DE69906772T2

DE69906772T2 - Verfahren zur Herstellung integrierter Vielschichtmikrofluidbauteile

Info

Publication number: DE69906772T2
Application number: DE69906772T
Authority: DE
Inventors: W. Jeremy BURDON; Rong-Fong Huang; David Wilcox; J. Nicholas NACLERIO; Ann Cynthia BRISCOE; Piotr Grodzinski; Huinan Yu; Robert Marrero; Ross Sean GALLAGHER; Yuk-Tong Chan; Barenburg Barbara FOLEY; Xunhu Dai
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: US6527890B1; ATE236719T1; US20030129646A1; US6572830B1; AU6418499A; ES2197681T3; WO2000021659A1; CA2346059A1; EP1123157B1; US20030118481A1; JP2002527254A; EP1123157A1; US6732567B2; WO2000021659A9; US6984516B2; US6544734B1; DE69906772D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Mikrofluidik-Vorrichtungen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung, die aus Schichten aus grünem Bahnmaterial besteht und Komponenten aufweist, die gemeinsam mit den Schichten aus grünem Bahnmaterial gebrannt und gesintert werden, um eine einstückige und monolithische Struktur zu bilden. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung solcher Vorrichtungen.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Mikrofluidik-Vorrichtungen kommen für zahlreiche chemische und biologische Anwendungen in Frage. Insbesondere können Mikrofluidik-Vorrichtungen dazu dienen, Chemikalien und biologische Materialien im flüssigen Zustand zu vermischen, umzusetzen, zu dosieren, zu analysieren und nachzuweisen. Es können zahlreiche Synthese- und Analysen-Verfahren, die üblicherweise große, sperrige und komplizierte Vorrichtungen erfordern, zu Mikrofluidik-Vorrichtungen miniaturisiert werden.
Mikrofluidik-Vorrichtungen werden am häufigsten aus Silicium-, Glas- oder Kunststoffsubstraten gebildet. Jedes dieser Materialien ist jedoch mit bestimmten Nachteilen verbunden, die seine Nützlichkeit einschränken. Kanäle und verschiedene andere Mikrofluidikstrukturen können in Silicium geätzt werden, doch diese Ätzprozesse können typischerweise die komplexen dreidimensionalen und eingebetteten Strukturen, die in Mikrofluidik-Vorrichtungen oft wünschenswert sind, nicht ausbilden. Silicium ist als Material mit zahlreichen, biologische Materialien enthaltenden Flüssigkeiten nicht verträglich. Typischerweise wird dieses Problem durch den zusätzlichen Schritt des Aufbringens einer Spezialbeschichtung auf die Mikrofluidikkanäle gelöst. Da Silicium schließlich ein Halbleiter ist, sind bestimmte Pumpverfahren, z. B. dynamisches und elektro osmotisches Pumpen, schwierig oder unmöglich umzusetzen. Silicium ist ein teures Arbeits-Substrat, wodurch es für die Massenproduktion von Mikrofluidik-Vorrichtungen, die typischrweise keine Strukturen mit Dimensionen von weniger als etwa 10 μm erfordern, nur begrenzt einsetzbar ist.
Wie Silicium können Kanäle auch in Glassubstrate geätzt werden. Obwohl dreidimensionale und eingebettete Strukturen durch Verkleben aufeinander folgender Glasschichten mittels eines anodischen Bindungsverfahrens geschaffen werden können, ist dieses Bindungsverfahren schwierig und sehr kostspielig. Insbesondere wird jede Schicht einzeln nacheinander hinzugefügt. Außerdem muss die Oberfläche jeder aufeinander folgenden Schicht nahezu perfekt eben sein, um zuverlässige Bindung zu erreichen. Dieses strenge Kriterium der Ebenmäßigkeit macht die Fertigung mehrschichtiger Glasvorrichtungen schwierig und teuer und führt außerdem zu niedrigen Ausbeuten.
Auch Kunststoff ist als Substrat für Mikrofluidik-Vorrichtungen mit einigen Nachteilen verbunden. Erstens können die meisten Arten von Kunststoffsubstraten nicht über 350 °C eingesetzt werden, wodurch das Ausmaß, in dem Kunststoff-Mikrofluidik-Vorrichtungen Flüssigkeiten erhitzen können, begrenzt ist. Zweitens weisen zahlreiche Kunststoffmaterialien, wie z. B. Silikon, Bioverträglichkeitsprobleme auf. Die Bioverträglichkeit wird typischerweise durch den zusätzlichen Schritt des Aufbringens von Spezialbeschichtungen auf die Flüssigkeitsdurchgänge erzielt. Drittens geht man davon aus, dass wie bei Silicium elektroosmotisches Pumpen in Kunststoff-Mikrofluidik-Vorrichtungen schwierig oder unmöglich durchzuführen ist, da keine unveränderliche Oberflächenladung zur Verfügung steht. Viertens ist die Fähigkeit, dreidimensionale und eingebettete Strukturen in Kunststoffvorrichtungen herzustellen, eingeschränkt, da es schwierig ist, mehr als zwei Kunststoffschichten miteinander zu verbinden.
Es ist bekannt, mehrschichtige Strukturen aus einer Vielzahl von Schichten aus grünem Bahnmaterial zu bilden. Doch herkömmliche Laminationsverfahren mit Schichten aus grünem Bahnmaterial erfordern üblicherweise ein Laminieren bei hohem Druck. Typi scherweise erfolgt das Laminationsverfahren in zwei Schritten. Erstens werden die übereinander gestapelten Schichten aus grünem Bahnmaterial einem Druck von etwa 1000 bis 15000 psi in einer Uniaxialpresse ausgesetzt. Anschließend werden die Schichten in einer isostatischen Presse etwa 10 bis 15 Minuten lang bei erhöhter Temperatur, z. B. 70 °C, einem Druck von 3000 bis 5000 psi ausgesetzt.
Dieses konventionelle Laminationsverfahren stößt oft an seine Grenzen. Beispielsweise ist die in der isostatischen Presse erforderliche relativ lange Zeitspanne in einem in großem Umfang durchgeführten Herstellungsverfahren unerwünscht. Außerdem neigen solch hohe Drücke oft dazu, die Dimensionen der in den Schichten vorhandenen internen Strukturen zu verformen und können bestimmte Materialien und Geräte beschädigen, die in der fertigen mehrschichtigen Struktur vorgesehen werden sollen. Die Steuerungsmöglichkeit der Dimensionen interner Strukturen ist beim Anlegen solch hoher Drücke leider sehr gering. Das Problem ist besonders akut, wenn Strukturen wie etwa innere oder äußere Hohlräume oder Kanäle in der mehrschichtigen Struktur auszubilden sind, da diese Strukturen sich häufig verschließen, wenn hohe Drücke angelegt werden. Das Problem ist umso gravierender, je größer der Hohlraum oder Kanal ist. Demzufolge ist die Bildung aller außer der sehr kleinen inneren Hohlräume und Kanäle, d. h. mit Größen von weniger als etwa 20 μm, in der mehrschichtigen Struktur sehr schwierig, wenn für das Laminieren solch hohe Drücke angelegt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einem ersten Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen monolithischen Struktur wie in Anspruch 1 definiert.
In einem zweiten Aspekt bietet die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen monolithischen Struktur wie in Anspruch 2 definiert.
Da die mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen der Erfindung aus einer Vielzahl an miteinander gesinterten Schichten aus grünem Bahnmaterial bestehen, können die Vorrichtungen zahlreiche Eigenschaften und Funktionen aufweisen, die sie für chemische und biologische Anwendungen interessant machen. Die Materialien der Schichten aus grünem Bahnmaterial können so gewählt werden, dass sie chemisch und biologisch mit den in der Vorrichtung verwendeten Flüssigkeiten sowie mit dem jeweils in der Vorrichtung herrschenden Temperaturbereich verträglich sind.
Außerdem müssen die Schichten aus grünem Bahnmaterial in der Vorrichtung nicht alle aus dem gleichen Material bestehen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung günstigerweise an unterschiedlichen Stellen mit unterschiedlichen Eigenschaften wie etwa Wärmeleitfähigkeit versehen sein. In einem wichtigen Anwendungsbeispiel kann eine der Schichten aus grünem Bahnmaterial Glasteilchen enthalten, um eine optisch durchlässige Schicht zu ergeben, die optischen Zugriff von außen auf Abschnitte der Flüssigkeitsdurchgänge in der Vorrichtung gewähren.
Indem jede Schicht aus grünem Bahnmaterial vor dem gemeinsamen Sintern individuell bearbeitet werden kann, können komplizierte Strukturen in die Vorrichtungen der Erfindung eingebaut werden. Beispielsweise kann der Flüssigkeitsdurchgang in der Vorrichtung durch Strukturen, wie z. B. Durchgänge und Kanäle, definiert sein, die vor dem gemeinsamen Sintern in den Schichten aus grünem Bahnmaterial ausgebildet werden. Aufgrund der Fertigung aus einer Vielzahl von Schichten kann der Flüssigkeitsdurchgang eine komplizierte dreidimensionale Struktur aufweisen, die ansonsten schwierig zu erzielen wäre.
Techniken zur Bereitstellung von Schichten aus grünem Bahnmaterial ermöglichen das Vorsehen einer Vielzahl an funktionellen Komponenten in Vorrichtungen; Beispiele dafür sind Heizelemente, Kühlelemente, Flüssigkeitssensoren und Flüssigkeitsbewegungswandler. Günstigerweise können diese funktionellen Komponenten gemeinsam mit den Schichten aus grünem Bahnmaterial gebrannt und gesintert werden, um einstückig mit der Vorrichtung ausgebildet werden zu können. Solche einstückige Komponenten werden wirkungsvoller und zuverlässiger in die Vorrichtung eingebaut und erleichtern daher die Herstellung von Mikrofluidik-Vorrichtungen in großem Maßstab.
Dickfilmtechnologie stellt eine wichtige Möglichkeit dar, solche einstückige Komponenten zu erzeugen. Dickfilmpasten können auf einzelne Schichten aus grünem Bahnmaterial mittels Siebdruck aufgebracht und dann mit den Schichten aus grünem Bahnmaterial gemeinsam gebrannt und mittels Sintern mit ihnen verbunden werden, damit sie einen einstückigen Teil der Vorrichtung bilden. Die Dickfilme können leitende Materialien, z. B. Metalle, enthalten, um elektrisch leitende Bahnen in der Vorrichtung bereitzustellen. Insbesondere ermöglicht die Verwendung leitender Spuren, die auf den Oberflächen von Schichten aus grünem Bahnmaterial abgelagert sind, in Kombination mit Leitergefüllten Durchgängen in den Schichten aus grünem Bahnmaterial die wirkungsvolle Fertigung komplizierter elektrischer Leiterbahnen in der Vorrichtung. Die Dickfilmtechnologie erlaubt auch den Einbau anderer Materialien, wie z. B. thermoelektrischer, piezoelektrischer und hochmagnetischer, durchlässiger Materialien in die Vorrichtung.
Durch Verwendung eines Klebers zur Aneinanderbindung der Schichten aus grünem Bahnmaterial können diese bei niedrigen Drücken laminiert werden, wodurch die Verformung und Beschädigung der inneren Strukturen minimiert und die Ausbildung von Hohlräumen und Kanälen mit zufrieden stellender Dimensionstoleranz ermöglicht wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Teils der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Die 1A-1 F sind Teilansichten der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung aus 1, wobei jede Teilansicht einer Draufsicht einer konkreten Schicht der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung aus 1 entspricht.
2 ist eine schematische Darstellung der Schritte zur Herstellung der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine schematische Darstellung eines alternativen Verfahrens zur Herstellung einer mehrschichtigen Struktur gemäß der Erfindung.
4 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäß gefertigten mehrschichtigen Struktur.
5 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit horizontalem Heizgerät gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
5A ist eine Teilansicht der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung aus 5, die einer Draufsicht der Bodenschicht der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung aus 5 entspricht.
6 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einer um einen Hohlraum geschlungenen vertikalen Spule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6A ist eine perspektivische Ansicht der vertikalen Spule aus 6.
7 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einer um einen Kanal geschlungenen horizontalen Spule gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7A ist eine perspektivische Ansicht der horizontalen Spule aus 7.
8 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem thermoelektrischen Element gemäß einer Ausführungsform de_r Erfindung.
9 ist eine schematische Darstellung in Explosionsansicht eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit zwei thermoelektrischen Elementen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
9A ist eine schematische Ansicht eines der thermoelektrischen Elemente aus 7.
10 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Konfiguration für ein thermoelektrisches Element gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
11 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit Wärmeisoliertasche gemäß der Erfindung.
12 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einer Vielzahl thermischer Durchgangslöcher gemäß der Erfindung.
13 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem Wärmetauscher gemäß der Erfindung.
14 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem heterogenen Katalysator in einer Reaktionskammer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
15 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung zum Anlegen von Mikrowellenenergie zwecks Zelllyse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
16 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem kapazitivem Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
17 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem kapazitiven Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
18 ist eine schematische Darstellung eines Teils der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem kapazitiven Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
19 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem kapazitiven Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
20 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem Widerstandssensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
21 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem Widerstandssensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
22 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem Temperatursensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
22A ist eine Teilansicht der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung aus 22, die einer Draufsicht einer Schicht der mehrschichigen Mikrofluidik-Vorrichtung aus 22 entspricht.
23 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem pH-Sensor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
24 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem pH-Sensor und einem Hohlraum für eine Referenzlösung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
25 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem pH-Sensor und einer internen Referenzelektrode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
26 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einer optisch durchlässigen Schicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
27 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einer optisch durchlässigen Schicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
28 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit optischen Durchgangslöchern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
29 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit optischen Durchgangslöchern und einer optisch durchlässigen Schicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
30 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem darin befindlichen Lichtleiter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
31 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem horizontalen und einem vertikalen optisch durchlässigen Weg gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
32 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem elektroosomotischen Pumpensystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
33 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem elektrohydrodynamischen Pumpensystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
34 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Pumpensystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
35 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Pumpensystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
36 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit integrierten Elektromagneten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
37 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit integrierten Elektromagneten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
38 ist eine schematische Schnittansicht eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit integrierten Elektromagneten, die einen Magnetrührer steuern, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
39 ist eine schematische Draufsicht eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit integrierten Elektromagneten, die einen Magnetrührer steuern, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
40 ist eine schematische Draufsicht eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit Kapillarriss gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
41 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem hydrophoben Bereich in einem Flüssigkeitsdurchgang gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
42 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit zwei hydrophoben Bereichen in einem Flüssigkeitsdurchgang gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
43 ist eine schematische Darstellung eines Teils einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung mit einem hydrophoben Bereich in einem vertikalen Flüssigkeitsdurchgang gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
44 ist eine schematische Darstellung der Schritte zur Bildung des hydrophoben Bereichs im vertikalen Flüssigkeitsdurchgang aus 43 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung gemäß der Erfindung wird aus Schichten aus grünem Bahnmaterial gefertigt, die miteinander laminiert und gesintert wurden, um eine im Wesentlichen monolithische Struktur zu bilden. Grünes Bahnmaterial ist ein Verbundmaterial, das anorganische Teilchen aus Glas, Glaskeramik oder Gemischen davon enthält, die in einem Polymer-Bindeittel dispergiert sind, und kann auch Additive, wie z. B. Weichmacher und Dispergiermittel, enthalten. Das grüne Bahnmaterial liegt vorzugsweise in Form von Bahnen mit einer Dicke von 50 bis 250 μm vor. Die Keramikteilchen sind typischerweise Metalloxide, wie z. B. Aluminiumoxid oder Zirconiumoxid. Ein Beispiel für ein solches grünes Bahnmaterial, das Glaskeramikteilchen enthält, ist „AX951“, das von E. I. Du Pont de Nemours and Company vertrieben wird. Ein Beispiel für ein grünes Bahnmaterial mit Aluminiumoxidteilchen ist „Ferro Aumina“, das von der Ferro Corp. Vertrieben wird. Die Zusammensetzung des grünen Bahnmaterials kann auf die konkrete Anwendung abgestimmt werden.
Die Schichten aus grünem Bahnmaterial werden miteinander laminiert und dann gebrannt, um eine im Wesentlichen monolithische mehrschichtige Struktur zu bilden. Die Fertigung, Verarbeitung und Anwendungsbeispiele von grünem Keramikbahnmaterial ist allgemein in Richard E. Mistler, „Tape Casting: The Basic Process for Meeting the Needs of the Electronics Industry“, Ceramic Bulletin, Bd. 69, Nr. 6, S. 1022–1026 (1990) und in US-Patent 3.991.029 (sind hierin durch Verweis aufgenommen) beschrieben.
In 1 ist eine Querschnittsansicht einer repräsentativen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 10 zu sehen. Die mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung besteht aus Schichten 12–22 aus grünem Bahnmaterial, die miteinander laminiert und gesintert wurden, um eine im Wesentlichen monolithische Struktur zu bilden. Die Vorrichtung 10 enthält einen Hohlraum 24, der mit einem ersten Kanal 26 und einem zweiten Kanal 28 verbunden ist. Der erste Kanal 26 ist ach mit einem ersten Durchgangsloch 30 verbunden, der seinerseits mit einem zweiten Durchgangloch 32 verbunden ist, der eine erste Flüssigkeitsöffnung 34 definiert. Der zweite Kanal 28 ist mit einem dritten Durchgangsloch 36 verbunden, der eine zweite Flüssigkeitsöffnung 38 definiert. Auf diese Weise steht der Hohlraum 24 in Flüssigkeitskommunikation mit den Flüssigkeitsöffnungen 34 und 38. Insbesondere definieren die Durchgangslöcher 32 und 30, der erste Kanal 26, der Hohlraum 24, der zweite Kanal 28 und der Durchgangsloch 36 gemeinsam eine Flüssigkeitspassage, die die Flüssigkeitsöffnungen 34 und 38 miteinander verbindet. In dieser Konfiguration könnten die Öffnungen 34 und 38 als Flüssigkeitseintritts- oder -austrittsöffnungen verwendet werden, um Reaktanden zuzusetzen und Produkte zu entfernen, wobei der Hohlraum 24 den Raum für Reaktionen bietet.
