DE19652823A1 - Three dimension micro-system spacers - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft dreidimensionale Mikrosysteme mit einer Vielzahl von Strukturelementen, die durch Abstandshalter mittel voneinander getrennt angeordnet sind, sowie Verfahren zur Herstellung und Verwendungen derartiger Mikrosysteme.The invention relates to three-dimensional microsystems a variety of structural elements by spacers are arranged separately from each other, and methods for the production and use of such microsystems.
Die dreidimensionalen Mikrosysteme bestehen aus mindestens zwei, im wesentlichen planaren Strukturelementen, die mit ihren strukturierten Oberflächen zueinander weisend benachbart angeordnet sind. Die Strukturelemente sind durch Abstands halter (sogenannte "Spacer") voneinander beabstandet. Dabei hat ein Spacer die Aufgabe, den optimalen Abstand zwischen den zusammenwirkenden Oberflächen der Strukturelemente herzu stellen, ggf. selbst strukturbildend mit den Oberflächen zusammenzuwirken und eine Abdichtung gegenüber der Umgebung des Mikrosystems bereitzustellen. Die letztgenannte Aufgabe ist insbesondere bei Anwendungen unter Einsatz von Flüssig keiten im Mikrosystem, z. B. für biotechnologische Anwendungen, von Bedeutung.The three-dimensional microsystems consist of at least two, essentially planar structural elements, with adjacent to each other with their structured surfaces are arranged. The structural elements are by distance holder (so-called "spacer") spaced apart. Here a spacer has the task of finding the optimal distance between the interacting surfaces of the structural elements provide, if necessary self-structuring with the surfaces interact and seal against the environment to provide the microsystem. The latter task is particularly suitable for applications using liquid in the microsystem, e.g. B. for biotechnological applications, significant.
Es ist bekannt, zum dreidimensionalen Zusammensetzen (soge nanntes "Assembling") von Mikrostrukturen planar aufgebrachte Spacer aus Kunststoffen (z. B. Polyimid), Metallspacer oder an den Strukturelementen ausgebildete Abstandsstrukturen zu verwenden (s. H. Reichl: "Mikromechanik und Chipverbindungs technik" in "Mikromechanik", Herausgeber: A. Heuberger, Springer-Verlag (1989)). Die bekannten Spacer besitzen jedoch Nachteile in Bezug auf die Genauigkeit des Zusammensetzens der Strukturelemente und in Bezug auf die Abdichtung gegenüber der Umgebung. It is known to use spacers made of plastics (e.g. polyimide), metal spacers or spacer structures formed on the structural elements to planarly assemble microstructures (so-called "assembling") of microstructures (see H. Reichl: "Micromechanics and chip connection technology "in" Micromechanics ", publisher: A. Heuberger, Springer-Verlag ( 1989 )). However, the known spacers have disadvantages with regard to the accuracy of the assembly of the structural elements and with regard to the sealing off from the environment.
Für die Manipulation, Vermessung und Kultivierung von biolo gischen Zellen werden in jüngster Zeit Mikrosysteme einer Gesamtgröße von einigen Zentimetern mit Mikrostrukturen typischer Abmessungen im nm- bis µm-Bereich verwendet. Da medizinisch und biotechnologisch relevante Zellen und Mikro teilchen (wie z. B. Viren) im Größenbereich von 10 nm bis 100 µm liegen, müssen die Strukturelemente mit den zueinander weisenden mikrostrukturierten Oberflächen mit einer Genauig keit im selben Größenbereich, jedoch mit einem Abstand zusammengefügt werden, der größer als der Zellen- bzw. Teilchendurchmesser ist. Dieser Abstand beträgt meistens einige µm bis einige 100 µm.For the manipulation, measurement and cultivation of biolo cells have recently become a microsystem Overall size of a few centimeters with microstructures typical dimensions in the nm to µm range used. There medically and biotechnologically relevant cells and micro particles (such as viruses) in the size range from 10 nm to 100 µm, the structural elements must match each other pointing microstructured surfaces with an accuracy speed in the same size range, but at a distance which are larger than the cell or Is particle diameter. This distance is usually a few µm to a few 100 µm.
