DE102007060352A1 - Device for electronically compatible thermal controlling of integrated micro-systems on basis of active temperature sensitive hydraulic gels, has component, which produces temperature field - Google Patents
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- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
- B81B7/0083—Temperature control
- B81B7/0087—On-device systems and sensors for controlling, regulating or monitoring
Abstract
Description
Einleitungintroduction
Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur elektronikkompatiblen Ansteuerung integrierter aktiver Mikrosysteme auf Basis temperatursensitiver Hydrogele mit einer hohen Dichte aktiver Elemente.The The invention relates to devices for electronics-compatible control integrated active microsystems based on temperature-sensitive Hydrogels with a high density of active elements.
Stand der TechnikState of the art
Analog
der Entwicklung der Mikroelektronik erwartet man in der Mikrosystemtechnik
von Systemen mit hohem Integrationsgrad exorbitante technologische
Fortschritte vor allem in den Schlüsseltechnologien der
Biotechnologie, Medizintechnik und Molekularbiologie. Einige Wissenschaftler
küren die integrierte Mikrosystemtechnik gar zur „Technologie
des 21. Jahrhunderts". Die Eigenschaftsprofile der beiden verfügbaren
hochintegrationsfähigen Mikrotechnologien, die siliziumbasierte
Mikrosystemtechnik und die mikropneumatische polymerbasierte Mikrofluidik,
lassen nicht zwangläufig erwarten, dass sie eine umfängliche
technische Revolution tragen können. Aufgrund der kostenintensiven
Fertigung eignet sich die siliziumbasierte Technologie inklusive
diverser Hybridtechnologien, welche z. B. Piezo- oder Formgedächtnisaktoren
integrieren, praktisch ausschließlich für einzelne
Anwendungen hochwertiger hochintegrierter Systeme, deren wohl bisher
größtes Erfolgsbeispiel Spiegelarraysysteme sind
[
Einfachste Funktionsstrukturen lassen sich wohl nur mit einem Material realisieren, welches ein für die Mikrosystemtechnik ähnlich geeignetes Eigenschaftsprofil wie das Silizium für die Mikroelektronik besitzt.easiest Functional structures can probably only be realized with one material, which is similar to microsystem technology suitable property profile as the silicon for the Microelectronics owns.
Materialien,
welche aufgrund ihrer Multifunktionalität und ihrer Prozessierbarkeit
und Strukturierbarkeit diesem Aspekt potenziell entsprechen, sind
stimuli-sensitive Hydrogele. Sie offerieren eine Fülle
sensorischer, aktorischer und anderer aktiver Grundfunktionen. Ihre
zunächst problematische elektrische Ansteuerbarkeit wurde
durch die Entwicklung einer thermisch-elektronischen Schnittstelle
unter Nutzung temperatursensitiver Hydrogele ermöglicht
und in einer Reihe fluidischer Grundelemente umgesetzt (
Viele der genannten Mikrosysteme bieten nur dann bedeutende Vorteile, wenn sie höherintegriert sind, d. h., eine hohe Dichte aktiver Komponenten besitzen. Dies ist aber mit dem bislang vorliegenden Technik-Stand für hydrogelbasierte Mikrosysteme nicht zu erreichen, da die geschilderten thermi schen Ansteuerungen nicht einmal annähernd die notwendige Auflösung erreichen. Aufgrund des Effektes der Wärmeausbreitung sind Komponentenabstände kleiner 2 mm praktisch kaum realisierbar. Dies liegt daran, dass meist weniger Wärme über die Oberfläche des Mikrosystems an die Umgebung abgegeben als zugeführt wird und es zu einer gesamtheitlichen Erwärmung des Systems kommt.Lots of these microsystems offer significant benefits only if if they are more highly integrated, d. h., a high density own active components. But this is with the hitherto existing Engineering booth not suitable for hydrogel-based microsystems reach, as the described thermal drives rule not once approaching the necessary resolution. Due to the effect of heat propagation are component distances less than 2 mm virtually impossible to realize. This is because of that usually less heat over the surface of the microsystem delivered to the environment as supplied and it becomes a holistic warming of the system comes.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Einrichtung zur elektronikkompatiblen thermisch-elektrischen Ansteuerung zu schaffen, welche die Realisierung hochintegrierter mikrotechnischer Systeme auf Basis temperaturempfindlicher Materialien, insbesondere temperatursensitiver Hydrogele, ermöglicht.task The invention is therefore a device for electronics compatible thermal-electrical control to create the realization highly integrated micro-technical systems based on temperature-sensitive Materials, especially temperature-sensitive hydrogels allows.
