DE60031540T2

DE60031540T2 - Mikromechanische pump- und ventilsysteme

Info

Publication number: DE60031540T2
Application number: DE60031540T
Authority: DE
Inventors: A. Marc Pasadena UNGER; Hou-Pu Pasadena CHOU; A. Todd Pasadena THORSEN; Axel Laguna Beach Scherer; R. Stephen San Marino QUAKE
Original assignee: California Institute of Technology CalTech
Current assignee: California Institute of Technology CalTech
Priority date: 1999-06-28
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2020-06-28
Also published as: ATE215673T1; ATE290166T1; EP2309130A2; CA2721172C; US6408878B2; US20010054778A1; US8104515B2; IL147302A; EP1065378A2; EP1194693B1; DE60018425D1; CN100402850C; US20010033796A1; US20080210322A1; ATE343724T1; WO2001001025A2; US20120328834A1; MXPA01012959A; WO2001001025A3; JP2006247830A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft mikrogefertigte Strukturen und Verfahren für die Herstellung von mikrogefertigten Strukturen, sowie mikrogefertigte Systeme zur Regulierung eines Fluidstroms.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es wurden verschiedene Vorgehensweisen bei der Konstruktion von Mikrofluidik-Pumpen und -Ventilen versucht. Leider ist jede dieser Vorgehensweisen mit ihren eigenen Einschränkungen behaftet.
Die zwei häufigsten Verfahren zur Herstellung von mikroelektromechanischen (MEMS) Strukturen wie Pumpen und Ventilen sind die Massenmikrobearbeitung auf Siliziumbasis (wobei es sich um ein subtraktives Fertigungsverfahren handelt, wobei Einkristallsilizium lithographisch gemustert bzw. strukturiert wird und dann geätzt wird unter Bildung von dreidimensionalen Strukturen), und die Oberflächenmikrobearbeitung (wobei es sich um ein additives Verfahren handelt, in dem Schichten aus Materialien vom Halbeiter-Typ, wie Polysilizium, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, und verschiedene Metalle sequenziell hinzugefügt und gemustert werden zur Bildung dreidimensionaler Strukturen).
Ein Einschränkung der ersten Vorgehensweise der Mikrobearbeitung auf Siliziumbasis ist, dass die Steifigkeit der verwendeten Halbleitermaterialien hohe Betätigungskräfte erfordert, was wiederum zu großen und komplexen Designs bzw. Ausführungen führt. In der Tat sind sowohl Massen- als auch Oberflächenmikrobearbeitungsverfahren durch die Steifigkeit der verwendeten Materialien beschränkt. Ferner ist die Adhäsion zwischen verschiedenen Schichten der angefertigten Vorrichtung ebenfalls ein Problem. Zum Beispiel müssen bei der Massenmikrobearbeitung Wafer-Bonding- bzw. -Ver bindungstechniken zur Erzeugung mehrschichtiger Strukturen eingesetzt werden. Demgegenüber schränken bei der Oberflächenmikrobearbeitung thermische Spannungen zwischen den verschiedenen Schichten der Vorrichtung die Gesamtdicke der Vorrichtung häufig auf etwa 20 Mikrometer ein. Bei der Anwendung eines der oben genannten Verfahren sind eine Fertigung in einem sauberen Raum und eine sorgfältige Qualitätskontrolle erforderlich.
Duffy et al., "Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane)" (Schnelle Prototyperstellung von Mikrofluidiksystemen in Poly(dimethylsiloxan), Analytical Chemistry (1998), Bd. 70, Nr. 23, 4974–4984, wandten die Photolithographie an, um ein positives Relief von Photoresist auf Siliziumwafer herzustellen. Glasständer wurden auf den Wafer platziert, um Reservoirs für Analyte und Puffer zu definieren. Poly(dimethylsiloxan) (PDMS) wurde dann gegossen und auf dem Siliziumwafer gehärtet. Der PDMS-Abdruck wurde dann von dem Silizium-Master abgelöst, um ein Netzwerk von Kanälen, die durch das positive Relief von Photoresist gebildet werden, und Reservoiren, die durch die Glasständer gebildet werden, zum Vorschein zu bringen. Der PDMS-Abdruck wurde dann auf eine obere Oberfläche einer ebenen Platte aus PDMS platziert. Beide Platten aus PDMS wurden dann irreversibel versiegelt, um ein einzelnes Netzwerk von Kanälen in einer Einzelschicht aus PDMS zu bilden.
Qin et al., "Elastomeric Light Valves" (Elastomer-Lichtventile), Advanced Materials (1997), Bd. 9, Nr. 5, 407–410, offenbart einen gefertigten Poly(dimethylsiloxan) (PDMS)-Block für die Verwendung als ein Ventil zur Regulierung der Ausbreitung von Licht. Diese Arbeiter verwendeten einen PDMS-Einzelblock mit ungefähr quadratischen pyramidenförmigen Merkmalen auf einer Oberfläche, eingebettet zwischen Glasplatten. Luftzwischenräume, die durch den Kontakt zwischen den Pyramidenmerkmalen und Glas erzeugt wurden, wurden mit einer opaken Farbstofflösung gefüllt. Ohne Kompression gelangte Licht nur durch die Spitzen der Pyramidenmerkmale auf dem PDMS und wurde durch die Farbstofflösung über dem Rest des Bereichs der PDMS-Oberfläche blockiert. Als ein vertikaler Druck gegen die Glasplatten ausgeübt wurde, wurden die Spitzen der Pyramidenmerkmale verformt, was die Größe der Öffnungen erhöhte und damit die Intensität des hindurchtretenden Lichts verstärkte.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung legt Systeme zur Fertigung und zum Betrieb von mikrogefertigten Strukturen, wie Auf-/Zu-Ventilen, Schaltventilen und Pumpen, dar, die z. B. aus verschiedenen miteinander verbundenen Schichten von Elastomer bestehen. Die vorliegenden Strukturen und Verfahren eignen sich ideal für die Regulierung und Kanalisierung von Fluidbewegung, sind aber nicht hierauf beschränkt.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt verwendet die vorliegende Erfindung ein Mehrschicht-Soft- bzw. Weich-Lithographie-Verfahren zum Bau von integrierten (d. h. monolithischen) mikrogefertigten Elastomerstrukturen.
Vorteile der Fertigung der vorliegenden Strukturen durch Verbinden von Schichten aus weichen Elastomermaterialien schließen den Fakt ein, dass die resultierenden Vorrichtungen um mehr als zwei Größenordnungen an Größe im Vergleich mit Vorrichtungen auf Siliziumbasis verkleinert werden. Weitere Vorteile der schnellen Prototyperstellung, einfachen Fertigung und Biokompatibilität werden ebenfalls erzielt.
Gemäß bevorzugten Aspekten der Erfindung werden getrennte Elastomerschichten auf mikrobearbeiteten Gussformen gefertigt, sodass Aussparungen in jeder der verschiedenen Elastomerschichten gebildet werden. Durch Verbinden dieser verschiedenen Elastomerschichten miteinander bilden die entlang der verschiedenen Elastomerschichten verlaufenden Aussparungen Strömungskanäle und Steuerleitungen durch die resultierende monolithische, integrale Elastomerstruktur. In verschiedenen Anwendungen der Erfindung können diese Strömungskanäle und Steuerleitungen, die in der Elastomerstruktur gebildet sind, betätigt werden, um als Mikropumpen und Mikroventile zu fungieren, wie noch erläutert wird.
Gemäß weiteren optionalen Aspekten der Erfindung wird die monolithische Elastomerstruktur in dichtender Weise auf die Oberseite eines ebenen Substrats aufgebracht, wobei Strömungskanäle zwischen der Oberfläche des ebenen Substrats und den Aussparungen gebildet werden, welche sich entlang der unteren Oberfläche der Elastomerstruktur erstrecken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die vorliegenden monolithischen Elastomerstrukturen durch Verbinden von zwei getrennten Schichten aus Elastomer aufgebaut, wobei jede Schicht zuerst getrennt von einer mikrobearbeiteten Gussform gegossen wird. Vorzugsweise ist das verwendete Elastomer ein Zweikomponenten-Zugabe-Härtungsmaterial, in welchem die untere Elastomerschicht einen Überschuss von einer Komponente aufweist, während die obere Elastomerschicht einen Überschuss einer weiteren Komponente aufweist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das verwendete Elastomer Silikonkautschuk. Zwei Schichten aus Elastomer werden getrennt ausgehärtet. Jede Schicht wird getrennt gehärtet, bevor die obere Schicht auf die untere Schicht positioniert wird. Die zwei Schichten werden dann miteinander verbunden. Jede Schicht weist vorzugsweise einen Überschuss von einer der zwei Komponenten auf, sodass reaktive Moleküle an der Grenzfläche zwischen den Schichten verbleiben. Die obere Schicht wird auf der unteren Schicht aufgebaut und erwärmt. Die zwei Schichten verbinden sich unumkehrbar, sodass die Festigkeit der Grenzfläche der Festigkeit des Massenelastomers nahe kommt oder dieser gleicht. Dies erzeugt eine monolithische dreidimensional gemusterte Struktur, die vollständig aus zwei Schichten aus miteinander verbundenem Elastomer aufgebaut ist. Zusätzliche Schichten können hinzugefügt werden durch einfaches Wiederholen des Verfahrens, wobei neue Schichten, von denen jede eine Schicht von entgegengesetzter "Polarität" aufweist, gehärtet werden und dadurch miteinander verbunden werden.
Gemäß einem zweiten bevorzugten Aspekt wird eine erste Photoresistschicht auf einer ersten Elastomerschicht abgeschieden. Die erste Photoresistschicht wird dann gemustert und hinterlässt eine Leitung oder ein Leitungsmuster von Photoresist auf der oberen Oberfläche der ersten Elastomerschicht. Eine weitere Schicht aus Elastomer wird dann hinzugefügt und gehärtet, unter Einkapselung der Leitung oder des Leitungsmusters von Photoresist. Eins zweite Photoresistschicht wird hinzugefügt und gemustert, und eine weitere Schicht aus Elastomer wird hinzugefügt und gehärtet, wobei die Leitung und Leitungsmuster von Photoresist in einer monolithischen Elastomerstruktur eingekapselt bleiben. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, um mehr eingekapselte Muster und Elastomerschichten hinzuzufügen. Im Anschluss wird das Photoresist entfernt und lässt (einen) Strömungskanal(-kanäle) und (eine) Steuerungsleitung(en) in den Zwischenräumen zurück, welche von dem Photoresist eingenommen worden wa ren. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, um Elastomerstrukturen mit einer Vielzahl an Schichten zu erzeugen.
Ein Vorteil der Musterung von Merkmalen von mäßiger Größe (>/= 10 Mikrometer) unter Verwendung eines Photoresist-Verfahrens ist, dass ein hochauflösender Diafilm als Kontaktmaske verwendet werden kann. Dies erlaubt es einem einzelnen Wissenschaftler, die Gussform zu entwerfen, drucken und zu mustern und ein neues Set von Elastomer-Gussvorrichtungen zu erzeugen, typischerweise alles innerhalb von 24 Stunden.
Ein weiterer Vorteil jeder der oben genannten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, dass aufgrund von deren monolithischer oder integraler Natur (d. h. alle Schichten bestehen aus dem gleichen Material) Adhäsionsversagen zwischen den Schichten und thermische Spannungsprobleme vollständig vermieden werden.
Weitere Vorteile der bevorzugten Anwendung der vorliegenden Erfindung eines Silikonkautschuks oder Elastomers, wie RTV 615, hergestellt von General Electric, ist, dass dieser für sichtbares Licht durchlässig ist und damit eine mehrschichtige optische Reihe bzw. Objektivkonstruktion möglich macht, wodurch eine optische Abfrage verschiedener Kanäle oder Kammern in der Mikrofluidikvorrichtung ermöglicht werden. Da passend gestaltete Elastomerschichten als Linsen und optische Elemente dienen können, erlaubt das Verbinden von Schichten die Erzeugung mehrschichtiger optischer Reihen. Ferner ist GE RTV 615-Elastomer biokompatibel. Da sie weich sind, bilden geschlossene Ventile eine gute Abdichtung, selbst wenn es kleine Teilchen in dem Strömungskanal gibt. Silikonkautschuk ist ebenfalls biokompatibel und billig, insbesondere im Vergleich mit einem Einkristallsilizium.
Monolithische Elastomerventile und -pumpen umgehen auch viele der praktischen Probleme, welche Strömungssysteme auf Basis einer elektroosmotischen Strömung beeinträchtigen. Typischerweise sind elektroosmotische Strömungssysteme mit Blasenbildung um die Elektroden behaftet und die Strömung ist stark von der Zusammensetzung des Strömungsmediums abhängig. Die Blasenbildung schränkt die Anwendung einer elektroosmotischen Strömung in Mikrofluidikvorrichtungen stark ein, wodurch es schwierig wird, funktionierende integrierte Vorrichtungen zu konstruieren. Die Größe der Strömung und selbst deren Richtung hängt typischerweise in einer komplexen Weise von der Ionenstärke und dem Typ, dem Vorhandensein von Tensiden und der Belastung auf den Wänden des Strömungskanals ab. Da darüber hinaus ständig eine Elektrolyse erfolgt, kann die letztendliche Fähigkeit von Puffer, pH-Veränderungen zu widerstehen, ebenfalls erreicht werden. Außerdem tritt die elektroosmotische Strömung stets in Konkurrenz mit Elektrophorese auf. Da unterschiedliche Moleküle unterschiedliche elektrophoretische Mobilitäten aufweisen können, kann es zu einer unerwünschten elektrophoretischen Abtrennung in der elektroosmotischen Strömung kommen. Schließlich kann die elektroosmotische Strömung nicht leicht zum Stoppen einer Strömung, zum Anhalten einer Diffusion oder zum Ausgleichen von Druckunterschieden angewandt werden.
Ein weiterer Vorteil des vorliegenden monolithischen Elastomerventils und der Pumpenstrukturen ist, dass sie bei sehr hohen Geschwindigkeiten betätigt werden können. Zum Beispiel erreichten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung eine Ansprechzeit für ein Ventil mit wässriger Lösung darin in einem Größenbereich von einer Millisekunde, sodass das Ventil mit Geschwindigkeiten öffnet und schließt, die 100 Hz nahe kommen oder höher sind. Insbesondere schließt eine nicht-exklusive Auflistung von Bereichen der Zyklengeschwindigkeiten für das Öffnen und Schließen der Ventilstruktur zwischen etwa 0,001 und 10000 ms, zwischen etwa 0,01 und 1000 ms, zwischen etwa 0,1 und 100 ms und zwischen etwa 1 und 10 ms ein. Die Zyklengeschwindigkeiten hängen von der Zusammensetzung und der Struktur eines Ventils, die für eine spezielle Anwendung verwendet werden, und der Methode der Betätigung ab, und somit würden Zyklengeschwindigkeiten außerhalb der aufgelisteten Bereiche in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.
Weitere Vorteile der vorliegenden Pumpen und Ventile sind, dass deren kleine Größe sie schnell macht und deren Weichheit dazu beiträgt, sie langlebig zu machen. Darüber hinaus erlaubt, da sie linear mit dem angewandten Differenzialdruck schließen, diese lineare Beziehung die Fluiddosierung und das Schließen des Ventils trotz hoher Gegendrücke.
Bei verschiedenen Aspekten der Erfindung gehen eine Vielzahl von Strömungskanälen durch die Elastomerstruktur hindurch, wobei eine zweiter Strömungskanal sich über einen ersten Strömungskanal erstreckt und oberhalb von diesem verläuft. Bei diesem Aspekt der Erfindung trennt eine dünne Membran aus Elastomer den ersten und zweiten Strömungskanal. Wie erläutert wird, unterbricht die Abwärtsbewegung dieser Membran (aufgrund der Tatsache, weil der zweite Strömungskanal unter Druck gesetzt wird oder die Membran auf andere Weise betätigt wird) den durch den unteren Strömungskanal fließenden Strom.
Bei optionalen bevorzugten Aspekten der vorliegenden Systeme werden eine Vielzahl von einzeln ansteuerbaren Ventilen gebildet, die in einer Elastomerstruktur miteinander verbunden sind und dann der Reihe nach aktiviert werden, sodass ein peristaltisches Pumpen erreicht wird. Komplexere Systeme einschließlich Netzwerk- oder Multiplexsteuersysteme, gezielt ansteuerbarer Ventile, die in einem Netz von Ventilen angeordnet sind, Netzwerk- oder Multiplex-Reaktionskammersysteme und Biopolymer-Synthesesysteme sind ebenfalls beschrieben.
Eine Ausführungsform einer mikrogefertigten Elastomerstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Elastomerblock, der mit ersten und zweiten mikrogefertigten Aussparungen darin gebildet ist, wobei ein Teilbereich des Elastomerblocks biegbar ist, wenn der Teilbereich angesprochen wird.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Mikrofertigung einer Elastomerstruktur umfasst die Schritte der Mikrofertigung einer ersten Elastomerschicht, der Mikrofertigung einer zweiten Elastomerschicht; das Positionieren der zweiten Elastomerschicht auf die erste Elastomerschicht und das Verbinden der unteren Oberfläche der zweiten Elastomerschicht mit der oberen Oberfläche der ersten Elastomerschicht.
Eine erste alternative Ausführungsform eines Verfahrens der Mikrofertigung einer Elastomerstruktur umfasst die Schritte des Bildens einer ersten Elastomerschicht auf einer ersten mikrobearbeiteten Gussform, wobei die erste mikrobearbeitete Gussform wenigstens eine erste erhöhte Ausbuchtung aufweist, welche wenigstens einen ersten Kanal in der unteren Oberfläche der ersten Elastomerschicht bildet. Eine zweite E lastomerschicht wird auf einer zweiten mikrobearbeiteten Gussform gebildet, wobei die zweite mikrobearbeitete Gussform mindestens eine zweite erhöhte Ausbuchtung aufweist, welche mindestens einen zweiten Kanal in der unteren Oberfläche der zweiten Elastomerschicht bildet. Die untere Oberfläche der zweiten Elastomerschicht wird mit einer oberen Oberfläche der ersten Elastomerschicht verbunden, sodass der wenigstens eine zweite Kanal von der ersten und zweiten Elastomerschicht umschlossen ist.
Eine zweite alternative Ausführungsform eines Verfahrens der Mikrofertigung einer Elastomerstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte des Bildens einer ersten Elastomerschicht auf einem Substrat, des Härtens der ersten Elastomerschicht und des Abscheidens einer ersten Opferungsschicht auf der oberen Oberfläche der ersten Elastomerschicht. Ein Teilbereich der ersten Opferungsschicht wird entfernt, sodass ein erstes Muster aus Opferungsmaterial auf der oberen Oberfläche der ersten Elastomerschicht zurückbleibt. Eine zweite Elastomerschicht wird über der ersten Elastomerschicht gebildet, wodurch das erste Muster aus Opferungsmaterial von der ersten und zweiten Elastomerschicht umschlossen wird. Die zweite Elastomerschicht wird gehärtet und danach wird Opferungsmaterial entfernt, wodurch wenigstens eine erste Aussparung zwischen der ersten und zweiten Elastomerschicht gebildet wird.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens der Betätigung einer elastomeren Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Vorsehen eines Elastomerblocks, der mit ersten und zweiten mikrogefertigten Aussparungen darin gebildet ist, wobei die erste und zweite mikrogefertigte Aussparung durch einen Teilbereich der Struktur getrennt sind, welcher in die erste oder zweite Aussparung durchbiegbar ist, wenn sich der andere aus der ersten und zweiten zurückzieht. Eine der Aussparungen wird unter Druck gesetzt, sodass der Teilbereich der Elastomerstruktur, welcher die zweite Aussparung von der ersten Aussparung trennt, in die anderen der zwei Aussparungen durchgebogen wird.
Bei anderen optionalen bevorzugten Aspekten können magnetische oder leitfähige Materialien hinzugefügt werden, um Schichten des Elastomers magnetisch oder elektrisch leitend zu machen, womit die Erzeugung aller elektromagnetischen Elastomervorrichtungen ermöglicht wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Teil I – Die 1 bis 7A veranschaulichen aufeinander folgende Schritte eines ersten Verfahrens zur Fertigung der vorliegenden Erfindung wie folgt:
Die 1 ist eine Illustration einer ersten Elastomerschicht, die auf einer mikrobearbeiteten Gussform gebildet ist.
Die 2 ist eine Illustration einer zweiten Elastomerschicht, die auf einer mikrogefertigten Gussform gebildet ist.
Die 3 ist eine Illustration der Elastomerschicht von 2, die von der mikrogefertigten Gussform entfernt ist und über die Elastomerschicht von 1 positioniert ist.
Die 4 ist eine Illustration, die der 3 entspricht, die aber die zweite Elastomerschicht auf der ersten Elastomerschicht angeordnet zeigt.
Die 5 ist eine Illustration, die der 4 entspricht, die aber die erste und zweite Elastomerschicht miteinander verbunden zeigt.
Die 6 ist eine Illustration, die der 5 entspricht, aber die erste mikrogebildete Gussform als entfernt und ein ebenes Substrat an deren Stelle positioniert darstellt.
Die 7A ist eine Illustration, die der 6 entspricht, aber die Elastomerstruktur dichtend auf das ebene Substrat aufgebracht zeigt.
Die 7B ist eine Schnittvorderansicht, die der 7A entspricht, welche einen offenen Strömungskanal zeigt.
Die 7C–7G sind Illustrationen, welche die Schritte eines Verfahrens zur Bildung einer Elastomerstruktur mit einer aus einer getrennten Elastomerschicht gebildeten Membran zeigen.
Teil II – die 7H zeigt das Schließen eines ersten Strömungskanals durch Unter-Druck-Setzen eines zweiten Strömungskanals wie folgt:
Die 7H entspricht der 7B, zeigt aber einen ersten Strömungskanal, welcher durch Unter-Druck-Setzung im zweiten Strömungskanal geschlossen ist.
Teil III – Die 8 bis 18 veranschaulichen aufeinander folgende Schritte eines zweiten Verfahrens zur Fertigung der vorliegenden Erfindung wie folgt:
Die 8 ist eine Illustration einer ersten Elastomerschicht, die auf einem ebenen Substrat abgeschieden ist.
Die 9 ist eine Illustration, die eine erste Photoresistschicht zeigt, die auf der ersten Elastomerschicht von 8 abgeschieden ist.
Die 10 ist eine Illustration, die das System von 9 zeigt, wobei aber ein Teilbereich der ersten Photoresistschicht entfernt ist und somit nur eine erste Photoresistleitung zurückbleibt.
Die 11 ist eine Illustration, die eine zweite Elastomerschicht aufgebracht auf die erste Elastomerschicht über der ersten Photoresistleitung von 10 zeigt, wodurch das Photoresist von der ersten und zweiten Elastomerschicht eingeschlossen wird.
Die 12 entspricht der 11, zeigt aber die integrierte monolithische Struktur, die erzeugt wird, nachdem die erste und zweite Elastomerschicht miteinander verbunden wurden.
Die 13 ist eine Illustration, die eine zweite Photoresistschicht zeigt, die auf der integralen Elastomerstruktur von 12 abgeschieden ist.
Die 14 ist eine Illustration, die das System von 13 zeigt, wobei aber ein Teilbereich der zweiten Photoresistschicht entfernt ist und eine zweite Photoresistleitung zurückbleibt.
Die 15 ist eine Illustration, die eine dritte Elastomerschicht zeigt, die auf die zweite Elastomerschicht und über der zweiten Photoresistleitung von 14 aufgebracht ist, wodurch die zweite Photoresistleitung von der Elastomerstruktur von 12 und der dritten Elastomerschicht eingekapselt wird.
Die 16 entspricht der 15, zeigt aber die dritte Elastomerschicht im gehärteten Zustand, um mit der aus der zuvor verbundenen ersten und zweiten Elastomerschicht bestehenden monolithischen Struktur verbunden zu werden.
Die 17 entspricht der 16, zeigt aber die erste und zweite Photoresistleitung im entfernten Zustand, um zwei senkrechte überlappende, sich aber nicht kreuzende Strömungskanäle vorzusehen, die durch die integrierte Elastomerstruktur hindurchgehen.
Die 18 ist eine Illustration, die das System von 17 zeigt, wobei aber das ebene Substrat darunter entfernt ist.
Teil IV – Die 19 und 20 zeigen weitere Details von verschiedenen Strömungskanalquerschnitten wie folgt:
Die 19 zeigt einen rechteckigen Querschnitt eines ersten Strömungskanals.
Die 20 zeigt den Strömungskanalquerschnitt mit einer gekrümmten oberen Oberfläche.
Teil V – Die 21 bis 24 zeigen Versuchsergebnisse, erhalten durch bevorzugte Ausführungsformen des vorliegenden mikrogefertigten Ventils:
Die 21 veranschaulicht die Ventilöffnung vs. den angewandten Druck für verschiedene Strömungskanäle.
Die 22 veranschaulicht das Zeitverhalten eines 100 μm × 100 μm × 10 μm-RTV-Mikroventils.
Teil VI – die 23A bis 33 zeigen verschiedene mikrogefertigte Strukturen, die gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung zu einem Netzwerk verbunden sind:
Die 23A ist eine schematische Draufsicht eines Auf-/Zu-Ventils.
Die 23B ist eine Schnittansicht eines Aufrisses entlang der Linie 23B-23B in 23A.
Die 24 ist eine schematische Draufsicht eines Peristaltik- bzw. Schlauchpumpensystems.
Die 24B ist eine Schnittansicht eines Aufrisses entlang der Linie 24B-24B in 24A.
Die 25 ist eine Kurve, die experimentell erzielte Pumpraten vs. die Frequenz für eine Ausführungsform des peristaltischen Pumpsystems von 24 zeigt.
Die 26A ist eine schematische Draufsicht einer Steuerungsleitung, die Mehrfachströmungsleitungen gleichzeitig betätigt.
Die 26B ist eine Schnittansicht eines Aufrisses entlang der Linie 26B-26B in der 26A.
Die 27 ist eine schematische Illustration eines Multiplexsystems, das so ausgelegt ist, um die Strömung durch verschiedene Kanäle zuzulassen.
Die 28A ist eine Draufsicht einer Strömungsschicht einer ansteuerbaren Reaktionskammerstruktur.
Die 28B ist eine Draufsicht von unten einer Steuerungskanalschicht einer ansteuerbaren Reaktionskammerstruktur.
Die 28C ist eine perspektivische Explosionsansicht der ansteuerbaren Reaktionskammerstruktur, die durch Verbinden der Steuerungskanalschicht von 28B mit der Oberseite der Strömungsschicht von 28A gebildet wird.
Die 28D ist eine Schnittansicht eines Aufrisses, die der 28C entspricht, entlang der Linie 28D-28D in 28C.
Die 29 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das so ausgelegt ist, um gezielt Fluidströmung in irgendeine einer Anordnung von Reaktionsvertiefungen zu leiten.
Die 30 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das für die selektierbare laterale Strömung zwischen parallelen Strömungskanälen ausgelegt ist.
Die 31A ist eine Draufsicht von unten der ersten Schicht (d. h. der Strömungskanalschicht) aus Elastomer einer schaltbaren Strömungsanordnung.
Die 31B ist eine Draufsicht von unten einer Steuerungskanalschicht einer schaltbaren Strömungsanordnung.
Die 31C zeigt die Ausrichtung der ersten Elastomerschicht von 31A mit einer Reihe von Steuerungskanälen in der zweiten Elastomerschicht von 31B.
Die 31D zeigt ebenfalls die Ausrichtung der ersten Elastomerschicht von 31A mit der anderen Reihe von Steuerungskanälen in der zweiten Elastomerschicht von 31B.
Die 32 ist eine schematische Darstellung eines integrierten Systems für die Biopolymersynthese.
Die 33 ist eine schematische Darstellung eines weiteren integrierten Systems für die Biopolymersynthese.
Die 34 ist eine optische Mikrophotographie eines Schnitts einer Teststruktur mit sieben miteinander verbundenen Elastomerschichten.
