-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf flexible Schaltungen, wie
z. B. fluidische, elektrische, elektronische und optische Flex-Schaltungen
und Verbindungen zu denselben.
-
Flex-Schaltungen,
die auch als flexible Schaltungen bekannt sind, flexible gedruckte
Schaltungsplatinen und flexible gedruckte Verdrahtung sind Schaltungen,
die in oder auf flexiblen Substraten hergestellt sind, wobei diese
Substrate eine im Wesentlichen planare Form aufweisen. Die flexiblen
Substrate könnten
gebogen und gefaltet sein, um dreidimensionale Formanforderungen
unterzubringen.
-
Flex-Schaltungen
wurden zuerst von Albert Hanson aus Berlin, Deutschland im Britischen
Patent 4,681, ausgegeben 1903, beschrieben. Das Patent ist in „Flexible
Circuitry – Technology
Background and Important Fundamental Issues" von Joseph Fjelstad, das im Internet
unter http://www.tessera.com/library.cfm verfügbar ist, erwähnt, wobei
dieser Artikel auch eine gute Übersicht
elektrischer Flex-Schaltungstechnologien liefert. Weiteres Übersichtmaterial über Flex-Schaltungen
ist durch den gleichen Autor, Joseph C. Fjelstad, Pacific Consultants
LLC, Mountain View, Kalifornien in „Tutorial: An Overview of
Flexible Printed Circuit Technology", Chip Scale Review Online, Januar–Februar
2001 bereitgestellt, das als Link im Internet unter http://www.chipscalereview.com/issues/0101/homeissue.html
verfügbar
ist und vollständig
unter http://www.chipscalereview.com/issues/0101/tutorial_01.html
gegeben ist.
-
Das
1903-Patent von Hanson beschrieb die Erzeugung flexibler flacher
Leiter auf einer Lage isolierenden paraffinbeschichteten Papiers.
Heute werden Flex-Schaltungen üblicherweise
unter Verwendung von Polyimid, wie z. B. KaptonTM von
DuPont®,
als dem flexiblen isolierenden Material hergestellt, obwohl viele
andere Materialien, einschließlich
Papier, Polyamid, Polyesther-Terephtalad (PET), Zufallsfaser-Aramid (Nomex) und Polyvinyl-Chlorid
(PVC), verwendet werden könnten.
In die Flex-Schaltung eingebettet oder auf derselben können sich
elektrische Anschlussleitungen und elektrische Bauelemente, wie
z. B. Mikrochips, befinden. In die Oberfläche der Flex-Schaltung zurückgesetzt
können
Fluid-Senken und Gräben
sein, während
Fluidkapillarkanäle
in die Flex-Schaltung eingebettet sein können. Optische Bauelemente,
einschließlich
faseroptischer Elemente, optischer Gitter, optischer Quellen und
optischer Empfänger,
können
auch in die Flex-Schaltung eingebettet oder auf derselben sein.
Wenn die Flex-Schaltung nur elektrische Anschlussleitungen aufweist,
wird diese oft eine elektrische Flex-Schaltung genannt, während sie,
wenn sie Fluidsenken, Gräben
oder Kapillarkanäle
aufweist, oft eine Fluid-Flex-Schaltung
oder eine Mikrofluidschaltung genannt wird. Wenn sie optische Bauelemente
aufweist, kann sie eine optische Flex-Schaltung oder eine flexible
optische Schaltung genannt werden; siehe z. B. U.S.-Patente 5,902,435;
6,005,991; 6,069,991; 6,088,498 und 6,222,976. Fluid-Flex-Schaltungen und Mikrofluidschaltungen
können
elektrische Elemente umfassen; siehe z. B. U.S.-Patente 5,645,702;
5,658,413; 5,804,022; 5,882,571 und 6,093,362. Die vorteilhafte
dreidimensionale Natur eines Flex-Schaltungsaufbaus ist gut bekannt.
Siehe z. B. U.S.-Patent 4,928,206, „Foldable Printed Circuit Board".
-
Ein
Anschließen
eines externen elektrischen, fluidischen oder optischen Pfads an
eine Flex-Schaltung erfordert üblicherweise
ein Eintreten in die Ebene der Flex-Schaltung aus einer bestimmten
Richtung außerhalb
der Ebene. Diese einfache Aufgabe ist historisch sehr herausfordernd
gewesen und hat komplexe Strukturen erfordert. Siehe z. B. U.S.-Patente 6,033,628
und 6,194,900, in denen die Verbindungselemente zu einem flexiblen
Fluidschaltungssubstrat eine separate Anordnung erfordern.