Beschreibung und BeispieleDescription and examples
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 15 angegeben.According to the invention the object is achieved by the features specified in claim 1. Advantageous embodiments are in the claims 2 to 15 indicated.
Das Prinzip der Erfindung besteht in der zeitlich und räumlich definierten Steuerung eines temperaturempfindlichen Multikomponentensystems durch ein Temperaturfeld. Die Temperaturfeldsteuerung besitzt den Vorteil, dass alle Komponenten im Inneren des räumlich definierten Temperaturfeldes gleichzeitig beeinflusst werden. Die exakte Zuordnung eines Ansteuerelementes zu einer steuerbaren Komponente ist nicht mehr notwendig, so dass bedeutend mehr und auch einfachere technische Möglichkeiten zur Realisierung der Ansteuerung bestehen. Eine essentielle Voraussetzung der Temperaturfeldsteuerung ist die T-Feld-Stabilisierung durch Abführung überschüssiger Wärme per aktiver Temperierung. Das Auflösungsvermögen und die erreichbaren Temperaturdifferenzen, lassen sich konstruktiv durch die Art und Dicke des Substratmaterials sowie durch den das Temperaturfeld erzeugenden Energieeintrag bestimmen.The Principle of the invention consists in the temporal and spatial defined control of a temperature-sensitive multicomponent system through a temperature field. The temperature field control has the advantage that all components are inside the spatially defined Temperature field can be influenced simultaneously. The exact assignment a drive element to a controllable component is not more necessary, so that significantly more and also simpler technical Possibilities for the realization of the control exist. An essential requirement of temperature field control is the T-field stabilization by dissipation of excess Heat by active temperature control. The resolution and the achievable temperature differences, can be constructive by the nature and thickness of the substrate material and by the Determine the temperature field generating energy input.
Durch die Temperatur der Temperierung lässt sich zudem die Lage des Temperaturarbeitsbereiches einstellen.By the temperature of the tempering can also be the location of the temperature working range.
Die Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The Invention is intended to be closer to some embodiments be explained. In the accompanying drawings demonstrate:
Stellvertretend
für weitere Anwendungs- und Gestaltungsmöglichkeiten
wird anhand von
Wie
Um
zwei benachbarte Komponenten (
Diese
Abstände werden durch den in
Der
Arbeitstemperaturbereich ΔTW sollte
sich möglichst im annähernd linearen Bereich der
Temperaturkurve befinden, da in diesem Fall das kleinstmögliche ΔxW erreicht wird. Es empfiehlt sich deshalb,
die Temperaturdifferenz TU – TB entsprechend groß zu wählen.
Vorteilhaft ist zudem, dass sich mit zunehmender TU – TB ΔxW weiter
verringert, da sich der Anstieg des annähernd linearen
Temperaturkurven-Bereiches vergrößert. Das Auflösevermögen
lässt sich bei gleichem Substratmaterial durch die Substratdicke
dS und die effektiv applizierte Heizleistung
PH beeinflussen. Eine Verringerung der Substratdicke
bewirkt eine Verringerung von ΔxW, allerdings
muss in diesem Fall zum Erreichen einer jeweils gleichen Temperatur
des Feldes (
Entsprechend
den Gesetzmäßigkeiten der Wärmeausbreitung kann die Differenz zwischen
oberer (TU) und Basistemperatur TB durch die Dicke dS des
Substrates und die Wärmeleitfähigkeit λS des Substratmaterials konstruktiv voreingestellt
werden.