Die 35A–35D zeigen die Schritte einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Fertigung einer Elastomerschicht mit einem darin gebildeten vertikalen Durchgangsloch.
Die 36 zeigt eine Ausführungsform einer Sortiervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 37 zeigt eine Ausführungsform einer Vorrichtung für Strömungsprozessgase über einem Halbleiterwafer in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 38 zeigt eine Explosionsansicht einer Ausführungsform einer Mikrospiegel-Arraystruktur in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 39 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Brechungsvorrichtung in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 40 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Brechungsvorrichtung in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 41 zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer Brechungsvorrichtung in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 42A–42J zeigen Ansichten einer Ausführungsform einer Vorrichtung einer normal geschlossenen Ventilstruktur in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 43 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung von Trennungen in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 44A–44D zeigen Draufsichten, welche den Betrieb einer Ausführungsform einer Zellenboxstruktur in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Die 45A–45B zeigen Drauf- und Querschnittsansichten, welche den Betrieb einer Ausführungsform einer Zellkäfigstruktur in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Die 46A–46B zeigen Querschnittsansichten, welche den Betrieb einer Ausführungsform einer Zellenmühlenstruktur in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Die 47 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Druckoszillatorstruktur in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die 48A und 48B zeigen Draufsichten, welche den Betrieb einer Ausführungsform einer von der Seite betätigten Ventilstruktur in Überstimmung mit der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
In der 49 ist der Young-Modul versus die prozentmäßige Verdünnung von GE RTV 615-Elastomer mit GE SF96-50-Silikonfluid aufgetragen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst eine Vielzahl an mikrogefertigten Elastomerstrukturen, welche als Pumpen oder Ventile eingesetzt werden können. Verfahren zur Fertigung der bevorzugten Elastomerstrukturen werden ebenfalls dargelegt.
Verfahren zur Fertigung der vorliegenden Erfindung:
Zwei exemplarische Verfahren zur Fertigung der vorliegenden Erfindung werden hierin bereitgestellt. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Fertigung durch das eine oder andere dieser Verfahren beschränkt ist. Vielmehr werden auch andere geeignete Verfahren der Fertigung der vorliegenden Mikrostrukturen, einschließlich der Modifizierung der vorliegenden Verfahren, in Betracht gezogen.
Die 1 bis 7B veranschaulichen sequenzielle Schritte eines ersten bevorzugten Verfahrens der Fertigung der vorliegenden Mikrostruktur (die als eine Pumpe oder ein Ventil verwendet werden kann). Die 8 bis 18 veranschaulichen sequenzielle Schritte einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Fertigung der vorliegenden Mikrostruktur (die auch als eine Pumpe oder ein Ventil verwendet werden kann).
Wie erklärt wird, beinhaltet das bevorzugte Verfahren der 1 bis 7B die Verwendung von vorgehärteten Elastomerschichten, welche zusammengefügt und verbunden werden. Umgekehrt beinhaltet das bevorzugte Verfahren der 8 bis 18 das Härten jeder Schicht aus Elastomer "an Ort und Stelle". In der folgenden Beschreibung bezieht sich "Kanal" auf eine Aussparung in der Elastomerstruktur, welche einen Fluidstrom oder Gas beinhalten kann.
Das erste exemplarische Verfahren:
Bezug nehmend auf die 1 wird eine mikrobearbeitete Gussform 10 bereitgestellt. Die mikrobearbeitete Gussform 10 kann durch eine Reihe von herkömmlichen Silizium-verarbeitenden Verfahren gefertigt werden, darin eingeschlossen, aber nicht beschränkt auf, Photolithographie, Ionenätzen und Elektronenstrahl-Lithographie.
Wie zu sehen ist, weist die mikrobearbeitete Gussform 10 eine erhöhte Leitung oder Ausbuchtung 11 auf, die sich entlang dieser erstreckt. Eine erste Elastomerschicht 20 wird auf die Gussform 10 gegossen, sodass eine erste Aussparung 21 in der unteren Oberfläche der Elastomerschicht 20 gebildet wird (die Aussparung 21 entspricht in der Abmessung der Ausbuchtung 11), wie gezeigt.
Wie in 2 zu sehen ist, wird eine zweite mikrobearbeitete Gussform 12 mit einer erhöhten Ausbuchtung 13, die sich entlang dieser erstreckt, vorgesehen. Eine zweite Elastomerschicht 22 wird auf die Gussform 12 gegossen, wie gezeigt, sodass eine Aussparung 23 in deren unteren Oberfläche gebildet wird, die den Abmessungen der Ausbuchtung 13 entspricht.
Wie in den in den 3 und 4 veranschaulichten sequenziellen Schritten zu sehen ist, wird die zweite Elastomerschicht 22 dann von der Gussform 12 entfernt und auf die erste Elastomerschicht 20 platziert. Wie zu sehen ist, bildet die Aussparung 23, die entlang der unteren Oberfläche der zweiten Elastomerschicht 22 verläuft, einen Strömungskanal 32.
Bezug nehmend auf die 5, werden die getrennte erste und zweite Elastomerschicht 20 und 22 (4) danach miteinander verbunden unter Bildung einer integrierten (d. h. monolithischen) Elastomerstruktur 24.
Wie in dem sequenziellen Schritt der 6 und 7A zu sehen ist, wird die Elastomerstruktur 24 dann von der Gussform 10 entfernt und auf ein ebenes Substrat 14 positioniert. Wie in 7A und 7B zu sehen ist, bildet, wenn die Elastomerstruktur 24 an ihrer unteren Oberfläche auf das ebene Substrat 14 dichtend aufgebracht wurde, die Aussparung 21 einen Strömungskanal 30.
Die vorliegenden Elastomerstrukturen bilden eine reversible hermetische Abdichtung mit nahezu jedem glatten ebenen Substrat. Ein Vorteil der Bildung einer Abdichtung auf diese Weise ist, dass die Elastomerstrukturen abgelöst, gewaschen und wiederverwendet werden können. Gemäß bevorzugten Aspekten ist das ebene Substrat 14 Glas. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Glas ist, dass Glas transparent ist, wodurch eine optische Abfrage von Elastomerkanälen und -reservoiren ermöglicht wird. Alternativ kann die Elastomerstruktur mit einer flachen Elastomerschicht durch das gleiche Verfahren wie oben beschrieben verbunden werden, wobei eine permanente und hochfeste Verbindung gebildet wird. Dies kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn höhere Gegendrücke angewandt werden.
Wie in 7A und 7B zu sehen ist, sind die Strömungskanäle 30 und 32 vorzugsweise in einem Winkel zueinander angeordnet, wobei eine kleine Membran 25 des Substrats 24 die Oberseite des Strömungskanals 30 vom Boden des Strömungskanals 32 trennt.
Bei bevorzugten Aspekten ist das ebene Substrat 14 Glas. Ein Vorteil der Verwendung von Glas ist, dass die vorliegenden Elastomerstrukturen abgelöst, gewaschen und wiederverwendet werden können. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Glas ist, dass ein optisches Abtasten angewandt werden kann. Alternativ kann das ebene Substrat 14 selbst ein Elastomer sein, welches sich als vorteilhaft erweisen kann, wenn höhere Gegendrücke angewandt werden.
Das gerade beschriebene Verfahren der Fertigung kann so variiert werden, um eine Struktur mit einer Membran zu bilden, die aus einem Elastomermaterial besteht, das sich von demjenigen, welches die Wände der Kanäle der Vorrichtung bildet, unterscheidet. Dieses abweichende Fertigungsverfahren ist in den 7C–7G veranschaulicht.
Bezug nehmend auf die 7C wird eine erste mikrobearbeitete Gussform 10 bereitgestellt. Die mikrogefertigte Gussform 10 weist eine erhöhte Leitung oder Ausbuchtung 11, die entlang dieser verläuft, auf. In der 7D wird die erste Elastomerschicht 20 auf die erste mikrobearbeitete Gussform 10 gegossen, sodass die Oberseite der ersten Elastomerschicht 20 mit der Oberseite der erhöhten Leitung oder Ausbuchtung 11 eben ist. Dies kann durch sorgfältiges Regulieren des Volumens von auf die Gussform 10 geschleudertem Elastomermaterial im Verhältnis zu der bekannten Höhe der erhöhten Leitung 11 bewerkstelligt werden. Alternativ könnte die gewünschte Gestalt durch Spritzgießen geformt werden.
In der 7E wird die zweite mikrobearbeitete Gussform 12 mit einer erhöhten Ausbuchtung 13, die entlang dieser verläuft, ebenfalls vorgesehen. Die zweite Elastomerschicht 22 wird auf die zweite Gussform 12 wie gezeigt gegossen, sodass die Aussparung 23 in deren unteren Oberfläche entsprechend den Abmessungen der Ausbuchtung 13 gebildet wird.
In der 7F wird die zweite Elastomerschicht 22 von der Gussform 12 entfernt und auf die dritte Elastomerschicht 222 platziert. Die zweite Elastomerschicht 22 wird mit der dritten Elastomerschicht 20 zur Bildung des integralen Elastomerblocks 224 mit Hilfe der weiter unten ausführlich beschriebenen Techniken verbunden. An diesem Punkt in dem Verfahren bildet die zuvor von der erhöhten Leitung 13 eingenommene Aussparung 23 den Strömungskanal 23.
In der 7G wird der Elastomerblock 224 auf die erste mikrobearbeitete Gussform 10 und die erste Elastomerschicht 20 platziert. Der Elastomerblock und die erste Elastomerschicht 20 werden dann miteinander verbunden zur Bildung einer integrierten (d. h. monolithischen) Elastomerstruktur 24 mit einer aus einer getrennten Elastomerschicht 222 bestehenden Membran.
Wenn die Elastomerstruktur 24 an ihrer unteren Oberfläche dichtend auf ein ebenes Substrat in der oben beschriebenen Weise in Verbindung mit 7A aufgebracht wurde, bildet die zuvor von der erhöhten Leitung 11 eingenommene Aussparung den Strömungskanal 30.
Das weiter oben in Verbindung mit den 7C–7G beschriebene abweichende Fertigungsverfahren bietet den Vorteil, dass der Membranteilbereich aus einem anderen Material als das Elastomermaterial des restlichen Teils der Struktur aufgebaut ist. Dies ist von Bedeutung, weil die Dicke und die elastischen Eigenschaften der Membran eine entscheidende Rolle beim Betrieb der Vorrichtung spielen. Darüber hinaus erlaubt dieses Verfahren ein leichtes Unterwerfen der getrennten Elastomerschicht einer Konditionierung vor der Einbringung in die Elastomerstruktur. Wie weiter unten ausführlich erläutert, schließen Beispiele einer möglicherweise erwünschten Bedingung die Einführen einer magnetischen oder elektrisch leitenden Spezies ein, um die Betätigung der Membran zu ermöglichen, und/oder die Einführung von Dotiermittel in die Membran, um deren Elastizität zu verändern.
Das oben stehende Verfahren wird zwar in Verbindung mit der Bildung verschiedener geformter Elastomerschichten, die durch Reproduktionsformen auf einer mikrobearbeiteten Gussform gebildet werden, veranschaulicht, doch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Technik beschränkt. Andere Techniken könnten zur Anwendung kommen, um die einzelnen Schichten aus geformtem Elastomermaterial zu bilden, die miteinander verbunden werden sollen. Zum Beispiel könnte eine geformte Schicht aus Elastomermaterial durch Laserstrahlzuschnitt oder Spritzgießen oder durch Verfahren, welche das chemische Ätzen und/oder Opferungsmaterialen, wie weiter unten in Verbindung mit dem zweiten exemplarischen Verfahren erläutert, anwenden.
Das zweite exemplarische Verfahren:
Ein zweites exemplarisches Verfahren der Fertigung einer Elastomerstruktur, die als eine Pumpe oder ein Ventil verwendet werden kann, ist in den sequenziellen Schritten, wie in den 8–18 gezeigt, dargelegt.
Bei diesem Aspekt der Erfindung werden Strömungs- und Steuerungskanäle zunächst durch Mustern von Photoresist auf der Oberfläche einer Elastomerschicht (oder einem anderen Substrat, welches Glas einschließen kann) definiert, wobei ein Photoresist einer erhöhten Leitung zurückbleibt, wo ein Kanal gewünscht wird. Als Nächstes wird eine zweite Elastomerschicht darüber hinzugefügt und ein zweites Photoresist wird auf der zweiten Elastomerschicht gemustert, wobei ein Photoresist einer erhöhten Leitung zurückbleibt, wo ein Kanal gewünscht wird. Eine dritte Elastomerschicht wird darüber abgeschieden. Schließlich wird das Photoresist durch Herauslösen aus dem Elastomer mit einem geeigneten Lösungsmittel entfernt, wobei die Hohlräume durch Entfernung des Photoresists gebildet werden, die zu den durch das Substrat hindurchgehenden Strömungskanälen werden.
Bezug nehmend auf die 8 wird ein ebenes Substrat 40 vorgesehen. Eine erste Elastomerschicht 42 wird dann auf einem ebenen Substrat 40 abgeschieden und gehär tet. Bezug nehmend auf die 9 wird dann eine erste Photoresistschicht 44A über der Elastomerschicht 42 abgeschieden. Bezug nehmend auf die 10 wird ein Teilbereich der Photoresistschicht 44A entfernt, sodass nur eine erste Leitung von Photoresist 44B wie gezeigt zurückbleibt. Bezug nehmend auf die 11 wird dann eine zweite Elastomerschicht 46 über der ersten Elastomerschicht 42 und über der ersten Leitung von Photoresist 44B wie gezeigt abgeschieden, wodurch die erste Leitung von Photoresist 44B zwischen der ersten Elastomerschicht 42 und der zweiten Elastomerschicht 46 eingeschlossen wird. Bezug nehmend auf die 12 werden die Elastomerschichten 46 dann auf der Schicht 42 ausgehärtet, um die Schichten miteinander zu verbinden unter Bildung eines monolithischen Elastomersubstrats 45.
Bezug nehmend auf die 13 wird danach eine zweite Photoresistschicht 48A über der Elastomerstruktur 45 abgeschieden. Bezug nehmend auf die 14 wird ein Teilbereich der zweiten Photoresistschicht 48A entfernt, wobei lediglich eine zweite Photoresistleitung 48B auf der Elastomerstruktur 45 zurückbleibt, wie gezeigt. Bezug nehmend auf die 15 wird eine dritte Elastomerschicht 50 dann über der Elastomerstruktur 45 (bestehend aus der zweiten Elastomerschicht 42 und der ersten Leitung von Photoresist 44B) und eine zweite Photoresistleitung 48B wie gezeigt abgeschieden, wodurch die zweite Leitung von Photoresist 48B zwischen der Elastomerstruktur 45 und der dritten Elastomerschicht 50 eingeschlossen wird.
Bezug nehmend auf die 16 wird die dritte Elastomerschicht 50 und die Elastomerstruktur 45 (umfassend die erste Elastomerschicht 42 und die zweite Elastomerschicht 46, die miteinander verbunden sind) danach miteinander verbunden unter Bildung einer monolithischen Elastomerstruktur 47 mit den durch diese hindurchgehenden Photoresistleitungen 44B und 48B, wie gezeigt. Bezug nehmend auf die 17 werden die Photoresistleitungen 44B, 48B danach entfernt (zum Beispiel durch ein Lösungsmittel), sodass ein erster Strömungskanal 60 und ein zweiter Strömungskanal 62 an deren Stelle vorgesehen werden und durch die Elastomerstruktur 47 hindurchgehen, wie gezeigt. Schließlich kann Bezug nehmend auf die 18 das ebene Substrat 40 vom Boden der integrierten monolithischen Struktur entfernt werden.
Das in den 8–18 beschriebene Verfahren fertigt eine gemusterte Elastomerstruktur unter Nutzung der Entwicklung von innerhalb des Elastomermaterials eingekapseltem Photoresist. Jedoch sind die Verfahren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung nicht auf die Verwendung von Photoresist beschränkt. Andere Materialien wie Metalle könnten ebenfalls als Opferungsmaterialien dienen, die selektiv zu dem umgebenden Elastomermaterial entfernt werden, und das Verfahren würde innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung bleiben. Zum Beispiel kann, wie weiter unten ausführlich in Verbindung mit den 35A–35D beschrieben, Goldmetall selektiv zu RTV 615-Elastomer unter Verwendung der geeigneten chemischen Mischung geätzt werden.
Bevorzugte Schicht und Kanalabmessungen:
Mikrogefertigt bezieht sich auf die Größe von Merkmalen einer Elastomerstruktur, die in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gefertigt wurde. Im Allgemeinen wird eine Veränderung bei mindestens einer Abmessung von mikrogefertigten Strukturen bis auf Mikrometerebene gesteuert, wobei mindestens eine Abmessung mikroskopisch ist (d. h. unter 1000 μm). Die Mikrofertigung beinhaltet typischerweise Halbleiter- oder MEMS-Fertigungstechniken wie Photolithographie und das Aufschleudern, die für die Erzeugung von Merkmalabmessungen im mikroskopischen Bereich bestimmt sind, wobei zumindest ein Teil der Abmessung der mikrogefertigen Struktur ein Mikroskop erfordert, um die Struktur vernünftig aufzulösen/abzubilden.
Bei bevorzugten Aspekten weisen die Strömungskanäle 30, 32, 60 und 62 vorzugsweise Breite-zu-Tiefe-Verhältnisse von etwa 10:1 auf. Eine nicht-exklusive Auflistung von anderen Bereichen der Breite-zu-Tiefe-Verhältnisse in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist 0,1:1 bis 100:1, stärker bevorzugt 1:1 bis 50:1, noch stärker bevorzugt 2:1 bis 20:1, und am meisten bevorzugt 3:1 bis 15:1. Gemäß einem beispielhaften Aspekt weisen die Strömungskanäle 30, 32, 60 und 62 Breiten von etwa 1 bis 1000 Mikrometer auf. Eine nicht-exklusive Auflistung anderer Bereiche von Breiten von Strömungskanälen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist 0,01 bis 1000 Mikrometer, stärker bevorzugt 0,05 bis 1000 Mikrometer, stärker bevorzugt 0,2 bis 500 Mikrometer, noch stärker bevorzugt 1 bis 250 Mikrometer, und am meisten bevorzugt 10 bis 200 Mikrometer. Beispielhafte Kanalbreiten schließen 0,1 μm, 1 μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 60 μm, 70 μm, 80 μm, 90 μm, 100 μm, 110 μm, 120 μm, 130 μm, 140 μm, 150 μm, 160 μm, 170 μm, 180 μm, 190 μm, 200 μm, 210 μm, 220 μm, 230 μm, 240 μm und 250 μm ein.
Die Strömungskanäle 30, 32, 60 und 62 weisen Tiefen von etwa 1 bis 100 Mikrometer auf. Eine nicht-exklusive Auflistung anderer Bereiche von Tiefen von Strömungskanälen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist 0,01 bis 1000 Mikrometer, stärker bevorzugt 0,05 bis 500 Mikrometer, stärker bevorzugt 0,2 bis 250 Mikrometer, und stärker bevorzugt 1 bis 100 Mikrometer, stärker bevorzugt 2 bis 20 Mikrometer, und am meisten bevorzugt 5 bis 10 Mikrometer. Beispielhafte Kanalbreiten schließen 0,01 μm, 0,02 μm, 0,05 μm, 0,1 μm, 0,2 μm, 0,5 μm, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm, 5 μm, 7,5 μm, 10 μm, 12,5 μm, 15 μm, 17,5 μm, 20 μm, 22,5 μm, 25 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 75 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm und 250 μm ein.
Die Strömungskanäle sind nicht auf diese spezifischen Abmessungsbereiche und oben angegebenen Beispiele beschränkt und können in der Breite variieren, um die Größe der Kraft zu beeinflussen, die erforderlich ist, um die Membran durchzubiegen, wie weiter unten ausführlich in Verbindung mit der 27 erläutert. Zum Beispiel können extrem schmale Strömungskanäle mit einer Breite in der Größenordnung von 0,01 μm bei optischen und anderen Anwendungen nützlich sein, wie weiter unten ausführlich erläutert wird. Elastomerstrukturen, die Teilbereiche mit Kanälen mit einer noch größeren Breite als oben beschrieben einschließen, werden ebenfalls durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen, und Beispiele für Anwendungen der Nutzung solcher breiteren Strömungskanäle schließen Fluidreservoir- und Mischkanalstrukturen ein.
Die Elastomerschicht 22 kann für die mechanische Stabilität dick gegossen werden. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Schicht 22 50 Mikrometer bis mehrere Zentimeter dick, und stärker bevorzugt ungefähr 4 mm dick. Eine nicht-exklusive Auflistung von Dickebereichen der Elastomerschicht in Übereinstimmung mit anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist zwischen etwa 0,1 Mikrometer bis 10 cm, 1 Mikrometer bis 5 cm, 10 Mikrometer bis 2 cm, 100 Mikrometer bis 10 mm.
Demzufolge besitzt die Membran 25 von 7B, welche die Strömungskanäle 30 und 32 trennt, eine typische Dicke zwischen etwa 0,01 und 1000 Mikrometer, stärker bevorzugt 0,05 bis 500 Mikrometer, stärker bevorzugt 0,2 bis 250 Mikrometer, stärker bevorzugt 1 bis 100 Mikrometer, stärker bevorzugt 2 bis 50 Mikrometer, und am meisten bevorzugt 5 bis 40 Mikrometer. Als solche ist die Dicke der Elastomerschicht 22 etwa das 100-Fache der Dicke der Elastomerschicht 20. Beispielhafte Membrandicken schließen 0,01 μm, 0,02 μm, 0,03 μm, 0,05 μm, 0,1 μm, 0,2 μm, 0,3 μm, 0,5 μm, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 5 μm, 7,5 μm, 10 μm, 12,5 μm, 15 μm, 17,5 μm, 20 μm, 22,5 μm, 25 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 75 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm, 250 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm, 750 μm und 1000 μm ein.
Desgleichen kann die erste Elastomerschicht 42 eine bevorzugte Dicke aufweisen, die etwa derjenigen der Elastomerschicht 20 oder 22 entspricht; die zweite Elastomerschicht 46 kann eine bevorzugte Dicke aufweisen, die etwa derjenigen der Elastomerschicht 20 entspricht; und die dritte Elastomerschicht 50 kann eine bevorzugte Dicke aufweisen, die derjenigen der Elastomerschicht 22 entspricht.
Mehrschicht-Weich-Lithographie-Konstruktionstechniken und -materialien:
Weich-Lithographie-Bonding bzw. -Verbinden:
Vorzugsweise werden die Elastomerschichten 20 und 22 (oder Elastomerschichten 42, 46 und 50) chemisch miteinander verbunden unter Nutzung einer Chemie, die Polymeren eigen ist, welche die gemusterten Elastomerschichten umfasst. Am meisten bevorzugt umfasst das Verbinden das Zweikomponenten-"Additionshärtungs"-Verbinden.
Bei einem bevorzugten Aspekt werden die verschiedenen Schichten von Elastomer in einem heterogenen Verbinden, in welchem die Schichten eine unterschiedliche Chemie aufweisen, miteinander verbunden. Alternativ kann ein homogenes Verbinden angewandt werden, in welchem alle Schichten die gleiche Chemie aufweisen würden. Drittens können die jeweiligen Elastomerschichten gegebenenfalls stattdessen durch ein Klebemittel zusammengeklebt werden. Bei einem vierten Aspekt können die Elastomerschichten wärmehärtbare Elastomere sein, die durch Erwärmen miteinander verbunden werden.
Bei einem Aspekt des homogenen Verbindens bestehen die Elastomerschichten aus dem gleichen Elastomermaterial, wobei die gleiche chemische Einheit in einer Schicht mit der gleichen chemischen Einheit in der anderen Schicht reagiert, wodurch die Schichten miteinander verbunden werden. In einer Ausführungsform kann das Verbinden zwischen Polymerketten von gleichen Elastomerschichten aus der Aktivierung eines Vernetzungsmittels infolge von Licht, Wärme oder chemischer Reaktion mit einer getrennten chemischen Spezies resultieren.
Alternativ bestehen bei einem heterogenen Aspekt die Elastomerschichten aus unterschiedlichen Elastomermaterialien, wobei eine erste chemische Einheit in einer Schicht mit einer zweiten chemischen Einheit in einer anderen Schicht reagiert. Bei einem beispielhaften heterogenen Aspekt kann das zum Verbinden der jeweiligen Elastomerschichten miteinander angewandte Verbindungsverfahren das Verbinden von zwei Schichten aus RTV 615-Silikon umfassen. RTV 615-Silikon ist ein Zweikomponenten-Additionshärtungs-Silikonkautschuk. Die Komponente A enthält Vinylgruppen und Katalysator; die Komponente B enthält Siliziumhybrid-(Si-H)-Gruppen. Das herkömmliche Verhältnis für RTV 615 ist 10A:1B. Für das Verbinden kann eine Schicht mit 30A:1B (d. h. überschüssigen Vinylgruppen) und die andere mit 3A:1B (d. h. überschüssigen Si-H-Gruppen) gebildet werden. Jede Schicht wird getrennt gehärtet. Wenn die zwei Schichten in Kontakt gebracht werden und bei einer erhöhten Temperatur erwärmt werden, verbinden sie sich irreversibel unter Bildung eines monolithischen Elastomersubstrats.
Bei einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Elastomerstrukturen unter Verwendung von Sylgard 182, 184 oder 186 oder aliphatische Urethandiacrylate wie (aber nicht beschränkt auf) Ebecryl 270 oder Irr 245 von UCB Chemical gebildet.
Bei einer Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurden zweischichtige Elastomerstrukturen aus reinem acryliertem Urethan Ebe 270 gefertigt. Eine dünne Bodenschicht wurde mit 8000 U/min 15 Sekunden lang bei 170°C aufgeschleudert. Die obere und untere Schicht wurden anfänglich unter UV-Licht 10 Minuten lang unter Stickstoff unter Einsatz einer Vorrichtung vom Modell ELC 500, hergestellt von der Electrolite Corporation, gehärtet. Die zusammengefügten Schichten wurden dann für weitere 30 Minuten gehärtet. Die Reaktion wurde durch eine 0,5% vol/vol Mischung von Irgacure 500, hergestellt von Ciba-Geigy Chemicals, katalysiert. Das resultierende Elastomermaterial zeigte eine mäßige Elastizität und Adhäsion an Glas.
Bei einer weiteren Ausführungsform in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wurden zweischichtige Elastomerstrukturen aus einer Kombination von 25% Ebe 270/50% Irr 245/25% Isopropylalkohol für eine dünne Bodenschicht und reinem acryliertem Urethan Ebe 270 als eine obere Schicht gefertigt. Die dünne Bodenschicht wurde anfänglich 5 min lang gehärtet, und die obere Schicht wurde anfänglich 10 Minuten lang gehärtet unter UV-Licht unter Stickstoff mit Hilfe einer Vorrichtung vom Modell ELC 500, hergestellt von der Electrolite Corporation. Die zusammengefügten Schichten wurden dann für weitere 30 Minuten gehärtet. Die Reaktion wurde durch eine 0,5% vol/vol Mischung von Irgacure 500, hergestellt von Ciba-Geigy Chemicals, katalysiert. Das resultierende Elastomermaterial zeigte eine mäßige Elastizität und haftete an Glas an.
Alternativ können andere Verbindungsverfahren zur Anwendung kommen, darin eingeschlossen das Aktivieren der Elastomeroberfläche, zum Beispiel durch Aussetzen gegenüber Plasma, sodass die/das Elastomerschichten/-substrat sich verbinden, wenn sie in Kontakt gebracht werden. Zum Beispiel wird eine mögliche Vorgehensweise zum Verbinden von Elastomerschichten miteinander, die aus dem gleichen Material bestehen, von Duffy et al., "Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane)" (Schnelle Prototyperstellung von Mikrofluidiksystemen in Poly(dimethylsiloxan), Analytical Chemistry (1998), 4974–4984, die hierin durch die Referenz darauf eingeschlossen ist, dargelegt. Dieses Dokument erörtert, dass das Aussetzen von Polydimethylsiloxan-(PDMS)-Schichten gegenüber Sauerstoffplasma die Oxidation der Oberfläche bewirkt, wobei es zu einer irreversiblen Verbindung kommt, wenn die zwei oxidierten Schichten in Kontakt gebracht werden.