-
Das
Problem von Fluidzwischenverbindungen wurde durch Hans Peter Zimmermann
(siehe z. B. U.S.-Patent-Anmeldung 09/570,948, Anmeldungsdatum 15.
Mai 2000 mit dem Titel „Coupling
to Microstructures for a Laboratory Microchip") angegangen. Zimmermann beschreibt
flexible Strukturen, die sich aus der Ebene eines flexiblen Substrats
herausbiegen können,
das Biegen derartiger Strukturen ist jedoch nur ein einfaches Auslegerbiegen.
Ein Nachteil, der dem einfachen Auslegerbiegen zugeordnet ist, besteht
darin, dass es z. B. unmöglich
ist, Probeeinführungssiphons
in den 4,5-mm-Muldenabstandsmitten einer Standard-384-Mulden-Mikrotiterplatte
zu beabstanden, da die erforderliche 12-mm-Reichweite größer ist
als der 4,5-mm-Abstand, so dass einfach kein Platz ist, um alle
erforderlichen Auslegersiphons zu platzieren. Eine verbesserte Struktur
wird benötigt,
um dichte Zwischenverbindungen zu erhalten.
-
Flex-Schaltungen
wurden unter Beinhaltung von Biegestrukturen hergestellt, die komplizierter
sind als einfache Ausleger. Das U.S.-Patent 4,587,719 von dem vorliegenden
Erfinder z. B. beschreibt ein Verfahren zum Falten einer Polyimid-Flex-Schaltung,
was zu einer Struktur führt,
die in der ursprünglichen
Ebene der Flex-Schaltung bleibt. Das 4,587,719-Patent lehrt jedoch
kein Verfahren oder keine Vorrichtung zum Herausreichen aus der
Ebene der Schaltung, noch lehrt es ein Verfahren oder eine Vorrichtung
zur Zwischenverbindung außerhalb
der Ebene.
-
In
Bezug auf elektrische Zwischenverbindungen sind mehrere Schemata
in den U.S.-Patenten 4,961,709; 5,197,889; 5,452,182; 5,812,378;
5,859,472; 5,900,674; 5,938,452; 5,973,394; 6,029,344; 6,033,433;
6,046,410; 6,092,280 und RE34084 zum Erzielen dichter Zwischenverbindungen
zwischen Schaltungen vorgestellt, keines dieser Schemata zeigt jedoch
die Einfachheit einer Herstellung, die erhalten werden kann, wenn
die Zwischenverbindungsstruktur innerhalb der Struktur der Flex-Schaltung
hergestellt werden kann.
-
Bezüglich optischer
Zwischenverbindungen steckt die Entwicklung der Technik optischer
Flex-Schaltung noch ziemlich in den Kinderschuhen. Siehe z. B. U.S.-Patente
5,835,646; 5,902,435; 5,981,064; 6,005,991; 6,069,991; 6,088,498;
6,091,874 und 6,097,871. Die Technik optischer Zwischenverbindungen
jedoch liefert keine Lösungen
für einfache
und dichte optische Zwischenverbindungen zwischen benachbarten planaren
optischen Front-zu-Front-Flex-Schaltungen. Dies ist bei einer optischen
Zwischenverbindung oft sehr wichtig, ein Verlieren des Lichts aus
einer Faser aufgrund eines Biegens oder Knickens der Faser zu vermeiden.
Es ist danach auch wichtig, eine große Reichweite von der Substratebene
zu erzielen.
-
Planare
Federn sind zu einem bestimmten Ausmaß in den U.S.-Patenten 3,950,846;
3,968,336; 3,979,568; 4,066,860; 4,548,086; 4,919,403; 5,082,997;
5,525,845; 5,555,972 und 5,673,785 gelehrt. Insbesondere ist eine
planare Feder, die sich aus der Ebene des Substrats heraus erstreckt,
in den U.S.-Patenten 4,066,860 und 5,673,785 gelehrt. Die Patente
jedoch lehren weder ein Trennen einer elektrischen Anschlussleitung
oder eines anderen Beförderungselements
auf oder in der Feder, noch spielen darauf an. Zusätzlich kann
die Feder nicht auf eine größere Strecke
als die Breite der Feder ausgestreckt werden.
-
Die
GB 2,294,365 offenbart eine
Vorrichtung zum Testen von Produkten mit elektrisch untereinander verbundenen
Netzen. Die Vorrichtung weist eine Mehrzahl von Sonden auf, die
durch eine planare Trägereinrichtung
getragen werden. Die Sonden weisen Kontaktspitzen auf und eine Einrichtung
ist vorgesehen, um selektiv die Sonden zu betätigen, um zu bewirken, dass
die Kontaktspitzen von der Ebene der Trägereinrichtung weg verschoben
werden.