Die 1A–1F sind Draufsichten jeder einzelnen der Schichten 12–22, um zu zeigen, welche Abschnitte vor dem Laminieren zu den einzelnen Schichten 12–22 geformt werden, damit die oben erwähnte Flüssigkeitsdurchgang geschaffen wird. Wie aus 1A ersichtlich, besitzt die Schicht 12 das Durchgangsloch 32 und das Durchgangsloch 36. Wie aus 1B zu sehen, besitzt die Schicht 14 den Durchgangsloch 30 und einen Abschnitt des Hohlraums 24, der mit dem Kanal 28 verbunden ist. Wie aus 1C zu sehen, besitzt die Schicht 16 einen Abschnitt des Hohlraums 24, der mit dem Kanal 26 verbunden ist. Wie in 1D dargestellt, besitzt die Schicht 18 einen Teil des Hohlraums 24. Die Schichten 20 und 22 besitzen – wie aus den 1E und 1F ersichtlich – keine Strukturen.
Das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen beginnt mit dem Bereitstellen von grünem Bahnmaterial, das vorzugsweise eine Dicke von 50 bis 250 μm besitzt. Die Bahnen des grünen Bahnmaterials werden zur gewünschten Größe geschnitten (typischerweise 6 × 6 Zoll), um in herkömmlicher Weise verarbeitet zu werden. Jede Schicht aus grünem Bahnmaterial kann dann unter Anwendung verschiedener Techniken texturiert werden, um gewünschte Strukturen wie etwa Kanäle oder Hohlräume in der fertigen mehrschichtigen Struktur zu bilden.
Der Ausdruck „Durchgangsloch“ bezieht sich hierin auf ein in der Schicht aus grünem Bahnmaterial ausgebildetes Loch. Typischer Durchgangslöcher besitzen Durchmesser im Bereich von 100 bis 500 μm. Durchgangslöcher können auch in nachfolgenden Schritten mit anderen Materialien, wie z. B. Dickfilmpasten, ausgefüllt werden.
Der Ausdruck „Kanal“ bezieht sich hierin auf einen offenen Bereich innerhalb der mehrschichtigen Struktur mit einer Länge, die größer als sein Durchmesser ist. Typische Kanäle besitzen Durchmesser von unter 100 μm bis zu 500 μm. In den Mikrofluidik-Vorrichtungen der Erfindung dienen Kanäle typischerweise zur Beförderung von flüssigen Materialien. „Kanäle“ können hierin auch als „Kapillaren“ oder „Leitungen“ bezeichnet werden.
Der Ausdruck „Hohlraum“ bezieht sich hierin auf ein Loch oder eine offene Fläche in der Mikrofluidik-Vorrichtung. Hohlräume dienen typischerweise dazu, flüssige Materialien zu enthalten, zu vermischen, umzusetzen oder zu transportieren. Typischerweise sind Hohlräume mit einem Kanal oder einem Durchgangsloch verbunden, um Materialien ein- oder austreten zu lassen; in solchen Fällen besitzt der Hohlraum Dimensionen, die größer als jene des Kanals oder Durchgangslochs sind. „Hohlräume“ können auch als „Näpfe“ bezeichnet werden.
Es kommen zur Texturierung der Schicht aus grünem Bahnmaterial verschiedene Techniken in Frage. Beispielsweise können Teile der Schicht aus grünem Bahnmaterial ausgestanzt werden, um Durchgangslöcher oder Kanäle zu formen. Dieser Vorgang kann unter Einsatz herkömmlicher Mehrschicht-Keramik-Stanzvorrichtungen erfolgen, z. B. mit dem Pacific Trinetics Corp. Model APS-8718 Automated Punch System. Anstelle des Ausstanzens eines Teils des Materials können Merkmale wie etwa Kanäle und Näpfe in die Oberfläche des grünen Bahnmaterials geprägt werden, indem das grüne Bahnmaterial gegen eine Prägeplatte gedrückt wird, die ein negatives Bild der gewünschten Struktur besitzt. Das Texturieren kann auch mithilfe von Laserinstrumenten mit einem Laser-Durchgangslochsystem wie z. B. dem Pacific Trinetics LVS-3012 erfolgen.
Als nächstes können sehr unterschiedliche Materialien auf jede texturierte Schicht aus grünem Bahnmaterial aufgebracht werden, vorzugsweise in Form von Dickfilmpasten. Beispielsweise können elektrische Leiterbahnen gebildet werden, indem metallhältige Dickfilmpasten auf den Schichten aus grünem Bahnmaterial abgelagert werden. Dickfilmpasten enthalten typischerweise das gewünschte Material, das entweder ein Metall oder ein dielektrisches Material sein kann, in Form eines in einem organischen Vehikel dispergierten Pulvers, und die Pasten sind ausgebildet, die für das gewünschte Ablagerungsverfahren wie etwa Siebdruck erforderliche Viskosität aufzuweisen. Das organische Vehikel kann Harze, Lösungsmittel, Tenside und Flussregulatoren enthalten. Die Dickfilmpaste kann auch eine kleine Menge eines Flussmittels, wie z. B. eine Glasfritte, enthalten, um das Sintern zu vereinfachen. Die Dickfilmtechnologie wird ausführlich in J. D. Provance, „Performance Review of Thick Film Materials“, Insulation/Circuits (April 1977) und in Morton L. Topfer, „Thick Film Microelectronics. Fabrication, Design, and Applications (1977), S. 41–59, beschrieben.
Die Porosität des resultierenden Dickfilms kann durch Einstellen der Menge an in der Dickfilmpaste vorhandenem organischem Vehikel eingestellt werden. Genauer gesagt kann die Porosität des Dickfilms durch Erhöhen des prozentuellen Anteils von organischem Vehikel in der Dickfilmpaste gesteigert werden. Ebenso lässt sich die Porosität der Schicht aus grünem Bahnmaterial erhöhen, indem der Anteil an organischem Bindemittel erhöht wird. Eine weitere Möglichkeit, die Porosität in Dickfilmen und Schichten aus grünem Bahnmaterial zu steigern, ist die Dispersion einer weiteren organischen Phase innerhalb des organischen Vehikels oder organischen Bindemittels, die im organischen Vehikel nicht löslich ist. Polymer-Mikroperlen können zu diesem Zweck vorteilhaft eingesetzt werden.
Um elektrische Leiterbahnen vorzusehen, enthalten die Dickfilmpasten typischerweise Metallteilchen wie z. B. Silber, Platin, Palladium, Gold, Kupfer, Wolfram, Nickel, Zinn oder Legierungen davon. Silberpasten sind vorzuziehen. Beispiele für geeignete Silber pasten sind Silberleiter-Zusammensetzungen mit der Nummern 7025 und 7713, vertrieben durch E. I. Du Pont de Nemours and Company.
Die Dickfilmpasten werden vorzugsweise durch Siebdruck auf die Schicht aus grünem Bahnmaterial aufgetragen. Im Siebdruckverfahren wird die Dickfilmpaste durch eine mit Muster versehene Druckschablone gedrückt, um in einem entsprechenden Muster auf der Schicht aus grünem Bahnmaterial abgelagert zu werden. Typischerweise wird das Siebdruckmuster fotografisch gebildet, indem es einer Maske ausgesetzt wird.
Auf diese Weise können leitende Spuren auf eine Oberfläche einer Schicht aus grünem Bahnmaterial aufgebracht werden. Außerdem können in der Schicht aus grünem Bahnmaterial vorhandene Durchgangslöcher mit der leitenden Dickfilmpaste gefüllt werden, um elektrische Verbindungen zwischen den Schichten zu schaffen.
In bestimmten Anwendungen ist es auch wünschenswert, Glasbeschichtungen auf den Oberflächen von Schichten aus grünem Bahnmaterial aufzutragen. Beispielsweise liefern Glasbeschichtungen glatte Wände in Flüssigkeitsdurchgängen, wodurch für besseres Hindurchströmen der Flüssigkeit gesorgt wird und Verschmutzungsprobleme minimiert werden. Glasbeschichtungen können auch als Schranken zwischen der Flüssigkeit und den Materialien aus grünem Bahnmaterial dienen, die reaktiv oder in anderer Weise mit der Flüssigkeit unverträglich werden können.
Eine Möglichkeit des Auftragens der Glasbeschichtung ist durch Siebdrucken einer Glasteilchen enthaltenden Dickfilmpaste auf die Oberfläche einer Schicht aus grünem Bahnmaterial. Nach dem Laminieren wird die Dickfilmpaste gemeinsam mit den Schichten aus grünem Bahnmaterial gebrannt, um eine glatte Glasbeschichtung zu bilden, die auf die Oberfläche der Schicht aus grünem Bahnmaterial aufgesintert ist.
Eine weitere Möglichkeit des Auftragens der Glasbeschichtung sieht die Verwendung einer Glaskeramikschicht aus grünem Bahnmaterial und deren Sintern in aggressiverer Weise als üblich vor, mittels eines rascheren Temperaturanstiegs während des Sinterschritts, bei einer höheren Sinter-Endtemperatur und durch Wählen einer längeren Sinterzeit. Insbesondere sinkt die Viskosität der Glasphase rasch, wenn die Temperatur über den Glaserweichungspunkt erhöht wird. Daher treibt aggressives Sintern die Glasphase zumeist vom Inneren der Schicht aus grünem Bahnmaterial zur Oberfläche, bevor deutliche Kristallisation mit der Keramikphase stattfindet. Auf diese Weise wird eine Glasbeschichtung auf der Oberfläche der Schicht aus grünem Bahnmaterial gebildet. Geeignete Glaskeramikmaterialien sind z. B. das dielektrische T2000-Band, das von Motorola Inc. vertrieben wird, und die in US-Patent 5.821.181 geoffenbarten Glaskeramik-Zusammensetzungen.
Beispielsweise erfordern die Standard-Sinterparameter für das dielektrische Motorola T2000-Band die Steigerung der Temperatur mit einer Rate von etwa 5°C pro Minute, um eine Sinter-Endtemperatur von etwa 875°C zu erreichen, die dann etwa 30 Minuten aufrechterhalten wird. Um jedoch die Glasbeschichtung zu bilden, kann die Temperatur auch mit einer Rate von etwa 7°C/min erhöht oder alternativ dazu die Sinter-Endtemperatur auf etwa 925°C gesteigert werden.
Natürlich ist ein weiteres Verfahren, um glatte Glaswände für Flüsigkeitsdurchgänge zu schaffen, die Verwendung von Glasschichten aus grünem Bahnmaterial.
Zahlreiche andere Materialien können jeder Schicht aus grünem Bahnmaterial zugesetzt werden, um die gewünschten Funktionen zu erreichen. Beispielsweise können optische Materialien zugesetzt werden, um optische Fenster bereitzustellen. Piezoelektrische Materialien können zugesetzt werden, um piezoelektrische Elemente zu liefern. Thermoelektrische Materialien können zugesetzt werden, um thermoelektrische Elemente zu liefern. Hochmagnetische Durchlässigkeitsmaterialien wie z. B. Ferrite können zugesetzt werden, um Kerne für starke Elektromagneten bereitzustellen. Materialien aus grünem Bahnmaterial besitzen ein hohes Maß an Flexibilität, um die Zugabe unähnlicher Materialien zu bewältigen. Um sicherzustellen, dass die Materialien zuverlässig in der ferti gen Vorrichtung Platz finden, ist es vorzuziehen, dass die den Schichten aus grünem Bahnmaterial zugesetzten Materialien gemeinsam mit dem Material aus grünem Bahnmaterial gebrannt werden können, wie dies unten beschrieben ist.
Nach dem Ausbilden der gewünschten Strukturen in jeder Schicht aus grünem Bahnmaterial wird eine Kleberschicht auf eine erste Oberfläche der ersten Schicht aus grünem Bahnmaterial aufgebracht. Vorzugsweise ist der Kleber ein temperaturempfindlicher Kleber. Solche temperaturempfindliche Kleber besitzen Glastemperaturen von unter Raumtemperatur, d. h. unter etwa 20°C, sodass sie Substrate bei Raumtemperatur binden können. Außerdem binden solche Raumtemperaturkleber Substrate, indem sie in deren Oberflächen eindringen, anstatt eine chemische Veränderung zu erfahren oder chemisch mit den Substratkomponenten zu reagieren oder diese zu lösen. Manchmal werden derartige Raumtemperaturkleber als „druckempfindliche Kleber“ bezeichnet. Geeignete Raumtemperaturkleber liegen typischerweise als Emulsionen auf Wasserbasis vor und sind bei Rohm and Haas, Inc. und Air Products, Inc. erhältlich. Beispielsweise erwies sich ein durch Air Products, Inc. unter dem Namen „Flexcryl 1653“ vertriebenes Material als wirkungsvoll.
Der Raumtemperaturkleber kann durch herkömmliche Bechichtungsverfahren auf das grüne Bahnmaterial aufgetragen werden. Um das Beschichten zu vereinfachen, ist es oft günstig, den bereitgestellten druckempfindlichen Kleber in Wasser zu verdünnen – je nach dem angewendeten Beschichtungsverfahren, der Viskosität und der Feststoffbeladung des Ausgangsmaterials. Nach dem Beschichten lässt man den Raumtemperaturkleber trocknen. Die getrocknete Dicke des Raumtemperaturkleber-Films liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 10 μm, wobei die Dicke einheitlich über die gesamte Oberfläche des grünen Bahnmaterials ausgebildet sein soll. Filmdicken von über 15 μm sind unerwünscht. Mit solchen Kleber-Dickfilmen kann es während des Brennens infolge der großen Menge organischer Materialien, die es zu entfernen gilt, zu Lückenbildung oder Delamination kommen. Filme mit einer Dicke von weniger als etwa 0,5 μm im trocknen Zustand sind zu dünn, da sie für unzulängliche Haftung zwischen den Schichten sorgen.
Unter herkömmlichen Beschichtungstechniken sind Spinnbeschichten und Auspritzen bevorzugte Verfahren. Bei Anwendung von Spinnbeschichten ist es vorzuziehen, 1 g entionisiertes Wasser pro 10 g „Flexcryl 1653“ zuzusetzen. Bei Durchführung von Aufspritzen ist ein höherer Verdünnungswert vorzuziehen, um den Sprühvorgang zu vereinfachen. Außerdem ist es beim Aufspritzen des Raumtemperaturklebers vorzuziehen, das grüne Bahnmaterial bei erhöhter Temperatur zu halten, z. B. bei etwa 60°C bis 70°C, so dass das Material fast sofort trocknet, wenn es auf dem grünen Bahnmaterial abgelagert wird. Die sofortige Trocknung führt zu einem einheitlicheren und homogenen Kleberfilm.
Nach dem Auftragen des Raumtemperaturklebers auf die Schichten aus grünem Bahnmaterial werden diese übereinander gestapelt, um eine mehrschichtige Struktur aus grünem Bahnmaterial zu bilden. Vorzugsweise werden die Schichten in einer Ausrichtungsdüse übereinander gestapelt, sodass sie zwischen den Strukturen jeder Schicht in gewünschter Weise fluchten. Bei Verwendung einer Ausrichtungsdüse muss jede Schicht aus grünem Bahnmaterial mit Ausrichtungslöchern versehen sein.
Typischerweise reicht das Stapelverfahren aus, um die Schichten aus grünem Bahnmaterial aneinander zu binden, wenn ein Raumtemperaturkleber verwendet wird. Anders ausgedrückt ist wenig oder überhaupt kein Druck erforderlich, um die Schichten aneinander zu binden. Doch um eine festere Bindung der Schichten zu erreichen, werden die Schichten vorzugsweise nach dem Stapeln laminiert.
Das Laminationsverfahren umfasst das Anlegen von Druck an die übereinander gestapelten Schichten.
Bei Drücken von weniger als 2500 psi kann man die Dimensionen von Strukturen wie inneren oder äußeren Hohlräumen und Kanälen zufrieden stellend steuern. Noch niedrigere Drücke sind wünschenswert, um die Bildung größerer Strukturen wie etwa Hohlräumen und Kanälen zu ermöglichen. Wenn z. B. ein Laminationsdruck von 2500 psi angelegt wird, ist die Größe gut ausgebildeter innerer Hohlräume und Kanäle typischerweise auf etwa 20 μm beschränkt. Drücke von weniger als 1000 psi sind also bevorzugter, da sie es im Allgemeinen ermöglichen, dass Strukturen mit einer Größe von mehr als etwa 100 μm mit einen gewissen Maß an Dimensionssteuerungsmöglichkeit gebildet werden. Drücke von weniger als 300 psi sind noch bevorzugter, da sie es ermöglichen, dass Strukturen mit einer Größe von mehr als etwa 250 μm mit einem gewissen Maß an Dimensionssteuerungsmöglichkeit gebildet werden. Drücke von weniger als 100 psi, die hierin als „Fast-Null-Drücke“ bezeichnet werden, sind am bevorzugtesten, da bei diesen Drücken die Größe innerer und äußerer Hohlräume und Kanäle, die in der mehrschichtigen Struktur ausgebildet werden können, kaum eingeschränkt ist.
Der Druck wird im Laminationsverfahren vorzugsweise mittels einer uniaxialen Presse angelegt. Alternativ dazu können Drücke von weniger als 100 psi händisch angelegt werden.