Der räumlich definierte Eintrag der Heizleistung auf die Substratoberfläche kann mit unterschiedlichen technischen Prinzipien erfolgen. Im wesentlichen lassen sich elektroni sche Systeme, welche befähigt sind, im erforderlichen Maß einen räumlich definierten (Heiz-)Energieeintrag zu realisieren, in optische und resistive Geräte einteilen.Of the spatially defined entry of the heating power on the substrate surface can be done with different technical principles. Essentially can be electronic systems, which are capable to the extent required a spatially defined (Heating) energy input to realize in optical and resistive devices organize.
Optische
Ansteuerungen basieren auf der Umwandlung der Lichtenergie in Wärmeenergie
durch Absorption. Diese Energiewandlung erfolgt entweder auf der
Oberfläche des Substrates (
Als
Projektionssysteme eignen sich potenziell Laser-Projektoren, Transmissions-Flüssigkristall-Displays
(liquid crystal display LCD) und Mikrospiegelgeräte (digital
micromirror devices DMD).
Die
Umwandlung von Licht in Wärmeenergie lässt sich
durch den Einsatz von Absorbermaterialien (
Mikrospiegel-Geräte projizieren das Licht einer Quelle durch Reflektion auf eine Abbildungsebene. In Abhängigkeit von der Neigung der einzelnen Mikrospiegel auf dem DMD-Chip wird das Licht entweder direkt zur Optik bzw. Abbildungsebene reflektiert oder zu einem Absorber geleitet, d. h., jeder einzelne Bildpunkt lässt sich vollständig beleuchten oder ausblenden. Beliebige Helligkeiten zwischen diesen Extrema lassen sich durch eine pulsweitenmodulierte Spiegel-Ansteuerung erreichen. Aufgrund der Kantenlänge eines Einzelspiegels von etwa 12 μm lassen sich mit der DMD-Technik und einem relativ geringen Abbildungsverhältnis Ansteuerungen mit höchstem Auflösungsvermögen realisieren. Da die DMD-Chips laut Herstellerangaben bei Wasserkühlung Bilder mit bis zu 40.000 lm projizieren können, erlaubt die DMD-Technik auch hinsichtlich der Leistungsfähigkeit einen solchen Betrieb.Micromirror devices project the light from a source by reflection onto an image plane. Depending on the inclination of each micromirror on the DMD chip, the light is either directly to the optics or imaging plane reflected or directed to an absorber, d. h., every single one Pixel can be fully illuminated or hide. Leave any brightness between these extremes can be achieved by a pulse width modulated mirror drive. Due to the edge length of a single mirror of about 12 microns can be with the DMD technique and a relative low imaging ratio drives with highest Realize resolution. Because the DMD chips according to the manufacturer in water cooling pictures with up to can project to 40,000 lm, allows the DMD technique also in terms of performance one such Business.
Einzellasersysteme basieren meist auf kommerziell erhältlichen Systemen, so z. B. optische Pinzetten. Sie eignen sich prinzipiell ebenfalls für optische Ansteuerungen, da sie hochenergetisches Licht definierter Wellenlänge in räumlich exakt definierter Weise aufbringen können. Allerdings sind die Gerätschaften sehr aufwändig und kostenintensiv.Single Laser Systems are mostly based on commercially available systems, so z. As optical tweezers. They are also suitable in principle for optical controls, as they use high energy light defined wavelength in spatially exactly defined Can muster way. However, the equipment is very expensive and expensive.
Den
vermeintlich einfachsten Aufbau bieten resistive Ansteuersysteme,
wie eines beispielhaft in
Die
erfindungsgemäße Temperaturfeldsteuerung ist insbesondere
für aktive Mikrosysteme mit Komponenten auf Basis temperatursensitiver
Hydrogele gedacht. Temperatursensitive Hydrogele sind Vertreter
der „stimuli-sensitiven" bzw. „smarten" Hydrogele
[
Für die aktiven Komponenten hoherintegrierter Mikrosysteme sind besonders kovalent vernetzte temperatursensitive Hydrogele interessant, da diese mehrmals betätigt werden können.For the active components of high-integrated microsystems are special covalently cross-linked temperature-sensitive hydrogels interesting because These can be operated several times.