Noch eine weitere Vorgehensweise für das Verbinden aufeinanderfolgender Elastomerschichten ist die Nutzung der Hafteigenschaften von ungehärtetem Elastomer. Insbesondere wird eine dünne Schicht aus ungehärtetem Elastomer wie RTV 615 auf eine erste gehärtete Elastomerschicht aufgebracht. Als Nächstes wird eine zweite gehärtete Elastomerschicht auf die ungehärtete Elastomerschicht aufgebracht. Die dünne mittlere Schicht aus ungehärtetem Elastomer wird dann gehärtet, um eine monolithische Elastomerstruktur zu erzeugen. Alternativ kann ungehärtetes Elastomer auf den Boden einer ersten gehärteten Elastomerschicht aufgebracht werden, wobei die erste gehärtete Elastomerschicht auf eine zweite gehärtete Elastomerschicht aufgebracht wird. Das Härten der mittleren dünnen Elastomerschicht führt wiederum zur Bildung einer monolithischen Elastomerstruktur.
Wo eine Verkapselung von Opferungsschichten angewandt wird, um die Elastomerstruktur wie in den 8–18 weiter oben beschrieben zu fertigen, kann das Verbinden von aufeinanderfolgenden Elastomerschichten durch Gießen von ungehärtetem Elastomer über eine zuvor gehärtete Elastomerschicht und irgendeinem darauf gemustertem Opferungsmaterial bewerkstelligt werden. Das Verbinden zwischen Elastomerschichten erfolgt aufgrund der gegenseitigen Durchdringung und Reaktion der Polymerketten einer ungehärteten Elastomerschicht mit den Polymerketten einer gehärteten Elastomerschicht. Das nachfolgende Härten der Elastomerschicht erzeugt eine Verbindung zwischen den Elastomerschichten und erzeugt eine monolithische Elastomerschicht.
Bezug nehmend auf das erste Verfahren der 1 bis 7B kann die erste Elastomerschicht 20 durch Aufschleudern einer RTV-Mischung auf eine mikrogefertigte Gussform 12 mit 2000 U/min 30 Sekunden lang erzeugt werden, wodurch eine Dicke von ungefähr 40 Mikrometer erhalten wird. Die zweite Elastomerschicht 22 kann durch Aufschleudern einer RTV-Mischung auf eine mikrogefertigte Gussform 11 erzeugt werden. Beide Schichten 20 und 22 können getrennt bei etwa 80°C während 1,5 Stunden wärmebehandelt oder gehärtet werden. Die zweite Elastomerschicht 22 kann mit der ersten Elastomerschicht 20 bei etwa 80°C während etwa 1,5 Stunden verbunden werden.
Die mikrogefertigen Formen 10 und 12 können gemustertes Photoresist auf Siliziumwafern sein. Bei einem beispielhaften Aspekt wurde ein Shipley SJR 5740-Photoresist bei 2000 U/min rotieren gelassen, das mit einem hochauflösenden Diafilm als einer Maske gemustert war, und danach entwickelt unter Erhalt eines Inverskanals bzw. Umkehrkanals von ungefähr 10 Mikrometer Höhe. Bei einer Wärmebehandlung von ungefähr 200°C während etwa 30 Minuten fließt das Photoresist zurück und die Inverskanäle werden abgerundet. Bei bevorzugten Aspekten können die Gussformen mit Trimethylchlorsilan-(TMCS)-Dampf etwa eine Minute lang vor jedem Gebrauch behandelt werden, um eine Adhäsion von Silikonkautschuk zu verhindern.
Unter Verwendung der verschiedenen mehrschichtigen Weich-Lithographie-Konstruktionstechniken und -materialien, wie hierin dargelegt, waren die Erfinder der vorliegenden Anmeldung experimentell erfolgreich in der Erzeugung von Kanalnetzwerken, die eine Dicke von bis zu sieben getrennten Elastomerschichten umfassten, wobei jede Schicht etwa 40 μm dick ist. Es ist vorhersehbar, dass Vorrichtungen, die mehr als sieben miteinander verbundene, getrennte Elastomerschichten umfassen, entwickelt werden könnten.
Geeignete Elastomermaterialien:
Allcock et al., Contemporary Polymer Chemistry, 2. Ausg., beschreibt Elastomere im Allgemeinen als Polymere, die bei einer Temperatur zwischen ihrer Glasübergangstemperatur und Verflüssigungstemperatur existieren. Elastomermaterialien zeigen elastische Eigenschaften, weil die Polymerketten leicht einer Torsionsbewegung unterliegen, um ein Entknäueln der Hauptketten in Reaktion auf eine Kraft zu ermöglichen, wobei die Hauptketten sich wieder aufwickeln um die frühere Gestalt in Abwesenheit der Kraft anzunehmen. Im Allgemeinen verformen sich Elastomere, wenn eine Kraft ausgeübt wird, kehren dann aber wieder zu ihrer ursprünglichen Gestalt zurück, wenn die Kraft entfernt wird. Die von Elastomermaterialien gezeigte Elastizität kann durch einen Young-Modul charakterisiert werden. Elastomermaterialien mit einem Young-Modul zwischen etwa 1 Pa–1 TPa, stärker bevorzugt zwischen etwa 10 PA–100 GPa, stärker bevorzugt zwischen etwa 20 Pa–1 GPa, stärker bevorzugt zwischen etwa 50 Pa–10 MPa, und noch stärker bevorzugt zwischen etwa 100 Pa–1 MPa sind gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich, obwohl Elastomermaterialien mit einem Young-Modul außerhalb dieser Bereiche ebenfalls in Abhängigkeit von den Anforderungen einer speziellen Anwendung genutzt werden könnten.
Die Systeme der vorliegenden Erfindung können aus einer großen Vielzahl an Elastomeren gefertigt werden. Bei einem beispielhaften Aspekt können die Schichten 20, 22, 42, 46 und 50 vorzugsweise aus Silikonkautschuk gefertigt werden. Allerdings können andere geeignete Elastomere ebenfalls verwendet werden.
Bei einem beispielhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die vorliegenden Systeme aus einem Elastomerpolymer wie GE RTV 615 (Formulierung), einem Vinylsilan-vernetzten (Typ) Silikonelastomer (Familie) gefertigt. Allerdings sind die vorliegenden Systeme nicht auf diese eine Formulierung, Typ oder gar diese Polymerfamilie beschränkt; vielmehr ist nahezu jedes Elastomerpolymer geeignet. Eine wichtige Anforderung für das bevorzugte Verfahren der Fertigung der vorliegenden Mikroventile ist die Fähigkeit, mehrere Elastomerschichten miteinander zu verbinden. Im Falle der Mehrschicht-Weich-Lithographie werden Elastomerschichten getrennt gehärtet und danach miteinander verbunden. Dieses Schema verlangt, dass gehärtete Schichten eine ausreichende Reaktivität besitzen, um sich miteinander zu verbinden. Entweder können die Schichten vom selben Typ sein und fähig sein, mit sich selbst verbunden zu werden, oder sie können zwei unterschiedliche Typen sein und fähig sein, sich miteinander zu verbinden. Andere Möglichkeiten schließen die Verwendung eines Klebemittels zwischen Schichten und die Verwendung von wärmehärtbaren Elastomeren ein.
In Anbetracht der ungeheuren Diversität von Polymerchemien, Vorläufern, Syntheseverfahren, Reaktionsbedingungen und möglichen Additiven gibt es eine riesige Zahl von möglichen Elastomersystemen, die verwendet werden könnten, um monolithische Elastomer-Mikroventile und -Pumpen herzustellen. Bei den Materialien vorgenommene Veränderungen werden am ehesten durch den Bedarf an speziellen Materialeigenschaften, d. h. Lösungsmittelbeständigkeit, Steifigkeit, Gasdurchlässigkeit oder Temperaturstabilität, gesteuert.
Es gibt viele, viele Typen von Elastomerpolymeren. Eine kurze Beschreibung der gebräuchlichsten Klassen von Elastomeren ist hier angegeben, mit der Absicht zu zeigen, dass selbst mit relativ "standardmäßigen" Polymeren viele Möglichkeiten zum Verbinden bestehen. Gebräuchliche Elastomerpolymere schließen Polyisopren, Polybutadien, Polychloropren, Polyisobutylen, Poly(Styrol-Butadien-Styrol), die Polyurethane und Silikone ein.
Polyisopren, Polybutadien, Polychloropren:
Polyisopren, Polybutadien und Polychloropren werden alle aus Dienmonomeren polymerisiert und weisen daher eine Doppelbindung pro Monomer auf, wenn sie polymerisiert werden. Diese Doppelbindung ermöglicht das Umwandeln der Polymere zu Elastomeren durch Vulkanisierung (im Wesentlichen wird Schwefel verwendet, um Querverbindungen zwischen den Doppelbindungen durch Erwärmen zu bilden). Dies würde eine homogene Mehrschicht-Weich-Lithographie durch unvollständige Vulkanisierung der zu verbindenden Schichten ermöglichen; eine Photoresistverkapselung wäre durch einen ähnlichen Mechanismus möglich.
Polyisobutylen:
Reines Polyisobutylen besitzt keine Doppelbindungen, ist aber vernetzt als ein Elastomer zu verwenden durch Einschließen einer kleinen Mengen (~1%) Isopren in der Polymerisation. Die Isoprenmonomere ergeben hängende Doppelbindungen auf dem Polyisobutylen-Hauptgerüst, die dann wie oben vulkanisiert werden können.
Poly(Styrol-Butadien-Styrol):
Poly(Styrol-Butadien-Styrol) wird durch lebende anionische Polymerisation hergestellt (das heißt, es gibt keinen natürlichen Kettenabschlussschritt in der Reaktion), so dass "lebende" Polymerenden in dem gehärteten Polymer vorliegen können. Dies macht es zu einem natürlichen Kandidaten für das vorliegende Photoresist-Einkapselungssystem (wo es eine Vielzahl von nicht umgesetztem Monomer in der auf die gehärtete Schicht gegossenen Flüssigkeitsschicht gibt). Ein unvollständiges Härten würde eine homogene Mehrschicht-Weich-Lithographie (A-zu-A-Verbindung) ermöglichen. Die Chemie erleichtert auch das Bilden einer Schicht mit extra Butadien ("A") und Haftvermittler und der anderen Schicht ("B") mit einem Butadien-Defizit (für die heterogene Mehrschicht-Weich-Lithographie). SBS ist ein "wärmehärtbares Elastomer", was bedeutet, dass es über einer bestimmten Temperatur schmilzt und plastisch wird (im Unterschied zu elastisch); ein Herabsetzen der Temperatur ergibt wieder das Elastomer. Somit können Schichten durch Erwärmen miteinander verbunden werden.
Polyurethane:
Polyurethane werden aus Diisocyanaten (A-A) und Dialkoholen oder Diaminen (B-B) hergestellt; da es eine große Vielzahl an Diisocyanaten und Dialkoholen/-aminen gibt, ist die Zahl von unterschiedlichen Typen von Polyurethanen riesig. Die A-vs.-B-Natur der Polymere würde sie jedoch für die heterogene Mehrschicht-Weich-Lithographie nützlich machen, genauso wie RTV 615, und zwar durch die Verwendung von überschüssigem A-A in einer Schicht und überschüssigem B-B in der anderen Schicht.
Silikone:
Silikonpolymere besitzen vermutlich die größte strukturelle Vielfalt und weisen fast sicher die größte Zahl an kommerziell verfügbaren Formulierungen auf. Die Vinyl-zu-(Si-H)-Quervernetzung von RTV 615 (was sowohl die heterogene Mehrschicht-Weich-Lithographie als auch die Photoresistverkapselung ermöglicht) wurde bereits besprochen, doch ist dies nur eines von mehreren Vernetzungsverfahren, das in der Silikonpolymerchemie angewandt wird.
Vernetzungsmittel:
Zusätzlich zu der Verwendung der oben erläuterten einfachen "reinen" Polymere können Vernetzungsmittel zugegeben werden. Einige Mittel (wie die anhängige Doppelbindungen tragende Monomere für die Vulkanisierung) sind geeignet, um eine homogene (A-auf-A)-Mehrschicht-Weich-Lithographie oder Photoresistverkapselung zu ermöglichen; bei einer solchen Herangehensweise wird das gleiche Mittel in beide Elastomerschichten eingebracht. Komplementärmittel (d. h. ein Monomer, das eine hängende Doppelbindung trägt, und ein weiteres, das eine hängende Si-H-Gruppe trägt) sind für die heterogene (A-auf-B) Mehrschicht-Weich-Lithographie geeignet. Bei dieser Vorgehensweise werden Komplementärmittel zu benachbarten Schichten zugegeben.
Andere Materialien:
Zusätzlich können auch Polymere beinhaltende Materialien, wie Chlorsilane oder Methyl-, Ethyl- und Phenylsilane, und Polydimethylsiloxan (PDMS), wie Sylgard 182, 184 oder 186 von der Dow Chemical Corp., oder aliphatische Urethandiacrylate, wie (aber nicht beschränkt auf) Ebecryl 270 oder Irr 245 von UCB Chemical ebenfalls verwendet werden.
Das Folgende ist eine nicht-exklusive Auflistung von Elastomermaterialien, welche in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden können: Polyisopren, Polybutadien, Polychloropren, Polyisobutylen, Poly(Styrol-Butadien-Styrol), die Polyurethane und Silikonpolymere; oder Poly(bis(fluoralkoxy)phosphazen) (PNF, Eypel-F), Poly(carboransiloxane) (Dexsil), Poly(acrylnitril-butadien) (Nitril-Gummi), Poly(1-buten), Poly(chlortrifluorethylen-vinylidenfluorid)-Copolymere (Kel-F), Poly(ethylvinylether), Poly(vinylidenfluorid), (Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen)-Copolymer (Viton), Elastomerzusammensetzungen von Polyvinylchlorid (PVC), Polysulfon, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polytetrafluorethylen (Teflon).
Dotierung und Verdünnung:
Elastomere können auch mit nicht vernetzbaren Polymerketten derselben Klasse "dotiert" werden. Zum Beispiel kann RTV 615 mit GE SF96-50-Silikonfluid verdünnt werden. Dies dient der Absenkung der Viskosität des ungehärteten Elastomers und verringert den Young-Modul des gehärteten Elastomers. Im Wesentlichen werden die vernetzungsfähigen Polymerketten breiter verteilt durch die Hinzufügung von "inerten" Polymerketten, sodass dies als "Verdünnung" bezeichnet wird. RTV 615 härtet mit bis zu 90% Verdünnung, bei einer dramatischen Verringerung des Young-Moduls.
In der 49 ist der Young-Modul gegenüber der prozentmäßigen Verdünnung mit GE SF96-50-Verdünnungsmittel von GE RTV 615-Elastomer mit einem Verhältnis von 30:1 A:B aufgetragen. Die 49 zeigt, dass die Flexibilität des Elastomermaterials, und somit das Ansprechvermögen der Ventilmembran auf eine angewandte Betätigungskraft während der Fertigung der Vorrichtung gesteuert werden kann.
Andere Beispiele der Dotierung von Elastomermaterial können die Einführung von elektrisch leitender oder magnetischer Spezies einschließen, wie weiter unten in Verbindung mit alternativen Verfahren der Betätigung der Membran der Vorrichtung ausführlich beschrieben. Sollte es erwünscht sein, wird das Dotieren mit feinen Teilchen von Material mit einem anderen Brechungsindex als das Elastomermaterial (d. h. Silica, Di amant, Saphir) ebenfalls als ein System für das Verändern des Brechungsindex des Materials in Betracht gezogen. Stark absorbierende oder opake Teilchen können hinzugefügt werden, um das Elastomer gegenüber einfallender Strahlung gefärbt oder opak zu machen. Dies kann möglicherweise in einem optisch ansteuerbaren System von Vorteil sein.
Schließlich können durch Dotieren des Elastomers mit spezifischen chemischen Spezies diese dotierten chemischen Spezies an der Elastomeroberfläche vorgesehen werden und dienen somit als Anker oder Ausgangspunkte für eine weitere chemische Derivatisierung.
Vorbehandlung und Oberflächenbeschichtung
Nachdem das Elastomermaterial zu der geeigneten Gestalt geformt oder geätzt wurde, kann es notwendig sein, das Material vorzubehandeln, um den Betrieb in Verbindung mit einer speziellen Anwendung zu erleichtern.
Zum Beispiel ist eine mögliche Anwendung für eine Elastomervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung das Sortieren von biologischen Einheiten, wie Zellen oder DNA. In einer solchen Anwendung kann die hydrophobe Natur der biologischen Einheit bewirken, dass diese an dem hydrophoben Elastomer der Wände des Kanals anhaftet. Daher kann es nützlich sein, die Elastomerstruktur vorzubehandeln, um den Kanalwänden einen hydrophilen Charakter zu verleihen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung des RTV 615-Elastomers von General Electric kann dies durch Kochen des geformten Elastomers in Säure (z. B. 0,01%iger HCl in Wasser, pH-Wert 2,7, bei 60°C während 40 min) bewerkstelligt werden.
Andere Typen der Vorbehandlung von Elastomermaterial werden ebenfalls durch die vorliegende Anmeldung in Betracht gezogen. Zum Beispiel können bestimmte Teilbereiche von Elastomer vorbehandelt werden, um Anker für Reaktionen der Oberflächenchemie (zum Beispiel bei der Bildung von Peptidketten) oder Bindungsstellen für Antikörper zu erzeugen, wie dies bei einer bestimmten Anwendung vorteilhaft wäre. Andere Beispiele der Vorbehandlung von Elastomermaterial können die Einführung von reflekti vem Material auf der Elastomeroberfläche einschließen, wie weiter unten in Verbindung mit der Mikrospiegel-Array-Anwendung ausführlich beschrieben ist.
Verfahren zum Betreiben der vorliegenden Erfindung
Die 7B und 7H zeigen zusammen das Schließen eines ersten Strömungskanals durch Unter-Druck-Setzen eines zweiten Strömungskanals, wobei die 7B (eine Schnittvorderansicht, die einen Schnitt durch den Strömungskanal 32 in der entsprechenden 7A macht) einen offenen ersten Strömungskanal 30 zeigt; wobei die 7H den ersten Strömungskanal 30 durch Unter-Druck-Setzung des zweiten Strömungskanals 32 im geschlossenen Zustand zeigt.
Bezug nehmend auf die 7B sind der erste Strömungskanal 30 und der zweite Strömungskanal 32 gezeigt. Die Membran 25 trennt die Strömungskanäle und bildet die Oberseite des ersten Strömungskanals 30 und den Boden des zweiten Strömungskanals 32. Wie zu sehen ist, ist der Strömungskanal 30 "offen".
Wie in 7H zu sehen ist, bewirkt das Unter-Druck-Setzen des Strömungskanals 32 (entweder durch darin eingeführtes Gas oder Flüssigkeit), dass die Membran 25 sich nach unten durchbiegt, wodurch die durch den Strömungskanal 30 fließende Strömung F abgeklemmt wird. Demzufolge wird durch Variieren des Drucks im Kanal 32 ein linear aktivierbares Ventilsystem in einer Weise vorgesehen, sodass der Strömungskanal 30 durch Bewegen der Membran 25 wie gewünscht geöffnet oder geschlossen werden kann. (Lediglich zu Illustrationszwecken ist der Kanal 30 in 7G in einer "hauptsächlich geschlossenen" Position gezeigt, anstatt einer "vollständig geschlossenen" Position).
Es versteht sich, dass exakt die gleiche Ventilöffnungs- und Schließmethoden mit den Strömungskanälen 60 und 62 erzielt werden können.
Da solche Ventile durch Bewegen der Bedeckung der Kanäle selbst (d. h. durch Bewegen der Membran 25) betätigt werden, besitzen durch diese Technik hergestellte Ventile und Pumpen ein Leervolumen von tatsächlich null, und durch diese Technik hergestellte Schaltventile weisen ein Leervolumen von etwa gleich dem Aktivvolumen des Ventils, zum Beispiel etwa 100 × 100 × 10 μm = 100 pL auf. Solche Leervolumina und -bereiche, die von der beweglichen Membran aufgebraucht werden, sind ungefähr zwei Größenordnungen kleiner als bekannte herkömmliche Mikroventile. Kleinere und größere Ventile und Schaltventile werden in der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen, und eine nicht-exklusive Auflistung der Bereiche der Leervolumina schließt 1 aL bis 1 uL, 100 aL bis 100 nL, 1 fL bis 10 nL, 100 fL bis 1 nL und 1 pL bis 100 pL ein.
Die extrem kleinen Volumina, die von Pumpen und Ventilen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gefördert werden können, bedeuten einen beträchtlichen Vorteil. Insbesondere sind die kleinsten bekannten Volumina von Fluid, die manuell abgemessen werden können, etwa 0,1 μl. Die kleinsten bekannten Volumina, die durch automatisierte Systeme abgemessen werden können, sind etwa um das Zehnfache größer (1 μl). Bei einer Verwendung von Pumpen und Ventilen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können Volumina von Flüssigkeit von 10 nl oder weniger routinemäßig abgemessen werden und dispensiert werden. Das exakte Abmessen von extrem kleinen Volumina an Fluid, das durch die vorliegende Erfindung ermöglicht wird, wäre extrem wertvoll bei einer großen Zahl von biologischen Anwendungen, einschließlich Diagnosetests und Assays.
Die Gleichung 1 repräsentiert ein hoch vereinfachtes mathematisches Modell der Durchbiegung einer rechteckigen, linearen, elastischen, isotropen Platte von gleichmäßiger Dicke durch einen ausgeübten Druck: w = (BPb4)/(Eh3) (1),worin:

w: = Durchbiegung der Platte;
B: = Formkoeffizient (abhängig von der Länge vs. Breite und der Stützung der Plattenkanten);
P: = ausgeübter Druck;
b: = Plattenbreite
E: = Young-Modul; und
h: = Plattendicke.

Somit ist in diesem extrem vereinfachten Ausdruck die Durchbiegung einer Elastomermembran in Reaktion auf einen Druck eine Funktion der: Länge, Breite und Dicke der Membran, der Flexibilität der Membran (Young-Modul) und der ausgeübten Betätigungskraft. Weil jeder dieser Parameter stark schwankt in Abhängigkeit von den tatsächlichen Abmessungen und der physikalischen Zusammensetzung einer speziellen Elastomervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wird ein weiter Bereich an Membrandicken und -elastizitäten, Kanalbreiten und Betätigungskräften durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen.
Es sollte sich verstehen, dass die gerade gelieferte Formel nur eine Annäherung ist, da im Allgemeinen die Membran keine gleichmäßige Dicke besitzt, die Membrandicke nicht notwendigerweise klein ist im Vergleich mit der Länge und Breite, und die Durchbiegung nicht notwendigerweise gering ist im Vergleich mit der Länge, Breite oder Dicke der Membran. Nichtsdestotrotz dient die Gleichung als eine nützliche Richtschnur für das Einstellen variabler Parameter, um eine gewünschte Durchbiegungsreaktion im Vergleich mit der ausgeübten Kraft zu erreichen.
Die 21a und 21b veranschaulichen die Ventilöffnung vs. den ausgeübten Druck für einen 100 μm breiten ersten Strömungskanal 30 und einen 50 μm breiten zweiten Strömungskanal 32. Die Membran dieser Vorrichtung wurde durch eine Schicht aus RTV 615 von General Electric Silicones mit einer Dicke von ungefähr 30 μm und einem Young-Modul von ungefähr 750 kPa gebildet. Die 21a und 21b zeigen den Grad der Öffnung des Ventils, um im Wesentlichen linear über den größten Teil des Bereichs der ausgeübten Drücke zu sein. Die vorliegende Erfindung erfordert nicht dieses lineare Betätigungsverhalten.
Luftdruck wurde zur Betätigung der Membran der Vorrichtung durch ein 10 cm langes Stück eines Kunststoffschlauchs bzw. -röhre mit einem Außendurchmesser von 0,025'', das mit einem 25-mm-Stück einer Injektionsröhre aus rostfreiem Stahl mit einem Außendurchmesser von 0,025'' (0,0635 cm) und einem Innendurchmesser von 0,013'' (0,03302 cm) verbunden war, angewandt. Dieser Schlauch wurde mit dem Steuerungskanal durch Einführen in den Elastomerblock in einer Richtung senkrecht zum Steuerkanal in Kontakt gebracht. Es wurde Luftdruck auf die Injektionsröhre von einem externen LHDA-Miniatur-Solenoid-Ventil, hergestellt von Lee Co., angewandt.
Die Verbindung von herkömmlichen Mikrofluidik-Vorrichtungen mit einem externen Fluidstrom bringt eine Reihe von Problemen mit sich, welche durch die eben beschriebene externe Konfiguration umgangen werden. Ein solches Problem ist die Zerbrechlichkeit von deren Verbindungen mit der Außenumgebung. Insbesondere bestehen herkömmliche Mikrofluidik-Vorrichtungen aus harten, steifen Materialien (wie Silizium), an welche Leitungen oder Schläuche, welche die Verbindung mit externen Elementen ermöglichen, angeschlossen werden müssen. Die Steifigkeit des herkömmlichen Materials erzeugt eine signifikante physische Beanspruchung an den Kontaktpunkten mit einem kleinen und empfindlichen externen Schlauchwerk, was herkömmliche Mikrofluidik-Vorrichtungen gegenüber einem Bruch und Lecken an diesen Kontaktpunkten anfällig macht.
Demgegenüber ist das Elastomer der vorliegenden Erfindung biegsam und kann leicht für die externe Verbindung durch eine aus hartem Material bestehende Röhre bzw. Schlauch durchdrungen werden. Zum Beispiel kann bei einer Elastomerstruktur, die unter Anwendung des in den 1–7B gezeigten Verfahrens gefertigt wurde, ein Loch, welches sich von der äußeren Oberfläche der Struktur in den Steuerungskanal erstreckt, erzeugt werden durch Durchdringen des Elastomers mit einer Injektionsröhre aus Metall, nachdem das obere Elastomerstück von der Gussform entfernt wurde (wie in 3 gezeigt), und bevor dieses Stück mit dem unteren Elastomerstück verbunden wurde (wie in 4 gezeigt). Zwischen diesen Schritten ist die Bedeckung des Steuerungskanals für den Benutzer sichtbar und ist für eine Einführung und richtige Positionierung des Lochs zugänglich. Im Anschluss an den Abschluss der Fertigung der Vorrichtung wird die Injektionsröhre aus Metall in das Loch eingeführt, um die Fluidverbindung zu vollenden.
Darüber hinaus biegt sich das Elastomer der vorliegenden Erfindung in Reaktion auf physische Belastung am Kontaktpunkt mit einer externen Verbindung, wodurch die externe physische Verbindung robuster gemacht wird. Diese Biegsamkeit verringert die Wahrscheinlichkeit eines Lecks oder Bruchs der vorliegenden Vorrichtung beträchtlich.
Ein weiterer Nachteil von herkömmlichen Mikrofluidik-Vorrichtungen ist die Schwierigkeit, eine wirksame Abdichtung zwischen der Vorrichtung und deren externen Verbin dungen zu erzeugen. Aufgrund des extrem schmalen Durchmessers der Kanäle dieser Vorrichtungen können selbst mäßige Fluidströmungsraten extrem hohe Drücke erfordern. Ein unerwünschtes Lecken an der Verbindungsstelle zwischen der Vorrichtung und externen Verbindungen können daraus resultieren. Jedoch unterstützt die Biegsamkeit des Elastomers der vorliegenden Vorrichtung auch darin, ein Lecken den Druck betreffend zu überwinden. Insbesondere biegt sich das biegsame Elastomermaterial und passt sich um den eingeführten Schlauch an, um eine druckbeständige Abdichtung zu bilden.