-
Die
vorliegende Erfindung möchte
eine verbesserte flexible Schaltung schaffen.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine flexible Schaltung gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
-
Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
kann eine flexible Struktur bereitstellen, die aus der Ebene eines flexiblen
Substrates zu Zwecken einer Zwischenverbindung und Probenübertragung
herausreichen kann, die auf dem flexiblen Substrat in einer Mitte-zu-Mitte-Entfernung
beabstandet sein kann, die kleiner ist als die Entfernung, um die
dieselbe aus der Ebene heraus reicht, und die in der Herstellung
einfach ist.
-
Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Flex-Schaltung, das hierin beschrieben ist, kann aus einem flexiblen
Substrat heraus reichen. Die Flex-Schaltung könnte auf einem flexiblen Substrat
in einer Mitte-zu-Mitte-Entfernung beabstandet sein, die kleiner
ist als die Entfernung, um die dieselbe aus der Ebene heraus reicht.
In einem flexiblen planaren Substrat ist eine planare Struktur gebildet,
die elastisch aus der Ebene des Substrats ausgestreckt werden kann,
z. B. dadurch, dass sie mit einem Stift gedrückt wird. Die Struktur könnte spiralförmig sein
oder eine andere ausstreckbare Konfiguration aufweisen. Die Struktur
kann z. B. eine Spiralfluidkapillare in der Form einer archimedischen
Spirale mit einem Mittelschild aufweisen, das ein Loch enthält, das
durch einen Stift in Eingriff genommen werden kann, so dass die
Kapillare durch den Stift aus der Ebene des Substrats heraus ausgestreckt
werden kann. Alternativ kann die Struktur z. B. eine elektrische
Anschlussleitung aufweisen, so dass die elektrische Anschlussleitung
aus der Ebene des Substrats heraus ausgestreckt wird. Zusätzlich kann
die Struktur einen optischen Wellenleiter aufweisen, der so strukturiert
ist, dass seine Krümmungsradien
ausreichend groß sind,
dass im Wesentlichen kein Licht aus dem Wellenleiter entweicht.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist unten lediglich beispielhaft Bezug
nehmend auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine
Draufsicht eines exemplarischen Schaltungssubstrats, das eine Struktur
definiert und eine Bahn aufweist;
-
2 eine
Querschnittsansicht aus 1 entlang einer Linie 2-2 aus 1;
-
3 einen
Teilschnittaufriss einer exemplarischen Anordnung, bei der die Struktur
des Schaltungssubstrats aus 1 gerade
durch einen Stift aus einer Ebene des Substrats herausgedrückt wird;
-
4 eine
Draufsicht einer archimedischen Spirale, die ein exemplarisches
Modell für
die Struktur aus 1 ist;
-
5 eine
Draufsicht einer Fermatschen Spirale (einer parabolischen Spirale),
die ein weiteres exemplarisches Modell für die Struktur aus 1 ist;
-
6A eine
Draufsicht einer quadratischen Spirale, die ein exemplarisches Modell
für die
Struktur aus 1 ist;
-
6B eine
Draufsicht einer dreieckigen Spirale, die ein exemplarisches Modell
für die
Struktur aus 1 ist;
-
6C eine
Draufsicht einer fünfeckigen
Spirale, die ein exemplarisches Modell für die Struktur aus 1 ist;
-
6D eine
Draufsicht einer sechseckigen Spirale, die ein exemplarisches Modell
für die
Struktur aus 1 ist;
-
7 eine
Draufsicht einer mäanderförmigen Form,
die ein exemplarisches Modell für
die Struktur aus 1 ist;
-
8 eine
Draufsicht eines Schaltungssubstrats, das eine perforierte Struktur
definiert; und
-
9 eine
Ansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Flex-Schaltung.
-
Bezug
nehmend auf die 1 und 2 ist eine
exemplarische Flex-Schaltung 75 gezeigt. Die Flex-Schaltung 75 weist
ein Flex-Schaltungssubstrat 100 auf, das eine Ebene 102 (in 2 sichtbar)
definiert. Das Substrat 100 ist aus einer Basislage 104 (2)
und einer Abdecklage 106 (2) gebildet.
