the element, where consequently a roughness (in particular measured in Ra) can be lower than on the rest of the element or on the rest of the entire component.
  • a polished functional surface allows low-friction sliding between a rotor component and a stator component of a fluid valve, wherein the rotor component and / or the stator component can be formed by a component according to an exemplary embodiment of the invention.
  • the polishing of the functional surface of the element can advantageously be carried out before the element is bonded to the laminated body. This simplifies the manufacturing process, since it enables selective polishing of a part of the surface of the component can be avoided and it has been found that the high surface quality of a previously polished functional surface is retained during bonding.
  • the element can have a collar which is interrupted in the circumferential direction, in particular interrupted several times.
  • the interruptions can be used to compensate for material redistribution during bonding due to different thermal expansions of the material of the metallic layer body and the element if, for example, these materials are exposed to heat input during the manufacturing process (especially bonding). This reduces internal thermal stresses in the component and ensures a reliable fluidic coupling between microfluidic structures in the layer body and in the element.
  • material sections between the interruptions can clearly contribute to mechanical anchoring between the layer body and the element. As a result, damage to the connection between the layer body and the foreign material element can be prevented even in the event of strong impacts.
  • the sequence of interruptions and material sections in the circumferential direction is also used for targeted relative positioning and relative orientation between the layer body and element, which also promotes correct alignment between interacting fluidic structures of the layer body and element.
  • the element can have a circumferential collar which, at least in sections, has a compression ring pointing in the direction of an exposed functional surface of the element.
  • a compression ring can be enclosed in a form-fitting manner during the bonding of the layer body and element, in particular penetrate into one of the metal layer structures in the manner of a mandrel, and can thereby promote the mechanical integrity of the microfluidic component.
  • the element can extend over at least two metal layer structures of the layered body.
  • An outer metal layer structure can radially cover an inner area of the layer body, whereas an outer area of the layer body is opposite its inner region can be tapered and can be exposed with respect to the outer metal layer structure.
  • the two outermost metal layer structures can therefore cooperate for the secure embedding and external exposure of the element.
  • a metal layer structure adjoining the element on the underside can have at least one compensation recess (for example one or more grooves, for example annular grooves) to compensate for thermal expansion phenomena during bonding.
  • at least one compensation recess for example one or more grooves, for example annular grooves
  • Thermal expansion coefficients of the metallic material of the metal layer structure and of the other material of the element can lead to strong mechanical stresses during and after bonding at an underside boundary surface of the element, which can lead to undesired positioning errors.
  • material that has been relocated during manufacture, in particular of the layered body can be absorbed in the compensation openings during bonding, whereby positioning errors and internal stresses in the component can be avoided.
  • the compensation openings can also remain partially free of material after bonding in order to provide a sufficiently large buffer volume.
  • the metal layer structures can be formed from stainless steel.
  • stainless steel has proven to be very suitable both as a material for connecting to other metal layer structures and for forming fluidic structures therein.
  • stainless steel shows good connection properties with elements made of ceramic or the like.
  • stainless steel is sufficiently rustproof and inert to be able to carry even aggressive biological and chemical substances inside it.
  • the element can be a non-metallic element.
  • the term “Non-metallic element” is understood to mean, in particular, a material that does not show the properties of elemental metal.
  • a non-metallic element can be made from one or more materials, which or which are not all a metal.
  • the non-metallic element can be made of ceramic or plastic, for example. Even if a ceramic (for example aluminum oxide) can have a metal (for example aluminum), such a ceramic has non-metallic properties overall.
  • the non-metallic element may therefore have metal compounds, but is not formed from elemental metal.
  • a non-metallic element can therefore be an element that is not formed from an elemental metal.
  • the element can comprise or consist of ceramic.
  • the ceramic can comprise or consist of aluminum oxide and / or zirconium oxide.
  • Aluminum oxide (AI2O3) has the particular advantage of a high heat capacity.
  • zirconium oxide is particularly advantageous when a mechanically very robust and not very brittle material is required.
  • Combinations of the cited and / or other powdery ceramics are also possible, for example in order to combine the various material properties. For such reasons, ceramic powders (in particular to be pressed) with different particle sizes can also be used.
  • the ceramics mentioned are mechanically robust and polishable as well as inert and have proven to be easy to connect to metal layer structures.
  • the element can comprise or consist of plastic.
  • the plastic can contain or consist of polyether ketones such as PEEK (polyether ether ketone).
  • PEEK polyether ether ketone
  • Such plastics are resistant to high temperatures and resistant to almost all organic and inorganic chemicals.
  • such plastics are suitable for the formation of microfluidic structures in their interior.
  • an inside diameter of the at least one microfluidic structure can be in a range between 0.05 mm and 1 mm, in particular in a range between 0.1 mm and 0.5 mm. at With such dimensions, narrowing or even complete blocking of the microfluidic structures can be avoided. At the same time, these small structure sizes are suitable for coping with the required low flow rates and limited fluid volumes of modern sample separation devices. Microfluidic structures of these dimensions are particularly suitable for sample separation tasks, for example by means of chromatography.
  • the at least one microfluidic structure can have at least one from a group consisting of a completely delimited microfluidic channel and a microfluidic groove.
  • the microfluidic structure can be a microfluidic flux space in the element.
  • the fluid can flow through such a flea space as a lumen in the interior of the element.
  • a groove is understood to mean, in particular, an elongated channel-shaped depression.
  • a channel is a completely delimited flea space, which can have a circular or rectangular cross-section, for example.
  • other microfluidic structures are also possible, for example pores in a porous volume section of the element.
  • Such microfluidic structures can be formed in the layer structure and / or in the element in the horizontal direction and / or as a vertical fluidic connection structure.
  • the method can comprise connecting the plurality of metal layer structures by means of supply of heat and / or application of pressure.
  • the metal layer structures can first be structured (for example by means of a lithography and etching process, by means of a laser treatment and / or by means of mechanical drilling or milling) and can subsequently be laminated to one another.
  • the metal layer structures can enter into a non-destructive, inseparable connection without the fluidic channels in their interior being undesirably closed by the lamination.
  • the method can include, prior to bonding, polishing of a functional surface of the element that is exposed after bonding. A more complex polishing after the bond has been formed between the element and the laminated body can thereby be avoided, although it can be carried out in other exemplary embodiments.
  • the bonding of metal layer structures and the element and the connection of the metal layer structures to one another can be carried out simultaneously, in particular by a common process, in the method. This can be achieved in particular by a joint thermal treatment and / or pressure treatment. The production of the component is thus possible with little effort.
  • the sample separation device can be used as a chromatographic separation device, in particular as a
  • Chromatography separation column In the case of a chromatographic separation, the chromatography separation column can be provided with an adsorption medium. The fluidic sample can be stopped at this point and only subsequently detached again with sufficient solvent (isocratic) or in the presence of a specific solvent composition (gradient), so that the sample is separated into its fractions.
  • the sample separation device can be a microfluidic measuring device, a life science device, a liquid chromatography device, an HPLC (High Performance Liquid Chromatography), a UHPLC system, an SFC (supercritical liquid chromatography) device, a gas chromatography device, an electrochromatography device and / or be a gel electrophoresis machine.
  • a microfluidic measuring device a life science device, a liquid chromatography device, an HPLC (High Performance Liquid Chromatography), a UHPLC system, an SFC (supercritical liquid chromatography) device, a gas chromatography device, an electrochromatography device and / or be a gel electrophoresis machine.
  • HPLC High Performance Liquid Chromatography
  • UHPLC Ultra High Performance Liquid Chromatography
  • SFC supercritical liquid chromatography
  • the fluid drive can be set up, for example, to convey the mobile phase through the system at a high pressure, for example a few 100 bar up to 1000 bar and more.
  • the sample separation device can have a sample injector for introducing the sample into the fluidic separation path.
  • a sample injector can have an injection needle that can be coupled to a seat in a corresponding liquid path, wherein the needle can be moved out of this seat in order to take up the sample, after the needle has been reinserted in the seat the sample is located in a fluid path that can be switched into the separation path of the system, for example by switching a valve, which leads to the introduction of the sample into the fluidic separation path.
  • the sample separation device can have a fraction collector for collecting the separated components.
  • a fraction collector can lead the different components into different liquid containers, for example.
  • the analyzed sample can, however, also be fed to a drainage container.
  • the sample separation device can preferably have a detector for detecting the separated components.
  • a detector for detecting the separated components.
  • Such a detector can generate a signal which can be observed and / or recorded and which is indicative of the presence and amount of the sample components in the fluid flowing through the system.
  • FIG. 1 shows an HPLC system as a sample separation device with several microfluidic components according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a stator component, as a microfluidic component according to an exemplary embodiment of the invention, of a rotary fluid valve.
  • FIG. 3 shows a three-dimensional view of a ceramic inlay element of the stator component of the microfluidic component according to FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a top view of the ceramic inlay element of FIG Stator component of the microfluidic component according to FIG. 3.
  • FIG. 5 shows a top view of a stator component actually produced as a microfluidic component according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a fluid processing device with a fluid valve as a microfluidic component according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of a sample separation device as a microfluidic component according to another exemplary embodiment of the invention.
  • a fluidic hybrid component can be provided from connected metal layer structures (for example a stainless steel laminate) and an element bonded to it (preferably ceramic) with a microfluidic structure (for example a fluid channel).
  • the at least one microfluidic structure can advantageously extend as far as an outside of the component and can therefore be fluidically coupled to another microfluidic structure in order to form a preferably high-pressure-resistant fluid connection.
  • an element as a ceramic inlay with a microfluidic structure can be glued or otherwise bonded to or in a layered body (preferably designed as a metal laminate) in order to form, for example, a component of a microfluidic shear valve.
  • the component can be designed as a metal-micro-fluidic component.
  • Microfluidics concerns the behavior of liquids and gases in the smallest of spaces, which differs significantly from the behavior of macroscopic Can differentiate between fluids, because effects can dominate in this order of magnitude, which can be neglected in macroscopic dimensions.
  • Such a microfluidic component can be produced on the basis of metal structures that can be produced from stainless steel foils by thermal bonding at high pressure and high temperature.
  • a microfluidic component can correspond to a soft-annealed state.
  • Such metallic surfaces are unsuitable on their own as a functional surface for a rotary shear valve.
  • a functional surface of a microfluidic component with hard, polished and low-wear properties can therefore advantageously be formed by using a bonded element, preferably a ceramic part.
  • Such hybrid-type microfluidic components according to exemplary embodiments of the invention can, for example, advantageously be used as a rotary shear valve stator.
  • Conventional valves of this type are usually milled from solid and - due to this manufacturing process - only allow a limited degree of complexity.
  • Rotary valves can have a fixed, disk-like part (also referred to as a stator).
  • This static and often disk-shaped part can have fluidic connections to other components (for example a fluid drive, a sample separation device, an injector, a detector, etc.) on one side of the disk.
  • On the opposite side there can be, for example, circularly arranged channel openings onto which another disk-like part (also referred to as a rotor) is pressed and selectively closes, connects or opens these openings.
  • the rotor For applications in the high pressure range (especially in HPLC), the rotor must be pressed onto the stator with great force, which is why it should have a high resistance to wear due to friction.
  • This can be achieved by a component according to an exemplary embodiment of the invention, which connects interconnected metal layer structures with an integrally connected element, preferably made of ceramic, with microstructures.
  • FIG. 1 shows the basic structure of an HPLC system as an example of a liquid chromatography sample separation device 10 according to an exemplary one Embodiment of the invention, as it is for example for
  • Liquid chromatography can be used.
  • a fluid drive 20 which is supplied with solvents from a supply device 25, drives a mobile phase through a sample separation device 30 (such as a chromatographic column) which contains a stationary phase.
  • Feed device 25 comprises a first fluid component source 113 for providing a first fluid or a first solvent component A (for example water) and a second fluid component source 115 for providing another second fluid or a second solvent component B (for example an organic solvent).
  • An optional degasser 27 can degas the solvents provided by means of the first fluid component source 113 and by means of the second fluid component source 115 before they are supplied to the fluid drive 20.
  • a sample application unit 40 which can also be referred to as an injector, is arranged between the fluid drive 20 and the sample separation device 30 in order to introduce a sample liquid or fluidic sample into the fluidic separation path.
  • An injector valve 110 can be switched accordingly for this purpose.
  • the injector valve 110 can be designed as a rotary shear valve which has a stationary stator component 112 and a rotor component 114 which can be rotated, controlled by means of a control device 70.
  • the stator component 112 can have microfluidic structures in the form of ports which can be fluidically connected to the various components 20, 40 or 30, etc., and which can extend as far as a contact surface with the rotor component 114.
  • the rotor component 114 has on the contact surface, for example, one or more grooves, i.e. channel-shaped depressions, which, depending on a current relative orientation between stator component 112 and rotor component 114, may or may not selectively form fluidic connections between the respective ports.
  • the stationary phase of the sample separation device 30 is provided to separate components of the sample.
  • a detector 50 which can have a flow cell, detects separated components of the sample, and a fractionation device 60 can be provided to detect separated components to dispense the sample in the containers provided for this purpose. Liquids that are no longer required can be dispensed into a drainage container or into a waste (not shown).
  • the sample liquid is initially under normal pressure in an area separated from the liquid path, a so-called sample loop, the sample application unit 40 or the injector entered, which in turn brings the sample liquid into the high pressure liquid path.
  • the sample liquid which is initially under normal pressure, in the sample loop to the high pressure liquid path
  • the contents of the sample loop are brought to the system pressure of the sample separation device 10 designed as an HPLC.
  • Control device 70 controls the individual components 20, 27, 30, 40, 50, 60, 110 and a proportioning device 101 of the sample separation device 10.