Während die Steuerung des Materialstroms durch die Vorrichtung bislang unter Nutzung eines ausgeübten Gasdrucks beschrieben wurde, könnten auch andere Fluide verwendet werden. Zum Beispiel ist Luft komprimierbar und erfährt damit eine gewisse begrenzte Verzögerung zwischen der Zeit der Anwendung von Druck durch das externe Solenoid-Ventil und der Zeit, für welche die Membran diesem Druck ausgesetzt ist. Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung könnte Druck von einer externen Quelle auf ein nichtkomprimierbares Fluid wie Wasser oder Hydrauliköle angewandt werden, was zu einer nahezu sofortigen Übertragung des angewandten Drucks auf die Membran führt. Wenn jedoch das verdrängte Volumen des Ventils hoch ist oder der Steuerungskanal schmal ist, kann eine höhere Viskosität eines Steuerungsfluids zu einer Verzögerung der Betätigung beitragen. Das optimale Medium für die Übertragung von Druck hängt daher von der jeweiligen Anwendung und der Vorrichtungskonfiguration ab, und es werden sowohl gasförmige als auch flüssige Medien durch die Erfindung in Betracht gezogen.
Während ein extern angewandter Druck wie oben beschrieben durch ein Pump/Tank-System durch einen Druckregler und ein externes Miniaturventil angewandt wurde, werden andere Verfahren der Anwendung von externem Druck ebenfalls in der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen, darin eingeschlossen Gastanks, Kompressoren, Kolbensysteme und Flüssigkeitssäulen. Ebenfalls in Erwägung gezogen wird die Anwendung von natürlich vorkommenden Druckquellen, wie sie innerhalb von lebenden Organismen zu finden sind, wie Blutdruck, gastrischem Druck, dem im zerebrospinalen Fluid vorhandenen Druck, dem im intraokularen Zwischenraum vorhandenen Druck und dem durch Muskeln während der normalen Beugung ausgeübten Druck. Andere Ver fahren der Regelung von externem Druck werden ebenfalls in Betracht gezogen, wie Miniaturventile, Pumpen, makroskopische peristaltische Pumpen, Quetschventile und andere Typen einer Fluidregulierungsgerätschaft, wie sie im Fachbereich bekannt ist.
Wie zu sehen ist, zeigte sich in Experimenten für das Ansprechen von Ventilen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, dass es nahezu perfekt linear ist über einen großen Teil von dessen Betätigungsweg, bei einer minimalen Hysterese. Demzufolge eignen sich die vorliegenden Ventile ideal für die Mikrofluidik-Dosierung und die Fluidsteuerung. Die Linearität des Ventilansprechens zeigt, dass die einzelnen Ventile gut modelliert sind als Federn nach dem Hookeschen Gesetz. Außerdem kann hohen Drücken im Strömungskanal (d. h. Gegendruck) einfach durch Erhöhen des Betätigungsdrucks entgegengewirkt werden. Experimentell erreichten die Erfinder der vorliegenden Anmeldung ein Schließen des Ventils bei Gegendrücken von 70 kPa, doch werden auch höhere Drücke in Betracht gezogen. Es folgt eine nicht-exklusive Auflistung von durch die vorliegende Erfindung umfassten Druckbereichen: 10 Pa–25 MPa; 100 Pa–10 MPa, 1 kPa–1 MPa, 1 kPa–300 kPa, 5 kPa–200 kPa und 15 kPa–100 kPa.
Während Ventile und Pumpen keine lineare Betätigung zum Öffnen und Schließen erfordern, ermöglicht ein lineares Ansprechen eine leichtere Verwendung von Ventilen als Dosierungsvorrichtungen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Öffnen des Ventils zur Steuerung der Strömungsrate durch teilweises Aktivieren auf einen bekannten Verschlussgrad angewandt. Eine lineare Ventilbetätigung macht es leichter, den Grad der Betätigungskraft, die zum Schließen des Ventils auf einen gewünschten Verschlussgrad erforderlich ist, zu bestimmen. Ein weiterer Vorteil der linearen Betätigung ist, dass die für die Ventilbetätigung erforderliche Kraft leicht anhand des Drucks im Strömungskanal bestimmt werden kann. Wenn die Betätigung linear ist, kann einem erhöhten Druck im Strömungskanal entgegengewirkt werden durch Hinzufügen des gleichen Drucks (Kraft pro Flächeneinheit) zu dem betätigten Bereich des Ventils.
Die Linearität eines Ventils hängt von der Struktur, Zusammensetzung und dem Betätigungsverfahren der Ventilstruktur ab. Außerdem hängt die Tatsache, ob Linearität eine erwünschte Charakteristik bei einem Ventil ist, von der Anwendung ab. Deshalb werden sowohl linear als auch nicht-linear aktivierbare Ventile in der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen, und die Druckbereiche, über welche ein Ventil linear aktivierbar ist, variieren mit der spezifischen Ausführungsform.
Die 22 veranschaulicht das Zeitverhalten (d. h. Schließen des Ventils als eine Funktion der Zeit in Reaktion auf eine Veränderung des angewandten Drucks) eines 100 μm × 100 μm × 10 μm großen RTV-Mikroventils mit einem 10 cm langen Luftschlauch, der vom Chip mit einem Pneumatikventil verbunden ist, wie weiter oben beschrieben wird.
Zwei Perioden eines digitalen Steuersignals, der tatsächliche Luftdruck am Ende des Schlauchs und der Ventilöffnung sind in 22 gezeigt. Der auf die Steuerungsleitung angewandte Druck ist 100 kPa, was wesentlich höher ist als die ~40 kPa, die zum Schließen des Ventils erforderlich sind. Somit wird beim Schließen das Ventil mit einem Druck, der 60 kPa höher ist als erforderlich, zugedrückt. Beim Öffnen dagegen wird das Ventil auf seine Ruheposition nur mit seiner eigenen Federkraft (≤ 40 kPa) zurückgefahren. Mithin ist τ_zu kleiner zu erwarten als τ_auf. Es gibt auch eine Verzögerung zwischen dem Steuersignal und dem Steuerdruckansprechen aufgrund der Beschränkungen des zur Regulierung des Drucks verwendeten Miniaturventils. Bezeichnet man solche Verzögerungen mit t und die 1/e-Zeitkonstanten mit τ, sind die Werte: t_auf = 3,63 ms, τ_auf = 1,88 ms, t_zu = 2,15 ms, τ_zu = 0,51 ms. Wenn 3τ jeweils für das Öffnen und Schließen erlaubt sind, arbeitet das Ventil reibungslos bei 75 Hz, wenn es mit wässriger Lösung gefüllt ist.
Wenn man ein anderes Betätigungsverfahren anwenden würde, das nicht mit einer Verzögerung beim Öffnen und Schließen behaftet ist, würde sich dieser Wert auf ~375 Hz belaufen. Man beachte ebenfalls, dass die Federkonstante durch Ändern der Membrandicke eingestellt werden kann; dies erlaubt eine Optimierung entweder für ein schnelles Öffnen oder schnelles Schließen. Die Federkonstante könnte auch durch Ändern der Elastizität (Young-Modul) der Membran eingestellt werden, wie dies durch Einführen eines Dotiermittels in die Membran oder durch die Verwendung eines anderen Elastomermaterials, das als Membran dient, möglich ist (weiter oben in Verbindung mit den 7C–7H beschrieben).
Beim experimentellen Messen der Ventileigenschaften wie in den 21 und 22 veranschaulicht, wurde die Ventilöffnung durch Fluoreszenz gemessen. In diesen Experimenten wurde der Strömungskanal mit einer Lösung von Fluoreszeinisothiocyanat (FITC) in Puffer (pH-Wert ≥ 8) befüllt, und die Fluoreszenz einer quadratischen Fläche, welche das mittlere ~1/3 des Kanals belegt, wird auf einem Epifluoreszenzmikroskop mit einem Photomultiplier mit einer Bandbreite von 10 kHz überwacht. Der Druck wurde mit einem Wheatstone-Brücke-Drucksensor (SenSym SCC15GD2), der gleichzeitig mit der Steuerungsleitung durch nahezu identische pneumatische Verbindungen unter Druck gesetzt wurde, überwacht.
Strömungskanalquerschnitte:
Die Strömungskanäle der vorliegenden Erfindung können wahlweise mit verschiedenen Querschnittsgrößen und -gestalten ausgelegt sein, was verschiedene Vorteile liefert, je nach deren gewünschten Anwendung. Zum Beispiel kann die Querschnittsgestalt des unteren Strömungskanals eine gekrümmte obere Oberfläche aufweisen, entweder entlang ihrer gesamten Länge oder in der unter einem oberen Querkanal angeordneten Region). Eine derartige gekrümmte obere Oberfläche erleichtert die Ventilabdichtung wie folgt.
Bezug nehmend auf 19 ist eine Querschnittsansicht (ähnlich derjenigen von 7B) durch die Strömungskanäle 30 und 32 gezeigt. Wie zu sehen ist, ist der Strömungskanal 30 von rechteckiger Querschnittsgestalt. Bei einem anderen bevorzugten Aspekt der Erfindung, wie in 20 gezeigt, weist der Querschnitt eines Strömungskanals 30 stattdessen eine gekrümmte obere Oberfläche auf.
Bezug nehmend zuerst auf die 19, bewegt sich, wenn der Strömungskanal 32 unter Druck gesetzt wird, der Membranteilbereich 25 des Elastomerblocks 24, der die Strömungskanäle 30 und 32 trennt, nach unten zu den aufeinander folgenden Positionen, wie durch die gestrichelten Linien 25A, 25B, 25C, 25D und 25E gezeigt ist. Wie zu sehen ist, kann es gegebenenfalls zu einer unvollständigen Abdichtung an den Rändern des Strömungskanals 30 in der Nähe des ebenen Substrats 14 kommen.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform von 20 weist der Strömungskanal 30a eine gekrümmte obere Wand 25A auf. Wenn der Strömungskanal 32 unter Druck gesetzt wird, bewegt sich der Membranteilbereich 25 nach unten zu den aufeinander folgenden Positionen, die durch die gestrichelten Linien 25A2, 25A3, 25A4 und 25A5 gezeigt sind, wobei sich die Kantenbereiche der Membran zuerst in den Strömungskanal bewegen, gefolgt von den oberen Membranteilbereichen. Ein Vorteil einer solchen gekrümmten oberen Oberfläche bei der Membran 25A ist, dass eine vollständigere Abdichtung vorgesehen wird, wenn der Strömungskanal 32 unter Druck gesetzt wird. Insbesondere sieht die obere Wand des Strömungskanals 30 eine durchgehende Kontaktkante gegenüber dem ebenen Substrat 14 vor, wodurch die Kontakt-"Insel" vermieden wird, die zwischen der Wand 25 und dem Boden des Strömungskanals 30 in 19 zu sehen ist.
Ein weiterer Vorteil einer gekrümmten oberen Strömungskanaloberfläche bei der Membran 25A ist, dass die Membran sich leichter an die Gestalt und das Volumen des Strömungskanals in Reaktion auf die Betätigung anpassen kann. Insbesondere wo ein rechteckiger Strömungskanal verwendet wird, muss der gesamte Umfang (2 × Strömungskanalhöhe plus die Strömungskanalbreite) in den Strömungskanal gezwungen werden. Jedoch muss dort, wo ein gewölbter Strömungskanal verwendet wird, ein kleinerer Perimeter von Material (nur der halbkreisförmige gewölbte Teilbereich) in den Kanal gezwungen werden. Auf diese Weise erfordert die Membran eine geringere Veränderung des Perimeters für die Betätigung und spricht daher stärker auf eine angewandte Betätigungskraft an, μm den Strömungskanal zu blockieren.
Bei einem anderen Aspekt (nicht veranschaulicht) ist der Boden des Strömungskanals 30 abgerundet, sodass dessen gekrümmte Oberfläche zu der gekrümmten oberen Wand 25A passt, wie in der oben beschriebenen 20 zu sehen ist.
Zusammengefasst, die durch die Membran bei der Betätigung erfahrene tatsächliche Anpassungsveränderung hängt von der Konfiguration der speziellen Elastomerstruktur ab. Insbesondere hängt die Anpassungsveränderung von dem Längen-, Breiten- und Dickenprofil der Membran, deren Befestigung an dem Rest der Struktur, sowie der Höhe, Breite und Gestalt der Strömungs- und der Steuerungskanäle und den Materialei genschaften des verwendeten Elastomers ab. Die Anpassungsveränderung kann auch von dem Betätigungsverfahren abhängen, da die Betätigung der Membran in Reaktion auf einen ausgeübten Druck etwas gegenüber der Betätigung in Reaktion auf eine magnetische oder elektrostatische Kraft variiert.
Außerdem variiert die gewünschte Anpassungsveränderung bei der Membran auch in Abhängigkeit von der speziellen Anwendung für die Elastomerstruktur. Bei den einfachsten oben beschriebenen Ausführungsformen kann das Ventil entweder offen oder geschlossen sein, mit einer Dosierung zur Steuerung des Schließungsgrades des Ventils. Bei anderen Ausführungsformen jedoch kann es erwünscht sein, die Gestalt der Membran und/oder des Strömungskanals zu verändern, um eine komplexere Strömungsregulierung zu erzielen. Zum Beispiel könnte der Strömungskanal mit erhöhten Ausbuchtungen unterhalb des Membranteilbereichs versehen sein, sodass bei einer Betätigung die Membran nur einen Prozentanteil der Strömung durch den Strömungskanal absperrt, wobei der Prozentanteil der blockierten Strömung gegenüber der angewandten Betätigungskraft unempfindlich ist.
Zahlreiche Membran-Dickenprofile und Strömungskanalquerschnitte werden durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen, einschließlich rechteckiger, trapezförmiger, kreisförmiger, ellipsenförmiger, parabolischer, hyperbolischer und polygonaler, sowie Schnitte der oben genannten Gestalten. Komplexere Querschnittsgestalten, wie die Ausführungsform mit den gerade zuvor besprochen Ausbuchtungen, oder eine Ausführungsform mit Konkavitäten im Strömungskanal werden ebenfalls durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen.
Andere Ventilbetätigungstechniken:
Zusätzlich zu den oben beschriebenen druckbasierten Betätigungssystemen werden optionale elektrostatische und magnetische Betätigungssysteme ebenfalls folgendermaßen in Betracht gezogen.
Die elektrostatische Betätigung kann durch Bilden entgegengesetzt geladener Elektroden (welche dazu neigen, sich einander anzuziehen, wenn ein Spannungsunterschied darauf angewandt wird) direkt zu der monolithischen Elastomerstruktur realisiert wer den. Zum Beispiel können, Bezug nehmend auf die 7B, eine optionale erste Elektrode 70 (im Phantom dargestellt) auf (oder in) der Membran 25 positioniert werden und eine optionale zweite Elektrode 72 (ebenfalls im Phantom dargestellt) kann auf (oder in) dem ebenen Substrat 14 positioniert sein. Wenn die Elektroden 70 und 72 mit entgegengesetzten Polaritäten geladen sind, eine anziehende Kraft zwischen den zwei Elektroden das Durchbiegen nach unten der Membran 25 bewirkt, wodurch das "Ventil" geschlossen wird (d. h.: der Strömungskanal 30 geschlossen wird).
Damit die Membranelektrode ausreichend leitfähig ist, um eine elektrostatische Betätigung zu unterstützen, aber nicht so mechanisch steif, um die Ventilbewegung zu behindern, muss eine ausreichend biegsame Elektrode in oder über der Membran 25 vorgesehen sein. Eine solche Elektrode kann durch eine dünne Metallisierungsschicht, Dotieren des Polymers mit leitfähigem Material oder Bilden der Oberflächenschicht aus einem leitfähigen Material vorgesehen werden.
Bei einem beispielhaften Aspekt kann die bei der sich durchbiegenden Membran vorhandene Elektrode durch eine dünne Metallisierungsschicht vorgesehen werden, welche zum Beispiel durch Sputtern einer dünnen Schicht aus Metall, wie 20 nm Gold, vorgesehen wird. Zusätzlich zur Bildung einer metallisierten Membran durch Sputtern sind andere Metallisierungsmethoden, wie chemische Epitaxie, Verdampfung, elektrochemisches Beschichten und stromloses Plattieren, ebenfalls verfügbar. Die physikalische Übertragung einer Metallschicht auf die Oberfläche des Elastomers ist ebenfalls verfügbar, zum Beispiel durch Verdampfen eines Metalls auf ein flaches Substrat, an welchem es schlecht anhaftet, und anschließendes Platzieren des Elastomers auf das Metall und Ablösen des Metalls von dem Substrat.
Eine leitfähige Elektrode 70 kann ebenfalls durch Abscheiden von Russ (d. h. Cabot Vulcan XC72R) auf die Elastomeroberfläche entweder durch Aufreiben des Trockenpulvers oder durch Aussetzen des Elastomers einer Suspension von Russ in einem Lösungsmittel, welches das Aufquellen des Elastomers bewirkt (wie chloriertes Lösungsmittel im Fall von PDMS), gebildet werden. Alternativ kann die Elektrode 70 durch Aufbauen der gesamten Schicht 20 aus mit leitfähigem Material (d. h. Russ oder fein zerteilten Metallteilchen) dotiertem Elastomer gebildet werden. Als weitere Alternative kann die Elektrode durch elektrostatische Abscheidung oder durch chemische Reaktion, die Russ erzeugt, gebildet werden. In Experimenten, die von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung durchgeführt wurden, wurde nachgewiesen, dass sich die Leitfähigkeit mit einer Russkonzentration von 5,6 × 10^–16 bis etwa 5 × 10^–3 (Ω-cm)^–1 erhöht. Die untere Elektrode 72, welche sich nicht bewegen muss, kann entweder eine nachgebende Elektrode wie oben beschrieben, oder eine herkömmliche Elektrode, wie verdampftes Gold, eine Metallplatte oder eine dotierte Halbleiterelektrode, sein.
Alternativ kann die magnetische Betätigung der Strömungskanäle durch Fertigen der die Strömungskanäle trennenden Membran mit einem magnetisch polarisierbaren Material, wie Eisen, oder einem permanent magnetisierten Material, wie polarisiertem NdFeB, erreicht werden. In den durch die Erfinder der vorliegenden Anmeldung durchgeführten Experimenten wurde magnetisches Silikon durch die Zugabe von Eisenpulver (etwa 1 μm Teilchengröße) von bis zu 20 Gew.-% Eisen erzeugt.
Wo die Membran mit einem magnetisch polarisierbaren Material gefertigt wird, kann die Membran durch Anziehung in Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld betätigt werden. Wo die Membran mit einem Material gefertigt wird, das eine permanente Magnetisierung aufrechterhalten kann, kann das Material zuerst durch Aussetzen gegenüber einem ausreichend hohen Magnetfeld magnetisiert werden und dann entweder durch Anziehung oder Abstoßung in Reaktion auf die Polarität eines angelegten inhomogenen Magnetfelds betätigt werden.
Das Magnetfeld, welches die Betätigung der Membran bewirkt, kann auf eine Vielzahl von Wegen erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform wird das Magnetfeld durch eine extrem kleine Induktionsspule, die in oder nahe der Elastomermembran gebildet ist, erzeugt. Die Betätigungswirkung einer solchen Magnetspule wäre eingegrenzt bzw. örtlich festgelegt, womit die Betätigung einzelner Pumpen- und/oder Ventilstrukturen ermöglicht wird. Alternativ könnte das Magnetfeld durch eine größere, leistungsstärkere Quelle erzeugt werden, in welchem Fall die Betätigung global wäre und Mehrfachpumpen- und/oder -ventilstrukturen gleichzeitig aktivieren würde.
Es ist weiter möglich, die Druckbetätigung mit elektrostatischer oder magnetischer Betätigung zu kombinieren. Insbesondere könnte eine Federbalgstruktur in Fluidverbindung mit einer Aussparung elektrostatisch oder magnetisch betätigt werden, um den Druck in der Aussparung zu verringern und dadurch eine dicht an der Aussparung liegende Membranstruktur zu aktivieren.
Zusätzlich zu der elektrischen oder magnetischen Betätigung wie oben beschrieben werden optionale elektrolytische und elektrokinetische Betätigungssysteme ebenfalls durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen. Zum Beispiel könnte ein Betätigungsdruck auf der Membran aus einer elektrolytischen Reaktion in einer über der Membran liegenden Aussparung entstehen. In einer solchen Ausführungsform würden in der Aussparung vorhandene Elektroden eine Spannung über einen Elektrolyt in der Aussparung anlegen. Dieser potenzielle Unterschied würde eine elektrochemische Reaktion an den Elektroden bewirken und zur Erzeugung von Gasspezies führen, wodurch ein Druckunterschied in der Aussparung entsteht.
Alternativ könnte ein Betätigungsdruck auf der Membran aus einem elektrokinetischen Fluidstrom in dem Steuerungskanal entstehen. In einer solchen Ausführungsform würden an gegenüber liegenden Enden des Steuerungskanals vorhandene Elektroden einen potenziellen Unterschied über einen in dem Steuerungskanal vorhandenen Elektrolyt anwenden. Die Migration von geladener Spezies in dem Elektrolyt zu den jeweiligen Elektroden könnte einen Druckunterschied entstehen lassen.
Schließlich ist es auch möglich, die Vorrichtung zu aktivieren durch Bewirkung eines Fluidstroms in dem Steuerungskanal auf Basis der Anwendung von Wärmeenergie, entweder durch Wärmeausdehnung oder durch die Erzeugung von Gas aus Flüssigkeit. Ebenso können chemische Reaktionen, die gasförmige Produkte erzeugen, eine Erhöhung des Drucks, der für die Membranbetätigung ausreichend ist, bewirken.
Netzwerksysteme:
Die 23A und 23B zeigen eine Ansicht eines einzelnen Ein/Aus-Ventils, das mit den weiter oben dargelegten Systemen identisch ist (zum Beispiel in 7A). Die 24A und 24B zeigen ein peristaltisches Pumpsystem, das aus einer Vielzahl der einzeln ansprechbaren Ein/Aus-Ventile wie in 23 zu sehen aufgebaut ist, die aber zu einem Netzwerk zusammengeschlossen sind. Die 25 ist eine Grafik, welche die experimentell erzielten Pumpraten vs. die Frequenz für das peristaltische Pumpsystem von 24 zeigt. Die 26A und 26B zeigen eine schematische Ansicht einer Vielzahl von Strömungskanälen, welche durch eine einzelne Steuerungsleitung steuerbar sind. Dieses System besteht auch aus einer Vielzahl der einzeln ansprechbaren Ein/Aus-Ventile von 23, die zu einem Multiplexbetrieb zusammengeschlossen sind, aber in einer anderen Anordnung als derjenigen von 23. Die 27 ist eine schematische Illustration eines Multiplexsystems, das so ausgelegt ist, um einen Fluidstrom durch ausgewählte Kanäle zu ermöglichen, welches aus einer Vielzahl der einzelnen Ein/Aus-Ventile von 23 besteht, die miteinander verbunden oder zu einem Netzwerk zusammengeschlossen sind.
Bezug nehmend zunächst auf die 23A und 23B, ist eine schematische Darstellung der Strömungskanäle 30 und 32 gezeigt. Der Strömungskanal 30 weist vorzugsweise eine durch diese hindurchströmende Fluid-(oder Gas-)Strömung F auf. Der Strömungskanal 32 (welcher über den Strömungskanal 30 kreuzt, wie bereits hierin erläutert), wird unter Druck gesetzt, sodass die Membran 25, welche die Strömungskanäle trennt, in die Bahn des Strömungskanals 30 niedergedrückt wird, wodurch der Durchgang der Strömung F durch diesen versperrt wird, wie erläutert wurde. Als solcher kann der "Strömungskanal" 32 auch als eine "Steuerungsleitung" bezeichnet werden, welche ein einzelnes Ventil im Strömungskanal 30 betätigt. In den 23 bis 26 ist eine Vielzahl solcher ansprechbaren Ventile in verschiedenen Anordnungen miteinander verbunden oder zu einem Netzwerk zusammengeschlossen, um Pumpen, welche zum peristaltischen Pumpen fähig sind, sowie andere logische Fluidik-Anwendungen vorzusehen.
Bezug nehmend auf die 24A und 24B wird ein System für das peristaltische Pumpen wie folgt bereitgestellt. Ein Strömungskanal 30 besitzt eine Vielzahl von allgemein parallelen Strömungskanälen (d. h. Strömungsleitungen) 32A, 32B und 32C, die über diesen hinweg führen. Durch Unter-Druck-Setzen der Steuerungsleitung 32A wird die Strömung F durch den Strömungskanal 30 unter der Membran 25A am Schnittpunkt der Steuerungsleitung 32A und des Strömungskanals 30 abgesperrt. Desgleichen wird (was aber nicht gezeigt ist) durch Unter-Druck-Setzen der Steuerungsleitung 32B die Strömung F durch den Strömungskanal 30 unter der Membran 25B am Schnittpunkt der Steuerungsleitung 32B und des Strömungskanals 30 etc. abgesperrt.
Jede der Steuerungsleitungen 32A, 32B und 32C ist getrennt ansprechbar. Daher kann eine Peristaltik durch das Muster der Betätigung von 32A und 32C gemeinsam, gefolgt von 32A, gefolgt von 32A und 32B gemeinsam, gefolgt von 32B, gefolgt von 32B und C gemeinsam, etc. betätigt werden. Dies entspricht einem aufeinander folgenden "101, 100, 110, 010, 011, 001"-Muster, wobei "0" "Ventil auf" anzeigt und "1" "Ventil zu" anzeigt. Dieses Peristaltikmuster ist auch als ein 120°-Muster bekannt (Bezug nehmend auf den Phasenwinkel der Betätigung zwischen drei Ventilen). Andere Peristaltikmuster sind gleichermaßen möglich, einschließlich 60°- und 90°-Muster.
In den von den Erfindern durchgeführten Experimenten wurde eine Pumprate von 2,35 nL/s durch Messen der Strecke, die von einer Wassersäule in einer dünnen (0,5 mm I. D.) Röhre zurückgelegt wurde, gemessen, wobei 100 × 100 × 10-μm-Ventile unter einem Betätigungsdruck von 40 kPa standen. Die Pumprate nahm mit der Betätigungshäufigkeit bis ungefähr 75 Hz zu und war dann nahezu konstant bis über 200 Hz. Die Ventile und Pumpen sind auch ziemlich langlebig und bei der Elastomermembran, den Steuerungskanälen oder der Verbindung ist nie ein Versagen festgestellt worden. In Experimenten, die von den Erfindern durchgeführt wurden, zeigt keines der Ventile bei der hierin beschriebenen Peristaltikpumpe irgendein Anzeichen von Abnutzung oder Ermüdung nach mehr als 4 Millionen Betätigungen. Zusätzlich zu deren Langlebigkeit sind sie auch schonend. Eine Lösung von E. Coli, die durch einen Kanal gepumpt wurde und auf ihre Lebensfähigkeit getestet wurde, zeigte eine 94% Überlebensrate.
Die 25 ist eine Grafik, welche die experimentell erzielten Pumpraten vs. die Frequenz für das peristaltische Pumpsystem von 24 zeigt.
Die 26A und 26B veranschaulichen einen weiteren Weg des Zusammenbaus einer Vielzahl der ansprechbaren Ventile von 21. Insbesondere wird eine Vielzahl von parallelen Strömungskanälen 30A, 30B und 30C vorgesehen. Der Strömungskanal (d. h. die Steuerungsleitung) 32 führt darüber über die Strömungskanäle 30A, 30B und 30C. Die Unter-Druck-Setzung der Steuerungsleitung 32 sperrt gleichzeitig die Ströme F1, F2 und F3 durch Niederdrücken der Membrane 25A, 25B und 25C ab, die sich an den Schnittpunkten der Steuerungsleitung 32 und der Strömungskanäle 30A, 30B und 30C befinden.