Die Spacer besitzen insbesondere die Funktion, Teilchen im Mikrosystem in geeigneter Weise in Bezug auf die mikrostruk turierten Oberflächen zu führen. Hierzu sind die Spacer selbst mit einer Strukturierung versehen, durch die z. B. Kanalsysteme gebildet werden. Bekannte Verfahren zur Bildung von Kanälen im Spacer sind das anisotrope Ätzen von Silizium oder die soge nannte LIGA-Technik (s. W. Menz et al. "Mikrosystemtechnik für Ingenieure", VCH-Verlag (1993)). Bei beiden Verfahrensweisen ist jedoch das definierte Aneinanderfügen von zweiseitig strukturierten Oberflächen (z. B. mit Mikroelektroden) proble matisch. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus dem ins besondere bei biotechnologischen Anwendungen zwingend not wendigen Einsatz von Flüssigkeiten. Aus der Halbleitertech nologie bekannte Spacermaterialien sind für flüssigkeitsfreie Anwendungen konzipiert und neigen dazu, in wäßrigen Lösungen unkontrolliert zu quellen. Metallische Spacer können zur Bildung elektrolytischer Zellen und damit zum Auflösen von Mikrostrukturen führen.The spacers in particular have the function of guiding particles in the microsystem in a suitable manner with respect to the microstructured surfaces. For this purpose, the spacers themselves are provided with a structure through which, for. B. channel systems are formed. Known methods for forming channels in the spacer are the anisotropic etching of silicon or the so-called LIGA technology (see W. Menz et al. "Microsystem technology for engineers", VCH-Verlag ( 1993 )). In both procedures, however, the defined joining of two-sided structured surfaces (e.g. with microelectrodes) is problematic. Another disadvantage arises from the mandatory use of liquids, particularly in biotechnological applications. Spacer materials known from semiconductor technology are designed for liquid-free applications and tend to swell uncontrollably in aqueous solutions. Metallic spacers can lead to the formation of electrolytic cells and thus to the dissolution of microstructures.
Es ist ferner bekannt, die Strukturelemente und Spacer unter Einsatz von Klebemitteln zusammenzusetzen. Dies führt zu einem äußerst hohen Justieraufwand und zu einer hohen Fehlerquote (falsch gefügte Systeme z. B. mit zugelaufenen Kanälen). Für biotechnologische Anwendungen sind diese Techniken nur beschränkt einsetzbar.It is also known to include the structural elements and spacers Assemble the use of adhesives. This leads to one extremely high adjustment effort and a high error rate (incorrectly assembled systems, e.g. with closed channels). For These techniques are only biotechnological applications limited use.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Spacer mit Mikrokanälen besteht in deren Neigung zu Oberflächenkontaminationen und Verstopfungen. Dies ist insbesondere bei biotechnologischen Anwendungen von Bedeutung, wo Teilchen mit einer breiten Größenverteilung oder adhärierende Zellen verwendet werden.Another disadvantage of conventional spacers with microchannels consists in their tendency to surface contamination and Constipation. This is especially true with biotechnological Applications of importance where particles with a wide Size distribution or adherent cells can be used.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Spacer besteht darin, daß zusammengesetzte Mikrosysteme nicht zerstörungsfrei demontier bar sind. Eine Öffnung, Reinigung und erneute Zusammensetzung von Mikrostrukturen ist daher bislang erschwert.Another disadvantage of conventional spacers is that Do not disassemble assembled microsystems without destroying them are cash. An opening, cleaning and reassembly microstructures has therefore been difficult to date.
Aufgabe der Erfindung ist es, verbesserte dreidimensionale Mikrosysteme bereitzustellen, die mit hoher Genauigkeit zusammensetzbar sind. Aufgabe der Erfindung ist ferner, ein verbessertes Verfahren zur Zusammensetzung (Assembling) von Strukturelementen eines Mikrosystems anzugeben.The object of the invention is to improve three-dimensional To provide microsystems with high accuracy can be put together. The object of the invention is also a improved method of assembling Specify structural elements of a microsystem.