  • the components of the sample separation device 10 upstream of the sample application unit 40 in Figure 1 serve to provide a mixture of several different fluids as a solvent composition or mobile phase for the liquid chromatography sample separation device 10.
  • Two feed lines 109, 111 are fluidic with a respective one of the two as Fluid component sources 113, 115 designated solvent containers for providing a respective one of the fluids or solvent components A and B are fluidically coupled.
  • the respective fluid or the respective solvent component A or B is conveyed through the respective supply line 109 or 111, through the degasser 27 to a fluid valve as a proportioning device 101, at which the fluids or solvent components A and B from the supply lines 109, 111 are united with one another.
  • the proportioning device 101 the fluid packets from the supply lines 109, 111 flow together to form a solvent composition.
  • the latter is fed to the fluid drive 20 after passing through a mixer 103 for mixing the individual solvent components.
  • One or more of the components of the sample separation device 10 according to FIG Figure 1 can be constructed as a microfluidic component 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • these are a stator component 112 (see FIG. 2 to FIG. 5) and / or a rotor component 114 of the fluid valve 110 as well as a column inlet of the sample separation device 30 (see FIG. 6) and the mixer 103.
  • Each of these microfluidic components 100 has a layered body with a plurality of interconnected metal layer structures and an element made from a different material, which has microfluidic structures and is bonded to the layered body.
  • microfluidic components 100 Exemplary embodiments for microfluidic components 100 are described below:
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a stator component 112 of a fluid valve 110 as a microfluidic component 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 3 shows a three-dimensional view of a ceramic element 106 of the stator component 112 of the microfluidic component 100 according to FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a top view of the element 106 of the stator component 112 according to FIG. 2 and FIG. 3.
  • FIG. 2 to FIG. 4 therefore show components of a stator component 112 of a fluid valve 110 as an example of a microfluidic component 100 for a sample separation device 10, such as that shown in FIG.
  • the component 100 according to FIG. 2 to FIG. 4 is designed as a stator component 112 of a rotary shear or fluid valve 110.
  • the microfluidic component 100 shown has a layer body 102 composed of a plurality of metal layer structures 104 connected to one another and arranged parallel to one another.
  • the metal layer structures 104 can be produced, for example, from inert stainless steel or from other metal foils or metal layers.
  • the metal layer structures 104 can have voids or flea spaces (see the top four metal layer structures 104 according to FIG.
  • a cavity or receiving opening for receiving an embedded element 106 as an inlay is recessed in the two uppermost metal layer structures 104.
  • This element 104 can be made of a different material than the metal layer structures 104.
  • the element 106 can in particular be non-metallic, ie not consist of elemental metal. According to FIG. 2, the embedded non-metallic element 106 extends over the two uppermost metal layer structures 104 of the layer body 102 and rests with its bottom surface on the third lowermost metal layer structure 104.
  • the non-metallic element 106 is preferably made of a ceramic material, for example aluminum oxide or zirconium oxide. Furthermore, the non-metallic or non-metallic element 106 has fluid channels as microfluidic structures 108 which, according to FIG. 2, run vertically.
  • the ceramic element 106 is bonded to the metallic laminate body 102 to form a one-piece component 100, for example glued and / or thermally bonded. By bonding, for example, by supplying thermal energy and / or by applying mechanical pressure, a firm and permanent connection is formed between the non-metallic element 106 and the layered body 102. As an alternative or in addition, such a connection can be achieved by means of an adhesive.
  • the multiple metal layer structures 104 for forming the layer body 102 can be connected to one another and the non-metallic element 106 together with its microfluidic structures 108 can be bonded to the layer body 102.
  • the non-metallic element 106 is embedded in the layer body 102, so that a functional surface 120 of the non-metallic element 106 is aligned with an outer surface 122 of the outermost metal layer structure 104 or is aligned with this or is flush.
  • the functional surface 120 of the non-metallic element 106 is aligned with the outer surface 122 of the layered body 102, creating a flat outer surface of the component 100 mechanical contact with a corresponding functional surface of a rotor component 114 relative to the rotor component 114 to be rotated with little friction and low wear.
  • the functional surface 120 can advantageously be polished before the element 106 is embedded in the laminated body 102 in order to avoid polishing after the bonding, which is possible but more complex.
  • the non-metallic element 106 is outermost with an undercut 118 in the two
  • Metal layer structures 104 of the layer body 102 are embedded, so that a form fit is formed with the layer body 102, which makes it impossible to pull the element 106 out of the layer body 102. Even with the action of larger forces, this form fit or undercut 118 can result in an undesired detachment of the non-metallic element 106 from the
  • Layered body 102 can be reliably avoided.
  • the, for example, pre-pressed, pre-fired or pre-processed ceramic part in the form of the element 106 can be placed on the three lowest metal layer structures 104. More precisely, the element 106 with its widened underside can be inserted into a recess of the second recess according to FIG.
  • Metal layer structure 104 can be used from above. A narrower upper side of the element 106 can be inserted into a smaller recess in the uppermost metal layer structure 104 according to FIG. 2 so that the outer side 122 of the outermost metal layer structure 104 is flush with the functional surface 120 on the upper side of the element 106. Then the components mentioned can be connected to one another. In this way, the non-metallic element 106 can be embedded in the laminated body 102 in such a way that the functional surface 120 of the non-metallic element 106 is exposed and that at the same time the hybrid component 100 is protected from undesired separation of its components even when greater forces are applied during the operation of the fluid valve 110 is.
  • the microfluidic structures 108 of the element 106 extending vertically here are accessible to the outside.
  • the microfluidic structures 108 are designed as fluid channels extending vertically along a stacking direction 160 of the planar stacked metal layer structures 104 and according to FIG. 2.
  • These vertically extending ports can be connected to other fluidic ports on an outer surface of the component 100 (not shown in FIG. 2)
  • Components of the sample separation device 10 are fluidically coupled, for example with a fluid drive 20, a sample separation device 30 or a sample application unit 40 (see FIG. 1). As shown schematically in FIG.
  • microfluidic structures in the form of grooves in the functional surface 120.
  • Such (for example curved) grooves are, however, preferably formed in a functional surface of a rotor component 114 of the fluid valve 110 that is in contact with the functional surface 120 of the stator component 112 during operation, in order to selectively have fluidic connections depending on a rotational state of the rotor component 114 relative to the stator component 112 to train the ports or not.
  • the components of the sample separation device 10 that are connected to the ports can be selectively fluidically coupled to one another or decoupled from one another.
  • FIG. 2 also shows that the metal layer structure 104 of the layered body 102 directly adjoining the element 106 on the underside has further microfluidic structures 164 which are fluidically coupled to the microfluidic structures 108 of the element 106 and, according to FIG. 2, likewise in the vertical direction extend.
  • the further microfluidic structures 164 and the microfluidic structures 108 are aligned coaxially with one another and directly adjoin one another.
  • an inner diameter d of the microfluidic structures 108 and 164 can be in a range between 0.1 mm and 0.5 mm.
  • microfluidic structures 166 in the form of horizontal fluid channels, each of which is brought into fluid connection with a respective one of the further microfluidic structures 164.
  • the microfluidic structures 166 can have a vertical thickness D which corresponds to the thickness D of the associated metal layer structure 104. Thickness D can, for example, be in a range between 0.3 mm and 3 mm, in particular in a range between 0.5 mm and 2 mm.
  • the microfluidic structures 166 can be delimited by the material of the associated metal layer structure 104, on the top and bottom by material of the metal layer structures 104 arranged above and below.
  • microfluidic structures 108 of the non-metallic Element 106 are fluidically coupled to the further microfluidic structures 164, 166 of the layered body 102, a continuous fluidic connection between several different components of a sample separation device 10 on an outside of the component can be established via one of the microfluidic structures 166, one of the microfluidic structures 164, one of the Form microfluidic structures 108 of a fluidic connecting line (for example a groove) in the rotor component 114, another of the microfluidic structures 108, another of the microfluidic structures 164 and another of the microfluidic structures 166.
  • a fluidic connecting line for example a groove
  • the ceramic element 106 can be designed as a stepped disk with a radially expanded lower disk section and a radially reduced or constricted upper disk section attached above it. More precisely, as can best be seen in FIG. 3 and FIG. 4, the non-metallic element 106 can have a collar 124 interrupted four times in the circumferential direction (or at more or fewer points). A respective gap 168 is located between respectively adjacent sections of the collar 124. Different gaps 168 can have different sizes in order to ensure correct assembly of the element 106 on the metal layer structures 104. Correct positioning between element 106 and metal layer structures 104 can be ensured by the tangentially alternating arrangement of collar sections and gaps 168 arranged between them.
  • the gaps 168 also serve to compensate for thermally induced shrinkage when connecting or bonding the element 106 and / or the metal layer structures 104 to one another.
  • Reference numeral 188 denotes a heat shrinkage compensation area
  • reference numeral 190 denotes a constant gap during a bond run.
  • the circumferentially extending and multiple interrupted collar 124 has at four (or more or less) sections in the direction of the exposed functional surface 120 of the element 106 and in the illustrated embodiment multiple interrupted compression ring 126 according to Figure 3 and Figure 4 is designed in the form of four (or more or less) web-like protrusions.
  • the compression ring 126 serves to reliably insert the element 106 into the laminated body 102 during bonding to include.
  • the upwardly pointing protrusions of the compression ring 126 can clearly penetrate into the metal layer structure 104 arranged above it in the manner of a mandrel when the components of the component 100 are connected to one another (in particular pressed).
  • the lower side of the element 106 has compensating recesses 128 on its upper side to compensate for thermal expansion phenomena during bonding.
  • the ceramic material of the element 106 on the one hand and the metallic material of the metal layer structures 104 on the other hand have different coefficients of thermal expansion. During the thermal bonding, thermal stresses can therefore arise in the interior of the component 100, in particular in the boundary area between element 106 and layer body 102, which can also lead to damage and alignment problems between microfluidic structures 108, 164, 166.
  • the compensating cutouts 128 can be formed at a material interface between element 106 and laminated body 102 to absorb excess material during the thermal expansion during the manufacture of component 100. It is particularly advantageous to provide the compensation cutouts 128 adjacent to a fluid interface between the microfluidic structures 108 and 164 in order to ensure the fluidic coupling there regardless of the thermal expansion.
  • FIG. 2 to FIG. 4 therefore show a component 100 which can be used in a fluid valve 110 as a stator component 112 and which is designed as a metal-micro-fluidic (MMF) structure.
  • the layered body 102 formed from laminated metal foils can be implemented with improved wear resistance in that a mechanically particularly stressed area (see functional surface 120) with the microfluidic structures 108 formed as channels is designed as a ceramic inlay.
  • the hybrid component 100 made of laminated metal layers and ceramic inlay has, in particular, the following advantageous characteristics:
  • a ceramic can be used with a composition that their properties by the Bonding process for connecting to the layer structure 102 made of metal is not lost.
  • Suitable ceramic materials are, for example, aluminum oxide or zirconium oxide.
  • the ceramic inlay in the form of the non-metallic element 106 is designed according to Figure 2 to Figure 4 as a round disc with a fully polished functional surface 120, from which the channels in the form of the microfluidic structures 108 exit and are therefore accessible for fluidic connection.
  • a polishing process after bonding has taken place is thereby advantageously avoided, as a result of which an undesired introduction of dirt into the MMF structure of the laminated body 102 is unnecessary.
  • the microfluidic channels 108 are then also effectively protected from such an ingress of dirt after bonding.
  • the ceramic material of the element 106 on the one hand and the metallic material of the layer body 102 on the other hand have different thermal expansions that can advantageously be absorbed by constructive measures in order to keep the ceramic inlay in the form of the element 106 precisely placed during the bonding process.
  • the element 106 has four wedge-like grooves for this purpose. The positioning between the element 106 and the metal layer structures 104 takes place via the flanks of the associated wedges.
  • the wedge angle can advantageously be designed in such a way that gap dimensions do not change at all or only change as little as possible with different thermal expansion.
  • a bond connection between the ceramic of the element 106 on the one hand and the metal of the laminated body 102 on the other hand is sensitive to pulse-like loads due to different elasticities and stiffnesses.
  • element 106 can advantageously be enclosed by a circumferential collar 124 in the bond structure of the surrounding metal layer structures 104.
  • this circumferential collar 124 can preferably have a compression ring 126, which can be reliably enclosed during bonding by the uppermost or outermost metal layer structure 104 according to FIG.
  • the ceramic part in the form of the element 106 can be tolerated to be minimally thicker than the metal foils, which correspond to the two uppermost metal layer structures 104 according to FIG. In this way, a secure pressing can advantageously be guaranteed.
  • a middle metal layer structure 104 to be referred to as a sealing layer, according to FIG.
  • material can be displaced into this metal layer structure 104 in order to avoid thermal stresses and positioning errors.
  • the metal layer structures 104 according to FIG. 2 can be referred to from top to bottom as the top layer, spacer layer, sealing layer, channel layer and bottom layer.
  • FIG. 5 shows a top view of a stator component 112 actually produced for a fluid valve 110 as a microfluidic component 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows the result of bonding a ceramic inlay as a non-metallic element 106 in an MMF structure which forms a metallic layer body 102.
  • FIG. 6 shows a fluid processing device 161 with a fluid valve 110 as component 100 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • a needle 142 is arranged in a seat 144 and can be moved out of this (not shown) in order to draw fluidic sample from a sample container (not shown) and after moving back into the seat 144 via the fluidic valve 110 in a fluidic path between a fluid drive 20 and a sample separation device 30 to inject.