Die 27 ist eine schematische Darstellung eines Multiplexsystems, das so ausgelegt ist, um selektiv einen Fluidstrom durch ausgewählte Kanäle wie folgt zu ermöglichen. Das Durchbiegen nach unten von Membranen, welche die jeweiligen Strömungskanäle von einer darüber geführten Steuerungsleitung trennen (zum Beispiel die Membranen 25A, 25B und 25C in den 26A und 26B) hängt stark von den Membranabmessungen ab. Demzufolge ist es durch Variieren der Breiten der Strömungskanal-Steuerungsleitung 32 in den 26A und 26B möglich, eine Steuerungsleitung über Multiplex-Strömungskanäle laufen zu lassen, doch nur gewünschte Strömungskanäle zu aktivieren (d. h. abzudichten). Die 27 veranschaulicht eine schematische Darstellung eines solchen Systems wie folgt.
Eine Vielzahl von parallelen Strömungskanälen 30A, 30B, 30C, 30D, 30E und 30F ist unter einer Vielzahl von parallelen Steuerungsleitungen 32A, 32B, 32C, 32D, 32E und 32F positioniert. Die Steuerungskanäle 32A, 32B, 32C, 32D, 32E und 32F sind so ausgelegt, um die durch parallele Strömungskanäle 30A, 30B, 30C, 30D, 30E und 30F strömenden Fluidströme F1, F2, F3, F4, F5 und F6 abzusperren mit Hilfe irgendeines der oben beschriebenen Ventilsysteme, und zwar mit der folgenden Modifizierung.
Jede der Steuerungsleitungen 32A, 32B, 32C, 32D, 32E und 32F weist sowohl breite als auch schmale Teilbereiche auf. Zum Beispiel ist die Steuerungsleitung 32A an Stellen breit, die über die Strömungskanäle 30A, 30C und 30E angeordnet sind. In ähnlicher Weise ist die Steuerungsleitung 32B breit an Stellen, die über die Strömungskanäle 30B, 30D und 30F angeordnet sind, und die Steuerungsleitung 32C ist breit an Stellen, die über die Strömungskanäle 30A, 30B, 30E und 30F angeordnet sind.
An den Stellen, wo die jeweilige Steuerungsleitung breit ist, bewirkt das Unter-Druck-Setzen, dass die Membran (25) den Strömungskanal und die Steuerungsleitung trennt, um signifikant in den Strömungskanal herunterzudrücken, wodurch die Strömungspas sage durch diesen hindurch blockiert wird. Umgekehrt ist an den Stellen, wo die jeweilige Steuerungsleitung schmal ist, die Membran (25) ebenfalls schmal. Demzufolge führt derselbe Grad der Unter-Druck-Setzung nicht dazu, dass die Membran (25) in den Strömungskanal (30) niedergedrückt wird. Daher wird die Fluidpassage darunter nicht blockiert.
Wenn zum Beispiel die Steuerungsleitung 32A unter Druck gesetzt wird, blockiert sie die Ströme F1, F3 und F5 in den Strömungskanälen 30A, 30C und 30E. In ähnlicher Weise blockiert, wenn die Steuerungsleitung 32C unter Druck gesetzt wird, diese die Ströme F1, F2, F5 und F6 in den Strömungskanälen 30A, 30B, 30E und 30F. Wie ersichtlich wird, kann mehr als eine Steuerungsleitung gleichzeitig betätigt werden. Zum Beispiel können die Steuerungsleitungen 32A und 32C gleichzeitig unter Druck gesetzt werden, um den gesamten Fluidstrom mit Ausnahme von F4 zu blockieren (wobei 32A F1, F3 und F5 blockiert; und 32C F1, F2, F5 und F6 blockiert).
Durch selektives Unter-Druck-Setzen verschiedener Steuerungsleitungen (32) sowohl gemeinsam als auch in verschiedenen Sequenzen kann ein hoher Grad der Fluidstromsteuerung erzielt werden. Darüber hinaus können durch Erweitern des vorliegenden Systems auf mehr als sechs parallele Strömungskanäle (30) und mehr als vier parallele Steuerungsleitungen (32) und durch Variieren der Positionierung der breiten und schmalen Bereiche der Steuerungsleitungen sehr komplexe Fluidströmungssteuerungssysteme gefertigt werden. Eine Eigenschaft von solchen Systemen ist, dass es möglich ist, irgendeinen Strömungskanal von n-Strömungskanälen mit nur 2(log₂n)-Steuerungsleitungen zuzuschalten.
Die Erfinder fertigten erfolgreich Mikrofluidikstrukturen mit Dichten von 30 Vorrichtungen/mm², doch sind auch größere Dichten erzielbar.
Selektiv ansprechbare Reaktionskammern entlang von Strömungsleitungen:
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wie in den 28A, 28B, 28C und 28D veranschaulicht, wird ein System für das selektive Leiten eines Fluidstroms in eine oder mehrere aus einer Vielzahl von Reaktionskammern, die entlang einer Strömungsleitung angeordnet sind, bereitgestellt.
Die 28A zeigt eine Draufsicht eines Strömungskanals 30 mit einer Vielzahl von Reaktionskammern 80A und 80B, die entlang von diesem angeordnet sind. Vorzugsweise sind der Strömungskanal 30 und die Reaktionskammern 80A und 80B zusammen als Aussparungen in der unteren Oberfläche einer ersten Schicht 100 aus Elastomer ausgebildet.
Die 28B zeigt eine Ansicht von unten einer weiteren Elastomerschicht 110, wobei zwei Steuerungsleitungen 32A und 32B jeweils allgemein eng sind, aber breit sich erstreckende Teilbereiche 33A und 33B aufweisen, welche als Aussparungen darin ausgebildet sind.
Wie in der Schritt-für-Schritt-Darstellung von 28C und der Montageansicht von 28D zu sehen ist, wird die Elastomerschicht 110 über die Elastomerschicht 100 gelegt. Die Schichten 100 und 110 werden dann miteinander verbunden, und das integrierte System hat die Funktion, den Fluidstrom F selektiv (durch den Strömungskanal 30) in eine der oder beide Reaktionskammern 80A und 80B wie folgt zu leiten. Das Unter-Druck-Setzen der Steuerungsleitung 32A bewirkt, dass die Membran 25 (d. h. der dünne Teilbereich der Elastomerschicht 100, der unterhalb des sich erstreckenden Teilbereichs 33A und über den Regionen 82A der Reaktionskammer 80A liegt) niedergedrückt wird, wodurch die Fluidstrompassage in den Regionen 82A abgesperrt wird, wodurch die Reaktionskammer 80 wirksam gegenüber dem Strömungskanal 30 abgedichtet wird. Wie ebenfalls zu sehen ist, ist der sich erstreckende Teilbereich 33A breiter als der Rest der Steuerungsleitung 32A. Als solche führt die Unter-Druck-Setzung der Steuerungsleitung 32A nicht dazu, dass die Steuerungsleitung 32A zu einem Abdichten des Strömungskanals 30 führt.
Wie ersichtlich wird, können entweder eine der oder beide der Steuerungsleitungen 32A und 32B gleichzeitig betätigt werden. Wenn beide Steuerungsleitungen 32A und 32B gemeinsam unter Druck gesetzt werden, gelangt die Probenströmung im Strömungskanal 30 in keine der Reaktionskammern 80A oder 80B.
Die Idee der wählbaren Steuerung der Fluideinleitung in verschiedene ansprechbare Reaktionskammern, die entlang einer Strömungsleitung angeordnet sind (28) kann mit der Idee der wählbaren Steuerung von Fluidströmung durch eine oder mehrere einer Vielzahl an parallelen Strömungsleitungen (27) kombiniert werden, wodurch ein System erhalten wird, in welchem eine Fluidprobe oder -proben zu irgendeiner speziellen Reaktionskammer in einer Reihe von Reaktionskammern weitergeleitet werden kann/können. Ein Beispiel für ein solches System ist in der 29 angegeben, in welcher parallele Steuerungskanäle 32A, 32B und 32C mit sich erstreckenden Teilbereichen 34 (alle im Phantom dargestellt) die Fluidströme F1 und F2 selektiv in eine aus der Reihe von Reaktionsvertiefungen 80A, 80B, 80C oder 80D wie oben erläutert leiten; während die Unter-Druck-Setzung der Steuerungsleitungen 32C und 32D selektiv die Ströme F2 bzw. F1 absperrt.
Bei noch einer weiteren neuen Ausführungsform ist der Fluiddurchlass zwischen parallelen Strömungskanälen möglich. Bezug nehmend auf die 30 kann bei einer oder beiden der Steuerungsleitungen 32A oder 32D der Druck herausgenommen werden, sodass eine Fluidströmung durch seitliche Durchlässe 35 (zwischen parallelen Strömungskanälen 30A und 30B) ermöglicht wird. Bei diesem Aspekt der Erfindung würde ein Unter-Druck-Setzen der Steuerungsleitungen 32C und 32D den Strömungskanal 30A zwischen 35A und 35B schließen und würde auch die seitlichen Durchlässe 35B schließen. Als solche würde der als Strömung F1 eintretende Strom sequenziell durch 30A, 35A fließen und 30B als Strömung F4 verlassen,
Schaltbare Strömungsanordnungen
Bei noch einer weiteren neuen Ausführungsform kann der Fluiddurchlass selektiv gesteuert werden, um in einer von zwei senkrechten Richtungen zu fließen. Ein Beispiel für ein solches "schaltbares Strömungsanordnungs"-System ist in den 31A bis 31D angegeben. Die 31A zeigt eine Ansicht von unten einer ersten Elastomerschicht 90 (oder irgendeines anderen geeigneten Substrats) mit einer unteren Oberfläche mit einem Muster aus Aussparungen, die ein Strömungskanalnetz bilden, das durch eine Anordnung von festen Stützen 92 jeweils mit um diese herum gehenden Strömungskanälen definiert wird.
Bei bevorzugten Aspekten ist eine zusätzliche Schicht aus Elastomer mit der oberen Oberfläche der Schicht 90 verbunden, sodass der Fluidstrom selektiv gesteuert werden kann, um sich entweder in Richtung F1 oder in senkrechter Richtung F2 zu bewegen. Die 31 ist eine Ansicht von unten der unteren Oberfläche der zweiten Elastomerschicht 95, die in der Form von abwechselnden "vertikalen" Steuerungsleitungen 96 und "horizontalen" Steuerungsleitungen 94 gebildete Aussparungen zeigt. "Vertikale" Steuerungsleitungen 96 haben die gleiche Breite entlang von diesen, wohingegen "horizontale" Steuerungsleitungen 94 alternierende breite und schmale Teilbereiche aufweisen, wie gezeigt.
Die Elastomerschicht 95 ist über der Oberseite der Elastomerschicht 90 positioniert, sodass "vertikale" Steuerungsleitungen 96 über Stützen 92 positioniert sind, wie in 31C gezeigt, und "horizontale" Steuerungsleitungen 94 mit ihren breiten Teilbereichen zwischen den Stützen 92 positioniert sind, wie in 31D gezeigt.
Wie in 31C zu sehen ist, wenn "vertikale" Steuerungsleitungen 96 unter Druck gesetzt werden, wird die Membran der integrierten Struktur, die durch die anfänglich zwischen den Schichten 90 und 95 in den Regionen 98 positionierte Elastomerschicht gebildet wird, nach unten über der Anordnung von Strömungskanälen durchgebogen, sodass der Strom nur in der Fließrichtung F2 (d. h. vertikal) fließen kann, wie gezeigt.
Wie in 31D zu sehen ist, wenn "horizontale" Steuerungsleitungen 94 unter Druck gesetzt werden, wird die Membran der integrierten Struktur, die durch die anfänglich zwischen den Schichten 90 und 95 in den Regionen 99 positionierte Elastomerschicht gebildet wird, nach unten über der Anordnung von Strömungskanälen durchgebogen (aber nur in den Regionen, wo sie am breitesten sind), sodass der Strom nur in der Fließrichtung F1 (d. h. horizontal) fließen kann, wie gezeigt.
Das in den 31 veranschaulichte Design erlaubt den Aufbau einer schaltbaren Strömungsanordnung aus nur zwei Elastomerschichten, wobei keine vertikalen Durchgangslöcher zwischen Steuerungsleitungen in verschiedenen Elastomerschichten erforderlich sind. Wenn alle vertikalen Strömungssteuerungsleitungen 94 verbunden sind, können sie von einem Eingang aus unter Druck gesetzt werden. Das gleiche trifft auf alle horizontalen Strömungssteuerungsleitungen 96 zu.
Biopolymersynthese
Die vorliegenden Elastomer-Ventilstrukturen können auch in der Biopolymersynthese verwendet werden, zum Beispiel bei der Synthetisierung von Oligonukleotiden, Proteinen, Peptiden, DNA etc. Bei einem bevorzugten Aspekt kann eine solche Biopolymersynthese ein integriertes System umfassen, welches eine Anordnung von Reservoirs, Fluidik-Logik (gemäß der vorliegenden Erfindung) für die Strömungsauswahl von einem speziellen Reservoir, eine Anordnung von Kanälen oder Reservoirs, in welchen die Synthese erfolgt, und Fluidik-Logik (ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung) für die Bestimmung, in welche Kanäle das gewählte Reagens fließt, umfasst. Ein Beispiel für ein solches System 200 ist in 32 wie folgt veranschaulicht.
Vier Reservoirs 150A, 150B, 150C und 150D besitzen darin angeordnete Basen A, C, T bzw. G, wie gezeigt. Vier Strömungskanäle 30A, 30B, 30C und 30D sind mit den Reservoirs 150A, 150B, 150C und 150D verbunden. Vier Steuerungsleitungen 32A, 32B, 32C und 32D (im Phantom gezeigt) sind über diese angeordnet, wobei die Steuerungsleitung 32A eine Strömung nur durch den Strömungskanal 30A zulässt (d. h. die Strömungskanäle 30B, 30C und 30D abdichtet), wenn die Steuerungsleitung 32A unter Druck gesetzt ist. Desgleichen lässt die Steuerungsleitung 32B eine Strömung nur durch den Strömungskanal 30B zu, wenn sie unter Druck gesetzt wird. Somit wählt die selektive Unter-Druck-Setzung der Steuerungsleitungen 32A, 32B, 32C und 32D sequenziell eine gewünschte Base A, C, T und G aus einem gewünschten Reservoir 150A, 150B, 150C oder 150D. Das Fluid fließt dann durch den Strömungskanal 120 in einen Multiplexkanal-Strömungsregler 125 (einschließlich zum Beispiel jegliches System wie in den 26A bis 31D gezeigt), welcher wiederum den Fluidstrom in einen oder mehrere einer Vielzahl von Synthesekanälen oder Kammern 122A, 122B, 122C, 122D oder 122E leitet, in welchem eine Festphasensynthese durchgeführt werden kann.
Die 33 zeigt eine weitere Erweiterung dieses Systems, auf welchem eine Vielzahl von Reservoirs R1 bis R13 (welche die Basen A, T, C und G oder irgendwelche ande ren Reaktanten, wie sie in der kombinatorischen Chemie verwendet würden, enthalten) mit Systemen 200, wie in den 32 dargelegt, verbunden sind. Die Systeme 200 sind mit einem Multiplexkanal-Strömungsregler 125 (einschließlich zum Beispiel jegliches System wie in den 26A bis 31D gezeigt), welcher wiederum mit einer schaltbaren Strömungsanordnung verbunden ist (zum Beispiel wie in den 31 gezeigt). Ein Vorteil dieses Systems ist, dass beide aus den Multiplexkanal-Strömungsreglern 125 und Fluidauswahlsystemen 200 durch die gleichen Druckeingänge 170 und 172 gesteuert werden können, vorausgesetzt, eine "geschlossene horizontale" und eine "geschlossene vertikale" Steuerungsleitung (160 und 162, im Phantom) sind ebenfalls vorgesehen.
Bei weiteren alternativen Aspekten der Erfindung kann eine Vielzahl an Multiplexkanal-Strömungsreglern (wie 125) eingesetzt werden, wobei jeder Strömungsregler anfangs einer über dem anderen auf einer unterschiedlichen Elastomerschicht positioniert ist, mit vertikalen Durchgangslöchern oder Verbindungen zwischen den Elastomerschichten untereinander (die durch lithographisches Mustern einer ätzbeständigen Schicht auf der Oberseite einer Elastomerschicht, anschließendes Ätzen des Elastomers und schließlich Entfernen des Ätzresists vor der Hinzufügung der letzten Elastomerschicht erzeugt werden können).
Zum Beispiel kann ein vertikales Durchgangsloch in einer Elastomerschicht durch Ätzen eines Lochs auf eine erhöhte Leitung auf einer mikrogefertigten Gussform und Verbinden der nächsten Schicht erzeugt werden, sodass ein Kanal über dieses Loch führt. Bei diesem Aspekt der Erfindung ist eine Mehrfachsynthese mit einer Vielzahl von Multiplexkanal-Strömungsreglern 125 möglich.
Die Verbindung aufeinanderfolgender Schichten von geformtem Elastomer zur Bildung einer Mehrschichtstruktur ist in 34 gezeigt, welche eine optische Mikrophotographie eines Abschnitts einer aus sieben Elastomerschichten bestehenden Teststruktur ist. Der Skalenbalken von 34 ist 200 μm.
Ein Verfahren der Fertigung einer Elastomerschicht, welche das in einer Mehrschichtstruktur genutzte vertikale Durchgangslochmerkmal aufweist, ist in den 35A– 35D gezeigt. Die 35A zeigt die Bildung einer Elastomerschicht 3500 über einer mikrogefertigten Gussform 3502 einschließlich der erhöhten Leitung 3502a.
Die 35B zeigt die Bildung einer Metall-Ätz-Blockierschicht 3504 über der Elastomerschicht 3500, gefolgt von dem Mustern der Photoresistmaske 3506 über der Ätzblockierschicht 3504, um die maskierten Regionen 3508 zu bedecken und frei liegende unmaskierte Regionen 3510 zurückzulassen. Die 35C zeigt das Aussetzen an ein Lösungsmittel, welches die Ätz-Blockierschicht 3504 in unmaskierten Regionen 3510 entfernt.
Die 35D zeigt die Entfernung des gemusterten Photoresists, gefolgt von einem sich anschließenden Ätzen von darunter liegendem Elastomer 3500 in unmaskierten Regionen 3510 unter Bildung des vertikalen Durchgangslochs 3512. Das sich anschließende Aussetzen an Lösungsmittel entfernt restliche Ätzblockierschicht 3504 in maskierten Regionen 3508 selektiv zu dem umgebenden Elastomer 3500 und der Gussform 3502. Diese Elastomerschicht kann dann in eine Elastomerstruktur durch Mehrschicht-Weich-Lithographie eingebunden werden.
Diese Reihe von Schritten kann bei Bedarf wiederholt werden, um eine mehrschichtige Struktur mit der gewünschten Zahl und Orientierung von vertikalen Durchgangslöchern zwischen Kanälen von aufeinanderfolgenden Elastomerschichten zu bilden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung ätzten erfolgreich Durchgangslöcher durch GE RTV 615-Schichten unter Verwendung einer Lösung von Tetrabutylammoniumfluorid in organischem Lösungsmittel. Gold dient als das Ätz-Sperrmittel, wobei Gold selektiv zu GE RTV 615 unter Verwendung einer KI/I₂/H₂O-Mischung entfernt wird.
Alternativ könnten vertikale Durchgangslöcher zwischen Kanälen in aufeinander folgenden Elastomerschichten unter Anwendung einer negativen Maskentechnik gebildet werden. Bei dieser Vorgehensweise wird eine negative Maske aus einer Metallfolie gemustert, und die nachfolgende Bildung einer Ätz-Sperrschicht wird verhindert, wo die Metallfolie vorhanden ist. Nachdem das Ätz-Sperrmaterial gemustert wurde, wird die negative Metallfolienmaske entfernt, was ein selektives Ätzen des Elastomers wie oben beschrieben ermöglicht.
Bei noch einer weiteren Vorgehensweise könnten vertikale Durchgangslöcher in einer Elastomerschicht unter Anwendung einer Abtragung von Elastomermaterial durch die Anwendung von Strahlung von einem angewandten Laserstrahl gebildet werden.
Während die oben genannte Vorgehensweise in Verbindung mit der Synthese von Biopolymeren beschrieben wird, ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt. Die vorliegende Erfindung könnte auch in einer großen Vielzahl von kombinatorischen chemischen Syntheseverfahren funktionieren.
Andere Anwendungen:
Vorteilhafte Anwendungen der vorliegenden monolithischen mikrogefertigen Elastomerventile und -pumpen sind zahlreich. Demzufolge ist die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Anwendung oder Verwendung davon beschränkt. Bei bevorzugten Aspekten werden die folgenden Verwendungen und Anwendungen für die vorliegende Erfindung in Erwägung gezogen.
1. Zellen-/DNA-Sortierung
Die vorliegenden Mikrofluidikpumpen und -ventile können auch in Strömungszytometern für die Zellsortierung und DNA-Klassierung verwendet werden. Das Sortieren von Gegenständen auf Basis der Größe ist extrem nützlich auf zahlreichen technischen Gebieten.
Zum Beispiel erfordern zahlreiche Assays in der Biologie die Bestimmung der Größe von Einheiten von Molekülgröße. Von besonderer Bedeutung ist die Messung der Längenverteilung von DNA-Molekülen in einer heterogenen Lösung. Dies erfolgt gewöhnlich mit Hilfe der Gel-Elektrophorese, in welcher die Moleküle durch ihre unterschiedliche Mobilität in einer Gelmatrix in einem angewandten elektrischen Feld getrennt werden und deren Positionen durch Absorption oder Emission von Strahlung festgestellt werden. Die Längen der DNA-Moleküle werden dann aus ihrer Mobilität abgeleitet.
Dabei sind leistungsstarke elektrophoretische Verfahren mit Nachteilen verbunden. Für mittlere bis große DNA-Moleküle ist die Auflösung, d. h. der Mindestlängenunterschied, bei welchem unterschiedliche Moleküllängen unterschieden werden können, auf ungefähr 10% der Gesamtlänge begrenzt. Für extrem große DNA-Moleküle ist das herkömmliche Sortierverfahren nicht durchführbar. Außerdem ist die Gel-Elektrophorese ein sich relativ lang hinziehendes Verfahren und kann für die Durchführung Stunden oder Tagen erfordern.
Das Sortieren von Einheiten von Zellgröße ist ebenfalls eine wichtige Aufgabe. Herkömmliche Strömungszellensortierer sollen eine Strömungskammer mit einer Düse aufweisen und basieren auf dem Prinzip der hydrodynamischen Fokussierung mit einer Mantelströmung. Die gebräuchlichsten Zellsortierer kombinieren die Technologie der piezoelektrischen Erzeugung eines Tropfens und einer elektrostatischen Durchbiegung, um eine Tröpfchenerzeugung und hohe Sortierraten zu erzielen. Allerdings bringt diese Vorgehensweise einige wichtige Nachteile mit sich. Ein Nachteil ist, dass die Komplexität, Größe und Kosten der Sortiervorrichtung es erforderlich machen, dass diese wiederverwendbar ist, um kostengünstig zu sein. Die Wiederverwendung kann wiederum zu Problemen mit Restmaterialien führen, was eine Kontamination von Proben und einen turbulenter Fluidstrom bewirkt.
Daher gibt es im Fachbereich einen Bedarf an einer einfachen, nicht teuren und leicht zu fertigenden Sortiervorrichtung, welche auf der mechanischen Steuerung von Fluidstrom, und nicht auf elektrischen Wechselwirkungen zwischen dem Teilchen und dem gelösten Stoff beruht.
Die 36 zeigt eine Ausführungsform einer Sortiervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Sortiervorrichtung 3600 ist aus einer Schaltventilstruktur, die aus in einem Elastomerblock vorhandenen Kanälen erzeugt wird, gebildet. Insbesondere ist der Strömungskanal 3602 T-förmig, wobei der Schaft 3602a eines Strömungskanals 3602 in Fluidverbindung mit dem Probenreservoir 3604 steht, welches sortierbare Einheiten 3606 von unterschiedlichen Typen, die nach der Gestalt benannt sind (Quadrat, Kreis, Dreieck etc.), enthält. Die linke Abzweigung 3602b des Strö mungskanals 3602 steht in Fluidverbindung mit dem Abfallreservoir 3608. Die rechte Abzweigung 3602c des Strömungskanals 3602 steht in Verbindung mit dem Sammelreservoir 3610.
Die Steuerungskanäle 3612a, 3612b und 3612c liegen darüber und sind vom Schaft 3602a des Strömungskanals 3602 durch die Elastomermembranteilbereiche 3614a, 3614b bzw. 3614c getrennt. Zusammen bilden der Schaft 3602a des Strömungskanals 3602 und die Steuerungskanäle 3612a, 3612b und 3612c eine erste Peristaltikpumpenstruktur 3616, welche der ausführlich weiter oben in Verbindung mit der 24a beschriebenen ähnelt.
Der Steuerungskanal 3612d liegt über und ist von der rechten Abzweigung 3602c des Strömungskanals 3602 durch den Elastomermembranteilbereich 3614d getrennt. Zusammen bilden die rechte Abzweigung 3602c des Strömungskanals 3602 und die Steuerungskanäle 3612d eine erste Ventilstruktur 3618a. Der Steuerungskanal 3612e liegt über und ist von der linken Abzweigung 3602c des Strömungskanals 3602 durch den Elastomermembranteilbereich 3614e getrennt. Zusammen bilden die linke Abzweigung 3602c des Strömungskanals 3602 und der Steuerungskanal 3612e eine zweite Ventilstruktur 3618b.
Wie in 36 gezeigt, verengt sich der Schaft 3602a des Strömungskanals 3602 beträchtlich, je näher er dem Detektionsfenster 3620 neben der Verbindungsstelle des Schafts 3602a, der rechten Abzeigung 3602b und der linken Abzweigung 3602c kommt. Das Detektionsfenster 3620 besitzt eine ausreichende Breite, um eine gleichmäßige Ausleuchtung dieser Region zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform verengt sich die Breite des Schafts von 100 μm auf 5 μm am Detektionsfenster. Die Breite des Schafts am Detektionsfenster kann präzise unter Verwendung der Weichlithographie- oder Photoresistverkapselungs-Fertigungstechniken, die weiter oben ausführlich beschrieben sind, gebildet werden und hängt von der Natur und der Größe der zu sortierenden Einheit ab.
Der Betrieb der Sortiervorrichtung in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist wie folgt.
Die Probe wird in einem Grad verdünnt, sodass das Vorhandensein nur einer einzigen sortierbaren Einheit im Detektionsfenster zu jedem Zeitpunkt zu erwarten ist. Die Peristaltikpumpe 3616 wird durch Strömenlassen eines Fluids durch die Steuerungskanäle 3612a–c betätigt, wie oben ausführlich beschrieben ist. Zudem wird die zweite Ventilstruktur 3618b durch Strömenlassen von Fluid durch den Steuerungskanal 3612e geschlossen. Als ein Ergebnis des Pumpvorgangs der Peristaltikpumpe 3616 und des Blockiervorgangs des zweiten Ventils 3618b strömt das Fluid von dem Probenreservoir 3604 durch das Detektionsfenster 3620 in das Abfallreservoir 3608. Aufgrund der Verengung des Schafts 3604 werden die in dem Probenreservoir 3604 vorhandenen sortierbaren Einheiten von diesem normalen Fluidstrom eine nach der anderen durch das Detektionsfenster 3620 befördert.
Die Strahlung 3640 von der Quelle 3642 wird in das Detektionsfenster 3620 eingeführt. Dies ist möglich aufgrund des Transmissionsvermögens des Elastomermaterials. Die Absorption oder Emission von Strahlung 3640 durch die sortierbare Einheit 3606 wird dann durch den Detektor 3644 detektiert.
Wenn die sortierbare Einheit 3606a innerhalb des Detektionsfensters 3620 durch die Sortiervorrichtung 3600 abgesondert und gesammelt werden soll, wird das erste Ventil 3618a aktiviert und das zweite Ventil 3618b deaktiviert. Dies hat die Wirkung, dass die sortierbare Einheit 3606a in den Sammelbehälter 3610 gezogen wird und gleichzeitig die zweite sortierbare Einheit 3606b in das Detektionsfenster 3620 gezogen wird. Wenn die zweite sortierbare Einheit 3602b ebenfalls für das Sammeln identifiziert wird, lässt die Peristaltikpumpe 3616 weiter Fluid durch die rechte Verzweigung 3602c des Strömungskanals 3602 in den Sammelbehälter 3610 fließen. Wenn jedoch die zweite Einheit 3606b nicht gesammelt werden soll, öffnet sich das erste Ventil 3618a und das zweite Ventil 3618b schließt, und die erste Peristaltikpumpe 366 nimmt das Pumpen von Flüssigkeit durch die linke Verzweigung 3602b des Strömungskanals 3602 in das Abfallreservoir 3608 wieder auf.
Es ist zwar eine spezifische Ausführungsform einer Sortiervorrichtung und ein Verfahren für deren Betrieb in Verbindung mit der 36 beschrieben, doch ist die vorliegen de Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel muss man kein Fluid durch die Strömungskanäle unter Verwendung einer Peristaltikpumpenstruktur fließen lassen, sondern könnte stattdessen unter Druck, wobei die Elastomerventile lediglich die Richtung der Strömung steuern, zum Fließen gebracht werden. Bei noch einer weiteren Ausführungsform könnte eine Vielzahl von Sortierstrukturen in Reihe zusammengesetzt werden, um aufeinander folgende Sortieroperationen durchzuführen, wobei das Abfallreservoir von 36 einfach durch den Schaft der nächsten Sortierstruktur ersetzt wird.
Darüber hinaus könnte ein Sortierverfahren mit hohem Durchsatz zum Einsatz kommen, in welchem ein kontinuierlicher Fluidstrom von dem Probenreservoir durch das Fenster und die Verbindungsstelle in das Abfallreservoir aufrechterhalten wird, bis eine für das Sammeln bestimmte Einheit in dem Fenster detektiert wird. Bei der Detektion einer zu sammelnden Einheit wird die Richtung des Fluidstroms durch die Pumpenstruktur zeitweise umgekehrt, um das gewünschte Teilchen durch die Verbindungsstelle in den Sammelbehälter zurückzutransportieren. Auf diese Weise könnte die Sortiervorrichtung eine höhere Strömungsrate verwenden, mit der Fähigkeit zurückzugehen, wenn eine gewünschte Einheit detektiert wird. Eine solche alternative Sortiertechnik mit hohem Durchsatz könnte angewandt werden, wenn die zu sammelnde Einheit selten ist und die Notwendigkeit des Zurückgehens nicht häufig vorkommt.
Das Sortieren gemäß der vorliegenden Erfindung würde die Nachteile des Sortierens unter Anwendung einer herkömmlichen elektrokinetischen Strömung vermeiden, wie Blasenbildung, eine starke Abhängigkeit der Stromgröße und -richtung von der Zusammensetzung der Lösung und den Auswirkungen der Oberflächenchemie, eine unterschiedliche Mobilität verschiedener chemischer Spezies und eine verringerte Lebensfähigkeit von lebenden Organismen in dem mobilen Medium.
2. Halbleiterverarbeitung
Systeme für die Halbleiter-Gasströmungssteuerung (insbesondere für epitaxiale Anwendungen, bei welchen kleine Mengen von Gasen exakt abgemessen werden) werden ebenfalls durch die vorliegende Erfindung in Betracht gezogen. Zum Beispiel wird während der Fertigung von Halbleitervorrichtungen festes Material auf einem Halbleiter substrat mit Hilfe der chemischen Dampfabscheidung (CVD) abgeschieden. Dies wird durch Aussetzen des Substrats an eine Mischung von Gasvorläufermaterialien bewerkstelligt, sodass diese Gase reagieren und das resultierende Produkt auf dem Substrat kristallisiert.
Während solcher CVD-Verfahren müssen die Bedingungen sorgfältig kontrolliert werden, um eine gleichmäßige Abscheidung von Material, das frei von Fehlern ist, welche den Betrieb der elektrischen Vorrichtung beeinträchtigen könnten, sicherzustellen. Eine mögliche Quelle der Ungleichmäßigkeit ist die Schwankung in der Strömungsrate der Reaktantengase in der Region über dem Substrat. Eine schlechte Steuerung der Gasströmungsrate kann auch zu Schwankungen bei den Schichtdicken von Betriebslauf zu Betriebslauf führen, was eine weitere Quelle von Fehlern ist. Leider gab es ein signifikantes Problem bei der Regulierung der Menge an Gas, das in die Prozesskammer strömen gelassen wurde, und bei der Beibehaltung stabiler Strömungsraten in herkömmlichen Gasbeförderungssystemen.
Demzufolge zeigt die 37A eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die für die Beförderung mit exakt regulierbaren Strömungsraten von Prozessgas über die Oberfläche eines Halbleiterwafers während eines CVD-Verfahrens ausgelegt ist. Insbesondere ist der Halbleiterwafer 3700 auf dem Waferträger 3702, der sich innerhalb einer CVD-Kammer befindet, positioniert. Die Elastomerstruktur 3704, die eine große Zahl von gleichmäßig verteilten Austrittsöffnungen 3706 enthält, ist direkt über der Oberfläche eines Wafers 3700 positioniert.
Eine Vielzahl an Prozessgasen wird mit sorgfältig kontrollierten Raten von den Reservoiren 3708a und 3708b durch Strömungskanäle im Elastomerblock 3704 und aus den Austrittsöffnungen 3706 strömen gelassen. Als ein Ergebnis der exakt kontrollierten Strömung von Prozessgasen über dem Wafer 3700 wird festes Material 3710 mit einer extrem gleichmäßigen Struktur abgeschieden.
Das präzise Abmessen von Reaktantengasströmungsraten unter Verwendung von Ventil- und/oder Pumpenstrukturen der vorliegenden Erfindung ist aus mehreren Gründen möglich. Zuerst können Gase durch Ventile strömen gelassen werden, die in linearer Weise auf einen ausgeübten Betätigungsdruck ansprechen, wie weiter oben in Verbindung mit den 21A und 21B besprochen wird. Alternativ oder zusätzlich zu dem Abmessen der Gasströmung unter Verwendung von Ventilen kann das vorhersagbare Verhalten von Pumpenstrukturen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zum präzisen Abmessen des Prozessgasstroms angewandt werden.
Zusätzlich zu den oben beschriebenen chemischen Dampfabscheidungsverfahren ist die vorliegende Technik auch zur Steuerung der Gasströmung bei Techniken wie der Molekularstrahlepitaxie und dem reaktiven Ionenätzen nützlich.
3. Mikrospiegelanordnungen
Während die bislang beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Betrieb einer Struktur, die ganz aus Elastomermaterial besteht, betreffen, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Strukturtyp beschränkt. Insbesondere liegt es innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, eine Elastomerstruktur mit einer herkömmlichen Halbleiterstruktur auf Siliziumbasis zu kombinieren.
Zum Beispiel liegen weitere in Betracht gezogene Anwendungen der vorliegenden mikrogefertigten Pumpen und Ventile bei optischen Displays, bei welchen die Membran in einer Elastomerstruktur Licht entweder als eine flache ebene oder als eine gekrümmte Oberfläche in Abhängigkeit davon, ob die Membran aktiviert ist, reflektiert. Als solche fungiert die Membran als ein schaltbares Pixel. Eine Anordnung solcher schaltbaren Pixel mit einem geeigneten Regelschaltkreis könnte als digitale oder analoge Mikrospiegelanordnung zum Einsatz kommen.
Demzufolge zeigt die 38 eine Explosionsansicht eines Teils einer Ausführungsform einer Mikrospiegelanordnung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die Mikrospiegelanordnung 3800 schließt eine erste Elastomerschicht 3802, die darüber liegt und getrennt ist von einer darunter liegenden Halbleiterstruktur 3804 durch die zweite Elastomerschicht 3806, ein. Die Oberfläche 3804a der Halbleiterstruktur 3804 trägt eine Vielzahl von Elektroden 3810. Die Elektroden 3810 sind einzeln an sprechbar durch leitende Reihen- und Säulenleitungen, wie sie einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet bekannt sein dürften.
Die erste Elastomerschicht 3802 schließt eine Vielzahl von sich kreuzenden Kanälen 3822 ein, die unter einem elektrisch leitenden, reflektierenden Elastomermembranteilbereich 3802a liegen. Die erste Elastomerschicht 3802 ist über der zweiten Elastomerschicht 3806 und unter der Halbleitervorrichtung 3804 liegend ausgerichtet, sodass die Schnittpunkte der Kanäle 3822 über den Elektroden 3810 liegen.
Bei einer Ausführungsform eines Fertigungsverfahrens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann eine erste Elastomerschicht 3822 durch Aufschleudern von Elastomermaterial auf eine Gussform, welche sich kreuzende Kanäle aufweist, Härten des Elastomers, Entfernen des geformten Elastomers aus der Gussform und Einführen von elektrisch leitendem Dotiermittel in die Oberflächenregion des geformten Elastomers gebildet werden. Alternativ kann, wie in Verbindung mit den 7C–7G weiter oben beschrieben, die erste Elastomerschicht 3822 aus zwei Elastomerschichten durch Einführen von Elastomermaterial in eine sich kreuzende Kanäle beinhaltende Gussform, sodass das Elastomermaterial mit der Höhe der Kanalwände eben ist, und anschließendes Verbinden einer getrennten dotierten Elastomerschicht mit dem vorhandenen Elastomermaterial zur Bildung einer Membran auf der oberen Oberfläche gebildet werden.
Alternativ kann die erste Elastomerschicht 3802 aus elektrisch leitendem Elastomer hergestellt werden, bei dem die elektrische Leitfähigkeit entweder vom Dotieren oder von den innewohnenden Eigenschaften des Elastomermaterials herrührt.
Während des Betriebs der reflektierenden Struktur 3800 werden elektrische Signale entlang einer ausgewählten Reihenleitung und Säulenleitung zu einer Elektrode 3810a übertragen. Die Anlegung von Spannung an die Elektrode 3810a erzeugt eine Anziehungskraft zwischen der Elektrode 3810a und der darüber liegenden Membran 3802a. Diese Anziehungskraft betätigt einen Teilbereich der Membran 3802a, was bewirkt, dass sich dieser Membranteilbereich nach unten in den aus dem Schnittpunkt der Kanäle 3822 resultierenden Hohlraum biegt. Als eine Folge der Verformung der Membran 3802a von eben zu konkav wird Licht an diesem Punkt in der Oberfläche der Elastomerstruktur 3802 anders reflektiert als von der umgebenden ebenen Membranoberfläche. Ein Pixelbild ist dadurch erzeugt.
Das Aussehen dieses Pixelbildes ist variabel und kann durch Verändern der Größe der an die Elektrode angelegten Spannung gesteuert werden. Eine höhere an die Elektrode angelegte Spannung erhöht die Anziehungskraft auf dem Membranteilbereich, was eine weitere Verformung von dessen Gestalt bewirkt. Eine niedrigere an die Elektrode angelegte Spannung verringert die Anziehungskraft auf der Membran, wodurch die Verformung von deren Gestalt aus der Ebenheit verringert wird. Beide von diesen Veränderungen beeinträchtigen das Aussehen des resultierenden Pixelbildes.
Eine variable Mikrospiegelanordnungsstruktur wie beschrieben könnte in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich dem Anzeigen von Bildern, verwendet werden. Eine weitere Anwendung für eine variable Mikrospiegelanordnungsstruktur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wäre ein Hochleistungsschalter für ein Faseroptikübertragungssystem, wobei jedes Pixel die Reflexion und Übertragung einer Komponente eines einfallenden Lichtsignals beeinträchtigen könnte.
5. Brechungsstrukturen
Die eben beschriebene Mikrospiegelanordnungsstruktur steuert die Reflexion von einfallendem Licht. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Steuerung der Reflexion beschränkt. Noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Ausübung einer exakten Steuerung der Brechung von einfallendem Licht, um Linsen- und Filterstrukturen zu erzeugen.
Die 39 zeigt eine Ausführungsform einer Brechungsstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Brechungsstruktur 3900 schließt die erste Elastomerschicht 3902 und die zweite Elastomerschicht 3904 ein, die aus Elastomermaterial bestehen, das einfallendes Licht 3906 durchlassen kann.
Die erste Elastomerschicht 3902 weist einen konvexen Teilbereich 3902a auf, welcher durch Härten von Elastomermaterial, das über einer mikrogefertigten Gussform mit ei nem konkaven Teilbereich gebildet ist, erzeugt werden kann. Die zweite Elastomerschicht 3904 weist einen Strömungskanal 3905 auf und kann aus einer mikrogefertigten Gussform mit einer erhöhten Leitung erzeugt werden, wie weiter oben ausführlich erläutert wird.
Die erste Elastomerschicht 3902 wird mit der zweiten Elastomerschicht 3904 verbunden, sodass der konvexe Teilbereich 3902a über dem Strömungskanal 3905 angeordnet ist. Diese Struktur kann einer Vielzahl von Zwecken dienen.
Zum Beispiel würde auf die Elastomerstruktur 3900 einfallendes Licht in den darunter liegenden Strömungskanal fokussiert werden, wodurch die mögliche Leitung von Licht durch den Strömungskanal zugelassen wird. Alternativ könnte bei einer Ausführungsform einer Elastomervorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung fluoreszierende oder phosphoreszierende Flüssigkeit durch den Strömungskanal strömen gelassen werden, wobei das resultierende Licht von dem Fluid durch die gekrümmte Oberfläche gebrochen wird unter Bildung eines Displays.
Die 40 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Brechungsstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Brechungsstruktur 4000 ist eine mehrschichtige optische Reihe auf Basis eines Fresnelschen Linsen-Aufbaus. Insbesondere ist die Brechungsstruktur 4000 aus vier aufeinander folgenden Elastomerschichten 4002, 4004, 4006 und 4008 aufgebaut, die miteinander verbunden sind. Die oberen Oberflächen jeder aus der ersten, zweiten und dritten Elastomerschicht 4002, 4004 und 4006 tragen gleichmäßige Zacken 4010, die gleichmäßig in einem Abstand X voneinader getrennt sind, welcher viel größer ist als die Wellenlänge des einfallenden Licht. Die Zacken 4010 dienen der Fokussierung des einfallenden Lichts und können durch die Verwendung einer mikrogefertigten Gussform wie weiter oben ausführlich beschrieben gebildet werden. Die erste, zweite und dritte Elastomerschicht 4002, 4004 und 4006 fungieren als Fresnelsche Linsen, wie für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ersichtlich wäre.
Die vierte Elastomerschicht 4008 trägt gleichmäßige Zacken 4012 mit einer viel kleineren Größe als die Zacken der darüber liegenden Elastomerschichten. Die Zacken 4012 sind ebenfalls durch einen viel kleineren Abstand Y voneinander getrennt als die Zacken der darüber liegenden Elastomerschichten, wobei Y im Größenbereich der Wellenlänge von einfallendem Licht liegt, sodass die Elastomerschicht 4008 als ein Beugungsgitter fungiert.
Die 41 veranschaulicht eine Ausführungsform einer Brechungsstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, welche den Unterschied bezüglich des Materialbrechungsindex nutzt, um in erster Linie die Beugung zu bewerkstelligen. Die Brechungsstruktur 4100 schließt den unteren Elastomerteilbereich 4102, welcher von dem oberen Elastomerteilbereich 4104 bedeckt ist, ein. Sowohl der untere Elastomerteilbereich 4102 als auch der obere Elastomerteilbereich 4104 bestehen aus Material, welches einfallendes Licht 4106 durchlässt. Der untere Elastomerteilbereich 4102 schließt eine Vielzahl an serpentinenförmigen Strömungskanälen 4108, die durch die elastomeren hervorstehenden Flächen 4110 getrennt sind, ein. Die Strömungskanäle 4108 schließen Fluid 4112 mit einem anderen Brechungsindex als das Elastomermaterial, aus dem die hervorstehenden Flächen 4110 bestehen, ein. Das Fluid 4112 wird durch serpentinenförmige Strömungskanäle 4108 durch den Betrieb der Pumpenstruktur 4114, die aus parallelen Steuerungskanälen 4116a und 4116b besteht, welche darüber liegen und von dem Einlassbereich 4108a des Strömungskanals 4108 durch die bewegliche Membran 4118 getrennt sind, gepumpt.
Auf die Brechungsstruktur 4100 einfallendes Licht 4106 trifft auf eine Reihe von im gleichmäßigen Abstand zueinander angeordneten fluidgefüllten Strömungskanälen 4108, die durch hervorstehende Elastomerflächen 4110 getrennt sind. Als ein Ergebnis der unterschiedlichen optischen Eigenschaften von in diesen jeweiligen Fluid-/Elastomer-Regionen vorliegendem Material werden Teilbereiche des einfallenden Lichts nicht gleichmäßig gebrochen und treten in Wechselwirkung unter Bildung eines Interferenzmusters. Ein Stapel von Brechungsstrukturen der eben beschriebenen Art kann eine noch komplexere und spezialisiertere Brechung von einfallendem Licht bewerkstelligen.
Die eben beschriebenen elastomeren Brechungsstrukturen können eine Vielzahl von Zwecken erfüllen. Zum Beispiel könnte die Elastomerstruktur als ein Filter oder optischer Schalter fungieren, um ausgewählte Wellenlängen von eingefallenem Licht zu blockieren. Darüber hinaus könnten die Brechungseigenschaften der Struktur leicht in Abhängigkeit von den Anforderungen einer speziellen Anwendung eingestellt werden.
Zum Beispiel könnte die Zusammensetzung (und somit der Brechungsindex) von durch die Strömungskanäle strömen gelassenem Fluid verändert werden, um die Beugung zu beeinflussen. Alternativ oder in Verbindung mit der Veränderung der Identität des strömen gelassenen Fluids kann der Abstand, welcher benachbarte Strömungskanäle trennt, präzise geregelt werden während der Fertigung der Struktur, um ein optisches Interferenzmuster mit den gewünschten Charakteristika zu erzeugen.
6. Normal geschlossene Ventilstruktur
Die 7B und 7H weiter oben beschreiben eine Ventilstruktur, in welcher die Elastomermembran von einer ersten entspannten Position zu einer zweiten betätigten Position bewegt wird, in welcher der Strömungskanal blockiert wird. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese spezielle Ventilkonfiguration beschränkt.
Die 42A–42J zeigen eine Vielzahl von Ansichten einer normal geschlossenen Ventilstruktur, in welcher die Elastomermembran von einer ersten entspannten Position, die einen Strömungskanal blockiert, zu einer zweiten betätigten Position, in welcher der Strömungskanal offen ist, unter Nutzung eines negativen Steuerungsdrucks bewegbar ist.
Die 42A zeigt eine Draufsicht, und die 42B zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie 42B-42B' eines normal geschlossenen Ventils 4200 in einem nicht betätigten Zustand. Der Strömungskanal 4202 und der Steuerungskanal 4204 sind in dem Elastomerblock 4206, welcher über dem Substrat 4205 liegt, gebildet. Der Strömungskanal 4202 schließt einen ersten Teilbereich 4202a und einen zweiten Teilbereich 4202b, welcher durch den trennenden Teilbereich 4208 abgetrennt ist, ein. Der Steuerungskanal 4204 liegt über dem trennenden Teilbereich 4208. Wie in 42B in seiner entspannten, nicht betätigten Position gezeigt, bleibt der trennende Teilbereich 4008 zwischen den Strömungskanalteilbereichen 4202a und 4202b positioniert, wobei der Strömungskanal 4202 unterbrochen wird.
Die 42C zeigt eine Querschnittsansicht des Ventils 4200, in welcher der trennende Teilbereich 4208 sich in einer betätigten Position befindet. Wenn der Druck innerhalb des Steuerungskanals 4204 auf unterhalb des Drucks im Strömungskanal verringert wird (zum Beispiel durch eine Vakuumpumpe), erfährt der trennende Teilbereich 4208 eine Betätigungskraft, welche diesen in den Steuerungskanal 4204 zieht. Als eine Folge dieser Betätigungskraft ragt die Membran 4208 in den Steuerungskanal 4204 hinein, wodurch das Hindernis für einen Materialstrom durch den Strömungskanal 4202 beseitigt wird und ein Durchgang 4203 geschaffen wird. Bei der Anhebung des Drucks innerhalb des Steuerungskanals 4204 nimmt der trennende Teilbereich 4208 seine natürliche Position ein, entspannt sich in den Strömungskanal 4202 zurück und versperrt diesen.
Das Verhalten der Membran in Reaktion auf einen Betätigungskraft kann durch Variieren der Breite des darüber liegenden Steuerungskanals verändert werden. Demzufolge zeigen die 42D–42H Drauf- und Querschnittsansichten einer alternativen Ausführungsform eines normal geschlossenen Ventils 4201, bei welchem der Steuerungskanal 4207 im Wesentlichen breiter ist als der trennende Teilbereich 4208. Wie in den Querschnittsansichten der 42E–F entlang der Linie 42E-42E' von 42D gezeigt, wird die Betätigungskraft, die für die Anwendung benötigt wird, verringert, weil eine größere Fläche von Elastomermaterial während der Betätigung bewegt werden muss.
Die 42G und H zeigen Querschnittsansichten entlang der Linie 40G-40G' von 40D. Im Vergleich mit der in 42G gezeigten nicht betätigten Ventilkonfiguration zeigt die 42H, dass ein herabgesetzter Druck innerhalb des breiteren Steuerungskanals 4207 unter bestimmten Umständen die ungewollte Wirkung haben kann, das darunter liegende Elastomer 4206 von dem Substrat 4205 wegzuziehen, wodurch ein unerwünschter Hohlraum 4212 erzeugt wird.
Demzufolge zeigt die 42I eine Draufsicht und 42J eine Querschnittsansicht entlang der Linie 42J-42J' von 42I der Ventilstruktur 4220, welche dieses Problem durch Ausstatten der Steuerungsleitung 4204 mit einer minimalen Breite umgeht, mit Ausnahme im Segment 4204a, welches den trennenden Teilbereich 4208 überlappt. Wie in 42J gezeigt, verringert selbst unter betätigten Bedingungen der schmalere Quer schnitt des Steuerungskanals 4204 die Anziehungskraft auf dem darunter liegenden Elastomermaterial 4206, wodurch verhindert wird, dass dieses Elastomermaterial von dem Substrat 4205 weggezogen wird und ein unerwünschter Hohlraum erzeugt wird.
Während eine normal geschlossene Ventilstruktur, die in Reaktion auf Druck betätigt wird, in den 42A–42J gezeigt ist, ist ein normal geschlossenes Ventil in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel könnte der trennende Teilbereich, welcher den Steuerungskanal versperrt, alternativ durch elektrische oder Magnetfelder manipuliert werden, wie weiter oben ausführlich beschrieben wird.
7. Trennung von Materialien
In einer weiteren Anwendung der vorliegenden Erfindung kann eine Elastomerstruktur zur Durchführung der Trennung von Materialien genutzt werden. Die 43 zeigt eine Ausführungsform einer solchen Vorrichtung.
Die Trennungsvorrichtung 4300 weist einen Elastomerblock 4301 auf, welcher das Fluidreservoir 4302 in Verbindung mit dem Strömungskanal 4304 einschließt. Fluid wird von dem Fluidreservoir 4306 durch den Steuerungskanal 4308 durch die Peristaltikpumpenstruktur 4310 gepumpt, welche durch die über dem Strömungskanal 4304 liegenden Steuerungskanäle 4312 gebildet wird, wie zuvor ausführlich beschrieben wurde. Alternativ kann dort, wo eine Peristaltikpumpenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung keinen ausreichenden Gegendruck vorsehen kann, Fluid von einem Reservoir, das außerhalb der Elastomerstruktur positioniert ist, in die Elastomervorrichtung mit Hilfe einer externen Pumpe gepumpt werden.
Der Strömungskanal 4304 führt zu der Trennsäule 4314 in der Form eines mit Trennmatrix 4316 hinter porösen Fritten 4318 gepackten Kanals. Wie im Fachbereich der Chromatographie wohlbekannt ist, hängt die Zusammensetzung der Trennmatrix 4316 von der Natur der zu trennenden Elastomermaterialien und der speziell angewandten Chromatographietechnik ab. Die Elastomertrennstruktur ist für die Verwendung mit einer Vielzahl von chromatographischen Techniken geeignet, darin eingeschlossen, aber nicht beschränkt auf, Gelausschluss, Gelpermeation, Ionenaustausch, Umkehrphase, hydrophobe Wechselwirkung, Affinitätschromatographie, schnelle Protein-Flüssigchromatographie (FPLC) und alle Formate der Hochdruck-Flüssigchromatographie (HPLC). Die für die HPLC angewandten hohen Drücke können die Verwendung von Urethan, Dicyclopentadien oder anderen Elastomerkombinationen erfordern.
Proben werden in den Fluidstrom in die Trennsäule 4314 unter Nutzung des Beschickungskanals 4319 eingeführt. Der Beschickungskanal 4319 nimmt von dem Probenreservoir 4320 durch die Pumpe 4321 gepumptes Fluid auf. Beim Öffnen des Ventils 4322 und beim Betrieb der Pumpe 4321 wird die Probe von dem Beschickungskanal 4319 in den Strömungskanal 4304 fließen gelassen. Die Probe wird dann durch die Trennsäule 4314 durch die Wirkung der Pumpenstruktur 4312 fließen gelassen. Als ein Resultat der unterschiedlichen Mobilität der verschiedenen Probenkomponenten in der Trennmatrix 4316 werden diese Probenkomponenten getrennt und aus der Säule 4314 zu unterschiedlichen Zeiten eluiert.
Bei der Elution aus der Trennsäule 4314 gelangen die verschiedenen Probenkomponenten in den Detektionsbereich 4324. Wie im Fachbereich der Chromatographie allgemein bekannt ist, kann die Identität der in den Detektionsbereich eluierten Materialien mit Hilfe einer Vielzahl von Techniken bestimmt werden, darin eingeschlossen, aber nicht beschränkt auf, Fluoreszenz, UV/sichtbare/IR-Spektroskopie, radioaktives Markieren, amperometrische Detektion, Massenspektroskopie und kernmagnetische Resonanz (NMR).
Eine Trennvorrichtung in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil einer extrem kleinen Größe, sodass nur kleine Volumina von Fluid und Probe während der Trennung verbraucht werden. Ferner bietet die Vorrichtung den Vorteil einer erhöhten Empfindlichkeit. Bei herkömmlichen Trennvorrichtungen verlängert die Größe der Probenschleife das Einspritzen der Probe auf die Säule, wodurch bewirkt wird, dass die Breiten der eluierten Peaks möglicherweise miteinander überlappen. Die extrem kleine Größe und Kapazität des Beschickungskanals verhindert im Allgemeinen, dass dieses Peak-Diffusionsverhalten zu einem Problem wird.
Die in 43 gezeigte Trennstruktur repräsentiert nur eine Ausführungsform einer solchen Vorrichtung, und andere Strukturen werden durch die vorliegende Erfindung in Erwägung gezogen. Zum Beispiel wird dies, während die Trennvorrichtung von 43 einen Strömungskanal, eine Beschickungsschleife und eine in einer einzigen Ebene orientierte Trennsäule aufweist, nicht von der vorliegenden Erfindung gefordert. Eines oder mehrere aus dem Fluidreservoir, dem Probenreservoir, dem Strömungskanal, der Beschickungsschleife und der Trennsäule könnten senkrecht zueinander und/oder zu der Ebene des Elastomermaterials unter Nutzung von Durchgangslochstrukturen orientiert werden, deren Bildung ausführlich weiter oben in Verbindung mit der 35A–D ausführlich beschrieben ist.
8. Zellenbox/Zellengehäuse/Zellenmühle
Bei noch einer weiteren Anwendung der vorliegenden Erfindung kann eine Elastomerstruktur genutzt werden, um Organismen oder anderes biologisches Material zu manipulieren. Die 44A–44D zeigen Draufsichten einer Ausführungsform einer Zellenboxstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Die Zellenbox-Anordnung 4400 weist eine Reihe von senkrecht ausgerichteten Strömungskanälen 4402 auf, mit einer erweiterten "Box"-Struktur 4404 am Schnittpunkt von alternierenden Strömungskanälen. Das Ventil 4406 ist am Eingang und Ausgang jeder Boxstruktur 4404 positioniert. Die Peristaltikpumpenstrukturen 4408 sind auf jedem horizontalen Strömungskanal und auf den vertikalen Strömungskanälen, denen es an einer Zellboxstruktur mangelt, positioniert.
Die Zellenbox-Anordnung 4400 von 44A wurde mit den Zellen A–H beschickt, die zuvor sortiert wurden, vielleicht durch eine Sortierstruktur wie weiter oben in Verbindung mit der 36 beschrieben. Die 44B–44C zeigen den Zugriff auf und die Entfernung der einzeln aufbewahrten Zelle C durch 1) Öffnen der Ventile 4406 auf jeder Seite der angrenzenden Boxen 4404a und 4404b, 2) Pumpen des horizontalen Strömungskanals 4402a, um die Zellen C und G zu verlagern, und danach 3) Pumpen des vertikalen Strömungskanals 4402b zur Entfernung der Zelle C. Die 44D zeigt, dass die zweite Zelle G in ihre frühere Position in der Zellenbox-Anordnung 4400 zurückbe wegt wird durch Umkehren der Richtung des Flüssigkeitsstroms durch den horizontalen Strömungskanal 4402a.
Die oben beschriebene Zellenbox-Anordnung 4404 kann Materialien innerhalb einer gewählten, ansprechbaren Position für den leichten Zugang aufbewahren. Allerdings können lebende Organismen, wie Zellen, eine kontinuierliche Aufnahme von Nahrungsmittel und die Ausstoßung von Abfällen erfordern, um lebensfähig zu bleiben. Demzufolge zeigen die 45A und 45B Draufsichten bzw. Querschnittsansichten (entlang der Linie 45B-45B') einer Ausführungsform einer Zellengehäusestruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
Das Zellengehäuse 4500 ist als ein erweiterter Teilbereich 4500a eines Strömungskanals 4501 in einem Elastomerblock 4503 in Kontakt mit dem Substrat 4505 ausgebildet. Das Zellengehäuse 4500 ähnelt einer einzelnen Zellenbox, wie weiter oben in den 44A–44D beschrieben, mit der Ausnahme, dass die Enden 4500b und 4500c des Zellengehäuses 4500 nicht vollständig die innere Region 4500a einschließen. Vielmehr werden die Enden 4500a und 4500b des Gehäuses 4500 durch eine Vielzahl an zurückziehbaren Pfeilern 4502 gebildet. Die Pfeiler 4502 können ein Teil der Membranstruktur einer normal geschlossenen Ventilstruktur sein, wie weiter oben ausführlich in Verbindung mit den 42A–42J beschrieben ist.
Insbesondere liegt der Steuerungskanal 4504 über den Pfeilern 4502. Wenn der Druck im Steuerungskanal 4504 verringert wird, werden die Elastomerpfeiler 4502 nach oben in den Steuerungskanal 4504 gezogen, wodurch das Ende 4500b des Zellengehäuses 4500 geöffnet wird und der Eintritt einer Zelle zugelassen wird. Bei einer Anhebung des Drucks im Steuerungskanal 4504 entspannen die Pfeiler 4502 abwärts gegen das Substrat 4505 und verhindern, dass eine Zelle das Gehäuse 4500 verlässt.
Die Elastomerpfeiler 4502 sind von ausreichender Größe und Zahl, um die Bewegung einer Zelle aus einem Gehäuse 4500 heraus zu verhindern, schließen aber auch Zwischenräume 4508 ein, welche das Strömen von Nährstoffen in das Gehäuseinnere 4500a erlauben, um (eine) darin aufbewahrte Zelle(n) zu erhalten. Die Pfeiler 4502 am gegenüber liegenden Ende 4500c sind ähnlich unterhalb dem zweiten Steuerungskanal 4506 konfiguriert, um das Öffnen des Gehäuses und die Entfernung der Zelle wie gewünscht zu erlauben.
Unter bestimmten Umständen kann es erwünscht sein, Zellen oder andere biologische Materialien zu zermahlen/zerstören, um zu Komponentenstücken Zugang zu haben.
Demzufolge zeigen die 46A und 46B Draufsichten bzw. Querschnittsansichten (entlang der Linie 46B-46B') einer Ausführungsform einer Zellenmühlenstruktur 4600 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Die Zellenmühle 4600 schließt ein System von interdigitalisierten Säulen 4602 innerhalb des Steuerungskanals 4604 ein, welche gemeinsam bei Betätigung der integralen Membran 4606 durch den darüber liegenden Steuerungskanal 4608 schließen. Durch gemeinsames Schließen zerdrücken die Säulen 4602 zwischen diesen vorhandenes Material.
Die Säulen 4602 können in geeigneten Abständen voneinander getrennt sein, um Einheiten (Zellen) einer bestimmten Größe zu zerstören. Zum Zerbrechen von Zellenmaterial ist die Trennung der Säulen 4602 in einem Abstand von etwa 2 μm zweckmäßig. In alternativen Ausführungsformen einer Zellmühlenstruktur in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können die Säulen 4602 vollständig auf der darüber liegenden Membran oder vollständig auf dem Boden des Steuerungskanals angeordnet sein.
9. Druckoszillator
Bei noch einer weiteren Anwendung der vorliegenden Erfindung kann eine Elastomerstruktur verwendet werden, um eine Druckoszillatorstruktur analog zu den Oszillatorschaltkreisen, die häufig auf dem Gebiet der Elektronik zum Einsatz kommen, zu erzeugen. Die 47 zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer derartigen Druckoszillatorstruktur.
Der Druckoszillator 4700 umfasst den Elastomerblock 4702, welcher den darin gebildeten Strömungskanal 4704 aufweist. Der Strömungskanal 4704 schließt einen Anfangsteilbereich 4704a nahe der Druckquelle 4706 und einen serpentinenförmigen Teilbereich 4704b distal zu der Druckquelle 4706 liegend ein. Der Anfangsteilbereich 4704a steht mit dem Durchgangsloch 4708 in Fluidverbindung mit dem Steuerungskanal 4710, welcher in dem Elastomerblock 4702 oberhalb des Niveaus des Strömungskanals 4704 gebildet ist. An einer Stelle, die von der Druckquelle 4706 noch distaler gelegen ist als das Durchgangsloch 4708, liegt der Steuerungskanal 4710 darüber und ist von dem Strömungskanal 4704 durch eine Elastomermembran getrennt, wodurch ein Ventil 4712 gebildet wird, wie zuvor beschrieben.
Die Druckoszillatorstruktur 4700 funktioniert wie folgt. Zu Beginn sorgt die Druckquelle 4706 für einen Druck entlang des Strömungskanals 4704 und des Steuerungskanals 4710 durch das Durchgangsloch 4708. Aufgrund der Serpentinengestalt des Strömungskanals 4704b ist der Druck niedriger in der Region 4704b im Vergleich mit dem Strömungskanal 4710. Am Ventil 4712 bewirkt der Druckunterschied zwischen dem serpentinenförmigen Strömungskanalteilbereich 4704b und dem darüber liegenden Steuerungskanal 4710 am Ende, dass die Membran des Ventils 4712 nach unten in den serpentinenförmigen Strömungskanalteilbereich 4704b hineinragt und dabei das Ventil 4712 schließt. Wegen des fortgesetzten Betriebs der Druckquelle 4706 jedoch beginnt sich Druck im serpentinenförmigen Strömungskanalteilbereich 4704b hinter dem geschlossenen Ventil 4712 aufzubauen. Schließlich gleicht sich der Druck zwischen dem Steuerungskanal 4710 und dem serpentinenförmigen Strömungskanalteilbereich 4704b aus und das Ventil 4712 öffnet sich.
In Anbetracht des kontinuierlichen Betriebs der Druckquelle gehen der oben beschriebene Aufbau und die Entspannung von Druck unbegrenzt weiter, was zu einer regelmäßigen Druckschwankung führt. Eine derartige Druckschwankungsvorrichtung kann eine beliebige Anzahl von möglichen Funktionen leisten, darin eingeschlossen das Timing, ohne hierauf beschränkt zu sein.
9. Von der Seite betätigtes Ventil
Während die oben stehende Beschreibung auf mikrogefertigte Elastomerventilstrukturen fokussierte, bei welchen ein Steuerungskanal darüber positioniert ist und durch eine dazwischen liegende Elastomermembran von einem darunter liegenden Strömungskanal getrennt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Die 48A und 48B zeigen Draufsichten einer Ausführungsform einer von der Sei te betätigten Ventilstruktur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die 48A zeigt eine von der Seite betätigte Ventilstruktur 4800 in einer nicht betätigten Position. Der Strömungskanal 4802 ist in der Elastomerschicht 4804 gebildet. Der an den Strömungskanal 4802 anstoßende Steuerungskanal 4806 ist ebenfalls in der Elastomerschicht 4804 gebildet. Der Steuerungskanal 4806 ist von dem Strömungskanal 4802 durch den Elastomermembranteilbereich 4808 getrennt. Eine zweite Elastomerschicht (nicht gezeigt) ist über die untere Elastomerschicht 4804 verbunden und umgibt den Strömungskanal 4802 und den Steuerungskanal 4806.
Die 48B zeigt die von der Seite betätigte Ventilstruktur 4800 in einer betätigten Position. In Reaktion auf einen Druckaufbau innerhalb des Steuerungskanals 4806 verformt sich die Membran 4808 in den Strömungskanal 4802 und blockiert dabei den Strömungskanal 4802. Bei der Druckentspannung innerhalb des Steuerungskanals 4806 würde die Membran 4808 sich zurück in den Steuerungskanal 4806 entspannen und den Strömungskanal 4802 öffnen.
Während eine von der Seite betätigte Ventilstruktur in Reaktion auf den Druck in den 48A und 48B gezeigt ist, ist ein von der Seite betätigtes Ventil in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel könnte der zwischen den anstoßenden Strömungs- und Steuerungskanälen gelegene Elastomermembranteilbereich alternativ durch elektrische oder Magnetfelder manipuliert werden, wie weiter oben ausführlich beschrieben wird.
10. Weitere Anwendungen
Das Folgende sind weitere Anwendungen der vorliegenden Erfindung: die vorliegenden Ventile und Pumpen können für die Arzneistoffabgabe (zum Beispiel in einer implantierbaren Arzneistoffabgabevorrichtung); und für die Probenentnahme von biologischen Fluiden verwendet werden (zum Beispiel durch sequenzielles Aufbewahren von Proben in einer Säule mit Pfropfen von Spacer-Fluid dazwischen, wobei die Proben in unterschiedliche Aufbewahrungsreservoirs abgezweigt werden können oder direkt in geeig nete Sensor(en) weitergeleitet werden können.) Eine solche Probennahmevorrichtung könnte auch im Körper des Patienten implantiert werden.
Die vorliegenden Systeme können auch für Vorrichtungen verwendet werden, welche Überdruck in vivo unter Verwendung eines Mikroventils oder -pumpe entspannen. Zum Beispiel kann ein implantierbares biokompatibles Mikroventil verwendet werden, um Überdrücke im Auge zu vermindern, die aus einem Glaukom resultieren. Andere ins Auge gefasste Anwendungen der vorliegenden schaltbaren Mikroventile schließen die Implantierung im Samenleiter oder im Eileiter ein, womit eine langfristige oder kurzfristige Geburtenkontrolle ohne die Verwendung von Arzneistoffen ermöglicht wird.
Weitere Anwendungen der vorliegenden Erfindung schließen die DNA-Sequenzierung ein, durch welche die zu sequenzierende DNA mit einer Polymerase und einem Primer versehen wird und danach einem Typ von DNA-Base (A, C, T oder G) jeweils ausgesetzt wird, um schnell auf einen Baseneinschluss zu untersuchen. In einem solchen System müssen die Basen in das System strömen gelassen werden und überschüssige Base schnell weggespült werden. Druckbetriebene Strömung, durchgelassen durch Elastomermikroventile in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wären ideal geeignet, um eine solche schnelle Strömung und Spülen von Reagenzien zu ermöglichen.
Andere in Aussicht genommene Anwendungen der vorliegenden Mikroventil- und Mikropumpensysteme schließen Anwendungen mit DNA-Chips ein. Zum Beispiel kann eine Probe in einen schleifenförmigen Kanal strömen gelassen werden und mit peristaltischer Wirkung um die Schleife gepumpt werden, sodass die Probe viele Male über die Sonden des DNA-Arrays geführt wird. Eine solche Vorrichtung würde der Probe, welche normalerweise beim Sitzen über den nicht-komplimentären Sonden verschwendet würde, die Chance geben, stattdessen mit einer komplimentären Sonde verbunden zu werden. Ein Vorteil eines derartigen Schleifenströmungssystems ist, dass es das erforderliche Probenvolumen verringern würde und dadurch die Assay-Empfindlichkeit erhöhen würde.
Weitere Anwendungen existieren beim Screening mit hohem Durchsatz, bei welchen die Anwendungen durch das Dispensieren kleiner Flüssigkeitsvolumina oder durch Assays auf Kügelchenbasis profitieren könnten, bei welchen eine hochempfindliche Detektion die Assayempfindlichkeit wesentlich verbessern würde.
Eine weitere in Aussicht genommene Anwendung ist die Abscheidung einer Anordnung bzw. eines Arrays von verschiedenen Chemikalien, insbesondere Oligonukleotiden, welche gegebenenfalls chemisch in einer vorausgehenden Aktion der Vorrichtung vor der Abscheidung in einem Muster oder Array auf einem Substrat durch Kontaktdrucken durch Fluidkanalauslässe in der Elastomervorrichtung in unmittelbarer Nähe zu einem gewünschten Substrat oder durch ein Verfahren analog zum Tintenstrahldrucken gefertigt würden oder nicht.
Die vorliegenden mikrogefertigen Elastomerventile und -pumpen könnten auch zum Aufbau von Systemen für die Reagens-Dispensierung, das Mischen und die Umsetzung für die Synthese von Oligonukleotiden, Peptiden oder anderen Biopolymeren verwendet werden.
Weitere Anwendungen für die vorliegende Erfindung schließen Tintenstrahldruckerköpfe ein, in welchen kleine Öffnungen verwendet werden, um einen Druckimpuls zu erzeugen, der ausreicht, um ein Tröpfchen auszustoßen. Ein entsprechend betätigtes Mikroventil in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann einen solchen Druckimpuls erzeugen. Die vorliegenden Mikroventile und -pumpen können ebenfalls verwendet werden, um Tinte oder Pigment digital zu dispensieren, in Mengen, die nicht notwendigerweise so klein wie einzelne Tröpfchen sind. Das Tröpfchen würde mit dem Medium, dass bedruckt wird, in Kontakt gebracht werden, statt durch die Luft geschleudert werden zu müssen.
Noch weitere Anwendungen der vorliegenden Systeme sind in Fluidik-Logik-Schaltkreisen möglich, welche die Vorteile haben, dass sie in strahlungsbeständigen Anwendungen einsetzbar sind. Ein weiterer Vorteil solcher Fluidik-Logik-Schaltkreise ist, dass ein solcher Fluidik-Logik-Schaltkreis, beim dem es sich um keinen elektronischen Schaltkreis handelt, nicht durch elektromagnetische Sensoren abgetastet bzw. untersucht werden kann, woraus sich ein Vorteil in punkto Sicherheit ergibt.
Noch weitere Anwendungen der vorliegenden Erfindung würden von der leichten Entfernung und Wiederanbringung der Struktur von einem darunter liegenden Substrat, wie Glas, unter Nutzung eines Glassubstrats, das mit einem bindenden oder anderen Material gemustert ist, profitieren. Dies erlaubt den getrennten Aufbau eines gemusterten Substrats und einer Elastomerstruktur. Zum Beispiel könnte ein Glassubstrat mit einem DNA-Mikroarray gemustert sein und ein Elastomerventil und eine Pumpenstruktur in einem sich anschließenden Schritt dichtend über dem Array aufgebracht werden.
Das Folgende repräsentiert noch weitere Anwendungen der vorliegenden Erfindung: die Anwendung einer durchbiegbaren Membran zur Steuerung eines Fluidstroms in einem mikrogefertigten Kanal einer Elastomerstruktur; die Anwendung von Elastomerschichten, um eine mikrogefertigte Elastomervorrichtung herzustellen, welche einen mikrogefertigten beweglichen Teilbereich enthält; und die Anwendung eines Elastomermaterials zur Herstellung eines mikrogefertigten Ventils oder einer Pumpe.
Eine mikrogefertigte Elastomerstruktur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Elastomerblock, der mit mikrogefertigten Aussparungen darin gebildet ist, einen Teilbereich eines Elastomerblocks, der durchbiegbar ist, wenn der Teilbereich betätigt wird. Die Aussparungen umfassen einen ersten mikrogefertigten Kanal und eine erste mikrogefertigte Aussparung, und der Teilbereich umfasst eine in den ersten mikrogefertigten Kanal durchbiegbare Elastomermembran, wenn die Membran betätigt wird. Die Aussparungen haben eine Breite im Bereich von 10 μm bis 200 μm und der Teilbereich hat eine Dicke zwischen etwa 2 μm und 50 μm. Die mikrogefertigte Elastomerstruktur kann mit einer Geschwindigkeit von 100 Hz oder höher betätigt werden und beinhaltet im Wesentlichen kein Leervolumen, wenn der Teilbereich betätigt ist.
Ein Verfahren der Betätigung einer Elastomerstruktur umfasst das Vorsehen eines Elastomerblocks, der mit ersten und zweiten mikrogefertigten Aussparungen darin gebildet ist, wobei die erste und zweite mikrogefertigte Aussparung durch einen Membranteilbereich des Elastomerblocks, welcher in die erste und zweite Aussparung in Reaktion auf eine Betätigungskraft durchbiegbar ist, getrennt ist, und das Anwenden einer Betätigungskraft auf den Membranteilbereich, sodass der Membranteilbereich in die erste und zweite Aussparung durchgebogen wird.
Ein Verfahren der Mikrofertigung einer Elastomerstruktur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Bilden einer ersten Elastomerschicht auf einem Substrat, das Härten der ersten Elastomerschicht und das Mustern einer ersten Opferungsschicht über der ersten Elastomerschicht. Eine zweite Elastomerschicht wird über der ersten Elastomerschicht gebildet, wodurch die erste gemusterte Opferungsschicht zwischen der ersten und zweiten Elastomerschicht eingekapselt wird, die zweite Elastomerschicht wird gehärtet und die erste gemusterte Opferungsschicht wird selektiv zu der ersten Elastomerschicht und der zweiten Elastomerschicht entfernt, wodurch wenigstens eine erste Aussparung zwischen der ersten und zweiten Elastomerschicht gebildet wird.
Eine alternative Ausführungsform eines Fertigungsverfahrens umfasst weiter das Mustern einer zweiten Opferungsschicht über dem Substrat vor der Bildung der ersten Elastomerschicht, sodass die zweite gemusterte Opferungsschicht während der Entfernung der ersten Opferungsschicht entfernt wird, um mindestens eine Aussparung entlang des Bodens der ersten Elastomerschicht zu bilden.
Eine mikrogefertigte Elastomerstruktur in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Elastomerblock, einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal, die durch einen trennenden Teilbereich der Elastomerstruktur getrennt sind, sowie eine mikrogefertigte Aussparung im Elastomerblock angrenzend an den trennenden Teilbereich, sodass der trennende Teilbereich betätigt werden kann, um in die mikrogefertigte Aussparung 66 durchgebogen zu werden. Die Durchbiegung des trennenden Teilbereichs öffnet einen Durchlass zwischen dem ersten und zweiten Kanal.
Ein Verfahren zur Steuerung von Fluid- oder Gasströmung durch eine Elastomerstruktur umfasst das Vorsehen eines Elastomerblocks, wobei der Elastomerblock erste, zweite und dritte Aussparungen aufweist und der Elastomerblock einen durch diesen hindurchgehenden mikrogefertigten Kanal aufweist, wobei die erste, zweite und dritte mik rogefertigte Aussparung von dem ersten Kanal jeweils durch eine erste, zweite und dritte Membran, die in den ersten Kanal durchbiegbar sind, getrennt ist, und das Durchbiegen der ersten, zweiten und dritten Membran in den ersten Kanal in einer sich wiederholenden Sequenz, um einen Fluidstrom peristaltisch durch den ersten Kanal zu pumpen.
Ein Verfahren zur Mikrofertigung einer Elastomerstruktur, welches die Mikrofertigung einer ersten Elastomerschicht, die Mikrofertigung einer zweiten Elastomerschicht; das Positionieren der zweiten Elastomerschicht auf die erste Elastomerschicht; und das Verbinden einer unteren Oberfläche der zweiten Elastomerschicht mit der oberen Oberfläche der ersten Elastomerschicht umfasst.
Während die vorliegende Erfindung hierin unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen davon beschrieben wurde, ist eine Vielzahl an Modifizierungen, verschiedenen Veränderungen und Substitutionen in der vorausgehenden Offenbarung beabsichtigt, und es wird geschätzt, dass in einigen Fällen einige Merkmale der Erfindung ohne eine entsprechende Verwendung anderer Merkmale Anwendung finden, ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie dargelegt wurde, abzuweichen. Daher können zahlreiche Modifizierungen vorgenommen werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material den Lehren der Erfindung gemäß anzupassen, ohne vom wesentlichen Umfang der vorliegenden Erfindung wie beansprucht abzuweichen. Die Erfindung soll nicht auf die spezielle Ausführungsform, die als der beste zur Durchführung dieser Erfindung in Betracht gezogene Weg offenbart wird, beschränkt sein, sondern die Erfindung schließt alle Ausführungsformen und Entsprechungen, welche in den Umfang der Ansprüche fallen, ein.
Mit eingebunden hierin als Teil der vorliegenden Patentbeschreibung ist der gesamte Inhalt des Anhangs A, "Monolithic Microfabricated Valves and Pumps by Multilayer Soft Lithography" (Monolithische mikrogefertigte Ventile und Pumpen durch Mehrschicht-Weich-Lithographie), Unger et al., Science, Bd. 288, S. 113–116 (7. April 2000), die hierin vor den Ansprüchen erscheint und die als Teil der vorliegenden Patentbeschreibung für alle Zwecke auszulegen ist.
00 943 235.2
CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY
1EP-98 356
ARTIKEL
Monolithische mikrogefertigte Ventile und Pumpen durch Mehrschichtweichlithographie

Marc A. Unger, Hou-Pu Chou, Todd Thorsen, Axel Scherer, Stephen R. Quake
Department of Applied Physics, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USA

Die Weichlithographie ist eine Alternative zur Mikrobearbeitung auf Siliziumbasis, die die Replikaformgebung von nicht traditionellen Elastomermaterialien zur Erzeugung von Stempeln und Mikrofluidkanälen verwendet. Wir beschreiben hier eine Erweiterung des Paradigmas der Weichlithographie, die Mehrschichtweichlithographie, mit der Vorrichtungen, die aus mehreren Schichten bestehen, aus weichen Materialien gefertigt werden können. Wir verwendeten diese Technik, um aktive Mikrofluidsysteme aufzubauen, die vollständig aus Elastomer bestehende An-Aus-Ventile, Schaltventile und Pumpen enthielten. Die Weichheit dieser Materialien ermöglicht eine Verringerung der Vorrichtungsfläche um mehr als zwei Größenordnungen im Vergleich zu Vorrichtungen auf Siliziumbasis. Die anderen Vorteile der Weichlithographie, wie die Befähigung zum schnellen Herstellen von Prototypen (Rapid Prototyping), die Leichtigkeit der Fertigung und die Biokompatibilität, bleiben erhalten.
Die Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken wächst rapide, wobei die Entwicklung durch den dramatischen Erfolg einer weniger Schlüsselanwendungen, wie mikrogefertigte Beschleunigungsaufnehmer (1, 2), Drucksensoren (3), und Druckköpfe für Tintenstrahldrucker (4), getrieben ist. Neue Anwendungen erscheinen auf anderen Gebieten, insbesondere bei auf Faseroptiken basierenden Kommunikationswegen (5, 6), Anzeigen (7) und Mikrofluidanwendungen (8–12). Die zwei am weitesten verbreiteten Verfahren für die Herstellung von mikroelektromechanischen Strukturen (MEMS) sind die Mikrobearbeitung der Masse und die Mikrobearbeitung von Oberflächen. Die Mikrobearbeitung der Masse ist ein subtraktives Fertigungsverfahren, bei dem ein Siliziumeinkristall lithographisch mit einem Muster versehen wird und dann geätzt wird, um dreidimensionale (3D-)Strukturen zu bilden. Im Gegensatz dazu ist die Mikrobearbeitung von Oberflächen ein additives Verfahren, bei dem Schichten von Materialien vom Halbleiter-Typ (Polysilizium, Metalle, Siliziumnitrid, Siliziumdioxid, und so weiter) nacheinander zugegeben und mit einem Muster versehen werden, um 3D-Strukturen aufzubauen.
Die Mikrobearbeitungsverfahren von Massen und Oberflächen sind durch die verwendeten Materialien begrenzt. Die Materialien vom Halbleiter-Typ, die für gewöhnlich bei der Mikrobearbeitung der Masse und von Oberflächen verwendet werden, sind steife Materialien mit einem Young-Modul von ~100 GPa (13). Da die Kräfte, die durch mikrobearbeitete Antriebsmittel erzeugt werden, begrenzt sind, begrenzt die Steifigkeit der Materialien die minimale Größe vieler Vorrichtungen. Da weiter mehrere Schichten aufgebaut werden müssen, um aktive Vorrichtungen herzustellen, ist die Haftung zwischen den Schichten ein in der Praxis großes Problem. Für die Mikrobearbeitung von Massen müssen Wafer-Bindungstechniken verwendet werden, um Mehrschichtstrukturen herzustellen. Bei der Mikrobearbeitung von Oberflächen begrenzt die thermische Belastung zwischen den Schichten die Dicke der gesamten Vorrichtung auf ~20 μm. Die Fertigung unter Reinstraumbedingungen und eine sorgfältige Kontrolle der Verfahrensbedingungen sind notwendig, um akzeptable Ausbeuten an Vorrichtungen zu erzielen.
Eine alternative Mikrofertigungstechnik, die auf Replikationsformgebung basiert, gewinnt an Popularität. Typischerweise wird ein Elastomer gestaltet, indem auf einer mikrobearbeiteten Form gehärtet wird. Auf unpräzise Weise als Weichlithographie bezeichnet, wurde diese Technik verwendet, um funkelnde Gitteroptiken (14), Stempel für chemische Mustergebung (15) und Mikrofluidvorrichtungen (16–20) herzustellen. Die Vorteile der Weichlithographie schließen die Befähigung zum schnellen Herstellen von Prototypen (Rapid Prototyping), die leichte Fertigung ohne die Notwendigkeit teurer Maschinen und die toleranten Prozessparameter ein. Für Anwendungen mit mittelgroßen Merkmalen (≥ 20 μm), wie Mikrofluidanwendungen, können Formen bemustert werden, indem ein Hochauflösungstransparenzfilm als eine Kontaktmaske für eine dicke Photolackschicht verwendet wird (21).
Ein einziger Forscher kann die Form entwerfen, drucken und formen und einen neuen Satz von Spritzguss-Elastomervorrichtungen innerhalb 1 Tages erzeugen und anschließende Elastomerspritzgüsse können in nur wenigen Stunden hergestellt werden. Die toleranten Verfahrensparameter für das Elastomerspritzgießen ermöglichen es, Vorrichtungen zu erzeugen, die in normalen Umgebungsbedingungen anstelle eines Reinraums hergestellt werden können. Jedoch hat die Weichlithographie auch Grenzen: Es handelt sich im Wesentlichen um ein subtraktives Verfahren (in dem Sinn, dass die Form definiert, wo Elastomer entfernt wird), und mit nur einer Elastomerschicht ist es schwierig, aktive Vorrichtungen oder sich bewegende Teile zu erzeugen. Ein Verfahren zur Verbindung von Elastomerkomponenten durch Plasmaoxidation wurde bereits beschrieben (21) und wurde verwendet, um Kanäle in Mikrofluidanwendungen gegen flache Elastomersubstrate zu versiegeln (20, 22).
