DE10154822A1

DE10154822A1 - Vorrichtung zur automatischen und kontinuierlichen Analyse von Flüssigkeitsproben und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE10154822A1
Application number: DE2001154822
Authority: DE
Inventors: Dietrich Roscher; Udo Wolf; Joerg Leuthaeuser
Original assignee: MEONIC SYS ENG GmbH
Current assignee: ROSCHER, DIETRICH, DR.-ING., 98693 ILMENAU, DE
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2003-05-22

Abstract

Eine Vorrichtung zur automatischen und kontinuierlichen Analyse von Flüssigkeitsproben mit wenigstens einer Mikropumpe, ein oder mehreren Mikroventilen und/oder Durchflußmesser, mehreren Fluidanschlüssen sowie einer Struktur von Verbindungskanälen in einem aus einer Glaskeramik bestehenden Kanalkörper, deren Strukturierung beidseitig mittels mechanischer Feinstbearbeitung eingeformt und mit elastischen Metallplatten abgedeckt ist. DOLLAR A Die Mikropumpen bestehen aus einer Anordnung von drei Kammern im Kanalkörper mit einer elastischen Abdeckung, die zusammen mit einer auf der Abdeckplatte aufgeklebten Piezoplatte einen Bimorph-Antrieb bilden. Die externen Flüssigkeitsdepots sind über Steckverbinder angeschlossen, in deren Verbindeflächen Glasfilter eingesetzt sind. DOLLAR A Ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung besteht in der Verbindung der elastischen Metallplatten mit dem Glaskeramikkörper mittels Polymerdispersion mit einer thermisch aktivierbaren reaktiven Gruppe, die durch Druck- und Wärmeeinwirkung eine dauerhafte Verbindung bewirkt, wobei der Polymerdispersion ein Blockierer aus Epoxiden, Acrylaten oder Isocyanaten beigemischt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vorrichtung zur automatischen und kontinuierlichen chemischen Analyse von Inhaltsstoffen in Flüssigkeitsproben durch Zumischen bestimmter Reagenzien mit Hilfe einer in einem gemeinsamen Träger eingeformten Anordnung von Mikropumpen, Mischkammern, Kanälen, Reaktoren, deren Strukturierung durch eine oder mehrere Platten abgedeckt ist, und durch Auswertung der Reaktionsergebnisse mit Hilfe geeigneter Sensoren, sowie ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
Der Vorteil dieser Miniaturisierung besteht darin, dass die Menge der eingesetzten Reagenzien bedingt durch die Reduzierung 7 der Probenmenge stark verringert werden kann. Typische Flussmengen in der dieses mikrofluidischen Analysesystems liegen in der Größenordnung von 1 µl/min. Damit sind Anordnungen realisierbar, die sehr klein und kompakt aufgebaut sind, damit mobil bzw. in der Probe schwimmend installiert sind. Bedingt durch die Miniaturisierung und die damit verbundene Möglichkeit, eine Vielzahl von Mikropumpen, Mischkammern und Kanäle in einem gemeinsamen Träger anzuordnen, können die eigentlichen Sensoren in verschiedenen fluidischen Zuständen betrieben werden, z. B. die Eichung mit Referenzflüssigkeiten, Regenerierung der Sensoroberflächen mit speziellen Flüssigkeiten, Differenzmeßmethoden.
Mikrodosier- und Analysesysteme in Form vernetzter mikrofluidischer Strukturen sind bereits bekannt. Sie werden entsprechend der Dosier- oder Analyseaufgabe aus verschiedenen Funktionselementen wie Mikropumpen, Mischer, Ventile, Küvetten gebildet, die durch Kanäle verbunden sind.
Es sind Anordnungen bekannt, bei dem die Funktionselemente auf einem gemeinsamen Kanalkörper mit einer Abdeckung untergebracht sind. In der DE 195 11 198 A1 ist ein Kanalkörper in einem Siliziumwafer zusammen mit der Ansteuerelektronik realisiert. Die Funktionselemente werden dabei in einer Vielzahl von Schritten mit bekannten verfahren der Mikroelektronik, insbesondere mit Masken und Ätztechnik hergestellt.
In der DE-OS 196 48 695 A1 ist eine Vorrichtung vorgestellt worden, bei der Mikropumpen, Mischkammern, Kanäle, Reaktoren auf einem gemeinsamen Siliziumwafer durch anisotropes Ätzen eingebracht sind und deren Strukturierung mit einer Glasdeckschicht flüssigkeitsdicht durch anodisches Bonden abgedeckt ist. Als Pumpenantrieb wird ein aus einer Piezoscheibe und der Glasabdeckplatte gebildeter Bimorph verwendet. Die Pumpkammer ist rechteckig mit trapezförmigen Querschnitt. Unmittelbar vor und hinter der Pumpkammer befinden sich Kanäle mit jeweils einem unterschiedlichen, nichtlinearen und ungerichteten Strömungswiderstand. Durch Ansteuerung des Bimorphes mit Impulsen unterschiedlicher Flankensteilheit entsteht eine Pumpwirkung, die aus unterschiedlichen Zeitpunkten des Überganges von laminarer zur turbulenten Strömung in den Ein- und Auslaufkanälen entsteht. Mehrere dieser Pumpen für verschiedene Reagenzien wirken ausgangsseitig auf eine Mischkammer, in der die einzelnen Reagenzien verwirbelt und damit gemischt werden. Die Kanäle können hinsichtlich ihrer Länge so bemessen werden, dass bei kontinuierlichen Fluss bedingt durch die Fließgeschwindigkeit hinreichende Zeiten für die chemische Reaktion vorhanden sind und damit ein quasi kontinuierlich messendes Analysesystem entsteht. Für eine präzise Analyse ist es wichtig, die Mengen der zugesetzten Reagenzien genau zu kontrollieren. Dazu wird in der DE-OS 196 48 695 A1 der Fluss durch Messung des Druckunterschiedes am Ein- und Ausgang eines Messkanals gemessen.