  • the sample When the sample is drawn in through the needle 142, the sample can be temporarily stored in an intermediate storage volume 147, a so-called sample loop.
  • the sample can be drawn in by a metering pump 149.
  • a piston of the same can retract to be drawn into a piston chamber and move forward for injection.
  • a waste 165, a fluidic line 167, check valves 169 and a liquid container 171 are shown in FIG.
  • the fluid valve 110 Around To operate the fluid processing device 161, the fluid valve 110 is provided with grooves 162 and ports 141 as fluid connections, which can be arranged in the rotor device 114 and the stator device 112 in different planes.
  • a stator component 112 of the fluid valve 110 according to FIG. 6 can be designed, for example, according to FIGS. 2 to 5.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view of a sample separation device 30 as a microfluidic component 100 according to another exemplary embodiment of the invention.
  • the component 100 according to FIG. 7 differs from the component 100 according to FIG. 2 essentially in that, according to FIG. 7, all of the microfluidic structures 108 of the element 106 are permanently coupled to the microfluidic structures 164 and 166. Furthermore, according to FIG. 7, the microfluidic structures 164, 166 are filled with a stationary phase 195 of the sample separation device 30, for example with beads of a packing material of the separation column, on which the actual separation of the fluidic sample takes place.
  • the element 106 according to FIG. 7 is designed as a liquid-permeable plug or sieve or as an end piece that allows liquid to flow through the microfluidic structures 108, but is impermeable to the particles of the stationary phase 195.
  • the ceramic element 106 thus prevents the stationary phase 195 from leaving the sample separation device 30 in an undesired manner, for example when pressure surges occur when switching or due to mechanical stress or the like.
  • the component 100 according to FIG. 7 can also be used, for example, as a trap column, which is not used for sample separation, but for enriching a fluidic sample.

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Abstract

Mikrofluidisches Bauteil (100) für ein Probentrenngerät (10), wobei das mikrofluidische Bauteil (100) einen Schichtkörper (102) mit mehreren miteinander verbundenen Metallschichtstrukturen (104) und ein Element (106) aufweist, das aus einem anderen Material hergestellt ist als die Metallschichtstrukturen (104), mindestens eine mikrofluidische Struktur (108) aufweist und mit dem Schichtkörper (102) gebondet ist.

Description

BESCHREIBUNG
MIKROFLUIDISCHES BAUTEIL MIT METALLSCHICHTSTAPEL UND DAMIT GEBONDETEM FLUIDLEITUNGSELEMENT AUS ANDEREM MATERIAL
TECHNISCHER HINTERGRUND
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches Bauteil, ein Probentrenngerät und ein Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Bauteils für ein Probentrenngerät.
[0002] In einer HPLC wird typischerweise eine Flüssigkeit (mobile Phase) bei einer sehr genau kontrollierten Flussrate (zum Beispiel im Bereich von Mikrolitern bis Millilitern pro Minute) und bei einem hohen Druck (typischerweise 20 bis 1000 bar und darüber hinausgehend, derzeit bis zu 2000 bar), bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar ist, durch eine sogenannte stationäre Phase (zum Beispiel in einer chromatografischen Säule), bewegt, um einzelne Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit voneinander zu trennen. Ein solches HPLC-System ist zum Beispiel aus der EP 0,309,596 B1 derselben Anmelderin, Agilent Technologies, Inc. bekannt. Ein solches HPLC-System hat häufig ein oder mehrere schaltbare Fluidventile.
[0003] Mikrofluidische Bauteile, wie zum Beispiel Komponenten von Fluidventilen werden herkömmlich hergestellt, indem ein zum Beispiel pulverförmiges Ausgangsmaterial in einem Formwerkzeug in eine gewünschte Form gepresst wird.
[0004] Die Herstellung von Fluidventilen (insbesondere von Rotor- und/oder Statorkomponenten eines Fluidventils) sowie anderer mikrofluidischer Bauteile für Probentrenngeräte ist allerdings immer noch aufwendig und fehleranfällig. Eine Schwierigkeit liegt darin, dass die mikrofluidischen Bauteile für Probentrenngeräte hohen und höchsten Drücken standhalten müssen. Darüber hinaus sollen mikrofluidische Bauteile, die in Kontakt mit fluidischer Probe und Lösungsmitteln gelangen, vorzugsweise biologisch und chemisch inert sein. Außerdem sollen Fluide durch mikrofluidische Strukturen der mikrofluidischen Bauteile zuverlässig durchfließen können. Dies wird zunehmend kritisch, wenn mikrofluidische Strukturen der mikrofluidischen Bauteile kleiner und kleiner werden. Dann kann es während eines Herstellungsprozesses zum Beispiel dazu kommen, dass mikrofluidische Kanäle oder dergleichen unerwünscht geschlossen werden.
OFFENBARUNG
[0005] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein mikrofluidisches Bauteil mit mikrofluidischen Strukturen mit vertretbarem Aufwand und hoher Fehlerrobustheit während Fertigung und Betrieb herzustellen. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
[0006] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein mikrofluidisches Bauteil für ein Probentrenngerät geschaffen, wobei das mikrofluidische Bauteil einen Schichtkörper mit mehreren miteinander verbundenen Metallschichtstrukturen und ein Element aufweist, das aus einem anderen Material hergestellt ist als die Metallschichtstrukturen, mindestens eine mikrofluidische Struktur aufweist und mit dem Schichtkörper gebondet ist.
[0007] Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Probentrenngerät zum Trennen einer fluidischen Probe bereitgestellt, wobei das Probentrenngerät einen Fluidantrieb zum Antreiben einer mobilen Phase und der darin befindlichen fluidischen Probe, eine Probentrenneinrichtung zum Trennen der fluidischen Probe in der mobilen Phase und ein mikrofluidisches Bauteil mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist, wobei die fluidische Probe und/oder die mobile Phase beim Trennen durch die mindestens eine mikrofluidische Struktur zu fördern ist.
[0008] Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Herstellen eines mikrofluidischen Bauteils für ein Probentrenngerät bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Verbinden von mehreren Metallschichtstrukturen zum Bilden eines Schichtkörpers, und ein Bonden eines Elements, das aus einem anderen Material hergestellt ist als die Metallschichtstrukturen und mit mindestens einer mikrofluidischen Struktur gebildet wird, mit dem Schichtkörper aufweist.
[0009] Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „mikrofluidisches Bauteil“ insbesondere ein Bauelement verstanden, das im Rahmen einer Probentrennanalyse einen funktionellen Beitrag leistet, der das Hindurchführen eines Fluids (insbesondere der zu trennenden fluidischen Probe und/oder einer mobilen Phase) durch mikrofluidische Strukturen des Bauteils umfasst. Ein solches mikrofluidisches Bauteil kann über Fluidleitungen (zum Beispiel Kapillare) mit einem oder mehreren anderen mikrofluidischen Bauteilen fluidisch gekoppelt werden. Beispiele für solche mikrofluidischen Bauteile sind ein zwischen unterschiedlichen Fluidkopplungszuständen schaltbares fluidisches Ventil oder eine Komponente davon, eine Probentrenneinrichtung zum Trennen einer fluidischen Probe oder eine Komponente davon, ein Detektor oder eine Detektorkomponente zum Detektieren der getrennten fluidischen Probe, ein fluidischer Wärmetauscher, ein Mischer zum Mischen von Fluiden, etc.
[0010] Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „mikrofluidische Struktur“ insbesondere ein verzweigter oder unverzweigter Kanal, eine Mehrzahl solcher Kanäle oder eine andere Struktur mit Dimensionen im Bereich von Mikrometern bis Millimetern verstanden, die von Fluid durchfließbar ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Innendurchmesser der mindestens einen mikrofluidischen Struktur in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, sein. Die mikrofluidischen Strukturen können von Festkörpermaterial freie Hohlräume aufweisen oder können teilweise ausgefüllt sein, zum Beispiel mit einer stationären Phase als Probentrennmaterial.
[0011] Im Rahmen der vorliegenden Anwendung kann unter dem Begriff „Schichtkörper“ insbesondere ein Körper verstanden werden, der eine Mehrzahl von insbesondere parallel zueinander angeordneten und miteinander verbundenen vorzugsweise ebenen Schichten aufweist, die gemeinsam mit dem Element ein gemeinsames, vorzugsweise einstückiges, Bauteil bilden. Der Schichtkörper weist Metallschichtstrukturen auf oder besteht daraus, kann allerdings optional auch eine oder mehrere dielektrische Schichten aufweisen.
[0012] Im Rahmen der vorliegenden Anwendung kann unter dem Begriff „Metallschichtstruktur“ insbesondere eine insbesondere ebene und flache metallische Struktur verstanden werden, die unter Bildung mindestens einer mikrofluidischen Struktur bearbeitet sein kann. Eine Metallschichtstruktur kann ein Metall (insbesondere ein elementares Metall) aufweisen oder daraus bestehen. Beispielsweise kann eine Metallschichtstruktur aus Eisen oder Edelstahl gebildet sein. Eine Metallschichtstruktur kann eine durchgehende Schicht aus Metall oder kann eine strukturierte Metallschicht mit einer oder mehreren sich horizontal und/oder vertikal und/oder schräg erstreckenden Ausnehmungen sein. Eine Metallschichtstruktur kann auch aus mehreren koplanar angeordneten, nicht miteinander verbundenen metallischen Inseln gebildet sein.
[0013] Im Rahmen der vorliegenden Anwendung kann unter dem Begriff „Element aus einem anderen Material als die Metallschichtstrukturen“ insbesondere ein Körper verstanden werden, der eine andere Materialkonfiguration als die Metallschichtstrukturen hat. Das Element kann insbesondere ein Fremdmaterialelement aus einem von einem Schichtkörpermaterial unterschiedlichen Material sein. Beispielsweise kann das Element ein dielektrisches Material aufweisen oder daraus bestehen. Exemplarische Materialien für das Element sind Keramik oder Kunststoff. Zwischen dem Element und dem Schichtkörper aus Metallschichtstrukturen kann somit eine Materialbrücke gebildet sein.
[0014] Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Probentrenngerät“ insbesondere ein Gerät bezeichnen, das in der Lage und konfiguriert oder konfigurierbar ist, eine fluidische Probe zu analysieren oder zu trennen, zum Beispiel in verschiedene Fraktionen zu trennen. Beispielsweise kann die Probentrennung mittels Chromatographie oder Elektrophorese erfolgen. Zum Beispiel kann das Probentrenngerät ein Flüssigkeitschromatografie- Probentrenngerät sein.
[0015] Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „fluidische Probe“ insbesondere ein Medium verstanden, das die eigentlich zu analysierende Materie enthält (zum Beispiel eine biologische Probe, wie zum Beispiel eine Proteinlösung, eine pharmazeutische Probe, etc.).
[0016] Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „mobile
Phase“ insbesondere ein Fluid (weiter insbesondere eine Flüssigkeit) verstanden, das als Trägermedium zum Transportieren der fluidischen Probe zwischen einem Fluidantrieb und einer Probentrenneinrichtung dient. Zum Beispiel kann die mobile Phase ein (zum Beispiel organisches und/oder anorganisches) Lösungsmittel oder eine Lösungsmittelzusammensetzung sein (zum Beispiel Wasser und Ethanol).
[0017] Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff
„Fluidantrieb“ insbesondere eine Einrichtung zum Fördern und Bewegen von Fluid verstanden werden, der das Fluid optional auf einen erhöhten Druck bringen kann. Beispielsweise kann ein solcher Fluidantrieb eine Pumpe sein, zum Beispiel eine einstufige oder mehrstufige Kolbenpumpe. Zum Beispiel kann der Fluidantrieb als chromatografische Hochdruckpumpe ausgebildet sein.
[0018] Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff
„Probentrenneinrichtung“ insbesondere ein Bauteil verstanden werden, das eine fluidische Probe trennen kann, insbesondere in Fraktionen auftrennen kann. Beispielsweise kann eine solche Probentrenneinrichtung eine stationäre Phase aufweisen, an der die Probe adsorbiert wird und durch Variation einer Lösungsmittelzusammensetzung (beispielsweise gemäß einem Gradientenprofil) fraktionsweise von der stationären Phase abgelöst bzw. desorbiert wird. Zum Beispiel kann eine Probentrenneinrichtung eine chromatografische Trennsäule sein.
[0019] Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind ein mikrofluidisches Bauteil und ein zugehöriges Herstellungsverfahren geschaffen, bei denen ein mit mikrofluidischen Strukturen versehenes Fremdmaterialelement mittels Bondens mit Metallschichtstrukturen eines Schichtkörpers vorzugsweise einstückig verbunden wird. Dabei hat sich herausgestellt, dass ein solches Hybridbauteil mit aus metallischem und aus anderem Material gebildeten Konstituenten einen starken mechanischen Zusammenhalt und somit eine hohe Robustheit unter rauen Einsatzbedingungen und ausgeprägter fluidischer Krafteinwirkung zeigt. Mikrofluidische Strukturen des Bauelements, insbesondere in dem Fremdmaterialelement, können mit hoher Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit zum Durchführen eines Fluids während des Betriebs eines Probentrenngeräts eingesetzt werden. Trotz unterschiedlicher Materialeigenschaften (insbesondere hinsichtlich Wärmeausdehnung) von metallischen und andersartigen Materialien des Fluidbauteils hat es sich als praktikabel herausgestellt, ein mechanisch stabiles Fluidbauteil aus Metallschichtstrukturen und einem demgegenüber materialfremden Element herzustellen, dessen mindestens eine mikrofluidische Struktur präzise gefertigt werden kann und im Betrieb des Fluidbauteils selbst hohem Druck zuverlässig standhält. Mit Vorteil kann ein Bauteil gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung also äußerst stabil gegenüber hohen Drücken von bis zu 1000 bar und mehr ausgebildet werden, wie sie beispielsweise in der Chromatografie auftreten können. Darüber hinaus kann insbesondere das Fremdmaterialelement biologisch und chemisch inert ausgebildet werden. Auch kleinste mikrofluidische Strukturen, insbesondere in dem Fremdmaterialelement, haben sich als während eines Fierstellungsprozesses und im Betrieb vor einem unerwünschten Verstopfen oder Schließen unempfindlich erwiesen.