Wie bei der Herstellung von Halbleitern können viele Vorrichtungen auf jeder Bahn vorhanden sein. Demzufolge kann nach dem Laminieren die mehrschichtige Struktur gedicet werden, indem herkömmliche Dicing- oder Sägegeräte für grüne Bahnmaterialien verwendet werden, um die einzelnen Vorrichtungen voneinander zu trennen. Das hohe Ausmaß an Abschäl- und Scherfestigkeit des Raumtemperaturklebers führt zum Auftreten nur sehr geringer Kantendelamination während des Dicing-Verfahrens. Wenn sich nach dem Dicing einige Schichten um die Kanten lösen, können sie leicht erneut laminiert werde, indem händisch Druck an die betroffenen Kanten angelegt wird, ohne dabei den Rest der Vorrichtung zu beeinträchtigen.
Der letzte Verarbeitungsschritt ist das Brennen zur Umwandlung der laminierten mehrschichtigen Struktur aus grünem Bahnmaterial aus ihrem „grünen“ Zustand in den Zustand der fertigen, im Wesentlichen monolithischen, mehrschichtigen Struktur. Das Brennverfahren erfolgt mit steigender Temperatur in zwei wichtigen Phasen. Die erste wichtige Phase ist die Bindemittel-Ausbrennphase, die im Temperaturbereich von 250 °C bis 500°C eintritt. Während dieser Phase werden die anderen organischen Materialien, z. B. das Bindemittel in den Schichten aus grünem Bahnmaterial und die organischen Komponenten in den aufgebrachten Dickfilmplasten, aus der Struktur entfernt.
In der nächsten wichtigen Phase, der Sinterphase, die bei höherer Temperatur erfolgt, werden die anorganischen Teilchen miteinander versintert, sodass die mehrschichtige Struktur verdichtet und im Wesentlichen monolithisch wird. Die herrschende Sintertemperatur hängt von der Beschaffenheit der im grünen Bahnmaterial vorhandenen anorganischen Teilchen ab. Für viele Art von Keramiken reichen je nach dem Material geeignete Sintertemperaturen von etwa 950°C bis etwa 1600°C. Beispielsweise sind für ein Aluminiumoxid enthaltendes grünes Bahnmaterial Sintertemperaturen zwischen 1400 °C und 1600°C typisch. Andere Keramikmaterialien, wie z. B. Siliciumitrid, Aluminiumnitrid und Siliciumcarbid, erfordern höhere Sintertemperaturen, d. h. 1700°C bis 2200°C. Für grünes Bahnmaterial mit Glaskeramikteilchen ist eine Sintertemperatur im Bereich von 750°C bis 950°C angezeigt. Glasteilchen verlangen im Allgemeinen Sintertemperaturen im Bereich von nur 350°C bis 700°C. Schließlich können Metallteilchen je nach dem Metall Sintertemperaturen im Bereich von 550°C bis 1700°C erfordern.
Typischerweise werden die Vorrichtungen über etwa 4 bis etwa 12 Stunden lang oder länger gebrannt; dies hängt vom jeweils verwendeten Material ab. Im Allgemeinen sollte das Brennen ausreichend lange andauern, um die organischen Materialien aus der Struktur zu entfernen und die anorganischen Teilchen vollständig zu sintern. Insbesondere sind Polymere als Bindemittel im grünen Bahnmaterial und im Raumtemperaturkleber vorhanden. Das Brennen sollte bei einer ausreichenden Temperatur ausreichend lange stattfinden, um diese Polymere zu zersetzen und ihre Entfernung aus der mehrschichtigen Struktur zu ermöglichen.
Typischerweise erfährt die mehrschichtige Struktur während des Brennvorgangs eine Volumsreduktion. Während der Bindemittel-Ausbrennphase wird normalerweise eine geringe Volumsreduktion von etwa 0,5 bis 1,5% beobachtet. Bei höheren Temperaturen während der Sinterphase beobachtet man typischerweise eine weitere Volumsreduktion von etwa 14 bis 17%.
Wie oben angeführt, werden unähnliche Materialien, die den Schichten aus grünem Bahnmaterial zugesetzt sind, vorzugsweise gemeinsam mit ihnen gebrannt. Solche unähnliche Materialien könnten als Dickfilmpasten oder andere Schichten aus grünem Bahnmaterial zugesetzt sein. Der Vorteil des gemeinsamen Brennens besteht darin, dass die zugesetzten Materialien an die Schichten aus grünem Bahnmaterial gesintert und einstückig mit der im Wesentlichen monolithischen Mikrofluidik-Vorrichtung verbunden werden. Um jedoch gemeinsam brennbar zu sein, sollten die zugesetzten Materialien Sintertemperaturen und Volumsänderungen infolge des Brennens aufweisen, die mit jenen der Schichten aus grünem Bahnmaterial übereinstimmen. Die Sintertemperaturen sind größtenteils materialabhängig, sodass die Übereinstimmung der Sintertemperaturen einfach eine richtige Materialauswahl voraussetzt. Obwohl Silber z. B. das bevorzugte Metall zur Bildung elektrischer Leiterbahnen ist, muss – wenn die Schichten aus grünem Bahnmaterial Aluminiumoxidteilchen enthalten, die eine Sintertemperatur im Bereich von 1400°C bis 1600°C verlangen – ein anderes Metall wie z. B. Platin infolge des relativ niedrigen Schmelzpunkts von Silber (961°C) verwendet werden.
Die Volumsänderung aufgrund des Brennens kann jedoch gesteuert werden. Insbesondere sollte man zwecks Übereinstimmung der Volumsänderungen in zwei Materialien, z. B. im grünen Bahnmaterial und in der Dickfilmpaste, das Folgende übereinstimmen: (1) die Teilchengrößen; und (2) den prozentuellen Anteil organischer Komponenten, wie z. B. Bindemittel, die während des Brennvorgangs entfernt werden. Außerdem müssen Volumsänderungen nicht exakt in Übereinstimmung gebracht werden, doch jede Fehlübereinstimmung führt typischerweise zu inneren Spannungen in der Vorrichtung. Symmetrische Bearbeitung – das Positionieren des identischen Materials oder der identischen Struktur auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung – kann in einem be stimmten Ausmaß ein Schrumpfen unzulänglich übereinstimmender Materialien ausgleichen.
Eine zu große Fehlübereinstimmung der Sintertemperaturen oder Volumsänderungen kann zu Defekten oder zum Ausfall einiger oder aller Vorrichtungen führen. Beispielsweise kann die Vorrichtung in ihre einzelnen Schichten aufbrechen oder sich verformen.
2 fasst die obigen Schritt zusammen und ist eine schematische Darstellung von Querschnitten typischer Schichten, die man dazu verwenden würde, eine erfindungsgemäße mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung zu bilden. Eine erste Schicht 50 aus grünem Bahnmaterial liegt in einer Größe vor, die für die weitere Verarbeitung geeignet ist. Ein Raumtemperaturkleber 52 wird auf eine Oberfläche des grünen Bahnmaterials 50 aufgebracht. Die erste Schicht aus grünem Bahnmaterial 50 wird dann mit einer zweiten Schicht 54 aus grünem Bahnmaterial versehen, wodurch eine übereinander gestapelte Struktur entsteht, welche zweite Schicht 54 bereits mit einem inneren Kanal 56 und einem inneren Hohlraum 88 ausgebildet wurde. Diese Schichten werden dann mit zwei weiteren Schichten 60 und 62 aus grünem Bahnmaterial und mit assoziierten Schichten aus Raumtemperaturkleber 64 und 66 versehen, um die fertige übereinander gestapelte und aus mehreren Schichten besehende Struktur 68 aus grünem Bahnmaterial zu bilden. Die mehrschichtige Struktur 68 aus grünem Bahnmaterial wird dann – wie dies hierin beschrieben ist – laminiert und gebrannt, um die fertige im Wesentlichen monolithische Struktur 70 zu erzeugen.
Das Anlegen von Fast-Null-Drücken, d. h. von Drücken von weniger als 100 psi, für die Lamination ist vorzuziehen, da dadurch die Integrität der inneren Strukturen aufrechterhalten werden kann und es ermöglicht wird, dass der innere Kanal 56 und der innere Hohlraum 58 in der Schicht 54 aus grünem Bahnmaterial als innerer Kanal 72 bzw. innerer Hohlraum 74 in der fertigen im Wesentlichen monolithischen Struktur 70 bestehen bleiben. Andere Laminationsverfahren, de ein herkömmliches Hochdruck-Lamina tionsverfahren vorsehen, können jedoch auch angewendet werden, wenn auch die Steuerungsmöglichkeit der Dimensionen innerer Strukturen eingeschränkt ist.
Die Größe der fertigen im Wesentlichen monolithischen Struktur 70 ist in 2 kleiner als die Größe der mehrschichtigen Struktur 68 aus grünem Bahnmaterial dargestellt, um die während des Brennens eintretende Volumsreduktion widerzuspiegeln.
Gemäß der Erfindung muss nicht jede Schicht der fertigen mehrschichtigen Struktur bei Fast-Null-Druck laminiert werden. Beispielsweise können Schichten, die keine Strukturen oder Materialien enthalten, die bei hohen Drücken verformt oder beschädigt würden, in herkömmlicher Weise laminiert werden; die resultierende Struktur kann dann unter Anwendung des Fast-Null-Druck-Laminationsverfahrens an die anderen Schichten aus grünem Bahnmaterial auflaminiert werden.
Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren ist schematisch aus 3 ersichtlich. Eine Struktur 80, unter Anwendung eines herkömmlichen Laminationsverfahens 81 gebildet, eine Struktur 81, mittels des Fast-Null-Druck-Laminationsverfahrens gebildet, und eine Struktur 82, unter Anwendung eines herkömmlichen Laminationsverfahrens gebildet, werden alle miteinander laminiert. Die Struktur 80 umfasst die Schichten 83, 84 und 85, worin die Schicht 85 das Durchgangsloch 86 enthält. Die Struktur 80 kann anhand jedes beliebigen herkömmlichen Laminationsverfahrens gebildet werden, das die Bewahrung der äußeren Durchgangslöcher ermöglicht. Die Struktur 81 umfasst die Schichten 87 und 88 und wurde unter Anwendung des erfindungsgemäßen Fast-Null-Druck-Laminationsverfahrens gebildet. Die Schicht 87 enthält die Durchgangslöcher 89, 90 und 91 sowie einen Kanal 92. Die Struktur 82 umfasst die Schichten 93–96 und wurde mittels eines herkömmlichen Hochdruck-Laminationsverfahrens gebildet. Um eine mehrschichtige Struktur 97 zu schaffen, werden die Strukturen 80, 81 und 82 miteinander laminiert, wobei her das Fast-Null-Druck-Laminationsverfahren der Erfindung zur Anwendung kommt, d. h. durch Aufbringen einer (nicht dargestellten) Schicht aus Raumtemperaturkleber, um die Strukturen 80 und 81 aneinander zu binden, sowie durch Aufbrin gen einer weiteren (nicht dargestellten) Schicht aus Raumtemperaturkleber, um die Struktur 81 an die Struktur 82 zu binden.
Es stellte sich heraus, dass die richtige Auswahl des Polymers im Kleber das gewünschte Fast-Null-Druck-Laminationsverfahren vereinfacht. Insbesondere wenn sich das im Kleber verwendete Polymer bei höherer Temperatur zersetzt als das in den Schichten aus grünem Bahnmaterial vorhandene Polymer-Bindemittel, unterstützt die Kleberschicht die Stabilität der Grenzflächen während des Brennvorgangs und fördert kürzere Grenzflächenabstände zwischen den anorganischen Teilchen der Schichten aus grünem Bahnmaterial nach Abschluss des Bindemittelausbrennens. Die verringerten Abstände zwischen den Teilchen erleichtern das lückenfreie Sintern innerhalb der Band-Grenzflächenbereiche der mehrschichtigen Struktur.
Vorzugsweise sollte das Polymer im Kleber einen thermischen Zersetzungsbeginn und ein Haupt-Zersetzungsprofil aufweisen, die etwa 25°C bis 100°C höher sind als jene des Polymer-Bindemittels in den Schichten aus grünem Bahnmaterial. Dies kann durch Verwendung eines Kleberpolymers erreicht werden, der sich vom Polymer-Bindemittel unterscheidet. Insbesondere stellte sich heraus, dass eine Möglichkeit, die gewünschte Differenz im thermischen Zersetzungsprofil zu erreichen, darin besteht, ein Kleberpolymer auszuwählen, das durch statistische Spaltung und nicht durch „Zippöffnung“ thermische Zersetzung erfährt. Das Zippöffnen, das auch als „Ketten-Depolymerisation“ oder „Depropagation“ bezeichnet wird, ist die anschließend stattfindende Freisetzung von Monomereinheiten aus einem Kettenende oder schwachen Kettenglied. Die statistische Spaltung, die auch als „statistischer Abbau“ bezeichnet wird, tritt durch Kettenbruch an statistischen Punkten entlang der Kette ein.
Polymere, die statistische Spaltung erfahren, besitzen im Allgemeinen ein thermisches Zersetzungsprofil, das im Vergleich zu jenem von Polymeren, die sich durch Zippöffnung zersetzen, verlängert ist. Oft sind die Temperatur bei halber Zersetzung, d. h. die Temperatur, bei der der Gewichtsverlust während der Pyrolyse bei konstantem Tempe raturanstieg 50% ihres Endwerts erreicht, und die Temperatur der maximalen Zersetzungsrate beide etwa 25°C bis 100°C höher für Polymere, die statistische Spaltung erfahren, als für Polymere, die Zippöffnung erfahren. Außerdem ist das Bindemittel vieler Arten von grünem Bahnmaterial vorwiegend ein Acrylpolymer, ein Acrylcopolymer oder ein Gemisch von Acrylpolymeren und -copolymeren, die sich alle durch Zippöffnung zersetzen. Demzufolge sorgt die Auswahl eines Klebers mit einem statistische Spaltung erfahrenden Polymer zumeist für eine deutliche Festigung der Grenzflächenbindung während des Brennvorgangs. Solche statistische Spaltung erfahrenden Polymere sind beispielsweise Polymere und Copolymere, die Ethylen-Hauptkettengruppen besitzen, z. B. Vinylacetat-Ethylen- oder Ethylen-Vinylacryl-Copolymere.
4 vergleicht die thermische Zersetzung eines Ethylen-Vinylacryl-Copolymers (als „PSA-Vinylacryl-Copolymer“ bezeichnet), das statistische Spaltung erfährt, mit einem Acryl-Bindemittel (als „B60a-Acryl-Bindemittel“ bezeichnet, das im grünen Bahnmaterial verwendet wird und Zippöffnen erfährt; dies wird thermogravimetrisch (die als „TGA“ bezeichneten Kurven) und durch Differentialscanning-Kalorimetrie (die als „DSC“ bezeichneten Kurven) gemessen. Wie aus 4 ersichtlich, erfährt im Temperaturbereich von etwa 350°C bis 400°C das Acryl-Bindemittel rasche Zersetzung und Entfernung, während sich das Raumtemperatur-Kleberpolymer viel langsamer zersetzt. In diesem Beispiel verbleiben bei 375°C weniger als 10% des Acryl-Bindemittels, während mehr als 60% des Kleberpolymers verbleiben. Demzufolge hält in diesem Temperaturbereich der Raumtemperaturkleber eine starke Bindung zwischen den Schichten aufrecht, während das Bindemittel innerhalb der Schichten aus grünem Bahnmaterial weggebrannt wird.
Geeignete mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtungen enthalten normalerweise zusätzlich zu einem Flüssigkeitsdurchgang Komponenten, die die Wechselwirkung mit der Flüssigkeit ermögliche. Solche Komponenten fallen in drei allgemeine Klassen: (1) Komponenten, die physikalische, chemische oder biologische Veränderungen der Flüssigkeit erleichtern; (2) Komponenten, die das Abfühlen der verschiedenen Eigenschaften der Flüssigkeit ermöglichen; und (3) Komponenten, die die Bewegung der Flüssigkeit steuern.
Jede dieser Komponentenklassen wird hierin besprochen, und es wird auch erläutert, wie sie in der aus Schichten aus grünem Bahnmaterial bestehenden mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung ausgebildet sein können. Hinsichtlich jeder Art von Komponente ist es vorzuziehen, dass sie im Rahmen der oben erwähnten Verarbeitungsschritte gefertigt werden, um eine wirkungsvolle und kostengünstige Massenproduktion zu ermöglichen. Es ist ferner vorzuziehen, dass solche Komponenten gemeinsam mit den Schichten aus grünem Bahnmaterial gebrannt und an sie gesintert werde, um einen Teil der im Wesentlichen monolithischen Struktur der fertigen Vorrichtung zu bilden.
Komponenten, die physikalische oder chemische Veränderungen der Flüssigkeit bewirken, sind Komponenten, die die Temperatur der Flüssigkeit ändern, und Komponenten, die chemische Reaktionen in der Flüssigkeit katalysieren. Die einfachste Komponente zur Temperaturänderung der Flüssigkeit ist ein Heizelement.
Aus 5 ist eine mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung 100 der Erfindung ersichtlich, die ein planares Heizelement 102 enthält. Die mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung 100 besteht aus den Schichten 104–114. Ein Hohlraum 116 ist in der Schicht 132 ausgebildet. Der Hohlraum 116 steht mit dem Äußeren mittels der Durchgangslöcher 118, 120 und 122, die in den Schichten 104, 106 bzw. 108 ausgebildet sind, in Flüssigkeitskommunikation. Der Hohlraum 116 steht auch mittels der Durchgangslöcher 124, 126 und 128, die in den Schichten 104, 106 bzw. 108 ausgebildet sind, mit dem Äußeren in Flüssigkeitskommunikation. Wie aus der Querschnittsansicht in 5 und der Draufsicht in 5A ersichtlich, ist das Heizelement 102 durch eine serpentinenförmige Spur aus auf der Oberfläche der Schicht 114 abgelagertem leitendem Material gebildet und besitzt die Anschlüsse 130 und 132. Die Durchgangslöcher 134–142 sind in den Schichten 104–112 ausgebildet und mit einem leitenden Material gefüllt, um eine elektrische Leiterbahn zwischen dem Anschluss 130 und dem Äußeren der Vorrichtung 100 zu schaffen. Ebenso sind die Durchgangslöcher 144–152 in den Schichten 104–112 ausgebildet und mit einem leitenden Material gefüllt, um eine elektrische Leiterbahn zwischen dem Anschluss 132 und dem Äußeren der Vorrichtung 100 zu schaffen. Die nicht dargestellten externen Komponenten können elektrischen Kontakt zu den Durchgangslöchern 134 und 144 herstellen. In dieser Konfiguration kann elektrischer Strom an das Heizelement 102 angelegt werden, sodass die Flüssigkeit im Hohlraum 116 damit erhitzt werden kann. Obwohl das Heizelement 102 vorzugsweise vom Hohlraum 116 durch die Schicht 112 getrennt ist (siehe 5), könnte es auch an der Oberfläche der Schicht 112 angeordnet sein, um in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit im Hohlraum 16 zu stehen.
Ein in eine mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung eingebautes Heizelement kann auch in Form einer Spule vorliegen, die entweder vertikal oder horizontal orientiert ist. Aus 6 ist ein Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 200 zu sehen, die eine um einen Hohlraum 204 geschlungene vertikale Spule 202 besitzt. Die Vorrichtung 200 besteht aus den Schichten 206–216. Unter Bezugnahme auf 6 und 6A, die eine perspektivische Ansicht der Spule 202 in Isolation ist, umfasst die Spule 202 sechs horizontale Wicklungen 218–228, die Spuren aus leitendem, auf den Schichten 206–216 abgelagertem Material sind (sie sind durch fünf mit Leiter gefüllte Durchgangslöcher 230–238 in den Schichten 208–216 miteinander verbunden).
In 7 erkennt man einen Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 250, die eine um einen Kanal 254 gewickelte horizontale Spule 252 aufweist. Die Vorrichtung 250 besteht aus den Schichten 256–264. Unter Bezugnahme auf 7 und 7A, die eine perspektivische Ansicht der Spule 252 in Isolation ist, enthält die Spule 252 sechs vertikale Elemente 268–278, die jeweils übereinander gestapelte und mit Leiter gefüllte Durchgangslöcher in den Schichten 258–262 umfassen. Die vertikalen Elemente 268–278 sind durch drei untere horizontale Elemente 280–284 und drei obere horizontale Elemente 286–290, die von den unteren Elementen 266–270 in versetztem Winkel angeordnet sind, verbunden. Die unteren Elemente 280–290 sind Spuren von auf der Schicht 256 abgelagertem leitendem Material, und die oberen Elemente 286–290 sind Spuren von auf der Schicht 262 abgelagertem leitendem Material. Elektrischer Strom wird mittels eines mit dem vertikalen Element 268 verbundenen Anschlusses 292 und eines mit dem horizontalen Element 290 verbundenen Anschlusses 294 zur Spule 252 geleitet. Die Anschlüsse 292 und 294 sind Spuren von auf der Schicht 262 abgelagertem leitendem Material.
Ob nun das Heizelement planar ist, z. B. das Heizelement 102, oder in Form einer Spule vorliegt, z. B. die Spule 202 und 252, sollte es, um wirkungsvoll funktionieren zu können, viel höheren Widerstand aufweisen als die elektrische Leiterbahn, der zu ihm führt. Die das Heizelement bildenden Leiter besitzen einen Durchmesser von vorzugsweise etwa 5 bis 8 Millizoll (0,127 bis 0,2032 mm), während die zum Heizelement führenden Leiter vorzugsweise etwa 20 bis 30 Millizoll (0,508 bis 0,762 mm) breit sind.
Eine flexiblere Steuerung der Flüssigkeitstemperatur wird durch Verwendung weiterer Komponenten erzielt. Beispielsweise ist in 8 ein Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 300 der Erfindung zu sehen, die eine um einen Hohlraum 304 geschlungene vertikale Heizspirale 302 sowie ein thermoelektrisches Kühlelement 306 enthält. Das thermoelektrische Kühlelement 306 enthält ein thermoelektrisches Element 308, das in eine der Schichten in der Nähe des Hohlraums 304 gesintert ist, und ein Paar Anschlüsse 310 und 312, die aus auf den Schichten abgelagerten leitenden Spuren und mit Leiter gefüllten Durchgangslöchern bestehen.
Das Vorsehen des Heizelements 302 und des Kühlelements 306 ermöglicht eine viel bessere Steuerung der Flüssigkeitstemperatur im Hohlraum 304. Die Fähigkeit, die Flüssigkeit im Hohlraum 304 sowohl zu erhitzen als auch abzukühlen, ermöglicht die Durchführung unterschiedlicher Verarbeitungsschritte mit unterschiedlichen Temperaturanforderungen im Hohlraum 304. insbesondere kann das thermoelektrische Kühlelement 306 dazu dienen, den Hohlraum 304 rascher zu kühlen, nachdem das Heizelement 302 abgeschaltet wurde. In einem weiteren Beispiel können das Heizelement 302 und das Kühlelement 306 gemeinsam mit einer nicht dargestellten Temperaturmessvorrichtung verwendet werden, um die Temperatur des Hohlraums 304 dynamisch auf konstantem Niveau zu halten.
9 zeigt die Struktur eines bevorzugten thermoelektrischen Elements im Detail, Eine mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung 320 besteht aus den Schichten 322–340 aus grünem Bahnmaterial. Ein Paar Hohlräume 342 und 344 ist in der Schicht 324 ausgebildet. Ein Paar Wärmeverteiler 346 und 348 bestehen aus siebgedrucktem Silber, das auf die Oberfläche der Schicht 326 aufgebracht wurde, um die Bodenfläche der Hohlräume 324 und 344 zu bilden. Ebenso besteht ein Paar Wärmeverteiler 350 und 352 aus siebgedrucktem Silber auf der Schicht 338. Ein Paar thermoelektrischer Elemente 354 und 356 besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Durchgangslöcher, die in den Schichten 328–336 ausgebildet und mit thermoelektrischem Material gefüllt sind. Wenn Strom an sie angelegt wird, übertragen die thermoelektrischen Elemente 354 und 356 Wärme von den Wärmeverteilern 350 und 352 zu den Wärmeverteilern 346 und 348, wodurch die Hohlräume 342 und 344 gekühlt werden.
Das thermoelektrische Material ist vorzugsweise Si_0,8Ge_0,2, das entweder mit Phosphor des n-Typs oder mit Bor des p-Typs dotiert wurde. Dieses Material kann gemeinsam mit den Schichten aus grünem Bahnmaterial in einer reduzierenden Atmosphäre bei 850°C gebrannt werden.
9A zeigt, wie die Durchgangslöcher vorzugsweise im thermoelektrischen Element 356 miteinander verbunden sind. Vier Gruppen übereinander gestapelter Durchgangslöcher 358–364 sind mit thermoelektrischem Material vom n-Typ gefüllt, und weitere vier Gruppen übereinander gestapelter Durchgangslöcher 366–372 sind mit thermoelektrischem Material vom p-Typ gefüllt. Die Durchgangslöcher 358–363 vom n-Typ und die Durchgangslöcher vom p-Typ sind durch leitende Spuren, die mittels Siebdruck auf die Schichten 328 und 336 aufgebracht sind, in Reihe miteinander verbunden (siehe 9A).
Es kann ein thermoelektrisches Element 380 auch in planarer Konfiguration gefertigt werden, wie dies aus 10 ersichtlich ist. In dieser Konfiguration wird das thermoelektrische Material vom n-Typ mittels Siebdruck auf die Schicht aus grünem Bahnmaterial aufgebracht, um vier Spuren 381–384 vom n-Typ zu definieren; das thermoelektrische Material vom p-Typ wird mittels Siebdruck auf die Schicht aus grünem Bahnmaterial aufgebracht, um vier Spuren 385–388 zu definieren. Die Spuren 381–384 vom n-Typ und die Spuren 385–388 vom p-Typ erstrecken sich von einer Wärmequelle 389 zu einer Wärmesenke 390. Die Spuren 381–384 vom n-Typ und die Spuren 385–388 vom p-Typ sind in Reihe miteinander verbunden (siehe 10), sodass beim Anlegen von Spannung aus einer Spannungsquelle 291 as thermoelektrische Element 380 Wärme von einer Wärmequelle 389 zu einer Wärmesenke 390 überträgt.
Obwohl die thermoelektrischen Elemente üblicherweise zur Kühlung dienen, kann man sie durch Umkehr der Polarität auch zur Erwärmung heranziehen. Beispielsweise können das thermoelektrische Element 308 und die Heizspirale 302 gemeinsam zwecks Erhitzen des Hohlraums 304 verwendet werden. Dies führt oft zu gleichmäßigerem Erhitzen.
11 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 400; sie veranschaulicht das wichtige Prinzip der Wärmeisolierung. Es erfordern unterschiedliche Prozesse, die in unterschiedlichen Teilen der Vorrichtung gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig ablaufen, möglicherweise verschiedene Temperaturen. Demzufolge ist es oft wünschenswert, für Wärmeisolierung zwischen unterschiedlichen Teilen der Vorrichtung zu sorgen, sodass verschiedene Temperaturen aufrechterhalten werden können. In der Vorrichtung 400 ist eine vertikale Heizspirale 402 um einen Hohlraum 404 geschlungen, und ein innerer Hohlraum 406 ist in einer Schicht unterhalb des Hohlraums 404 ausgebildet. Der Hohlraum 406, der vor keinen Einlass oder Auslass besitzt, wird leer gehalten, um aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zum Rest der Vorrichtung Wärmeisolierung zu bewirken. Zusätzlich zu den leeren Hohlräumen kann Wärmeisolierung erzielt werden, indem man Schichten geringer Leit fähigkeit oder Materialien geringer Leitfähigkeit den Schichten aus grünem Bahnmaterial hinzufügt.
12, die einen Teil einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung darstellt, zeigt eine weitere Möglichkeit der Temperaturregulierung. Die Vorrichtung 410 enthält eine um einen Hohlraum 414 geschlungene vertikale Heizspirale 412 und eine in den Schichten unterhalb des Hohlraums 414 ausgebildete Reihe thermischer Durchgangslöcher 416. Die thermischen Durchgangslöcher 416 umfassen vorzugsweise übereinander gestapelte Durchgangslöcher, die mit stark wärmeleitendem Material gefüllt sind, z. B. mit den Pasten zur Bildung leitender Spuren, die an die Schichten aus grünem Bahnmaterial gesintert wurden. Die thermischen Durchgangslöcher 416 wirken als Wärmesenken, die den Wärmetausch mit der Flüssigkeit im Hohlraum 414 vereinfachen. Die thermischen Durchgangslöcher 416 können sich zur Außenfläche der Vorrichtung 410 erstrecken, um thermisch mit äußeren Heiz- oder Kühlelementen wie z. B. elektrischen Heizelementen, thermoelektrischen Kühlelementen, Kühlrippen oder Wärmetauschern verbunden zu sein. Die thermischen Durchgangslöcher 416 können auch eine Wärmebahn zu inneren Komponenten wie z. B. elektrischen Heizelementen und thermoelektrischen Kühlelementen bilden.
In 13 erkennt man einen Teil einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung. Die Vorrichtung 420 enthält eine um einen Hohlraum 424 gewickelte vertikale Heizspirale 422 und einen Wärmetauscher 426. Dieser umfasst einen Flüssigkeitsdurchgang wie z. B. eine Reihe von Kanälen und Durchgangslöchern, in dem der Flüssigkeitsstrom gelenkt wird. Zumindest ein Teil des Wärmetauschers 426 grenzt zwecks guten thermischen Kontakts an den Hohlraum 424 an. Die thermischen Durchgangslöcher (in 13 nicht dargestellt) können zwischen dem Wärmetauscher 426 und dem Hohlraum 424 angeordnet sein, um den Wärmetausch zu verbessern. Auf diese Weise kann das Hindurchströmen von Flüssigkeit durch den Wärmetauscher 426 dazu dienen, Wärme von der Flüssigkeit im Hohlraum 424 entweder abzuleiten oder sie ihr zuzuführen, wodurch die Temperatur der Flüssigkeit entweder erhöht oder gesenkt wird.
Die Herbeiführung chemischer Veränderungen in der Flüssigkeit ist in zahlreichen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen ebenfalls von Bedeutung. In vielen Fällen lenken mehrere Flüssigkeitsdurchgänge in der Vorrichtung mehrere Flüssigkeiten, um eine chemische Reaktion zu bewirken. Alternativ dazu können Flüssigkeiten einem als Reaktionskammer dienenden Hohlraum hintereinander zugegeben werden.
Viele chemische Reaktionen können durch heterogene Katalysatoren erleichtert werden. Solche heterogene Katalysatoren sind hauptsächlich Metalle wie etwa Platin, Palladium und Rhodium. Katalysatoren können den mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen mittels Dickfilmtechnologie zugesetzt werden. Dabei wird eine Dickfilmpaste, die Teilchen des Metalls (der anorganischen Phase) enthält (in einem Bindemittel dispergiert), auf eine Oberfläche aus grünem Bahnmaterial vor dem Laminieren an einer Stelle aufgebracht, die einem Hohlraum oder Kanal in der fertigen Vorrichtung entspricht. Während des Brennschritts werden flüchtige Materialien aus dem Dickfilm entfernt, wodurch ein dicker Metallfilm übrig bleibt, der auch an das Material des grünen Bahnmaterials gesintert wird.
In 14 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 430 zu sehen. Die Vorrichtung enthält die Schichten 432–444. Ein Hohlraum 446 ist in den Schichten 436–442 ausgebildet. Der Hohlraum 446 ist mit einem in der Schicht 436 ausgebildeten ersten Kanal 448 und einem in der Schicht 438 ausgebildeten zweiten Kanal 450 verbunden. Ein heterogener Dickfilmkatalysator 452 ist an die Schicht innerhalb des Hohlraums 446 gesintert. In der Vorrichtung 430 dient der Hohlraum 446 als Reaktionskammer. Ein oder mehrere Reaktanden strömen aus einem oder beiden Kanälen 448 und 450 in den Hohlraum 446. Die gewünschte Reaktion wird durch den Katalysator 452 eingeleitet, und das Reaktionsprodukt fließt aus dem Hohlraum 446 durch einen oder beide Kanäle 448 und 450.
Einige Reaktionen können durch elektrochemische Katalyse erleichtert werden. Für solche Anwendungen kann die Vorrichtung 430 mit einem (nicht dargestellten) elektrischen Anschluss versehen sein, der sich zum Katalysator 452 erstreckt, um an diesen Spannung anzulegen. Der nicht dargestellte elektrische Anschluss kann eine Reihe siebgedruckter Leiterspuren und mit Leiter gefüllter Durchgangslöcher (nicht dargestellt) in den Schichten 432–444 umfassen.
Vorzugsweise ist der Katalysator 452 hochporös, um für chemische Reaktionen eine große Fläche zu bieten. Günstigerweise kann die Porosität des Katalysators 452 durch Einstellen der Zusammensetzung der aufgebrachten Dickfilmpaste gesteuert werden. In einer typischen Dickfilmpaste beträgt die anorganische Phase etwa 70–90 Gew.-%, und dies führt nach dem Sintern zu einem dichten Dickfilm. Ein poröserer Dickfilm lässt sich allerdings durch Reduzieren der anorganischen Phase auf etwa 40–60 Gew.-% erzielen.
Eine zusätzliche Steuerung der Porosität des Katalysators 452 kann durch Zugabe von submikroskopischen Polymer-Mikroperlen (vorzugsweise Polystyrol oder Acryl) zur Dickfilmpaste erreicht werden. Das Material der Polymer-Mikroperlen sollte im Bindemittel löslich sein und ist vorzugsweise entweder Polystyrol oder Acryl. Wenn die Dickfilmpaste abgelagert wird, werden die Polymer-Mikroperlen durch den Dickfilm dispergiert, um die Poren zu definieren, die schließlich im gesinterten Dickfilm vorhanden sein werden. Während des Sintervorgangs zersetzen sich die Polymer-Mikroperlen, wodurch gesteuerte submikroskopische Poren im gesinterten Dickfilm zurückbleiben.
Die Herbeiführung biologischer Veränderungen in der Flüssigkeit ist ein weiteres wichtiges Merkmal in bestimmten mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen der Erfindung. Eine der bedeutendsten davon ist der Prozess der Zelllyse. Dabei werden die Wände der in der vorliegenden Flüssigkeit vorhandenen Zellen aufgebrochen, um den Zellinhalt freizusetzen, insbesondere DNA. Die freigesetzte DNA kann dann mittels PCR oder LCR amplifiziert werden, um eine ausreichend große Probe für die Analyse bereitzustellen. Das Zelllysieren kann in den mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen der Erfin dung chemisch, thermisch, durch Anlegen starker elektrischer Felder oder durch das Anlegen von Mikrowellenenergie erfolgen. In der Erfindung findet das Lysieren von Zellen vorzugsweise durch Anlegen starker elektrischer Felder oder von Mikrowellenenergie statt. Das Anlegen von Mikrowellenenergie ist der bevorzugteste Ansatz.
Das chemische Zelllysieren kann in einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung erfolgen, indem die die Zellen enthaltende Flüssigkeit in einem Hohlraum wie z. B. dem Hohlraum 24 in der Vorrichtung 10 gehalten wird (siehe 1). Die für die Zelllyse erforderlichen Chemikalien sind z. B. Enzyme, die die Zellwände verdauen, und Detergenzien wie etwa Natriumdodecylsulfat, Natriumlaurylsulfat, Sarcosin und Triton X-100.
Die thermische Zelllyse erfordert lediglich das Erhitzen der die Zellen enthaltenden Flüssigkeit auf eine ausreichende Temperatur und über einen ausreichend langen Zeitraum. Beispielsweise ist das Erhitzen der Zellen bei einer Temperatur von 94°C über einen Zeitraum von 2 Minuten üblich. Die in 21 dargestellte Vorrichtung 700 eignet sich zur Durchführung von Zelllyse in den erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen. Die die Zellen enthaltende Flüssigkeit befindet sich im Hohlraum 720, und das Heizelement 722 leitet die Wärme zu, die erforderlich ist, um die Temperatur über den gewünschten Zeitraum aufrechtzuerhalten (wird mittels eines thermischen Sensors 724 gemessen).
Das Anlegen starker elektrischer Felder an die die Zellen enthaltende Flüssigkeit kann auch für das Lysieren von Zellen herangezogen werden. Vorzugsweise ist das elektrische Feld ein Gleichstromfeld im Bereich von etwa 1 kV/cm bis 10 kV/cm. Weitere Informationen über die Verwendung von elektrischen Feldern für die Zelllyse finden sich in S. W. Lee et al., „A Micro Cell Lysis Device“, Proceedings of IEEE: MEMS 1998, S. 443–447 (hierin durch Verweis aufgenommen).
Um diese Vorgangsweise auf die vorliegende Erfindung anzuwenden, befindet sich die die Zellen enthaltende Flüssigkeit in einem Hohlraum, an den das elektrische Feld ange legt wird, vorzugsweise mittels paralleler Platten auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums. Ein Beispiel für diese Vorrichtung 570 ist in 18 dargestellt. Die die Zellen enthaltende Flüssigkeit kann im Hohlraum 572 angeordnet und das elektrische Feld mittels der Platten 574 und 576 angelegt werden.
Die bevorzugeste Vorgangsweise besteht darin, die Zelllyse durch Anlegen von Mikrowellenenergie durchzuführen. In 15 ist ein Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 460 zu sehen, die sich für das Mikrowellen-Zelllysieren eignet. Die Vorrichtung 460 enthält einen Hohlraum 462, in dem sich die die Zellen enthaltende Flüssigkeit befindet. Zwei voneinander beabstandete Plattenelektroden 464 und 466 sind auf gegenüberliegenden Wänden des Hohlraums 462 angeordnet. Die Elektroden 464 und 466 werden vorzugsweise gebildet, indem eine metallhältige Dickfilmpaste an die Schichten aus grünem Bahnmaterial gesintert wird. Die Elektroden 464 und 466 sind Teil einer elektrischen Schaltung 468, die dem Hohlraum 462 Mikrowellenenergie zuführt. Die elektrische Schaltung enthält eine Mikrowellenquelle 470, z. B. ein Magnetron oder eine RF-Quelle mit harmonischem Ausgang, eine flussaktivierte RF-Quelle einen RF-Leistungsverstärker und eine Mikrowellenlast 476 wie z. B. einen Widerstand. Die Schaltung 468 kann aus externen Komponenten bestehen, doch es ist bevorzugter, wenn die Komponenten der Schaltung 468 einstückig mit der Vorrichtung 460 verbunden sind.
Flüssigkeitssensoren sind eine weitere Klasse wichtiger Komponenen in mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen. Flüssigkeitssensoren ermöglichen die Beobachtung verschiedener Eigenschaften der Flüssigkeit, z. B. den Stand, die Durchflussrate, die Temperatur, den pH-Wert und optische Eigenschaften.
Ein solcher Flüssigkeitssensor ist ein kapazitiver Sensor. In 16 sieht man einen Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 500 der Erfindung. Die Vorrichtung 500 besteht aus den Schichten 502 und 512 und enthält einen in der Schicht 506 ausgebildeten Kanal 516, durch den die Flüssigkeit strömen soll. Der Kanal 516 ist mit einem Flüssigkeitseinlass 518 und einem Flüssigkeitsauslass 520 verbunden. Der Einlass 518 und der Auslass 520 sind jeweils durch übereinander gestapelte und in den Schichten 502 und 504 ausgebildete Durchgangslöcher definiert. Zwei voneinander beabstandete parallele Kondensatorplatten 522 und 524 sind auf den Wänden des Kanals 516 angeordnet. Die Platten 522 und 524 werden vorzugsweise durch Siebdrucken einer metallhältigen Paste auf die entsprechenden Oberflächen der Schichten 504 bzw. 508 aus grünem Bahnmaterial ausgebildet. Die Platten 522 und 524 werden dann gemeinsam mit den Schichten 502–512 aus grünem Bahnmaterial gebrannt, nachdem diese Schichten übereinander gestapelt und miteinander laminiert wurden, um das Metall in den Platten 522 und 524 an das Material in den Schichten 504 bzw. 508 aus grünem Bahnmaterial zu sintern. Auf diese Weise werden die Platten 522 und 524 zu einem integralen Bestandteil der Vorrichtung 500. Die leitenden Anschlüsse 526 und 528 bieten eine elektrische Leiterbahn von den Platten 522 bzw. 524 zu der Oberfläche der Schicht 502, d. h. zum Äußeren der Vorrichtung 500, damit eine elektrische Verbindung zu den externen Komponenten geschaffen wird. Die leitenden Anschlüsse sind durch eine Reihe leitender Spuren auf den Oberflächen der Schichten 502–510 und den darin ausgebildeten, mit Leiter gefüllten Durchgangslöchern definiert.
Die Kondensatorplatten 522 und 524 definieren einen kapazitiven Sensor, der die Gegenwart oder Abwesenheit von Flüssigkeit im Kanal 516 nachweisen kann, indem eine Änderung der Kapazitanz wahrgenommen wird. Insbesondere ist die dielektrische Konstante von Luft 1, während die dielektrische Konstante zahlreicher Flüssigkeiten viel höher ist. Beispielsweise besitzen wässrige Lösungen eine dielektrische Konstante im Bereich von 87. Daher kann die Einleitung von Flüssigkeit in den Kanal 516 durch eine Zunahme der Kapazitanz zwischen den Kondensatorplatten 522 und 524 nachgewiesen werden. Wenn die gesamte Flüssigkeit aus dem Kanal 516 ausgetreten ist, ist die Kapazitanz auf ihren Ausgangswert gesunken. Die nicht dargestellten und elektrisch mit den Anschlüssen 526 und 528 verbundenen externen Komponenten können zur Messung dieser Kapazitanz herangezogen werden. Die nicht dargestellten externen Komponenten können die Kapazitanzmesungen über die Zeit auch integrieren, um gemeinsam mit der Flussrate auch die Gesamtmenge an Flüssigkeit zu bestimmen, die durch den Kanal 516 strömte.
In der in 16 gezeigten Ausführungsform würden die Metallplatten 522 und 524 des kapazitiven Sensors in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit im Kanal stehen. Diese direkte Kontakt ist jedoch oft unerwünscht, da bestimmte Flüssigkeiten chemisch mit dem Metall reagieren können. Außerdem ist das Metall möglicherweise mit zahlreichen biologische Materialien enthaltenden Flüssigkeiten nicht verträglich.
Um das Problem der chemischen Reaktionsfähigkeit und der eingeschränkten Bioverträglichkeit zu überwinden, können die Metallplatten des kapazitiven Sensors durch eine oder mehrere Schichten vom Kanal beabstandet sein. Dies ist in 17 dargestellt. Die mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung 530 ähnelt der Vorrichtung 500, außer dass die Kondensatorplatten 534 und 536 durch eine Schicht vom Kanal 532 beabstandet sind.
Die kapazitiven Sensoren können auch zur Messung von Flüssigkeitsständen dienen, z. B. in Hohlräumen, die als Flüssigkeitsnäpfe fungieren. In 18 sieht man einen Teil der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 540, die aus den Schichten 542–552 aufgebaut ist. Ein Napf 554 ist in den Schichten 546 und 548 ausgebildet. Die Kondensatorplatten 556 und 558 grenzen an die gegenüberliegenden Seitender Wände des Napfes 554 an. Die Platten 556 und 558 können einen Teil der Wände des Napfes 554 bilden oder von den Wänden des Napfes 554 beabstandet sein, um nicht in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit im Napf 554 zu stehen. Die Leiteranschlüsse 560 und 562 bilden eine elektrische Leiterbahn von den Platten 556 bzw. 558 zum Äußeren der Vorrichtung 540, um eine Verbindung zu den nicht dargestellten externen Komponenten herzustellen. Vorzugsweise umfassen die Kondensatorplatten 556 und 558 jeweils mit Leiter gefüllte Durchgangslöcher in den Schichten 546 und 548, die miteinander ausgerichtet gestapelt sind. Vorzugsweise umfasst der Abschnitt jeder der Kondensatorplatten 556 und 558 in jeder der Schichten 546 und 548 eine Reihe von miteinander verbundenen Durchgangslöchern, die parallel zur und im Wesentlichen über die gesamte Länge der angrenzenden Wand des Napfes 55 verlaufen. Auf diese Weise besitzt jede der Kondensatorplatten 556 und 558 jeweils eine Fläche, die im Wesentlichen die gleiche Fläche wie jene der angrenzenden Wand des Napfes 554 ist. In einer alternativen Konstruktion kann eine größere Fläche als der Napf 554 aus den Schichten 546 und 548 aus grünem Bahnmaterial gestanzt und dann mit leitender Paste gefüllt werden. Diese mit Leiter gefüllte Fläche kann dann ausgestanzt werden, um den Napf 554 zu definieren, wobei das leitende Material auf gegenüberliegenden Seiten verbleibt, um die Kondensatorplatten 556 und 558 zu definieren.
Der Napf 554 soll Flüssigkeit in einer gewissen Höhe enthalten. Der Flüssigkeitsstand im Napf 554 kann durch Messen der Kapazitanz zwischen den Platten 556 und 558 ermittelt werden. Je höher die gemessene Kapazitanz, desto höher der Flüssigkeitsstand.
Eine alternative Konstruktion ist in 19 zu sehen. Eine mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung 570 enthält einen Napf 572 sowie die Kondensatorplatten 574 und 576, die an die Spitze bzw. den Boden des Napfes 572 angrenzen. Die Platten 574 und 576 können einen Teil der oberen und unteren Wände des Napfes 572 umfassen, oder sie können beabstandet sein (z. B. durch eine oder mehrere Schichten), um nicht in direktem Kontakt zur Flüssigkeit im Napf 572 zu stehen.
Zahlreiche Flüssigkeiten wie z. B. ionische Lösungen sind leitend, sodass ihre Gegenwart oder Abwesenheit in Kanälen und Näpfen durch Widerstandssensoren detektiert werden kann. Solche Widerstandssensoren umfassen ein Paar Leiter, die sich in den Kanal oder Hohlraum erstrecken, sodass leitende Flüssigkeit eine elektrische Schaltung zwischen ihnen abschließen kann.
In 20 ist ein Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 600 zu sehen, die aus den Schichten 602–612 besteht. Ein Napf 613 ist in den Schichten 606 und 608 ausgebildet. Auf der Oberfläche der schicht 610 sind die Leiter 614 und 616 abgelagert, von denen jeder Teile der Bodenwand des Napfes 613 bildet, um so in direktem Kontakt mit der Flüssigkeit im Napf 613 zu stehen. Eine Reihe übereinander gestapelter und mit Leiter gefüllter Durchgangslöcher in den Schichten 602–606 definiert die Anschlüsse 618 und 620, die mit den Leitern 614 bzw. 616 verbunden sind. Die Anschlüsse 618 und 620 erstrecken sich zum Äußeren der Vorrichtung 600, sodass eine elektrische Verbindung zu den nicht dargestellten externen Komponenten geschaffen wird und auf diese Weise der Widerstand zwischen den Leitern 614 und 616 gemessen wird. Wenn im Napf 613 keine Flüssigkeit vorhanden ist, besteht sehr hoher Widerstand, d. h. so genannter „Leerlaufwiderstand“ zwischen den Leitern 614 und 616. Wenn jedoch leitende Flüssigkeit im Napf vorhanden ist, kann Strom zwischen den Leitern 614 und 616 fließen, sodass Widerstand entsteht, der niedriger als der „Leerlaufwiderstand“ ist. Auf diese Weise umfassen die Leiter 614 und 616 einen Widerstandssensor, der die Gegenwart oder Abwesenheit von Flüssigkeit im Napf 613 abfühlen kann.
Es stehen für den Widerstandssensor auch alternative Konfigurationen zur Verfügung. In 21 ist eine mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung 630 mit einem Napf 632 zu sehen, worin die Leiter 634 und 636 einen Teil der Wände gegenüberliegender Seiten des Napfes 632 bilden. Die Leiter 634 und 636 können durch jedes beliebige Verfahren hergestellt werden, das für die Erzeugung von Kondensatorplatten 556 und 558 in mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen 540 in Frage kommt, sofern die Kondensatoren 634 und 636 zu direktem Kontakt mit der Flüssigkeit im Napf 632 in der Lage sind.
Eine weitere mögliche Widerstandssensor-Konstruktion ist in 16 dargestellt. Insbesondere können die Kondensatorplatten 522 und 524 als die zwei Leiter eines Widerstandssensors verwendet werden, um die Gegenwart von leitender Flüssigkeit im Kanal 522 abzufühlen.
Die Gegenwart oder Abwesenheit von Flüssigkeit kann auch durch einen induktiven Sensor detektiert werden. Ein induktiver Sensor liegt vorzugsweise in Form einer um einen Kanal oder Hohlraum geschlungenen Spule vor. Beispielsweise können die um den Hohlraum 204 geschlungene vertikale Spule 202 (siehe 6 und 6A) und die um den Kanal 254 geschlungene horizontale Spule 252 (siehe 7 und 7A) als induktive Sensoren dienen. Induktive Sensoren können Flüssigkeit durch Abfühlen von Veränderungen der Induktanz detektieren. Die meisten Flüssigkeiten besitzen eine magnetische Durchlässigkeit, die sich nur sehr wenig von jener von Luft unterscheidet. In der Folge ist die Gegenwart solcher Flüssigkeiten unter Verwendung induktiver Sensoren schwierig zu detektieren. Doch Materialien mit hoher Durchlässigkeit können den Flüssigkeiten zugesetzt werden, um ihre Detektion zu vereinfachen. Solche Materialien mit hoher Durchlässigkeit liegen vorzugsweise in Form magnetischer Mikroperlen vor. Solche magnetische Mikroperlen sind typischerweise keine Permanentmagneten, sondern paramagnetisch. Das paramagnetische Material ist typischerweise ein Eisenoxid. Solche magnetische Mikroperlen besitzen typischerweise Größen im Bereich von 0,1 bis 10 μm. Das paramagnetische Material in den Mikroperlen ist vorzugsweise mit einem Polymer beschichtet oder gut darin dispergiert, um die Mikroperlen nichtreaktiv und bioverträglich zu machen. Beispiele für magnetische Mikroperlen, die zur Verwendung in den erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen geeignet sind, sind z. B. die Produkte mit den Katalognummern MC03N und MC05N, die durch Bangs Laboratories, Inc. aus Fishers, Indiana, USA vertrieben werden.
Die Oberflächen magnetischer Mikroperlen können auch dazu dienen, mit Komponenten der Flüssigkeit in Wechselwirkung zu treten. Beispielsweise können die Struktur und die Zusammensetzung der Oberflächen magnetischer Mikroperlen solcherart gesteuert werden, dass sich spezifische chemische und biologische Substanzen daran binden. Es können z. B. DNA-Moleküle an magnetische Mikroperlen befestigt werden. Die Größe magnetischer Mikroperlen, die dazu dienen, chemische Reaktionsflächen oder Bindungsstellen zu liefern, liegt typischerweise im Bereich von 0,2 bis 3 μm. Die Struktur und die praktische Handhabung magnetischer Mikroperlen sind in Bob Sinclair, „To Bead or Not to Bead: Applications of Magnetic Bead Technology“, The Scientist, Bd. 12, Nr. 13 (22. Juni, 1998) ausführlich beschrieben (hierin durch Verweis aufgenommen).
Für induktive Sensoren werden magnetische Mikroperlen der in die mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung eingeleiteten Flüssigkeit zugesetzt, um ihr hohe magnetische Durchlässigkeit zu verleihen. Auf diese Weise kann die Gegenwart oder Abwesenheit von Flüssigkeit als Veränderungen der Induktanz detektiert werden. Beispielsweise kann die Spule 202 für das Abfühlen des Flüssigkeitsstands im Hohlraum 204 herangezogen werden. Wenn keine Flüssigkeit vorhanden ist und sich somit auch keine magnetischen Mikroperlen im Hohlraum 204 befinden, ist die Induktanz der Spule 202 relativ niedrig. Mit zunehmendem Flüssigkeitsstand im Hohlraum 204 jedoch steigt auch die Anzahl magnetischer Mikroperlen im Hohlraum 204, wodurch die Induktanz der Spule 202 erhöht wird. Ebenso können Änderungen der Induktanz der Spule 252 dazu dienen, die Gegenwart oder Abwesenheit von durch den Kanal 254 strömender Flüssigkeit zu detektieren.
Die mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen der Erfindung können auch Temperatursensoren für die Messung der Temperatur der Flüssigkeit enthalten. In vielen Fällen würde man den Temperatursensor gemeinsam mit einem Heizelement zur Steuerung des Heizvorgangs verwenden. In 22 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 700 zu sehen. Die Vorrichtung 700 besteht aus den Schichten 702–718. Ein Hohlraum 720 ist in den Schichten 702–710 ausgebildet und eine Heizspirale 722 um den Hohlraum 720 geschlungen. Eine Möglichkeit der Messung der Flüssigkeitstemperatur im Hohlraum 720 besteht darin, den Widerstand der Heizspirale 722 zu messen (bezogen auf die daran angelegte Spannung und den daran angelegten Strom). Doch dieses Verfahren der Messung der Flüssigkeitstemperatur ist aufgrund der großen Differenzen zwischen der Temperatur der Heizspirale 722 und jener der Flüssigkeit wahrscheinlich unpräzise.
Ein getrennter Temperatursensor 724 liefert eine viel genauere Messung der Flüssigkeitstemperatur. Wie aus 21 und 21A zu sehen, ist der Temperatursensor 724 eine Spur aus leitendem Material, das auf die Oberfläche der Schicht 712 abgelagert ist. Der Temperatursensor 724 definiert vorzugsweise eine Spirale. Vorzugsweise wird der Tempera tursensor 724 durch Siebdrucken einer metallhältigen Paste auf die Schicht 712 aus grünem Bahnmaterial gebildet, die dann an das Material der Schicht 712 gesintert wird, wenn die Vorrichtung 700 gebrannt wird. Das leitende Material des Temperatursensors 724 sollte einen genau charakterisiert mit der Temperatur variierenden Widerstand aufweisen. Die Anschlüsse 726 und 728, die auch vorzugsweise mittels Siebdruck auf die Schicht 712 aufgebracht und an sie gesintert werden, sind an den Enden des Temperatursensors 724 angeordnet. Die Anschlüsse 730 und 732, die durch eine Reihe von Leiterspuren und mit Leiter gefüllten Durchgangslöchern 702–716 definiert sind, verbinden die Anschlüsse elektrisch mit dem Äußeren der Vorrichtung 700. Auf diese Weise können nicht dargestellte externe Komponenten dazu dienen, über die Anschlüsse 730 und 732 Strom an den Temperatursensor 724 anzulegen. Die Temperatur der Flüssigkeit im Hohlraum 720 kann dann anhand des Widerstands des Temperatursensors 724 bestimmt werden.
Der Temperatursensor 724 kann noch präziser funktionieren, indem er in einer Vier-Anschluss-Konfiguration verwendet wird (siehe 22A). Demzufolge ist es vorzuziehen, zwei zusätzliche Anschlüsse, die Anschlüsse 734 und 736, vorzusehen, die an den Übergängen 738 und 740 elektrisch mit dem Temperatursensor 724 verbunden sind. In dieser Konfiguration legen die Anschlüsse 730 und 732 einen bekannten Strom an, während die Anschlüsse 734 und 736 den Spannungsabfall zwischen den Übergängen 738 und 740 messen. Der Widerstand und somit die Temperatur können anhand des angelegten Stroms und der gemessenen Spannung berechnet werden.
Wie aus 22 ersichtlich, definiert die Schicht 712 den Boden des Hohlraums 720. Der Temperatursensor 712 würde somit in direktem Kontakt mit Flüssigkeit im Hohlraum 720 stehen. Doch in Anwendungen, in denen das Material des Temperatursensors 724 mit der Flüssigkeit im Hohlraum 720 reagieren kann oder in anderer Weise damit unverträglich ist, kann der Temperatursensor 724 um eine oder mehrere Schichten vom Hohlraum 720 beabstandet sein. Beispielsweise könnte der Temperatursensor auf der Oberfläche der Schicht 714 statt auf der Schicht 712 angeordnet sein.
Da zahlreiche chemische und biologische Reaktionen von der pH-Umgebung abhängen, können auch pH-Wert-Sensoren wichtige Komponenten in den erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen sein. Unter Anwendung von Dickfilmtechnologie können pH-Wert-Sensoren in Kanäle und Näpfe gesintert werden, um den pH-Wert der dort befindlichen Flüssigkeit zu messen. In 23 sieht man einen Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung, die aus den Schichten 802–814 aus grünem Bahnmaterial besteht. Ein erster Flüssigkeitsdurchgang 816 ist durch die Schichten 802-806 definiert, ein zweiter Flüssigkeitsdurchgang 818 ist durch die Schicht 808 definiert, und ein Hohlraum ist durch die Schichten 806–812 definiert. Ein Dickfilm-pH-Sensor 822 ist an die Schicht 814 gesintert und befindet sich am Boden des Hohlraums 820. Der Dickfilm-pH-Sensor 822 umfasst eine Schichtaus empfindlichem Glas 824, das sich auf einer Metallelektrode 826 befindet und an diese gesintert ist. Sowohl die empfindliche Glasschicht 824 als auch die Metallelektrode 826 werden vorzugsweise mittels Dickfilmtechnologie aufgebracht. Die Dickfilmpaste zur Bildung der empfindlichen Glasschicht 824 kann durch Mischen empfindlicher Pulver, vorzugsweise mit Teilchengrößen im Bereich von 10 bis 20 μm, in einem organischen Bindemittel hergestellt werden. Die empfindlichen Pulver sind typischerweise Gemische von Li₂O, CaO und/oder Na₂O mit SiO₂. Unter Verwendung dieser Zusammensetzung kann der pH-Sensor 822 einstückig mit der Schicht 814 aus grünem Bahnmaterial verbunden werden, indem Sintern bei einer Temperatur von etwa 950°C durchgeführt wird. Weitere Informationen über solche Dickfilm-pH-Sensoren finden sich in J. H. Liu et al., „Study of thick-film pH sensors“, Sensors and Actuators B, 13–14, (1993), S. 566–567 (hierin durch Verweis aufgenommen).
Ein elektrischer Anschluss 828, vorzugsweise durch eine Metallspur auf der Schicht 814 und mit Metall gefüllte Durchgangslöcher in den Schichten 801–812 definiert, liefert eine elektrische Leiterbahn von der Elektrode 826 zur äußeren Umgebung der Vorrichtung 800. Dadurch ist der pH-Sensor 822 gegenüber Wasserstoffionen in der im Hohlraum 820 enthaltenen Flüssigkeit empfindlich und kann in Kombination mit einer nicht dargestellten Referenzelektrode außerhalb der Vorrichtung 800 dazu dienen, den pH-Wert der Flüssigkeit im Hohlraum 820 zu messen.
Alternativ dazu kann die für die pH-Wert-Messung erforderliche Bezugsgröße durch die mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung selbst geliefert werden. Wie aus 24 ersichtlich, ist die mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung 830, mit einem in einem Innenhohlraum angeordneten Dickfilm-pH-Sensor 832 ausgestattet, mit einem äußeren Napf 836 versehen, der eine Referenzlösung enthält. Eine externe Referenzelektrode 838 kann sich in der Referenzlösung im äußeren Napf 836 befinden, um in Kombination mit dem pH-Sensor 832 die Messung des pH-Werts vorzunehmen.
Vorzugsweise ist die Referenzelektrode einstückig mit der Vorrichtung verbunden. Dies ist aus 25 ersichtlich. Eine mehrschichtige Mikrofluidik-Vorrichtung 840, die aus den Schichten 842–854 aus grünem Bahnmaterial besteht, enthält einen durch die Schichten 846–852 definierten Messhohlraum 856 und einen durch die Schichten 846-848 definierten Referenzhohlraum 858. Ein Dickfilm-pH-Sensor 860 ist an die Schicht 854 gesintert, um sich am Boden des Messhohlraums 856 zu befinden, und die Dickfilm-Referenzelektrode 862 ist an die Schicht 850 gesintert, um sich am Boden des Referenzhohlraums 858 zu befinden. Die elektrischen Anschlüsse 864 und 866 verbinden den pH-Sensor 860 bzw. die Referenzelektrode 862 mit der äußeren Umgebung der Vorrichtung 840, sodass eine elektrische Verbindung zu den nicht dargestellten externen Komponenten gegeben ist. Eine Referenzlösung kann dem Referenzhohlraum 858 zugesetzt werden, um eine Bezugsgröße für die pH-Wert-Messung der Flüssigkeit im Hohlraum 856 durch den pH-Sensor 862 zu liefern. Auf diese Weise wird die Anzahl der nicht dargestellten externen Komponenten für die pH-Wert-Messung minimiert.
Eine weitere wichtige Flüssigkeits-Messfunktion ist die Fähigkeit, die optischen Eigenschaften der Flüssigkeit in den Kanälen und Hohlräumen der Vorrichtung abzufühlen. Insbesondere die Gegenwart bestimmter chemischer oder biologischer Substanzen in der Flüssigkeit kann detektiert werden, indem die optische Absorption der Flüssigkeit bei einer oder mehreren Wellenlängen oder das Ausmaß, in dem die Flüssigkeit Licht aussendet, z. B. durch Fluoreszenz, bei einer oder mehreren Wellenlängen beobachtet wird. Diese Methode kann dazu dienen, den Fortgang chemischer Reaktionen in der Flüssigkeit zu überwachen. Solche optische Sensorfunktionen erfordern Materialien, die sich zwischen dem die Flüssigkeit enthaltenden Kanal oder Hohlraum und der äußeren Umgebung der Vorrichtung befinden und optisch durchlässig sind. „Optisch durchlässig“ oder „lichtdurchlässig“ bedeutet hierin, dass sichtbares und/oder UV-Licht übertragen werden kann.
Eine Möglichkeit, optische Durchlässigkeit zu erreichen, besteht darin, eine Schicht aus optisch durchlässigem Material auf der Vielzahl an lichtundurchlässigen Schichten aus grünem Bahnmaterial vorzusehen. In 26 sieht man einen Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 900, die aus einer optisch durchlässigen Schicht 901 auf lichtundurchlässigen Schichten 902–907 besteht. Ein Kanal 908 ist in der Schicht 903 und ein Hohlraum 909 in den Schichten 902–904 ausgebildet. Die lichtdurchlässige Schicht 901 kann aus Glas, Quarz, amorpher Kieselsäure, einem Polymer oder jedem anderen Material bestehen, das im gewünschten Wellenlängenbereich durchlässig ist. Vorzugsweise besteht die optisch durchlässige Schicht 901 aus grünem Bahnmaterial mit Glasteilchen, das gemeinsam mit den Schichten 902–907 gebrannt und dadurch an die lichtundurchlässige Schicht 902 gesintert wurde. Alternativ dazu kann die lichtdurchlässige Schicht 901 nach dem Brennen der Schichten 902–907 befestigt werden, z. B. mittels eines Klebers. Vorzugsweise ist der Kleber ein UV-polymerisierbarer Kleber wie z. B. Loctite 3492, der von der Loctite Corp., Hartford, Connecticut, USA vertrieben wird. Andere Kleber auf Acryl- oder Urethanbasis kommen jedoch auch in Frage. Wenn die optisch durchlässige Schicht 901 ein Polymer ist, kann sie auch durch Kompressions- oder Schmelzverbinden befestigt werden.
Wie aus 26 ersichtlich, bietet die lichtdurchlässige Schicht 901 optischen Zugang zum Hohlraum 909. Die im Hohlraum 909 stattfindenden chemischen Reaktionen können optisch überwacht werden, um zu bestimmen, wann die Reaktion anfängt oder wann sie endet. Alternativ dazu kann Flüssigkeit lediglich für optische Messungen aus dem Kanal 908 dem Hohlraum 909 zugeführt werden.
Das bevorzugte optische Sensorverfahren umfasst das Detektieren der Fluoreszenz von Flüssigkeit im Hohlraum 909. Dabei wird eine Lichtquelle mit einer ersten Wellenlänge durch die lichtdurchlässige Schicht 901 an die Flüssigkeit im Hohlraum 909 angelegt. Die Gegenwart von fluoreszierendem Licht, d. h. Licht mit einer zweiten Wellenlänge, das aus der Flüssigkeit im Hohlraum 909 durch die Schicht 901 ausstrahlt, wird dann kontrolliert. Fluoreszierende Markermoleküle können der Flüssigkeit zugesetzt werden, um dieses Verfahren zu vereinfachen.
Alternativ dazu lässt sich die Intensität des aus der Flüssigkeit im Hohlraum 909 zerstreuten Quellenlichts messen, um das Extinktionsvermögen oder die optische Dichte der Flüssigkeit zu ermitteln.
Optische Techniken bieten sich auch an, unterschiedliche Teile der Vorrichtung gleichzeitig zu überwachen. In 27 sieht man einen Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 910, der eine lichtdurchlässige Schicht 912 aufweist, die auf einer Vielzahl an Hohlräumen 914–922 in einer lichtundurchlässigen Schicht 924 angeordnet ist. Die lichtdurchlässige Schicht 912 bietet optischen Zugang zu jedem der Hohlräume 914–922. Günstigerweise können die chemischen Reaktionen in den Hohlräumen 914-922 parallel ablaufen und durch die lichtdurchlässige Schicht 912 gleichzeitig optisch überwacht werden.
Optischer Zugang kann auch durch Füllen der Durchgangslöcher mit lichtdurchlässigen Materialien ermöglicht werden. Insbesondere können die Durchgangslöcher mit Dickfilmpaste gefüllt werden, die nach dem Brennen lichtdurchlässig ist, z. B. Glasteilchen enthaltende Dickfilmpasten. Die gefüllten Durchgangslöcher werden dann mit dem Rest der Vorrichtung gebrannt, um optische Durchgangslöcher zu bilden, d. h. Durchgangs löcher, die nicht das Hindurchströmen von Flüssigkeit ermöglichen, sondern lichtdurchlässig sind.
Alternativ dazu können optische Durchgangslöcher durch Befüllen der Durchgangslöcher z. B. durch Siebdrucken gebildet werden, nachdem die Vorrichtung gebrannt wurde. Die siebgedruckten Materialien enthalten hier vorzugsweise Acryl- oder Acrylurethan-Monomere, die dann entweder thermisch oder durch Bestrahlung mit UV-Licht polymerisiert werden, um lichtdurchlässige Polymere zu bilden.
In 28 sieht man einen Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 930 aus lichtundurchlässigen Schichten 931–937. Ein Kanal 938 ist in der Schicht 934 und ein Hohlraum 939 in den Schichten 933–936 ausgebildet. Die Durchgangslöcher 940 und 941, die mit lichtdurchlässigem Material gefüllt sind, sind in den Schichten 931 bzw. 932 ausgebildet, um miteinander ausgerichtet zu sein. Auf diese Weise bieten übereinander gestapelte Durchgangslöcher 940 und 941 vom oberen Teil der Vorrichtung 930 aus optischen Zugang zur Flüssigkeit im Hohlraum 939. Ein drittes mit lichtdurchlässigem Material gefülltes Durchgangsloch 942 kann auch in der Schicht 937 ausgebildet sein, um vom unteren Teil der Vorrichtung 930 optischen Zugang zur Flüssigkeit im Hohlraum 939 zu bieten. Vorzugsweise sind die Durchgangslöcher 940, 941 und 942 alle miteinander ausgerichtet. Auf diese Weise kann Licht direkt durch die Durchgangslöcher 940, 941 und 942 gelangen sowie jede Flüssigkeit den Hohlraum 939 durchströmen, um eine bessere Messung der optischen Absorption der Flüssigkeit zu ermöglichen.
Gefüllte Durchgangslöcher können auch mit lichtdurchlässigen Schichten kombiniert sein, wie dies aus 29 ersichtlich ist. In der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 950 trennt eine lichtundurchlässige Schicht 951 eine lichtdurchlässige Schicht 952 von einem Kanal 952. Die Durchgangslöcher 954–956 sind in der Schicht 951 ausgebildet und mit lichtdurchlässigem Material gefüllt. Diese Anordnung ermöglicht das opti sche Abfühlen der Flüssigkeit an unterschiedlichen Punkten im Kanal 953, um das Strömen der Flüssigkeit durch den Kanal 953 überwachen zu können.
Horizontaler optischer Zugang wird in den mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen der Erfindung ebenfalls geboten. Dies kann durch Siebdrucken einer Dickfilmpaste erreicht werden, die nach dem Brennen auf die Oberfläche der Schichten aus grünem Bahnmaterial vor dem Laminieren und Brennen der Schichten lichtdurchlässig wird. Alternativ dazu können Lichteiter zwischen den Schichten aus grünem Bahnmaterial laminiert und gemeinsam mit dem Rest der Vorrichtung gebrannt werden.
In 30 ist ein Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 960 aus lichtundurchlässigen Schichten 961–967 dargestellt, in der ein Hohlraum 968 in den Schichten 962–964 ausgebildet ist. Ein Lichtleiter 969, der zwischen den Schichten 962 und 963 laminiert und an diese gesintert ist, erstreckt sich von der Außenfläche der Vorrichtung 960 in den Hohlraum. Auf diese Weise bietet der Lichtleiter 969 optischen Zugang zur Flüssigkeit im Hohlraum 968. Bei der Herstellung der Vorrichtung 960 wird möglicherweise gewünscht, Kanäle in die Schichten 962 und 963 einzuprägen, bevor die Lamination erfolgt, um den Lichtleiter 969 besser unterbringen zu können.
In 31 sieht man einen Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 970, die aus lichtundurchlässigen Schichten 971–977 aufgebaut ist, worin ein Hohlraum 978 in den Schichten 972–974 ausgebildet ist. Die in den Schichten 971 bzw. 972 ausgebildeten übereinander gestapelten Durchgangslöcher 979 und 980 sind mit lichtdurchlässigem, an die Schichten 971 und 972 gesintertem Material gefüllt, wie es z. B. durch Füllen der Durchgangslöcher 979 und 980 mit eine Glasteilchen enthaltenden Dickfilmpaste bereitgestellt wird. Eine optisch durchlässige Spur 981 erstreckt sich vom gefüllten Durchgangsloch 980 in den Hohlraum 978. Auf diese Weise bieten die gefüllten Durchgangslöcher 979 und 980 und die lichtdurchlässige Spur 981 optischen Zugang zur Flüssigkeit im Hohlraum 978. Vorzugsweise entsteht die Spur 981 durch Ablagern einer Dickfilmpaste, die ein lichtdurchlässiges Material wie z. B. Glasteilchen enthält, auf die Oberfläche der Schicht 973 aus grünem Bahnmaterial.
Die dritte Klasse wichtiger Komponenten in den mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung der Erfindung sind Komponenten, die die Bewegung von Flüssigkeiten oder deren Komponenten steuern. In dieser Kategorie sind Komponenten, die als „Pumpen“ dienen können, indem sie Flüssigkeitsbewegung durch die Kanäle hervorrufen.
Das Pumpen von Flüssigkeiten kann unter Anwendung des für leitende Flüssigkeiten geeigneten elektroosmotischen Pumpens oder unter Anwendung des für nichtleitende Flüssigkeiten geeigneten elektrohydrodynamischen Pumpens erfolgen. Das elektroosmotische Pumpen von leitenden Flüssigkeiten durch einen Kanal erfordert das Anlegen eines elektrischen Felds (typischerweise im Bereich von 100 bis 500 V/cm) über die Länge des Kanals. Das elektroosmotische Pumpen ist ausführlich in Andreas Manz et al., „Electroosmotic Pumping and Electropheretic Separations for Miniaturized Chemical Analysis Systems“, Journal of Micromethanical Microengineering, Bd. 4, S. 257–265 (1994) beschrieben.
In 32 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 1000 beschrieben, der elektroosmotisches Pumpen durchführt. Die Vorrichtung 1000 besteht aus den Schichten 1001–1006. Ein Hohlraum 1007 ist in den Schichten 1001–1006 ausgebildet. Ein erster Kanal 1008 ist in der Schicht 1006 und ein zweiter Kanal 1009 in der Schicht 1007 ausgebildet. Ein Paar Elektroden 1010 und 1011 ist über die Länge des Kanals 1008 beabstandet. Die Elektroden 1010 und 1011 sind vorzugsweise durch mit Leiter gefüllt Durchgangslöcher in der Schicht 1002 definiert. Leiteranschlüsse 1012 und 1013 erstrecken sich von den Elektroden 1010 bzw. 1011 zur äußeren Umgebung der Vorrichtung 1000, um eine elektrische Verbindung zu den nicht dargestellten externen Komponenten zu schaffen. Auf diese Weise kann die für das elektroosmotische Pumpen erforderliche Spannung an die Elektroden 1010 und 1011 angelegt werden. Beim Anlegen dieser Spannung kann Flüssigkeit durch den Kanal 1008 in den Hohlraum 1007 gepumpt werden.
Elektrohydrodynamisches Pumpen relativ nichtleitender Flüssigkeiten erfolgt vorzugsweise durch Anlegen eines wandernden elektrischen Felds entlang eines Flüssigkeitskanals. Beispielsweise können phasenverschobene Spannungsimpulse hintereinander an eine Reihe entlang des Flüssigkeitskanals beabstandeter Elektroden angelegt werden. Dieses Verfahren ist ausführlich in G. Fuhr, „Pumping of Water Solutions in Microfabricated Elektrohydrodynamic Systems“, Micro Electro Mechanical Systems '92 (4.–7. Februar 1992), S. 5–20 (1992) beschrieben.
33 ist eine schematische Darstellung, wie elektrohydrodynamisches Pumpen in den erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Vorrichtungen erfolgen kann. In 33 ist eine erste Schicht 1014 aus grünem Bahnmaterial (teilweise abgeschnitten dargestellt) zu sehen, in der in Kanal 1015 ausgebildet ist; außerdem erkennt man eine zweite Schicht 1015 aus grünem Bahnmaterial. Eine Reihe von Elektroden 1017–1024 ist auf der Oberfläche der Schicht 1016 aus grünem Bahnmaterial angeordnet und überspannt den Kanal 1015. Vorzugsweise sind die Elektroden 1017–1024 durch leitende Spuren definiert, die auf die Schicht 1016 aus grünem Bahnmaterial siebgedruckt und gesintert werden. Die Elektroden 1017–1024 sind vorzugsweise gleichmäßig voneinander beabstandet, wobei die Breite jeder der Elektroden 1017–1024 vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche ist. Um elektrohydrodynamisches Pumpen zu erzielen, können Spannungsimpulse an jede der Elektroden 1017–1024 mit einer vorbestimmten Phasendifferenz zwischen jeder aufeinander folgenden Elektrode angelegt werden. Die Phase der an die Elektroden 1017 und 1021 angelegten Spannungsimpulse kann z. B. die gleiche sein, wobei die Phase der Spannungsimpulse zwischen den dazwischen liegenden Elektroden 1018– 1020 kontinuierlich variiert. Vorzugsweise besitzen die Spannungsimpulse eine Maximalspannung im Bereich von 100 bis 300 V und eine Frequenz im Bereich von 100 kHz bis 30 MHz. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt vorzugsweise etwa 200 μm. Durch Anlegen von Spannungsimpulsen auf diese Weise kann Flüssigkeit durch den Kanal 1015 gepumpt werden.
Die Bewegung piezoelektrischer Elemente, die einstückig mit den mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen der Erfindung verbunden sind, kann auch zum Pumpen von Flüssigkeiten herangezogen werden. Solche piezoelektrische Elemente bestehen vorzugsweise aus einem Keramikmaterial, vorzugsweise einem Bleizirconattitanat- (PZT-) Material.
Das PZT kann den Schichten aus grünem Bahnmaterial in unterschiedlicher Weise zugeführt werden. Es kann zunächst gebrannt und dann einem Hohlraum zugeführt werden, der sich in einer ungebrannten Schicht aus grünem Bahnmaterial befindet. Dabei kann das PZT mittels eines Klebers befestigt werden, und es können durch Aufbringen von leitendem Epoxy Elektroden für das piezoelektrische Element gebildet werden.
Vorzugsweise wird das PZT gemeinsam mit den Schichten aus grünem Bahnmaterial gebrannt und an diese gesintert, um ein integraler Bestandteil der Vorrichtung zu werden. Beispielsweise kann das PZT-Material als Keramikschicht aus grünem Bahnmaterial gegossen und dann mit den anderen Schichten aus grünem Bahnmaterial laminiert und gebrannt werden. Alternativ dazu kann das PZT-Material den Hohlräumen in den ungebrannten Schichten aus grünem Bahnmaterial als Dickfilmpaste zugeführt werden. In beiden Verfahren können Elektroden auf den piezoelektrischen Elementen durch Siebdrucken metallhältiger Dickfilmpasten auf diese gebildet werden. Auf diese Weise können das PZT-Material, die Elektroden und die Schichten aus grünem Bahnmaterial alle gemeinsam gebrannt werden. Nach dem Brennen wird das PZT gepolt, indem ein elektrisches Feld (typischerweise mehr als 2000 V/mm) mittels der darauf abgelagerten Elektroden angelegt wird. Die für das Polen des PZT verwendeten Elektroden können die gleichen Elektroden wie die für das Polen verwendeten Elektroden oder andere Elektroden sein.
PZT-Materialien sind eine umfangreiche Klasse von Keramikmaterialien, die eine Vielzahl chemischer Komponenten enthalten, doch sie alle enthalten Bleitzirconattitanat der Form Pb(Zr_1-xTi_x)O₃ als Hauptkomponente, worin x von 0 bis 1 reichen kann. Geeignete Sintertemperaturen für dieses Material liegen typischerweise im Bereich von 1200°C bis 1300°C. Eine tiefere Sintertemperatur ist jedoch erforderlich, um dieses Material gemeinsam mit vielen Materialien aus grünem Bahnmaterial zu brennen. Insbesondere da der Schmelzpunkt des bevorzugten Metallisierungsmaterials, Silber, nur 961°C beträgt, besitzen die hierin verwendeten PZT-Materialien vorzugsweise eine Sintertemperatur, die unter diesem Wert liegt. Um die Sintertemperatur von PZT zu senken, können verschiedene Dotierungsmittel zugesetzt werden. Beispielsweise kann die Sintertemperatur von PZT durch die Zugabe von 2,0 Mol-% Zn²⁺, zugesetzt als ZnO, und 3,0 Mol-% Li¹⁺, zugesetzt als Li₂CO₃, auf 940°C gesenkt werden. Weitere Details über dieses Verfahren finden sich in Z. Gui et al., „Influence of Additives on Sintering Processing and Properties of High Performance Piezoelectric Ceramics“, Solid State Phenomena, Bd. 25 & 26, S. 309–316 (1992).
Noch bevorzugter kann die Sintertemperatur von PZT noch weiter, d. h. auf etwa 900 °C gesenkt werden, wie dies in US-Patent 5.792.379 (hierin durch Verweis aufgenommen) beschrieben ist. Dabei ist eine PZT-Zusammensetzung durch 94,0 bis 99,4 Gew.-% Bleizirconattitanat, 0,1 bis 1,0 Gew.-% Mangandioxid und 0,5 bis 5,0 Gew.-% Glasadditiv mit der Formel wB₂O₃-xBi₂O₃-yMeO-zCuO gekennzeichnet, worin Me aus der Gruppe bestehend aus Ca, Sr, Ba und Zn ausgewählt ist. Außerdem gilt w + x + y + z = 1, worin w von 0,001 bis 0,15 reicht, x von 0 bis 0,80 reicht, y von 0 bis 0,60 reicht und z von 0 bis 0,55 reicht.
In 34 erkennt man einen Teil einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 1030, die mit einer Art von piezoelektrischer Pumpenfunktion versehen ist. Die Vorrichtung besteht aus den Schichten 1032–1044, wobei die Schichten 1036 und 1038 aus einem piezoelektrischen Material und die anderen Schichten aus nichtpiezoelektrische Materialien enthaltendem grünem Bahnmaterial bestehen. Ein Kanal 1046 ist in der Schicht 1038 ausgebildet. Eine Elektrode 1048 ist auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 1036 ausgebildet, und eine Reihe von Elektroden 1050–1056 ist auf der unteren Fläche der piezoelektrischen Schicht 1036 ausgebildet. Ebenso ist eine Elektrode 1062 auf der unteren Fläche der piezoelektrischen Schicht 1040 ausgebildet und eine Reihe von Elektroden 1060–1066 auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 1040 ausgebildet. Die elektrisch leitenden Anschlüsse (nicht dargestellt) sind einstückig mit der Vorrichtung 1030 verbunden und verbinden die Elektroden 1048–1066 mit der äußeren Umgebung der Vorrichtung 1030, sodass die nicht gezeigten externen Komponenten Spannungen an die Elektroden anlegen können. Vorzugsweise sind die an die Elektroden 1050–1056 angelegten Spannungen zeitlich so abgestimmt, dass sie eine akustische Oberflächenwelle bilden. Insbesondere die Teile der piezoelektrischen Schicht 1034 und 1040, die mit den Elektroden 1050–1056 bzw. 1060–1066 in Kontakt stehen, ziehen und entspannen sich in koordinierter Weise abwechselnd zusammen, um Flüssigkeit durch den Kanal 1038 zu ziehen.
In 35 sieht man einen Teil einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 1070, die mit einer weiteren Art piezoelektrischen Pumpfunktion versehen ist. Die Vorrichtung 1070 besteht aus den Schichten 1072–1086. Von diesen Schichten sind die Schichten 1076 und 1082 teilweise aus piezoelektrischem Material gebildet, wodurch die piezoelektrischen Elemente 1077 und 1083 definiert werden. Ein Holraum 1088 ist in den Schichten 1074–1084 ausgebildet. Mit dem Hohlraum 1088 sind ein in der Schicht 1076 ausgebildeter Einlasskanal 1090 und ein in der Schicht 1082 ausgebildeter Auslasskanal 1092 verbunden. Die piezoelektrischen Elemente 1077 und 1083 können in zwei unterschiedlichen Weisen betrieben werden, um Flüssigkeit vom Einlasskanal 1076 in den Hohlraum 1088 sowie durch den Auslasskanal 1092 aus dem Hohlraum 1088 zu pumpen. In einem Vorgang erfolgt abwechselnd ein koordiniertes Verbiegen und Zusammenziehen der Elemente 1077 und 1083 (entweder in der Ebene des Papiers oder senkrecht dazu), um Flüssigkeit aus dem Kanal 1090 zu ziehen und sie in den Kanal 1082 zu drücken. Im zweiten Vorgang kommt es abwechselnd zu einer koordinierten Streckung und Zusammenziehung der Elemente 1077 und 1083, um die Flüssigkeit zu bewegen. Die piezoelektrischen Elemente 1077 und 1083 sind an den geeigneten Stellen zur Durchführung dieser Vorgänge mit nicht dargestellten Elektroden versehen.
Flüssigkeitspumpen können auch auf der Manipulation magnetischer Perlen beruhen. Wie oben angeführt, können der Flüssigkeit in den mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen magnetische Mikrokügelchen zugeführt werden, und es können auch bestimmte chemische und biologische Substanzen an die magnetischen Mikrokügelchen gebunden sein. Da die magnetischen Mikrokügelchen paramagnetisch sind, bewegen sie sich bevorzugt in Bereiche magnetischer Flussdichte. Demzufolge können Elektromagneten zur Manipulation magnetischer Mikrokügelchen dienen. Die Manipulation magnetischer Mikrokügelchen ermöglicht die Steuerung der Positionierung und Bewegung der daran gebundenen Substanzen. Während der Bewegung der Mikrokügelchen können sie die umgebende Flüssigkeit mitziehen, wodurch deren Strömen bewirkt wird.
In 36 sieht man einen Teil einer erfindungsgemäßen mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 1200 für die elektromagnetische Manipulation magnetischer Mikrokügelchen. Die Vorrichtung 1200 besteht aus Schichten 1202–1216 aus grünem Bahnmaterial und enthält einen in der Schicht 1204 ausgebildeten Kanal 1218. Ein Paar Elektromagneten 1220 und 1222 ist im Allgemeinen senkrecht zum Kanal 1218 ausgerichtet, um den Magnetfluss in den Kanal 1218 zu lenken. Der Elektromagnet 1220 ist mit einer vertikalen Spule 1224 versehen, die durch eine Reihe leitender Spuren und mit Leiter gefüllter Durchgangslöcher in den Schichten 1206–1216 definiert ist. Vorzugsweise befindet sich ein Kern 1226 aus einem Material mit hoher magnetischer Durchlässigkeit innerhalb der vertikalen Spule 1224. Die Struktur des Elektromagneten 1222 ähnelt jener des Elektromagneten 1220.
Der Kern 1226 ist im günstigsten Fall durch übereinander gestapelte Durchgangslöcher in den Schichten 1206–1214 definiert, die mit dem hochdurchlässigen Material gefüllt wurden. Wenn das hochdurchlässige Material des Kerns 1226 mit den Flüssigkeiten, die durch den Kanal 1218 strömen würden, unverträglich ist, kann der Kern 1226 um eine oder mehrere Schichten vom Kanal 1218 zurückversetzt sein. Das Material hoher Durchlässigkeit enthält vorzugsweise ein Ferritmaterial, z. B. Fe₃O₄, MnFe₂O₄ oder CoFe₂O₄. Das Ferrit kann auch mit Glasfritte kombiniert sein. Geeignete Ferritmaterialien sind SEI-Ferritpaste MPS #220, eine Ferritmaterialien enthaltende Dickfilmpaste, und SEI Green Tape, in dem Ferritmaterialien zu grünem Bahnmaterial gegossen sind (vertrieben durch Scrantom Engineering, Inc., Costa Mesa, CA, USA). Diese im Handel erhältlichen Materialien können bei einer Temperatur im Bereich von 850°C bis 950 °C gesintert werde, um den Kern 1226 einstückig mit dem Rest der Vorrichtung zu verbinden.
Durch Anlegen von Strom an den Elektromagneten 1220 und/oder den Elektromagneten 1222 können die in der Flüssigkeit im Kanal 1218 vorhandenen Mikrokügelchen wunschgemäß herumbewegt oder festgehalten werden. Beispielsweise werden bei ausgeschaltetem Elektromagneten 1222 und eingeschaltetem Elektromagneten 1220 die magnetischen Mikrokügelchen zum Elektromagneten 1220 gezogen und können dort festgehalten werden. Der Elektromagnet 1222 kann das eingeschaltet und der Elektromagnet 1220 ausgeschaltet werden, wodurch bewirkt wird, dass sich die zuvor festgehaltenen Mikrokügelchen zum Elektromagneten 1222 bewegen. Auf diese Weise können magnetische Mikrokügelchen entlang des Kanals 1218 bewegt werden. Demzufolge können chemische oder biologische Substanzen entlang des Kanals 1218 bewegt werden, indem sie an die magnetischen Mikrokügelchen gebunden werden. Die Bewegung magnetischer Mikrokügelchen kann Flüssigkeit auch mitziehen. Auf diese Weise können die Elektromagneten 1220 und 1222 dazu dienen, Flüssigkeit durch den Kanal 1218 zu pumpen. Für das Pumpen von Flüssigkeit sind größere magnetische Mikrokügelchen, d. h. jene mit einer Größe von mehr als etwa 5 μm, vorzuziehen.
Obwohl 36 nur zwei an einen Kanal angrenzende Elektromagneten zeigt, ist zu beachten, dass auch eine größere Anzahl an Elektromagneten verwendet werden kann, um Mikrokügelchen durch einen Kanal zu bewegen. Diese Bewegung wird typischerweise realisiert, indem die Elektromagneten hintereinander mit Energie versorgt werden, wie dies oben beschrieben ist. Elektromagneten können auch dazu dienen, magnetische Mikrokügelchen zu bewegen und somit Flüssigkeit in und aus Hohlräumen zu pumpen.
Eine alternative Konfiguration ist aus 37 ersichtlich, die einen Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 1230 der Erfindung zeigt. Die Vorrichtung 1230 besteht aus den Schichten 1232–1240, wobei ein Kanal 1242 in der Schicht 1236 ausgebildet ist. Um den Kanal 1242 sind eine erste und eine zweite horizontale Spule 1244 und 1246 geschlungen. Die Spulen 1244 und 1246 sind günstigerweise aus einer Reihe von Leiterspuren und mit Metall gefüllten Durchgangslöchern in den Schichten 1234-1240 gebildet. Vorzugsweise ist ein Material mit hoher magnetischer Durchlässigkeit, z. B. ein Ferritmaterial, in die Schichten 1234 und 1238 inkorporiert, die an den Kanal 1242 angrenzen. Die Spulen 1244 und 1246 können hintereinander mit Energie beaufschlagt werden, um die magnetischen Mikrokügelchen durch den Kanal 1242 zu bewegen. Wenn z. B. die Spule 1244 eingeschaltet und die Spule 1246 ausgeschaltet ist, werden magnetische Mikrokügelchen zur Spule 1244 gezogen. Wenn die Spule 1244 ausgeschaltet und die Spule 1246 eingeschaltet ist, bewegen sich die magnetischen Mikrokügelchen von der Spule 1244 zur Spule 1246.