Diese Aufgaben werden durch ein Mikrosystem bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 5 gelöst. Vor teilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These tasks are performed using a microsystem or a process with the features of claims 1 and 5 solved. Before partial embodiments result from the dependent Claims.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, bei einem Mikrosystem mit einer Vielzahl von durch Abstandshaltermittel getrennten Strukturelementen die Abstandshaltermittel unter Verwendung eines bei Kompression fließfähigen Materials zu bilden. Das Material enthält vorzugsweise Polytetrafluorethylen (PFTE, Teflon (reg. Marke)). Es sind aber auch Tetrafluorethylen- Copolymere, insbesondere Thermoplaste vom Teflon-FEP-Typ oder Perfluor-Alkoxy-Polymere (Copolymerisation von TFE und Per fluoralkoxyvinylethern) einsetzbar. Die Strukturelemente eines dreidimensionalen Mikrosystems sind vorzugsweise im wesent lichen planar ausgebildet, wobei zwischen den zueinander weisenden Oberflächen der Strukturelemente eine strukturierte Folie aus PTFE oder einem der o.a. Materialien vorgesehen ist. Die Strukturierung der PTFE-Folie umfaßt vorzugsweise Durch brüche (Ausnehmungen) mit charakteristischen Dimensionen im µm- bis mm-Bereich in der Folienebene. Die Durchbrüche bilden im zusammengesetzten Mikrosystem in Zusammenwirkung mit den strukturierten Oberflächen der angrenzenden Strukturelemente Hohlräume und Kanäle. Die Dicke der PTFE-Folie ist in geeig neter Weise an das jeweils realisierte Mikrosystem angepaßt. Sie liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 µm bis einige Hundert µm.The invention is based on the idea of a microsystem with a variety of separated by spacer means Structural elements using the spacer means to form a flowable material when compressed. The Material preferably contains polytetrafluoroethylene (PFTE, Teflon (registered brand)). But there are also tetrafluoroethylene Copolymers, in particular thermoplastics of the Teflon-FEP type or Perfluoro-alkoxy polymers (copolymerization of TFE and Per fluoroalkoxy vinyl ethers) can be used. The structural elements of a three-dimensional microsystems are preferably essentially Lichen planar, being between each other the textured surfaces of the structural elements PTFE film or one of the above Materials is provided. The structuring of the PTFE film preferably comprises through breaks (recesses) with characteristic dimensions in the µm to mm range in the film plane. Form the breakthroughs in the composite microsystem in cooperation with the structured surfaces of the adjacent structural elements Cavities and channels. The thickness of the PTFE film is suitable neter adapted to the microsystem implemented in each case. It is preferably in a range from 1 μm to a few Hundred µm.
Im zusammengesetzten Zustand werden die Strukturelemente mit den Abstandshaltermitteln vorzugsweise durch Fixierelemente verbunden. Mit den Fixierelementen werden die Strukturelemente so zusammengedrückt, daß die Abstandshaltermittel (PTFE- Folie) eine Flüssigkeitsdichtung gegenüber der Umgebung des Mikrosystems darstellt. Die Fixierelemente sind ferner für eine demontierbare Zusammensetzung des Mikrosystems aus gelegt.In the assembled state, the structural elements are included the spacer means preferably by means of fixing elements connected. The structural elements become with the fixing elements so compressed that the spacer means (PTFE Foil) a liquid seal against the environment of the Represents microsystems. The fixing elements are also for a removable composition of the microsystem placed.
Im einfachsten Fall besteht das Mikrosystem aus zwei chip artigen Elementen, die mit ihren strukturierten Oberflächen durch Abstandshaltermittel getrennt aneinandergrenzen. Die Elemente können halbleitertechnologisch hergestellte bzw. bearbeitete Chips oder anders geformte Mikrostrukturen sein. Komplexe Systeme bestehen aus Stapeln von Strukturelementen, die jeweils durch Abstandshaltermittel getrennt sind.In the simplest case, the microsystem consists of two chips like elements with their structured surfaces adjoin each other separately by spacer means. The Elements can be manufactured or machined chips or other shaped microstructures. Complex systems consist of stacks of structural elements, each separated by spacer means.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrosystems werden zwei Strukturelemente, die zueinander benachbart angeordnet werden sollen, in einer Justiervor richtung ausgerichtet angeordnet und zwischen die Struktur elemente ein Abstandshaltermittel, das PTFE enthält, ein gefügt. Nach Ausrichtung der Relativpositionen werden die Strukturelemente zusammengedrückt und in dieser Lage durch Fixierelemente oder Klebemittel (an unkritischen Stellen, z. B. am Chiprand) fixiert. Der Anpreßdruck zwischen den Struktur elementen wird so ausgewählt, daß ein flüssigkeitsdichter Verschluß gegenüber der Umgebung gebildet wird. Der Anpreß druck kann ferner für Justierzwecke verändert werden, da sich die PTFE-Dicke in bestimmten Bereichen beeinflussen läßt. So kann bei Einsatz einer PTFE-Folie eine Dickenänderung von rund 1/10 der Foliendicke erzielt werden.In a method for producing an inventive Microsystems are two structural elements that are related to each other are to be arranged adjacent, in a Justiervor aligned in the direction and between the structure a spacer agent containing PTFE added. After aligning the relative positions, the Structural elements pressed together and in this position Fixing elements or adhesives (at non-critical points, e.g. fixed at the edge of the chip). The contact pressure between the structure elements is selected so that a liquid-tight Closure to the environment is formed. The contact pressure can also be changed for adjustment purposes because can influence the PTFE thickness in certain areas. So If a PTFE film is used, a change in thickness of around 1/10 of the film thickness can be achieved.
Das vor der Fixierung zwischen die Strukturelemente eingefügte Abstandshaltermittel kann bereits strukturiert sein. Es ist auch möglich, daß das Abstandshaltermittel (z. B. in Form einer PTFE-Folie) erst nach Einführung zwischen die Struktur elemente strukturiert wird. Dies kann mit mikromechanischen Mitteln oder mittels Laser-Ablation mit hoher Genauigkeit im Mikrometerbereich erfolgen.The one inserted between the structural elements before the fixation Spacer means can already be structured. It is also possible that the spacer means (z. B. in the form of a PTFE film) only after insertion between the structure elements is structured. This can be done with micromechanical Medium or by means of laser ablation with high accuracy in Micrometer range.
Die Verwendung von PTFE-Spacern als Abstandshaltermittel in Mikrosystemen besitzen die folgenden Vorteile.The use of PTFE spacers as a spacer in Microsystems have the following advantages.
Das Mikrosystem ist mit hoher Genauigkeit zusammensetzbar. Die Zusammensetzung erfolgt reversibel, d. h. es ist eine zerstörungsfreie Demontage und Reinigung möglich. Der Spacer läßt sich von den Strukturelementen unabhängig strukturieren. Es besteht eine hohe Beständigkeit gegenüber wäßrigen Lösungen (Verwendung wasserabweisenden Materials), insbeson dere Elektrolytlösungen, und eine gute Verträglichkeit mit biologischen Objekten (Biokompatibilität).The microsystem can be assembled with high accuracy. The Composition is reversible, i. H. it is one non-destructive disassembly and cleaning possible. The spacer can be structured independently of the structural elements. There is a high resistance to aqueous Solutions (use of water-repellent material), in particular other electrolyte solutions, and good compatibility with biological objects (biocompatibility).
Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are set out below Described with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Mikrosystems; und Fig. 1 is a schematic exploded view of a microsystem according to the invention; and
Fig. 2 ein Mikrosystem gemäß Fig. 1 im zusammengesetzten Zustand. FIG. 2 shows a microsystem according to FIG. 1 in the assembled state.
Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Mikrosystem zwei Strukturelemente 12a, 12b. Die Strukturelemente können z. B. durch halbleitertechno logisch strukturierte Chips gebildet werden, deren struktu rierte Oberflächen zueinanderweisen. Zwischen den Chips ist eine strukturierte PTFE-Folie 11 angeordnet, deren Dicke geringfügig größer als der nach Fixierung beabsichtigte Abstand zwischen den Strukturelementen 12a, 12b ist. Die Strukturierung der PTFE-Folie 11 besteht in einer teilweisen Durchbrechung der Folie, durch die unter Zusammenwirkung mit den strukturierten Oberflächen der Strukturelemente 12a, 12b Mikrokanäle, Hohlräume oder andere Durchbrüche gebildet werden. Über geeignet vorgesehene Öffnungen in einem der Strukturelemente können Eingangs- und Ausgangskanäle 13a, 13b mit dem Mikrosystem verbunden werden, durch die eine Flüssig keit (z. B. eine interessierende Partikelsuspension) strömbar ist.Referring to FIG. 1, a micro-system comprises two structural members 12 a, 12 b. The structural elements can e.g. B. are formed by semiconductor technically structured chips, the structured surfaces of which face each other. A structured PTFE film 11 is arranged between the chips, the thickness of which is slightly greater than the distance between the structural elements 12 a, 12 b that is intended after fixing. The structuring of the PTFE film 11 consists in a partial opening of the film, through which micro-channels, cavities or other openings are formed in cooperation with the structured surfaces of the structural elements 12 a, 12 b. Via suitably provided openings in one of the structural elements, input and output channels 13 a, 13 b can be connected to the microsystem, through which a liquid (e.g. a particle suspension of interest) can flow.
Der Aufbau gemäß Fig. 1 ist dahingehend modifizierbar, daß mehr als zwei Strukturelemente sandwichartig übereinander geschichtet und jeweils durch PTFE-Abstandshalter getrennt angeordnet werden.The structure according to FIG. 1 can be modified in such a way that more than two structural elements are sandwiched one above the other and are each arranged separately by PTFE spacers.
In Fig. 2 ist ein Mikrosystem bestehend aus den Struktur elementen 22a, 22b, der PTFE-Folie 21 und den Fixierelementen 24 im zusammengesetzten Zustand dargestellt. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Mikrosystem mit wenigen Fixierelementen 24 zusammengehalten werden kann. Da die Strukturelemente 22a, 22b eine genügende Steifigkeit besitzen, kann mit den Fixierelementen 24 ein genügender Anpreßdruck erzeugt werden. Das zusammengesetzte Mikrosystem läßt sich wiederum mit Eingangs- und Ausgangskanälen 23a, 23b verbinden.In Fig. 2, a microsystem consisting of the structural elements 22 a, 22 b, the PTFE film 21 and the fixing elements 24 is shown in the assembled state. A particular advantage of the invention is that the microsystem can be held together with a few fixing elements 24 . Since the structural elements 22 a, 22 b have sufficient rigidity, a sufficient contact pressure can be generated with the fixing elements 24 . The composite microsystem can in turn be connected to input and output channels 23 a, 23 b.
Zur Demontage eines Mikrosystems genügt es, die Fixierelemente 24 zu lösen oder zu entfernen. Daraufhin lassen sich die Strukturelemente voneinander trennen, wobei sich die PTFE- Folie von den Strukturelementen abziehen läßt. Diese können dann gereinigt oder verändert werden und mit einer neuen PTFE-Folie zu einer regenerierten Struktur zusammengesetzt werden.To remove a microsystem, it is sufficient to loosen or remove the fixing elements 24 . The structural elements can then be separated from one another, the PTFE film being able to be removed from the structural elements. These can then be cleaned or changed and put together with a new PTFE film to form a regenerated structure.
Die Fixierelemente 24 können durch geeignete Verbindungsmittel wie z. B. Schrauben oder Klemmittel gebildet werden. Es ist jedoch auch möglich, anstelle der Fixierelemente 24 eine Klebstoffverbindung zwischen den Strukturelementen 22a, 22b und der PTFE-Folie 21 vorzusehen. Zur Vermeidung von Störungen der Mikrostrukturen in den Strukturelementen und der PTFE- Folie wird die Klebstoffverbindung vorzugsweise wie die Fixierelemente am Chiprand angebracht.The fixing elements 24 can by suitable connecting means such. B. screws or clamping means are formed. However, it is also possible to provide an adhesive connection between the structural elements 22 a, 22 b and the PTFE film 21 instead of the fixing elements 24 . To avoid interference with the microstructures in the structural elements and the PTFE film, the adhesive connection is preferably attached to the edge of the chip like the fixing elements.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird das Abstandshaltermittel zwischen den Strukturelementen durch eine strukturierte PTFE-Folie gebildet. Es ist jedoch auch möglich, als Abstandshaltermittel einen Schichtaufbau vorzusehen, der als unterste bzw. oberste Schichten PTFE und im übrigen andere Materialien enthält.According to the embodiment, the spacer means between the structural elements by a structured PTFE film formed. However, it is also possible as Spacer means to provide a layer structure that as bottom or top layers of PTFE and the rest of the others Contains materials.
Erfindungsgemäße Mikrosysteme können insbesondere bei bio technologischen Anwendungen zur Vermessung, Manipulation, Aufkonzentrierung, Aggregatbildung oder Immobilisierung von Zellen, Viren, Makromolekülen, Mikroteilchen oder anderen flüssigen oder festen Körpern einer Größe von 1 nm bis 500 µm verwendet werden.Microsystems according to the invention can be used especially in bio technological applications for measurement, manipulation, Concentration, aggregation or immobilization of Cells, viruses, macromolecules, microparticles or others liquid or solid bodies with a size of 1 nm to 500 µm can be used.
Claims (11)
- - Positionierung einer Folie aus einem bei Kompression fließ fähigem Material, die das Abstandshaltermittel bildet, zwischen den ausgerichteten Strukturelementen;
- - Zusammendrücken der Strukturelemente, so daß ein Schichtauf bau mit der Folie gebildet wird; und
- - Fixierung des zusammengesetzten Zustands durch Anbringung von Fixierelementen.
- - Positioning a film of a material flowable under compression, which forms the spacer means, between the aligned structural elements;
- - Compressing the structural elements so that a layer structure is formed with the film; and
- - Fixing the assembled state by attaching fixing elements.
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