[0020] Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen des mikrofluidischen Bauteils, des Probentrenngeräts und des Verfahrens beschrieben.
[0021] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das mikrofluidisches Bauteil als Fluidventil oder Komponente eines Fluidventils ausgebildet sein, insbesondere als Rotorkomponente oder Statorkomponente eines Fluidventils. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Ventilkomponente“ ein Ventilkörper verstanden, der relativ zu einer anderen Ventilkomponente während eines Schaltvorgangs des Fluidventils bewegt werden kann. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Ventilkomponenten eine Rotoreinrichtung und eine Statoreinrichtung eines fluidischen Ventils. Es ist alternativ aber zum Beispiel auch möglich, das Schalten des Fluidventils durch eine Longitudinalbewegung zwischen zwei zusammenwirkenden Ventilkomponenten zu bewerkstelligen. Ein fluidisches Ventil kann aus zwei zueinander relativ beweglichen Komponenten ausgebildet sein, die im Falle eines Rotorventils eine zu rotierende Rotorkomponente und eine ortsfest zu erhaltende Statorkomponente beinhalten. In der Statorkomponente können Ports zum fluidischen Anschließen des Fluidventils an eine fluidische Umgebung (zum Beispiel mittels Fluidleitungen wie Kapillaren) gebildet sein. Darüber hinaus können in der Rotorkomponente fluidische Kopplungsstrukturen (wie zum Beispiel Nuten oder Kanäle) gebildet sein, die in unterschiedlichen Schaltzuständen des Fluidventils unterschiedliche fluidische Kopplungszustände oder fluidische Entkopplungszustände zwischen den Ports ermöglichen. Auch in der Statorkomponente können ein oder mehrere solcher Fluidleitungen gebildet sein. Die Statorkomponente und die Rotorkomponente können derart zusammengesetzt werden, dass durch Verdrehen der Rotorkomponente gegenüber der Statorkomponente die Ports und die Fluidkanäle in die verschiedenen Fluidkopplungszustände gebracht werden können. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann das Bauteil insbesondere vorteilhaft als Statorkomponente hergestellt werden, bei der mikrofluidische Strukturen in dem Fremdkörperelement und/oder in den Metallschichtstrukturen Ports bilden können. Ferner kann eine robuste Funktionsfläche des Elements mit hoher mechanischer Widerstandsfähigkeit und günstigen Reibungseigenschaften ausgebildet werden, die ein Zusammenwirken mit einer Rotorkomponente selbst bei hohen Anpressdrücken gestattet. Der sich an das Element vorzugsweise einstückig anschließende Schichtkörper aus Metallschichtstrukturen kann ebenfalls mikrofluidische Strukturen aufweisen, die mit den mikrofluidischen Strukturen des Elements fluidisch gekoppelt sein können, und kann als Basiskörper des Bauteils dienen. Es hat sich herausgestellt, dass ein mikrofluidisches Bauteil in Form eines Fluidventils oder einer Komponente davon, das als Hybrid aus Metallschichtstrukturen und einem Element aus anderem Material mit mikrofluidischer Struktur gefertigt ist, hohen Anforderungen an mechanische Robustheit, Dichtigkeit und zuverlässige Bereitstellung einer fluidischen Kopplungsfunktion gerecht wird. Vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass beim Bonden der Mehrschichtstrukturen mit dem Element in dem Element bereits vorgefertigte mikrofluidische Strukturen ungeachtet der Einwirkungen von Druck und Temperatur beim Bonden zuverlässig aufrechterhalten bleiben (insbesondere geöffnet bleiben) können.
[0022] Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das mikrofluidisches Bauteil als eines aus einer Gruppe ausgebildet sein, die besteht aus einer Probentrenneinrichtung oder einem Teil einer Probentrenneinrichtung, einer Probenanreicherungseinrichtung (zum Beispiel eine Trap-Säule zum Anreichern von fluidischer Probe) oder einem Teil einer Probenanreicherungseinrichtung, einem Wärmetauscher und einem Mischer:
[0023] Das Element kann insbesondere zum Abschließen des Bauelements als Stöpsel oder dergleichen auf den Schichtkörper aus den Metallschichtstrukturen aufgesetzt werden und kann in einer Probentrenneinrichtung ein unerwünschtes Entweichen von stationärer Phase unterdrücken, während durch mikrofluidische Strukturen in dem Fremdmaterialelement ein fluidischer Zugang zu der stationären Phase vorteilhaft aufrechterhalten werden kann. Beispielsweise kann das Element an einem Säuleneingang angebracht werden und dort optional auch als Fritte fungieren. Bei einer Probentrenneinrichtung kann ein mikrofluidisches Bauteil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung also zum außenseitigen Abschließen von Packmaterial einer stationären Phase in einem Metalllaminat-Chip zum Erreichen einer höheren Druckfestigkeit eingesetzt werden. Anschaulich kann dann das Bauteil als fluiddurchlässiger Stöpsel oder als fluiddurchlässiges Sieb für stationäre Phase einer Probentrenneinrichtung verwendet werden. Auf diese Weise kann stationäre Phase durch das Element am Verlassen des Bauteils, insbesondere des Schichtkörpers, gehindert werden.
[0024] Auch können bei einer Probentrenneinrichtung die mikrofluidischen Strukturen zum Bilden einer in einer Wandung der Probentrenneinrichtung integrierten Wärmetauscherfunktion dienen. Bei einer anderen Ausgestaltung kann ein solcher Wärmetauscher auch unabhängig von einer Probentrenneinrichtung ausgebildet sein und zum Beispiel mäanderförmige oder helikale mikrofluidische Strukturen aufweisen, die von einem Fluid zum Bewerkstelligen eines Wärmeaustauschs mit einem anderen Fluid durchflossen werden können.
[0025] Bei einem fluidischen Mischer werden ein oder mehrere fluidische Eingangsströme miteinander vermischt (zum Beispiel an einem fluidischen T-Punkt, Y-Punkt oder X-Punkt) und treten dann als gemischtes Fluid an einem Ausgang der mikrofluidischen Struktur aus. Ein solcher Mischer kann insbesondere rein passiv sein, d.h. ohne bewegte Teile auskommen. Beispielsweise können fluidische Flindernisse in einer Fluidleitung und/oder unterschiedliche Fluidlängenpfade, die von unterschiedlichen Fluidanteilen durchflossen werden und von mikrofluidischen Strukturen gebildet werden, Teil eines solchen Mischers bilden.
[0026] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Element in den Schichtkörper eingebettet oder darin integriert sein. Somit kann das Fremdmaterialelement ein Inlay sein, das in den Schichtkörper ganz oder teilweise integriert ist. Beispielsweise kann in dem Schichtkörper eine Kavität gebildet sein, in die das Element eingesetzt bzw. eingepasst ist. Dies kann insbesondere unter Ausbildung einer ebenen fluchtenden Außenfläche des Bauteils erfolgen, die teils von dem Schichtkörper und teils von dem Element gebildet ist. Ein Einbetten des Elements in den Schichtkörper verbessert den intrinsischen Zusammenhalt des Bauteils weiter und schützt das Bauteil vor einem Abtrennen von dem Schichtkörper bzw. vor mechanischen Einwirkungen.
[0027] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Element mit einem Hinterschnitt, insbesondere formschlüssig, in den Schichtkörper eingebettet sein. Um selbst hoher mechanischer Beanspruchung im Betrieb des Bauteils standzuhalten (beispielsweise bei einem rotatorischen Schaltvorgang eines Fluidventils, welches das Bauteil enthält oder daraus gebildet ist), können das Element und ein Aufnahmevolumen im Schichtkörper mit zueinander im Wesentlichen inverser Formgebung ausgebildet sein, was ein formschlüssiges Verankern oder Ineinandergreifen des Elements und des Schichtkörpers ermöglicht. Bei Einwirken einer Längskraft oder einer Drehbeanspruchung auf das Bauteil ist das Element dann besonders zuverlässig vor einer unerwünschten Trennung oder Ablösung vom Schichtkörper geschützt.
[0028] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Element so in den Schichtkörper eingebettet sein, dass eine Funktionsfläche des Elements freigelegt ist. Unter einer Funktionsfläche kann in diesem Zusammenhang eine Fläche des Elements verstanden werden, an der im Betrieb des Bauteils die von diesem bereitgestellte (insbesondere fluidische) Funktion abläuft. Wenn das Bauteil als Komponente eines Fluidventils ausgebildet ist, kann diese Funktionsfläche eine Grenzfläche einer Statorkomponente oder Rotorkomponente sein, die im Betrieb an eine jeweils korrespondierende Grenzfläche einer anderen Rotorkomponente oder Statorkomponente angrenzt. Ein Einbetten des Elements in den Schichtkörper unter Freibleiben der Funktionsfläche kombiniert eine sichere Verankerung mit einer uneingeschränkten Funktionalität des Elements.
[0029] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Funktionsfläche des Elements mit einer Außenfläche des Schichtkörpers fluchten. Anders ausgedrückt können die Funktionsfläche und eine angrenzende Außenfläche des Schichtkörpers miteinander eine ebene Abschlussfläche des Bauteils bilden. Dies prädestiniert das Bauteil als Statorkomponente oder Rotorkomponente eines Fluidventils zum Zusammenwirken mit einer korrespondierenden Rotorkomponente oder
Statorkomponente.
[0030] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann an der freigelegten Funktionsfläche des Elements die mindestens eine mikrofluidische Struktur nach außen hin zugänglich sein. Beispielsweise kann die freigelegte mikrofluidische Struktur an der freigelegten Funktionsfläche direkt mit einer anderen mikrofluidischen Struktur eines mit dem Bauteil funktional zusammenwirkenden anderen Bauteils fluidisch gekoppelt sein. In einem Ausführungsbeispiel sind freigelegte mikrofluidische Strukturen Ports einer Statorkomponente eines Fluidventils, die mit freigelegten Fluidkänalen (insbesondere Nuten) an einer gegenüberliegenden freiliegenden Funktionsfläche einer Rotorkomponente des Fluidventils durch fluidische Kopplung Zusammenwirken können.
[0031] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann mindestens eine der
Metallschichtstrukturen des Schichtkörpers mindestens eine weitere mikrofluidische Struktur aufweisen. Somit kann das Hybridbauteil aus metallischem und anderem Material auch konfiguriert werden, miteinander fluidisch kommunizierende mikrofluidische Strukturen auszubilden. Überraschenderweise hat sich mit Vorteil herausgestellt, dass beim vorzugsweise thermisch unterstützten Verpressen von Metallschichtstrukturen des Schichtkörpers darin gebildete fluidische Flohlräume ungeachtet des ausgeübten Drucks bzw. der ausgeübten thermischen Einwirkung geöffnet bleiben. Fluidische Flohlräume in den Mehrschichtstrukturen können horizontale Kanäle und/oder vertikale Fluidverbindungen enthalten.
[0032] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine mikrofluidische Struktur des Elements mit der mindestens einen weiteren mikrofluidischen Struktur des Schichtkörpers fluidisch gekoppelt sein. Mit Vorteil können also mikrofluidischen Strukturen der Metallschichtstrukturen des Schichtkörpers in Fluidverbindung mit den mikrofluidischen Strukturen des Elements gebracht sein. Auf diese Weise können durch das Hybridbauteil aufgrund der weiteren mikrofluidischen Struktur des Schichtkörpers in Zusammenwirkung mit dem Element mit seinen mikrofluidischen Strukturen auch komplexe fluidische Aufgaben verwirklicht werden. [0033] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Element eine Scheibe sein. Insbesondere kann das Element als gestufte Scheibe ausgebildet sein, was dessen formschlüssige Verankerung (vorzugsweise mit Hinterschnitt) als Inlay in dem Schichtkörper begünstigt. Eine solche Scheibe, die in einer horizontalen Ebene und/oder in einer vertikalen Richtung (d.h. senkrecht zu und/oder entlang einer Stapelrichtung der Mehrschichtstrukturen) Überstände (insbesondere zum Verbessern einer Verankerungswirkung mit dem Schichtkörper) aufweisen kann, eignet sich besonders gut zur positionsgetreuen Einbettung in den Schichtkörper unter Freigabe einer Funktionsfläche des Elements.
[0034] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine freigelegte Funktionsfläche des Elements eine geringere Rauheit Ra aufweisen als eine andere Außenfläche (oder sogar als alle anderen Außenflächen) des Elements. Rauheit bezeichnet die Unebenheit bzw. das mikroskopische Oberflächenprofil einer jeweiligen Fläche. Der Mittenrauwert Ra gibt den mittleren Abstand eines Messpunktes auf der Oberfläche zur Mittellinie an. Die Mittellinie schneidet innerhalb der Bezugsstrecke das wirkliche Profil so, dass die Summe der Profilabweichungen in einer parallelen Ebene zur Mittellinie auf die Länge der Messstrecke verteilt wird. Insbesondere kann eine freigelegte Funktionsfläche des Elements selektiv poliert sein, um die genannte Rauheit zu erreichen. Eine Funktionsfläche des Elements kann eine Fläche sein, an der das Bauteil mit einem anderen Bauteil zusammenwirkt, insbesondere in direkten physischen Kontakt zusammenwirkt. Ein Beispiel für Funktionsflächen sind Kontakt- bzw. Berührflächen einer Statorkomponente und einer Rotorkomponente eines rotatorischen Fluidventils. Ein Polieren des Bauteils kann selektiv nur an der Funktionsweise des Elements vorgenommen werden, wo folglich eine Rauheit (insbesondere gemessen in Ra) geringer sein kann als am Rest des Elements bzw. am Rest des gesamten Bauteils. Eine polierte Funktionsfläche erlaubt ein reibungsarmes Gleiten zwischen einer Rotorkomponente und einer Statorkomponente eines Fluidventils, wobei die Rotorkomponente und/oder die Statorkomponente durch ein Bauteil gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gebildet sein kann.
[0035] Mit Vorteil kann das Polieren der Funktionsfläche des Elements vor dem Bonden des Elements mit dem Schichtkörper durchgeführt werden. Dies vereinfacht das Herstellungsverfahren, da so ein selektives Polieren eines Teils der Oberfläche des Bauteils vermieden werden kann und sich herausgestellt hat, dass beim Bonden die hohe Oberflächengüte einer zuvor polierten Funktionsfläche erhalten bleibt.
[0036] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Element einen in Umfangsrichtung unterbrochenen, insbesondere mehrfach unterbrochenen, Kragen aufweisen. Dies hat Vorteile: Zum einen können die Unterbrechungen zum Ausgleich von Materialumlagerungen beim Bonden aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen des Materials des metallischen Schichtkörpers und des Elements dienen, wenn zum Beispiel während des Herstellungsverfahrens (insbesondere des Bondens) diese Materialien einem Wärmeeintrag ausgesetzt sind. Dies verringert innere thermische Spannungen in dem Bauteil und stellt eine zuverlässige fluidische Kopplung zwischen mikrofluidischen Strukturen im Schichtkörper und im Element sicher. Zum anderen können Materialabschnitte zwischen den Unterbrechungen anschaulich zu einem mechanischen Verankern zwischen Schichtkörper und dem Element beitragen. Dadurch kann eine Beschädigung der Verbindung zwischen Schichtkörper und Fremdmaterialelement selbst bei starken Stößen unterbunden werden. Schließlich dient die Abfolge aus Unterbrechungen und Materialabschnitten in Umfangsrichtung auch zu einer gezielten Relativpositionierung und Relativorientierung zwischen Schichtkörper und Element, wodurch auch eine korrekte Ausrichtung zwischen zusammenwirkenden fluidischen Strukturen von Schichtkörper und Element gefördert wird.
[0037] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Element einen umfänglichen Kragen aufweisen, der zumindest abschnittsweise einen in Richtung einer freigelegten Funktionsfläche des Elements weisenden Kompressionsring aufweist. Ein solcher Kompressionsring kann beim Bonden von Schichtkörper und Element formschlüssig eingeschlossen werden, insbesondere in eine der Metallschichtstrukturen dornartig eindringen, und kann dadurch eine mechanische Integrität des mikrofluidischen Bauteils fördern.
[0038] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann sich das Element über zumindest zwei Metallschichtstrukturen des Schichtkörpers hinweg erstrecken. Eine äußere Metallschichtstruktur kann einen inneren Bereich des Schichtkörpers radial überdecken, wohingegen ein äußerer Bereich des Schichtkörpers gegenüber seinem inneren Bereich verjüngt sein kann und gegenüber der äußeren Metallschichtstruktur freigelegt sein kann. Auf diese Weise können ein externer Zugang der mikrofluidischen Struktur des Elements und eine sichere Verankerung des Elements in dem Schichtkörper kombiniert werden. Die beiden äußersten Metallschichtstrukturen können daher zum sicheren Einbetten und äußeren Freilegen des Elements Zusammenwirken.
[0039] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine sich unterseitig an das Element anschließende Metallschichtstruktur mindestens eine Ausgleichsaussparung (zum Beispiel eine oder mehrere Nuten, beispielsweise Ringnuten) zum Ausgleichen thermischer Expansionsphänomene beim Bonden aufweisen. Insbesondere aufgrund unterschiedlicher
Wärmeausdehnungskoeffizienten des metallischen Materials der Metallschichtstruktur und des anderen Materials des Elements kann es an einer unterseitigen Grenzfläche des Elements zu starken mechanischen Spannungen beim und nach dem Bonden kommen, was zu unerwünschten Positionierfehlern führen kann. Indem an der das Element tragenden Metallschichtstruktur oberseitig eine oder mehrere zunächst ungefüllte Ausgleichsöffnungen vorgesehen werden, kann durch thermische Ausdehnung während der Herstellung umgelagertes Material insbesondere des Schichtkörpers beim Bonden in den Ausgleichsöffnungen aufgenommen werden, wodurch Positionierfehler und innere Spannungen in dem Bauteil vermieden werden können. Die Ausgleichsöffnungen können auch nach dem Bonden teilweise materialfrei bleiben, um ein ausreichend großes Puffervolumen bereitzustellen.
[0040] Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Metallschichtstrukturen aus Edelstahl ausgebildet sein. Edelstahl hat sich sowohl als Material zum Verbinden mit anderen Metallschichtstrukturen als auch zum Ausbilden von fluidischen Strukturen darin als sehr geeignet erwiesen. Außerdem zeigt Edelstahl gute Verbindungseigenschaften mit Elementen aus Keramik oder dergleichen. Darüber hinaus ist Edelstahl ausreichend rostfrei und inert, um selbst aggressive biologische und chemische Substanzen in dessen Inneren führen zu können.
[0041] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Element ein unmetallisches Element sein. Im Rahmen der vorliegenden Anwendung kann unter dem Begriff „unmetallisches Element“ insbesondere ein Material verstanden werden, das nicht die Eigenschaften von elementarem Metall zeigt. Insbesondere kann ein unmetallisches Element aus einem oder mehreren Materialien hergestellt sein, das oder die nicht alle ein Metall sind. Insbesondere kann das unmetallische Element zum Beispiel aus Keramik oder Kunststoff hergestellt sein. Auch wenn eine Keramik (beispielsweise Aluminiumoxid) ein Metall (beispielsweise Aluminium) aufweisen kann, hat eine solche Keramik insgesamt unmetallische Eigenschaften. Das unmetallische Element mag daher zwar Metallverbindungen aufweisen, ist jedoch nicht aus elementarem Metall gebildet. Ein unmetallisches Element kann daher ein nicht aus einem elementaren Metall gebildetes Element sein.
[0042] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Element Keramik aufweisen oder daraus bestehen. Zum Beispiel kann die Keramik Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid aufweisen oder daraus bestehen. Aluminiumoxid (AI2O3) hat den besonderen Vorteil einer hohen Wärmekapazität. Die Verwendung von Zirkoniumoxid ist besonders vorteilhaft, wenn ein mechanisch sehr robustes und wenig sprödes Material gefordert wird. Es sind auch Kombinationen aus den genannten und/oder anderen pulverförmigen Keramiken möglich, zum Beispiel um die verschiedene Materialeigenschaften zu kombinieren. Auch können aus solchen Gründen (insbesondere zu verpressende) Keramikpulver mit unterschiedlichen Partikelgrößen eingesetzt werden. Die genannten Keramiken sind mechanisch robust und polierbar sowie inert und haben sich als gut verbindbar mit Metallschichtstrukturen erwiesen.
[0043] Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Element Kunststoff aufweisen oder daraus bestehen. Zum Beispiel kann der Kunststoff Polyetherketone, wie zum Beispiel PEEK (Polyetheretherketon), aufweisen oder daraus bestehen. Solche Kunststoffe sind hochtemperaturbeständig und gegenüber fast allen organischen und anorganischen Chemikalien beständig. Außerdem eignen sich solche Kunststoffe für das Ausbilden mikrofluidischer Strukturen in deren Inneren.
[0044] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Innendurchmesser der mindestens einen mikrofluidischen Struktur in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, sein. Bei solchen Dimensionen kann ein Verengen oder sogar vollständiges Blockieren der mikrofluidischen Strukturen vermieden werden. Gleichzeitig sind diese geringen Strukturgrößen geeignet, mit geforderten niedrigen Flussraten und begrenzten Fluidvolumina moderner Probentrenngeräte zurecht zu kommen. Mikrofluidische Strukturen dieser Dimensionen eignen sich besonders gut für Probentrennaufgaben, zum Beispiel mittels Chromatografie.
[0045] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine mikrofluidische Struktur mindestens eines aus einer Gruppe aufweisen, die besteht aus einem vollumfänglich begrenzten mikrofluidischen Kanal und einer mikrofluidischen Nut. Mit anderen Worten kann die mikrofluidische Struktur ein mikrofluidischer Flohlraum in dem Element sein. Ein solcher Flohlraum kann als Lumen im Inneren des Elements von dem Fluid durchflossen werden. Unter einer Nut wird in diesem Zusammenhang insbesondere eine längliche rinnenförmige Vertiefung verstanden. Ein Kanal ist in Abgrenzung zu einer Nut ein vollumfänglich begrenzter Flohlraum, der zum Beispiel einen kreisförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt haben kann. Es sind allerdings auch andere mikrofluidische Strukturen möglich, zum Beispiel Poren in einem porösen Volumenabschnitt des Elements. Solche mikrofluidischen Strukturen können sich in der Schichtstruktur und/oder in dem Element in horizontaler Richtung und/oder als vertikale fluidische Verbindungstruktur ausgebildet sein.
[0046] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren ein Verbinden der mehreren Metallschichtstrukturen mittels Wärmezufuhr und/oder Druckbeaufschlagung aufweisen. Zum Beispiel können die Metallschichtstrukturen zunächst strukturiert werden (zum Beispiel mittels eines Lithographie- und Ätzverfahrens, mittels einer Laserbehandlung und/oder mittels mechanischen Bohrens oder Fräsens) und können nachfolgend miteinander laminiert werden. Dadurch können die Metallschichtstrukturen eine zerstörungsfrei untrennbare Verbindung eingehen, ohne dass fluidische Kanäle in deren Inneren durch das Laminieren unerwünscht geschlossen werden.
[0047] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren vor dem Bonden ein Polieren einer nach dem Bonden freigelegten Funktionsfläche des Elements aufweisen. Ein komplexeres Polieren nach dem Ausbilden der Bond-Verbindung zwischen dem Element und dem Schichtkörper kann dadurch vermieden werden, wenngleich es in anderen Ausführungsbeispielen durchgeführt werden kann.
[0048] Gemäß einem Ausführungsbeispiel können bei dem Verfahren das Bonden von Metallschichtstrukturen und des Elements sowie das Verbinden der Metallschichtstrukturen untereinander simultan, insbesondere durch einen gemeinsamen Prozess, durchgeführt werden. Dies kann insbesondere durch eine gemeinsame thermische Behandlung und/oder Druckbehandlung bewerkstelligt werden. Die Herstellung des Bauteils ist dadurch mit geringem Aufwand möglich.
[0049] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Probentrenneinrichtung als chromatographische Trenneinrichtung, insbesondere als
Chromatographietrennsäule, ausgebildet sein. Bei einer chromatographischen Trennung kann die Chromatographietrennsäule mit einem Adsorptionsmedium versehen sein. An diesem kann die fluidische Probe aufgehalten werden und erst nachfolgend mit hinreichend Laufmittel (isokratisch) oder bei Anwesenheit einer spezifischen Lösungsmittelzusammensetzung (Gradient) fraktionsweise wieder abgelöst werden, womit die Trennung der Probe in ihre Fraktionen bewerkstelligt wird.
[0050] Das Probentrenngerät kann ein mikrofluidisches Messgerät, ein Life Science-Gerät, ein Flüssigchromatographiegerät, eine HPLC (High Performance Liquid Chromatography), eine UHPLC-Anlage, ein SFC- (superkritische Flüssigchromatographie) Gerät, ein Gaschromatographiegerät, ein Elektrochromatographiegerät und/oder ein Gelelektrophoresegerät sein. Allerdings sind viele andere Anwendungen möglich.
[0051] Der Fluidantrieb kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, die mobile Phase mit einem hohen Druck, zum Beispiel einige 100 bar bis hin zu 1000 bar und mehr, durch das System hindurch zu befördern.
[0052] Das Probentrenngerät kann einen Probeninjektor zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad aufweisen. Ein solcher Probeninjektor kann eine mit einem Sitz koppelbare Injektionsnadel in einem entsprechenden Flüssigkeitspfad aufweisen, wobei die Nadel aus diesem Sitz herausgefahren werden kann, um Probe aufzunehmen, wobei nach dem Wiedereinführen der Nadel in den Sitz die Probe sich in einem Fluidpfad befindet, der, zum Beispiel durch das Schalten eines Ventils, in den Trennpfad des Systems hineingeschaltet werden kann, was zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad führt.
[0053] Das Probentrenngerät kann einen Fraktionssammler zum Sammeln der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Fraktionssammler kann die verschiedenen Komponenten zum Beispiel in verschiedene Flüssigkeitsbehälter führen. Die analysierte Probe kann aber auch einem Abflussbehälter zugeführt werden.
[0054] Vorzugsweise kann das Probentrenngerät einen Detektor zur Detektion der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Detektor kann ein Signal erzeugen, welches beobachtet und/oder aufgezeichnet werden kann, und welches für die Anwesenheit und Menge der Probenkomponenten in dem durch das System fließenden Fluid indikativ ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN [0055] Andere Ziele und viele der begleitenden Vorteile von
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und besser verständlich werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
[0056] Figur 1 zeigt ein HPLC-System als Probentrenngerät mit mehreren mikrofluidischen Bauteilen gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0057] Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Statorkomponente, als mikrofluidisches Bauteil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, eines rotatorischen Fluidventils.