Elektromagneten können auch für das Mischen oder Rühren von Flüssigkeiten verwendet werden; dabei handelt es sich um sehr wichtige Verfahren in Mikrofluidik-Vorrichtungen. Beispielsweise eignet sich das Mischen von Reaktanden dazu, ihre chemische Reaktion zu fördern. Das Rühren von Flüssigkeiten trägt dazu bei, eine gleichmäßige Temperatur und ein thermisches Gleichgewicht zu erzielen. Bei der Arbeit mit magnetische Mikrokügelchen enthaltenden Flüssigkeiten kann das Rühren die Dispersion der Mikrokügelchen durch die Flüssigkeit fördern. Doch aufgrund der kleinen Dimensionen von Kanälen und Näpfen in typischen Mikrofluidik-Vorrichtungen ist ein Großteil des Flüssigkeitsstroms laminar. Da das Mischen von Flüssigkeiten in laminarer Stömung hauptsächlich durch Diffusion erfolgt, ist das Mischen nur dann wirkungsvoll, wenn Flussturbulenzen geschaffen werden.
In 38 ist ein Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung schematisch dargestellt, die aus den Schichten 1302–1322 besteht. Ein Hohlraum 1325 ist in den Schichten 1306–1312 ausgebildet. Die mit dem Hohlraum 1325 verbundenen Kanäle 1326 und 1328 sind in der Schicht 1308 ausgebildet. Die Elektromagneten 1330 und 1332 sind in den Schichten 1314–1322 ausgebildet. Vorzugsweise enthalten die Elektromagneten 1330 und 1332 jeweils eine vertikale Spule, die durch eine Reihe leitender Spuren und mit Metall gefüllter Durchgangslöcher definiert und um einen Ferritkern geschlungen ist, der in die Schichten aus grünem Bahnmaterial gesintert wurde. Ein Magnetrührer 1334, der mit den Elektromagneten 1330 und 1332 in Wechselwirkung steht, befindet sch im Hohlraum 1325. Obwohl nur zwei Elektromagneten in 38 zu sehen sind, werden vorzugsweise zumindest vier Elektromagneten für die Steuerung des Rührers 1334 verwendet. 39 ist eine schematische Draufsicht der Schicht 1314. Vier Elektromagneten 1330–1333 sind symmetrisch unterhalb des Hohlraums 1325 angeordnet.
In dieser Konfiguration kann der Magnetrührer 1334 durch „Rotieren“ des an die Elektromagneten 1330–1333 angelegten Stroms gedreht werden. Beispielsweise bewirkt die Zunahme des den Elektromagneten 1330 und 1332 zugeführten Stroms bei gleichzeitiger Abnahme des den Elektromagneten 1331 und 1333 zugeführten elektrischen Stroms das Drehen des Magnetrührers 1334, sodass er sich mit den Elektromagneten 1330 und 1332 ausrichtet. Die Abnahme des den Elektromagneten 1330 und 1332 zugeführten Stroms bei gleichzeitiger Zunahme des den Elektromagneten 1331 und 1333 zugeführten elektrischen Stroms bewirkt das Drehen des Magnetrührers 1334 solcherart, dass er sich mit den Elektromagneten 1331 und 1333 ausrichtet. Die Rotation des Magnetrührers 1334 auf diese Weise sorgt in der Flüssigkeit im Hohlraum 1325 für turbulente Strömung, wodurch das Vermischen gefördert wird.
Der Magnetrührer 1334 kann dem Hohlraum 1325 vor dem Aufbringen der Schichten 1302 und 1304 hinzugefügt werden; dabei kommen herkömmliche „Pick-and-place“-Fertigungsgeräte zum Einsatz. Außerdem sollte der Magnetrührer 1334 größer als die Kanäle 1326 und 1328 sein, sodass nach dem Brennen der Vorrichtung 1300 der Magnetrührer 1334 innerhalb des Hohlraums 1325 eingeschlossen bleibt.
Eine weitere wichtige Klasse von Komponenten zur Steuerung der Bewegung der Flüssigkeiten umfassen Komponenten, die als Ventile fungieren. Aufgrund der sehr kleinen Dimensionen typischer Kanäle in den mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen der Erfindung wird die Wechselwirkung der Flüssigkeit mit den Wänden der Kanäle zu einem entscheidenden Phänomen. Ventile können günstigerweise als Kapillar-Stoppvorrichtungen im Flüssigkeitsdurchgang angeordnet sein. Eine Kapillar-Stoppvorrichtung umfasst typischerweise eine Diskontinuität oder Ungleichmäßigkeit im Flüssigkeitsdurchgang, die aufgrund der Kapillanrwirkung der Flüssigkeit deren Hindurchströmen bei niedrigen Drücken im Wesentlichen blockiert, aber das Hindurchströmen der Flüssigkeit bei höheren Drücken erlaubt. Eine der einfachsten Strukturen, die als Kapillar-Stoppvorrichtung dienen kann, ist eine Diskontinuität, die eine abrupte und substanzielle Änderung der Kanalgröße vorsieht. Diese Art von Diskontinuität wird oft als Kapillarriss bezeichnet. In 40 sieht man eine Schicht 1500 in einem Teil der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung, welche Schicht einen Kapillarriss 1502 enthält. Der Kapillarriss 1502 ist die Diskontinuität, wo sich ein schmaler Kanal 1504 mit einem breiten Kanal 1506 verbindet. Beispielsweise kann der schmale Kanal 1504 5 Millizoll (0,127 mm) breit sein und der breite Kanal 1506 15 Millizoll (0,381 mm) breit sein.
Der Kapillarriss 1502 funktioniert in folgender Weise. Wenn Flüssigkeit mit niedrigem Druck in den breiten Kanal 1506 eingeleitet wird, verhindert Kapillarwirkung die Flüssigkeit im Wesentlichen daran, in den schmalen Kanal 1504 zu fließen. Wenn jedoch der an die Flüssigkeit im breiten Kanal 1506 angelegte Druck einen Schwellenwert überschreitet, reicht die Kapillarwirkung der Flüssigkeit an der Kapillar-Stoppvorrichtung 1502 nicht mehr aus, die Flüssigkeit zurückzuhalten – mit dem Ergebnis, dass die Flüssigkeit dann in den schmalen Kanal 1504 fließt.
Kapillar-Stoppvorrichtungen können auch in Form von Diskontinuitäten in der Oberflächenenergie der Wände der Flüssigkeitsdurchgänge vorliegen. Insbesondere sind die meisten der in den Schichten aus grünem Bahnmaterial verwendeten Glas-, Glaskeramik- und Keramikmaterialien hydrophil. Hydrophobe Materialien können jedoch auch auf die Oberflächen der Flüssigkeitsdurchgänge aufgebracht werden, um hydrophobe Bereiche innerhalb der Flüssigkeitsdurchgänge zu definieren. Solche hydrophobe Materialien sind z. B. Organosilicium-Verbindungen sowie Titanat- und Silan-Haftvermittler. Da jedoch derartige Materialien eine niedrige Zersetzungstemperatur aufweisen, können sie typischerweise nicht mit dem Rest der Vorrichtung gebrannt werden.
Die bevorzugten hydrophoben Materialien sind bestimmte hydrophobe Glaskeramikmaterialien, da diese gemeinsam mit den Schichten aus grünem Bahnmaterial gebrannt und an sie gesintert werden können, um hydrophobe Bereiche innerhalb der Flüssigkeitsdurchgänge zu bilden. Die bevorzugten Glaskeramikmaterialien enthalten das Humitmineral Norbergit (Mg₂SiO₄·MgF₂) als wesentliche Kristallphase; siehe US-Patent 4.118.237 (hierin durch Verweis aufgenommen). Dickfilmpasten, die Teilchen dieser hydrophoben Glaskeramikmaterialien enthalten, können den Flüssigkeitsdurchgängen durch Siebdrucken hinzugefügt werden, um hydrophobe Bereiche zu definieren.
In 41 ist ein Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 1600 zu sehen, die aus den Schichten 1602–1612 besteht. Ein Kanal 1614 ist in der Schicht 1606 ausgebildet, ein Flüssigkeitseinlass 1616 umfasst in den Schichten 1602 und 1604 ausgebildete übereinander gestapelte Durchgangslöcher, und ein Flüssigkeitsauslass 1618 umfasst ebenfalls in den Schichten 1602 und 1604 ausgebildete übereinander gestapelte Durchgangslöcher. Ein hydrophober Bereich 1620 befindet sich im Kanal 1614. Der hydrophobe Bereich 1620 wird vorzugsweise ausgebildet, indem eine ein hydrophobes Glaskeramikmaterial enthaltende Dickfilmpaste mittels Siebdruck auf die Schicht 1608 vor deren Laminieren und gemeinsamem Brennen aufgebracht wird, sodass das hydrophobe Material an die Schicht 1608 gesintert wird.
Der hydrophobe Bereich 1620 dient als Kapillar-Stoppvorrichtung. Wenn Flüssigkeit dem Kanal 1614 aus dem Flüssigkeitseinlass 1616 mit niedrigem Druck zugeführt wird, fließt sie aufgrund der Diskontinuität der Oberflächenenergie nicht am hydrophoben Bereich 1620 vorbei. Doch wenn der an die Flüssigkeit angelegte Druck einen Schwellenwert überschreitet, kann die Flüssigkeit am hydrophoben Bereich 1620 vorbei aus dem Flüssigkeitsauslass 1618 strömen.
Durch Verwendung eines Paars gegenüberliegender hydrophoben Bereiche in einem Kanal kann eine sogar noch bessere Kapillar-Stoppfunktion erzielt werden. In 42 ist ein Teil einer mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 1630 mit einem Kanal 1632 dargestellt, worin sich ein paar gegenüberliegender hydrophoben Bereiche 1634 und 1636 befindet. Die hydrophoben Bereiche 1634 und 1636 werden vorzugsweise durch Siebdrucken einer hydrophoben, Glaskeramikmaterial enthaltenden Dickfilmpaste auf die Schichten 1638 und 1640 gebildet, die die untere bzw. obere Wand des Kanals 1632 definieren.
Die hydrophoben Bereiche können auch in vertikalen Kanälen vorgesehen sein. In 43 sieht man einen Teil einer aus den Schichten 1652–1662 bestehenden mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung 1650. Ein vertikaler Kanal 1664 ist in den Schichten 1652-1656 ausgebildet und ein horizontaler Kanal 1666 in der Schicht 1658 ausgebildet. Ein hydrophoben Bereich 1668, der ein an die Schicht 1654 gesintertes hydrophobes Material umfasst, umschließt einen Teil des vertikalen Kanals 1664, um eine Kapillar-Stoppvorrichtung bereitzustellen.
Das Verfahren zur Ausbildung des hydrophoben Bereichs 1668 ist schematisch in 44 dargestellt. Anfänglich wird ein überdimensioniertes Durchgangsloch 1702 in der Schicht 1654 aus grünem Bahnmaterial ausgebildet. Das Durchgangsloch 1702 wird z. B. mittels Siebdruck mit einer Dickfilmpaste 1704 gefüllt. Die Dickfilmpaste 1704 enthält Teilen eines hydrophoben Glaskeramikmaterials, die in einem Vorläufer-Bindemittel dispergiert sind. Das Vorläufer-Bindemittel kann entweder thermisch durch Anlegen einer Temperatur im Bereich von 60°C bis 75°C oder durch Bestrahlen mit UV-Licht polymerisiert werden. Vorzugsweise enthält das Vorläufer-Bindemittel Acryl-Comonomere. Die Polymerisation des Vorläufer-Bindemittels erhärtet die Dickfilmpaste, wodurch ein hydrophober Stopfen 1706 innerhalb der Schicht 1654 aus grünem Bahnmatenial entsteht. Ein Durchgangsloch 1708 wird dann durch den hydrophoben Stopfen 1706 gebildet. Die Schicht 1654 wird anschließend mit den anderen Schichten laminiert und gebrannt. Infolge des Brennens wird der hydrophobe Stopfen 1706 zum an die Schicht 1654 gesinterten hydrophoben Bereich, und das Durchgangsloch 1708 definiert einen Teil des vertikalen Kanals 1664.
Es ist zu beachten, dass die zahlreichen hierin gezeigten Ansichten der mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtung der Erfindung lediglich bestimmte Komponenten veranschaulichen sollen, die in einer praktisch verwendeten Vorrichtung enthalten sein können. Die mehrschichtigen Mikrofluidik-Vorrichtungen der Erfindung können je nach ihrem konkreten Verwendungszweck verschiedene Kombinationen und Anordnungen der hier dargestellten Grundkomponenten aufweisen.
Außerdem wurden verschiedene Ausführungsformen hierin erläutert, wobei zu beachten ist, dass diverse Änderungen und Ersetzungen sowie Umgestaltungen und Kombinationen der vorherigen Ausführungsformen für Fachleute auf dem Gebiet der Erfindung realisierbar sind, ohne vom Schutzbereich der in den Patentansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen monolithischen Struktur aus einer Vielzahl von Schichten aus grünem Bahnmaterial; wobei die Vielzahl von Schichten aus grünem Bahnmaterial ein Polymer-Bindemittel aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) das Auftragen eines Klebers auf eine erste Oberfläche der ersten Schicht, wobei der Kleber ein Kleberpolymer enthält, das sich vom Polymer-Bindemittel unterscheidet, wobei das Kleberpolymer bei einer höheren Temperatur zersetzt wird als das Polymer-Bindemittel; (b) das Übereinanderstapeln der Vielzahl von Schichten aus grünem Bahnmaterial, um eine mehrschichtige Struktur aus grünem Bahnmaterial zu bilden, wobei der Kleber zwischen der ersten Oberfläche der ersten Schicht und einer zweiten Oberfläche der zweiten Schicht angeordnet ist; (c) gegebenenfalls das Wiederholen der Schritte (a) und (b), um der mehrschichtigen Struktur aus grünem Bahnmaterial weitere Schichten aus grünem Bahnmaterial hinzuzufügen; (d) das Brennen der mehrschichtigen Struktur aus grünem Bahnmaterial für einen vorbestimmten Zeitraum, um eine vorbestimmte Sintertemperatur zu erreichen, wodurch die im Wesentlichen monolithische Struktur gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung einer im Wesentlichen monolithischen Struktur aus einer Vielzahl von Schichten aus grünem Bahnmaterial, wobei die Vielzahl von Schichten aus grünem Bahnmaterial zumindest eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei die Vielzahl von Schichten aus grünem Bahnmaterial ein Polymerbindemittel aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) das Auftragen eines Klebers auf eine erste Oberfläche der ersten Schicht, wobei der Kleber ein Kleberpolymer umfasst, das sich vom Polymer-Bindemittel unterscheidet; (b) das Übereinanderstapeln der Vielzahl von Schichten aus grünem Bahnmaterial, um eine mehrschichtige Struktur aus grünem Bahnmaterial zu bilden, wobei der Kleber zwischen der ersten Oberfläche der ersten Schicht und einer zweiten Oberfläche der zweiten Schicht angeordnet ist; und (c) gegebenenfalls das Wiederholen der Schritte (a) und (b), um der mehrschichtigen Struktur aus grünem Bahnmaterial weitere Schichten aus grünem Bahnmaterial hinzuzufügen; (d) das Laminieren der mehrschichtigen Struktur aus grünem Bahnmaterial mit einem Druck von weniger als 172,4 bar (2.500 psi); und (e) das Brennen der mehrschichtigen Struktur aus grünem Bahnmaterial für einen vorbestimmten Zeitraum, um eine vorbestimmte Sintertemperatur zu erreichen, wodurch die im Wesentlichen monolithische Struktur gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Druck in Schritt (d) unter 69 bar (1.000 psi) liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Druck in Schritt (d) unter 20,7 bar (300 psi) liegt.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Druck in Schritt (d) unter 6,9 bar (100 psi) liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Kleberpolymer eine Temperatur bei halber Zersetzung aufweist, die höher als die Temperatur bei halber Zersetzung des Polymer-Bindemittels liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, worin das Kleberpolymer eine Temperatur bei halber Zersetzung aufweist, die 25 bis 100°C über der Temperatur bei halber Zersetzung des Polymer-Bindemittels liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin das Kleberpolymer eine Temperatur bei maximaler Zersetzungsrate aufweist, die höher ist als die Temperatur bei maximaler Zersetzungsrate des Polymer-Bindemittels ist.
Verfahren nach Anspruch 8, worin das Kleberpolymer eine Temperatur bei maximaler Zersetzungsrate aufweist, die 25 bis 100°C über der Temperatur bei maximaler Zersetzungsrate des Polymer-Bindemittels liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin das Polymer-Bindemittel thermische Zersetzung primär durch "Zippöffnung" erfährt und das Kleberpolymer thermische Zersetzung primär durch statistische Spaltung erfährt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin das Kleberpolymer ein Polymer umfasst, das Ethylengruppen in der Hauptkette aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, worin das Kleberpolymer ein Polymer umfasst, das aus der aus Vinylacetat-Ethylen- und Ethylen-Vinylacrylsäure-Copolymeren bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, worin das Polymerbindemittel ein Polymer umfasst, das aus der aus Acrylsäure-Polymeren und Acrylsäure-Copolymeren bestehenden Gruppe ausgewählt ist.