Die Basislage 104 ist eine flache Lage aus Polyimid, wie
z. B. eine DuPont Kapton® H-Lage. Es wird angemerkt,
dass verschiedene andere Materialien verwendet werden können, wie
z. B. Papier, Polyamid, Polyester-Terephtalat (PET), ein Zufallsfaser-Aramid
(Nomex) und Polyvinyl-Chlorid
(PVC). Metallfolien und -lagen können
ebenso entweder separat von elektrischen Isolatoren, wenn keine
elektrische Isolierung benötigt
wird, oder in Verbindung mit elektrischen Isolatoren verwendet werden,
um verbesserte Strukturcharakteristika bereitzustellen. Die Basislage 104 ist
etwa 50 μm
(Mikrometer) dick, kann jedoch eine Dicke in einem Bereich von etwa
25 μm (Mikrometer)
bis 1 mm aufweisen. Die Abdecklage 106 ist auf die Basislage 104 laminiert,
um das Substrat 100 zu bilden. Die Abdecklage 106 ist
eine Lage aus z. B. DuPont Kapton® HKJ.
Die Abdecklage 106 ist ebenso etwa 50 μm dick, könnte jedoch auch einen Bereich
von Dicken aufweisen, ähnlich
wie die Basislage 104. Die Abdecklage 106 weist
ein thermoplastisches Haftmittel auf beiden Außenoberflächen auf, um eine Verbindung mit
der Basislage 104 zu ermöglichen. Eine Bahn 108 bildet
einen Teil des Schaltungssubstrats 100 und ist im Wesentlichen
koplanar mit demselben. Die Bahn 108 könnte eine Kapillare zum Übertragen
eines Fluids oder Gases, eine elektrische Anschlussleitung zum Übertragen
eines Signals, ein optischer Wellenleiter zum Übertragen eines optischen Signals
oder eine andere Vorrichtung zum Übertragen eines Signals sein.
Die Bahn 108 ist an einer Struktur 110 befestigt.
-
Wenn
hier angenommen wird, dass die Bahn 108 eine Fluidkapillare 112 ist,
ist ein Graben 114 (2) zur Bildung
der Fluidkapillare 112 auf einer oberen Oberfläche der
Basislage 104 gebildet. Die Fluidkapillare 112 wird
gebildet, wenn der Graben 114 durch ein Befestigen der
Abdecklage 106 an der Basislage 104 umschlossen
wird. Eine Rille 116 wird vollständig durch das Substrat 100 hindurch
geschnitten. Die Rille 116 befreit die Struktur 110 von
dem umgebenden Substrat 100. Ein exemplarisches Verfahren
zum Schneiden der Rille 116 ist Laserablation, obwohl andere
bekannte Verfahren verwendet werden könnten, wie z. B. Wasserstrahlen,
mechanische Schneidewerkzeuge oder Photolithographie, gefolgt durch Ätzen. Vorzugsweise
wird die Rille 116 in einer einzelnen Operation gebildet,
nachdem die Abdecklage 106 an der Basislage 104 befestigt
wird, die Rille 116 kann jedoch auch als zwei separate
Rillen in den Lagen 106 und 104 gebildet werden, die
dann aneinander befestigt werden und so eine einzelne Rille 116 bilden.
Ein Mittelvorsprung 118 befindet sich in einem Bereich,
der durch die Struktur 110 abgegrenzt wird. Ein Eintrittsloch 120 ist
in dem Mittelvorsprung 118 definiert und kommuniziert mit
einem Ende der Fluidkapillare 112. Ein Mittelloch 122 ist
ebenso in dem Mittelvorsprung 118 definiert.
-
Bezug
nehmend auf 3 ist eine Teilschnittansicht
einer Anordnung 200 gezeigt. Die Anordnung 200 umfasst
ein Schaltungssubstrat 100, das bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
mikrofluidisch ist. Bei diesem Beispiel ist eine Bahn 108 eine
Fluidkapillare 112. Die Anordnung 200 umfasst
außerdem
einen Zielbereich oder eine Probenmulde 202 und ein einen
Stift tragendes Substrat 204, das den Stift 206 trägt. Die
Probenmulde 202 könnte
eine Mulde in einer Mehr-Well-Mikrotiterplatte.
Die Probenmulde 202 ist durch Wände 208 definiert.
Die Probenmulde 202 enthält eine Probenlösung 210.
-
Die
Fluidkapillare 112, die aus dem Substrat 100 herausgeschnitten
wurde, wie in 1 gezeigt ist, ist in 3 gezeigt,
wie sie gerade durch einen Stift 206 derart aus der Ebene 102 herausgedrückt wird,
dass die Struktur 110 nicht länger koplanar mit dem Substrat 100 ist.