[0058] Figur 3 zeigt eine räumliche Ansicht eines keramischen Inlay-Elements der Statorkomponente des mikrofluidischen Bauteils gemäß Figur 2.
[0059] Figur 4 zeigt eine Draufsicht des keramischen Inlay-Elements der Statorkomponente des mikrofluidischen Bauteils gemäß Figur 3.
[0060] Figur 5 zeigt eine Draufsicht einer real hergestellten Statorkomponente als mikrofluidisches Bauteil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0061] Figur 6 zeigt eine Fluidverarbeitungsvorrichtung mit einem Fluidventil als mikrofluidisches Bauteil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0062] Figur 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer Probentrenneinrichtung als mikrofluidisches Bauteil gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0063] Die Darstellung in den Zeichnungen ist schematisch.
[0064] Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen einige grundlegende Überlegungen zusammengefasst werden, basierend auf denen exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung abgeleitet worden sind.
[0065] Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel kann ein fluidisches Hybridbauteil aus verbundenen Metallschichtstrukturen (zum Beispiel ein Edelstahl- Laminat) und einem damit gebondeten (vorzugsweise keramischen) Element mit mikrofluidischer Struktur (zum Beispiel einem Fluidkanal) bereitgestellt werden. Mit Vorteil kann sich die mindestens eine mikrofluidische Struktur bis zu einer Außenseite des Bauteils erstrecken und kann daher fluidisch mit einer anderen mikrofluidischen Struktur zum Ausbilden einer vorzugsweise hochdruckfesten Fluidverbindung gekoppelt werden.
[0066] Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein Element als Keramik-Inlay mit mikrofluidischer Struktur an oder in einem (vorzugsweise als Metalllaminat ausgebildeten) Schichtkörper verklebt oder anderweitig gebondet werden, um dadurch zum Beispiel eine Komponente eines mikrofluidischen Scherventils auszubilden. Das Bauteil kann als Metal-Micro-Fluidic-Bauteil ausgebildet sein. Die Mikrofluidik betrifft das Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum, das sich wesentlich von dem Verhalten makroskopischer Fluide unterscheiden kann, weil in dieser Größenordnung Effekte dominieren können, welche in makroskopischen Dimensionen vernachlässigt werden können. Ein solches Mikrofluidik-Bauteil kann auf Basis von Metallstrukturen hergestellt werden, die durch thermisches Bonden bei hohem Druck und hoher Temperatur aus Edelstahlfolien hergestellt werden können. Bedingt durch einen solchen Herstellungsprozess können die Materialeigenschaften eines Mikrofluidik-Bauteils einem weichgeglühten Zustand entsprechen. Solche metallischen Flächen sind als Funktionsfläche für ein Rotations-Scherventil allein genommen ungeeignet. Vorteilhaft kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung daher eine Funktionsfläche eines Mikrofluidik-Bauteils mit harten, polierten und verschleißarmen Eigenschaften durch Verwendung eines mitgebondeten Elements, vorzugsweise eines Keramikteils, ausgebildet werden. Solche hybridartigen Mikrofluidik-Bauteile gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung können zum Beispiel vorteilhaft als Rotations-Scherventil-Stator eingesetzt werden. Herkömmliche Ventile dieser Bauart sind in der Regel aus dem Vollen gefräst und erlauben - bedingt durch diesen Herstellungsprozess - nur eine eingeschränkte Komplexität.
[0067] Rotations-Ventile können ein feststehendes, scheibenartiges Teil (auch als Stator bezeichnet) aufweisen. Dieses statische und häufig scheibenförmige Teil kann auf einer Seite der Scheibe fluidische Anschlüsse zu anderen Bauteilen (zum Beispiel einem Fluidantrieb, einer Probentrenneinrichtung, einem Injektor, einen Detektor, etc.) aufweisen. Auf der gegenüberliegenden Seite können sich beispielsweise kreisförmig angeordnete Kanalöffnungen befinden, auf welche ein anderes scheibenartiges Teil (auch als Rotor bezeichnet) gedrückt wird und diese Öffnungen selektiv verschließt, verbindet oder öffnet. Für Anwendungen im Hochdruckbereich (insbesondere in der HPLC) ist der Rotor mit hoher Kraft auf den Stator zu drücken, weshalb dieser eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiß durch Reibung aufweisen soll. Dies kann durch ein Bauteil gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung erreicht werden, das miteinander verbundene Metallschichtstrukturen mit einem einstückig verbundenen Element, vorzugsweise aus Keramik, mit Mikrostrukturen verbindet.
[0068] Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines HPLC-Systems als Beispiel für ein Flüssigchromatografie-Probentrenngerät 10 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es zum Beispiel zur
Flüssigkeitschromatographie verwendet werden kann.
[0069] Bei dem dargestellten Probentrenngerät 10 treibt ein Fluidantrieb 20, der mit Lösungsmitteln aus einer Zuführeinrichtung 25 versorgt wird, treibt eine mobile Phase durch eine Probentrenneinrichtung 30 (wie zum Beispiel eine chromatographische Säule), die eine stationäre Phase beinhaltet. Die
Zuführeinrichtung 25 umfasst eine erste Fluidkomponentenquelle 113 zum Bereitstellen eines ersten Fluids bzw. einer ersten Lösungsmittelkomponente A (zum Beispiel Wasser) und eine zweite Fluidkomponentenquelle 115 zum Bereitstellen eines anderen zweiten Fluids bzw. einer zweiten Lösungsmittelkomponente B (zum Beispiel ein organisches Lösungsmittel). Ein optionaler Entgaser 27 kann die mittels der ersten Fluidkomponentenquelle 113 und mittels der zweiten Fluidkomponentenquelle 115 bereitgestellten Lösungsmittel entgasen, bevor diese dem Fluidantrieb 20 zugeführt werden. Eine Probenaufgabeeinheit 40, die auch als Injektor bezeichnet werden kann, ist zwischen dem Fluidantrieb 20 und der Probentrenneinrichtung 30 angeordnet, um eine Probenflüssigkeit oder fluidische Probe in den fluidischen Trennpfad einzubringen. Hierfür kann ein Injektorventil 110 entsprechend geschaltet werden. Das Injektorventil 110 kann als rotatorisches Scherventil ausgebildet sein, das eine ortsfeste Statorkomponente 112 und eine, gesteuert mittels einer Steuereinrichtung 70, rotierbare Rotorkomponente 114 aufweist. Beispielsweise kann die Statorkomponente 112 mikrofluidische Strukturen in Form von Ports aufweisen, die an die diversen Komponenten 20, 40 bzw. 30, etc., fluidisch angeschlossen werden können und die sich bis zu einer Kontaktfläche mit der Rotorkomponente 114 erstrecken können. Die Rotorkomponente 114 hat an der Kontaktfläche beispielsweise eine oder mehrere Nuten, d.h. rinnenförmige Vertiefungen, die abhängig von einer gegenwärtigen Relativorientierung zwischen Statorkomponente 112 und Rotorkomponente 114 fluidische Verbindungen zwischen jeweiligen der Ports selektiv ausbilden oder nicht ausbilden können.
[0070] Die stationäre Phase der Probentrenneinrichtung 30 ist dazu vorgesehen, Komponenten der Probe zu separieren. Ein Detektor 50, der eine Flusszelle aufweisen kann, detektiert separierte Komponenten der Probe, und ein Fraktionierungsgerät 60 kann dazu vorgesehen werden, separierte Komponenten der Probe in dafür vorgesehene Behälter auszugeben. Nicht mehr benötigte Flüssigkeiten können in einen Abflussbehälter bzw. in ein Waste (nicht gezeigt) ausgegeben werden.
[0071] Während ein Flüssigkeitspfad zwischen dem Fluidantrieb 20 und der Probentrenneinrichtung 30 typischerweise unter Flochdruck steht, wird die Probenflüssigkeit unter Normaldruck zunächst in einen vom Flüssigkeitspfad getrennten Bereich, eine so genannte Probenschleife (englisch: Sample Loop), der Probenaufgabeeinheit 40 bzw. des Injektors eingegeben, die dann wiederum die Probenflüssigkeit in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad einbringt. Während des Zuschaltens der zunächst unter Normaldruck stehenden Probenflüssigkeit in der Probenschleife in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad wird der Inhalt der Probenschleife auf den Systemdruck des als HPLC ausgebildeten Probentrenngeräts 10 gebracht. Steuereinrichtung 70 steuert die einzelnen Komponenten 20, 27, 30, 40, 50, 60, 110 und eine Proportioniereinrichtung 101 des Probentrenngeräts 10.
[0072] Die Komponenten des Probentrenngeräts 10 stromaufwärts der Probenaufgabeeinheit 40 in Figur 1 dienen zum Bereitstellen einer Mischung aus mehreren unterschiedlichen Fluiden als Lösungsmittelzusammensetzung bzw. mobile Phase für das Flüssigchromatografie-Probentrenngerät 10. Zwei Zuführleitungen 109, 111 sind fluidisch mit einer jeweiligen der zwei als Fluidkomponentenquellen 113, 115 bezeichneten Lösungsmittelbehälter zum Bereitstellen eines jeweiligen der Fluide bzw. Lösungsmittelkomponenten A und B fluidisch gekoppelt. Das jeweilige Fluid bzw. die jeweilige Lösungsmittelkomponente A bzw. B wird durch die jeweilige Zuführleitung 109 bzw. 111 , durch den Entgaser 27 zu einem Fluidventil als Proportioniereinrichtung 101 gefördert, an der die Fluide bzw. Lösungsmittelkomponenten A bzw. B aus den Zuführleitungen 109, 111 miteinander vereinigt werden. An der Proportioniereinrichtung 101 fließen die Fluidpakete aus den Zuführleitungen 109, 111 also unter Bildung einer Lösungsmittelzusammensetzung zusammen. Letztere wird nach Durchlaufen eines Mischers 103 zum Mischen der einzelnen Lösungsmittelkomponenten dem Fluidantrieb 20 zugeführt.
[0073] Ein oder mehrere der Komponenten des Probentrenngeräts 10 gemäß Figur 1 können als mikrofluidisches Bauteil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaut sein. Gemäß Figur 1 sind dies, wie mit den jeweiligen Bezugszeichen 100 dargestellt, eine Statorkomponente 112 (siehe Figur 2 bis Figur 5) und/oder eine Rotorkomponente 114 des Fluidventils 110 sowie ein Säuleneingang der Probentrenneinrichtung 30 (siehe Figur 6) und der Mischer 103. Jedes dieser mikrofluidischen Bauteile 100 weist einen Schichtkörper mit mehreren miteinander verbundenen Metallschichtstrukturen und ein aus einem anderen Material hergestelltes Element auf, das mikrofluidische Strukturen aufweist und mit dem Schichtkörper gebondet ist.
[0074] Exemplarische Ausführungsbeispiele für mikrofluidische Bauteile 100 werden im Weiteren beschrieben:
[0075] Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Statorkomponente 112 eines Fluidventils 110 als mikrofluidisches Bauteil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 3 zeigt eine räumliche Ansicht eines Keramik-Elements 106 der Statorkomponente 112 des mikrofluidischen Bauteils 100 gemäß Figur 2. Figur 4 zeigt eine Draufsicht des Elements 106 der Statorkomponente 112 gemäß Figur 2 und Figur 3.
[0076] Figur 2 bis Figur 4 zeigen also Bauelemente einer Statorkomponente 112 eines Fluidventils 110 als Beispiel für ein mikrofluidisches Bauteil 100 für ein Probentrenngerät 10, wie das in Figur 1 dargestellte. Anders ausgedrückt ist das Bauteil 100 gemäß Figur 2 bis Figur 4 als Statorkomponente 112 eines rotatorischen Scher- bzw. Fluidventils 110 ausgebildet. Das gezeigte mikrofluidische Bauteil 100 weist einen Schichtkörper 102 aus mehreren miteinander verbundenen und zueinander parallel angeordneten Metallschichtstrukturen 104 auf. Die Metallschichtstrukturen 104 können beispielsweise aus inertem Edelstahl oder aus anderen Metallfolien oder Metallschichten hergestellt werden. Die Metallschichtstrukturen 104 können Leer- oder Flohlräume aufweisen (siehe die obersten vier Metallschichtstrukturen 104 gemäß Figur 2) und/oder können kontinuierliche bzw. ununterbrochene Metallschichten sein (siehe unterste Metallschichtstruktur 104 gemäß Figur 2). Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind fünf ebene und parallel zueinander angeordnete Metallschichtstrukturen 104 miteinander verbunden, wobei auch jede andere Anzahl von Metallschichtstrukturen 104 möglich ist. In den beiden obersten Metallschichtstrukturen 104 ist eine Kavität oder Aufnahmeöffnung zum Aufnehmen eines eingebetteten Elements 106 als Inlay ausgespart. Dieses Element 104 kann aus einem anderen Material hergestellt sein als die Metallschichtstrukturen 104. Das Element 106 kann insbesondere unmetallisch sein, d.h. nicht aus elementaren Metall bestehen. Das eingebettete unmetallische Element 106 erstreckt sich gemäß Figur 2 über die beiden obersten Metallschichtstrukturen 104 des Schichtkörpers 102 hinweg und liegt mit seiner Bodenfläche auf der drittuntersten Metallschichtstruktur 104 auf. Das unmetallische Element 106 ist vorzugsweise aus einem Keramikwerkstoff, zum Beispiel Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid, hergestellt. Ferner weist das nicht metallische oder unmetallische Element 106 Fluidkanäle als mikrofluidische Strukturen 108 auf, die gemäß Figur 2 vertikal verlaufen. Das keramische Element 106 ist mit dem metallischen Schichtkörper 102 zu einem einstückigen Bauteil 100 gebondet, zum Beispiel verklebt und/oder thermisch gebondet. Durch das Bonden wird beispielsweise mittels Zufuhr thermischer Energie und/oder mittels Beaufschlagens mit mechanischem Druck eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen dem unmetallischen Element 106 und dem Schichtkörper 102 ausgebildet. Eine solche Verbindung kann alternativ oder ergänzend durch Klebstoff bewerkstelligt werden. Zum Fierstellen des mikrofluidischen Bauteils 100 können also die mehreren Metallschichtstrukturen 104 zum Bilden des Schichtkörpers 102 miteinander verbunden werden und kann das unmetallische Element 106 mitsamt seinen mikrofluidischen Strukturen 108 mit dem Schichtkörper 102 gebondet werden.