Diese Anordnung hat den Nachteil, dass für die Anfertigung des Kanalkörpers relativ hohe Einmalkosten für die Lithografieprozesse entstehen und technologisch bedingt, teilweise Einschränkungen der Kanalführung entstehen. Für Verbindungskanäle ist wiederum eine zweite Verbindungsebene notwendig. Auf Grund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten des Siliziumwafers und der Glasdeckschicht sowie zur Sicherung der Stabilität der chemischen Reaktionen ist eine thermische Stabilisierung notwendig, die über einen niedrigen thermischen Widerstand auf das Fluid wirken sollte. Außerdem fehlen zweckmäßig ausgeführte Ventile, die es für bestimmte Analyseaufgaben ermöglichen, Fluidkanäle abzuschalten.
In der DE 196 48 695 wird die eine Anordnung für eine Mikropumpe in einem 100 Waferverbund durch Ansteuerung mit unterschiedlichen Impulsen dazu genutzt, um eine Pumpwirkung in beide Richtungen zu bewirken. In Verbindung mit geeigneten Regelsystemen kann damit der Fluss in einem Fluidkanal unterbrochen werden. Nachteilig ist jedoch, dass bedingt durch Regelabweichungen ein unvermeidlicher Restfluss auftritt, der z. B. ein Kalibrierungsvorgang verfälschen kann.
In der DE 195 07 638 A1 wird eine Anordnung beschrieben, in der eine zweite Ebene für Verbindungselemente vorgesehen ist und durch einen modulhaften Aufbau der Service erleichtert wird. Allerdings werden die Mikropumpen als externe Bauelemente aufgefasst, die über sogenannte Schnittstellenöffnungen mit dem eigentlichen Kanalkörper verbunden sind. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass nach dem Öffnen des Kanalsystems Luft eintreten kann und somit das System kollabiert. Das System muss mit entsprechenden Vorrichtungen neu geflutet werden.
Nachteilig bei den vorstehenden Lösungen ist aber auch, dass die Glasdeckschicht und der Siliziumwafer einen unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass bei thermischer Beanspruchung mechanische Spannungen auftreten, die aufgrund der Sprödigkeit des Glases bis zum Bruch der Glasdeckschicht führen können. Derartige nachteilige Spannungen entstehen durch Reaktionswärme der Reagenzien und durch Wärme der aufgesetzten elektronischen Bauelemente. Das Layout auf dem Träger aus Silizium ist technologiebedingt außerdem auf bestimmte Strukturen beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung für ein Analysesystem und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung anzugeben, das variable vernetzte fluidische Strukturen hoher Dichte mit verschiedenen Funktionselementen (Pumpen, Ventile, Reaktoren) enthält. Eine weitere Aufgabe besteht darin, dass der Anschluss und der Wechsel von externen Flüssigkeitsbehältern in einfacher Weise möglich ist, ohne dass dabei Luft in das System eindringen kann. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine wirksame Temperaturregelung zur Stabilisierung der chemischen Prozesse vorzunehmen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass variable Mikrostrukturen auf den Oberflächen einer als Kanalkörper dienenden Glaskeramikplatte durch mechanische Feinstbearbeitung eingeformt und durch elastische Metallplatten abgedeckt werden. Durch die Geometrie der Mikrostrukturen werden unterschiedliche Funktionselemente wie Mikropumpen, Ventile, Verbindungskanäle, Küvetten erzeugt, die optimal den gewünschten fluidischen Strömungsbedingungen angepasst werden. Durch den Verbund der Glaskeramikplatte mit den beiden Metallplatten werden zwei Verbindungsebenen für die Kanäle und damit die Möglichkeit der Realisierung komplizierter Netzwerke auf kleinsten Flächen geschaffen. Die erfindungsgemäßen Funktionselemente lasen sich sowohl planar als auch polar anordnen, wodurch sich eine weitere Erhöhung der Dichte von Funktionselementen ergibt. Der Systemaufbau wenig bruchempfindlich und besitzt eine klare Schnittstellenstruktur bezüglich der Einleitung und Ableitung von Flüssigkeiten, der Einleitung von mechanischer Energie zum Betätigen der Mikropumpen und Ventile, dem elektrischen Anschluss von Sensoren für die Systemüberwachung und Auswertung der Analyseergebnisse sowie der Zuführung von optischen Signalen.
Eine vorteilhafte Anordnung besteht darin, die Anschlüsse für die Zuführung des Fluides auf der einen, die elektrischen Anschlüsse für die Piezo-Bimorphsysteme und die Sensoren auf der anderen Seite vorzusehen.
Die Flüssigkeitsanschlüsse erfolgen durch speziell ausgeformte Flüssigkeitssteckverbinder, die ein blasen- und tropffreies Lösen und Verbinden der Zu- und Ableitungen ermöglichen. Zugleich wird der Eintritt von Luft sowie von kleinen Partikeln in das System verhindert.
Die zur Abdeckung der Glaskeramikplatte verwendeten dünne Metallplatten ermöglichen zugleich einen guten Wärmeübergang an die Umgebungsluft.
Zugleich entsteht durch den Verbund einer Keramikplatte mit Metallplatten ein robuster Systemaufbau, der die sensiblen Mikrostrukturen einschließt und schützt.
Insbesondere die aktiven Funktionselemente wie Mikropumpen und Ventile sind mit den drei Platten des Plattenverbundes in einem einfachen Aufbau zu realisieren.
Die vorgesehene neue Mikropumpe ist speziell für den Einsatz in Netzwerken geeignet. Sie besteht aus beidseitig auf der Keramikplatte aufgebrachten Strukturen, einem Verbindungskanal und den beiden elastischen Abdeckplatten, die vorzugsweise als dünne Metallplatten ausgeführt sind. Der Antrieb erfolgt über eine Piezoplatte, die zusammen mit einer der beiden Abdeckplatten ein Bimorph-System bildet, welches auf die eigentliche Pumpkammer wirkt. Die vor und hinter der Pumpkammer angeordneten Dämpfungskammern haben zusammen mit der elastischen Abdeckplatte die Funktion von Tiefpässen mit unterschiedlicher Eigenfrequenz. Dämpfungskammern und Pumpkammern sind durch Kanäle verbunden. Durch die sprunghafte Änderung des Querschnittes der Verbindungskanäle auf den Querschnitt der jeweiligen Kammer entstehen sogenannte Konfusoren bzw. Diffusoren, also gerichtete Strömungswiderstände. In Abhängigkeit von der Ansteuerfrequenz entsteht auf diese Weise eine gerichtete Strömung. Zu- und Abfluss der Pumpe liegen in unterschiedlichen Ebenen, was einer hohen Packungsdichte dieser Pumpen in der Glaskeramikplatte entgegenkommt.
Das erfindungsgemäße Ventil besteht ebenfalls aus einer beidseitig auf der Keramikplatte aufgebrachten Struktur, die durch die gleichen elastischen Abdeckplatten abgedeckt ist. Die beiden Kammern des Ventils sind durch einen Kanal miteinander verbunden. Durch Einleiten einer Kraft durch den sogenannten Ventilantrieb wird eine der beiden Abdeckplatten auf den Ventilsitz gedrückt und verschließt auf diese Weise den Zulauf des Fluids.
Für den Anschluss externer Flüssigkeitsreservoirs sind die Anordnung von Flüssigkeits-Steckverbindern vorgesehen. Diese Steckverbinder bestehen aus einem Fuß und einem Adapter, in denen jeweils ein als Kapillarfalle dienendes Filter, z. B. Glasfilter eingesetzt ist. Diese Filter verhindern beim Trennen externer Depots das Eindringen von Luft in das Kanalsystem. Behälter mit Analysechemikalien können gewechselt werden, ohne das der Fluidstrom abreißt und Luft eindringt Küvetten bestehen aus einer einseitig aufgebrachten Struktur, die wiederum durch die gemeinsame elastische Abdeckplatte abgedeckt wird. Die Struktur bildet einen u-förmig ausgebildeten Flüssigkeitskanal, in dem zwei Glasfasern zur Beleuchtung bzw. zur Messung der Lichtstärke eingelegt sind. Aus dem Abstand der Stirnflächen der Glasfasern ergibt sich eine Messstrecke für die Ermittlung der Extension.
Die unlösbare Befestigung der Abdeckplatten auf dem Glaskeramikkörper erfolgt durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, das zu einem die sichere Abdeckung der Kanalstrukturen gewährleistet, zum anderen vermeidet, dass Bindemittelreste in die Kanäle eindringen kann.
Das Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung besteht darin, dass mindestens eine Fläche der zu verbindenden Teile - Kanalkörper und Abdeckplatten - mit einer Polymerdispersion versehen wird und die Teile anschließend unter Druck- und Temperatureinwirkung dauerhaft zusammengefügt werden. Die Polymerdispersion enthält eine thermisch aktivierbare reaktive Gruppe einer oder mehrerer Typen Epoxide, Acrylate, Isocyanate.
Vorteilhaft darin enthalten ist ein Blockierer, welcher eine Reaktion bei Raumtemperatur verhindert. Beschichtete Teile sind nach dem Polymerauftrag und dem Abtrocknen nicht nur trocken handhabbar, sondern über einen längeren Zeitraum bis zum Heißverpressen lagerfähig. Zum Bruch führende thermische Spannungen treten zwischen dem Kanalkörper und den Abdeckplatten nicht auf.
Der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung näher dargestellt ist, erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung für den Gesamtaufbau der beispielhaften Analysevorrichtung
Fig. 1.1 Beispielhafte Anordnung eines Netzwerkes bestehend aus Flüssigkeitsreservoirs R1-R4, Flüssigkeitssteckverbinder S1-S4, Mikropumpen P1-P5 und Küvetten K1-K2
Fig. 2 einen Querschnitt der Analysevorrichtung gemäß Fig. 1
Fig. 3 einen Querschnitt der Mikropumpe
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Mikropumpe gemäß Fig. 3
Fig. 5 eine Unteransicht der Mikropumpe gemäß Fig. 3
Fig. 6 das elektrische Ersatzschaltbild der Mikropumpe gemäß Fig. 3
Fig. 7 eine Ausführungsform eines gerichteten fluidischen Widerstandes
Fig. 8 einen Querschnitt der Ventils im geöffneten Zustand
Fig. 9 einen Querschnitt des Ventlis gemäß Fig. 8 im geschlossenen Zustand
Fig. 10 eine Schnittdarstellung der Küvettenanordnung
Fig. 11 eine Schnittdarstellung der Anordnung zur Druckmessung
Fig. 12 einen Querschnitt der Anordnung gemäß Fig. 11
Fig. 13 einen Querschnitt zur Ankopplung der Flüssigkeitsreservoirs
Fig. 14 eine Prinzipdarstellung der Temperaturstabilisierung
In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung der Analysevorrichtung abgebildet. Der aus einer Glaskeramik hergestellte Kanalkörper 1 enthält auf den beiden Oberflächen 2, 3 eingearbeitete Mikrostrukturen 10 der Funktionselemente wie Mikropumpen, Ventile, Druckmesskammern, Küvetten und Verbindungskanäle. Der Kanalkörper 1 ist mit zwei elastischen Abdeckplatten 4 und 5 aus Edelstahl abgedeckt. Auf der F-Seite 3 befinden sich die Flüssigkeitssteckverbinder 40, auf der E-Seite 2 ist eine Leiterplatte 60 angeordnet, mit der die Aktuatoren und Sensoren des Analysesystems elektrisch verbunden sind, Verstärkerschaltkreise 61 trägt und die einen Elektronik-Steckverbinder 62 zu einen Auswertesystem enthält.
Die in dem Kanalkörper 1 eingeformten Mikrostrukturen 10 sind auf verschiedene Art und Weise z. B. mittels mechanischer Feinstbearbeitung realisiert. Die Abdeckplatten 4 und 5 sind mit dem Kanalkörper 1 spannungsfrei mit einem neuen Verfahren mittels Polymerdispersion 8 verklebt. Durch die beidseitige verbundene Mikrostruktur im Kanalköper 1 ist die Realisierung komplizierter Netzwerke auf kleiner Fläche möglich.
Die einzelnen Funktionselemente wie Mikropumpen, Ventile, Küvetten lassen sich je nach Analyseaufgabe zu Netzwerken kombinieren. Fig. 1.1 zeigt anhand eines Beispiels mit drei Flüssigkeitsreservoirs, 4 Mikropumpen und zwei Küvetten ein derartiges Netzwerk. Entsprechend der Analyseaufgabe werden zunächst 2 Fluide aus den Reservoirs R1 und R2 vorgemischt und anschließend dem Probe aus dem Reservoirs 3 zugesetzt. Der durch eine chemische Reaktion eintretende Farbumschlag wird in der Küvette K1 ausgewertet. Das Fluid aus dem Reservoirs R4 wird zu Referenzwecken direkt der Küvette K2 zugeführt.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt der Analysevorrichtung. Die Mikropumpe 11 bis 15 ist polar angeordnet, das heißt, der Mikropumpen-Zulauf 11 befindet sich zum Beispiel auf der E-Seite 2 und der Ablauf auf der F- Seite 3 des Kanalkörpers 1. F-Seite 3 und E-Seite 2 sind mit Durchführungen 6 verbindbar. Dadurch entsteht der Vorteil, dass beide Seiten 2 und 3 für die Ausführung des Netzwerkes genutzt werden können. Zweckmäßig ist die Anordnung des Flüssigkeitssteckverbinders 40 mit einem ebenfalls polaren Anschlusskanal 7. Dadurch kann der Zulauf direkt durch ein in gleicher Achse wirkendes Mikroventil 50 geschlossen werden. Durch Anordnung der Aktuatoren und Sensoren wie zum Beispiel die Piezoplatte 16 des Pumpenantriebes und die Drucksensoren 25 auf der E-Seite 2 des Kanalkörpers 1 werden auf einfache Art und Weise die elektrischen Verbindungen 63 und 64 zur Leiterplatte hergestellt.
Die erfindungsgemäße Mikropumpe Fig. 3 besteht aus drei Kammern 11, 12 und 14, die durch das Einlassventil 17 und das Auslassventil 13 miteinander verbunden sind. Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Mikropumpe von der E-Seite 2 des Kanalkörpers 1, wobei die Pumpkammer 12 verschiedene Geometrien haben kann Fig. 5 stellt eine Ansicht von der F- Seite 3 des Kanalkörpers 1 dar. Die Pumpkammer 12 hat im Ausführungsbeispiel eine nahezu quadratische Fläche mit abgerundeten Ecken, um optimale Strömungsverhältnisse zu gewährleisten. Die Pumpkammer 12 ist sehr flach gestaltet, um eine Selbstflutung der Pumpkammer 12 zu ermöglichen. Die Pumpkammer 12 ist abgedeckt mit der elastischen Abdeckplatte 4 zweckmäßigerweise aus Edelstahl, auf der die Piezoplatte 16 durch eine leitende Klebverbindung befestigt ist. Ein Pol der Piezoplatten 16 sämtlicher Pumpen der Analysevorrichtung sind durch die elektrisch leitende Abdeckplatte 4 leitend miteinander verbunden. Die Abdeckplatte 4 und die Piezoplatte 16 bilden zusammen einen Bimorph, d. h. bei Anlegen einer Spannung an die leitenden Pole der Piezoplatte 16 tritt eine Verwölbung des Bimorphes ein. Auf die Pumpkammer 12 wird auf diese Weise eine Volumenverdrängung des Fluids ausgeübt. Die Volumenverdrängung hängt von der an die Pole der Piezoplatte 16 angelegten Impulsform ab.
Die Einlasskammer 11 und die Auslasskammer 14 bilden einen mechanischen Tiefpass unterschiedlicher Eigenfrequenz. Die Eigenwerte des Tiefpasses werden im wesentlichen aus der Fläche der Kammer 11 oder 14, den elastischen Eigenschaften der Abdeckplatte 4 und der Masse des in der Kammer 11 oder 14 befindlichen Fluids bestimmt. Durch Veränderung der geometrischen Parameter der Kammern 11 oder 14~ lassen sich unterschiedliche Zeitkonstanten der Tiefpässe dimensionieren.
Die zwischen den Kammern 11, 12, und 14 befindlichen Einlass- bzw. Auslassventile 13 und 17 stellen gerichtete Strömungswiderstände dar. Die Richtwirkung dieser Ventile werden durch abrupte Änderungen des Querschnittes des Strömungskanals vom Einlassventil 17 in die Pumpkammer 12 hinein bzw. von der Pumpkammer 12 in den Kanal des Auslassventils 13 hinaus, erzeugt.
Derartig abrupte Änderungen des Querschnittes des Strömungskanals werden je nach Richtung als Konfusoren bzw. Diffusoren bezeichnet. Der Grad der Richtwirkung wird dabei neben geometrischen Parametern durch die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt, d. h. die gewünschte Richtwirkung des Ein- und Auslassventils 11, 13 wird nur bei impulsförmiger Anregung der Piezoplatte 16 z. B. durch Rechteckimpulse erreicht.
Die Wirkungsweise der Mikropumpe wird anhand eines stark vereinfachenden Ersatzschaltbildes mit Hilfe elektrischer Analogien nach Fig. 6 erläutert. Die Wirkung des Bimorphes, bestehend aus der Piezoplatte 16 und der elastischen Abdeckung 4 entspricht der Funktion einer Stromquelle S. Fluss wird also mit elektrischen Strom in Analogie gebracht. Der Flüssigkeitsdruck entspricht der elektrischen Spannung. Induktivität L wird mit Masse des Fluids in Analogie gebracht. Die Wirkung der elastischen Abdeckung entspricht der Wirkung einer Kapazität C. Übertragen auf das Ersatzschaltbild wird die Einlasskammer 11 mit ihrer elastischen Abdeckung der Kapazität C1 gleichgesetzt. Die Masse des Fluids in der Einlasskammer und im Zulaufsystem entspricht der Induktivität L1. Gleichartig entspricht die Auslasskammer 14 der Induktivität L2 bzw. die Masse des Fluids in der Auslasskammer 14 der Kapazität L2. Die gerichteten Strömungswiderstände des Einlassventils 17 bzw. des Auslassventils 13 entsprechen ihrer Funktion den elektrischen Dioden D1 bzw. D2. Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung; dass diese Dioden aus der Richtung der Stromquelle gleich gerichtet sind. Beide Dioden sind jeweils mit Widerständen R3 und R4 überbrückt, da mit alleiniger Hilfe von Querschnittsänderungen keine absolute Sperrwirkung im fluidischen System erreicht wird. Eine verbesserte Ausführung des Ein- und Auslaufventils, die bereits bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten eine relativ gute Sperrwirkung zeigt, ist in der Fig. 7 dargestellt. Die Form des Strömungskörpers 18 bewirkt, dass in der angezeigten Strömungsrichtung die Strömung weitgehend laminar, in der entgegengesetzten Richtung dagegen eine starke Verwirbelung der Strömung und damit eine starke Erhöhung des Strömungswiderstandes auftritt.
Das an die Mikropumpe angrenzende Kanalsystem wird in der Fig. 6 durch die Widerstände R1 und R2 simuliert. Werden durch die Stromquelle S impulsförmige Stromimpulse mit dem Mittelwert Null in das Netzwerk eingeleitet, entstehen durch die unterschiedlichen Eigenwerte des Zweiges L1, C1, R1 und des Zweiges L2, C2, R1 eine unterschiedliche Spannung über die Widerstände R1 und R2 bezogen auf ein Bezugspotential, die einen Stromfluss über die Widerstände R3 und R4 hervorrufen. Die Höhe und die Richtung dieses Stromflusses ist abhängig von den Eigenwerten des Netzwerkes, insbesondere von den dominanten Eigenfrequenzen der Schwingkreises L1/C1 und L2/C2. Bereits bei Vorhandensein nur eines Schwingkreises bei Vernachlässigung der übrigen frequenzabhängigen Eigenwerte kann eine Phasenumkehr des Ausgleichsstromes durch die Widerstände R3 und R4 bei einer bestimmten Ansteuerfrequenz erreicht werden, die der Eigenfrequenz des Schwingkreise entspricht. Die Mikropumpe der beschriebenen Bauart lässt sich somit in beide Richtungen betreiben, wobei die Richtungsumkehr durch Änderung der Ansteuerfrequenz der Stromquelle S erfolgt.
Vorteilhaft für die Realisierung einer hohen Packungsdichte ist, dass Pumpkammer 12 und Auslasskammer 14 übereinander im Kanalkörper 1 angeordnet werden. Dadurch entsteht der Vorteil höherer Packungsdichte von Mikropumpen und der Vorteil einer effektiven Anfertigung des Auslassventils durch Bohren z. B. mittels Laser. Für eine hohe Pumpleistung der Mikropumpe ist es nämlich wichtig, dass mindestens eine der beiden gerichteten Strömungswiderstände des Ein- bzw. Auslassventils 17, 13 einen relativ kleinen Querschnitt und eine kurze Länge besitzen muss.
Da die Mikropumpen der geschilderten Bauart in ihrer Förderleistung streuen bzw. die Förderleistung von einer Vielzahl von Parametern wie Viskosität des Fluids, Temperatur abhängt, ist es zweckmäßig, die Mikropumpe mit einer Flussmessvorrichtung zu kombinieren und auf diese Weise einen Regelkreis für die Einstellung des gewünschten Flusses vorzusehen.
Fig. 11 und Fig. 12 zeigt eine Anordnung für eine geeignete Flussmesseinrichtung auf der Grundlage des erfindungsgemäßen Verbundes eines Kanalkörpers 1 mit zwei elastischen Abdeckplatten 4 und 5. Zu diesem Zweck sind zwei Kammern 26 und 28 vorgesehen, die als Eingangsdruck-Messkammer 26 und als Ausgangsdruck-Messkammer 28 dienen. Zwischen den beiden Kammern 26 und 28 befindet sich ein Widerstandskanal 27, der bedingt durch seinen relativ geringen Querschnitt ein Druckgefälle annähernd proportional zur Strömungsgeschwindigkeit hervorruft. Eine laminare Strömung wird dabei vorausgesetzt. Die eigentliche Druckmessung erfolgt im Ausführungsbeispiel durch einen piezoresistiven Drucksensor 25, der ein Signal annähernd proportional der Verformung seiner aus Silizium bestehenden Membran liefert. Zu diesem Zweck wird die Abdeckplatte 4 oder 5 durchbrochen und auf diese Weise ein Druckausgleichskanal 29 zur Ankopplung des Druckes an den Sensor 25 geschaffen. Die Differenz der Signale der Drucksensoren 25 über den Kammern 26 und 28 ist ein Maß der Strömungsgeschwindigkeit, dass zur Regelung der Mikropumpe verwendet wird.
Die Strukturen 52 bis 55 für die Sperrventile sind in gleicher Weise wie die Mikropumpestrukturen 11 bis 14 in den Kanalkörper 1 auf der E-Seite 2 oder F-Seite 3 eingeformt und ebenso durch die elastischen Abdeckplatten 4 und 5 abgedeckt. Fig. 8 zeigt den Querschnitt des geöffneten Sperrventils. Die Flüssigkeit strömt durch den Ventileinlass 54 und die Verschlussöffnung 52 in die Ventilkammer 53 und von dort aus durch den Ventilauslass 55 in das weitere Kanalsystem. Wenn der Ventilstößel 51 durch ein geeignetes Antriebssystem z. B. einem Piezostapel mit entsprechenden Übersetzungsgetriebe bewegt wird, verschließt die elastische Abdeckplatte 4 die Verschlussöffnung 52. Der Strömung des Fluids vom Ventileinlass 54 zum Ventilauslass wird dadurch unterbunden. Zweckmäßig ist es, den Ventilantrieb so zu gestalten, dass der Ventilstößel 51 im stromlosen Zustand des Analysesystems auf die Verschlussöffnung 52 gedrückt wird und erst bei Anlegen eines elektrischen Signals das Ventil geöffnet wird. Damit wird sichergestellt, dass im Ruhezustand des Analysesystems keine Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsreservoirs in das Analysesystem strömen kann. Es ist weiterhin zweckmäßig, dass Sperrventil 50 direkt gegenüber dem Flüssigkeitssteckverbinder 40 anzuordnen.
In Fig. 13 ist ein Querschnitt des Flüssigkeitssteckverbinders dargestellt. Das Lösungsprinzip besteht darin, das sowohl das Kanalsystem im Kanalkörper als auch die Verbindung zum Flüssigkeitsreservoir durch Kapillarfallen abgeschlossen werden. Das Eindringen von Luft ist dadurch unmöglich. Als Kapillarfallen werden in der beispielhaft ausgeführten Erfindung Glasfilter sowohl als Eingangsfilter 42 als auch als Reservoirfilter 46 verwendet. Die Porosität der Filter 42 und 46 ist so dimensioniert, dass erst bei einem beträchtlichen Unterdruck im Kanalsystem z. B. entsprechend im Wassersäule die Menisken im Glasfilter abreißen und damit Luft eindringen kann. Das Einlassfilter 42 ist im Anschlussfuß 41 eingeklebt. Das Reservoirfilter 46 ist auf gleiche Weise im Flüssigkeitssteckverbinder 40 befestigt. Auf dem Flüssigkeitssteckverbinder 40 befindet sich ein O-Ring 45, der beim Stecken des Flüssigkeitssteckverbinder 40 in den Anschlussfuß 41 in der Ausgleichsnut 44 abrollt und einen luftdichten Verschluss gewährleistet. Am Flüssigkeitssteckverbinder 40 ist noch ein Verbindungsschlauch 47 zum eigentlichen Flüssigkeitsreservoir befestigt. Vor dem eigentlichen Steckvorgang ist der Anschlussfuß mit Flüssigkeit zu Füllen. Damit wird verhindert, dass eine Luftblase zwischen den Einlassfilter 42 und dem Reservoirfilter 46 den Flüssigkeitspfad unterbricht bzw. Luft durch die Filter 42 oder 46 in das Kanalsystem gedrückt wird.
Eine einfache Möglichkeit unter Nutzung des erfindungsgemäßen Gedankens des Aufbaus eines Analysevorrichtung aus Kanalkörper 1 und elastischen Abdeckplatten 3 un 4 für die Ausführung einer Küvette zeigt Fig. 10. Diese Küvette wird dazu benutzt, um Verfärbungen des Analysegutes nach Einleitung von Analysechemikalien festzustellen. Dazu wird in einen Abschnitt des Küvettenkanals 34 Licht eingeleitet und die Extension des Lichtes über die Küvettenlänge I_k gemessen. Zweckmäßig erfolgt die Ein- und Ableitung des Lichtes über Glasfasern 36, die in einen eigens für diesen Zweck ausgeformten Kanal auf der Oberfläche 2 oder 3 des Kanalkörpers 1 eingelegt und flüssigkeitsdicht vergossen werden. Die Messung der Extension erfolgt je nach dem zu analysierenden Stoff bei verschiedenen Wellenlängen. In Kombination einer LED 31 mit einem Polarisationsfilter 33 wird der gewünschte Wellenlängenbereich ausgewählt. Die eigentliche Messung der Extension erfolgt über einer Fototransistor 35.
Für die Ausführung der Analysevorrichtung, das auf der Nutzung von chemischen Reaktionen beruht, ist eine Temperaturstabilisierung notwendig. Die erfindungsgemäße Ausführung der Analysevorrichtung aus einen Kanalkörper 1 mit elastischen Abdeckplatten 4 und 5, die vorteilhaft aus Edelstahl bestehen, ermöglicht eine gute Wärmeverteilung über den gesamten Kanalkörper 1 und damit auf die Bereiche, wo eine definierte Temperatur t_s erforderlich ist. In Fig. 14 wird eine Anordnung zur Temperaturstabilisierung gezeigt, bei der ein Temperatursensor 68 vorgesehen ist, der über eine Regelung 65 auf ein Peltierelement 66 einwirkt, das wiederum in thermischen Kontakt mit der Abdeckplatte 4 oder 5 steht. Je nach Polarität wirkt das Peltierelement 66 als Kühlung oder als Heizung. Die gesamte Analysevorrichtung befindet sich in einer Kapsel 69 und ist wärmeisoliert durch eine Isolation 67. Der andere Pol des Peltierlementes besitzt zweckmäßig eine geringe thermische Leitfähigkeit zu den Abdeckplatten 4 und 5. Die sinngemäß gleiche Anordnung kann auch für die Temperaturstabilisierung beider Abdeckplatten dupliziert werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind variable vernetzte Strukturen hoher Dichte mit verschiedenen Funktionselementen, wie Pumpen, Ventile, Reaktoren, Küvetten, möglich. Die Einmalkosten bei der Fertigung der Kanalkörper 1 sind im Vergleich zu einem strukturierten Siliziumwafer gering. Der Anschluss und der Wechsel von externen Flüssigkeitsreservoirs ist über Flüssigkeitssteckverbinder mit Kapillarfallen in einfacher Weise möglich, ohne dass dabei Luft in die Vorrichtung eindringen kann. Über eine Temperaturstabilisierung wird eine exakte Auswertung der chemischen Prozesse erreicht.
Mit dem Verfahren zur Herstellung des Plattenverbundes wird mittels einer Polymerdispersion eine unlösbare Befestigung der Metallplatten 4 und 5 auf den Kanalkörper 1 erreicht. Die Verbundschicht enthält einen Blockierer, welcher eine Reaktion beschichteter Teile bei Raumtemperatur verhindert. Beim Heißverpressen übt die Polymerdispersion keinen nachteiligen Einfluss an den Strukturkanten der Einformungen des Kanalkörpers 1 aus.
Das Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung besteht darin, dass mindestens eine Fläche der zu verbindenden Teile - der Kanalkörper oder die Abdeckplatte 4, 5 - mit einer Polymerdispersion versehen wird und die Teile anschließend unter Druck- und Temperatureinwirkung dauerhaft zusammengefügt werden. Die Polymerdispersion enthält eine thermisch reaktivierbare reaktive Gruppe einer oder mehrerer der Typen: Epoxide, Acrylate, Isocyanate.
Der in der Verbindungsschicht 8 enthaltene Blockierer verhindert eine Reaktion bei Raumtemperatur. Beschichte Teile sind nach dem Auftrag der Polymerdispersion nicht nur trocken handhabbar sondern einen längeren Zeitraum bis zum Heißverpressen lagerfähig. Thermische Spannungen, die zum Bruch führen können, treten zwischen dem Kanalkörper 1 und den Abdeckplatten 4, 5 nicht auf. 1 Kanalkörper
2 E-Seite des Kanalkörpers
3 F-Seite des Kanalkörpers
4 elastische Abdeckplatte E
5 elastische Abdeckplatte F
6 Durchführung
7 Anschlusskanal
8 Polymerdispersion
10 Mikrostrukturen
11 Einlasskammer
12 Pumpkammer
13 Auslassventil
14 Auslasskammer
15 Verbindungskanal
16 Piezoplatte
17 Einlassventil
18 Strömungskörper
25 Drucksensoren
26 Eingangs-Druckmesskammer
27 Widerstandskanal
28 Ausgangs-Druckmesskammer
29 Druckausgleichskanal
30 Küvette
31 LED
32 Linse
33 Farbfilter
34 Küvettenkanal
35 Fototransistor
36 Glasfaser
I_k Küvettenlänge
40 Flüssigkeitssteckverbinder
41 Anschlussfuß
42 Einlassfilter
43 Einlasskanal
44 Ausgleichsnut
45 O-Ring
46 Reservoirfilter
47 Anschlussschlauch
50 Einlaßventil
51 Ventilstößel
52 Verschlussöffnung
53 Ventilkammer
54 Ventileinlass
55 Ventilauslass
60 Leiterplatte
61 Verstärker-Schaltkreise
62 Elektroniksteckverbinder
63 Anschluss Piezoplatte
64 Anschluss Drucksensor
65 Regelverstärker
66 Peltierelement
67 Isolation
68 Temperatursensor
69 Messkapsel
t_s Solltemperatur

Claims

1. Vorrichtung zur automatischen und kontinuierlichen Analyse von Flüssigkeitsproben mit wenigstens einer Mikropumpe, ein oder mehreren Mikroventilen und/oder einem Durchflussmesser, einem oder mehreren Fluidanschlüssen sowie einer Struktur von Verbindungskanälen in einem Kanalkörper, dessen Strukturierung abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikrostrukturen von Pumpen (12; 16), Ventilen (13; 17; 53), Fluidkanälen (10; 34) beidseitig der Oberfläche des Kanalkörpers (1) aus einer Glaskeramik durch mechanische Feinstbearbeitung eingeformt sind und
dass der Kanalkörper (1) beidseitig mit je einer elastischen Metallplatte (4; 5) abgedeckt ist und die mittels Polymerdispersion (8) miteinander verbunden sind,
dass beidseitig Anschlüsse (63; 64) für externe Funktionselemente (16; 25; 35) und Flüssigkeitsreservoirs (40) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse für die externen Flüssigkeitsreservoirs auf der einen Seite des Kanalkörpers (1) und Aktuatoren (16) und Sensoren (25; 68) mit ihren elektrischen Anschlüssen (63; 64) auf der anderen Seite des Kanalkörpers (1) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die Mikropumpe (12; 16) jeweils aus einer Anordnung von drei Kammern im Kanalkörper (1), einer Einlass- (11), einer Pump- (12) und einer Auslasskammer (14) mit einer elastischen Abdeckung (4) bestehen, von denen die mittlere Kammer die Pumpkammer (12) ist und
dass die elastische Abdeckung (4) der Pumpkammer (12) mit einer Piezoplatte (16) durch Klebeverbindung beaufschlagt ist, die zusammen einen Bimorph-Antrieb bilden und
dass sich zwischen den Kammern (11; 12; 14) Verbindungskanäle (13; 17) angeordnet sind, wobei der Querschnitt der in die Pumpkammer (12) einmündenden Verbindungskanäle (13; 17) kleiner ist als der Querschnitt der Pumpkammer (12).
dass die Abmessungen der Einlasskammer (11) und die Abmessungen der Auslasskammer (14) zur Erreichung unterschiedlicher hoher Eigenfrequenzen verschieden sind.

4. Mikropumpe nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich Pumpkammer (12) und Auslasskammer (14) im Kanalkörper (1) übereinander befinden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitssteckverbinder (40) für den Anschluss externer Flüssigkeitsreservoirs sowie der Anschlussfuß (41) auf dem Kanalträger an ihren Verbindeflächen Glasfilter (42; 46) aufweisen, die bei einer Verbindung nahe beieinander liegen und bei einer Trennung voneinander flüssigkeitshemmend für einen Durchfluss sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitssteckverbinder (40) auf ihrer äußeren Zylinderfläche eine Ausgleichsnut (44) mit einem Dichtungsring (45) aufweisen.

7. Mikroanalysesystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrventile (50) für die Zu- und Abläufe der Flüssigkeiten aus den Strukturen Ventilkammer (53), Ventileinlass (54) und Verschlussöffnung (52), Ventilauslass (55) sowie der elastischen Abdeckplatte (4; 5) beiderseits des Kanalkörpers (1) bestehen, wobei der senkrecht in die Ventilkammer (53) mündende Ventileinlass (54) einem auf die Metallplatte (4) wirkenden Ventilstößel (51) gegenüber steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilstößel (51) mit einer Piezo-Antriebsvorrichtung in Verbindung steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kanalkörper (1) Strukturen für eine Flussmesseinrichtung eingeformt sind, die aus einer Eingangsdruckmesskammer (26) und einer Ausgangsdruckmesskammer (28) besteht, die mit einem Widerstandskanal (27) mit kleinem Querschnitt miteinander verbunden sind, wobei in die abdeckende elastische Metallplatte (4) im Bereich beider Druckmesskammern (26; 28) Durchgangslöcher als Druckausgleichskanäle (29) eingeformt sind, die von fest angeordneten Drucksensoren (25) abgedeckt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kanalkörper (1) Strukturen für ein oder mehrere Küvetten (30) eingeformt sind, die eine Messstrecke I_k (34) aufweisen, an deren Kanalanfang definiert Licht eingeleitet und an deren Ende das Licht it einem Fototransistor (35) empfangen wird, wobei die Extension des Lichtes über die Messstrecke I_k ein Maß für die Stoffzusammensetzung ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenverbund (1 bis 5) eine Temperaturstabilisierung bestehend aus der Verbindung eines Temperatursensors (68), einem Regelverstärker (65) und einem auf dem Plattenverbund (1 bis 5) befestigten Peltierelement (66) besteht.

12. Verfahren zur Herstellung mikrofluidischer Strukturen, insbesondere für Analysevorrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fläche des Kanalkörpers aus Glaskeramik oder der zu verbindenden elastischen Abdeckplatte (4; 5) mit einer Polymerdispersion (8) mit einer thermisch aktivierbaren reaktiven Gruppe versehen wird, die anschließend unter Druck- und Wärmeeinwirkung dauerhaft zusammengefügt werden, wobei der Polymerdispersion ein Blockierer beigemischt ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Blockierer eine thermisch aktivierbaren reaktiven Gruppe aus Epoxiden, Acrylaten oder Isocyanaten enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbringung der Polymerdispersion durch Siebdrucken, Rollen, Streichen, Tauchen oder Spritzen erfolgt