Die Struktur 110 ist derart aufgebaut, dass die Struktur 110 um
eine Entfernung aus der Ebene 102 heraus ausgestreckt werden
kann, die größer ist
als eine maximale laterale Abmessung der Struktur. Der Stift 206 wird
verwendet, um die Struktur 110 in die Probenmulde 202 zu
drücken,
um einen Kontakt mit der Probenlösung 210 herzustellen,
wie in 3 gezeigt ist. Der Stift 206 nimmt ein
Mittelloch 122 (1) in einem Mittelvorsprung 118 in
Eingriff. Das den Stift tragende Substrat 204 trägt mehrere
Stifte 206, z. B. in einer Nagelbettkonfiguration, so dass
viele Strukturen, wie z. B. die Struktur 110, gleichzeitig
in viele Mulden ausgestreckt werden können, wie z. B. die Probenmulde 202.
Die Probenlösung 210 tritt
in ein Eintrittsloch 120 (1) in dem
Mittelvorsprung 118 ein und bewegt sich die Bahn 108 entlang
nach oben, die bei diesem Ausführungsbeispiel
eine Fluidkapillare 112 ist, in das Substrat 100. Ein
Transport der Probenlösung 210 kann
durch einen Gasdruck, der auf die Probenmulde 202 ausgeübt wird, Kapillaraktion
in der Fluidkapillare 112, ein Vakuum, das unterhalb durch
die Fluidkapillare 112 angelegt wird, einen Elektrophoresefluss
aufgrund einer Spannung, die zwischen den Stift 206 und
eine unterhalb angeordnete Elektrode angelegt wird, entweder innerhalb
der Fluidkapillare 112 oder außerhalb der Fluidkapillare 112 und/oder
einen elektroosmotischen Fluss aufgrund einer Spannung, die zwischen
den Stift 206 oder eine unterhalb angeordnete Elektrode
angelegt wird, entweder innerhalb der Fluidkapillare 112 oder
außerhalb
der Fluidkapillare 112 unterstützt werden.
-
Die
Herstellung eines exemplarischen Ausführungsbeispiels der Erfindung
zu Fluidübertragungszwecken
geschieht wie folgt. Ein Graben 114 wird in einer erwünschten
Konfiguration in dem Substrat 100 gebildet. Der Graben 114 wird
später
die Fluidkapillare 112. Der Graben 114 könnte durch
Excimer-Laserablation unter Verwendung einer Maske, durch Vektorbewegungs-Laserbearbeitung
unter Verwendung eines fokussierten Strahls oder durch mechanisches
Bewegen des Substrats in Bezug auf einen fokussierten Lasterstrahl
erzeugt werden (siehe z. B. Sri Venkat „Laser Processing of Flex", PC Fab [Printed
Circuit Fabrication] Magazin, CMPO Media LLC, Februar 2001, erhältlich im
Netz unter http://www.pcfab.com/db_area/archive/2001/0102/venkat.html.
-
Nach
einer Laserbearbeitung des Grabens 114, der einer vieler
derartiger Graben sein kann, die mit anderen Graben auf der gleichen
Basislage 104 verbunden sind, wird die Basislage 104 auf
die Abdecklage 106 laminiert. Die Abdecklage 106 weist
ein thermoplastisches Haftmittel auf beiden Außenoberflächen der Abdecklage 106 auf
und stellt deshalb eine Verbindung zu der Basislage 104 her,
um den Graben 114 zur Bildung der Fluidkapillare 214 abzudichten.
Als nächstes
wird die Rille 116 vollständig durch das laminierte Paar von
Lagen, d. h. die Basislage 104 und die Abdecklage 106,
die das Substrat 100 bilden, hergestellt. Die Rille 116 wird
durch Laserfräsen
erzeugt. Das Eintrittsloch 120 wird durch Laserfräsen erzeugt.
Das Eintrittsloch 120 wird durch beide Lagen hindurch gebildet,
um ein Ende der Fluidkapillare 112 freizulegen und zu öffnen. Alternativ
könnte
das Eintrittsloch 120 ein Ende der Fluidkapillare 112 durch
Laserbearbeitung durch nur eine Lage hindurch öffnen, in einem Vorgang, der
als Aufspalten (Skiving) bekannt ist. Das Mittelloch 122 wird
dann durch die Basislage 104 und die Abdecklage 106 hindurch
gebildet, um als ein Inein griffnahmeort für den Druckstift 206 zu
dienen. Das Mittelloch 122 wird durch Laserfräsen gebildet.
Später
wird der Druckstift 206 verwendet, um die Struktur 110,
die die Fluidkapillare 112 trägt, aus der Ebene 102 des
Substrats 100 heraus auszustrecken.
-
Bezug
nehmend auf 4 wird bei einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
eine Spirale des Archimedes, auch als archimedische Spirale bekannt,
als ein Modell für
die Struktur 110 für
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet. Die archimedische Spirale
nimmt eine minimale Fläche,
vereinbar mit einer maximalen Ausstreckmenge, ein und minimiert
die Konzentration von Biegebelastungen entlang der Länge der
Spirale. 4 stellt ein Muster der Spirale
des Archimedes 400 dar. Die Spirale des Archimedes 400 kann
durch die polare Gleichung r = Aθ ausgedrückt werden,
wobei r die Radialentfernung von einem Mittelpunkt in der Ebene
des Substrats 102 ist, θ der
Polarwinkel aus einer Referenzrichtung von dem Mittelpunkt in der
Ebene 102 des Substrats 100 ist und A eine Konstante
ist.
-
Die
Bahnlänge
S entlang einer Spirale des Archimedes, z. B. der Spirale des Archimedes 400,
mit äußerem Radius R wird durch ein Integrieren eines
Längenelements
dS = rdθ =
r(dr/A) von einem anfänglichen Radiuswert
R1 zu dem Außenradius R gefunden, was folgendermaßen gegeben
ist:
-
-
Unter
der Annahme, dass die Spirale des Archimedes 400 aus der
anfänglichen
Ebene der Flex-Schaltung um eine Menge einer Hälfte ihrer Bahnlänge heraus
abgelenkt werden kann, beträgt
die maximale Ablenkung:
-
-
Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet ein Polyimid für das Substrat 100,
wie z. B. DuPont Kapton®. Als ein Beispiel ergibt,
wenn wir annehmen, dass die Rille 116, die durch das Substrat 100 geschnitten
ist, eine Breite von 20 μm
(Mikrometer) aufweist, und dass die Mitte-zu-Mitte-Entfernung einer
Windung (2π Radian)
der Spirale 400 120 μm
= A2π beträgt, dies
einen Wert für
A von 120 μm/(2π) = 28 μm pro Radian. Wenn
wir einen Anfangsradius R1 = 710 μm und einen
Außenradius
R = 2.240 μm
wählen,
liefert dies 12,75 Windungen der Spirale 400 und hält die Spirale 400 innerhalb
des 4,5-mm-Mitte-zu-Mitte-Abstands einer Standard-384-Mulden-Mikrotiterplatte.
Dann wird die Gesamtweglänge
der Spirale 400 aus der Gleichung 1 als 118 mm bewertet
und die maximale Ablenkung wird aus der Gleichung 2 als 59 mm bewertet,
was mehr als 10 mal die laterale Abmessung von 4,5 mm der Spirale 400 in
der Ebene 102 des flexiblen Substrats 100 ist
und viel größer ist
als benötigt
wird, um die Unterseite einer Probenmulde 202 in einer
Mikrotiterplatte zu erreichen. Eine typische Probenmulde 202 ist
12 mm tief.
-
Wenn
eine Spirale des Archimedes 400 als Teil der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, kann diese sowohl zu einer Tendenz zu
einer Winkeldrehung in der θ-Richtung
führen,
wenn die Spirale 400 aus der Ebene 102 des Substrats 100 heraus
ausgestreckt wird, als auch zu einer Tendenz zur Neigung des Mittelvorsprungs 118,
wie in 3 dargestellt ist. Dennoch wird eine Spirale des
Archimedes, wie z. B. die Spirale des Archimedes 400, bevorzugt.
-
Allgemeiner
kann eine archimedische Spirale durch die polare Gleichung r = Aθ(1/n) ausgedrückt werden, wobei r die Radialentfernung
ist, θ der
Polarwinkel ist, A eine Konstante ist und n eine Konstante ist,
die die Kompaktheit der Spirale bestimmt.
-
Bezug
nehmend auf 5 ist eine Form der archimedischen
Spirale eine Fermatsche Spirale, die auch als die parabolische Spirale
bekannt ist, die allgemein durch 500 bezeichnet ist. Die parabolische
Spirale 500 weist die Gleichung r = Aθ(1/2) auf.
Die parabolische Spirale 500, bei der sich zwei Arme spiralförmig von einem
Mittelpunkt nach außen
erstrecken, kann für
die Struktur 110 in der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
um die Neigungstendenz, die der Mittelvorsprung 118 zeigt,
wenn die Spirale des Archimedes 400 verwendet wird, zu
vermeiden. Vorzugsweise kann eine parabolische Spirale es z. B.
erlauben, dass eine elektrische Anschlussleitung auf einem Spiralarm
getragen wird, während
eine fluidische Anschlussleitung auf dem zweiten Spiralarm getragen
wird. Die parabolische Spirale 500 jedoch macht verglichen
mit der Spirale des Archimedes 400 bestimmte Abstriche
bei der Ausstreckfähigkeit.
Ein Beispiel der parabolischen Spirale 500 ist in 5 gezeigt.
-
Andere
Spiralformen, die mehrere Arme beinhalten, könnten ebenso für die Struktur 110 verwendet werden.
Das U.S.-Patent
6,033,433 „Stent
Configurations Including Spirals" z.
B. legt bestimmte Spiralformen vor, die angepasst werden könnten, um
bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen
verwendet zu werden. Die mehreren Arme dieser Spiralen führen jedoch
verglichen mit der einfachen Spirale des Archimedes 400 zu
einem deutlichen Flächenverlust.
Ein Mehrarmausführungsbeispiel
könnte
vorzugsweise verwendet werden, um gleichzeitig mehrere Fluide hinzuzufügen oder
zu entfernen.
-
Andere
Mehrwinkelimplementierungen einer Spiralform, wie z. B. einer Vieleckspirale,
können
ebenso für
die Struktur 110 verwendet werden, einschließlich, jedoch
nicht ausschließlich,
einer quadratischen Spirale 600 (6a), die
vier Ecken pro Windung mit 360°-Winkel
aufweist, einer dreieckigen Spirale (6b), einer fünfeckigen
Spirale (6c), einer sechseckigen Spirale
(6d) oder einer Spirale, die unterschiedliche Anzahlen
von Ecken bei jeder Windung mit 360° aufweist. Derartige Formen
weisen einen Nachteil auf, dass sich eine Belastung an den Winkelecken
konzentriert.
-
Andere
Federformen, die keine Spiralstruktur zeigen, könnten ebenso für die Struktur 110 verwendet werden. 7 z.
B. stellt eine derartige Form 700 dar, die dahingehend
einen Nachteil aufweist, dass eine Belastung an den Ecken der mäanderförmigen Struktur 700 konzentriert
ist, und zusätzlich,
dass die Form 700 dazu neigt, einen Druckstift 206 weg
von einem geradlinigen Weg zu ziehen, wenn die Struktur aus der
Ebene 102 der Flex-Schaltung 100 heraus ausgestreckt
wird.
-
Als
ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel
der Erfindung könnte
eine perforierte Struktur 800 jede der oben erläuterten
Formen sein, die durch Perforationen 802 definiert ist,
und keine freie Form. 8 zeigt eine Struktur 800,
die zu Beispielszwecken in der Form einer archimedischen Spirale
ist. Während
sich herausgestellt hat, dass eine freie Spirale ihr eigenes Gewicht
ohne erkennbares Einsacken in einem Polyimid-Substrat trägt, das
100 μm dick
ist, könnten
andere Materialien oder dünnere
Substrate zu einem unerwünschten
Einsacken einer freien Spirale führen.
Die perforierte Struktur 800 stellt eine Alternative dar,
die ein Einsacken vermeidet, und kann es erlauben, dass die Struktur 800 entlang
der Perforationen 802 abgerissen werden kann, wenn die
Struktur 800 durch einen Stift 206 aus der Ebene 102 der
Flex-Schaltung 100 herausgedrückt wird.
-
Bezug
nehmend auf 9 ist eine exemplarische Flex-Schaltung 900 gezeigt.
Die Flex-Schaltung 900 weist ein Flex-Schaltungssubstrat 901 auf,
das eine Ebene definiert. Das Substrat 901 ist aus einer
Basislage und einer Abdeck lage 106 gebildet. Die Basislage
ist eine flache Lage aus Polyimid, z. B. eine DuPont Kapton® H-Lage.
Es wird angemerkt, dass verschiedene andere Materialien verwendet
werden können,
wie z. B. Papier, ein Polyamid, Polyesther-Terephtalat (PET), Zufallsfaser-Aramid
(Nomex) und Polyvinyl-Chlorid (PVC). Metallfolien und -lagen können ebenso
entweder separat von elektrischen Isolatoren, wo keine elektrische
Isolierung erforderlich ist, oder in Verbindung mit elektrischen
Isolatoren verwendet werden, um verbesserte Strukturcharakteristika
bereitzustellen. Die Basislage ist 50 μm (Mikrometer) dick, kann jedoch
eine Dicke in einem Bereich von etwa 25 μm (Mikrometer) bis 1 mm oder
mehr aufweisen. Eine Abdecklage ist an die Basislage laminiert,
um das Substrat 901 zu bilden. Die Abdecklage 106 ist
eine Lage aus DuPont Kapton® HKJ oder einem anderen
geeigneten Material. Die Abdecklage ist ebenso etwa 50 μm dick. Die
Abdecklage weist ein thermoplastisches Haftmittel auf beiden äußeren Oberflächen auf,
um eine Verbindung zu der Basislage zu ermöglichen. Eine Bahn 908 bildet
einen Teil des Schaltungssubstrats 901 und ist koplanar
mit demselben. Die Bahn 908 könnte im Wesentlichen eine Kapillare
zum Übertragen
eines Fluids oder Gases, eine elektrische Anschlussleitung zum Übertragen
eines Signals, ein optischer Wellenleiter zum Übertragen eines optischen Signals
oder eine andere Vorrichtung zum Übertragen eines Signals sein.
Die Bahn 908 ist an einer Struktur 910 befestigt.
-
Bei
einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
sind die Bahnen 908 und 909 Fluidkapillaren 912 und 913.
Zur Bildung der Fluidkapillaren 912 und 913 sind
Gräben
auf einer oberen Oberfläche
der Basislage gebildet. Die Fluidkapillaren 912 und 913 werden
gebildet, wenn die Gräben
durch ein Befestigen der Abdecklage an der Basislage umschlossen
werden. Die Rillen 916 und 917 werden vollständig durch
das Substrat 901 hindurchgeschnitten. Die Rillen 916 und 917 befreien
die Struktur 910 von dem umgebenden Substrat 901.
Ein Verfahren zum Schneiden der Rillen 916 und 917 ist
Laserablation, obwohl andere bekannte Verfahren eingesetzt werden
könnten,
wie z. B. Wasserstrahlen, mechanische Schneidewerkzeuge oder Photolithographie
gefolgt durch Ätzen.
Ein Mittelvorsprung 918 befindet sich in einem Bereich,
der durch die Struktur 910 abgegrenzt ist. Ein Eintrittsloch 920 ist
in dem Mittelvorsprung 918 definiert und kommuniziert mit
einem Ende der Fluidkapillare 912. Ein Mittelloch 922 ist
ebenso in dem Mittelvorsprung 118 definiert. Ein zweites
Eintrittsloch 923 ist in dem Mittelvorsprung 918 definiert
und kommuniziert mit einem Ende der Fluidkapillare 913.
Ein Verfahren zum Bilden der Löcher 920, 922 und 923 ist
Laserablation, obwohl andere bekannte Verfahren eingesetzt werden
könnten,
wie z. B. Wasserstrahlen, mechanische Schneidewerkzeuge oder Photolithographie
gefolgt durch Ätzen.
-
Die
Flex-Schaltung 900 könnte
in einer ähnlichen
Art und Weise wie die Flex-Schaltung 100 verwendet werden.
Die Flex-Schaltung 900 ermöglicht jedoch mehrere Bahnen 908 und 909.
Es sollte jedoch angemerkt werden, dass eine einfache archimedische
Spirale, wie z. B. in der Struktur 110 in 1 verwendet
wird, auch mehrere parallele Bahnen tragen kann, ohne von dem Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
-
Während spezifische
Ausführungsbeispiele
der Erfindung hierin gezeigt sind, sollte für Fachleute auf diesem Gebiet
zu erkennen sein, dass diese nicht so eingeschränkt ist, sondern zugänglich für verschiedene Veränderungen
ist, ohne von dem Schutzbereich der Ansprüche abzuweichen.
-
Alle
oben beschriebenen Strukturen wurden hauptsächlich in Bezug auf eine fluidische
Schaltung, wie oben angemerkt wurde, beschrieben, die Bahn 108 z.
B. könnte
jedoch auch eine elektrische Anschlussleitung zum Übertragen
eines Signals, ein optischer Wellenleiter zum Übertragen eines Signals oder
eine andere Vorrichtung zum Übertragen
eines Signals sein. Unabhängig
davon kommt es in Betracht, dass die Flex-Schaltung bei Gebrauch
aus ihrer planaren Konfigurati on herausmanipuliert wird, derart,
dass die Bahn 108 Kontakt zu einem geeigneten Medium zur
Signalübertragung
herstellt.