[0077] Wie in Figur 2 zu erkennen ist, ist das unmetallische Element 106 in den Schichtkörper 102 eingebettet, so dass eine Funktionsfläche 120 des unmetallischen Elements 106 mit einer Außenfläche 122 der äußersten Metallschichtstruktur 104 fluchtet bzw. mit dieser ausgerichtet ist oder bündig abschließt. Wie in Figur 2 zu erkennen, fluchtet also die Funktionsfläche 120 des unmetallischen Elements 106 mit der Außenfläche 122 des Schichtkörpers 102 unter Schaffung einer ebenen Außenfläche des Bauteils 100. Die freigelegte Funktionsfläche 120 des unmetallischen Elements 106 kann poliert sein, um ungeachtet eines hochdruckfesten und fluiddichten mechanischen Kontakts mit einer korrespondierenden Funktionsfläche einer Rotorkomponente 114 gegenüber der Rotorkomponente 114 reibungsarm und verschleißarm verdreht zu werden. Mit Vorteil kann ein Polieren der Funktionsfläche 120 vor dem Einbetten des Elements 106 in den Schichtkörper 102 erfolgen, um ein zwar mögliches, aber aufwändigeres Polieren nach dem Bonden zu vermeiden. Darüber hinaus ist das unmetallische Element 106 mit einem Hinterschnitt 118 in die beiden äußersten
Metallschichtstrukturen 104 des Schichtkörpers 102 eingebettet, sodass ein Formschluss mit dem Schichtkörper 102 ausgebildet ist, der ein Herausziehen des Elements 106 aus dem Schichtkörper 102 verunmöglicht. Selbst bei Einwirkung größerer Kräfte kann aufgrund dieses Formschlusses oder Hinterschnitts 118 ein unerwünschtes Herauslösen des unmetallischen Elements 106 aus dem
Schichtkörper 102 zuverlässig vermieden werden. Zum Herstellen des Bauteils 100 kann das beispielsweise vorgepresste, vorgebrannte bzw. vorprozessierte Keramikteil in Form des Elements 106 auf die drei untersten Metallschichtstrukturen 104 aufgelegt werden. Genauer gesagt kann das Element 106 mit seiner verbreitert ausgebildeten Unterseite in eine Ausnehmung der gemäß Figur 2 zweiten
Metallschichtstruktur 104 von oben eingesetzt werden. Eine schmäler ausgebildete Oberseite des Elements 106 kann in eine kleinere Ausnehmung der obersten Metallschichtstruktur 104 gemäß Figur 2 so eingesetzt werden, dass die Außenseite 122 der äußersten Metallschichtstruktur 104 mit der Funktionsfläche 120 an der Oberseite des Elements 106 bündig abschließt. Danach kann eine Verbindung der genannten Bestandteile miteinander erfolgen. Auf diese Weise kann das unmetallische Element 106 so in den Schichtkörper 102 eingebettet werden, dass die Funktionsfläche 120 des unmetallischen Elements 106 freigelegt ist und dass gleichzeitig das hybride Bauteil 100 selbst bei Einwirkung größerer Kräfte im Betrieb des Fluidventils 110 vor einer unerwünschten Trennung seiner Komponenten geschützt ist.
[0078] Ebenfalls anhand von Figur 2 ersichtlich ist, dass an der freigelegten Funktionsfläche 120 des unmetallischen Elements 106 die sich hier vertikal erstreckenden mikrofluidischen Strukturen 108 des Elements 106 nach außen hin zugänglich sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die mikrofluidischen Strukturen 108 als sich entlang einer Stapelrichtung 160 der ebenen gestapelten Metallschichtstrukturen 104 und gemäß Figur 2 vertikal erstreckende Fluidkanäle ausgebildet. Diese sich senkrecht erstreckenden Ports können an einer in Figur 2 nicht dargestellten Außenfläche des Bauteils 100 mit anderen fluidischen Komponenten des Probentrenngeräts 10 fluidisch gekoppelt werden, zum Beispiel mit einem Fluidantrieb 20, einer Probentrenneinrichtung 30 oder einer Probenaufgabeeinheit 40 (siehe Figur 1). Wie in Figur 2 schematisch mit Bezugszeichen 162 dargestellt ist, ist es ebenfalls möglich, mikrofluidische Strukturen in Form von Nuten in der Funktionsfläche 120 auszubilden. Solche (beispielsweise gekrümmten) Nuten sind allerdings vorzugsweise in einer im Betrieb mit der Funktionsfläche 120 der Statorkomponente 112 in Berührkontakt stehenden Funktionsfläche einer Rotorkomponente 114 des Fluidventils 110 ausgebildet, um abhängig von einem Rotationszustand der Rotorkomponente 114 relativ zur Statorkomponente 112 in selektiver Weise fluidische Verbindungen mit den Ports auszubilden oder nicht. Auf diese Weise können die Komponenten des Probentrenngeräts 10, die an die Ports angeschlossen sind, in selektiver Weise fluidisch miteinander gekoppelt oder voneinander entkoppelt werden.
[0079] Figur 2 zeigt ferner, dass die sich an das Element 106 direkt unterseitig anschließende Metallschichtstruktur 104 des Schichtkörpers 102 weitere mikrofluidische Strukturen 164 aufweist, die mit den mikrofluidischen Strukturen 108 des Elements 106 fluidisch gekoppelt sind und sich gemäß Figur 2 ebenfalls in vertikaler Richtung erstrecken. Gemäß Figur 2 sind die weiteren mikrofluidischen Strukturen 164 und die mikrofluidischen Strukturen 108 koaxial zueinander ausgerichtet und schließen einander unmittelbar an. Beispielsweise kann ein Innendurchmesser d der mikrofluidischen Strukturen 108 und 164 in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm sein. Darüber hinaus weist die gemäß Figur 2 zweitunterste Metallschichtstruktur 104 zusätzliche mikrofluidische Strukturen 166 in Form von horizontalen Fluidkanälen auf, von denen jede mit einer jeweiligen der weiteren mikrofluidischen Strukturen 164 in Fluidverbindung gebracht ist. Die mikrofluidischen Strukturen 166 können eine vertikale Dicke D aufweisen, die der Dicke D der zugehörigen Metallschichtstruktur 104 entspricht. Dicke D kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 0,3 mm und 3 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,5 mm und 2 mm, liegen. Seitlich können die mikrofluidischen Strukturen 166 durch Material der zugehörigen Metallschichtstruktur 104 abgegrenzt sein, oberseitig und unterseitig durch Material der darüber und darunter angeordneten Metallschichtstrukturen 104.
[0080] Indem also die mikrofluidischen Strukturen 108 des unmetallischen Elements 106 mit den weiteren mikrofluidischen Strukturen 164, 166 des Schichtkörpers 102 fluidisch gekoppelt sind, lässt sich eine durchgehende fluidische Verbindung zwischen mehreren unterschiedlichen Komponenten eines Probentrenngeräts 10 an einer Außenseite des Bauteils über eine der mikrofluidischen Strukturen 166, eine der mikrofluidischen Strukturen 164, eine der mikrofluidischen Strukturen 108 einer fluidischen Verbindungsleitung (beispielsweise eine Nut) in der Rotorkomponente 114, eine andere der mikrofluidischen Strukturen 108, eine andere der mikrofluidischen Strukturen 164 und eine andere der mikrofluidischen Strukturen 166 ausbilden.
[0081] Wie in Figur 2, Figur 3 und Figur 4 gezeigt, kann das keramische Element 106 als gestufte Scheibe mit einem radial erweiterten unteren Scheibenabschnitt und einem darüber angebrachten radial verkleinerten bzw. eingeschnürten oberen Scheibenabschnitt ausgebildet sein. Genauer gesagt kann, wie am besten in Figur 3 und Figur 4 zu erkennen ist, das unmetallische Element 106 einen in Umfangsrichtung vierfach (oder an mehr oder weniger Stellen) unterbrochenen Kragen 124 aufweisen. Zwischen jeweils benachbarten Abschnitten des Kragens 124 befindet sich ein jeweiliger Spalt 168. Unterschiedliche Spalte 168 können unterschiedliche Größen haben, um eine korrekte Montage des Elements 106 an den Metallschichtstrukturen 104 sicherzustellen. Durch die tangential alternierende Anordnung von Kragenabschnitten und dazwischen angeordneten Spalten 168 kann eine korrekte Positionierung zwischen Element 106 und den Metallschichtstrukturen 104 sichergestellt werden. Die Spalte 168 dienen auch zur Kompensation von thermisch bedingtem Schrumpfen beim Verbinden bzw. Bonden des Elements 106 und/oder der Metallschichtstrukturen 104 miteinander. Bezugszeichen 188 bezeichnet einen Wärmeschrumpf-Kompensationsbereich, und Bezugszeichen 190 bezeichnet eine konstante Spalte während eines Bondlaufs.
[0082] Der sich umfänglich erstreckende und mehrfach unterbrochene Kragen 124 hat an vier (oder mehr oder weniger) Abschnitten einen in Richtung der im montierten Zustand freigelegten Funktionsfläche 120 des Elements 106 weisenden und im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrfach unterbrochenen Kompressionsring 126, der gemäß Figur 3 und Figur 4 in Form von vier (oder mehr oder weniger) stegartigen Überständen ausgebildet ist. Der Kompressionsring 126 dient dazu, das Element 106 beim Bonden zuverlässig in den Schichtkörper 102 einzuschließen. Anschaulich können die nach oben weisenden Überstände des Kompressionsrings 126 dornartig in die darüber angeordnete Metallschichtstruktur 104 eindringen, wenn die Bestandteile des Bauteils 100 miteinander verbunden (insbesondere verpresst) werden.
[0083] Die sich unterseitig an das Element 106 anschließende, gemäß Figur 2 drittoberste Metallschichtstruktur 104 weist an ihrer Oberseite Ausgleichsaussparungen 128 zum Ausgleichen thermischer Expansionsphänomene beim Bonden auf. Das Keramikmaterial des Elements 106 einerseits und das metallische Material der Metallschichtstrukturen 104 andererseits haben unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten. Während des thermischen Bondens kann es daher im Inneren des Bauteils 100, insbesondere im Grenzbereich zwischen Element 106 und Schichtkörper 102, zu thermischen Spannungen kommen, die auch zu Beschädigungen und Ausrichtungsproblemen zwischen den mikrofluidischen Strukturen 108, 164, 166 führen können. Um solche unerwünschten Phänomene zu vermeiden, können die Ausgleichsaussparungen 128 an einer Materialschnittstelle zwischen Element 106 und Schichtkörper 102 zum Aufnehmen von überschüssigem Material während der thermischen Ausdehnung beim Herstellen des Bauteils 100 ausgebildet werden. Es ist insbesondere vorteilhaft, die Ausgleichsaussparungen 128 angrenzend an eine Fluidschnittstelle zwischen den mikrofluidischen Strukturen 108 und 164 vorzusehen, um die dortige fluidische Kopplung ungeachtet der thermischen Ausdehnung sicherzustellen.
[0084] Figur 2 bis Figur 4 zeigen also ein Bauteil 100, das in einem Fluidventil 110 als Statorkomponente 112 eingesetzt werden kann und die als Metal-Micro- Fluidic (MMF)-Struktur ausgebildet ist. Der aus laminierten Metallfolien gebildete Schichtkörper 102 kann mit verbesserter Verschleißfestigkeit realisiert werden, indem ein mechanisch besonders belasteter Bereich (siehe Funktionsfläche 120) mit den als Kanälen ausgebildeten mikrofluidischen Strukturen 108 als Keramik- Inlay ausgeführt ist. Das Hybrid-Bauteil 100 aus laminierten Metallschichten und Keramik-Inlay weist insbesondere folgende vorteilhafte Charakteristika auf:
[0085] Als Material für das unmetallische Element 106 kann eine Keramik mit einer Zusammensetzung verwendet werden, die ihre Eigenschaften durch den Bondvorgang zum Verbinden mit der Schichtstruktur 102 aus Metall nicht verliert. Geeignete keramische Materialien sind beispielsweise Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid.
[0086] Das Keramik-Inlay in Form des unmetallischen Elements 106 ist gemäß Figur 2 bis Figur 4 als runde Scheibe mit einer fertig polierten Funktionsfläche 120 ausgeführt, aus welchen die Kanäle in Form der mikrofluidischen Strukturen 108 austreten und daher zur fluidischen Verbindung zugänglich sind. Ein Poliervorgang nach erfolgtem Bonden ist dadurch mit Vorteil vermieden, wodurch ein unerwünschter Schmutzeintrag in die MMF-Struktur des Schichtkörpers 102 entbehrlich ist. Insbesondere sind dann auch die mikrofluidischen Kanäle 108 vor einem solchen Schmutzeintrag nach dem Bonden wirkungsvoll geschützt.
[0087] Das Keramik- Material des Elements 106 einerseits und das metallische Material des Schichtkörpers 102 andererseits haben unterschiedliche Wärmeausdehnungen, die vorteilhaft durch konstruktive Maßnahmen aufgefangen werden können, um das Keramik-Inlay in Form des Elements 106 während des Bondvorganges präzise platziert zu halten. Das Element 106 weist zu diesem Zweck vier keilartige Nuten auf. Über die Flanken der zugehörigen Keile findet die Positionierung zwischen dem Element 106 und den Metallschichtenstrukturen 104 statt. Der Keilwinkel kann mit Vorteil so ausgelegt werden, dass sich Spaltmaße bei unterschiedlicher Wärmedehnung gar nicht oder nur möglichst geringfügig ändern.
[0088] Eine Bondverbindung zwischen der Keramik des Elements 106 einerseits und dem Metall des Schichtkörpers 102 andererseits ist aufgrund unterschiedlicher Elastizitäten und Steifigkeiten empfindlich gegen impulsartige Belastungen. Um eine Beschädigung oder sogar Zerstörung der Verbindung zwischen Element 106 und Schichtkörper 102 bei starken Stößen oder sonstigen mechanischen Einwirkungen im Betrieb zu verhindern, kann das Element 106 vorteilhaft durch einen umlaufenden Kragen 124 in der Bondstruktur der umgebenden Metallschichtenstrukturen 104 eingeschlossen werden. Um diese Verbindung formschlüssig auszubilden, kann dieser umlaufende Kragen 124 bevorzugt einen Kompressionsring 126 aufweisen, der beim Bonden durch die gemäß Figur 2 oberste bzw. äußerste Metallschichtstruktur 104 zuverlässig eingeschlossen werden kann. [0089] Darüber hinaus kann das Keramik-Teil in Form des Elements 106 minimal dicker toleriert werden als die Metallfolien, die den beiden obersten Metallschichtstrukturen 104 gemäß Figur 2 entsprechen. Dadurch kann vorteilhaft ein sicheres Verpressen gewährleistet werden. Um Toleranzen aufzufangen, können in einer als Dichtschicht zu bezeichnenden mittleren Metallschichtstruktur 104 gemäß Figur 2 direkt unterhalb des Keramik-Inlays Reservoir-Flohlräume in Form der Ausgleichsaussparungen 128 gebildet werden. In diese hinein kann beim Bondvorgang Material aus dieser Metallschichtstruktur 104 verdrängt werden, um thermische Spannungen und Positionierfehler zu vermeiden.
[0090] Entsprechend ihrer Funktionen können die Metallschichtstrukturen 104 gemäß Figur 2 von oben nach unten als oberste Schicht, Abstandshalterschicht, Dichtschicht, Kanalschicht und unterste Schicht bezeichnet werden.
[0091] Figur 5 zeigt eine Draufsicht einer real hergestellten Statorkomponente 112 für ein Fluidventil 110 als mikrofluidisches Bauteil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Figur 5 zeigt das Ergebnis eines Bondens eines Keramik-Inlays als unmetallisches Element 106 in eine MMF- Struktur, die einen metallischen Schichtkörper 102 bildet.
[0092] Figur 6 zeigt eine Fluidverarbeitungsvorrichtung 161 mit einem Fluidventil 110 als Bauteil 100 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0093] Eine Nadel 142 ist in einem Sitz 144 angeordnet und kann aus diesem herausgefahren werden (nicht gezeigt), um fluidische Probe aus einem Probenbehälter (nicht gezeigt) einzuziehen und nach Zurückfahren in den Sitz 144 über das Fluidventil 110 in einen fluidischen Pfad zwischen einem Fluidantrieb 20 und einer Probentrenneinrichtung 30 zu injizieren. Beim Einziehen der Probe durch die Nadel 142 kann die Probe zeitweise in einem Zwischenspeichervolumen 147, einer sogenannten Sample Loop, zwischengespeichert werden. Das Einziehen der Probe kann durch eine Dosierpumpe 149 bewerkstelligt werden. Ein Kolben derselben kann zum Einziehen in einer Kolbenkammer zurückfahren und zum Injizieren nach vorne fahren. Ferner sind in Figur 5 ein Waste 165, eine fluidische Leitung 167, Rückschlagventile 169 und ein Flüssigkeitsbehälter 171 gezeigt. Um die Fluidverarbeitungsvorrichtung 161 zu betreiben, ist das Fluidventil 110 mit Nuten 162 und Ports 141 als Fluidanschlüsse versehen, die in der Rotoreinrichtung 114 bzw. der Statoreinrichtung 112 in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sein können.
[0094] Eine Statorkomponente 112 des Fluidventils 110 gemäß Figur 6 kann beispielsweise entsprechend Figur 2 bis Figur 5 ausgebildet sein.
[0095] Figur 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer Probentrenneinrichtung 30 als mikrofluidisches Bauteil 100 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
[0096] Das Bauteil 100 gemäß Figur 7 unterscheidet sich von dem Bauteil 100 gemäß Figur 2 im Wesentlichen dadurch, dass gemäß Figur 7 alle mikrofluidischen Strukturen 108 des Elements 106 dauerhaft mit den mikrofluidischen Strukturen 164 und 166 gekoppelt sind. Ferner sind gemäß Figur 7 die mikrofluidischen Strukturen 164, 166 mit einer stationären Phase 195 der Probentrenneinrichtung 30 gefüllt, beispielsweise mit Beads eines Packmaterials der Trennsäule, an denen die eigentliche Trennung der fluidischen Probe stattfindet. Somit ist das Element 106 gemäß Figur 7 als flüssigkeitsdurchlässiger Stöpsel oder Sieb bzw. als Endstück ausgebildet, das Flüssigkeit durch die mikrofluidischen Strukturen 108 hindurchfließen lässt, jedoch für die Partikel der stationären Phase 195 undurchlässig ist. Somit hindert das keramische Element 106 die stationäre Phase 195 vor einem unerwünschten Verlassen der Probentrenneinrichtung 30, zum Beispiel beim Auftreten von Druckstößen beim Schalten oder durch mechanische Beanspruchung oder dergleichen.
[0097] Alternativ zu einer Ausgestaltung des Bauteils 100 gemäß Figur 7 als Probentrenneinrichtung 30, also als Chromatografie-Trennsäule, kann das Bauteil gemäß Figur 7 zum Beispiel auch als Trapsäule verwendet werden, die nicht zum Probentrennen dient, sondern zum Anreichern einer fluidischen Probe.
[0098] Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Mikrofluidisches Bauteil (100) für ein Probentrenngerät (10), wobei das mikrofluidische Bauteil (100) aufweist: einen Schichtkörper (102) mit mehreren miteinander verbundenen Metallschichtstrukturen (104); und ein Element (106), das aus einem anderen Material hergestellt ist als die Metallschichtstrukturen (104), mindestens eine mikrofluidische Struktur (108) aufweist und mit dem Schichtkörper (102) gebondet ist.
2. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß Anspruch 1 , ausgebildet als Fluidventil (110) oder Komponente (112, 114) eines Fluidventils (110), insbesondere als Statorkomponente (112) oder Rotorkomponente (114) eines Fluidventils (110).
3. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, ausgebildet als eines aus einer Gruppe, die besteht aus einer Probentrenneinrichtung (30) oder einem Teil einer Probentrenneinrichtung (30), einer Probenanreicherungseinrichtung oder einem Teil einer Probenanreicherungseinrichtung, einem Wärmetauscher und einem Mischer.
4. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Element (106) in den Schichtkörper (102) eingebettet ist.
5. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß Anspruch 4, wobei das Element (106) mit einem Hinterschnitt (118), insbesondere formschlüssig, in den Schichtkörper (102) eingebettet ist.
6. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei das Element (106) so in den Schichtkörper (102) eingebettet ist, dass eine Funktionsfläche (120) des Elements (106) freigelegt ist.
7. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß Anspruch 6, wobei die Funktionsfläche (120) des Elements (106) mit einer Außenfläche (122) des Schichtkörpers (102) fluchtet.
8. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei an der freigelegten Funktionsfläche (120) des Elements (106) die mindestens eine mikrofluidische Struktur (108) nach außen hin zugänglich ist.
9. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens eine der Metallschichtstrukturen (104) des Schichtkörpers (102) mindestens eine weitere mikrofluidische Struktur (164, 166) aufweist.
10. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß Anspruch 9, wobei die mindestens eine mikrofluidische Struktur (108) des Elements (106) mit der mindestens einen weiteren mikrofluidischen Struktur (164, 166) des Schichtkörpers (102) fluidisch gekoppelt ist.
11. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Element (106) eine Scheibe, insbesondere eine gestufte Scheibe, ist.
12. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei eine freigelegte Funktionsfläche (120) des Elements (106) eine geringere Rauheit Ra aufweist als eine andere Außenfläche des Elements (106).
13. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Element (106) einen in Umfangsrichtung unterbrochenen, insbesondere mehrfach unterbrochenen, Kragen (124) aufweist.
14. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Element (106) einen umfänglichen Kragen (124) aufweist, der zumindest abschnittsweise einen in Richtung einer freigelegten Funktionsfläche (120) des Elements (106) weisenden Kompressionsring (126) aufweist.
15. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei sich das Element (106) über zumindest zwei Metallschichtstrukturen (104) in dem Schichtkörper (102) erstreckt.
16. Mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: wobei eine sich unterseitig an das Element (106) anschließende Metallschichtstruktur (104) mindestens eine Ausgleichsaussparung (128) zum Ausgleichen thermischer Expansionsphänomene beim Bonden aufweist; wobei die Metallschichtstrukturen (104) aus Edelstahl ausgebildet sind; wobei das Element (106) ein unmetallisches Element (106) ist, insbesondere Keramik aufweist oder daraus besteht, wobei insbesondere die Keramik Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumoxid aufweist oder daraus besteht; wobei ein Innendurchmesser (d) der mindestens einen mikrofluidischen Struktur (108) in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, ist; wobei die mindestens eine mikrofluidische Struktur (108) mindestens eines aus einer Gruppe aufweist, die besteht aus einem vollumfänglich begrenzten mikrofluidischen Kanal und einer mikrofluidischen Nut.
17. Probentrenngerät (10) zum T rennen einer fluidischen Probe, wobei das Probentrenngerät (10) aufweist: einen Fluidantrieb (20) zum Antreiben einer mobilen Phase und der darin befindlichen fluidischen Probe; eine Probentrenneinrichtung (30) zum Trennen der fluidischen Probe in der mobilen Phase; und ein mikrofluidisches Bauteil (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die fluidische Probe und/oder die mobile Phase beim Trennen durch die mindestens eine mikrofluidische Struktur (108) zu fördern ist.
18. Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 17, ferner aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: die Probentrenneinrichtung (30) ist als chromatographische Trenneinrichtung, insbesondere als Chromatographietrennsäule, ausgebildet; das Probentrenngerät (10) ist zum Analysieren von zumindest einem physikalischen, chemischen und/oder biologischen Parameter von zumindest einer Fraktion der fluidischen Probe konfiguriert; das Probentrenngerät (10) weist zumindest eines aus einer Gruppe auf, die besteht aus einem Gerät zur chemischen, biologischen und/oder pharmazeutischen Analyse, einem Chromatografiegerät, insbesondere einem Flüssigkeitschromatografiegerät, einem Gaschromatografiegerät, einem Gerät für superkritische Flüssigchromatografie, einem FIPLC-Gerät und einem UFIPLC-Gerät, und einem Elektrophoresegerät, insbesondere einem Gelelektrophoresegerät; der Fluidantrieb (20) ist zum Antreiben der mobilen Phase mit einem hohen Druck konfiguriert; der Fluidantrieb (20) ist zum Antreiben der mobilen Phase mit einem Druck von mindestens 100 bar, insbesondere von mindestens 500 bar, weiter insbesondere von mindestens 1000 bar, konfiguriert; das Probentrenngerät (10) ist als mikrofluidisches Gerät konfiguriert; das Probentrenngerät (10) ist als nanofluidisches Gerät konfiguriert; das Probentrenngerät (10) weist eine Probenaufgabeeinheit (40) zum Einleiten der fluidischen Probe in einen fluidischen Pfad zwischen dem Fluidantrieb (20) und der Probentrenneinrichtung (30) auf; das Probentrenngerät (10) weist einen Detektor (50), insbesondere einen Fluoreszenzdetektor oder UV-Absorptionsdetektor, zum Detektieren der getrennten fluidischen Probe auf; das Probentrenngerät (10) weist einen Probenfraktionierer (60) zum Fraktionieren der getrennten fluidischen Probe auf.
19. Verfahren zum Fierstellen eines mikrofluidischen Bauteils (100) für ein Probentrenngerät (10), wobei das Verfahren aufweist:
Verbinden von mehreren Metallschichtstrukturen (104) zum Bilden eines Schichtkörpers (102); und
Bonden eines Elements (106), das aus einem anderen Material hergestellt ist als die Metallschichtstrukturen (104) und mit mindestens einer mikrofluidischen Struktur (108) gebildet wird, mit dem Schichtkörper (102).
20. Verfahren gemäß Anspruch 19, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: wobei das Verfahren ein Verbinden der mehreren Metallschichtstrukturen (104) mittels Wärmezufuhr und/oder Druckbeaufschlagung aufweist; wobei das Verfahren vor dem Bonden ein selektives Polieren einer nach dem Bonden freigelegten Funktionsfläche des Elements (106) aufweist; wobei bei dem Verfahren das Bonden und das Verbinden simultan durchgeführt werden.
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