Diese
Hydrogele sind in der Lage, ihren Volumenquellungsgrad bei einer
sehr geringen Temperaturänderung drastisch zu verändern.
Es sei darauf verwiesen, dass temperatursensitive Komponenten von Mikrosystemen auch auf schmelzfähigen Stoffen beruhen können. Materialien, die im Bereich der Raumtemperatur, beispielsweise zwischen –20°C und +120°C durch Temperatureinwirkung zu einer Aggregatzustandsänderung zwischen flüssig und fest bzw. flüssig und hochviskos (unbedeutende Fließeigenschaften) angeregt werden können, sind beispielsweise Öle und Fette, Paraffine bzw. Alkane oder Wachse. Halbfeste Paraffine bzw. Weichparaffin besitzen z. B. Schmelztemperaturen zwischen 45°C und 65°C, Petrolatum bzw. Vaseline besitzt Schmelztemperaturen im Bereich von 38°C und 60°C. Weitere temperaturempfindliche Komponenten können auf Formgedächtnislegierungen, z. B. Nitinol, basieren.It It should be noted that temperature-sensitive components of microsystems may also be based on meltable substances. Materials that are in the range of room temperature, for example between -20 ° C and + 120 ° C by temperature action to an aggregate state change between liquid and solid or liquid and highly viscous (insignificant flow properties) can be stimulated, are, for example, oils and fats, paraffins or alkanes or waxes. Semi-solid paraffins or soft paraffin have z. B. melting temperatures between 45 ° C and 65 ° C, Petrolatum or Vaseline has melting temperatures in the range from 38 ° C and 60 ° C. Other temperature sensitive Components may be based on shape memory alloys, z. Nitinol based.
Ein
lichtoptisch generiertes Temperaturfeld (z. B. mit einem Videoprojektor)
baut sich innerhalb von wenigen hundert Millisekunden vollständig
auf und ist zumindest in der Lage, langsam bewegte Bilder oder Ansteuermuster
in Echtzeit als Temperaturfeld abzubilden. Es ist meist deutlich
schneller als die Ansprechzeiten der anzusteuernden Komponenten.
Wie
Das Temperaturfeld muss keine zusammenhängende Fläche sein. Insbesondere bei Mikrofluidik-Prozessoren wird das Temperaturfeld ein veränderliche Steuermuster sein, wobei einzelne Bereiche des Steuermusters bzw. Temperaturfeldes auch über unterschiedliche Temperaturen verfügen können, welches wichtig ist, um Komponenten in Positionen zwischen ihren Endzustaänden halten zu können. Derartige Temperaturunterschiede lassen sich mit lichtoptischen Transmissions-basierten Ansterungen durch Änderungen der Displaytransparenz, bei Spiegelsystemen beispielsweise durch die Beleuchtungsfrequenz (beides beeinflusst jeweils die „Helligkeit"), und bei resistiven Ansteuerungen durch Einstellen der Heizleistung erreichen.The Temperature field does not have a contiguous area be. Especially in microfluidic processors, the temperature field be a variable control pattern, with individual areas of the control pattern or temperature field also on different Temperatures, which is important about components in positions between their final states to be able to hold. Allow such temperature differences with light-optical transmission-based annotations due to changes the display transparency, in mirror systems, for example by the illumination frequency (both affect the "brightness"), and in resistive driving by adjusting the heating power to reach.
Die Temperaturfeld-basierte Ansteuerung ermöglicht die Realisierung höherintegrierter Mikrosysteme insbesondere auf Hydrogelbasis, indem sie das dafür notwendige Auflösevermögen und die notwendige Technik bereitstellt. So können nun taktile Displays, steuerbare Stempel für den Mikrokontaktdruck, Arrays aus vielen Speicherzellen, Ventil-Arrays, Pumpensystemen, hydrogelbasierte Oberflächen, Spiegel-Arrays, Mikrofluidik-Prozessoren usw. mit der erforderlichen Auflösung und dem erforderlichen Integrationsgrad betrieben werden.The Temperature field-based control allows the realization more highly integrated microsystems, especially hydrogel-based, by having the necessary dissolving power and provides the necessary technology. So can now tactile displays, controllable stamps for microcontact printing, Arrays of many memory cells, valve arrays, pump systems, hydrogel-based surfaces, mirror arrays, microfluidic processors etc. with the required resolution and required Degree of integration.