Wir beschreiben hier eine Technik die „Mehrschichtweichlithographie" genannt wird, die die Weichlithographie mit der Fähigkeit mehrere geformte Elastomerschichten zu verbinden kombiniert. Mehrschichtstrukturen werden konstruiert, indem Elastomerschichten verbunden werden, wobei jede davon getrennt aus einer mikrobearbeiteten Form gegossen wird (1A). Das Elastomer ist ein zweikomponentiger Zugabe-Härtungs-Siliconkautschuk. Die unten gelegene Schicht weist einen Überschuss eines der Komponenten (A) auf, wohingegen die oben gelegene Schicht einen Überschuss der anderen (B) aufweist. Nach getrennter Härtung der Schichten wird die obere Schicht aus ihrer Form entfernt und auf die untere Schicht gelegt, wo sie eine hermetische Versiegelung bildet. Da jede Schicht einen Überschuss einer der beiden Komponenten aufweist, verbleiben reaktive Moleküle an der Grenzfläche zwischen den Schichten. Weiteres Härten verursacht, dass die zwei Schichten sich irreversibel verbinden: Die Festigkeit der Grenzfläche entspricht der Festigkeit des Elastomeren in der Masse. Dieses Verfahren erzeugt eine monolithische dreidimensionale geformte Struktur, die vollständig aus Elastomer besteht. Zusätzliche Schichten werden zugefügt, indem das Verfahren einfach wiederholt wird: Jedes Mal, wenn die Vorrichtung auf einer Schicht der entgegengesetzten „Polarität" (A gegen B) versiegelt und gehärtet wird, wird eine andere Schicht zugefügt.
Die Leichtigkeit der Herstellung mehrer Schichten ermöglicht es, mehrschichtige Fluidanwendungen zu erhalten, was eine schwierige Aufgabe mit herkömmlicher Mikrobearbeitung ist. Wir erzeugten auf diese Art und Weise Teststrukturen von bis zu 7 geformten Schichten (23), wobei jede eine Dicke von ~40 μm aufwies (2F). Da die Vorrichtungen monolithisch (d. h. alle der Schichten sind aus dem gleichen Material aufgebaut) sind, werden Schwierigkeiten hinsichtlich des Versagens der Haftung zwischen den Schichten und der thermischen Belastung vollständig vermieden. Teilchenförmige Materialien stören die Haftung zwischen den Schichten sehr wenig, wenn überhaupt. Vielleicht am Wichtigsten für die Betätigung von Mikrostrukturen ist das Elastomer ein weiches Material mit einem Young-Modul (24) von ~750 kPa, was große Biegungen mit kleinen Antriebskräften ermöglicht. Es ist auch möglich, die physikalischen Eigenschaften des Materials zu regulieren. Wir erzeugten magnetische Elastomerschichten, indem feines Eisenpulver und elektrisch leitfähige Schichten zugegeben wurden, indem mit Ruß oberhalb der Perkolationsschwelle dotiert wurde (25). Es besteht daher die Möglichkeit, vollständig aus Elastomer bestehende elektromagnetische Vorrichtungen zu erzeugen (26).
Um die Leistungsfähigkeit der Mehrschichtweichlithographie zu demonstrieren, fertigten wir aktive Ventile und Pumpen. Monolithische elastomere Ventile und Pumpen, wie andere mechanische Mikrofluidvorrichtungen, vermeiden mehrere praktische Probleme, die die Fließsysteme, die auf einem elektroosmotischen Fluss (8, 9, 20, 27–29) oder der Dielektrophorese (30, 31) basieren, beeinträchtigen, wie eine elektrolytische Blasenbildung um die Elektroden und eine starke Abhängigkeit des Flusses von der Zusammensetzung des Fließmediums (32–34). Obgleich es nicht ein Problem für Laborvorrichtungen ist, behindert die elektrolytische Blasenbildung schwerwiegend die Verwendung eines elektroosmotischen Flusses in integrierten Mikrofluidvorrichtungen. Weiter kann weder ein elektroosmotischer noch ein dielektrophoretischer Fluss auf einfache Weise verwendet werden, um den Fluss zu stoppen oder Unterschiede im Druck auszugleichen.
Wir fertigten unsere Ventile unter Verwendung einer gekreuzten Kanalarchitektur (1A). Typische Kanäle sind 100 μm breit und 10 μm hoch, womit die aktive Fläche des Ventils 100 μm mal 100 μm beträgt. Die Membran des Polymers zwischen den Kanälen ist so entwickelt, dass sie relativ dünn (typischerweise 30 μm) ist. Falls Druck auf den oberen Kanal („Kontrollkanal") angelegt wird, wölbt sich die Membran nach unten. Ein ausreichender Druck schließt den den unteren Kanal Kanal („Fließkanal"). Aus Gründen einer leichten optischen Handhabbarkeit versiegelten wir typischerweise unsere Strukturen mit Glas als der Bodenschicht; diese Bindung mit Glas ist umkehrbar, so dass Vorrichtungen abgezogen, gewaschen und wieder verwendet werden können. Wir fertigten auch Vorrichtungen, bei denen die Bodenschicht eine andere Elastomerschicht ist, was nützlich ist, wenn höhere Rückdrücke verwendet werden. Die Antwortzeit der auf diese Weise betätigten Vorrichtungen liegt in der Größenordnung von 1 ms und die angelegten Drücke sind in der Größenordnung von 100 kPa, so dass eine Fläche von 100 μm mal 100 μm Antriebskräfte in der Größenordnung von 1 mN ergaben. Die pneumatische Antriebsweise ermöglicht es, die aktiven Vorrichtungen dicht zu packen; wir bauten Mikrofluidstrukturen mit Dichten von 30 Vorrichtungen pro Quadratmillimeter und höhere Dichten sind erzielbar. Diese Antriebsgeschwindigkeit, Druck und Vorrichtungsdichte sind mehr als ausreichend für die große Mehrheit von Mikrofluidanwendungen.
Die Form des Fließkanals ist wichtig für den richtigen Antrieb des Ventils (1B). Rechteckige und sogar trapezförmig geformte Kanäle verschließen sich nicht vollständig unter einem von oben ausgeübten Druck. Fließkanäle mit einem runden Querschnitt verschließen sich vollständig; die runde Form überträgt Kräfte von oben auf die Kanalkanten und bewirkt, dass sich der Kanal von den Kanten zum Zentrum hin verschließt. Wir haben gefunden, dass Ventile mit einer Dimension von 100 μm mal 100 μm mal 10 μm über trapezförmigen Kanälen sich nicht vollständig bei einem angelegten Druck von sogar 200 kPa schließen würden, wohingegen abgerundete Kanäle sich vollständig bei nur 40 kPa versiegelten.
Die Herstellung von mehreren unabhängig angetriebenen Ventilen in einer Vorrichtung benötigt schlicht die unabhängige Regulierung des Druckes, der an jede Kontrollleitung angelegt wird (35). Die 2, A bis E, zeigt einfache Konfigurationen, die An-Aus-Ventile (2, A und B), eine Pumpe (2C), ein Netzwerk aus Ventilen (2D) und ein Schaltventil (2E) ergeben. Jede Kontrollleitung kann gleichzeitig mehrere Ventile antreiben. Da die Breite der Kontrollleitungen variiert werden kann und die Membranbeugung stark von den Membrandimensionen abhängt, ist es möglich, eine Kontrollleitung über mehrere Fließkanäle zu führen und nur die Erwünschten anzutreiben. Das aktive Element ist das Dach des Kanals selbst, so dass einfache An-Aus-Ventile (und Pumpen), die durch diese Technik erzeugt wurden, tatsächlich null Todvolumen aufweisen; Schaltventile weisen ein Todvolumen von ungefähr dem aktiven Volumen eines Ventils auf, das heißt, 100 μm × 100 μm × 10 μm = 100 pl. Das benötigte Todvolumen und die Fläche, die durch die sich bewegende Membran benötigt wird, sind um jeweils etwa zwei Größenordnungen kleiner als jedes Mikroventil, das bis dato erzeugt wurde (11).
Das Öffnen des Ventils kann präzise kontrolliert werden, indem der auf die Kontrollleitung angelegte Druck variiert wird. Wie in der 3A gezeigt, ist die Antwort des Ventils fast perfekt linear über einen großen Teil ihres Bewegungsbereichs mit einer minimalen Hysterese. Somit können diese Ventile für die Mikrofluidzuführung und Flussregulierung verwendet werden. Die Linearität der Ventilantwort zeigt, dass die einzelnen Ventile gut als Federn nach dem Hookeschem Gesetz abgebildet sind. Weiter kann den hohen Drücken in dem Fließkanal („Rückdruck") entgegengewirkt werden, indem einfach der Antriebsdruck erhöht wird. Innerhalb des experimentellen Bereichs, den wir testen konnten, (bis zu einem Rückdruck von 70 kPa) wurde ein Ventilverschluß erreicht, indem einfach der Rückdruck auf den minimalen Schließdruck bei null Rückdruck aufaddiert wurde.
Die monolithischen Elastomerventile, die wie hier beschrieben gefertigt wurden, können mit überraschender Geschwindigkeit angetrieben werden. Die Antwortzeit für ein Ventil, das mit einer wässrigen Lösung gefüllt ist, liegt in der Größenordnung von 1 ms, wie in der 3B gezeigt ist. Das Ventil öffnet und schließt sich immer noch bei 100 Hz, obgleich es sich nicht vollständig öffnet. Das Ventil antwortet fast unverzögert auf den angelegten Druck, jedoch hinkt der angelegte Druck wesentlich hinter dem Kontrollsignal hinterher (36).
Wir fertigten auch eine peristaltische Pumpe aus drei Ventilen, die auf einem einzigen Kanal angeordnet waren (4A). Die Pumpgeschwindigkeiten wurden bestimmt, indem die Wegstrecke, die eine Wassersäule in einem dünnen Rohr (0,5 mm Innendurchmesser) zurückgelegt hat, bestimmt wurde; bei Ventilen mit einer Abmessung von 100 μm mal 100 μm mal 10 μm wurde eine maximale Pumpgeschwindigkeit von 2,35 nl/s gemessen (4B). Im Einklang mit den vorherigen Beobachtungen einer Ventilantriebsgeschwindigkeit ist die maximale Pumpgeschwindigkeit bei ~75 Hz erreicht; oberhalb dieser Geschwindigkeit konkurrieren die erhöhte Anzahl an Pumpzyklen mit der unvollständigen Ventilöffnung und -schließung. Die Pumpgeschwindigkeit war fast konstant bis oberhalb 200 Hz und fiel langsam bis 300 Hz ab. Die Ventile und Pumpen sind auch recht haltbar: Wir haben niemals beobachtet, dass die Elastomermembran, die Kontrollkanäle oder die Bindung versagten. Keine der Ventile in der peristaltischen Pumpe, die zuvor beschrieben wurde, zeigt irgendein Zeichen an Verschleiß oder Ermüdung nach mehr als 4 Millionen Antrieben. Zusätzlich zu ihrer Haltbarkeit sind sie auch sanft. Eine Lösung von Escherichia coli, die durch einen Kanal gepumpt wurde und auf Überlebensfähigkeit getestet wurde, zeigte eine Überlebensrate von 94% (37).
Monolithische aktive Ventile, die wie hier beschrieben hergestellt werden, haben mehrere bemerkenswerte Vorteile über Mikrofluidventile auf Siliziumbasis. Aufgrund des geringen Young-Modul von Siliconkautschuk ist die aktive Fläche der Ventile nicht größer als die Kanäle selbst; dies ermöglicht ausgesprochen geringe Todvolumina. Aufgrund der Weichheit der Membran ist die vollständige Ventilversiegelung leicht erreicht, selbst in Gegenwart von teilförmigen Substanzen. Die Ventile schließen sich linear mit dem angelegten Druck, was Dosierung ermöglicht und es erlaubt, dass sie sich trotz eines hohen Rückdrucks schließen. Ihre geringe Größe macht sie schnell und die Größe und Weichheit tragen beide dazu bei, sie haltbar zu machen. Die geringe Größe, der pneumatische Antrieb und die Fähigkeit, Kanäle zu durchqueren ohne sie anzutreiben, ermöglichen eine dichte Integration von Mikrofluidpumpen, Ventilen und Mischkammern und Schaltventilen in einem einzigen leicht herzustellenden Mikrofluidchip. Der größte Vorteil liegt jedoch in der Leichtigkeit der Herstellung. Im Vergleich mit Ventilen und Pumpen, die durch herkömmliche auf Silizium basierende Mikrobearbeitung (11) hergestellt wurden, [oder sogar zu Hybridvorrichtungen, in die Polymere eingearbeitet sind (38–41)] sind monolithische Elastomerventile einfacher und viel leichter zu fertigen.
Die Verwendung von nicht üblichen Materialien verleiht dem Mehrschicht-Weichlithographieverfahren eine Anzahl von Vorteilen über der herkömmlichen Mikrobearbeitung, einschliesslich dem Rapidprototyping, der Leichtigkeit der Herstellung und die toleranten Verfahrensparameter. Sie ermöglicht die Fertigung von mehreren Schichten ohne die Schwierigkeiten der Haftung zwischen den Schichten und des Aufbaus thermischer Belastungen, die typisch für die herkömmliche Mikrobearbeitung sind. Dieses Verfahren kann verwendet werden, um komplexe mehrschichtige mikrogefertigte Strukturen, wie optische Züge und Mikrofluidventile und -pumpen, zu konstruieren. Der hier verwendete Silikonkautschuk ist für sichtbares Licht transparent, was die optische Abfragung von Mikrofluidvorrichtungen einfach gestaltet. Es ist auch biokompatibel – Materialien in dieser Familie werden verwendet, um Kontaktlinsen herzustellen. Das Ausgangsmaterial ist billig, insbesondere im Vergleich zu einkristalligem Silizium (~$0,05/cm³ im Vergleich zu ~$2,5/cm³): Was am Wichtigsten ist, es hat einen geringen Young-Modul, was den Antrieb von sogar sehr kleinflächigen Vorrichtungen erlaubt. Pneumatisch angetriebene Ventile und Pumpen sind für eine große Vielfalt von Fluidmanipulationen für „Labor-auf-einem-Chip"-Anwendungen nützlich. In Zukunft sollte es möglich sein, elektrisch oder magnetisch angetriebene Ventile und Pumpen zu entwerfen, die als implantierbare Vorrichtungen für klinische Anwendungen verwendet werden können.
Anmerkung zum Beleg: Nach dem Einreichen dieses Manuskript erlangten wir Kenntnis von verwandten Arbeiten durch J. Anderson et al. aus der Whitesides-Gruppe der Harvard University.
1. (A) Prozessfluss für die Mehrschichtweichlithographie. Das hier verwendete Elastomer ist General Electric Silicones RTV 615. Teil „A" enthält ein Polydimethylsiloxan, das Vinylgruppen trägt und einen Platinkatalysator; Teil „B" enthält einen Quervernetzer, der Siliziumhydridgruppen (Si-H) enthält, die eine kovalente Bindung mit Vinylgruppen bilden. RTV 615 wird herkömmlicherweise bei einem Verhältnis von 10A:1B verwendet. Zur Bindung wird eine Schicht mit 30A:1B (Überschuss an Vinylgruppen) und die andere mit 3A:1B (Überschuß Si-H-Gruppen) hergestellt. Die oberste Schicht wird dick (~4 mm) zur mechanischen Stabilität aufgegossen, wohingegen die anderen Schichten dünn aufgegossen werden. Die dünne Schicht wurde durch Spin-Coating der RTV-Mischung auf die mikrogefertigte Form bei 2000 U/min für 30 s erzeugt, was eine Dicke von ~40 μm ergab. Jede Schicht wurde getrennt bei 80°C für 1,5 Stunden gebacken. Die dicke Schicht wurde dann auf die dünne Schicht aufgesiegelt und die zwei wurden bei 80°C für 1,5 Stunden miteinander verbunden. Formen waren geformter Photoresist auf Siliziumwafern. Ein Photoresist Shipley SJR 5740 wurde bei 2000 U/min rotiert, mit einem hochauflösenden Transparenzfilm als eine Maske geformt und entwickelt, um inverse Kanäle mit einer Höhe von 10 μm zu erhalten. Wenn er bei 200°C für 30 min gebacken wurde, verfließt der Photoresist und die inversen Kanäle werden abgerundet. Die Formen wurden mit Trimethylchlorsilandampf für 1 min vor jeder Verwendung zur Vermeidung von Anhaftung von Siliconkautschuk behandelt. (B) Schematische Darstellung eines Ventils, das für quadratische und abgerundete Kanäle verschlossen wird. Die gepunkteten Linien zeigen die Kontur des oberen Bereichs des Kanals für rechteckige (links) und gerundete (rechts) Kanäle mit der Zunahme des Drucks an. Die Versiegelung des Ventils kann untersucht werden, indem die Zwischenfläche zwischen dem Elastomer und dem Substrat unter einem optischen Mikroskop beobachtet wird. Sie erscheint als eine deutliche sichtbare Kante. Eine unvollständige Versiegelung, wie sie bei einem rechteckigen Kanal auftritt, erscheint als eine Kontakt-„Insel" in dem Fließkanal; eine komplette Versiegelung (wie sie bei gerundeten Kanälen beobachtet wird) ergibt eine kontinuierliche Kontaktkante, die die linken und rechten Kanten des Fließkanals verbindet.
2. Optische Mikrophotographien von verschiedenen Ventil- und Pumpen-Konfigurationen; Kontrolllinien sind vertikal orientiert. (A) Einfaches An-Aus-Ventil mit 200-μm-Kontrolllinie und 100-μm-Fließlinie („200 × 100"). (B) 30 × 50-An-Aus-Ventil. (C) Peristaltische Pumpe. Nur drei der vier gezeigten Kontrolllinien wurden zum Antrieb verwendet. (D) Netz von An-Aus-Ventilen. (E) Schaltventil. Typischerweise werden nur die zwei innersten Kontrolllinien zum Antrieb verwendet. (F) Querschnitt der siebenschichtigen Teststruktur, die in dem Text erwähnt ist. Alle Größenmaßstäbe geben 200 μm wieder.
3(A) Ventilöffnung versus angelegtem Druck. „50 × 100" zeigt ein Mikroventil an, das einen 50 μm breiten Kontrollkanal und einen 100 μm breiten Fluidkanal aufweist. Die Daten für die Schließung und Öffnung für 100 × 50 (nicht gezeigt) sind fast identisch zu den Daten für 50 × 100. (B) Die Antwortzeit eines 100 μm mal 100 μm mal 10 μm RTV-Mikroventils mit einem 10-cm-langen Luftschlauch, der von dem Chip an ein pneumatisches Ventil angeschlossen ist. Zwei Perioden eines digitalen Kontrollsignals, der tatsächliche Luftdruck am Ende des Schlauchs und die Ventilöffnung sind hier gezeigt. Der an die Kontrollleitung angelegte Druck ist 100 kPa, was wesentlich höher als die zum Schließen des Ventils benötigten ~40 kPa ist. Somit wird beim Schließen das Ventil mit einem um 60 kPa größer als benötigten Druck geschlossen. Beim Öffnen wird jedoch das Ventil nur durch seine eigene Federkraft (≤ 40 kPa) in seine Ruheposition zurückgedrängt. Somit ist zu erwarten, dass τ_geschlossen kleiner als τ_offen ist. Es gibt auch eine Zeitverzögerung zwischen dem Kontrollsignal und der Kontrolldruckantwort aufgrund der Beschränkungen des Miniaturventils, das zur Regulierung des Drucks verwendet wird. Bei Benennung solcher Zeitverzögerungen als t und die 1/e-Zeitkonstanten τ, sind die Werte t_offen = 3,63 ms, τ_offen = 1,88 ms, t_geschlossen = 2,15 ms und τ_geschlossen = 0,51 ms. Falls jeweils 3τ für das Öffnen und Schließen zugelassen werden, läuft das Ventil komfortabel bei 75 Hz, wenn es mit einer wässrigen Lösung gefüllt ist (36). Das Öffnen des Ventils wurde mit Fluoreszenz gemessen. Der Fließkanal wurde mit einer Lösung von Fluoresceinisothiocyanat in einem Puffer (pH ≥ 8) gefüllt und die Fluoreszenz einer quadratischen Fläche im mittig gelegenen Drittel des Kanals wurde mit einem Epi-Fluoreszenzmikroskop mit einem Photovervielfältigungsrohr mit einer 10-kHz-Bandbreite beobachtet. Der Druck wurde mit einem Wheatstone-Brückendrucksensor (SCC15GD2; Sensym, Milipitas, Kalifornien) beobachtet, der gleichzeitig mit der Kontrollleitung durch fast identische pneumatische Verbindungen unter Druck gesetzt wurde.
4. (A) Eine 3D-Maßstabsdarstellung einer elastomeren peristaltischen Pumpe. Die Kanäle sind 100 μm breit und 10 μm hoch. Die Peristaltik wurde typischerweise durch die Muster 101, 100, 110, 010, 011, 001 angetrieben, wobei 0 und 1 „Ventil offen" beziehungsweise „Ventil geschlossen" angeben. Dieses Muster wird das „120°"-Muster genannt, es bezieht sich auf den Phasenwinkel des Antriebs zwischen den drei Ventilen. Andere Muster sind möglich, einschließlich 90°- und 60°-Muster. Die Unterschiede in der Pumpgeschwindigkeit bei einer gegebenen Frequenz der kreisförmigen Musterabfolge waren minimal. (B) Pumpgeschwindigkeit einer peristaltischen Mikropumpe gegenüber verschiedenen Antriebsfrequenzen. Dimension der Mikroventile = 100 μm mal 100 μm mal 10 μm; angelegter Luftdruck = 50 kPa.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer mikrogefertigten Elastomerstruktur (24), umfassend die Schritte: Mikrofertigen einer ersten Elastomerschicht (20) mit einer ersten Aussparung (21); Bereitstellung einer zweiten Elastomerschicht (22); Positionieren der zweiten Elastomerschicht auf die erste Elastomerschicht und Verbinden der unteren Oberfläche der zweiten Elastomerschicht mit der oberen Oberfläche der ersten Elastomerschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elastomerschicht mit einer zweiten Aussparung (23) mikrogefertigt ist; und die zweite Elastomerschicht auf die erste Elastomerschicht positioniert und damit verbunden wird, so dass die erste und zweite Aussparung durch einen Membranteilbereich (25) getrennt sind, der in die erste und zweite Aussparung durchbiegbar ist, um ein Ventil zu bilden, wenn die Membran aktiviert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Elastomerschicht (20, 22) durch Reproduktionsformen mikrogefertigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Elastomerschicht (20) auf einer ersten mikrobearbeiteten Gussform (10) gefertigt wird, die wenigstens eine erhöhte Ausbuchtung (11) aufweist, welche die erste Aussparung (21) im Boden der ersten Elastomerschicht bildet; und die zweite Elastomerschicht (22) auf einer zweiten mikrobearbeiteten Gussform (12) gefertigt wird, die wenigstens eine erhöhte Ausbuchtung (13) aufweist, welche die zweite Aussparung im Boden der zweiten Elastomerschicht bildet.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die erste mikrobearbeitete Gussform (10) wenigstens eine erste erhobene Ausbuchtung (11) aufweist, die wenigstens einen ersten Kanal (21) in der unteren Oberfläche der ersten Elastomerschicht (20) bildet.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite mikrobearbeitete Gussform (12) wenigstens eine zweite erhöhte Ausbuchtung (13) aufweist, die wenigstens einen zweiten Kanal (23) in der unteren Oberfläche der zweiten Elastomerschicht (22) bildet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die untere Oberfläche der zweiten Elastomerschicht (22) mit der oberen Oberfläche der ersten Elastomerschicht (20) verbunden wird, so dass der wenigstens eine zweite Kanal (23) von der ersten und zweiten Elastomerschicht umschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend das Positionieren der ersten Elastomerschicht (20) auf ein ebenes Substrat (14), so dass der wenigstens eine erste Kanal (21) von der ersten Elastomerschicht und dem ebenen Substrat umschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das ebene Substrat (14) aus Glas besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: sequenzielles Hinzufügen von weiteren Elastomerschichten, wobei jede Schicht hinzugefügt wird durch: Mikrofertigen einer folgenden Elastomerschicht; und Verbinden der unteren Oberfläche der folgenden Elastomerschicht mit der oberen Oberfläche der Elastomerstruktur.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der ersten Elastomerschicht (20) und der zweiten Elastomerschicht (22) gefertigt sind aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Elastomerzusammensetzungen von Polyisopren, Pulybutadien, Polychloropren, Polyisobutylen, Poly(Styrol-Butadien-Styrol), Polyurethanen, Silikonen, Poly(bis(fluoralkoxy)phosphazen) (PNF, Eypel-F), Poly(carboransiloxane) (Dexsil), Poly(acrylnitril-butadien) (Nitril-Gummi), Poly(1-buten), Poly(chlortrifluorethylen-vinylidenfluorid)-Copolymere (Kel-F), Po ly(ethylvinylether), Poly(vinylidenfluorid), Poly(vinylidenfluorid-hexafluorpropylen)-Copolymer (Viton), Polyvinylchlorid (PVC), Polysulfon, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polytetrafluorethylen (Teflon).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Elastomerschicht (20) einen Überschuss einer ersten chemischen Spezies und die zweite Elastomerschicht (22) einen Überschuss einer zweiten chemischen Spezies aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste und zweite Elastomerschicht (20, 22) aus unterschiedlichen Elastomermaterialien gebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste und zweite Elastomerschicht anfangs aus demselben Elastomermaterial bestehen und ein weiteres Elastomermaterial der ersten und/oder zweiten Schicht hinzugefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste und zweite Elastomerschicht (20, 22) aus denselben Materialkomponenten bestehen, sich jedoch im Verhältnis, in dem die Materialkomponenten zusammengemischt sind, unterscheiden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Elastomerschicht (20, 22) aus demselben Material bestehen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei wenigstens die erste und/oder die zweite Elastomerschicht (20, 22) unvollständig ausgehärtet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei sowohl die erste als auch die zweite Elastomerschicht (20, 22) ein Vernetzungsmittel umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elastomerschichten wärmehärtbare Elastomere umfassen, die durch Erwärmen über die elastische/plastische Übergangstemperatur der ersten und/oder zweiten Elastomerschicht miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Schicht durch eine Klebeschicht verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Klebemittel ein ungehärtetes Elastomer umfasst, das gehärtet wird, um die erste und zweite Elastomerschicht (20, 22) miteinander zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine der Elastomerschichten des Weiteren einen leitfähigen Teilbereich (70) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der leitfähige Teilbereich (70) durch Metallabscheidung hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der leitfähige Teilbereich (70) durch Kohlenstoffabscheidung hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der leitfähige Teilbereich (70) hergestellt wird durch: Bilden einer dünnen Metallschicht auf einem ebenen Substrat; Adhärieren der Elastomerschicht auf das ebene Substrat; und Abziehen der Elastomerschicht von dem ebenen Substrat, so dass das Metall an der Elastomerschicht haftet und sich von dem ebenen Substrat ablöst.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der leitfähige Teilbereich (70) durch Ätzen gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der leitfähige Teilbereich (70) durch Dotieren des Elastomers mit einem leitfähigen Material hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das leitfähige Material ein Metall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das leitfähige Material Kohlenstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das leitfähige Material ein leitfähiges Polymer umfasst.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner umfassend das dichtende Aufbringen der mikrogefertigten Elastomerstruktur auf ein ebenes Substrat, wobei das ebene Substrat wenigstens einen leitfähigen Teilbereich umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Schicht (20, 22) durch Aussetzen gegenüber Sauerstoffplasma chemisch aktiviert werden, um das Verbinden der Schichten zu erleichtern.