- 11
- Substratsubstratum
- 22
- Temperierungtempering
- 33
- Temperaturfeld, beheizte SubstratoberflächeTemperature field, heated substrate surface
- 44
- Unbeheizte SubstratoberflächeUnheated substrate surface
- 55
- LichtprojektionssystemLight projection system
- 66
- Lampelamp
- 77
- Mikro-Transmissions-Flüssigkristall-DisplayMicro-transmissive liquid crystal display
- 88th
- Lichtstrahlbeam of light
- 99
- Optikoptics
- 1010
- Elektronische Steuerungelectronic control
- 1111
- zu steuerndes Mikrosystemto controlling microsystem
- 1212
- Mikrosystem mit Ansteuerungmicrosystems with control
- 1313
- Transmissions-TFT-Flüssigkristall-DisplayTransmission TFT liquid crystal display
- 1414
- Steuergerätcontrol unit
- 1515
- Resistives Panelresistive panel
- 1616
- Komponentecomponent
- 16a16a
- beheizte, angesteuerte Komponenteheated, controlled component
- 16b16b
- unbeheizte, nicht angesteuerte Komponenteunheated, uncontrolled component
- 1717
- Absorberabsorber
- PH P H
- Heizleistung, effektiv applizierteHeating capacity, effectively applied
- ΔT.DELTA.T
- maximale Temperaturdifferenzmaximum temperature difference
- ΔTW ΔT W
- ArbeitemperaturbereichProcessing temperature range
- TB T B
- Basistemperaturbase temperature
- TU T U
- Maximale Temperaturmaximum temperature
- TW,U T W, U
- Obere ArbeitstemperaturUpper working temperature
- TW,B T W, B
- Untere ArbeitstemperaturLower working temperature
- dS d S
- Substratdickesubstrate thickness
- ff
- Brennweitefocal length
- ΔxW Δx W
- Auflösevermögen, minimaler KomponentenabstandResolving power, minimum component distance
- xB x B
- Distanz, bei der die Substratoberfläche die Basistemperatur TB besitztDistance at which the substrate surface has the base temperature T B
- xK x K
- Komponentenbreitecomponent width
- xR x R
- RastermaßPitch
- xU x U
- Distanz zwischen x(TU) und x(TW,U)Distance between x (T U ) and x (T W, U )
- λS λ S
- Wärmeleitfähigkeitthermal conductivity
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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DE200710060352 DE102007060352A1 (en) | 2007-12-12 | 2007-12-12 | Device for electronically compatible thermal controlling of integrated micro-systems on basis of active temperature sensitive hydraulic gels, has component, which produces temperature field |
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DE200710060352 DE102007060352A1 (en) | 2007-12-12 | 2007-12-12 | Device for electronically compatible thermal controlling of integrated micro-systems on basis of active temperature sensitive hydraulic gels, has component, which produces temperature field |
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DE102007060352A1 true DE102007060352A1 (en) | 2009-06-18 |
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DE200710060352 Ceased DE102007060352A1 (en) | 2007-12-12 | 2007-12-12 | Device for electronically compatible thermal controlling of integrated micro-systems on basis of active temperature sensitive hydraulic gels, has component, which produces temperature field |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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Representative=s name: KAILUWEIT & UHLEMANN PATENTANWAELTE PARTNERSCH, DE Representative=s name: , |
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Owner name: TECHNISCHE UNIVERSITAET DRESDEN, DE Free format text: FORMER OWNERS: RICHTER, ANDREAS, DR., 01219 DRESDEN, DE; PASCHEW, GEORGI, DIPL.-ING., 01159 DRESDEN, DE Effective date: 20121031 Owner name: TECHNISCHE UNIVERSITAET DRESDEN, DE Free format text: FORMER OWNER: ANDREAS RICHTER,GEORGI PASCHEW, , DE Effective date: 20121031 |
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R012 | Request for examination validly filed |
Effective date: 20121126 |
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R016 | Response to examination communication | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |