DE60000109T2

DE60000109T2 - Elastomerische mikropumpen- und mikroventilsysteme

Info

Publication number: DE60000109T2
Application number: DE60000109T
Authority: DE
Inventors: Hou-Pu Chou; Stephen R. Quake; Axel Scherer; Todd A. Thorsen; Marc A. Unger
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: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2020-06-28
Also published as: IL147302A0; EP1065378A3; GB2352283A; JP2006315174A; US20010029983A1; US20010054778A1; WO2001001025A2; US8695640B2; US7601270B1; NO20016268D0; JP2006247830A; US7040338B2; KR20020036964A; CA2721172A1; US7494555B2; EP1065378A2; EP1194693A2; NO20016268L; ATE343724T1; JP2005096072A

Description

ERKLÄRUNG ZU RECHTEN AUF ERFINDUNGEN ALS ERGEBNIS VON FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG MIT UNTERSTÜTZUNG DER US-REGIERUNG

Die US-Regierung ist Inhaber einer bezahlten Lizenz an der Erfindung und ist unter begrenzten Umständen berechtigt, vom Patentinhaber die Lizensierung an andere zu angemessenen Bedingungen nach den Bestimmungen der vom Nationalen Gesundheitsamt vergebenen Beihilfe Nr. HG-01642-02 zu verlangen.

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft mikrostrukturierte Strukturen und Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter Strukturen sowie mikrostrukturierte Systeme zur Fluidströmungsregulierung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Verschiedene Herangehensweisen an die Gestaltung von Mikrofluidpumpen und -ventilen wurden versucht. Leider leidet jeder dieser Wege unter eigenen Beschränkungen.
Die beiden am weitesten verbreiteten Verfahren zur Herstellung mikro-elektromechanischer Strukturen (MEMS), z. B. Pumpen und Ventile, sind Volumenmikrobearbeitung auf Siliciumbasis (die ein subtraktives Fertigungsverfahren ist, durch das Einkristallsilicium lithographisch gemustert und dann geätzt wird, um dreidimensionale Strukturen zu bilden) und Oberflächenmikrobearbeitung (die ein additives Verfahren ist, bei dem Schichten aus halbleiterartigen Materialien, z. B. Polysilicium, Siliciumnitrid, Siliciumdioxid und verschiedenen Metallen, nacheinander zugegeben und gemustert werden, um dreidimensionale Strukturen zu erzeugen).
Eine Einschränkung des ersten Wegs der siliciumbasierten Mikrobearbeitung besteht darin, daß die Steifigkeit der verwendeten Halbleitermaterialien hohe Betätigungskräfte erfordert, die ihrerseits zu großen und komplexen Gestaltungen führen. Tatsächlich sind Verfahren sowohl zur Volumen- als auch zur Oberflächenmikrobearbeitung durch die Steifigkeit der verwendeten Materialien eingeschränkt. Zudem ist auch die Haftung zwischen verschiedenen Schichten der gefertigten Vorrichtung ein Problem. Beispielsweise müssen bei der Volumenmikrobearbeitung Waferbondtechniken genutzt werden, um Mehrschichtstrukturen zu bilden. Bei der Oberflächenmikrobearbeitung begrenzen andererseits Wärmespannungen zwischen den verschiedenen Schichten der Vorrichtung die Gesamtdicke der Vorrichtung, oft auf etwa 20 Mikrometer. Bei jedem der o. g. Verfahren sind Reinraumfertigung und sorgfältige Qualitätskontrolle nötig.
Duffy et al. beschreiben in Anal. Chem. 1988, 70, 4974- 4984 die Herstellung von Mikrofluidstrukturen in Poly(dimethylsiloxan) (PDMS). Grundsätzlich wird ein Netz aus Kanälen durch eine fotolithographische Technik in einer Struktur erzeugt, die die Form eines Positivreliefs aus Fotoresist annimmt. Danach wird PDMS auf das Fotoresist gegossen, um eine Polymerkopie zu ergeben, die das Netz aus Kanälen enthält. Die Oberfläche dieser Kopie wird dann an einer flachen Platte aus dem Elastomermaterial abgedichtet, um eine der Wände der Kanäle zu bilden. Eigentlich beschreiben Duffy et al. nur Kapillarelektrophoresesysteme. Diese Systeme beinhalten weder ablenkbare oder betätigungsfähige Membranen noch den Einsatz verbundener Elastomerschichten, um Vorrichtungen mit mikrostrukturierten ablenkbaren Abschnitten herzustellen. Auch beschreiben Duffy et al. nicht, wie man mikrostrukturierte Fluidventile erreicht, die im wesentlichen kein Totvolumen haben, noch wie mikrostrukturierte peristaltische Pumpen herzustellen sind. Allgemein planen Duffy et al. keine Herstellung von Elastomerstrukturen aus einer Anzahl von Elastomermaterialschichten, bei denen jede Schicht selbst mikrostrukturiert ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Aspekt der Erfindung ist eine Elastomerstruktur mit einem Elastomerblock, der mit mindestens einer ersten und einer zweiten mikrostrukturierten Aussparung darin ausgebildet ist, wobei die erste und zweite mikrostrukturierte Aussparung durch einen Membranabschnitt des Elastomerblocks getrennt sind, der in die erste oder zweite mikrostrukturierte Aussparung ablenkbar ist, wenn die Membran betätigt wird.
Außerdem weist die Erfindung ein Verfahren zum Betätigen einer Elastomerstruktur mit den folgenden Schritten auf: Bereitstellen eines Elastomerblocks, der mit einer ersten und einer zweiten mikrostrukturierten Aussparung darin ausgebildet ist, wobei die erste und zweite mikrostrukturierte Aussparung durch einen Membranabschnitt des Elastomerblocks getrennt sind, der in die erste oder zweite Aussparung als Reaktion auf eine Betätigungskraft ablenkbar ist; und Ausüben einer Betätigungskraft auf den Membranabschnitt, so daß der Membranabschnitt in die erste oder zweite Aussparung abgelenkt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern einer Fluid- oder Gasströmung durch eine Elastomerstruktur mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Elastomerblocks, wobei der Elastomerblock eine erste, zweite und dritte mikrostrukturierte Aussparung hat und der Elastomerblock einen ersten mikrostrukturierten Kanal hat, der ihn durchläuft, wobei die erste, zweite und dritte mikrostrukturierte Aussparung vom ersten Kanal durch eine erste, zweite bzw. dritte Membran getrennt sind, die in den ersten Kanal ablenkbar sind; und Ablenken der ersten, zweiten und dritten Membran in den ersten Kanal in einer sich wiederholenden Folge, um eine Fluidströmung durch den ersten Kanal peristaltisch zu pumpen.
Ferner weist die Erfindung ein Verfahren zum Mikrostrukturieren einer Elastomerstruktur mit den folgenden Schritten auf: Bereitstellen einer ersten mikrostrukturierten Elastomerstruktur mit mindestens einer ersten Aussparung darin; Bereitstellen einer zweiten mikrostrukturierten Elastomerstruktur mit mindestens einer zweiten Aussparung darin; und Verbinden einer Oberfläche der ersten Elastomerstruktur mit einer Oberfläche der zweiten Elastomerstruktur.
Im o. g. Verfahren wird die zweite Elastomerstruktur vorzugsweise auf der Oberseite der ersten Elastomerstruktur so positioniert, daß die erste Aussparung und zweite Aussparung durch einen Membranabschnitt der Elastomerstruktur getrennt sind und der Membranabschnitt in die erste Aussparung oder die zweite Aussparung ablenkbar ist, wobei eine Unterseite der zweiten Elastomerstruktur mit einer Oberseite der ersten Elastomerstruktur verbunden wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verwendung einer ablenkbaren Membran, um Fluidströmung in einem mikrostrukturierten Kanal einer Elastomerstruktur zu steuern.
Ferner sieht die Erfindung vor: die Verwendung verbundener Elastomerschichten, um eine Elastomervorrichtung herzustellen, die einen mikrostrukturierten ablenkbaren Abschnitt enthält; sowie die Verwendung eines Elastomermaterials, um ein mikrostrukturiertes Fluidventil, das im wesentlichen kein Totvolumen hat, oder eine mikrostrukturierte peristaltische Pumpe herzustellen.
Die Erfindung stellt Systeme zum Fertigen und Betreiben mikrostrukturierter Strukturen bereit, z. B. Ein/Aus-Ventile, Schaltventile und Pumpen, die z. B. aus verschiedenen miteinander verbundenen Elastomerschichten hergestellt sind. Diese Strukturen und Verfahren sind zum Steuern und Kanalisieren von Fluidbewegung ideal geeignet, aber nicht darauf beschränkt.
In einem bevorzugten Aspekt verwendet die Erfindung ein Mehrschicht-Weichlithographieverfahren, um integrierte (d. h. monolithische) mikrostrukturierte Elastomerstrukturen aufzubauen.
Zu Vorteilen einer Fertigung dieser Strukturen, indem Schichten aus Weichelastomermaterialien miteinander verbunden werden, gehört, daß die resultierenden Vorrichtung in ihrer Größe um mehr als zwei Größenordnungen verglichen mit Vorrichtungen auf Siliciumbasis verkleinert sind. Weitere Vorteile einer schnellen Prototypherstellung, leichten Fertigung und Biokompatibilität werden ebenfalls erreicht.
In bevorzugten Aspekten der Erfindung werden getrennte Elastomerschichten auf der Oberseite mikrobearbeiteter Formen so hergestellt, daß Aussparungen in jeder der verschiedenen Elastomerschichten gebildet werden. Durch gegenseitiges Verbinden dieser verschiedenen Elastomerschichten bilden die sich entlang der verschiedenen Elastomerschichten erstreckenden Aussparungen Strömungskanäle und Steuerleitungen durch die resultierende monolithische, einteilige Elastomerstruktur. In verschiedenen Aspekten der Erfindung können diese in der Elastomerstruktur gebildeten Strömungskanäle und Steuerleitungen so betätigt werden, daß sie als Mikropumpen und Mikroventile funktionieren, was später erläutert wird.
In weiteren optionalen Aspekten der Erfindung ist die monolithische Elastomerstruktur auf der Oberseite eines ebenen Substrats abgedichtet, wobei Strömungskanäle zwischen der Oberfläche des ebenen Substrats und den Aussparungen gebildet sind, die sich entlang der Unterseite der Elastomerstruktur erstrecken.
In einem bevorzugten Aspekt werden die monolithischen Elastomerstrukturen aufgebaut, indem zwei getrennte Elastomerschichten miteinander verbunden werden, wobei jede Schicht zunächst auf einer mikrobearbeiteten Form getrennt gegossen wird. Vorzugsweise ist das verwendete Elastomer ein additionshärtendes Zweikomponentenmaterial, wobei die untere Elastomerschicht einen Überschuß einer Komponente hat, während die obere Elastomerschicht einen Überschuß einer weiteren Komponente hat. In einer exemplarischen Ausführungsform ist das verwendete Elastomer Silikonkautschuk. Zwei Elastomerschichten werden getrennt gehärtet. Jede Schicht wird getrennt gehärtet, bevor die obere Schicht auf der unteren Schicht positioniert wird. Danach werden die beiden Schichten miteinander verbunden. Vorzugsweise hat jede Schicht einen Überschuß einer der beiden Komponenten, so daß reaktionsfähige Moleküle an der Grenzfläche zwischen den Schichten verbleiben. Die obere Schicht wird auf der Oberseite der unteren Schicht angeordnet und erwärmt. Die beiden Schichten verbinden sich so irreversibel, daß die Festigkeit der Grenzfläche der Festigkeit des Volumenelastomers nahe- oder gleichkommt. Dies erzeugt eine monolithische dreidimensionale gemusterte Struktur, die sich vollständig aus zwei miteinander verbundenen Elastomerschichten zusammensetzt. Zusätzliche Schichten lassen sich zufügen, indem das Verfahren einfach wiederholt wird, wobei neue Schichten mit jeweils einer Schicht entgegengesetzter "Polarität" gehärtet und dadurch miteinander verbunden werden.
In einem zweiten bevorzugten Aspekt wird eine erste Fotoresistschicht oben auf eine erste Elastomerschicht abgeschieden. Danach wird die erste Fotoresistschicht so gemustert, daß eine Linie oder ein Linienmuster aus Fotoresist auf der Oberseite der ersten Elastomerschicht verbleibt. Anschließend wird eine weitere Elastomerschicht zugegeben und gehärtet, wodurch die Linie oder das Linienmuster aus Fotoresist verkapselt wird. Eine zweite Fotoresistschicht wird zugefügt und gemustert, und eine weitere Elastomerschicht wird zugefügt und gehärtet, wodurch die Linien und die Linienmuster aus Fotoresist in einer monolithischen Elastomerstruktur verkapselt sind. Dieses Verfahren läßt sich wiederholen, um mehr verkapselte Muster und Elastomerschichten zuzufügen. Danach wird das Fotoresist entfernt, was einen oder mehrere Strömungskanäle und eine oder mehrere Steuerleitungen in den Räumen zurückläßt, die vom Fotoresist belegt waren. Dieses Verfahren kann wiederholt werden, um Elastomerstrukturen mit zahlreichen Schichten zu erzeugen.
Ein Vorteil der Musterung mäßig großer Merkmale (10 Mikrometer) unter Verwendung eines Fotoresistverfahrens ist, daß ein hochauflösender Transparentfilm als Kontaktmaske verwendet werden kann. Damit kann ein Einzelner das Gestalten, Drucken, Mustern der Form und Erzeugen eines neuen Satzes gegossener Elastomervorrichtungen insgesamt normalerweise innerhalb von 24 Stunden erledigen.
Ein weiterer Vorteil jeder o. g. Ausführungsform der Erfindung ist, daß infolge ihrer monolithischen oder einteiligen Beschaffenheit (d. h. alle Schichten bestehen aus dem gleichen Material) Zwischenschichthaftungsausfälle und Wärmespannungsprobleme vollständig vermieden sind.
Weitere Vorteile der bevorzugten Verwendung eines Silikonkautschuks oder Elastomers, z. B. RTV 615, hergestellt von General Electric, in der Erfindung sind, daß es für sichtbares Licht durchlässig ist, was mehrschichtige optische Systeme ermöglicht, wodurch eine optische Untersuchung verschiedener Kanäle oder Kammern in der Mikrofluidvorrichtung erfolgen kann. Da geeignet geformte Elastomerschichten als Linsen und optische Elemente dienen können, ermöglicht das Verbinden von Schichten die Erzeugung optischer Mehrschichtsysteme. Außerdem ist Elastomer GE RTV 615 biokompatibel. Da es weich ist, bilden geschlossene Ventile eine gute Abdichtung, auch wenn sich kleine Teilchen im Strömungskanal befinden. Silikonkautschuk ist ebenfalls biologisch verträglich und billig, insbesondere im Vergleich zu Einkristallsilicium.
Zudem vermeiden monolithische Elastomerpumpen und -ventile viele der praktischen Probleme, die Strömungssysteme auf elektroosmotischer Strömungsgrundlage beeinträchtigen. Normalerweise leiden elektroosmotische Strömungssysteme unter Blasenbildung um die Elektroden, und die Strömung hängt stark von der Zusammensetzung des Strömungsmediums ab. Blasenbildung schränkt den Einsatz elektroosmotischer Strömung in Mikrofluidvorrichtungen stark ein, was es erschwert, funktionierende integrierte Vorrichtung zu bauen. Normalerweise ist die Größe der Strömung und sogar ihre Richtung auf komplexe Weise von Ionenstärke und -art, dem Vorhandensein grenzflächenaktiver Stoffe und der Ladung an den Wänden des Strömungskanals abhängig. Da es zudem kontinuierlich zu Elektrolyse kommt, kann auch die Endpufferkapazität, um pH-Änderungen zu widerstehen, erreicht werden. Weiterhin tritt elektroosmotische Strömung stets in Konkurrenz zu Elektrophorese auf. Da unterschiedliche Moleküle ungleiche elektrophoretische Mobilitäten haben können, kommt es möglicherweise zu unerwünschter elektrophoretischer Trennung in der elektroosmotischen Strömung. Schließlich läßt sich elektroosmotische Strömung nicht ohne weiteres verwenden, Strömung zu stoppen, Diffusion anzuhalten oder Druckdifferenzen auszugleichen.
Ein weiterer Vorteil der monolithischen elastomeren Ventil- und Pumpenstrukturen ist, daß sie mit sehr hohen Geschwindigkeiten betätigt werden können. Beispielsweise wurde im Rahmen der Erfindung eine Reaktionszeit für ein Ventil mit wäßriger Lösung darin in der Größenordnung von einer Millisekunde erreicht, so daß das Ventil mit Geschwindigkeiten öffnet und schließt, die 100 Hz nahekommen oder übersteigen. Insbesondere gehören zu einer nicht ausschließenden Aufstellung von Zyklusgeschwindigkeitsbereichen 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. Die Zyklusgeschwindigkeiten hängen von der Zusammensetzung und Struktur eines für eine spezielle Anwendung eingesetzten Ventils und dem Betätigungsverfahren ab, weshalb Zyklusgeschwindigkeiten außerhalb der aufgeführten Bereiche in den Schutzumfang der Erfindung fallen würden.
Weitere Merkmale der Pumpen und Ventile sind, daß ihre kleine Größe sie schnell macht und ihre Weichheit dazu beiträgt, sie haltbar zu machen. Da sie ferner mit einem ausgeübten Differenzdruck linear schließen, ermöglicht diese lineare Beziehung das Fluiddosieren und Ventilschließen trotz hoher Gegendrücke.
In verschiedenen Aspekten der Erfindung durchlaufen mehrere Strömungskanäle die Elastomerstruktur, wobei sich ein zweiter Strömungskanal quer zum ersten Strömungskanal und darüber erstreckt. In diesem Aspekt der Erfindung trennt eine dünne Elastomermembran den ersten und zweiten Strömungskanal. Wie später erläutert wird, sperrt eine Abwärtsbewegung dieser Membran (weil der zweite Strömungskanal unter Druck gesetzt oder die Membran anderweitig betätigt wird) die den unteren Strömungskanal durchlaufende Strömung ab.
In optionalen bevorzugten Aspekten der Systeme sind mehrere einzeln adressierbare Ventile so gebildet, daß sie in einer Elastomerstruktur miteinander verbunden sind, und werden dann nacheinander so betätigt, daß peristaltisches Pumpen erreicht wird. Komplexere Systeme mit vernetzten oder gemultiplexten Steuersystemen, auswählbar adressierbaren Ventilen, die in einem Gitter aus Ventilen angeordnet sind, vernetzten oder gemultiplexten Reaktionskammersystemen sowie Biopolymersynthesesystemen werden ebenfalls beschrieben.
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Mikrofertigung einer Elastomerstruktur weist die folgenden Schritte auf: Bilden einer ersten Elastomerschicht auf der Oberseite einer ersten mikrobearbeiteten Form, wobei die erste mikrobearbeitete Form mindestens einen ersten erhöhten Vorsprung hat, der mindestens einen ersten Kanal in der Unterseite der ersten Elastomerschicht bildet. Eine zweite Elastomerschicht wird oben auf einer zweiten mikrobearbeiteten Form gebildet, wobei die zweite mikrobearbeitete Form mindestens einen zweiten erhöhten Vorsprung hat, der mindestens einen zweiten Kanal in der Unterseite der zweiten Elastomerschicht bildet. Die Unterseite der zweiten Elastomerschicht wird mit einer Oberseite der ersten Elastomerschicht so verbunden, daß der mindestens eine zweite Kanal zwischen der ersten und zweiten Elastomerschicht eingeschlossen ist.
Eine zweite alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Mikrofertigung einer Elastomerstruktur weist die folgenden Schritte auf: Bilden einer ersten Elastomerschicht auf der Oberseite eines Substrats, Härten der ersten Elastomerschicht und Abscheiden einer ersten Opferschicht auf die Oberseite der ersten Elastomerschicht. Ein Abschnitt der ersten Opferschicht wird so entfernt, daß ein erstes Opfermaterialmuster auf der Oberseite der ersten Elastomerschicht verbleibt. Eine zweite Elastomerschicht wird über der ersten Elastomerschicht gebildet, wodurch das erste Muster aus Opfermaterial zwischen der ersten und zweiten Elastomerschicht verkapselt ist. Die zweite Elastomerschicht wird gehärtet, wonach das Opfermaterial entfernt wird, um so mindestens eine erste Aussparung zwischen der ersten und zweiten Elastomerschicht zu bilden.
Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betätigen einer Elastomerstruktur weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Elastomerblocks, der mit einer ersten und einer zweiten mikrostrukturierten Aussparung darin ausgebildet ist, wobei die erste und zweite mikrostrukturierte Aussparung durch einen Abschnitt der Struktur getrennt sind, der in eine Komponente aus erster oder zweiter Aussparung ablenkbar ist, wenn die andere Komponente aus erster und zweiter Aussparung unter Druck gesetzt wird. Eine der Aussparungen wird so unter Druck gesetzt, daß der Abschnitt der Elastomerstruktur, der die zweite Aussparung von der ersten Aussparung trennt, in die andere der beiden Aussparungen abgelenkt wird.
In anderen optionalen bevorzugten Aspekten können magnetische oder leitende Materialien zugegeben sein, um Schichten des Elastomers magnetisch oder elektrisch leitend zu machen, wodurch alle elektromagnetischen Elastomervorrichtungen erzeugt werden können.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Teil I - Fig. 1 bis 7A zeigen aufeinanderfolgende Schritte eines ersten Verfahrens zur Fertigung der Erfindung wie folgt:
Fig. 1 ist eine Darstellung einer ersten Elastomerschicht, die auf der Oberseite einer mikrobearbeiteten Form gebildet wird.
Fig. 2 ist eine Darstellung einer zweiten Elastomerschicht, die auf der Oberseite einer mikrobearbeiteten Form gebildet wird.
Fig. 3 zeigt die Elastomerschicht von Fig. 2, die von der mikrobearbeiteten Form entfernt und über der Oberseite der Elastomerschicht von Fig. 1 positioniert wird.
Fig. 4 ist eine Fig. 3 entsprechende Darstellung, zeigt aber die zweite Elastomerschicht, die auf der Oberseite der ersten Elastomerschicht positioniert wird.
Fig. 5 ist eine Fig. 4 entsprechende Darstellung, zeigt aber die erste und zweite Elastomerschicht, die miteinander verbunden werden.
Fig. 6 ist eine Fig. 5 entsprechende Darstellung, zeigt aber, daß die erste mikrobearbeitete Form entfernt und an ihrer Stelle ein ebenes Substrat positioniert wird.
Fig. 7A ist eine Fig. 6 entsprechende Darstellung, zeigt aber die auf dem ebenen Substrat abgedichtete Elastomerstruktur.
Fig. 7B ist eine Fig. 7A entsprechende vordere Schnittansicht und zeigt einen offenen Strömungskanal.
Fig. 7C-7G sind Darstellungen von Schritten eines Verfahrens zur Bildung einer Elastomerstruktur mit einer Membran, die aus einer getrennten Elastomerschicht gebildet wird.
Teil II - Fig. 7H zeigt das Schließen eines ersten Strömungskanal durch Druckbeaufschlagung eines zweiten Strömungskanals wie folgt:
Fig. 7H entspricht Fig. 7A, zeigt aber einen ersten Strömungskanal, der durch Druckbeaufschlagung im zweiten Strömungskanal geschlossen wird.
Teil III - Fig. 8 bis 18 zeigen aufeinanderfolgende Schritte eines zweiten Verfahrens zur Fertigung der Erfindung wie folgt:
Fig. 8 ist eine Darstellung einer ersten Elastomerschicht, die auf einem ebenen Substrat abgeschieden wird.
Fig. 9 ist eine Darstellung einer ersten Fotoresistschicht, die auf der Oberseite der ersten Elastomerschicht von Fig. 8 abgeschieden wird.
Fig. 10 ist eine Darstellung des Systems von Fig. 9, wobei aber ein Abschnitt der ersten Fotoresistschicht entfernt ist, wodurch nur eine erste Fotoresistlinie verbleibt.
Fig. 11 ist eine Darstellung einer zweiten Elastomerschicht, die auf die Oberseite der ersten Elastomerschicht über der ersten Fotoresistlinie von Fig. 10 aufgebracht wird, wodurch das Fotoresist zwischen der ersten und zweiten Elastomerschicht eingeschlossen wird.
Fig. 12 entspricht Fig. 11, zeigt aber die integrierte monolithische Struktur, die hergestellt ist, nachdem die erste und zweite Schicht miteinander verbunden wurden.
Fig. 13 ist eine Darstellung einer zweiten Fotoresistschicht, die auf die Oberseite der einteiligen Elastomerstruktur von Fig. 12 abgeschieden wird.
Fig. 14 zeigt das System von Fig. 13, wobei aber ein Abschnitt der zweiten Fotoresistschicht entfernt ist, wodurch nur eine zweite Fotoresistlinie verbleibt.
Fig. 15 ist eine Darstellung einer dritten Elastomerschicht, die auf die Oberseite der zweiten Elastomerschicht und über der zweiten Fotoresistlinie von Fig. 14 aufgetragen wird, wodurch die zweite Fotoresistlinie zwischen der Elastomerstruktur von Fig. 12 und der dritten Elastomerschicht verkapselt wird.
Fig. 16 entspricht Fig. 15, zeigt aber die dritte Elastomerschicht, die so gehärtet wird, daß sie mit der monolithischen Struktur verbunden wird, die sich aus der zuvor verbundenen ersten und zweiten Elastomerschicht zusammensetzt.
Fig. 17 entspricht Fig. 16, zeigt aber, daß die erste und zweite Fotoresistlinie entfernt sind, um zwei lotrechte sich überlappende, aber nicht schneidende Strömungskanäle zu bilden, die die integrierte Elastomerstruktur durchlaufen.
Fig. 18 ist eine Darstellung des Systems von Fig. 17, wobei aber das ebene Substrat darunter entfernt ist.
Teil IV - Fig. 19 und 20 zeigen nähere Einzelheiten unterschiedlicher Strömungskanal-Querschnitte wie folgt:
Fig. 19 zeigt einen rechtwinkligen Querschnitt eines ersten Strömungskanals.
Fig. 20 zeigt den Strömungskanal mit einer gewölbten Oberseite.
Teil V - Fig. 21 bis 24 zeigen Versuchsergebnisse, die durch bevorzugte Ausführungsformen des mikrostrukturierten Ventils erzielt wurden:
Fig. 21 zeigt die Ventilöffnung als Funktion des ausgeübten Drucks für verschiedene Strömungskanäle.
Fig. 22 zeigt das Zeitverhalten eines 100 um · 100 um · 10 um großen RTV-Mikroventils.
Teil VI - Fig. 23A bis 33 zeigen verschiedene mikrostrukturierte Strukturen, die gemäß Aspekten der Erfindung miteinander vernetzt sind:
Fig. 23A ist eine schematische Draufsicht auf ein Ein/Aus-Ventil.
Fig. 23B ist eine Seitenschnittansicht an der Linie 23B- 23B in Fig. 23A.
Fig. 24 ist eine schematische Draufsicht auf ein peristaltisches Pumpsystem.
Fig. 24B ist eine Seitenschnittansicht an der Linie 24B- 24B in Fig. 24A.
Fig. 25 ist ein Diagramm experimentell erzielter Ergebnisse der Pumpgeschwindigkeiten als Funktion der Frequenz für eine Ausführungsform des peristaltischen Pumpsystems von Fig. 24.
Fig. 26A ist eine schematische Draufsicht auf eine Steuerleitung, die mehrere Strömungsleitungen gleichzeitig betätigt.
Fig. 26B ist eine Seitenschnittansicht an der Linie 26B- 26B in Fig. 26A.
Fig. 27 ist eine schematische Darstellung eines gemultiplexten Systems, das geeignet ist, Strömung durch verschiedene Kanäle zu ermöglichen.
Fig. 28A ist eine Draufsicht auf eine Strömungsschicht einer adressierbaren Reaktionskammerstruktur.
Fig. 2% ist eine Untersicht auf eine Steuerkanalschicht einer adressierbaren Reaktionskammerstruktur.
Fig. 28C ist eine explodierte Perspektivansicht der adressierbaren Reaktionskammerstruktur, die durch Verbinden der Steuerkanalschicht von Fig. 28B mit der Oberseite der Strömungsschicht von Fig. 28A gebildet ist.
Fig. 28D ist eine Fig. 28C entsprechende Seitenschnittansicht an der Linie 28D-28D in Fig. 28C.
Fig. 29 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das geeignet ist, Fluidströmung selektiv in jede Mulde einer Anordnung aus Reaktionsmulden zu leiten.
Fig. 30 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das zur auswählbaren Seitenströmung zwischen parallelen Strömungskanälen geeignet ist.
Fig. 31A ist eine Untersicht auf eine erste Elastomerschicht (d. h. die Strömungskanalschicht) einer umschaltbaren Strömungsanordnung.
Fig. 31B ist eine Untersicht auf eine Steuerkanalschicht einer umschaltbaren Strömungsanordnung.
Fig. 31C zeigt die Ausrichtung der ersten Elastomerschicht von Fig. 31A zu einem Satz aus Steuerkanälen in der zweiten Elastomerschicht von Fig. 31B.
Fig. 31D zeigt ebenfalls die Ausrichtung der ersten Elastomerschicht von Fig. 31A zum anderen Satz aus Steuerkanälen in der zweiten Elastomerschicht von Fig. 31B.
Fig. 32 ist eine schematische Darstellung eines integrierten Systems zur Biopolymersynthese.
Fig. 33 ist eine schematische Darstellung eines weiteren integrierten Systems zur Biopolymersynthese.
Fig. 34 ist eine optische Mikroaufnahme eines Schnitts einer Teststruktur mit sieben miteinander verbundenen Elastomerschichten.
Fig. 35A-35D zeigen die Schritte einer Ausführungsform eines Verfahrens zur Fertigung einer Elastomerschicht mit einem darin gebildeten senkrechten Durchgangsloch.
Fig. 36 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sortiervorrichtung.
Fig. 37 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Strömenlassen von Prozeßgasen über einen Halbleiterwafer.
Fig. 38 zeigt eine explodierte Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mikrospiegelanordnungsstruktur.
Fig. 39 zeigt eine Perspektivansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brechungsvorrichtung.
Fig. 40 zeigt eine Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brechungsvorrichtung.
Fig. 41 zeigt eine Perspektivansicht einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brechungsvorrichtung.
Fig. 42A-42J zeigen Ansichten einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Öffnungsventilstruktur.
Fig. 43 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen von Trennungen.
Fig. 44A-44D zeigen Draufsichten zur Darstellung des Betriebs einer erfindungsgemäßen Zellpferchstruktur.
Fig. 45A-45B zeigen eine Drauf- und Querschnittansicht zur Darstellung des Betriebs einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zellkäfigstruktur.
Fig. 46A-46B zeigen Querschnittansichten zur Darstellung des Betriebs einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zellmühlenstruktur.
Fig. 47 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckoszillatorstruktur.
Fig. 48A und 48B zeigen Draufsichten zur Darstellung des Betriebs einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen seitenbetätigten Ventilstruktur.
Fig. 49 zeigt eine Kurve des Elastizitätsmoduls als Funktion der prozentualen Verdünnung von Elastomer GE RTV 615 mit Silikonfluid GE SF96-50.

NÄHERE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung weist vielfältige mikrostrukturierte Elastomerstrukturen auf, die als Pumpen oder Ventile verwendet werden können. Dargestellt werden auch Verfahren zur Fertigung der bevorzugten Elastomerstrukturen.

Verfahren zur Fertigung der Erfindung

Im folgenden werden zwei exemplarische Verfahren zur Fertigung der Erfindung vorgestellt. Verständlich sollte sein, daß die Erfindung nicht auf die Herstellung durch das eine oder andere dieser Verfahren beschränkt ist. Vielmehr sind auch andere geeignete Verfahren zur Fertigung der Mikrostrukturen, u. a. als Abwandlung dieser Verfahren, erwogen.
Fig. 1 bis 7B zeigen aufeinanderfolgende Schritte eines ersten bevorzugten Verfahrens zur Fertigung der Mikrostruktur (die als Pumpe oder Ventil eingesetzt werden kann). Fig. 8 bis 18 veranschaulichen aufeinanderfolgende Schritte eines zweiten bevorzugten Verfahrens zur Fertigung der Mikrostruktur (die auch als Pumpe oder Ventil eingesetzt werden kann).
Wie erläutert wird, beinhaltet das bevorzugte Verfahren von Fig. 1 bis 7B die Verwendung vorgehärteter Elastomerschichten, die zusammengestellt und verbunden werden. Dagegen beinhaltet das bevorzugte Verfahren von Fig. 8 bis 18 das Härten jeder Elastomerschicht "an Ort und Stelle". In der folgenden Beschreibung bezeichnet "Kanal" eine Aussparung in der Elastomerstruktur, die eine Flüssigkeits- oder Gasströmung enthalten kann.

Erstes exemplarisches Verfahren

Gemäß Fig. 1 wird eine erste mikrobearbeitete Form 10 bereitgestellt. Die mikrobearbeitete Form 10 kann durch eine Anzahl herkömmlicher Siliciumbearbeitungsverfahren hergestellt sein, u. a., aber nicht ausschließlich, Fotolithographie, Ionenstrahlätzen und Elektronenstrahllithographie.
Darstellungsgemäß hat die mikrobearbeitete Form 10 eine(n) erhöhte(n) Linie oder Vorsprung 11, die (der) sich an ihr entlang erstreckt. Eine erste Elastomerschicht 20 wird so oben auf die Form 10 gegossen, daß darstellungsgemäß eine erste Aussparung 21 in der Unterseite der Elastomerschicht 20 gebildet wird (wobei die Aussparung 21 in der Abmessung dem Vorsprung 11 entspricht).
Gemäß Fig. 2 wird außerdem eine zweite mikrobearbeitete Form 12 mit einem sich an ihr entlang erstreckenden erhöhten Vorsprung 13 bereitgestellt. Eine zweite Elastomerschicht 22 wird wie gezeigt so oben auf die Form 12 gegossen, daß eine Aussparung 23 in ihrer Unterseite gebildet wird, die dem Maß des Vorsprungs 13 entspricht.
Wie aus den aufeinanderfolgenden Schritten von Fig. 3 und 4 hervorgeht, wird dann die zweite Elastomerschicht 22 von der Form 12 entfernt und oben auf der zweiten Elastomerschicht 20 plaziert. Darstellungsgemäß bildet die Aussparung 23, die sich entlang der Unterseite der zweiten Elastomerschicht 22 erstreckt, einen Strömungskanal 32.
Gemäß Fig. 5 werden die getrennte erste und zweite Elastomerschicht 20 und 22 (Fig. 4) dann miteinander verbunden, um eine integrierte (d. h. monolithische) Elastomerstruktur 24 zu bilden.
Wie im aufeinanderfolgenden Schritt von Fig. 6 und 7A deutlich ist, wird die Elastomerstruktur 24 dann von der Form 10 entfernt und auf der Oberseite eines ebenen Substrats 14 positioniert. Ist gemäß Fig. 7A und 7B die Elastomerstruktur 24 an ihrer Unterseite am ebenen Substrat 14 abgedichtet, bildet die Aussparung 21 einen Strömungskanal 30.
Die Elastomerstrukturen bilden eine reversible hermetische Abdichtung an nahezu jedem glatten ebenen Substrat. Ein Vorteil der Bildung einer Abdichtung auf diese Weise ist, daß die Elastomerstrukturen abgezogen, gewaschen und wiederverwendet werden können. In bevorzugten Aspekten ist das ebene Substrat 14 Glas. Vorteilhaft beim Einsatz von Glas ist weiterhin, daß Glas durchsichtig ist, wodurch Elastomerkanäle und Reservoire optisch untersucht werden können. Alternativ kann die Elastomerstruktur mit einer flachen Elastomerschicht durch das gleiche zuvor beschriebene Verfahren verbunden werden, was eine dauerhafte und hochfeste Verbindung erzeugt. Vorteilhaft kann dies sein, wenn höhere Gegendrücke verwendet werden.
Gemäß Fig. 7A und 7B 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 von der Unterseite des Strömungskanals 32 trennt.
In bevorzugten Aspekten ist das ebene Substrat 14 Glas. Ein Vorteil der Verwendung von Glas ist, daß die Elastomerstrukturen abgezogen, gewaschen und wiederverwendet werden können. Ein weiterer Vorteil beim Glaseinsatz besteht darin, daß eine optische Erkennung zum Einsatz kommen kann. Alternativ kann das ebene Substrat 14 selbst ein Elastomer sein, was dann vorteilhaft sein kann, wenn höhere Gegendrücke verwendet werden.
Das eben beschriebene Fertigungsverfahren kann variiert werden, um eine Struktur mit einer Membran zu bilden, die sich aus einem anderen Elastomermaterial als dem zusammensetzt, das die Wände der Kanäle der Vorrichtung bildet. Diese Variante des Fertigungsverfahrens ist in Fig. 7C-7G gezeigt.
Gemäß Fig. 7C wird eine erste mikrobearbeitete Form 10 bereitgestellt. Die mikrobearbeitete Form 10 hat eine(n) erhöhte(n) Linie oder Vorsprung 11, die (der) sich an ihr entlang erstreckt. In Fig. 7D wird eine erste Elastomerschicht 20 oben auf die mikrobearbeitete Form 10 so gegossen, daß die Oberseite der ersten Elastomerschicht 20 bündig mit der Oberseite der (des) erhöhten Linie oder Vorsprungs 11 ist. Erreichen läßt sich dies durch sorgfältiges Steuern des auf die Form 10 gegossenen Elastomermaterials relativ zur bekannten Höhe der erhabenen Linie 11. Alternativ könnte die gewünschte Formgestalt durch Spritzgießen erzeugt werden.
In Fig. 7E wird auch eine zweite mikrobearbeitete Form 12 mit einem sich an ihr entlang erstreckenden erhöhten Vorsprung 13 bereitgestellt. Eine zweite Elastomerschicht 22 wird darstellungsgemäß so auf die Oberseite der zweiten Form 12 gegossen, daß eine Aussparung 23 in ihrer Unterseite gebildet wird, die den Maßen des Vorsprungs 13 entspricht.
In Fig. 7F wird die zweite Elastomerschicht 22 von der Form 12 entfernt und auf der Oberseite einer dritten Elastomerschicht 222 plaziert. Die zweite Elastomerschicht 22 wird mit der dritten Elastomerschicht 20 verbunden, um einen einteiligen Elastomerblock 224 zu bilden, wobei später näher beschriebene Techniken zum Einsatz kommen. An diesem Punkt im Verfahren bildet die zuvor von der erhöhten Linie 13 belegte Aussparung 23 einen Strömungskanal 23.
In Fig. 7G wird der Elastomerblock 224 oben auf der ersten mikrobearbeiteten Form 10 und der ersten Elastomerschicht 20 plaziert. Dann werden der Elastomerblock und die erste Elastomerschicht 20 miteinander verbunden, um eine integrierte (d. h. monolithische) Elastomerstruktur 24 mit einer Membran zu bilden, die aus einer gesonderten Elastomerschicht 222 besteht.
Ist die Elastomerstruktur 24 an ihrer Unterseite an einem ebenen Substrat auf die zuvor anhand von Fig. 7A beschriebene Weise abgedichtet, bildet die zuvor von der erhöhten Linie 11 belegte Aussparung einen Strömungskanal 30.
Die eben anhand von Fig. 7C-7G veranschaulichte Variante des Herstellungsverfahrens bietet den Vorteil, daß der Membranabschnitt aus einem separaten Material bestehen kann, das sich vom Elastomermaterial der übrigen Struktur unterscheidet. Dies ist wichtig, da die Dicke und die elastischen Eigenschaften der Membran im Betrieb der Vorrichtung eine Schlüsselrolle spielen. Außerdem ermöglicht dieses Verfahren, die separate Elastomerschicht leicht einer Konditionierung zu unterziehen, bevor sie in die Elastomerstruktur eingebaut wird. Wie später näher diskutiert wird, gehört zu Beispielen einer potentiell erwünschten Kondition der Einbau einer magnetischen oder elektrisch leitenden Spezies, damit die Membran betätigt werden kann, und/oder der Einbau eines Dotanten in die Membran, um ihre Elastizität zu ändern.
Obwohl das o. g. Verfahren anhand der Herstellung verschiedener geformter Elastomerschichten dargestellt ist, die durch Replikationsformen auf der Oberseite einer mikrobearbeiteten Form gebildet werden, ist die Erfindung nicht auf diese Technik beschränkt. Andere Techniken könnten eingesetzt werden, um die einzelnen Schichten aus geformtem Elastomermaterial zu bilden, die miteinander zu verbinden sind. Zum Beispiel könnte eine geformte Elastomermaterialschicht durch Laserschneiden oder Spritzgießen oder durch Verfahren gebildet werden, die chemisches Ätzen und/oder Opfermaterialien nutzen, was nachstehend in Verbindung mit dem zweiten exemplarischen Verfahren diskutiert wird.

Zweites exemplarisches Verfahren

Ein zweites exemplarisches Verfahren zur Fertigung einer Elastomerstruktur, die als Pumpe oder Ventil verwendet werden kann, ist in den aufeinanderfolgenden Schritten von Fig. 8-18 dargestellt.
In diesem Aspekt der Erfindung werden Strömungs- und Steuerkanäle gebildet, indem zunächst Fotoresist auf der Oberfläche einer Elastomerschicht (oder eines anderen Substrats, das Glas aufweisen kann) gemustert wird, was eine erhöhte Fotoresistlinie dort beläßt, wo ein Kanal erwünscht ist. Als nächstes wird eine zweite Elastomerschicht darüber zugefügt, und ein zweites Fotoresist wird auf der zweiten Elastomerschicht gemustert, wodurch eine erhöhte Fotoresistlinie dort zurückbleibt, wo ein Kanal erwünscht ist. Darüber wird eine dritte Elastomerschicht abgeschieden. Abschließend wird das Fotoresist entfernt, indem es aus dem Elastomer mit einem geeigneten Lösungsmittel herausgelöst wird, wobei die durch Entfernen des Fotoresists gebildeten Hohlräume zu den Strömungskanälen werden, die das Substrat durchlaufen.
Zunächst wird gemäß Fig. 8 ein ebenes Substrat 40 bereitgestellt. Danach wird eine erste Elastomerschicht 42 oben auf dem ebenen Substrat 40 abgelagert und gehärtet. Gemäß Fig. 9 wird anschließend eine erste Fotoresistschicht 44A auf der Oberseite der Elastomerschicht 42 abgeschieden. Gemäß Fig. 10 wird ein Abschnitt der Fotoresistschicht 44A so entfernt, daß darstellungsgemäß nur eine erste Fotoresistlinie 44B verbleibt. Gemäß Fig. 11 wird danach eine zweite Elastomerschicht 46 über der Oberseite der ersten Elastomerschicht 42 und über der ersten Fotoresistlinie 44B darstellungsgemäß abgeschieden, wodurch die erste Fotoresistlinie 44B zwischen der ersten Elastomerschicht 42 und zweiten Elastomerschicht 46 eingeschlossen wird. Gemäß Fig. 12 wird die Elastomerschicht 46 dann auf der Schicht 42 gehärtet, um die Schichten miteinander zu verbinden und ein monolithisches Elastomersubstrat 45 zu bilden.
Gemäß Fig. 13 wird danach eine zweite Fotoresistschicht 48A über der Elastomerstruktur 45 abgeschieden. Gemäß Fig. 14 wird ein Abschnitt der zweiten Fotoresistschicht 48A entfernt, was darstellungsgemäß nur eine zweite Fotoresistlinie 48B oben auf der Elastomerstruktur 45 zurückläßt. Gemäß Fig. 15 wird dann eine dritte Elastomerschicht 50 über der Oberseite der Elastomerstruktur 45 (die die zweite Elastomerschicht 42 und die erste Fotoresistlinie 44B aufweist) und der zweiten Fotoresistlinie 48B darstellungsgemäß abgeschieden, wodurch die zweite Fotoresistlinie 48B zwischen der Elastomerstruktur 45 und der dritten Elastomerschicht 50 eingeschlossen wird.
Gemäß Fig. 16 werden die dritte Elastomerschicht 50 und die Elastomerstruktur 45 (mit der ersten Elastomerschicht 42 und zweiten Elastomerschicht 46, die miteinander verbunden sind) dann miteinander verbunden, was eine monolithische Elastomerstruktur 47 mit Fotoresistlinien 44B und 48B bildet, die sie darstellungsgemäß durchlaufen. Gemäß Fig. 17 werden die Fotoresistlinien 44B, 48B anschließend (z. B. durch ein Lösungsmittel) so entfernt, daß ein erster Strömungskanal 60 und ein zweiter Strömungskanal 62 an ihrer Stelle gebildet werden, die die Elastomerstruktur 47 darstellungsgemäß durchlaufen. Schließlich kann gemäß Fig. 18 das ebene Substrat 40 von der Unterseite der integrierten monolithischen Struktur entfernt werden.
Das in Fig. 8-18 beschriebene Verfahren erzeugt eine gemusterte Elastomerstruktur unter Nutzung der Entwicklung von Fotoresist, das innerhalb von Elastomermaterial verkapselt ist. Jedoch sind die erfindungsgemäßen Verfahren nicht auf die Fotoresistnutzung beschränkt. Andere Materialien, z. B. Metalle, könnten als Opfermaterialien dienen, die selektiv zum umgebenden Elastomermaterial zu entfernen sind, und das Verfahren bliebe im Schutzumfang der Erfindung. Wie z. B. später näher anhand von Fig. 35A-35D beschrieben wird, kann Goldmetall selektiv zu Elastomer RTV 615 durch die geeigneten chemischen Mischung geätzt werden.

Bevorzugte Schicht- und Kanalmaße

"Mikrostrukturiert" bezieht sich auf die Merkmalsgröße einer Elastomerstruktur, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist. Allgemein werden Schwankungen in mindestens einer Abmessung mikrostrukturierter Strukturen im Mikrometerbereich gesteuert, wobei mindestens eine Abmessung mikroskopisch ist (d. h. unter 1000 um). Normalerweise beinhaltet Mikrostrukturierung Halbleiter- oder MEMS-Fertigungstechniken, z. B. Fotolithographie und Aufschleudern, die zur Herstellung von Merkmalsmaßen im mikroskopischen Bereich gestaltet sind, wobei mindestens einige der Maße der mikrostrukturierten Struktur ein Mikroskop erfordern, um die Struktur vernünftig aufzulösen/abzubilden.
In einem bevorzugten Aspekt haben die Strömungskanäle 30, 32, 60 und 62 vorzugsweise Breiten-Tiefen-Verhältnisse von etwa 10 : 1. Eine nicht ausschließliche Aufstellung anderer Bereiche von Breiten-Tiefen-Verhältnissen gemäß Ausführungsformen der Erfindung lautet 0,1 : 1 bis 100 : 1, stärker bevorzugt 1 : 1 bis 50 : 1, stärker bevorzugt 2 : 1 bis 20 : 1 und am stärksten bevorzugt 3 : 1 bis 15 : 1. In einem exemplarischen Aspekt haben die Strömungskanäle 30, 32, 60 und 62 Breiten von etwa 1 bis 1000 Mikrometern. Eine nicht ausschließliche Aufstellung anderer Bereiche von Breiten von Strömungskanälen gemäß Ausführungsformen der Erfindung lautet 0,01 bis 1000 Mikrometer, stärker bevorzugt 0,05 bis 1000 Mikrometer, stärker bevorzugt 0,2 bis 500 Mikrometer, stärker bevorzugt 1 bis 250 Mikrometer und am stärksten bevorzugt 10 bis 200 Mikrometer. Zu exemplarischen Kanalbreiten gehören 0,1 um, 1 um, 2 um, 5 um, 10 um, 20 um, 30 um, 40 um, 50 um, 60 um, 70 um, 80 um, 90 um, 100 um, 110 um, 120 um, 130 um, 140 um, 150 um, 160 um, 170 um, 180 um, 190 um, 200 um, 210 um, 220 um, 230 um, 240 um und 250 um.
Die Strömungskanäle 30, 32, 60 und 62 haben Tiefen von etwa 1 bis 100 Mikrometern. Eine nicht ausschließliche Aufstellung anderer Bereiche von Tiefen von Strömungskanälen gemäß Ausführungsformen der Erfindung lautet 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 stärksten bevorzugt 5 bis 10 Mikrometer. Zu exemplarischen Kanaltiefen zählen 0,01 um, 0,02 um, 0,05 um, 0,1 um, 0,2 um, 0,5 um, 1 um, 2 um, 3 um, 4 um, 5 um, 7,5 um, 10 um, 12,5 um, 15 um, 17,5 um, 20 um, 22,5 um, 25 um, 30 um, 40 um, 50 um, 75 um, 100 um, 150 um, 200 um und 250 um.
Die Strömungskanäle sind nicht auf diese spezifischen Maßbereiche und o. g. Beispiele beschränkt und können in der Breite variieren, um den zum Ablenken der Membran erforderlichen Kraftbetrag zu beeinflussen, was später im Zusammenhang mit Fig. 27 näher diskutiert wird. Zum Beispiel können extrem schmale Strömungskanäle mit einer Breite in der Größenordnung von 0,01 um in optischen und anderen Anwendungen von Nutzen sein, was später näher diskutiert wird. Elastomerstrukturen, die Abschnitte mit Kanälen mit noch größerer Breite als oben beschrieben aufweisen, sind durch die Erfindung ebenfalls erwogen, und zu Beispielen für Anwendungen unter Nutzung solcher breiteren Strömungskanäle gehören Fluidreservoir- und Mischkanalstrukturen.
Zur mechanischen Stabilität kann die Elastomerschicht 22 dick gegossen werden. In einer exemplarischen Ausführungsform ist die Schicht 22 50 Mikrometer bis mehrere Zentimeter dick und stärker bevorzugt etwa 4 mm dick. Eine nicht ausschließliche Aufstellung von Dickenbereichen der Elastomerschicht gemäß anderen Ausführungsformen der Erfindung lautet: zwischen etwa 0,1 Mikrometer bis 10 cm, 1 Mikrometer bis 5 cm, 10 Mikrometer bis 2 cm, 100 Mikrometer bis 10 mm.
Somit hat die Membran 25 von Fig. 7B, die die Strömungskanäle 30 und 32 trennt, eine typische Dicke zwischen etwa 0,01 und 1000 Mikrometern, 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 stärksten bevorzugt 5 bis 40 Mikrometer. Damit beträgt die Dicke der Elastomerschicht 22 etwa das 100- fache der Dicke der Elastomerschicht 20. Zu exemplarischen Membrandicken gehören 0,01 um, 0,02 um, 0,03 um, 0,05 um, 0,1 um, 0,2 um, 0,3 um, 0,5 um, 1 um, 2 um, 3 um, 5 um, 7,5 um, 10 um, 12,5 um, 15 um, 17,5 um, 20 um, 22,5 um, 25 um, 30 um, 40 um, 50 um, 75 um, 100 um, 150 um, 200 um, 250 um, 300 um, 400 um, 500 um, 750 um und 1000 um.
Ähnlich kann die erste Elastomerschicht 42 eine bevorzugte Dicke haben, die etwa gleich der der Elastomerschicht 20 oder 22 ist; die zweite Elastomerschicht 46 kann eine bevorzugte Dicke haben, die etwa gleich der der Elastomerschicht 20 ist; und die dritte Elastomerschicht 50 kann eine bevorzugte Dicke haben, die etwa gleich der der Elastomerschicht 22 ist.

Aufbautechniken und -materialien der Mehrschicht-Weichlithographie

Weichlithographisches Verbinden

Vorzugsweise werden die Elastomerschichten 20 und 22 (oder die Elastomerschichten 42, 46 und 50) chemisch miteinander verbunden, wobei den Polymeren, die die gemusterten Elastomerschichten aufweisen, innewohnende chemische Merkmale genutzt werden. Am stärksten bevorzugt weist das Verbinden ein "additionshärtendes" Zweikomponenten-Verbinden auf.
In einem bevorzugten Aspekt werden die verschiedenen Elastomerschichten in einer heterogenen Verbindung verbunden, bei der die Schichten unterschiedliche chemische Eigenschaften haben. Alternativ kann ein homogenes Verbinden genutzt werden, bei dem alle Schichten die gleichen chemischen Eigenschaften haben. Drittens können die jeweiligen Elastomerschichten statt dessen optional mit einem Kleber verklebt werden. In einem vierten Aspekt können die Elastomerschichten wärmehärtende Elastomere sein, die durch Erwärmen verbunden werden.
In einem Aspekt der homogenen Verbindung setzen sich die Elastomerschichten aus dem gleichen Elastomermaterial zusammen, wobei das gleiche chemische Gebilde in einer Schicht mit dem gleichen chemischen Gebilde in der anderen Schicht reagiert, um die Schichten miteinander zu verbinden. In einer Ausführungsform kann die Bindung zwischen Polymerketten gleichartiger Elastomere Ergebnis der Aktivierung eines Vernetzungsmittels infolge von Licht, Wärme oder chemischer Reaktion mit einer gesonderten chemischen Spezies sein.
Alternativ setzen sich in einem heterogenen Aspekt die Elastomerschichten aus unterschiedlichen Elastomermaterialien zusammen, wobei ein erstes chemisches Gebilde in einer Schicht mit einem zweiten chemischen Gebilde in einer weiteren Schicht reagiert. In einem exemplarischen heterogenen Aspekt kann das Verbindungsverfahren, das zum Verbinden jeweiliger Elastomerschichten zum Einsatz kommt, das Verbinden zweier Schichten aus Silikon RTV 615 aufweisen. Silikon RTV 615 ist ein zweiteiliger additionshärtender Silikonkautschuk. Teil A enthält Vinylgruppen und Katalysator; Teil B enthält Siliciumhydrid- (Si-H) Gruppen. Das herkömmliche Verhältnis für RTV 615 beträgt 10A : 1B. Zum Verbinden kann eine Schicht mit 30A : 1B (d. h. überschüssigen Vinylgruppen) und die andere Schicht mit 3A : 1B (d. h. überschüssigen Si-H-Gruppen) hergestellt sein. Jede Schicht wird getrennt gehärtet. Werden die beiden Schichten in Berührung gebracht und bei erhöhter Temperatur erwärmt, verbinden sie sich irreversibel und bilden ein monolithisches Elastomersubstrat.
In einem exemplarischen Aspekt der Erfindung werden Elastomerstrukturen mit Sylgard 182, 184 oder 186 oder aliphatischen Urethandiacrylaten, z. B. (aber nicht nur) Ebecryl 270 oder Irr 245 von UCB Chemical gebildet.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wurden zweischichtige Elastomerstrukturen aus reinem acryliertem Urethan Ebe 270 hergestellt. Ein untere Dünnschicht wurde durch 15 Sekunden Aufschleudern mit 8000 U/min bei 170ºC aufgetragen. Die obere und untere Schicht wurden anfangs 10 Minuten unter Ultraviolettlicht in Stickstoff gehärtet, wobei eine Vorrichtung Modell ELC 500, hergestellt von Electrolite Corporation, zum Einsatz kam. Danach wurden die zusammengestellten Schichten weitere 30 Minuten gehärtet. Die Reaktion wurde durch eine 0,5 Vol-%ige Mischung aus Irgacure 500, hergestellt von Ciba-Geigy Chemicals, katalysiert. Das resultierende Elastomermaterial zeigte mäßige Elastizität und Haftung an Glas.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wurde eine Zweischicht-Elastomerstruktur aus einer Kombination aus 25% Ebe 270/50% Irr 245/25% Isopropylalkohol für eine untere Dünnschicht und reinem acryliertem Urethan Ebe 270 als obere Schicht gefertigt. Die untere Dünnschicht wurde 5 min anfangsgehärtet, und die obere Schicht wurde 10 Minuten unter Ultraviolettlicht in Stickstoff gehärtet, wobei eine Vorrichtung Modell ELC 500, hergestellt von Electrolite Corporation, genutzt wurde. Danach wurden die zusammengestellten Schichten weitere 30 Minuten gehärtet. Die Reaktion wurde durch eine 0,5 Vol-%ige Mischung aus Irgacure 500, hergestellt von Ciba- Geigy Chemicals, katalysiert. Das resultierende Elastomermaterial zeigte mäßige Elastizität und haftete an Glas.
Alternativ können andere Verbindungsverfahren verwendet werden, u. a. Aktivieren der Elastomeroberfläche, z. B. durch Plasmaeinwirkung, so daß sich die Elastomerschichten/das Substrat miteinander verbinden, wenn sie in Berührung gebracht werden. Als Beispiel ist ein möglicher Weg zum gegenseitigen Verbinden von Elastomerschichten aus dem gleichen Material in Duffy et al., "Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly(dimethylsiloxane)", Analytical Chemistry (1998), 70, 4974-4984 dargelegt, der hierin durch Verweis eingefügt ist. Dieser Beitrag diskutiert, daß das Einwirken von Sauerstoffplasma auf Polydimethylsiloxan- (PDMS) Schichten eine Oxidation der Oberfläche bewirkt, wobei es zu irreversibler Verbindung kommt, wenn die beiden oxidierten Schichten in Berührung gebracht werden.
Noch ein weiterer Weg zum gegenseitigen Verbinden aufeinanderfolgender Elastomerschichten besteht in der Nutzung der Hafteigenschaften von ungehärtetem Elastomer. Insbesondere wird eine Dünnschicht aus ungehärtetem Elastomer, z. B. RTV 615, auf die Oberseite einer ersten gehärteten Elastomerschicht aufgetragen. Als nächstes wird eine zweite gehärtete Elastomerschicht auf der Oberseite der ungehärteten Elastomerschicht plaziert. Anschließend wird die dünne Mittelschicht aus ungehärtetem Elastomer gehärtet, um eine monolithische Elastomerstruktur herzustellen. Alternativ kann ungehärtetes Elastomer auf die Unterseite einer ersten gehärteten Elastomerschicht aufgetragen werden, wobei die erste gehärtete Elastomerschicht oben auf eine zweite gehärtete Elastomerschicht gelegt wird. Durch Härten der mittleren dünnen Elastomerschicht kommt es wiederum zur Bildung einer monolithischen Elastomerstruktur.
Bei Einsatz der Verkapselung von Opferschichten zur Fertigung der Elastomerstruktur gemäß der Beschreibung anhand von Fig. 8-18 kann das Verbinden aufeinanderfolgender Elastomerschichten erreicht werden, indem ungehärtetes Elastomer über eine zuvor gehärtete Elastomerschicht und etwaiges Opfermaterial gegossen wird, das darauf gemustert ist. Zum Verbinden zwischen Elastomerschichten kommt es infolge gegenseitiger Durchdringung und Reaktion der Polymerketten einer ungehärteten Elastomerschicht mit den Polymerketten einer gehärteten Elastomerschicht. Anschließendes Härten der Elastomerschicht erzeugt eine Verbindung zwischen den Elastomerschichten und schafft eine monolithische Elastomerstruktur.
Gemäß dem ersten Verfahren von Fig. 1 bis 7B kann die erste Elastomerschicht 20 durch 30-sekündiges Aufschleudern einer RTV-Mischung auf die mikrostrukturierte Form 12 bei 2000 U/min hergestellt werden, was eine Dicke von etwa 40 Mikrometern ergibt. Die zweite Elastomerschicht 20 kann durch Aufschleudern einer RTV-Mischung auf die mikrostrukturierte Form 11 hergestellt werden. Beide Schichten 20 und 22 können 1,5 Stunden bei etwa 80ºC wärmebehandelt oder gehärtet werden. Die zweite Elastomerschicht 22 kann mit der ersten Elastomerschicht 20 bei etwa 80ºC für 1,5 Stunden verbunden werden.
Die mikrobearbeiteten Formen 10 und 12 können gemustertes Fotoresist auf Siliciumwafern sein. In einem exemplarischen Aspekt wurde Fotoresist Shipley SJR 5740 mit 2000 U/min aufgeschleudert und mit einem hochauflösenden Transparentfilm als Maske gemustert und dann entwickelt, was einen umgekehrten Kanal mit etwa 10 Mikrometern Höhe ergab. Bei ca. 30-minütigen Wärmebehandeln bei etwa 200ºC fließt das Fotoresist, und die umgekehrten Kanäle werden abgerundet. In bevorzugten Aspekten können die Formen mit Trimethylchlorsilan- (TMCS) Dampf etwa eine Minute vor jedem Gebrauch behandelt werden, um das Anhaften von Silikonkautschuk zu verhindern.
Mit den hier dargelegten verschiedenen Aufbautechniken und -materialien zur Mehrschicht-Weichlithographie wurden im Rahmen der Erfindung erfolgreich Kanalnetze mit einer Dicke von bis zu sieben getrennten Elastomerschichten erzeugt, wobei jede Schicht etwa 40 um dick war. Vorhersehbar ist, daß Vorrichtungen mit mehr als sieben separaten, miteinander verbundenen Elastomerschichten entwickelt werden könnten.

Geeignete Elastomermaterialien

Allcock et al., Contemporary Polymer Chemistry, 2. Ausgabe, beschreiben Elastomere allgemein als Polymere, die bei einer Temperatur zwischen ihrer Glasübergangstemperatur und Verflüssigungstemperatur vorliegen. Elastomermaterialien zeigen elastische Eigenschaften, weil die Polymerketten leicht Torsionsbewegungen vollführen, damit sich die Hauptketten als Reaktion auf eine Kraft entknäulen können, wobei sich die Hauptketten wieder verknäulen und die vorherige Form annehmen, wenn die Kraft fehlt. Allgemein verformen sich Elastomere bei ausgeübter Kraft, kehren dann aber in ihre Ausgangsform zurück, wenn die Kraft wegfällt. Die von Elastomermaterialien gezeigte Elastizität läßt sich durch einen Elastizitätsmodul charakterisieren. Elastomermaterialien mit einem Elastizitätsmodul zwischen etwa 1 Pa und 1 TPa, stärker bevorzugt zwischen etwa 10 Pa und 100 GPa, stärker bevorzugt zwischen etwa 20 Pa und 1 GPa, stärker bevorzugt zwischen etwa 50 Pa und 10 MPa und stärker bevorzugt zwischen etwa 100 Pa und 1 MPa sind erfindungsgemäß von Nutzen, obgleich Elastomermaterialien mit einem Elastizitätsmodul außerhalb dieser Bereiche je nach den Bedürfnissen einer speziellen Anwendung auch genutzt werden könnten.
Die Systeme der Erfindung lassen sich aus vielfältigen Elastomeren fertigen. In einem exemplarischen Aspekt können die Elastomerschichten 20, 22, 42, 46 und 50 vorzugsweise aus Silikonkautschuk gefertigt sein. Allerdings können auch andere geeignete Elastomere verwendet werden.
In einem exemplarischen Aspekt der Erfindung werden die Systeme aus einem elastomeren Polymer hergestellt, z. B. GE RTV 615 (Formulierung), einem vinylsilanvernetzten (Typ) Silikonelastomer (Familie). Jedoch sind die Systeme nicht auf diese eine Formulierung, diesen Typ oder auch diese Polymerfamilie beschränkt; vielmehr ist nahezu jedes elastomere Polymer geeignet. Eine wichtige Forderung für das bevorzugte Verfahren zur Fertigung der Mikroventile ist die Fähigkeit, mehrere Schichten aus Elastomeren miteinander zu verbinden. Bei der Mehrschicht-Weichlithographie werden Elastomerschichten getrennt gehärtet und dann miteinander verbunden. Dieser Ansatz erfordert, daß gehärtete Schichten ausreichendes Reaktionsvermögen besitzen, um sich zu verbinden. Entweder sind die Schichten von der gleichen Art und fähig, sich mit sich selbst zu verbinden, oder sie können von zwei verschiedenen Arten und fähig sein, sich miteinander zu verbinden. Zu weiteren Möglichkeiten gehören die Verwendung eines Klebers zwischen Schichten und die Verwendung wärmehärtender Elastomere.
Angesichts der riesigen Mannigfaltigkeit chemischer Polymereigenschaften, Vorläufer, Syntheseverfahren, Reaktionsbedingungen und potentieller Zusatzstoffe gibt es eine gewaltige Zahl möglicher Elastomersysteme, die zur Herstellung monolithischer Elastomermikroventile und -pumpen verwendet werden könnten. Variationen der verwendeten Materialien sind mit größter Wahrscheinlichkeit Ergebnis des Bedarfs an speziellen Materialeigenschaften, d. h. Lösungsmittelbeständigkeit, Steifigkeit, Gasdurchlässigkeit oder Temperaturstabilität.
Es gibt viele, viele Arten elastomerer Polymere. Hier werden kurz die am weitesten verbreiteten Elastomerklassen beschrieben, um zu zeigen, daß es schon mit relativ "üblichen" Polymeren zahlreiche Verbindungsmöglichkeiten gibt. Zu verbreiteten elastomeren Polymeren gehören Polyisopren, Polybutadien, Polychloropren, Polyisobutylen, Poly(Styrol-Butadien-Styrol), die Polyurethane und Silikone.
Polyisopren, Polybutadien, Polychloropren Polyisopren, Polybutadien und Polychloropren werden alle aus Dienmonomeren polymerisiert und haben daher eine Doppelbindung je Monomer im polymerisierten Zustand. Diese Doppelbindung ermöglicht die Umwandlung der Polymere in Elastomere durch Vulkanisation (im wesentlichen dient Schwefel zur Bildung von Querverbindungen zwischen den Doppelbindungen durch Erwärmung). Dadurch wäre homogene Mehrschicht-Weichlithographie durch unvollständige Vulkanisation der zu verbindenden Schichten leicht möglich; die Fotoresistverkapselung wäre durch einen ähnlichen Mechanismus möglich.

Polyisobutylen

Reines Polyisobutylen hat keine Doppelbindungen, wird aber zum Gebrauch als Elastomer vernetzt, indem eine kleine Menge (ca. 1%) Isopren in der Polymerisation aufgenommen wird. Die Isoprenmonomere ergeben Seitendoppelbindungen an der Polyisobutylen-Hauptkette, die dann wie zuvor vulkanisiert werden können.

Poly(Styrol-Butadien-Styrol)

Poly(Styrol-Butadien-Styrol) wird durch anionische Living-Polymerisation hergestellt (das heißt, es gibt keinen natürlichen Kettenabbruchsschritt in der Reaktion), so daß "lebende" Polymerenden im gehärteten Polymer vorhanden sein können. Dies macht es zum natürlichen Kandidaten für das Fotoresistverkapselungssystem (in dem es viel nichtumgesetztes Monomer in der oben auf die gehärtete Schicht gegossenen flüssigen Schicht gibt). Unvollständiges Härten würde homogene Mehrschicht-Weichlithographie ermöglichen (A-A-Verbindung). Die chemischen Eigenschaften erleichtern auch die Herstellung einer Schicht mit zusätzlichem Butadien ("A") und Haftvermittler und der anderen Schicht ("B") mit einem Butadiendefizit (zur heterogenen Mehrschicht-Weichlithographie). SBS ist ein "wärmehärtendes Elastomer", was bedeutet, daß es oberhalb einer bestimmten Temperatur schmilzt und plastisch (im Gegensatz zu elastisch) wird; durch Verringern der Temperatur ergibt sich wieder Elastizität. Somit können Schichten durch Erwärmen verbunden werden.

Polyurethane

Polyurethane werden aus Diisocyanaten (A-A) und Diolen oder Diaminen (B-B) hergestellt; da es sehr vielfältige Diisocyanate und Diole/Diamine gibt, ist die Zahl unterschiedlicher Arten von Polyurethanen immens hoch. Allerdings würde die Beschaffenheit der Polymere, bei denen A eine Funktion von B ist, sie für heterogene Mehrschicht-Weichlithographie genauso wie RTV 615 nützlich machen: durch Verwendung von überschüssigem A-A in einer Schicht und überschüssigem B-B in der anderen Schicht.

Silikone

Vermutlich haben Silikonpolymere die größte Strukturvielfalt und nahezu sicher die größte Anzahl handelsüblicher Formulierungen. Die Vinyl-(Si-H)-Vernetzung von RTV 615 (die sowohl heterogene Mehrschicht-Weichlithographie als auch Fotoresistverkapselung ermöglicht) wurde bereits diskutiert, aber dies ist nut eines von mehreren Vernetzungsverfahren die in der Silikonpolymerchemie zu Einsatz kommen.

Vernetzungsmittel

Neben der Verwendung der zuvor diskutierten, einfachen "reinen" Polymere können Vernetzungsmittel zugegeben sein. Einige Mittel (wie die Monomere, die Seitendoppelbindungen zur Vulkanisation tragen) sind zum Ermöglichen heterogener (A-zu-A) Mehrschicht-Weichlithographie und Fotoresistverkapselung geeignet; bei einem solchen Herangehen ist das gleiche Mittel in beide Elastomerschichten eingebaut. Komplementäre Mittel (d. h. ein Monomer, das eine Seitendoppelbindung trägt, und ein weiteres, das eine Seiten-Si-H-Gruppe trägt) sind zur heterogenen (A-zu-B) Mehrschicht-Weichlithographie geeignet. Bei dieser Möglichkeit werden komplementäre Mittel benachbarten Schichten zugegeben.

Andere Materialien

Zusätzlich können auch Polymere verwendet werden, in die solche Materialien wie Chlorsilane oder Methyl-, Ethyl- und Phenylsilane sowie Polydimethylsiloxan (PDMS), z. B. Sylgard 182, 184 oder 186 von Dow Chemical Corp., oder aliphatische Urethandiacrylate, z. B. (aber nicht nur) Ebecryl 270 oder Irr 245 von UCB Chemical, eingebaut sind.
Eine nicht ausschließliche Aufstellung von Elastomermaterialien, die in Verbindung mit der Erfindung genutzt werden können, enthält Polyisopren, Polybutadien, Polychloropren, Polyisobutylen, Poly(Styrol-Butadien-Styrol), die Polyurethane und Silikonpolymere; oder Poly(bis(fluoralkoxy)phosphazen) (PNF, Eypel-F), Poly(carboransiloxane) (Dexsil), Poly(acrylnitrilbutadien) (Nitrilkautschuk), Poly(1-buten), Poly(chlortrifluorethylenvonylindenfluorid), Copolymere (Kel-F), Poly(ethylvinylether), Poly(vinylindenfluorid), Poly(vinylidenfluoridhexafluorpropylen)-Copolymer (Viton), elastomere Zusammensetzungen aus Polyvinylchlorid (PVC), Polysulfon, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polytetrafluorethylen (Teflon).

Dotieren und Verdünnen

Elastomere können auch mit nicht vernetzbaren Polymerketten derselben Klasse "dotiert" werden. Beispielsweise kann RTV 615 mit Silikonöl GE SF96-50 verdünnt werden. Dies dient zur Senkung der Viskosität des ungehärteten Elastomers und zur Verringerung des Elastizitätsmoduls des gehärteten Elastomers. Im wesentlichen werden die vernetzungsfähigen Polymerketten durch die Zugabe "inerter" Polymerketten weiter auseinandergespreizt, weshalb dies als "Verdünnung" bezeichnet wird. RTV 615 härtet bei bis zu 90% Verdünnung mit einem dramatischen Rückgang des Elastizitätsmoduls.
Fig. 49 zeigt die Kurve des Elastizitätsmoduls als Funktion der prozentualen Verdünnung von Elastomer GE RTV 615 mit einem A : B-Verhältnis von 30 : 1 mit Verdünnungsmittel GE SF96- 50. Aus Fig. 49 geht hervor, daß die Flexibilität des Elastomermaterials und damit die Reaktionsfähigkeit der Ventilmembran auf eine ausgeübte Betätigungskraft beim Fertigen der Vorrichtung gesteuert werden kann.
Zu anderen Beispielen für die Dotierung von Elastomermaterial kann der Einbau elektrisch leitender oder magnetischer Spezies gehören, was später im Zusammenhang mit alternativen Verfahren zur Betätigung der Membran der Vorrichtung näher beschrieben wird. Sollte daran Bedarf bestehen, ist auch das Dotieren mit feinen Teilchen aus Material mit einer anderen Brechzahl als das Elastomermaterial (d. h. Siliciumoxid, Diamant, Saphir) als System zum Ändern der Brechzahl des Materials erwogen. Stark absorbierende oder opake Teilchen können zugegeben werden, um das Elastomer farbig oder gegenüber einfallender Strahlung opak zu machen. Denkbar ist, daß dies in einem optisch adressierbaren System von Nutzen sein kann.
Schließlich können durch Dotieren des Elastomers mit spezifischen chemischen Spezies diese dotierten chemischen Spezies an der Elastomeroberfläche liegen, wodurch sie als Anker oder Ausgangspunkte zur weiteren chemischen Ableitung dienen.

Vorbehandlung und Oberflächenbeschichtung

Sobald das Elastomermaterial geschmolzen oder in die geeignete Form geätzt ist, kann es notwendig sein, das Material vorzubehandeln, um den Betrieb in Verbindung mit einer speziellen Anwendung zu erleichtern.
Beispielsweise ist eine mögliche Anwendung für eine erfindungsgemäße Elastomervorrichtung das Sortieren biologischer Gebilde, z. B. Zellen oder DNA. In einer solchen Anwendung kann die hydrophobe Natur des biologischen Gebildes bewirken, daß es am hydrophoben Elastomer der Wände des Kanals haftet. Daher kann es nützlich sein, die Elastomerstruktur vorzubehandeln, um den Kanalwänden einen hydrophilen Charakter zu verleihen. In einer Ausführungsform der Erfindung unter Nutzung von Elastomer General Electric RTV 615 kann dies durch Kochen des geformten Elastomers in Säure erreicht werden (z. B. 0,01% HCl in Wasser, pH 2,7, 40 min bei 60ºC).
Durch die Anmeldung sind auch andere Arten der Vorbehandlung von Elastomermaterial erwogen. Zum Beispiel können bestimmte Elastomerabschnitte vorbehandelt werden, um Anker für oberflächenchemische Reaktionen (z. B. in Form von Peptidketten) oder Bindungsstellen für Antikörper zu erzeugen, was in einer bestimmten Anwendung vorteilhaft wäre. Zu anderen Beispielen für die Vorbehandlung von Elastomermaterial kann der Einbau von reflektierendem Material auf der Elastomeroberfläche gehören, was später in Verbindung mit der Anwendung als Mikrospiegelanordnung näher beschrieben wird.

Verfahren zum Betreiben der Erfindung

Fig. 7B und 7H zeigen gemeinsam das Schließen eines ersten Strömungskanals durch Druckbeaufschlagung eines zweiten Strömungskanals, wobei Fig. 7B (eine vordere Schnittansicht durch den Strömungskanal 32 in Entsprechung zu Fig. 7A) einen ersten offenen Strömungskanal 30 zeigt; und Fig. 7H den ersten Strömungskanal 30 zeigt, der durch Druckbeaufschlagung des zweiten Strömungskanals 32 geschlossen ist.
In Fig. 7B sind der erste Strömungskanal 30 und zweite Strömungskanal 32 gezeigt. Die Membrane 25 trennt die Strömungskanäle, wobei sie die Oberseite des ersten Strömungskanals 30 und die Unterseite des zweiten Strömungskanals 32 bildet. Darstellungsgemäß ist der Strömungskanal 30 "offen".
Gemäß Fig. 7H bewirkt die Druckbeaufschlagung des Strömungskanals 32 (durch Gas- oder Flüssigkeitseinleitung), daß sich die Membrane 25 nach unten ablenkt, wodurch eine Strömung F abgeklemmt wird, die den Strömungskanal 30 durchfließt. Folglich wird durch Variieren des Drucks im Kanal 32 ein linear betätigungsfähiges Ventilsystem so bereitgestellt, daß der Strömungskanal 30 durch bedarfsweises Bewegen der Membrane 25 geöffnet oder geschlossen werden kann. (Nur zur Veranschaulichung ist der Kanal 30 in Fig. 7G in einer "nahezu geschlossenen" Position statt einer "voll geschlossenen" Position gezeigt).
Verständlich sollte sein, daß genau die gleichen Verfahren zum Ventilöffnen und -schließen mit den Strömungskanälen 60 und 62 erreicht werden können. Da solche Ventile durch Bewegen des Dachs der Kanäle selbst (d. h. der beweglichen Membran 25) betätigt werden, haben durch diese Technik hergestellte Ventile und Pumpen ein echtes Null-Totvolumen, und durch diese Technik hergestellte Schaltventile haben ein Totvolumen, das etwa gleich dem aktiven Volumen des Ventils ist, z. B. etwa 100 · 100 · 10 um = 100 pl. Solche Totvolumina und Flächen, die von der beweglichen Membran verbraucht werden, sind etwa zwei Größenordnungen kleiner als bekannte herkömmliche Mikroventile. Kleinere und größere Ventile und Schaltventile sind in der Erfindung erwogen, und zu einer nicht ausschließlichen Aufstellung von Bereichen von Totvolumina gehören 1 al bis 1 ul, 100 al bis 100 nl, 1 fl bis 10 nl, 100 fl bis 1 l und 1 pl bis 100 pl.
Die extrem kleinen Volumina, die durch erfindungsgemäße Pumpen und Ventile abgegeben werden können, stellen einen wesentlichen Vorteil dar. Insbesondere liegen die kleinsten bekannten Fluidvolumina, die manuell dosiert werden können, bei rund 0,1 ul. Die kleinsten bekannten Volumina, die durch automatisierte Systeme dosiert werden können, sind etwa zehnmal größer (1 ul). Mit erfindungsgemäßen Pumpen und Ventile können Flüssigkeitsvolumina von 10 nl oder darunter routinemäßig dosiert und abgegeben werden. Die durch die Erfindung mögliche genaue Dosierung extrem kleiner Fluidvolumina wäre in einer großen Anzahl biologischer Anwendungen extrem wertvoll, u. a. Diagnosetests und -assays.
Gleichung 1 repräsentiert ein stark vereinfachtes mathematisches Modell der Ablenkung einer rechtwinkligen, linearen, isotropen Platte mit gleichmäßiger Dicke durch einen ausgeübten Druck:
(1) w = (BPb&sup4;)/(Eh³), wobei
w = Plattenablenkung;
B = Formkoeffizient (abhängig von Länge als Funktion der Breite sowie Abstützung der Plattenkanten);
P = ausgeübter Druck;
b = Plattenbreite;
B = Elastizitätsmodul; und
h = Plattendicke.
Somit ist selbst in diesem extrem vereinfachten Ausdruck die Ablenkung einer Elastomermembran als Reaktion auf einen Druck eine Funktion der Länge, Breite und Dicke der Membran, der Flexibilität der Membran (Elastizitätsmodul) und der aufgebrachten Betätigungskraft. Da jeder dieser Parameter je nach den wirklichen Maßen und der physikalischen Zusammensetzung einer speziellen erfindungsgemäßen Elastomervorrichtung stark variiert, ist ein breiter Bereich von Membrandicken und -elastizitäten, Kanalbreiten und Betätigungskräften durch die Erfindung erwogen.
Klar sollte sein, daß die eben genannte Formel nur eine Näherung ist, da im allgemeinen die Membran keine gleichmäßige Dicke hat, die Membrandicke im Vergleich zur Länge und Breite nicht unbedingt klein ist und die Ablenkung im Vergleich zur Länge, Breite oder Dicke der Membran nicht unbedingt klein ist. Dennoch dient die Gleichung als brauchbare Richtlinie zum Einstellen variabler Parameter, um eine gewünschte Ablenkungsreaktion als Funktion der ausgeübten Kraft zu erzielen.
Fig. 21a und 21b zeigen die Ventilöffnung als Funktion des ausgeübten Drucks für einen 100 um breiten ersten Strömungskanal 30 und einen 50 um breiten zweiten Strömungskanal 32. Gebildet war die Membran dieser Vorrichtung durch eine Schicht aus Silikonen RTV 615 von General Electric mit einer Dicke von etwa 30 um und einem Elastizitätsmodul von etwa 750 kPa. Gemäß Fig. 21a und 21b ist der Öffnungsgrad des Ventils über den größten Teil des Bereichs ausgeübter Drücke im wesentlichen linear. Während die Erfindung dieses lineare Betätigungsverhalten nicht erfordert, sind Ausführungsformen der Erfindung < hier einfügen> .
Die Luftdruckbeaufschlagung zum Betätigen der Membran der Vorrichtung erfolgte durch ein 10 cm langes Kunststoffschlauchstück mit 0,025" Außendurchmesser, das mit einem 25- mm-Stück eines rostfreien Injektionsstahlrohrs mit 0,025" Außendurchmesser und 0,013" Innendurchmesser verbunden war. Dieses Rohr wurde in Kontakt mit dem Steuerkanal angeordnet, indem er in den Elastomerblock in senkrechter Richtung zum Steuerkanal eingesetzt wurde. Das Injektionsrohr wurde mit Luftdruck von einem externen LHDA-Miniaturmagnetventil beaufschlagt, das von Lee Co. hergestellt war.
Die Verbindung herkömmlicher Mikrofluidvorrichtungen mit einer externen Fluidströmung wirft eine Reihe von Problemen auf, die durch die eben beschriebene externe Konfiguration umgangen werden. Insbesondere setzen sich herkömmliche Mikrofluidvorrichtungen aus harten, unflexiblen Materialien (z. B. Silicium) zusammen, an die Rohre oder Schläuche zur möglichen Verbindung mit externen Elementen angefügt werden müssen. Die Steifigkeit des herkömmlichen Materials erzeugt erhebliche physikalische Spannung an Berührungspunkten mit kleinen und empfindlichen externen Rohren, was herkömmliche Mikrofluidverbindungen an diesen Berührungspunkten bruch- und leckanfällig macht.
Dagegen ist das Elastomer der Erfindung flexibel und kann zur externen Verbindung leicht von einem Rohr durchdrungen werden, das aus einem harten Material besteht. Zum Beispiel läßt sich in einer mit dem Verfahren von Fig. 1-7B gefertigten Elastomerstruktur ein Loch herstellen, das sich von der Außenfläche der Struktur in den Steuerkanal erstreckt, indem das Elastomer mit Metallinjektionsrohr durchstochen wird, nachdem das obere Elastomerstück von der Form entfernt ist (was Fig. 3 zeigt) und bevor dieses Stück mit dem unteren Elastomerstück verbunden ist (was Fig. 4 zeigt). Zwischen diesen Schritten liegt das Dach des Steuerkanals zur Betrachtung durch den Benutzer frei und ist zum Einbringen und richtigen Positionieren des Lochs zugänglich. Nach Fertigungsabschluß der Vorrichtung wird das Metallinjektionsrohr in das Loch eingesetzt, um die Fluidverbindung fertigzustellen.
Außerdem verbiegt sich das Elastomer der Erfindung als Reaktion auf körperliche Beanspruchung am Berührungspunkt mit einer Außenverbindung, was die körperliche Außenverbindung robuster macht. Diese Flexibilität reduziert wesentlich das Leck- oder Bruchrisiko der Vorrichtung.
Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Mikrofluidvorrichtungen ist die Schwierigkeit beim Herstellen einer wirksamen Abdichtung zwischen der Vorrichtung und ihren externen Verbindungen. Wegen des extrem schmalen Durchmessers der Kanäle dieser Vorrichtungen können selbst mäßige Fluidströmungsgeschwindigkeiten extrem hohe Drücke erfordern. Dadurch kann es zu ungewünschten Leckagen an der Verbindungsstelle zwischen der Vorrichtung und Außenverbindungen kommen. Jedoch trägt die Flexibilität des Elastomers der Vorrichtung auch zur Überwindung von Lecks im Zusammenhang mit Druck bei. Insbesondere verbiegt sich das flexible Elastomermaterial so, daß es sich um ein eingesetztes Rohr anpaßt und eine druckbeständige Dichtung bildet.
Während die Steuerung des Materialstroms durch die Vorrichtung bisher mit ausgeübtem Gasdruck beschrieben wurde, könnten auch andere Fluide verwendet werden. Beispielsweise ist Luft komprimierbar und erfährt daher eine gewisse finite Verzögerung zwischen der Druckbeaufschlagungszeit durch das externe Magnetventil und der Zeit, zu der die Membran diesen Druck erfährt. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung könnte Druck aus einer externen Quelle auf ein nicht komprimierbares Fluid, z. B. Wasser oder Hydrauliköle, ausgeübt werden, was zu nahezu sofortiger Übertragung des ausgeübten Drucks auf die Membran führt. Ist aber das verdrängte Ventilvolumen groß oder ist der Steuerkanal schmal, kann eine höhere Viskosität eines Steuerfluids zur Betätigungsverzögerung beitragen. Daher hängt das optimale Medium zur Druckübertragung von der speziellen Anwendung und Vorrichtungskonfiguration ab, und sowohl gasförmige als auch flüssige Medien sind durch die Erfindung erwogen.
Während beschreibungsgemäß ausgeübter Außendruck durch ein Pumpen/Behältersystem über einen Druckregler und ein externes Miniaturventil zugeführt wurde, sind auch andere Verfahren zum Ausüben von Außendruck in der Erfindung erwogen, u. a. Gasbehälter, Verdichter, Kolbensysteme und Flüssigkeitssäulen. Erwogen ist auch der Gebrauch natürlich vorkommender Druckquellen, die z. B. in lebenden Organismen vorgefunden werden können, z. B. Blutdruck, Magendruck, in Hirn- Rückenmarks-Flüssigkeit vorhandener Druck, im Intraokularraum vorhandener Druck sowie durch Muskeln bei normaler Flexur ausgeübter Druck. Erwogen sind auch andere Verfahren zur Regulierung von Außendruck, z. B. Miniaturventile, -pumpen, makroskopische peristaltische Pumpen, Quetschventile und solche anderen Arten fluidregulierender Geräte, die in der Technik bekannt sind.
Wie deutlich ist, wurde experimentell nachgewiesen, daß die Reaktion von Ventilen gemäß Ausführungsformen der Erfindung über einen großen Anteil ihres Bewegungsbereichs mit minimaler Hysterese nahezu vollkommen linear ist. Daher sind die Ventile für Mikrofluiddosierung und Fluidsteuerung ideal geeignet. Die Linearität des Ventilverhaltens demonstriert, daß die einzelnen Ventile als Federn nach dem Hookeschen Gesetz gut modelliert sind. Ferner läßt sich hohen Drücken im Strömungskanal (d. h. Gegendruck) einfach entgegenwirken, indem der Betätigungsdruck erhöht wird. Experimentell wurde im Rahmen der Erfindung das Ventilschließen bei Gegendrücken von 70 kPa realisiert, aber auch höhere Drücke sind erwogen. Eine nicht ausschließliche Aufstellung von Druckbereichen, die von der Erfindung erfaßt sind, lautet 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.
Obgleich Ventile und Pumpen keine lineare Betätigung zum Öffnen und Schließen erfordern, können Ventile mit linearem Verhalten leichter als Dosiervorrichtungen verwendet werden. In einer Ausführungsform der Erfindung dient die Öffnung des Ventils zum Steuern der Durchflußgeschwindigkeit, indem es auf einen bekannten Verschlußgrad teilbetätigt wird. Die lineare Ventilbetätigung erleichtert das Bestimmen des erforderlichen Betätigungskraftbetrags zum Schließen des Ventils auf einen gewünschten Verschlußgrad. Ein weiterer Vorteil der linearen Betätigung ist, daß die zur Ventilbetätigung erforderliche Kraft anhand der Drücke im Strömungskanal leicht bestimmt werden kann. Ist die Betätigung linear, kann erhöhtem Druck im Strömungskanal entgegengewirkt werden, indem der gleiche Druck (Kraft je Flächeneinheit) auf den betätigten Abschnitt des Ventils zugegeben wird.
Die Linearität eines Ventils hängt von der Struktur, Zusammensetzung und vom Betätigungsverfahren der Ventilstruktur ab. Ob Linearität ein erwünschter Kennwert in einem Ventil ist, hängt ferner von der Anwendung ab. Daher sind sowohl linear als auch nicht linear betätigungsfähige Ventile in der Erfindung erwogen, und die Druckbereiche, über die ein Ventil linear betätigungsfähig ist, variieren mit der spezifischen Ausführungsform.
Fig. 22 zeigt das Zeitverhalten (d. h. Ventilverschluß als Funktion der Zeit als Reaktion auf eine Änderung des ausgeübten Drucks) eines 100 um · 100 um · 10 um großen RTV-Mikroventils mit 10 cm langem Luftschlauch, der vom Chip mit einem pneumatischen Ventil gemäß der vorstehenden Beschreibung verbunden ist.
In Fig. 22 sind zwei digitale Steuersignalperioden, der Ist-Luftdruck am Ende des Schlauchs und die Ventilöffnung gezeigt. Der auf die Steuerleitung ausgeübte Druck beträgt 100 kPa, was wesentlich höher als die ca. 40 kPa ist, die zum Schließen des Ventils nötig sind. Dadurch wird beim Schließen das Ventil mit einem 60 kPa größeren Druck als notwendig zugedrückt. Beim Öffnen wird das Ventil dagegen nur durch seine eigene Federkraft (≤40 kPa) in seine Ruheposition zurückbewegt. Dadurch ist τzu erwartungsgemäß viel kleiner als τauf. Außerdem gibt es eine Verzögerung zwischen dem Steuersignal und der Steuerdruckreaktion infolge der Beschränkungen des Miniaturventils, das zum Steuern des Drucks verwendet wird. Bezeichnet man solche Verzögerungen mit t und die 1/e-Zeitkonstanten mit τ, lauten die Werte tauf = 3,63 ms, τauf = 1,88 ms, tzu = 2,15 ms, τzu = 0,51 ms. Sind jeweils 3τ zum Öffnen und Schließen zulässig, arbeitet das Ventil bequem mit 75 Hz, wenn es mit wäßriger Lösung gefüllt ist.
Bei Einsatz eines anderen Betätigungsverfahrens, das nicht unter Öffnungs- und Schließverzögerung leidet, würde dieses Ventil mit ca. 375 Hz arbeiten. Zu beachten ist auch, daß die Federkonstante durch Ändern der Membrandicke eingestellt werden kann; dies ermöglicht eine Optimierung für schnelles Öffnen oder schnelles Schließen. Einstellen ließe sich die Federkonstante auch durch Ändern der Elastizität (Elastizitätsmodul) der Membran, was möglich ist durch Einbau von Dotant in die Membran oder durch Nutzung eines anderen Elastomermaterials, das als Membran dient (zuvor in Verbindung mit Fig. 7C-7H beschrieben).
Bei experimenteller Messung der Ventileigenschaften gemäß Fig. 21 und 22 wurde das Ventilöffnen durch Fluoreszenz gemessen. In diesen Experimenten war der Strömungskanal mit einer Lösung aus Fluoreszeinisothiocyanat (FITC) in Puffer (pH ≥ 8) gefüllt, und die Fluoreszenz einer Quadratfläche, die etwa 1/3 der Kanalmitte einnimmt, wird mit einem Epifluoreszenzmikroskop mit einer Fotovervielfacherröhre mit 10 kHz Bandbreite überwacht. Der Druck wurde mit einem Wheatstone- Brücken-Drucksensor (SenSym SCC15GD2) überwacht, der gleichzeitig mit der Steuerleitung über nahezu identische pneumatische Verbindungen unter Druck gesetzt wurde.

Strömungskanal-Querschnitte

Die Strömungskanäle der Erfindung können optional mit unterschiedlichen Querschnittgrößen und -formen gestaltet sein, was je nach ihrer gewünschten Anwendung unterschiedliche Vorteile bietet. Beispielsweise kann die Querschnittform des unteren Strömungskanals eine gewölbte Oberseite haben, entweder über die gesamte Länge oder in dem Bereich, der unter einem oberen Querkanal angeordnet ist. Durch eine solche gewölbte Oberseite erleichtert sich die Ventilabdichtung nachstehend beschrieben.
In Fig. 19 ist eine Querschnittansicht (ähnlich wie die von Fig. 7B) durch die Strömungskanäle 30 und 32 gezeigt. Darstellungsgemäß hat der Strömungskanal 30 eine rechtwinklige Querschnittform. In einem alternativen bevorzugten Aspekt der Erfindung gemäß Fig. 20 hat der Querschnitt eines Strömungskanals 30 statt dessen eine gewölbte Oberseite.
Wird zunächst gemäß Fig. 19 der Strömungskanal 32 unter Druck gesetzt, bewegt sich der Membranabschnitt 25 des Elastomerblocks 24, der die Strömungskanäle 30 und 32 trennt, nacheinander nach unten in Positionen, die mit den Strichlinien 25A, 25B, 25C, 25D und 25E gezeigt sind. Darstellungsgemäß kann sich eine möglicherweise unvollständige Abdichtung an den Kanten des Strömungskanals 30 benachbart zum ebenen Substrat 14 ergeben.
In der alternativen bevorzugten Ausführungsform von Fig. 20 hat ein Strömungskanal 30a eine gewölbte obere Wand 25A. Wird der Strömungskanal 32 unter Druck gesetzt, bewegt sich der Membranabschnitt 25 nacheinander nach unten in die mit Strichlinien 25A2, 25A3, 25A4 und 25A5 gezeigten Positionen, wobei sich Kantenabschnitte der Membran zuerst in den Strömungskanal bewegen, denen obere Membranabschnitte folgen. Ein Vorteil einer solchen gewölbten Oberseite an der Membran 25A ist, daß für vollständigere Abdichtung gesorgt ist, wenn der Strömungskanal 32 unter Druck gesetzt wird. Insbesondere bildet die obere Wand des Strömungskanals 30 eine kontinuierliche Berührungskante am ebenen Substrat 14, was die Berührungs-"Insel" vermeidet, die zwischen der Wand 25 und der Unterseite des Strömungskanals 30 in Fig. 19 zu sehen ist.
Ein weiterer Vorteil einer gewölbten Strömungskanaloberseite an der Membran 25A ist, daß sich die Membran leichter an die Form und das Volumen des Strömungskanals als Reaktion auf Betätigung anpassen kann. Bei Verwendung eines rechtwinkligen Strömungskanals muß insbesondere die gesamte Außenbegrenzung (2 · Strömungskanalhöhe plus Strömungskanalbreite) in den Strömungskanal gedrückt werden. Bei Einsatz eines gewölbten Strömungskanals muß dagegen eine kleinere Außenbegrenzung aus Material (nur der gewölbte Halbkreisabschnitt) in den Kanal gedrückt werden. Auf diese Weise erfordert die Membran eine kleinere Außenbegrenzungsänderung zur Betätigung und reagiert daher besser auf eine ausgeübte Betätigungskraft, um den Strömungskanal zu blockieren.
In einem alternativen Aspekt (nicht gezeigt) ist der Boden des Strömungskanals 30 so abgerundet, daß sich seine gewölbte Oberfläche mit der gewölbten oberen Wand 25A gemäß der zuvor beschriebenen Fig. 20 paart.
Zusammenfassend hängt die tatsächliche Formanpassungsänderung, die die Membran bei Betätigung erfährt, von der Konfiguration der speziellen Elastomerstruktur ab. Insbesondere hängt die Formanpassungsänderung von der Länge, Breite und dem Dickenprofil der Membran, ihrer Befestigung am Rest der Struktur sowie der Höhe, Breite und Form der Strömungs- und Steuerkanäle und der Materialeigenschaften des verwendeten Elastomers ab. Außerdem kann die Formanpassungsänderung vom Betätigungsverfahren abhängen, da Betätigung der Membran als Reaktion auf einen ausgeübten Druck gegenüber Betätigung als Reaktion auf eine magnetische oder elektrostatische Kraft etwas variiert.
Zudem hängt die gewünschte Formanpassungsänderung der Membran auch von der speziellen Anwendung für die Elastomerstruktur ab. In den einfachsten zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann das Ventil entweder offen oder geschlossen mit Dosierung zum Steuern des Ventilverschlußgrads sein. In anderen Ausführungsformen kann es aber erwünscht sein, die Form der Membran und/oder des Strömungskanals zu ändern, um eine komplexere Strömungsregulierung zu erreichen. Zum Beispiel könnte der Strömungskanal mit erhöhten Vorsprüngen unter dem Membranabschnitt so versehen sein, daß bei Betätigung die Membran nur einen prozentualen Anteil der Strömung durch den Strömungskanal absperrt, wobei der prozentuale Anteil der blockierten Strömung gegenüber der ausgeübten Betätigungskraft unempfindlich ist.
Durch die Erfindung sind viele Membrandickenprofile und Strömungskanalquerschnitte erwogen, u. a. rechtwinklige, trapezförmige, kreisförmige, ellipsoidische, parabolische, hyperbolische und polygonale sowie Schnitte der o. g. Formen. Komplexere Querschnittformen, z. B. die eben diskutierte Ausführungsform mit Vorsprüngen oder eine Ausführungsform mit Konkavitäten im Strömungskanal, sind durch die Erfindung ebenfalls erwogen.

Alternative Ventilbetätigungstechniken

Neben den oben beschriebenen Betätigungssystemen auf Druckbasis sind auch optionale elektrostatische und magnetische Betätigungssysteme wie folgt erwogen:
Elektrostatische Betätigung läßt sich erreichen, indem entgegengesetzt geladene Elektroden (die einander in der Tendenz anziehen, wenn eine Spannungsdifferenz an ihnen anliegt) direkt in der monolithischen Elastomerstruktur gebildet werden. Beispielsweise kann gemäß Fig. 7B eine optionale erste Elektrode 70 (in Durchsicht gezeigt) auf (oder in) der Membran 25 positioniert sein, und eine optionale zweite Elektrode 72 (auch in Durchsicht gezeigt) kann auf (oder in) dem ebenen Substrat 14 positioniert sein. Sind die Elektroden 70 und 72 mit entgegengesetzten Polaritäten geladen, bewirkt eine Anziehungskraft zwischen den beiden Elektroden, daß sich die Membran 25 nach unten ablenkt und dadurch das "Ventil" schließt (d. h. den Strömungskanal 30 schließt).
Damit die Membranelektrode ausreichend leitet, um elektrostatische Betätigung zu unterstützen, aber mechanisch nicht so steif ist, daß sie die Ventilbewegung behindert, muß eine ausreichend flexible Elektrode in oder über der Membran 25 vorgesehen sein. Eine solche Elektrode kann durch eine dünne Metallisierungsschicht, Dotieren des Polymers mit leitendem Material oder Herstellen der Oberflächenschicht aus einem leitenden Material gebildet sein.
In einem exemplarischen Aspekt kann die an der Ablenkungsmembran vorhandene Elektrode durch eine dünne Metallisierungsschicht gebildet sein, die z. B. durch Aufstäuben einer Metalldünschicht, z. B. 20 nm Gold, gebildet sein kann. Neben der Bildung einer metallisierten Membran durch Aufstäuben stehen auch andere Metallisierungsmöglichkeiten zur Verfügung, z. B. chemische Epitaxie, Aufdampfen, Elektroplattieren und stromloses Plattieren. Auch eine physikalische Übertragung einer Metallschicht auf die Oberfläche des Elastomers ist möglich, z. B. durch Aufdampfen eines Metalls auf ein flaches Substrat, an dem es schlecht haftet, und anschließendes Plazieren des Elastomers auf das Metall und Abziehen des Metalls vom Substrat.
Eine leitende Elektrode 70 läßt sich auch durch Ablagern von Kohleschwarz (d. h. Cabot Vulcan XC72R) auf die Elastomeroberfläche bilden, entweder durch Wischauftrag des Trockenpulvers oder durch Einwirken einer Suspension aus Kohleschwarz in einem Lösungsmittel auf das Elastomer, wodurch das Elastomer quillt (z. B. chlorhaltiges Lösungsmittel im Fall von PDMS). Alternativ kann die Elektrode 70 gebildet sein, indem die gesamte Schicht 20 aus Elastomer aufgebaut ist, das mit leitendem Material dotiert ist (d. h. Kohleschwarz oder feinverteilten Metallteilchen). Als noch weitere Alternative kann die Elektrode durch elektrostatische Abscheidung oder eine chemische Kohlenstoffbildungsreaktion erzeugt sein. In Experimenten im Rahmen der Erfindung wurde nachgewiesen, daß die Leitfähigkeit mit der Kohleschwarzkonzentration von 5,6 · 10&supmin;¹&sup6; auf etwa 5 · 10&supmin;³ (Ωcm)&supmin;¹ stieg. Die untere Elektrode 72, die sich nicht bewegen muß, kann eine geschmeidige Elektrode gemäß der vorstehenden Beschreibung oder eine herkömmliche Elektrode sein, z. B. aufgedampftes Gold, ein Metallblech oder eine dotierte Halbleiterelektrode.
Alternativ kann eine magnetische Betätigung der Strömungskanäle durch Fertigung der Membran, die die Strömungskanäle trennt, mit magnetisch polarisierbarem Material, z. B. Eisen, oder einem Dauermagnetmaterial, z. B. polarisiertes NdFeß, erreicht werden. In Experimenten im Rahmen der Erfindung wurde magnetisches Silikon durch Zugabe von Eisenpulver (etwa 1 um Teilchengröße) mit bis zu 20 Gew.-% Eisen erzeugt.
Ist die Membran mit einem magnetisch polarisierbarem Material gefertigt, kann die Membran durch Anziehung als Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld betätigt werden. Ist die Membran mit einem Material gefertigt, das Dauermagnetisierung wahren kann, kann das Material zunächst durch Einwirken eines ausreichend hohen Magnetfelds magnetisiert und dann durch Anziehung oder Abstoßung als Reaktion auf die Polarität eines angelegten inhomogenen Magnetfelds betätigt werden.
Das die Betätigung der Membran verursachende Magnetfeld läßt sich auf vielfältige Weise erzeugen. In einer Ausführungsform wird das Magnetfeld durch eine extrem kleine Induktionsspule erzeugt, die in oder unmittelbar an der Elastomermembran gebildet ist. Der Betätigungseffekt einer solchen Magnetspule wäre lokalisiert, wodurch einzelne Pumpen- und/oder Ventilstrukturen betätigt werden können. Alternativ könnte das Magnetfeld durch eine größere, leistungsstärkere Quelle erzeugt werden, wobei in diesem Fall die Betätigung global wäre und mehrere Pumpen- und/oder Ventilstrukturen gleichzeitig betätigt würden.
Ferner ist es möglich, Druckbetätigung mit elektrostatischer oder magnetischer Betätigung zu kombinieren. Insbesondere könnte eine Balgstruktur in Fluidverbindung mit einer Aussparung elektrostatisch oder magnetisch betätigt werden, um den Druck in der Aussparung zu ändern und so eine zur Aussparung benachbarte Membranstruktur zu betätigen.
Zusätzlich zur o. g. elektrischen oder magnetischen Betätigung sind auch optionale elektrolytische oder elektrokinetische Betätigungssysteme durch die Erfindung erwogen. Zum Beispiel könnte der Betätigungsdruck auf die Membran aus einer elektrolytischen Reaktion in einer über der Membran liegenden Aussparung stammen. In einer solchen Ausführungsform würden in der Aussparung vorhandene Elektroden eine Spannung über einem Elektrolyten in der Aussparung anlegen. Diese Potentialdifferenz würde eine elektrochemische Reaktion an den Elektroden bewirken und zur Erzeugung von Gasspezies führen, durch die eine Druckdifferenz in der Aussparung zustande kommt.
Alternativ könnte der Betätigungsdruck auf die Membran Ergebnis einer elektrokinetischen Fluidströmung im Steuerkanal sein. In einer solchen Ausführungsform würden Elektroden an entgegengesetzten Enden des Steuerkanals eine Potentialdifferenz über einem Elektrolyten im Steuerkanal anlegen. Die Wanderung geladener Spezies im Elektrolyten zu den jeweiligen Elektroden könnte zu einer Druckdifferenz führen.
Schließlich ist es auch möglich, die Vorrichtung zu betätigen, indem man eine Fluidströmung im Steuerkanal auf der Grundlage der Einwirkung von Wärmeenergie bewirkt, entweder durch Wärmedehnung oder durch Gaserzeugung aus Flüssigkeit. Ähnlich können gasförmige Produkte bildende chemische Reaktionen eine Druckerhöhung herbeiführen, die zur Membranbetätigung ausreicht.

Vernetzte Systeme

Fig. 23A und 23B zeigen Ansichten eines einzelnen Ein/Aus-Ventils, das mit den zuvor dargestellten Systemen identisch ist (z. B. in Fig. 7A). Fig. 24A und 24B zeigen ein peristaltisches Pumpsystem mit mehreren der einzeln adressierbaren Ein/Aus-Ventile gemäß Fig. 23, die aber miteinander vernetzt sind. Fig. 25 ist ein Diagramm experimentell erreichter Pumpgeschwindigkeiten als Funktion der Frequenz für das peristaltische Pumpsystem von Fig. 24. Fig. 26A und 26B zeigen eine schematische Ansicht mehrerer Strömungskanäle, die durch eine einzelne Steuerleitung steuerbar sind. Auch dieses System verfügt über mehrere der einzeln adressierbaren Ein/Aus-Ventile von Fig. 23, die miteinander gemultiplext sind, jedoch in einer anderen Anordnung als in Fig. 23. Fig. 27 ist eine schematische Darstellung eines Multiplexsystems, das geeignet ist, Fluidströmung durch ausgewählte Kanäle zu ermöglichen und das mehrere der einzelnen Ein/Aus-Ventile von Fig. 23 aufweist, die miteinander verbunden oder vernetzt sind.
Zunächst ist in Fig. 23A und 23B eine schematische Ansicht von Strömungskanälen 30 und 32 gezeigt. Vorzugsweise durchläuft den Strömungskanal 30 eine Flüssigkeits- (oder Gas-) Strömung F. Der Strömungskanal 32 (der den Strömungskanal 30 kreuzt, was bereits erläutert wurde) wird so unter Druck gesetzt, daß die Membran, die die Strömungskanäle trennt, in den Weg des Strömungskanals 30 herabgedrückt werden kann, was erläuterungsgemäß den Durchgang der Strömung F absperrt. Daher kann der "Strömungskanal" 32 auch als "Steuerleitung" bezeichnet werden, die ein Einzelventil im Strömungskanal 30 betätigt. In Fig. 23 bis 26 sind mehrere solcher adressierbaren Ventile in verschiedenen Anordnungen miteinander verbunden oder vernetzt, um Pumpen, die peristaltisch pumpen können, oder andere logische Fluidanwendungen zu erzeugen.
In Fig. 24A und 24B ist ein System zum peristaltischen Pumpen wie folgt bereitgestellt: Ein Strömungskanal 30 hat mehrere allgemein parallele Strömungskanäle (d. h. Steuerleitungen) 32A, 32B und 32C, die darüber hinweglaufen. Durch Druckbeaufschlagung in der Steuerleitung 32A wird die Strömung F durch den Strömungskanal 30 unter der Membran 25A am Schnitt der Steuerleitung 32A und des Strömungskanals 30 abgesperrt. Ähnlich (aber nicht gezeigt) wird durch Druckbeaufschlagung der Steuerleitung 32B die Strömung F durch den Steuerkanal 30 unter der Membran 25B am Schnitt der Steuerleitung 32B und des Strömungskanals 30 abgesperrt, usw.
Jede der Steuerleitungen 32A, 32B und 32C ist separat adressierbar. Daher läßt sich eine Peristaltikbetätigung durch das Muster herbeiführen, bei dem 32A und 32B gemeinsam betätigt werden, gefolgt von 32A, gefolgt von 32A und 32B gemeinsam, gefolgt von 32B, gefolgt von 32B und C gemeinsam usw. Dies entspricht einem Folgemuster "101, 100, 110, 010, 011, 001", worin "0" "Ventil auf" und "1" "Ventil zu" bezeichnet. Dieses peristaltische Muster ist auch als 120º-Muster bekannt (bezogen auf den Betätigungsphasenwinkel zwischen den drei Ventilen). Ebenso sind andere peristaltische Muster möglich, u. a. 60º- und 90º-Muster.
In Experimenten im Rahmen der Erfindung wurde eine Pumpgeschwindigkeit von 2,35 nl/s gemessen, indem die von einer Wassersäule in einem dünnen Schlauch (0,5 mm Innendurchmesser) zurückgelegte Strecke gemessen wurde; wobei 100 · 100 · 10-um-Ventile bei einem Betätigungsdruck von 40 kPa zum Einsatz kamen. Die Pumpgeschwindigkeit stieg mit der Betätigungsfrequenz bis etwa 75 Hz und war dann bis über 200 Hz nahezu konstant. Die Ventile und Pumpen sind auch recht haltbar, und es wurden keinerlei Ausfälle der Elastomermembran, der Steuerkanäle oder der Verbindung beobachtet. In Versuchen, die im Rahmen der Erfindung durchgeführt wurden, zeigte keines der Ventile in der hier beschriebenen peristaltischen Pumpe Anzeichen von Verschleiß oder Ermüdung nach mehr als 4 Million Betätigungen. Neben ihrer Haltbarkeit sind sie auch schonend. Eine Lösung aus E. coli, die durch einen Kanal gepumpt und auf Lebensfähigkeit getestet wurde, zeigte eine 94%ige Überlebensrate.
Fig. 25 ist ein Diagramm experimentell erzielter Pumpgeschwindigkeiten als Funktion der Frequenz für das peristaltische Pumpsystem von Fig. 24.
Fig. 26A und 26B veranschaulichen eine weitere Möglichkeit der Zusammenstellung mehrerer der adressierbaren Ventile von Fig. 21. Insbesondere sind mehrere parallele Strömungskanäle 30A, 30B und 30C vorgesehen. Ein Strömungskanal (d. h. eine Steuerleitung) 32 läuft quer über die Strömungskanäle 30A, 30B und 30C hinweg. Die Druckbeaufschlagung der Steuerleitung 32 sperrt gleichzeitig die Strömungen F1, F2 und F3 ab, indem Membranen 25A, 25B und 25C herabgedrückt werden, die an den Schnittpunkten der Steuerleitung 32 und der Strömungskanäle 30A, 30B und 30C liegen.
Fig. 27 ist eine schematische Darstellung eines Multiplexsystems, das geeignet ist, Fluidströmung durch ausgewählte Kanäle wie folgt selektiv zu ermöglichen: Die Abwärtsablenkung der Membranen, die die jeweiligen Strömungskanäle von einer darüber hinweglaufenden Steuerleitung trennen (z. B. der Membranen 25A, 25B und 25C in Fig. 26A und 26B) hängen stark von den Membranmaßen ab. Folglich läßt sich durch Variieren der Breiten der Strömungskanal-Steuerleitung 32 in Fig. 26A und 26B eine Steuerleitung über mehrere Strömungskanäle hinwegführen, wobei aber nur gewünschte Strömungskanäle betätigt (d. h. abgedichtet) werden. Fig. 27 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen Systems gemäß der nachfolgenden Beschreibung.
Mehrere parallele Strömungskanäle 30A, 30B, 30C, 30D, 30E und 30F sind unter mehreren parallelen Steuerleitungen 32A, 32B, 32C, 32D, 32E und 32F positioniert. Die Steuerkanäle 32A, 32B, 32C, 32D, 32E und 32F sind geeignet, Fluidströmungen F1, F2, F3, F4, F5 und F6 abzusperren, die die parallelen Strömungskanäle 30A, 30B, 30C, 30D, 30E und 30F durchfließen, wobei eines der zuvor beschriebenen Ventilsysteme mit der folgenden Abwandlung zum Einsatz kommt:
Jeder der Steuerleitungen 32A, 32B, 32C, 32D, 32E und 32F hat sowohl breite als auch schmale Abschnitte. Zum Beispiel ist die Steuerleitung 32A an Stellen breit, die über den Strömungskanälen 30A, 30C und 30E liegen. Ähnlich ist die Steuerleitung 32B an Stellen breit, die über den Strömungskanälen 30B, 30D und 30F liegen, und die Steuerleitung 30C ist an Stellen breit, die über den Strömungskanälen 30A, 30B, 30E und 30F liegen.
An der Stelle, wo die jeweilige Steuerleitung breit ist, bewirkt ihre Druckbeaufschlagung, daß die Membran (25) die den Strömungskanal und die Steuerleitung trennt, sich wesentlich in den Strömungskanal herabdrückt und dadurch den Strömungsdurchgang durch ihn blockiert. Umgekehrt ist an den Stellen, wo die jeweilige Steuerleitung schmal ist, auch die Membran (25) schmal. Somit führt der gleiche Grad an Druckbeaufschlagung nicht dazu, daß die Membran (25) in den Strömungskanal (30) herabgedrückt wird. Dadurch wird der Fluiddurchgang darunter nicht blockiert.
Wird z. B. die Steuerleitung 32A unter Druck gesetzt, blockiert sie die Strömungen F1, F3 und F5 in den Strömungskanälen 30A, 30C und 30E. Wird ähnlich die Steuerleitung 30C unter Druck gesetzt, blockiert sie die Strömungen F1, F2, F5 und F6 in den Strömungskanälen 30A, 30B, 30E und 30F. Wie deutlich ist, kann mehr als eine Steuerleitung gleichzeitig betätigt werden. Zum Beispiel können die Steuerleitungen 32A und 32C gleichzeitig betätigt werden, um jegliche Fluidströmung außer F4 zu blockieren (wobei 32A F1, F3 und F5 blockiert; und 32C F1, F2, F5 und F6 blockiert).
Durch selektive Druckbeaufschlagung unterschiedlicher Steuerleitungen (32) sowohl gemeinsam als auch in verschiedenen Abfolgen läßt sich ein hoher Grad an Fluidströmungssteuerung erreichen. Außerdem lassen sich durch Erweitern dieses Systems auf mehr als sechs parallele Strömungskanäle (30) und mehr als vier parallele Steuerleitungen (32) und durch Variieren der Positionierung der breiten und schmalen Bereiche der Steuerleitungen sehr komplexe Fluidströmungssteuersysteme herstellen. Eine Eigenschaft solcher Systeme ist, daß es möglich ist, jeden einzelnen Strömungskanal aus n Strömungskanälen mit nur 2(log&sub2;n) Steuerleitungen einzuschalten.
Im Rahmen der Erfindung wurden erfolgreich Mikrofluidstrukturen mit Dichten von 30 Vorrichtungen/mm² gefertigt, wobei aber höhere Dichten erreichbar sind.

Selektiv adressierbare Reaktionskammern entlang von Strömungsleitungen

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 28A, 28B, 28C und 28D ist ein System zum selektiven Leiten einer Fluidströmung in eine oder mehrere von mehreren Reaktionskammern bereitgestellt, die entlang einer Strömungsleitung angeordnet sind.
Fig. 28A zeigt eine Draufsicht auf einen Strömungskanal 30 mit mehreren daran entlang angeordneten Reaktionskammern 80A und 80B. Vorzugsweise sind der Strömungskanal 30 und die Reaktionskammern 80A und 80B als Aussparungen in der Unterseite einer ersten Elastomerschicht 100 gemeinsam gebildet.
Fig. 28B zeigt eine Untersicht auf eine weitere Elastomerschicht 110 mit zwei Steuerleitungen 32A und 32B, die jeweils allgemein schmal sind, aber breite Erweiterungsabschnitte 33A und 33B haben, die als Aussparungen in ihnen gebildet sind.
Wie die Explosionsdarstellung von Fig. 28C und die Zusammenbauzeichnung von Fig. 28D zeigen, wird die Elastomerschicht 110 über der Elastomerschicht 100 plaziert. Danach werden die Schichten 100 und 110 miteinander verbunden, und das integrierte System arbeitet so, daß es Fluidströmung F (durch den Strömungskanal 30) selektiv in eine oder beide Reaktionskammern 80A und 80B wie folgt leitet: Durch Druckbeaufschlagung der Steuerleitung 32A wird die Membran 25 (d. h. der dünne Abschnitt der Elastomerschicht 100, der unter dem Erweiterungsabschnitt 33A und über Bereichen 82A der Reaktionskammer 80A liegt) herabgedrückt, was den Fluidströmungsdurchgang in den Bereichen 82A absperrt und die Reaktionskammer 80 vom Strömungskanal 30 wirksam abdichtet. Wie ebenfalls deutlich wird, ist der Erweiterungsabschnitt 33A breiter als der Rest der Steuerleitung 32A. Daher führt die Druckbeaufschlagung der Steuerleitung 32A nicht dazu, daß die Steuerleitung 32A den Strömungskanal 30 abdichtet.
Wie deutlich ist, können eine oder beide Steuerleitungen 32A und 32B zugleich betätigt werden. Werden beide Steuerleitung 32A und 32B gemeinsam unter Druck gesetzt, tritt die Probenströmung im Strömungskanal 30 in keine der Reaktionskammern 80A oder 80B ein.
Das Konzept der selektiven Steuerung der Fluideinleitung in verschiedene adressierbare Reaktionskammern, die entlang einer Strömungsleitung angeordnet sind (Fig. 28), läßt sich mit dem Konzept der selektiven Steuerung der Fluidströmung durch eine oder mehrere parallele Strömungsleitungen (Fig. 27) kombinieren, um ein System zu ergeben, in dem eine oder mehrere Fluidproben in jede spezielle Reaktionskammer in einer Anordnung aus Reaktionskammern gesendet werden können. Ein Beispiel für ein solches System zeigt Fig. 29, in der parallele Steuerkanäle 32A, 32B und 32B mit Erweiterungsabschnitten 34 (alle in Durchsicht gezeigt) Fluidströmungen F1 und F2 selektiv in jede Mulde der Anordnung aus Reaktionsmulden 80A, 80B, 80C oder 80D gemäß der vorstehenden Erläuterung leiten; während eine Druckbeaufschlagung der Steuerleitungen 32C und 32D die Strömungen F2 bzw. F1 selektiv absperrt.
In noch einer weiteren Ausführungsform ist ein Fluiddurchgang zwischen parallelen Strömungskanälen möglich. Gemäß Fig. 30 können eine oder beide Steuerleitungen 32A oder 32D so unter Druck gesetzt werden, daß Fluidströmung durch Seitendurchgänge 35 (zwischen parallelen Strömungskanälen 30A und 30B) möglich ist. In diesem Aspekt der Erfindung würde die Druckbeaufschlagung der Steuerleitungen 32C und 32D den Strömungskanal 30A zwischen 35A und 35B absperren und auch die Seitendurchgänge 35B schließen. Somit würde eine als Strömung F1 eintretende Strömung nacheinander 30A, 35A durchlaufen und 30B als Strömung F4 verlassen.

Umschaltbare Strömungsanordnungen

In noch einer weiteren neuen Ausführungsform kann der Fluiddurchgang selektiv so geleitet werden, daß er in eine von zwei lotrechten Richtungen fließt. Ein Beispiel eines solchen Systems mit "umschaltbarer Strömungsanordnung" ist in Fig. 31A bis 31D gezeigt. Fig. 31A zeigt eine Untersicht auf eine erste Elastomerschicht 90 (oder ein anderes geeignetes Substrat), die eine Unterseite mit einem Aussparungsmuster hat, das ein Strömungskanalgitter bildet, das durch eine Anordnung aus massiven Ständern 92 gebildet ist, die jeweils sie umlaufende Strömungskanäle haben.
In bevorzugten Aspekten ist eine zusätzliche Elastomerschicht mit der Oberseite der Schicht 90 so verbunden, daß Fluidströmung selektiv so geleitet werden kann, daß sie sich in Richtung F1 oder in die lotrechte Richtung F2 bewegt. Fig. 31 ist eine Untersicht auf die Unterseite der zweiten Elastomerschicht 95 und zeigt Aussparungen, die in Form von abwechselnden "senkrechten" Steuerleitungen 96 und "waagerechten" Steuerleitungen 94 gebildet sind. Die "senkrechten" Steuerleitungen 96 haben dieselbe Breite über ihre Länge, während die "waagerechten" Steuerleitungen 94 darstellungsgemäß abwechselnde breite und schmale Abschnitte haben.
Die Elastomerschicht 95 ist oben auf der Elastomerschicht 90 so positioniert, daß die "senkrechten" Steuerleitungen 96 über den Ständern 92 gemäß Fig. 31C positioniert sind und die "waagerechten" Steuerleitungen 94 mit ihren breiten Abschnitten zwischen den Ständern 92 gemäß Fig. 31D positioniert sind.
Werden gemäß Fig. 31C die "senkrechten" Steuerleitungen 96 unter Druck gesetzt, wird die Membran der integrierten Struktur, die durch die anfangs zwischen den Schichten 90 und 95 in den Bereichen 98 positionierte Elastomerschicht gebildet ist, über der Anordnung aus Strömungskanälen so nach unten abgelenkt, daß Strömung darstellungsgemäß nur in Strömungsrichtung F2 (d. h. senkrecht) durchfließen kann.
Werden gemäß Fig. 31D die "waagerechten" Steuerleitungen 94 unter Druck gesetzt, so wird die Membran der integrierten Struktur, die durch die anfangs zwischen den Schichten 90 und 95 in den Bereichen 99 positionierte Elastomerschicht gebildet ist, über der Anordnung aus Strömungskanälen (aber nur in den Bereichen, wo sie am breitesten sind) so nach unten abgelenkt, daß Strömung darstellungsgemäß nur in Strömungsrichtung F1 (d. h. waagerecht) durchfließen kann.
Die Gestaltung von Fig. 31 ermöglicht den Aufbau einer umschaltbaren Strömungsanordnung aus nur zwei Elastomerschichten, ohne daß senkrechte Durchgangslöcher erforderlich sind, die zwischen Steuerleitungen in unterschiedlichen Elastomerschichten verlaufen. Sind alle senkrechten Strömungssteuerleitungen 94 verbunden, können sie von einem Eingang aus unter Druck gesetzt werden. Gleiches gilt für alle waagerechten Strömungssteuerleitungen 96.

Biopolymersynthese

Die Elastomerventilstrukturen können auch in der Biopolymersynthese verwendet werden, z. B. beim Synthetisieren von Oligonucleotiden, Proteinen, Peptiden, DNA usw. In einem bevorzugten Aspekt können solche Systeme zur Biopolymersynthese ein integriertes System mit einer Anordnung aus Reservoiren, (erfindungsgemäßer) Fluidlogik zum Auswählen der Strömung aus einem speziellen Reservoir, einer Anordnung aus Kanälen oder Reservoiren, in denen die Synthese erfolgt, und (ebenfalls erfindungsgemäßer) Fluidlogik zum Bestimmen, in welche Kanäle das ausgewählte Reagens fließt, aufweisen. In Fig. 32 ist ein Beispiel für ein solches System 200 gemäß der nachfolgenden Beschreibung dargestellt.
In vier Reservoiren 150A, 150B, 150C und 150D befinden sich darstellungsgemäß Basen A, C, T bzw. G. Vier Strömungskanäle 30A, 30B, 30C und 30D sind mit den Reservoiren 150A, 150B, 150C und 150D verbunden. Vier (in Durchsicht gezeigte) Steuerleitungen 32A, 32B, 32C und 32D sind quer darüber angeordnet, wobei die Steuerleitung 32A nur Strömung durch den Strömungskanal 30A durchläßt (d. h. die Strömungskanäle 30B, 30C und 30D abdichtet), wenn die Steuerleitung 32A unter Druck gesetzt ist. Ähnlich ermöglicht die Steuerleitung 32B nur Strömung durch den Strömungskanal 30B, wenn sie unter Druck steht. Somit wählt die selektive Druckbeaufschlagung der Steuerleitungen 32A, 32B, 32C und 32D nacheinander eine gewünschte Base A, C, T und G aus einem gewünschten Reservoir 150A, 150B, 150C und 150D aus. Danach durchläuft das Fluid einen Strömungskanal 120 in eine gemultiplexte Kanalströmungssteuerung 125 (u. a. beispielsweise ein System gemäß Fig. 26A bis 31D), die ihrerseits Fluidströmung in einen oder mehrere von mehreren Synthesekanälen oder -kammern 122A, 122B, 122C, 122D oder 122E leitet, in denen eine Festphasensynthese durchgeführt werden kann.
Fig. 33 zeigt eine weitere Erweiterung dieses Systems, bei dem mehrere Reservoire R1 bis R13 (die Basen A, T, C und G oder beliebige andere Reaktionspartner enthalten können, die z. B. in der kombinatorischen Chemie verwendet würden) mit den Systemen 200 gemäß Fig. 32 verbunden sind. Die Systeme 200 sind mit einer gemultiplexten Kanalströmungssteuerung 125 verbunden (u. a. zum Beispiel ein System gemäß Fig. 26A bis 31D), die ihrerseits mit einer umschaltbaren Strömungsanordnung (z. B. gemäß Fig. 31) verbunden ist. Ein Vorteil dieses Systems ist, daß sowohl die gemultiplexten Kanalströmungssteuerung 125 als auch die Fluidauswahlsysteme 200 durch die gleichen Druckeingänge 170 und 172 gesteuert werden können, sofern eine "geschlossene waagerechte" und eine "geschlossene senkrechte" Steuerleitung (160 und 162 in Durchsicht) auch vorgesehen sind.
In einem weiteren alternativen Aspekt der Erfindung können mehrere gemultiplexte Kanalströmungssteuerungen (z. B. 125) verwendet werden, wobei jede Strömungssteuerung anfangs übereinandergestapelt in einer unterschiedlichen Elastomerschicht mit senkrechten Durchgangslöchern oder gegenseitigen Verbindungen zwischen den Elastomerschichten positioniert ist (die durch lithographisches Mustern einer ätzbeständigen Schicht auf der Oberseite einer Elastomerschicht, anschließendes Ätzen des Elastomers und abschließendes Entfernen des Ätzresists vor Zufügen der letzten Elastomerschicht gebildet sein können).
Erzeugen läßt sich ein senkrechtes Durchgangsloch in einer Elastomerschicht z. B. durch Ätzen eines Lochs nach unten bis auf eine erhöhte Linie auf einer mikrobearbeiteten Form und Verbinden der nächsten Schicht, so daß ein Kanal über diesem Loch verläuft. In diesem Aspekt der Erfindung ist eine Mehrfachsynthese mit mehreren gemultiplexten Kanalströmungssteuerung 125 möglich.
Das Verbinden aufeinanderfolgender Schichten aus geformtem Elastomer zur Bildung einer Mehrschichtstruktur ist in Fig. 34 gezeigt, die eine optische Mikroaufnahme eines Schnitts einer Versuchsstruktur aus sieben miteinander verbundenen Elastomerschichten ist. Der Maßstabstrich in Fig. 34 ist 200 um lang.
In Fig. 35A-35D ist ein Verfahren zur Fertigung einer Elastomerschicht mit dem in einer Mehrschichtstruktur genutzten senkrechten Durchgangsloch als Merkmal gezeigt. Fig. 35A zeigt die Bildung einer Elastomerschicht 3500 über einer mikrobearbeiteten Form 3502 mit einer erhöhten Linie 3502a.
Fig. 35B zeigt die Bildung einer Metallätzblockierschicht 3504 über der Elastomerschicht 3500, gefolgt vom Mustern einer Fotoresistmaske 3506 über der Ätzblockierschicht 3504, um maskierte Bereiche 3508 abzudecken und unmaskierte Bereiche 3510 freiliegen zu lassen. Fig. 35C zeigt das Einwirken von Lösungsmittel, das die Ätzblockierschicht 3504 in den unmaskierten Bereichen 3510 entfernt.
Fig. 35D zeigt das Entfernen des gemusterten Fotoresists, gefolgt vom anschließenden Ätzen des darunterliegenden Elastomers 3500 in den unmaskierten Bereichen 3510, um ein senkrechtes Durchgangsloch 3512 zu bilden. Die anschließende Einwirkung von Lösungsmittel entfernt die restliche Ätzblockierschicht 3504 in den maskierten Bereichen 3508 selektiv zum umgebenden Elastomer 3500 und zur Form 3502. Danach kann diese Elastomerschicht in eine Elastomerstruktur durch Mehrschicht-Weichlithographie eingebaut werden.
Bei Bedarf läßt sich diese Schrittfolge wiederholen, um eine Mehrschichtstruktur zu bilden, die die gewünschte Anzahl und Orientierung senkrechter Durchgangslöcher zwischen Kanälen aufeinanderfolgender Elastomerschichten hat.
Im Rahmen der Erfindung wurden Durchgangslöcher erfolgreich durch Schichten aus GE RTV 615 mit einer Lösung aus Tetrabutylammoniumfluorid in organischem Lösungsmittel geätzt. Gold dient als Ätzblockiermaterial, wobei das Gold selektiv zum GE RV 615 mit einer KI/I&sub2;/H&sub2;O-Mischung entfernt wird.
Alternativ könnten senkrechte Durchgangslöcher zwischen Kanälen in aufeinanderfolgenden Elastomerschichten mit Hilfe einer Negativmaskentechnik gebildet werden. Bei diesem Herangehen wird eine Negativmaske aus einer Metallfolie gemustert, und die anschließende Bildung einer Ätzblockierschicht wird dort unterdrückt, wo die Metallfolie vorhanden ist. Sobald das Ätzblockiermaterial gemustert ist, wird die Negativmetallfolienmaske entfernt, wodurch das Elastomer wie zuvor beschrieben selektiv geätzt werden kann.
Bei noch einem weiteren Herangehen könnten senkrechte Durchgangslöcher in einer Elastomerschicht durch Abtragen von Elastomermaterial mittels Strahlungseinwirkung von einem aufgebrachten Laserstrahl gebildet werden.
Wenngleich der o. g. Weg im Zusammenhang mit der Synthese von Biopolymeren beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Anwendung beschränkt. Die Erfindung könnte auch in vielfältigen Ansätzen zur chemischen kombinatorischen Synthese funktionieren.

Andere Anwendungen

Vorteilhafte Anwendungen der monolithischen mikrostrukturierten Elastomerventile und -pumpen sind zahlreich. Somit ist die Erfindung nicht auf eine spezielle Anwendung oder deren Gebrauch beschränkt. In bevorzugten Aspekten sind die nachfolgenden Verwendungszwecke und Anwendungsbereiche für die Erfindung erwogen.

1. Zell-/DNA-Sortierung

Die Mikrofluidpumpen und -ventile können auch in Durchflußzytometern zur Zellsortierung und DNA-Klassierung verwendet werden. In vielen technischen Bereichen ist das Sortieren von Objekten nach Größe extrem nützlich.
Zum Beispiel erfordern viele Assays in der Biologie eine Größenbestimmung von Gebilden in Molekulargröße. Von spezieller Bedeutung ist die Längenverteilungsmessung von DNA-Molekülen in einer heterogenen Lösung. Gewöhnlich geschieht dies mit Gelelektrophorese, bei der die Moleküle nach ihrer unterschiedlichen Mobilität in einer Gelmatrix in einem angelegten elektrischen Feld getrennt und ihre Positionen durch Strahlungsabsorption oder -emission detektiert werden. Danach wird auf die Längen der DNA-Moleküle anhand ihrer Mobilität geschlossen.
Trotz ihrer Leistungsstärke sind elektrophoretische Verfahren mit Nachteilen behaftet. Für mittlere bis große DNA- Moleküle ist die Auflösung, d. h. die minimale Längendifferenz, mit der unterschiedliche Moleküllängen unterschieden werden können, auf etwa 10% der Gesamtlänge begrenzt. Für extrem lange DNA-Moleküle ist das herkömmliche Sortierverfahren nicht praktikabel. Zudem ist die Gelelektrophorese ein relativ langwieriges Verfahren und kann Stunden oder Tage zur Durchführung benötigen.
Das Sortieren von Gebilden in Zellgröße ist ebenfalls eine wichtige Aufgabe. Herkömmliche Strömungszellsortierer sind so gestaltet, daß sie eine Strömungskammer mit einer Düse haben, und beruhen auf dem Prinzip der hydrodynamischen Fokussierung mit der Mantelströmung. Die meisten herkömmlichen Zellsortierer kombinieren die Technologie der piezoelektrischen Tropfenerzeugung und elektrostatischen Ablenkung, um Tröpfchenbildung und hohe Sortiergeschwindigkeiten zu erreichen. Allerdings hat dieser Weg einige bedeutende Nachteile. Ein Nachteil ist, daß Komplexität, Größe und Kosten der Sortiervorrichtung erfordern, daß sie wiederverwendbar ist, um kosteneffektiv zu sein. Ihrerseits kann die Wiederverwendung zu Problemen mit Restmaterialien führen, die Probenkontamination und turbulente Fluidströmung verursachen.
Daher besteht in der Technik Bedarf an einer einfachen, billigen und leicht herzustellenden Sortiervorrichtung, die auf der mechanischen Steuerung der Fluidströmung statt auf elektrischen Wechselwirkungen zwischen dem Teilchen und dem gelösten Stoff beruht.
In Fig. 36 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sortiervorrichtung gezeigt. Eine Sortiervorrichtung 3600 ist aus einer Schaltventilstruktur gebildet, die aus Kanälen erzeugt ist, die in einem Elastomerblock vorhanden sind. Insbesondere ist ein Strömungskanal 3602 T-förmig, wobei ein Stiel 3602a des Strömungskanals 3602 in Fluidverbindung mit einem Probenreservoir 3604 steht, das sortierbare Gebilde 3606 unterschiedlicher Arten enthält, die durch die Form bezeichnet sind (Quadrat, Kreis, Dreieck usw.). Ein linker Zweig 3602b des Strömungskanals 3602 steht in Fluidverbindung mit einem Abfallreservoir 3608. Ein rechter Zweig 3602c des Strömungskanals 3602 steht mit einem Auffangreservoir 3610 in Verbindung.
Steuerkanäle 3612a, 3612b und 3612c liegen über dem Stiel 3602a des Strömungskanals 3602 und sind davon durch Elastomermembranabschnitte 3614a, 3614b bzw. 3614c getrennt. Zusammen bilden der Stiel 3602a des Strömungskanals 3602 und die Steuerkanäle 3612a, 3612b und 3612c eine erste peristaltische Pumpenstruktur 3616, die der zuvor anhand von Fig. 24a ausführlich beschriebenen ähnelt.
Ein Steuerkanal 3612d liegt über dem rechten Zweig 3602c des Strömungskanals 3602 und ist von ihm durch einen Elastomermembranabschnitt 3614d getrennt. Zusammen bilden der rechte Zweig 3602c des Strömungskanals 3602 und der Steuerkanal 3612d eine erste Ventilstruktur 3618a. Ein Steuerkanal 3612e liegt über dem linken Zweig 3602c des Strömungskanals 3602 und ist von ihm durch einen Elastomermembranabschnitt 3614e getrennt. Gemeinsam bilden der linke Zweig 3602c des Strömungskanals 3602 und der Steuerkanal 3612e eine zweite Ventilstruktur 3618b.
Gemäß Fig. 36 verengt sich der Stiel 3602a des Strömungskanals 3602 stark bei der Annäherung an ein Detektionsfenster 3620 benachbart zur Verbindungsstelle zwischen Stiel 3602a, rechtem Zweig 3602b und linkem Zweig 3602c. Das Detektionsfenster 3620 ist ausreichend breit, damit dieser Bereich gleichmäßig beleuchtet sein kann. In einer Ausführungsform verengt sich die Breite des Stiels von 100 um auf 5 um am Detektionsfenster. Die Stielbreite am Detektionsfenster läßt sich mit den zuvor ausführlich beschriebenen Herstellungstechniken mit Weichlithographie oder Fotoresistverkapselung genau ausbilden und hängt von der Beschaffenheit und Größe des zu sortierenden Gebildes ab.
Die Sortiervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung arbeitet auf die nachstehend beschriebene Weise.
Die Probe wird auf einen solchen Grad verdünnt, daß erwartungsgemäß nur ein einziges sortierbares Gebilde jeweils im Detektionsfenster vorhanden ist. Die peristaltische Pumpe 3616 wird durch Strömenlassen eines Fluids durch die zuvor ausführlich beschriebenen Steuerkanäle 3612a-c aktiviert. Zusätzlich wird die zweite Ventilstruktur 3618b durch Strömen von Fluid durch den Steuerkanal 3612e geschlossen. Als Ergebnis der Pumpwirkung der peristaltischen Pumpe 3616 und der Blockierwirkung des zweiten Ventils 3618b strömt Fluid aus dem Probenreservoir 3604 durch das Detektionsfenster 3620 in das Abfallreservoir 3608. Aufgrund der Verengung des Stiels 3604 werden im Probenreservoir 3604 vorhandene sortierbare Gebilde durch diese regelmäßige Fluidströmung jeweils einzeln über das Detektionsfenster 3620 mitgeführt.
Strahlung 3640 aus einer Quelle 3642 wird in das Detektionsfenster 3620 geleitet. Möglich ist dies wegen des Durchlaßvermögens des Elastomermaterials. Danach wird Absorption oder Emission der Strahlung 3640 durch das sortierbare Gebilde 3606 mit einem Detektor 3644 detektiert.
Soll ein sortierbares Gebilde 3606a innerhalb des Detektionsfensters 3620 abgetrennt und durch die Auffangvorrichtung 3600 aufgefangen werden, wird das erste Ventil 3618a aktiviert und das zweite Ventil 3618b deaktiviert. Dies bewirkt, daß das sortierbare Gebilde 3606a in das Auffangreservoir 3610 gesaugt und gleichzeitig ein sortierbares Gebilde 3606b in das Detektionsfenster 3620 überführt wird. Wird das zweite sortierbare Gebilde 3602b auch zum Auffangen identifiziert, läßt die peristaltische Pumpe 3616 weiterhin Fluid durch den rechten Zweig 3602c des Strömungskanals 3602 in das Auffangreservoir 3610 strömen. Soll das zweite Gebilde 3606b dagegen nicht aufgefangen werden, öffnet das erste Ventil 3618a, und das zweite Ventil 3618b schließt, und die erste peristaltische Pumpe 3616 nimmt das Pumpen von Flüssigkeit durch den linken Zweig 3602b des Strömungskanals 3602 in das Abfallreservoir 3608 wieder auf.
Obgleich eine spezifische Ausführungsform einer Sortiervorrichtung und eines Verfahrens zu ihrem Betrieb anhand von Fig. 36 beschrieben sind, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel ist es nicht nötig, Fluid durch die Strömungskanäle unter Verwendung der peristaltischen Pumpenstruktur strömen zu lassen, sondern es könnte statt dessen unter Druck strömen gelassen werden, wobei die Elastomerventile lediglich die Richtwirkung der Strömung steuern. In noch einer weiteren Ausführungsform könnten mehrere Sortierstrukturen in Reihe zusammengestellt sein, um aufeinanderfolgende Sortieroperationen durchzuführen, wobei das Abfallreservoir von Fig. 36 einfach durch den Stiel der nächsten Sortierstruktur ersetzt ist.
Außerdem könnte ein Sortierverfahren mit hohem Durchsatz zum Einsatz kommen, bei dem eine kontinuierliche Fluidströmung aus dem Probenreservoir über das Fenster und die Verbindungsstelle in das Abfallreservoir gewahrt bleibt, bis ein zum Auffangen bestimmtes Gebilde im Fenster detektiert wird. Nach Detektion eines aufzufangenden Gebildes wird die Fluidströmungsrichtung durch die Pumpenstruktur zeitweilig umgekehrt, um das gewünschte Teilchen zurück über die Verbindungsstelle in das Auffangreservoir zu transportieren. So könnte die Sortiervorrichtung eine höhere Strömungsgeschwindigkeit mit der Fähigkeit zum Zurückgehen nutzen, wenn ein gewünschtes Gebilde detektiert wird. Eine solche alternative Sortiertechnik mit hohem Durchsatz könnte genutzt werden, wenn das aufzufangende Gebilde rar ist und selten die Notwendigkeit zum Zurückgehen besteht.
Das erfindungsgemäße Sortieren würde die Sortiernachteile bei Nutzung herkömmlicher elektrokinetischer Strömung vermeiden, z. B. Blasenbildung, eine starke Abhängigkeit von Strömungsgröße und -richtung von der Zusammensetzung der Lösung und oberflächenchemischen Effekten, eine Mobilitätsdifferenz unterschiedlicher chemischer Spezies sowie verringerte Lebensfähigkeit lebender Organismen im Mobilmedium.

2. Halbleiterbearbeitung

Durch die Erfindung sind auch Systeme zur Halbleiter- Gasströmungssteuerung erwogen (insbesondere für Epitaxieanwendungen, bei denen kleine Mengen von Gasen genau dosiert werden). Zum Beispiel wird bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen festes Material auf die Oberseite eines Halbleitersubstrats durch chemisches Aufdampfen (CVD) abgeschieden. Dies geschieht durch Einwirken einer Mischung aus Gasvorläufermaterialien auf das Substrat, so daß diese Gase reagieren und das resultierende Produkt auf der Oberseite des Substrats kristallisiert.
In derartigen CVD-Verfahren müssen Bedingungen sorgfältig gesteuert werden, um gleichmäßige Materialabscheidung frei von Fehlern zu gewährleisten, die den Betrieb des elektrischen Bauelements beeinträchtigen könnten. Eine mögliche Quelle für Ungleichmäßigkeit ist Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit von Reaktionsgasen zum Bereich über dem Substrat. Schlechte Steuerung der Gasströmungsgeschwindigkeit kann auch zu Schwankungen der Schichtdicke von Durchlauf zu Durchlauf führen, was eine weitere Fehlerquelle darstellt. Leider besteht ein erhebliches Problem beim Steuern der Gasmenge, die in die Bearbeitungskammer strömt, und beim Aufrechterhalten stabiler Strömungsgeschwindigkeiten in herkömmlichen Gasabgabesystemen.
Daher zeigt Fig. 37A eine Ausführungsform der Erfindung, die geeignet ist, Bearbeitungsgas mit genau steuerbaren Strömungsgeschwindigkeiten über die Oberfläche eines Halbleiterwafers in einem CVD-Verfahren zu transportieren. Insbesondere ist ein Halbleiterwafer 3700 auf einer Waferstütze 3702 positioniert, die sich in einer CVD-Kammer befindet. Eine Elastomerstruktur 3704, die eine große Anzahl gleichmäßig verteilter Öffnungen 3706 enthält, ist genau über der Oberfläche des Wafers 3700 positioniert.
Vielfältige Prozeßgase werden mit sorgfältig gesteuerten Geschwindigkeiten aus Reservoiren 3708a und 3708b durch Strömungskanäle im Elastomerblock 3704 und aus den Öffnungen 3706 strömen gelassen. Als Ergebnis der genau gesteuerten Strömung von Prozeßgasen über den Wafer 3700 wird Festmaterial 3710 mit einer extrem gleichmäßigen Struktur abgeschieden.
Das genaue Dosieren von Reaktionsgas-Strömungsgeschwindigkeiten mit Ventil- und/oder Pumpenstrukturen der Erfindung ist aus mehreren Gründen möglich. Erstens können Gase durch Ventile geführt werden, die auf einen ausgeübten Betätigungsdruck linear reagieren, was zuvor in Verbindung mit Fig. 21A und 21B diskutiert wurde. Alternativ oder zusätzlich zur Dosierung der Gasströmung mit Ventilen kann das vorhersagbare Verhalten erfindungsgemäßer Pumpenstrukturen genutzt werden, um eine Prozeßgasströmung genau zu dosieren.
Neben den o. g. chemischen Aufdampfverfahren ist die Technik auch zur Steuerung der Gasströmung in solchen Techniken wie Molekularstrahlepitaxie und reaktives Ionenstrahlätzen von Nutzen.

3. Mikrospiegelanordnungen

Obwohl die bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung den Betrieb einer Struktur betreffen, die sich vollständig aus Elastomermaterial zusammensetzt, ist die Erfindung nicht auf diese Art von Struktur beschränkt. Insbesondere liegt es im Schutzumfang der Erfindung, eine Elastomerstruktur mit einer herkömmlichen Halbleiterstruktur auf Siliciumbasis zu kombinieren.
Beispielsweise liegen weitere erwogene Verwendungsbereiche der mikrostrukturierten Pumpen und Ventile in optischen Anzeigen, in denen die Membran in einer Elastomerstruktur Licht als flache ebene oder als gewölbte Oberfläche je nach dem reflektiert, ob die Membran aktiviert ist. Somit wirkt die Membran als umschaltbares Pixel. Eine Anordnung aus solchen umschaltbaren Pixeln könnte mit einem geeigneten Steuerschaltungsaufbau als digitale oder analoge Mikrospiegelanordnung zum Einsatz kommen.
Daher zeigt Fig. 38 eine Explosionsansicht eines Abschnitts einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mikrospiegelanordnung.
Eine Mikrospiegelanordnung 3800 weist eine erste Elastomerschicht 3802 auf, die über einer darunterliegenden Halbleiterstruktur 3804 liegt und von dieser durch eine zweite Elastomerschicht 3806 getrennt ist. Eine Oberfläche 3804a der Halbleiterstruktur 3804 trägt mehrere Elektroden 3810. Die Elektroden 3810 sind über leitende Reihen- und Spaltenleitungen einzeln adressierbar, was dem Fachmann bekannt ist.
Die erste Elastomerschicht 3802 weist mehrere sich schneidende Kanäle 3822 auf, die unter einem elektrisch leitenden, reflektierenden Elastomermembranabschnitt 3802a liegen. Die erste Elastomerschicht 3802 ist so über der zweiten Elastomerschicht 3806 und dem darunterliegenden Halbleiterbauelement 3804 ausgerichtet, daß Schnittpunkte der Kanäle 3822 über den Elektroden 3810 liegen.
In einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fertigungsverfahrens kann die erste Elastomerschicht 3822 durch Aufschleudern von Elastomermaterial auf eine sich schneidende Kanäle aufweisende Form, Härten des Elastomers, Entfernen des geformten Elastomers von der Form und Einbauen eines elektrisch leitenden Dotanten in den Oberflächenbereich des geformten Elastomers hergestellt werden. Alternativ kann gemäß der o. g. Beschreibung anhand von Fig. 7C-7G die erste Elastomerschicht 3822 aus zwei Elastomerschichten gebildet werden, indem Elastomermaterial in eine sich schneidende Kanäle enthaltende Form so eingeleitet wird, daß das Elastomermaterial mit der Höhe der Kanalwände bündig ist, und dann eine gesonderte dotierte Elastomerschicht mit dem vorhandenen Elastomermaterial verbunden wird, um eine Membran auf der Oberseite zu bilden.
Alternativ kann die erste Elastomerschicht 3802 aus elektrisch leitendem Elastomer hergestellt werden, in dem die elektrische Leitfähigkeit Folge von Dotierung oder der innewohnenden Eigenschaften des Elastomermaterials ist.
Im Betrieb der reflektierenden Struktur 3800 werden elektrische Signale entlang einer ausgewählten Reihenleitung und Spaltenleitung zu einer Elektrode 3810a geführt. Durch Anlegen von Spannung an der Elektrode 3810a wird eine Anziehungskraft zwischen der Elektrode 3810a und der darüberliegenden Membran 3802a erzeugt. Diese Anziehungskraft betätigt einen Abschnitt der Membran 3802a, wodurch sich dieser Membranabschnitt nach unten in den Hohlraum verbiegt, der sich aus dem Schnitt der Kanäle 3822 ergibt. Als Ergebnis der Verformung der Membran 3802a von eben zu konkav wird Licht an diesem Punkt auf der Oberfläche der Elastomerstruktur 3802 anders als von der umgebenden ebenen Membranoberfläche reflektiert. Dadurch wird ein Pixelbild erzeugt.
Das Aussehen dieses Pixelbilds ist variabel und kann durch Ändern der an der Elektrode angelegten Spannungsgröße gesteuert werden. Eine an der Elektrode angelegte höhere Spannung steigert die Anziehungskraft auf den Membranabschnitt, wodurch sich seine Form weiter verformt. Eine an der Elektrode angelegte geringere Spannung senkt die Anziehungskraft auf die Membran, was ihre Formverzerrung gegenüber der Ebene reduziert. Jede dieser Änderungen beeinflußt das Aussehen des resultierenden Pixelbilds.
Eine beschreibungsgemäße Struktur zur variablen Mikrospiegelanordnung könnte in vielfältigen Anwendungen zum Einsatz kommen, u. a. zur Bildanzeige. Eine weitere Anwendung für eine Anordnungsstruktur mit variable Mikrospiegeln gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wäre ein Schalter mit hoher Kapazität für ein faseroptisches Kommunikationssystem, wobei jedes Pixel die Reflexion und Übertragung einer Komponente eines einfallenden Lichtsignals beeinflussen kann.

5. Brechungsstrukturen

Die soeben beschriebene Mikrospiegelanordnungsstruktur steuert die Reflexion von einfallendem Licht. Allerdings ist die Erfindung nicht auf die Reflexionssteuerung beschränkt. Durch noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung kann eine genaue Steuerung der Brechung von einfallendem Licht erfolgen, um Linsen- und Filterstrukturen zu schaffen.
Fig. 39 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brechungsstruktur. Eine Brechungsstruktur 3900 weist eine erste Elastomerschicht 3902 und eine zweite Elastomerschicht 3904 auf, die sich aus Elastomermaterial zusammensetzen, das einfallendes Licht 3906 durchlassen kann.
Die erste Elastomerschicht 3902 hat einen konvexen Abschnitt 3902a, der durch Härten von Elastomermaterial erzeugt werden kann, das über einer mikrobearbeiteten Form mit einem konkaven Abschnitt gebildet ist. Die zweite Elastomerschicht 3904 hat einen Strömungskanal 3905 und kann auf einer mikrobearbeiteten Form mit einer erhöhten Linie hergestellt werden, was zuvor ausführlich diskutiert wurde.
Die erste Elastomerschicht 3902 ist mit der zweiten Elastomerschicht 3904 so verbunden, daß der konvexe Abschnitt 3902a über dem Strömungskanal 3905 positioniert ist. Diese Struktur kann vielfältigen Zwecken dienen.
Zum Beispiel würde auf die Elastomerstruktur 3900 einfallendes Licht in den darunterliegenden Strömungskanal fokussiert, wodurch Licht durch den Strömungskanal geleitet werden kann. Alternativ könnte in einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elastomervorrichtung fluoreszierendes oder phosphoreszierendes Licht durch den Strömungskanal geführt werden, wobei das resultierende Licht aus dem Fluid durch die gewölbte Oberfläche gebrochen wird, um eine Anzeige zu bilden.
Fig. 40 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brechungsstruktur. Eine Brechungsstruktur 4000 ist ein optisches Mehrschichtsystem, das auf einer Fresnelschen Linsengestaltung basiert. Insbesondere setzt sich die Brechungsstruktur 4000 aus vier aufeinanderfolgenden Elastomerschichten 4002, 4004, 4006 und 4008 zusammen, die miteinander verbunden sind. Die Oberseiten der jeweiligen ersten, zweiten und dritten Elastomerschicht 4002, 4004 und 4006 tragen gleichmäßige Sägezähne 4010, die einen regelmäßigen Abstand X haben, der viel größer als die Wellenlänge des Auflichts ist. Die Sägezähne 4010 dienen zum Fokussieren des Auflichts und können mit einer mikrobearbeiteten Form gemäß der vorstehenden ausführlichen Beschreibung gebildet sein. Die erste, zweite und dritte Elastomerschicht 4002, 4004 und 4006 wirken als Fresnelsche Linsen, was dem Fachmann verständlich sein wird.
Die vierte Elastomerschicht 4008 trägt gleichmäßige Sägenzähne 4012 mit einer viel kleineren Größe als die Sägezähne der darüberliegenden Elastomerschichten. Zudem haben die Sägezähne 4012 einen viel kleineren Abstand Y als die Sägezähne der darüberliegenden Elastomerschichten, wobei Y in der Größenordnung der Auflichtwellenlänge liegt, so daß die Elastomerschicht 4008 als Beugungsgitter wirkt.
Fig. 41 veranschaulicht eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brechungsstruktur, die eine Differenz der Materialbrechzahl nutzt, um primär Beugung zu erreichen. Eine Brechungsstruktur 4100 weist einen unteren Elastomerabschnitt 4102 auf, der von einem oberen Elastomerabschnitt 4104 bedeckt ist. Sowohl der untere Elastomerabschnitt 4102 als auch der obere Elastomerabschnitt 4104 setzen sich aus Material zusammen, das einfallendes Licht 4106 durchläßt. Der untere Elastomerabschnitt 4102 verfügt über mehrere serpentinenartige Strömungskanäle 4108, die durch Elastomerstege 4110 getrennt sind. Die Strömungskanäle 4108 weisen Fluid 4112 auf, das eine andere Brechzahl als das die Stege 4110 bildende Elastomermaterial hat. Das Fluid 4112 wird durch die serpentinenförmigen Strömungskanäle 4108 durch den Betrieb einer Pumpenstruktur 4114 gepumpt, die aus parallelen Steuerkanälen 4116a und 4116b hergestellt ist, die über einem Einlaßabschnitt 4108a des Strömungskanals 4108 liegen und von diesem durch eine bewegliche Membran 4118 getrennt sind.
Das auf die Brechungsstruktur 4100 fallende Licht 4106 trifft auf eine Folge gleichmäßig beabstandeter fluidgefüllter Strömungskanäle 4108, die durch die Elastomerstege 4110 getrennt sind. Als Ergebnis der unterschiedlichen optischen Eigenschaften des in diesen jeweiligen Fluid-/Elastomerbereichen vorhandenen Materials werden Teile des einfallenden Lichts nicht gleichmäßig gebrochen und wirken so zusammen, daß sie ein Interferenzmuster bilden. Ein Stapel aus Brechungsstrukturen der eben beschriebenen Art kann eine noch komplexere und spezialisiertere Auflichtbrechung erreichen.
Die eben beschriebenen Elastomerbrechungsstrukturen können vielfältige Aufgaben erfüllen. Zum Beispiel könnte die Elastomerstruktur als Filter oder optischer Schalter wirken, um ausgewählte Auflichtwellenlängen zu blockieren. Ferner ließen sich die Brechungseigenschaften der Struktur je nach den Bedürfnissen einer speziellen Anwendung leicht einstellen.
Zum Beispiel könnte die Zusammensetzung (und damit die Brechzahl) des durch die Strömungskanäle fließenden Fluids geändert werden, um die Beugung zu ändern. Alternativ oder im Zusammenhang mit einer Identitätsänderung des durchgeleiteten Fluids kann der Abstand, der benachbarte Strömungskanäle trennt, bei der Fertigung der Struktur genau gesteuert werden, um ein optisches Interferenzmuster mit den gewünschten Kennwerten zu erzeugen.

6. Öffnungsventilstruktur

Fig. 7B und 7H oben zeigen eine Ventilstruktur, in der die Elastomermembran aus einer ersten entspannten Position in eine zweite betätigte Position beweglich ist, in der der Strömungskanal blockiert ist. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Ventilkonfiguration beschränkt.
Fig. 42A-42J zeigen vielfältige Ansichten einer normalerweise geschlossenen bzw. Öffnungsventilstruktur, in der die Elastomermembran aus einer ersten entspannten Position, die einen Strömungskanal blockiert, in eine zweite betätigte Position beweglich ist, in der der Strömungskanal offen ist, wobei ein Steuerunterdruck genutzt wird.
Fig. 42A zeigt eine Draufsicht eines Öffnungsventils 4200 und Fig. 42B seine Querschnittansicht an der Linie 42B- 42B' in einem unbetätigten Zustand. Ein Strömungskanal 4202 und ein Steuerkanal 4204 sind in einem Elastomerblock 4206 gebildet, der über einem Substrat 4205 liegt. Der Strömungskanal 4202 weist einen ersten Abschnitt 4202a und einen zweiten Abschnitt 4202b auf, die durch einen Trennabschnitt 4208 getrennt sind. Der Steuerkanal 4204 liegt über dem Trennabschnitt 4208. Gemäß Fig. 42B bleibt der Trennabschnitt 4008 in seiner entspannten, unbetätigten Position zwischen den Strömungskanalabschnitten 4202a und 4202b positioniert und unterbricht den Strömungskanal 4202.
Fig. 42C zeigt eine Querschnittansicht des Ventils 4200, in der sich der Trennabschnitt 4208 in einer betätigten Position befindet. Wird der Druck innerhalb des Steuerkanals 4204 auf einen Wert unter dem Druck im Strömungskanal gesenkt (z. B. durch eine Vakuumpumpe), erfährt der Trennabschnitt 4208 eine Betätigungskraft, die ihn in den Steuerkanal 4204 zieht. Als Ergebnis dieser Betätigungskraft steht die Membran 4208 in den Steuerkanal 4204 vor, wodurch das Hindernis für eine Materialströmung durch den Strömungskanal 4202 beseitigt und ein Durchgang 4203 erzeugt ist. Nach Erhöhen des Drucks im Steuerkanal 4204 nimmt der Trennabschnitt 4208 seine natürliche Position ein, wobei er sich in den Strömungskanal 4202 entspannt und ihn blockiert.
Das Verhalten der Membran als Reaktion auf eine Betätigungskraft kann durch Variieren der Breite des darüberliegenden Steuerkanals geändert werden. Daher zeigen Fig. 42D-42H Drauf- und Querschnittansichten einer alternativen Ausführungsform eines Öffnungsventils 4201, in dem ein Steuerkanal 4207 wesentlich breiter als der Trennabschnitt 4208 ist. Da gemäß den Querschnittansichten von Fig. 42E-F an der Linie 42E-42E' von Fig. 42D eine größere Elastomermaterialfläche bei Betätigung bewegt werden muß, ist die erforderliche auszuübende Betätigungskraft reduziert.
Fig. 42G und H zeigen Querschnittansichten an der Linie 40G-40G' von Fig. 40D. Im Vergleich zur unbetätigten Ventilkonfiguration von Fig. 42G zeigt Fig. 42H, daß reduzierter Druck im breiteren Steuerkanal 4207 unter bestimmten Umständen die unerwünschte Wirkung haben kann, das darunterliegende Elastomer 4206 vom Substrat 4205 abzuziehen und dadurch einen unerwünschten Hohlraum 4212 zu erzeugen.
Daher zeigen Fig. 42I eine Draufsicht und Fig. 42J eine Querschnittansicht an der Linie 42J-42J' von Fig. 42I einer Ventilstruktur 4220, die dieses Problem vermeidet, indem sie eine Steuerleitung 4204 mit minimaler Breite außer in einem Segment 4204a hat, das den Trennabschnitt 4208 überlappt. Gemäß Fig. 42J reduziert selbst unter Betätigungsbedingungen der schmalere Querschnitt des Steuerkanals 4204 die Anziehungskraft auf das darunterliegende Elastomermaterial 4206, was verhindert, daß dieses Elastomermaterial vom Substrat 4205 abgezogen und ein unerwünschter Hohlraum erzeugt wird.
Obwohl eine als Reaktion auf Druck betätigte Öffnungsventilstruktur in Fig. 42A-42J gezeigt ist, ist ein erfindungsgemäßes Öffnungsventil nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel könnte der den Strömungskanal blockierende Trennabschnitt alternativ durch elektrische oder magnetische Felder manipuliert werden, was zuvor näher beschrieben wurde.

7. Trennung von Materialien

In einer weiteren Anwendung der Erfindung kann eine Elastomerstruktur genutzt werden, um Materialien zu trennen. In Fig. 43 ist eine Ausführungsform einer solchen Vorrichtung gezeigt.
Eine Trennvorrichtung 4300 hat einen Elastomerblock 4301 mit einem Fluidreservoir 4302, das mit einem Strömungskanal 4304 kommuniziert. Fluid wird aus einem Fluidreservoir 4306 über einen Strömungskanal 4308 durch einen peristaltische Pumpenstruktur 4310 gepumpt, die durch Steuerkanäle 4312 gebildet ist, die über dem Strömungskanal 4304 liegen, was zuvor detailliert beschrieben wurde. Ist eine erfindungsgemäße peristaltische Pumpenstruktur nicht in der Lage, ausreichenden Gegendruck zu liefern, kann alternativ Fluid aus einem außerhalb der Elastomerstruktur positionierten Reservoir mit einer externen Pumpe in die Elastomervorrichtung gepumpt werden.
Der Strömungskanal 4304 führt zu einer Trennsäule 4314 in Form eines Kanals, der mit einer Trennmatrix 4316 hinter einer porösen Fritte 4318 gepackt ist. Wie in der Chromatographietechnik bekannt ist, hängt die Zusammensetzung der Trennmatrix 4316 von der Beschaffenheit der zu trennenden Materialien und der speziellen verwendeten Chromatographietechnik ab. Die Elastomertrennstruktur ist zum Einsatz mit vielfältigen chromatographischen Techniken geeignet, u. a., aber nicht nur, Gelausschluß-, Gelpermeations-, Ionenaustausch-, Umkehrphasen-, hydrophober Wechselwirkungs-, Affinitätschromatographie, schneller Protein-Flüssigkeitschromatographie (FPLC) sowie allen Formen von Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie (HPLC). Die hohen Drücke, die für die HPLC genutzt werden, können den Gebrauch von Urethan-, Dicyclopentadien- oder anderen Elastomerkombinationen erforderlich machen.
Die Einleitung von Proben in die Fluidströmung in die Trennsäule 4314 erfolgt mit Hilfe eines Ladekanals 4319. Der Ladekanal 4319 empfängt Fluid, das aus einem Probenreservoir 4320 durch eine Pumpe 4321 gepumpt wird. Nach Öffnen eines Ventils 4322 und Betreiben der Pumpe 4321 wird die Probe aus dem Ladekanal 4319 in den Strömungskanal 4304 geführt. Danach wird die Probe durch die Wirkung der Pumpenstruktur 4312 über die Trennsäule 4314 geführt. Als Ergebnis unterschiedlicher Mobilität der verschiedenen Probenkomponenten in der Trennmatrix 4316 werden diese Probenkomponenten getrennt und zu unterschiedlichen Zeiten aus der Säule 4314 eluiert.
Nach Elution aus der Trennsäule 4314 laufen die verschiedenen Komponenten in einen Detektionsbereich 4324. Wie in der Chromatographietechnik bekannt ist, läßt sich die Identität von Materialien, die in den Detektionsbereich 4324 eluiert werden, mit vielfältigen Techniken bestimmen, u. a., aber nicht nur, durch Fluoreszenz, UV/sichtbare/IR-Spektroskopie, radioaktive Markierung, amperometrische Detektion, Massenspektroskopie und kernmagnetische Resonanz (NMR).
Eine erfindungsgemäße Trennvorrichtung bietet den Vorteil einer extrem kleinen Größe, so daß nur kleine Fluid- und Probenvolumina bei der Trennung verbraucht werden. Zusätzlich hat die Vorrichtung den Vorteil, daß die Empfindlichkeit erhöht ist. In herkömmlichen Trennvorrichtungen verlängert die Größe der Probenschleife die Probeninjektion in die Säule, wodurch sich die Breiten der eluierten Peaks potentiell überlappen. Die extrem kleine Größe und Kapazität des Ladekanals verhindert im allgemeinen, daß sich dieses Peakdiffusionsverhalten zu einem Problem auswächst.
Die Trennstruktur gemäß Fig. 43 stellt nur eine Ausführungsform einer solchen Vorrichtung dar, und durch die Erfindung sind andere Strukturen erwogen. Während z. B. die Trennvorrichtung von Fig. 43 einen Strömungskanal, eine Ladeschleife und eine Trennsäule hat, die in einer einzelnen Ebene orientiert sind, ist dies durch die Erfindung nicht gefordert. Das Fluidreservoir, das Probenreservoir, der Strömungskanal, die Ladeschleife und/oder die Trennsäule könnten senkrecht zueinander und/oder zur Ebene des Elastomermaterials mit Hilfe von Durchgangsstrukturen orientiert sein, deren Bildung zuvor im Zusammenhang mit Fig. 35A-D näher beschrieben wurde.

8. Zellpferch/Zellkäfig/Zellmühle

In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann eine Elastomerstruktur genutzt werden, um Organismen oder anderes biologisches Material zu manipulieren. Fig. 44A- 44D zeigen Draufsichten auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zellverschlag- bzw. -pferchstruktur.
Kennzeichnend für eine Zellpferchanordnung 4400 ist eine Anordnung aus orthogonal orientierten Strömungskanälen 4402 mit einer vergrößerten "Pferch"-Struktur 4404 am Schnitt jedes zweiten Strömungskanals. Ein Ventil 4406 ist am Eingang und Ausgang jeder Pferchstruktur 4404 positioniert. Peristaltische Pumpenstrukturen 4408 sind an jedem waagerechten Strömungskanal und an den senkrechten Strömungskanälen ohne eine Pferchstruktur positioniert.
Die Zellpferchanordnung 4400 von Fig. 44A ist mit Zellen A-H beladen, die zuvor sortiert wurden, eventuell durch eine Sortierstruktur, die zuvor anhand von Fig. 36 beschrieben wurde. Fig. 44B-44C zeigen den Zugriff auf eine einzeln gespeicherte Zelle C und deren Entfernung durch 1) Öffnen der Ventile 4406 auf jeder Seite benachbarter Pferche 4404a und 4404b, 2) Pumpen in einem waagerechten Strömungskanal 4404a, um die Zellen C und G zu verschieben, und 3) anschließendes Pumpen in einem senkrechten Strömungskanal 4402b, um die Zelle C zu entfernen. Fig. 44D zeigt, daß die zweite Zelle G zurück in ihre vorherige Position in der Zellpferchanordnung 4400 bewegt wird, indem die Flüssigkeitsströmungsrichtung durch den waagerechten Strömungskanal 4402a umgekehrt wird.
Die zuvor beschriebene Zellpferchanordnung 4404 kann Materialien in einer ausgewählten, adressierbaren Position zum schnellen Zugriff lagern. Allerdings können lebende Organismen, z. B. Zellen, eine kontinuierliche Nährstoffaufnahme und Abfallabgabe erfordern, um lebensfähig zu bleiben. Daher zeigen Fig. 45A und 45B eine Drauf- bzw. Querschnittansicht (an der Linie 45B-45B') einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zellkäfigstruktur.
Ein Zellkäfig 4500 ist als vergrößerter Abschnitt 4500a eines Strömungskanals 4501 in einem Elastomerblock 4503 gebildet, der in Berührung mit einem Substrat 4505 steht. Der Zellkäfig 4500 ähnelt einem einzelnen Zellpferch gemäß der Beschreibung in Fig. 44A-44D mit der Ausnahme, daß Enden 4500b und 4500c des Zellkäfigs 4500 Innenbereiche 4500a nicht vollständig einschließen. Vielmehr sind die Enden 4500a und 4500b des Käfigs 4500 durch mehrere einfahrbare Pfeiler 4502 gebildet. Die Pfeiler 4502 können Teil einer Membranstruktur einer Öffnungsventilstruktur sein, die zuvor anhand von Fig. 42A-42J ausführlich beschrieben wurde.
Insbesondere liegt ein Steuerkanal 4504 über den Pfeilern 4502. Wird der Druck im Steuerkanal 4504 vermindert, so werden die Elastomerpfeiler 4502 nach oben in den Steuerkanal 4504 gezogen, was das Ende 4500b des Zellkäfigs 4500 öffnet und eine Zelle eintreten läßt. Nach Druckerhöhung im Steuerkanal 4504 entspannen sich die Pfeiler 4502 nach unten an das Substrat 4505 und verhindern, daß eine Zelle den Käfig 4500 verläßt.
Die Elastomerpfeiler 4502 sind in ausreichender Größe und Anzahl vorhanden, um die Bewegung einer Zelle aus dem Käfig 4500 zu verhindern, weisen aber auch Spalte 4508 auf, die die Nährstoffströmung in das Käfiginnere 4500a ermöglichen, um eine oder mehrere dort gespeicherte Zellen zu erhalten. Die Pfeiler 4502 am entgegengesetzten Ende 4500c sind ähnlich unter einem zweiten Steuerkanal 4506 konfiguriert, um bei Bedarf das Öffnen des Käfigs und die Entfernung der Zelle zu ermöglichen.
Unter bestimmten Umständen kann es erwünscht sein, Zellen oder andere biologische Materialien zu mahlen/aufzuspalten, um auf Teilstücke zuzugreifen.
Daher zeigen Fig. 46A und 46B eine Drauf- bzw. Querschnittansicht (an der Linie 46B-46B') einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Zellmühlenstruktur 4600. Die Zellmühle 4600 verfügt über ein System aus ineinandergreifenden Ständern 4602 innerhalb von Strömungskanälen 4604, die sich bei Betätigung einer Membran 4606 durch einen darüberliegenden Steuerkanal 4608 zusammenschließen. Durch das Zusammenschließen zermahlen die Ständer 4602 zwischen ihnen vorhandenes Material.
Die Ständer 4602 können Abstände haben, die geeignet sind, Gebilde (Zellen) einer vorgegebenen Größe aufzuspalten. Zur Aufspaltung von Zellmaterial ist ein Abstand der Ständer mit einem Intervall von etwa 2 um geeignet. In alternativen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Zellmahlstruktur können die Ständer 4602 vollständig an der darüberliegenden Membran oder vollständig auf dem Boden des Steuerkanals angeordnet sein.

9. Druckoszillator

In noch einer weiteren Anwendung der Erfindung kann eine Elastomerstruktur genutzt werden, eine Druckoszillatorstruktur analog zu Oszillatorschaltungen zu erzeugen, die häufig auf dem Gebiet der Elektronik zum Einsatz kommen. Fig. 47 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer solchen Druckoszillatorstruktur.
Ein Druckoszillator 4700 weist einen Elastomerblock 4702 mit einem darin gebildeten Strömungskanal 4704 auf. Der Strömungskanal 4704 weist einen Anfangsabschnitt 4704a nahe einer Druckquelle 4706 und einen serpentinenartigen Abschnitt 4704b entfernt von der Druckquelle 4706 auf. Der Anfangsabschnitt 4704a kontaktiert ein Durchgangsloch 4708, das in Fluidverbindung mit einem Steuerkanal 4710 steht, der im Elastomerblock 4702 oberhalb der Höhe des Strömungskanals 4704 gebildet ist. An einer Stelle in größerer Entfernung von der Druckquelle 4706 als das Durchgangsloch 4708 liegt der Steuerkanal 4710 über dem Strömungskanal 4704 und ist von diesem durch eine Elastomermembran getrennt, was ein Ventil 4712 wie zuvor beschrieben bildet.
Die Druckoszillatorstruktur 4700 arbeitet wie folgt: Anfangs liefert die Druckquelle 4706 Druck entlang dem Strömungskanal 4704 und Steuerkanal 4710 durch das Durchgangsloch 4708. Aufgrund der Serpentinenform des Strömungskanals 4704b ist der Druck im Bereich 4704b verglichen mit dem Strömungskanal 4710 geringer. Am Ventil 4712 bewirkt die Druckdifferenz zwischen dem serpentinenförmigen Strömungskanalabschnitt 4704b und dem darüberliegenden Steuerkanal 4710 schließlich, daß die Membran des Ventils 4712 nach unten in den serpentinenförmigen Strömungskanalabschnitt 4704b vorragt, was das Ventil 4712 schließt. Aufgrund des fortgesetzten Betriebs der Druckquelle 4706 beginnt der Druck aber, sich im serpentinenförmigen Strömungskanalabschnitt 4704b hinter dem geschlossenen Ventil 4712 aufzubauen. Schließlich kommt es zum Druckausgleich zwischen dem Steuerkanal 4710 und dem serpentinenförmigen Strömungskanalabschnitt 4704b, und das Ventil 4712 öffnet.
Wegen des kontinuierlichen Betriebs der Druckquelle setzt sich der zuvor beschriebene Aufbau und Abbau von Druck unbegrenzt fort, was zu einer regelmäßigen Druckoszillation führt. Eine solche Druckoszillationsvorrichtung kann eine Anzahl möglicher Funktionen durchführen, unter anderem, aber nicht nur, eine Taktung.

9. Seitenbetätigtes Ventil

Obwohl sich die vorstehende Beschreibung auf mikrostrukturierte Elastomerventilstrukturen konzentrierte, in denen ein Steuerkanal über einem darunterliegenden Strömungskanal positioniert und von diesem durch eine dazwischenliegende Elastomermembran getrennt ist, ist die Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Fig. 48A und 48B zeigen Draufsichten auf eine Ausführungsform einer seitenbetätigten Ventilstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 48A zeigt eine seitenbetätigte Ventilstruktur 4800 in einer unbetätigten Position. Ein Strömungskanal 4802 ist in einer Elastomerschicht 4804 gebildet. Ein Steuerkanal 4806, der am Strömungskanal 4802 anliegt, ist ebenfalls in der Elastomerschicht 4804 gebildet. Der Steuerkanal 4806 ist vom Strömungskanal 4802 durch einen Elastomermembranabschnitt 4808 getrennt. Eine zweite Elastomerschicht (nicht gezeigt) ist über der unteren Elastomerschicht 4804 verbunden, um den Strömungskanal 4802 und Steuerkanal 4806 einzuschließen.
Fig. 48B zeigt die seitenbetätigte Ventilstruktur 4800 in einer betätigten Position. Als Reaktion auf einen Druckaufbau im Steuerkanal 4806 verformt sich die Membran 4808 in den Strömungskanal 4802 und blockiert den Strömungskanal 4802. Nach Druckwegfall im Steuerkanal 4806 würde sich die Membran 4808 wieder in den Steuerkanal 4806 entspannen und den Strömungskanal 4802 öffnen.
Wenngleich eine seitenbetätigte Ventilstruktur, die als Reaktion auf Druck betätigt wird, in Fig. 48A und 48B gezeigt ist, ist ein erfindungsgemäßes seitenbetätigtes Ventil nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Zum Beispiel könnte die Elastomermembran, die sich zwischen dem aneinanderliegenden Strömungs- und Steuerkanal befindet, alternativ durch elektrische oder magnetische Felder manipuliert werden, was zuvor näher dargestellt wurde.

10. Zusätzliche Anwendungen

Die Ventile und Pumpen können zur Medikamentenabgabe (z. B. in einer implantierbaren Medikamentenabgabevorrichtung) und zur Probenahme biologischer Fluide (z. B. zum nacheinander erfolgenden Lagern von Proben in einer Säule mit Abstandsfluidpfropfen dazwischen verwendet werden, wobei die Proben in unterschiedliche Aufbewahrungsreservoirs verschoben oder direkt zu einem oder mehreren geeigneten Sensoren überführt werden können. Eine solche Fluidprobenahmevorrichtung könnte auch im Körper des Patienten implantiert sein.
Zudem können die Systeme für Vorrichtungen genutzt werden, die Überdruck in vivo unter Verwendung eines Mikroventils oder einer Mikropumpe abbauen. Zum Beispiel kann ein implantierbares biokompatibles Mikroventil dazu dienen, Überdrücke im Auge abzubauen, die das Ergebnis von grünem Star sind. Zu anderen erwogenen Verwendungen der umschaltbaren Mikroventile gehört die Implantation in den Samen- oder Eileiter, was eine reversible Lang- oder Kurzzeit-Geburtenkontrolle ohne Medikamenteneinsatz ermöglicht.
Zu weiteren Einsatzbereichen gehört die DNA-Sequenzierung, wobei die zu sequenzierende DNA mit einer Polymerase und einem Primer versehen wird und dann jeweils einem Typ von DNA-Base (A, C, T oder G) ausgesetzt wird, um eine schnelle Analyse des Baseneinbaus vorzunehmen. In einem solchen System müssen die Basen schnell in das System strömen gelassen und überschüssige Basen weggewaschen werden. Druckbetriebene Strömung, die durch erfindungsgemäße Elastomermikroventile gattergesteuert ist, wäre ideal geeignet, ein solches schnelles Strömen und Auswaschen von Reagenzien zu ermöglichen.
Zu anderen erwogenen Verwendungsbereichen der Mikroventil- und Mikropumpensysteme gehören Verwendungen mit DNA- Chips. Zum Beispiel kann man eine Probe in einen Schleifenkanal strömen und um die Schleife mit einer peristaltischen Wirkung so pumpen lassen, daß die Probe viele Durchläufe über die Sonden des DNA-Chips vollführen kann. Eine solche Vorrichtung würde der Probe, die normalerweise vergebens über den nichtkomplementären Sonden säße, die Möglichkeit geben, sich statt dessen an eine komplementäre Sonde anzulagern. Ein Vorteil eines solchen Schleifenströmungssystems ist, daß es das notwendige Probenvolumen reduzieren und dadurch die Assay-Empfindlichkeit erhöhen würde.
Weitere Anwendungen existieren beim Klassieren mit hohem Durchsatz, wobei die Anwendungen aus der Abgabe kleiner Flüssigkeitsvolumina Nutzen ziehen könnten, oder durch Perl-Assays, bei denen eine höchstempfindliche Detektion die Assay- Empfindlichkeit wesentlich verbessern würde.
Eine weitere erwogene Anwendung ist die Abscheidung einer Reihe von verschiedenen Chemikalien, besonders Oligonucleotiden, die in einem vorherigen Vorgang der Vorrichtung chemisch hergestellt oder nicht hergestellt sein können, bevor sie in einem Muster oder einer Anordnung auf ein Substrat über Kontaktkopien durch Fluidkanalauslässe in der Elastomervorrichtung in enger Nähe zu einem erwünschten Substrat oder durch ein Verfahren analog zum Tintenstrahldruck abgeschieden werden.
Ferner könnten die mikrostrukturierten Elastomerventile und -pumpen zum Aufbau von Systemen zur Reagenzienabgabe, Mischung und Reaktion zur Synthese von Oligonucleotiden, Peptiden oder anderen Biopolymeren verwendet werden.
Zu weiteren Anwendungen für die Erfindung gehören Tintenstrahl-Druckköpfe, in denen kleine Öffnungen zum Erzeugen eines Druckimpulses dienen, der zum Ausstoßen eines Tröpfchens ausreicht. Ein geeignet betätigtes erfindungsgemäßes Mikroventil kann einen solchen Druckimpuls erzeugen. Außerdem können die Mikroventile und -pumpen zur digitalen Abgabe von Tinte oder Pigment in Mengen verwendet werden, die nicht unbedingt so klein wie Einzeltröpfchen sind. Das Tröpfchen würde mit dem zu bedruckenden Medium in Berührung gebracht, statt es durch die Luft schießen zu müssen.
Noch weitere Verwendungsgebiete der Systeme liegen in Fluidlogikschaltungen, die die Vorteile bieten, in strahlungsresistenten Anwendungen wiederverwendbar zu sein. Ein weiterer Vorteil solcher Fluidlogikschaltungen ist, daß solche Fluidlogikschaltungen, da sie nicht elektronisch sind, nicht durch elektromagnetische Sensoren abgefragt werden können, was der Sicherheit nutzt.
Noch weitere Verwendungen der Erfindung würden das leichte Entfernen und Wiederbefestigen der Struktur an einem darunterliegenden Substrat vorteilhaft nutzen, z. B. Glas, wobei ein Glassubstrat genutzt wird, das mit einem Binde- oder anderen Material gemustert ist. Dies ermöglicht den getrennten Aufbau eines gemusterten Substrats und einer Elastomerstruktur. Zum Beispiel könnte ein Glassubstrat mit einem DNA-Mikroarray gemustert und eine elastomere Ventil- und Pumpenstruktur über dem Array in einem anschließenden Schritt abgedichtet werden.

10. Zusätzliche Aspekte der Erfindung

Folgende Aspekte stellen zusätzliche Aspekte der Erfindung dar: die Verwendung einer ablenkbaren Membran, um Strömung eines Fluids in einem mikrostrukturierten Kanal einer Elastomerstruktur zu steuern; die Verwendung von Elastomerschichten, um eine mikrostrukturierte Elastomervorrichtung herzustellen, die einen mikrostrukturierten beweglichen Abschnitt enthält; und die Verwendung eines Elastomermaterials, um ein mikrostrukturiertes Ventil oder eine mikrostrukturierte Pumpe herzustellen.
Eine mikrostrukturierte Elastomerstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verfügt über einen Elastomerblock, der mit mikrostrukturierten Aussparungen darin ausgebildet ist, wobei ein Abschnitt des Elastomerblocks ablenkbar ist, wenn der Abschnitt betätigt wird. Die Aussparungen weisen einen ersten mikrostrukturierten Kanal und eine erste mikrostrukturierte Aussparung auf, und der Abschnitt weist eine Elastomermembran auf, die in den ersten mikrostrukturierten Kanal ablenkbar ist, wenn die Membran betätigt wird. Die Aussparungen haben eine Breite im Bereich von 10 um bis 200 um, und der Abschnitt hat eine Dicke zwischen etwa 2 um und 50 um. Die mikrostrukturierte Elastomerstruktur kann mit einer Geschwindigkeit von 100 Hz oder mehr betätigt werden und enthält im wesentlichen kein Totvolumen, wenn der Abschnitt betätigt wird.
Ein Verfahren zum Betätigen einer Elastomerstruktur weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Elastomerblocks, der mit einer ersten und einer zweiten mikrostrukturierten Aussparung darin ausgebildet ist, wobei die erste und zweite mikrostrukturierte Aussparung durch einen Membranabschnitt des Elastomerblocks getrennt sind, der in die erste oder zweite Aussparung als Reaktion auf eine Betätigungskraft ablenkbar ist, und Ausüben einer Betätigungskraft auf den Membranabschnitt, so daß der Membranabschnitt in die erste oder zweite Aussparung abgelenkt wird.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Mikrostrukturieren einer Elastomerstruktur weist die folgenden Schritte auf: Bilden einer ersten Elastomerschicht auf einem Substrat, Härten der ersten Elastomerschicht und Mustern einer ersten Opferschicht über der ersten Elastomerschicht. Eine zweite Elastomerschicht wird über der ersten Elastomer Substrat, Härten der ersten Elastomerschicht und Mustern einer ersten Opferschicht über der ersten Elastomerschicht. Eine zweite Elastomerschicht wird über der ersten Elastomerschicht gebildet, wodurch die erste gemusterte Opfermaterial zwischen der ersten und zweiten Elastomerschicht verkapselt wird, die zweite Elastomerschicht wird gehärtet, und die erste gemusterte Opfermaterial wird selektiv zur ersten Elastomerschicht und zweiten Elastomerschicht entfernt, um so mindestens eine erste Aussparung zwischen der ersten und zweiten Elastomerschicht zu bilden.
Eine alternative Ausführungsform eines Fertigungsverfahrens weist ferner die folgenden Schritte auf: Mustern einer zweiten Opferschicht über dem Substrat vor Bilden der ersten Elastomerschicht, so daß die zweite gemusterte Opferschicht während der Entfernung der ersten gemusterten Opferschicht entfernt wird, um mindestens eine Aussparung entlang einer Unterseite der ersten Elastomerschicht zu bilden.
Eine mikrostrukturierte Elastomerstruktur gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist auf: einen Elastomerblock, einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal, die durch einen Trennabschnitt der Elastomerstruktur getrennt sind, und eine mikrostrukturierte Aussparung im Elastomerblock benachbart zum Trennabschnitt, so daß der Trennabschnitt betätigt werden kann, um sich in die mikrostrukturierte Aussparung abzulenken. 66. Die Ablenkung des Trennabschnitts öffnet einen Durchgang zwischen dem ersten und zweiten Kanal.
Ein Verfahren zum Steuern von Fluid- oder Gasströmung durch eine Elastomerstruktur weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen eines Elastomerblocks, wobei der Elastomerblock eine erste, zweite und dritte mikrostrukturierte Aussparung hat und der Elastomerblock einen ersten mikrostrukturierten Kanal hat, der ihn durchläuft, wobei die erste, zweite und dritte mikrostrukturierte Aussparung vom ersten Kanal durch eine erste, zweite bzw. dritte Membran getrennt sind, die in den ersten Kanal ablenkbar sind; und Ablenken der ersten, zweiten und dritten Membran in den ersten Kanal in einer sich wiederholenden Folge, um eine Strömung von Fluid durch den ersten Kanal peristaltisch zu pumpen.
Ein Verfahren zum Mikrostrukturieren einer Elastomerstruktur weist die folgenden Schritte auf: Mikrostrukturieren einer ersten Elastomerschicht, Mikrostrukturieren einer zweiten Elastomerschicht; Positionieren der zweiten Elastomerschicht auf der Oberseite der ersten Elastomerschicht; und Verbinden einer Unterseite der zweiten Elastomerschicht mit einer Oberseite der ersten Elastomerschicht.
Eingefügt als Teil der Beschreibung ist der gesamte Inhalt von Anhang A "Monolithic Microfabricated Valves and Pumps by Multilayer Soft Lithography", Unger et al. Science, Band 288, Seiten 113-116 (7. April 2000), der hierin vor den Ansprüchen erscheint und der in jeder Hinsicht als Teil der Beschreibung aufzufassen ist.

ANHANG A

Monolithische mikrostrukturierte Ventile und Pumpen durch Mehrschicht-Weichlithographie

Marc A. Unger, Hou-Pu Chou, Todd Thorsen, Axel Scherer, Stephen R. Quake* (Departament of Applied Physics, California Institute of Technology, Pasadena, CA 91125, USA. * E-mail-Adresse für Korrespondenz: quake@caltech.edu
Weichlithographie ist eine Alternative zur Mikrobearbeitung auf Siliciumbasis, die das Replikationsformen nicht traditioneller Elastomermaterialien nutzt, um Stempel und Mikrofluidkanäle zu fertigen. Wir beschreiben hier eine Erweiterung des Weichlithographiemodells, mit der aus mehreren Schichten bestehende Vorrichtungen aus Weichmaterialien gefertigt werden können. Wir nutzten diese Technik, um aktive Mikrofluidsysteme aufzubauen, die Ein/Aus-Ventile, Schaltventile und Pumpen enthalten, die völlig aus Elastomer bestehen. Wegen der Weichheit dieser Materialien können die Vorrichtungsflächen um mehr als zwei Größenordnungen gegenüber Vorrichtungen auf Siliciumbasis verkleinert sein. Die anderen Vorteile der Weichlithographie, z. B. schnelle Prototyperzeugung, leichte Fertigung und Biokompatibilität, bleiben erhalten.
Die Anwendung von Mikrobearbeitungstechniken wächst schnell, getrieben vom dramatischen Erfolg einiger Schlüsselanwendungen, z. B. mikrostrukturierte Beschleunigungsmesser (1, 2), Drucksensoren (3) und Tintenstrahldruckköpfe (4). Neue Anwendungen ergeben sich in anderen Gebieten, insbesondere in der faseroptischen Kommunikation (5, 6), Anzeigen (7) und Mikrofluidelementen (8-12). Die beiden am weitesten verbreiteten Verfahren zur Herstellung mikro-elektromechanischer Strukturen (MEMS) sind Volumenmikrobearbeitung und Oberflächenmikrobearbeitung. Volumenmikrobearbeitung ist ein subtraktives Fertigungsverfahren, durch das Einkristallsilicium lithographisch gemustert und dann geätzt wird, um dreidimensionale (3D) Strukturen zu bilden. Dagegen ist Oberflächenmikrobearbeitung ein additives Verfahren, bei dem Schichten aus halbleiterartigen Materialien (Polysilicium, Metalle, Siliciumnitrid, Siliciumdioxid usw.) nacheinander zugegeben und gemustert werden, um 3D-Strukturen zu erzeugen.
Verfahren zur Volumen- und Oberflächenmikrobearbeitung sind durch die verwendeten Materialien beschränkt. Die halbleiterartigen Materialien, die normalerweise bei der Volumen- und Oberflächenmikrobearbeitung zum Einsatz kommen, sind steife Materialien mit einem Elastizitätsmodul von etwa 100 GPa (13). Da die durch mikrobearbeitete Aktoren erzeugten Kräfte begrenzt sind, beschränkt die Steifigkeit der Materialien die Mindestgröße vieler Vorrichtungen. Da zudem mehrere Schichten zur Herstellung aktiver Vorrichtungen aufgebaut werden müssen, ist die Haftung zwischen Schichten ein großes praktisches Problem. Zur Volumenmikrobearbeitung müssen Waferbondtechniken verwendeten werden, um Mehrschichtstrukturen zu erzeugen. Für die Oberflächenmikrobearbeitung begrenzt die Wärmespannung zwischen Schichten die Gesamtvorrichtungsdicke auf etwa 20 um. Notwendig sind Reinraumfertigung und Steuerung von Verfahrensbedingungen, um akzeptable Vorrichtungsausbeuten zu realisieren.
Zunehmend populärer wird eine alternative Mikrostrukturierungstechnik auf der Grundlage der Replikationsformgebung. Normalerweise wird ein Elastomer durch Härten auf einer mikrobearbeiteten Form gemustert. Frei als "Weichlithographie" bezeichnet, wurde diese Technik zur Herstellung von optischen Blaze-Gitterelementen (14), Stempeln zur chemischen Musterung (15) und Mikrofluidvorrichtungen (16-20) verwendet. Zu Vorteilen der Weichlithographie zählen die Fähigkeit zur schnellen Prototyperzeugung, die leichte Fertigung ohne teure Anlageinvestitionen sowie elastische Verfahrensparameter. Für Anwendungen mit Merkmalen mäßiger Größe (20 um), z. B. Mikrofluidelemente, können Formen unter Verwendung eines hochauflösenden Transparentfilms als Kontaktmaske für eine Fotoresistdickschicht gemustert werden (21). Durch einen Einzelnen kann innerhalb eines Tages die Gestaltung, der Druck, die Musterung der Form und die Erzeugung eines neuen Satzes gegossener Elastomervorrichtungen erfolgen, und nachfolgende Elastomergußstücke lassen sich in nur wenigen Stunden herstellen. Wegen der toleranten Verfahrensparameter für das Elastomergießen können Vorrichtungen unter den Umgebungsbedingungen im Labor statt im Reinraum produziert werden. Allerdings hat die Weichlithographie auch Beschränkungen: Grundsätzlich ist sie ein subtraktives Verfahren (in dem Sinn, daß die Form festlegt, wo Elastomer entfernt wird), und mit nur einer Elastomerschicht ist es schwierig, aktive Vorrichtungen oder bewegliche Teile zu erzeugen. Ein Verfahren zum Verbinden von Elastomerkomponenten durch Plasmaoxidation wurde früher schon beschrieben (21) und zum Abdichten von Mikrofluidkanälen an flachen Elastomersubstraten verwendet (20, 22).
Hier beschreiben wir eine als "Mehrschicht-Weichlithographie" bezeichnete Technik, die die Weichlithographie mit der Fähigkeit kombiniert, mehrere gemusterte Elastomerschichten zu verbinden. Mehrschichtstrukturen werden durch Verbinden von Elastomerschichten aufgebaut, von denen jede auf einer mikrobearbeiteten Form getrennt gegossen wird (Fig. 1A). Das Elastomer ist ein additionshärtender Zweikomponenten-Silikonkautschuk. Die untere Schicht hat einen Überschuß einer Komponente (A), während die obere Schicht einen Überschuß der anderen (B) hat. Nach getrenntem Härten der Schichten wird die obere Schicht von ihrer Form entfernt und oben auf der unteren Schicht plaziert, wo sie eine hermetische Abdichtung bildet. Da jede Schicht einen Überschuß einer der beiden Komponenten hat, verbleiben reaktionsfähige Moleküle an der Grenzfläche zwischen den Schichten. Durch weiteres Härten kommt es zur irreversiblen Verbindung der beiden Schichten. Die Festigkeit der Grenzfläche ist gleich der Festigkeit des gesamten Elastomers. Durch dieses Verfahren wird eine monolithische dreidimensional gemusterte Struktur erzeugt, die vollständig aus Elastomer besteht. Zusätzliche Schichten werden zugefügt, indem das Verfahren einfach wiederholt wird. Jedesmal wenn die Vorrichtung auf einer Schicht mit entgegengesetzter "Polarität" (A zu B) abgedichtet und gehärtet ist, wird eine weitere Schicht zugefügt.
Die leichte Herstellung von Mehrfachschichten ermöglicht mehrere Schichten von Fluidelementen, was mit herkömmlicher Mikrobearbeitung eine schwierige Aufgabe ist. Auf diese Weise erzeugten wird Teststrukturen mit bis zu sieben gemusterten Schichten (23), die jeweils etwa 40 um dick waren (Fig. 2F). Da die Vorrichtungen monolithisch sind (d. h. alle Schichten aus dem gleichen Material bestehen), werden Haftungsausfälle zwischen Schichten und Wärmespannungsprobleme vollständig umgangen. Durch Teilchen wird die Zwischenschichthaftung nur sehr gering, wenn überhaupt, gestört. Vielleicht am wichtigsten für die Betätigung von Mikrostrukturen ist, daß das Elastomer ein Weichmaterial mit einem Elastizitätsmodul (24) von etwa 750 kPa ist, was große Ablenkungen mit kleinen Betätigungskräften ermöglicht. Außerdem kann man die physikalischen Eigenschaften des Materials steuern. Wir erzeugten magnetische Elastomerschichten durch Zugabe von feinem Eisenpulver sowie elektrisch leitende Schichten durch Dotieren mit Kohleschwarz oberhalb der Perkolationsschwelle (25). Somit ist es möglich, vollständig aus Elastomer bestehende elektromagnetische Vorrichtungen zu erzeugen (26).
Zum Nachweis der Leistungsfähigkeit der Mehrschicht- Weichlithographie fertigten wir aktive Ventile und Pumpen. Monolithische Elastomerventile und -pumpen vermeiden wie andere mechanische Mikrofluidvorrichtungen mehrere praktische Probleme, die Strömungssysteme auf der Grundlage von elektroosmotischer Strömung (8, 9, 20, 27-29) oder Dielektrophorese (30, 31) beeinträchtigen, z. B. Elektrolytblasenbildung um die Elektroden und eine starke Abhängigkeit der Strömung von der Zusammensetzung des Strömungsmediums (32-34). Obwohl Elektrolytblasenbildung kein Problem für Laborvorrichtungen ist, beschränkt sie stark den Einsatz elektroosmotischer Strömung in integrierten Mikrofluidvorrichtungen. Außerdem läßt sich weder die elektroosmotische noch die dielektrophoretische Strömung ohne weiteres dazu verwenden, Strömung zu stoppen oder Druckdifferenzen auszugleichen.
Wir fertigten unsere Ventile unter Verwendung einer Architektur mit gekreuzten Kanälen (Fig. 1A). Typische Kanäle sind 100 um breit und 10 um hoch, was die aktive Fläche des Ventils 100 um mal 100 um groß macht. Die Polymermembran zwischen den Kanälen ist technisch so gestaltet, daß sie relativ dünn ist (normalerweise 30 um). Wird Druck auf den oberen Kanal ("Steuerkanal") ausgeübt, schlägt die Membran nach unten aus. Ausreichender Druck schließt den unteren Kanal ("Strömungskanal"). Zur optischen Zweckmäßigkeit dichten wir normalerweise unsere Strukturen mit Glas als untere Schicht ab; diese Verbindung mit Glas ist reversibel, so daß Vorrichtungen abgezogen, gewaschen und wiederverwendet werden können. Außerdem fertigten wir Vorrichtungen, bei denen die untere Schicht eine andere Elastomerschicht ist, was dann von Nutzen ist, wenn höhere Gegendrücke zum Einsatz kommen. Die Reaktionszeit von Vorrichtungen, die auf diese Weise betätigt werden, liegt in der Größenordnung von 1 ms, und die ausgeübten Drücke liegen in der Größenordnung von 100 kPa, so daß eine 100 um mal 100 um große Fläche Betätigungskräfte in der Größenordnung von 1 mN ergibt. Pneumatische Betätigung ermöglicht, aktive Vorrichtungen dicht zu packen; wir bauten Mikrofluidelemente mit Dichten von 30 Vorrichtungen je Quadratmillimeter, und größere Dichten sind erreichbar. Diese Betätigungsgeschwindigkeit, dieser Druck und diese Vorrichtungsdichte sind für die übergroße Mehrzahl von Mikrofluidanwendungen mehr als ausreichend.
Fig. 1.(A) Verfahrensablauf für die Mehrschicht-Weichlithographie. Das hier verwendete Elastomer ist Silikon RTV 615 von General Electric. Teil "A" enthält ein Vinylgruppen tragendes Polydimethylsiloxan und einen Platinkatalysator; Teil "B" enthält ein Siliciumhydrid- (Si-H-) Gruppen enthaltendes Vernetzungsmittel, das eine kovalente Bindung mit Vinylgruppen eingeht. Normalerweise wird RTV 615 in einem Verhältnis von 10A : 1B verwendet. Zum Verbinden wird eine Schicht mit 30A : 1B (Vinylgruppenüberschuß) und die andere mit 3A : 1B (Si-H-Gruppenüberschuß) hergestellt. Die obere Schicht wird zur mechanischen Stabilität dick gegossen (etwa 4 mm), während die anderen Schichten dünn gegossen werden. Hergestellt wurde die Dünnschicht durch 30 s Aufschleudern der RTV-Mischung auf eine mikrostrukturierte Form bei 2000 U/min. was eine Dicke von etwa 40 um ergab. Jede Schicht wurde 1,5 Stunden bei 80ºC getrennt wärmebehandelt. Danach wurde die Dickschicht auf der Dünnschicht abgedichtet, und beide wurden 1,5 Stunden bei 80ºC miteinander verbunden. Bei den Formen handelte es sich um gemustertes Fotoresist auf Siliciumwafern. Fotoresist Shipley SJR 5740 wurde mit 2000 U/min aufgeschleudert, mit einem hochauflösenden Transparentfilm als Maske gemustert und entwickelt, um 10 um hohe Umkehrkanäle zu ergeben. Nach 30 min Wärmebehandlung bei 200ºC fließt das Fotoresist, und die Umkehrkanäle werden abgerundet. Die Formen wurden vor jedem Gebrauch 1 min mit Trimethylchlorsilandampf behandelt, um Haftung von Silikonkautschuk zu vermeiden. (B) Schematische Darstellung des Ventilschließens für rechtwinklige und abgerundete Kanäle. Die punktierten Linien zeigen die Kontur der Oberseite des Kanals für rechtwinklige (links) und abgerundete (rechts) Kanäle bei Druckerhöhung. Kontrollieren läßt sich die Ventilabdichtung durch Betrachtung der Elastomer-Substrat-Grenzfläche unter einem optischen Mikroskop: Sie erscheint als klare, sichtbare Kante. Unvollständige Abdichtung wie bei einem rechtwinkligen Kanal erscheint als Berührungs-"Insel" im Strömungskanal; vollständige Abdichtung (wie man sie bei abgerundeten Kanälen beobachtet) ergibt eine kontinuierliche Berührungskante, die die linke und rechte Kante des Strömungskanals verbindet.
Fig. 2. Optische Mikroaufnahmen unterschiedlicher Ventil- und Pumpenkonfigurationen; Steuerleitungen sind senkrecht orientiert. (A) Einfaches Ein/Aus-Ventil mit 200-um-Steuerleitung und 100-um-Strömungsleitung ("200 · 100"). (B) Ein/Aus-Ventil 30 · 50. (C) Peristaltische Pumpe. Nur drei der vier gezeigten Steuerleitungen wurden zur Betätigung verwendet. (D) Gitter aus Ein/Aus-Ventilen. (E) Schaltventil. Normalerweise wurden nur die beiden innersten Steuerleitungen zur Betätigung verwendet. (F) Schnitt durch die im Text erwähnte Sieben-Schicht-Teststruktur. Alle Maßstabstriche sind 200 um lang.
Die Form des Strömungskanals ist für die ordnungsgemäße Ventilbetätigung von Bedeutung (Fig. 1B). Rechtwinklige und auch trapezförmige Kanäle schließen unter Druck von oben nicht vollständig. Strömungskanäle mit einem runden Querschnitt schließen vollständig; die Rundform überträgt Kraft Von oben zu den Kanalkanten und bewirkt, daß die Kanäle von den Kanten zur Mitte schließen. Wir stellten fest, daß Ventile von 100 um mal 100 um mal 10 um über trapezförmigen Kanälen auch bei 200 kPa ausgeübtem Druck nicht vollständig schlossen, während abgerundete Kanäle bei nur 40 kPa vollständig abdichteten.
Mehrere, unabhängig betätigte Ventile in einer Vorrichtung herzustellen erfordert einfach eine unabhängige Steuerung des Drucks, der auf jede Steuerleitung ausgeübt wird (35). Fig. 2, A bis E, zeigt einfache Konfigurationen, die zu Ein/Aus-Ventilen (Fig. 2, A und B), einer Pumpe (Fig. 2C), einem Ventilgitter (Fig. 2D) und einem Schaltventil (Fig. 2E) führen. Jede Steuerleitung kann mehrere Ventile gleichzeitig betätigen. Da die Breite der Steuerleitungen variiert werden kann und die Membranablenkung stark von den Membranmaßen abhängt, ist es möglich, eine Steuerleitung über mehrere Strömungskanäle verlaufen zu lassen und nur die gewünschten zu betätigen. Das aktive Element ist das Dach des Kanals selbst, so daß einfache Ein/Aus-Ventile (und Pumpen), die durch diese Technik hergestellt sind, ein echtes Totvolumen von null haben; Schaltventile haben ein Totvolumen, das etwa gleich dem aktiven Volumen eines Ventils ist, d. h. 100 um · 100 um · 10 um = 100 pl. Das erforderliche Totvolumen und die durch die bewegliche Membran verbrauchte Fläche sind jeweils etwa zwei Größenordnungen kleiner als jedes bisher vorgestellte Mikroventil (11).
Die Ventilöffnung läßt sich durch Variieren des auf die Steuerleitung ausgeübten Drucks genau steuern. Wie Fig. 3A nachweist, ist die Reaktion des Ventils über einen großen Abschnitt seines Bewegungsbereichs mit minimaler Hysterese nahezu vollkommen linear. Daher lassen sich diese Ventile zur Mikrofluiddosierung und Strömungssteuerung verwenden. Die Linearität des Ventilverhaltens zeigt, daß die einzelnen Ventile als Federn nach dem Hookeschen Gesetz gut modelliert sind. Ferner läßt sich hohen Drücken im Strömungskanal ("Gegendruck") einfach durch Erhöhen des Betätigungsdrucks entgegenwirken. Innerhalb des Versuchsbereichs konnten wir (bis zu einem Gegendruck von 70 kPa) testen, daß das Ventilschließen erreicht wurde, indem einfach der Gegendruck zum Mindestschließdruck bei einem Gegendruck von null addiert wurde.
Monolithische Elastomerventile, die gemäß der Beschreibung hierin gefertigt sind, können mit überraschender Geschwindigkeit betätigt werden. Gemäß Fig. 3B liegt die zeitliche Reaktion für ein mit wäßriger Lösung gefülltes Ventil in der Größenordnung von 1 ms. Bei 100 Hz öffnet und schließt das Ventil immer noch, wenngleich es nicht vollständig öffnet. Das Ventil reagiert nahezu verzögerungsfrei auf den ausgeübten Druck, aber der ausgeübte Druck eilt dem Steuersignal wesentlich nach (36).
Außerdem fertigten wir eine peristaltische Pumpe aus drei Ventilen, die an einem einzelnen Kanal angeordnet waren (Fig. 4A). Die Bestimmung von Pumpgeschwindigkeiten erfolgte durch Messen der von einer Wassersäule in einem dünnen Schlauch (0,5 mm Innendurchmesser) zurückgelegten Strecke; mit 100 um mal 100 um mal 10 um großen Ventilen wurde eine maximale Pumpgeschwindigkeit von 2,35 nl/s gemessen (Fig. 4B). In Übereinstimmung mit den vorstehenden Beobachtungen zur Ventilbetätigungsgeschwindigkeit wird die maximale Pumpgeschwindigkeit bei etwa 75 Hz erreicht; oberhalb dieser Geschwindigkeit konkurriert die Erhöhung der Anzahl von Pumpzyklen mit unvollständigem Ventilöffnen und -schließen. Die Pumpgeschwindigkeit war bis über 200 Hz nahezu konstant und fiel bis 300 Hz langsam ab. Die Ventile und Pumpen sind auch recht haltbar: Niemals beobachteten wir einen Ausfall der Elastomermembran, der Steuerkanäle oder der Verbindung. Nach mehr als 4 Million Betätigungen zeigte keines der Ventile in der zuvor beschriebenen peristaltischen Pumpe Anzeichen von Verschleiß oder Ermüdung. Neben ihrer Haltbarkeit sind sie auch schonend. Eine Lösung aus Escherichia coli, die durch einen Kanal gepumpt und auf Lebensfähigkeit getestet wurde, zeigte eine 94%ige Überlebensrate (37).
Fig. 3.(A) Ventilöffnung als Funktion des ausgeübten Drucks. "50 · 100" bezeichnet ein Mikroventil mit einem 50 um breiten Steuerkanal und einem 100 um breiten Fluidkanal. Dosier- und Öffnungsdaten für 100 · 50 (nicht gezeigt) sind nahezu identisch mit den Daten für 50 · 100. (B) Zeitverhalten eines 100 um mal 100 um mal 10 um großen RTV-Mikroventils mit 10 cm langem Luftschlauch, der vom Chip mit einem pneumatischen Ventil verbunden war. Gezeigt sind hier zwei digitale Steuersignalperioden, der Ist-Luftdruck am Ende des Schlauchs und die Ventilöffnung. Der auf die Steuerleitung ausgeübte Druck beträgt 100 kpa, was wesentlich höher als die etwa 40 kPa ist, die zum Schließen des Ventils erforderlich sind. Beim Schließen wird daher das Ventil mit einem Druck zugedrückt, der 60 kPa über dem notwendigen liegt. Beim Öffnen wird das Ventil dagegen nur durch seine eigene Federkraft (40 kPa) zurück in seine Ruheposition bewegt. Somit ist τzu, erwartungsgemäß kleiner als τauf. Zudem gibt es eine Verzögerung zwischen dem Steuersignal und der Steuerdruckreaktion wegen der Beschränkungen des Miniaturventils, das zum Steuern des Drucks verwendet wird. Bezeichnet man solche Verzögerungen mit t und die 1/e-Zeitkonstanten mit τ, lauten die Werte τauf = 3,63 ms, τauf = 1,88 ms, tzu = 2,15 ms, τzu = 0,51 ms. Sind jeweils 3τ zum Öffnen und Schließen zulässig, arbeitet das Ventil bequem mit 75 Hz, wenn es mit wäßriger Lösung gefüllt ist (36). Das Ventilöffnen wurde durch Fluoreszenz gemessen. Der Strömungskanal war mit einer Lösung aus Fluoreszeinisothiocyanat (FITC) in Puffer (pH ≥ 8) gefüllt, und die Fluoreszenz einer quadratischen Fläche, die das mittlere Drittel des Kanals einnahm, wurde mit einem Epifluoreszenzmikroskop mit einer Fotovervielfacherröhre mit 10 kHz Bandbreite überwacht. Der Druck wurde mit einem Wheatstone-Brücken- Drucksensor (SCC15GD2; SenSyn, Milipitas, California) überwacht, der gleichzeitig mit der Steuerleitung über nahezu identische pneumatische Verbindungen unter Druck gesetzt wurde.
Fig. 4.(A) Darstellung einer peristaltischen Elastomerpumpe im 3D-Maßstab. Die Kanäle sind 100 um breit und 10 um hoch. Normalerweise wurde die Peristaltik durch das Muster 101, 100, 110, 010, 011, 001 betätigt, worin 0 und 1 "Ventil auf" bzw. "Ventil zu" bezeichnen. Dieses Muster wird bezogen auf den Betätigungsphasenwinkel zwischen den drei Ventilen als "120º"-Muster bezeichnet. Andere peristaltische Muster sind möglich, u. a. 90º- und 60º-Muster. Die Pumpgeschwindigkeitsdifferenzen bei einer vorgegebenen Musterzyklusfrequenz waren minimal. (B) Pumpgeschwindigkeit einer peristaltischen Mikropumpe als Funktion verschiedener Ansteuerungsfrequenzen. Abmessung der Mikroventile: 100 um mal 100 um mal 10 um; ausgeübter Luftdruck: 50 kpa.
Monolithische aktive Ventile, die gemäß der Beschreibung hierin aufgebaut sind, haben mehrere bemerkenswerte Vorteile gegenüber Mikrofluidventilen auf Siliciumbasis. Aufgrund des geringen Elastizitätsmoduls von Silikonkautschuk ist die aktive Fläche der Ventile nicht größer als die Kanäle selbst; dies ermöglicht außerordentlich geringe Totvolumina. Wegen der Weichheit der Membran wird vollständige Ventilabdichtung leicht erreicht, sogar in Gegenwart von Teilchen. Die Ventils schließen linear mit dem ausgeübten Druck, wodurch dosiert werden kann und sie trotz hohen Gegendrucks schließen können. Ihre kleine Größe macht sie schnell, und Größe sowie Weichheit tragen beide dazu bei, sie haltbar zu machen. Kleine Größe, pneumatische Betätigung und die Fähigkeit zum Kreuzen von Kanälen, ohne sie zu betätigen, ermöglichen eine dichte Integration von Mikrofluidpumpen, -ventilen, -mischkammern und -schaltventilen in einem einzelnen, leicht zu fertigen Mikrofluidchip. Der größte Vorteil ist aber die leichte Herstellung. Gegenüber Ventilen und Pumpen, die mit herkömmlicher Mikrobearbeitung auf Siliciumbasis hergestellt werden (11) [oder auch Hybridvorrichtungen, in die Polymere eingebaut sind (38-41)], sind monolithische Elastomerventile einfacher und viel leichter zu fertigen.
Die Verwendung nicht traditioneller Materialien verleiht dem Mehrschicht-Weichlithographieverfahren eine Anzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlicher Mikrobearbeitung, u. a. schnelle Prototypherstellung, leichte Fertigung und tolerante Verfahrensparameter. Sie ermöglicht Mehrschichtfertigung ohne die Probleme von Zwischenschichthaftung und Wärmespannungsaufbau, die herkömmlicher Mikrobearbeitung innewohnen. Dieses Verfahren kann dazu dienen, komplexe mikrostrukturierte Mehrschichtstrukturen aufzubauen, z. B. optische Systeme und Mikrofluidventile und -pumpen. Der hier verwendete Silikonkautschuk ist gegenüber sichtbarem Licht durchlässig, was eine optische Abfrage von Mikrofluidvorrichtungen einfach macht. Außerdem ist er biokompatibel - Materialien in dieser Familie dienen zur Herstellung von Kontaktlinsen. Das Rohmaterial ist billig, besonders im Vergleich zu Einkristallsilicium (etwa $ 0,05/cm³ verglichen mit etwa $ 2,5/cm³). Am wichtigsten ist, daß es einen geringen Elastizitätsmodul hat, wodurch auch kleinflächige Vorrichtungen betätigt werden können. Pneumatisch betätigte Ventile und Pumpen sind zur vielfältigen Fluidmanipulation für Laboranwendungen auf Chips von Nutzen: Künftig sollte es möglich sein, elektrisch oder magnetisch betätigte Ventile und Pumpen zu gestalten, die als implantierbare Vorrichtungen für klinische Anwendungen eingesetzt werden können.
Lektoratshinweis: Nach Eingang dieses Manuskripts erfuhren wir von verwandten Arbeiten von J. Anderson et al. in der Whitesides-Gruppe an der Harvard-Universität.

Literatur und Anmerkungen

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14. Y. N. Xia, et al., Science 273, 347 (1996).
15. Y. N. Xia und G. M. Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. Engt 37, 550 (1998).
16. C. S. Effenhauser, G. J. M. Bruin, A. Paulus, M. Ehrat, Anal. Chem. 69, 3451 (1997).
17. E. Delamarche, A. Bernard, H. Schmid, B. Michel, H. Biebuyck, Science 276, 779 (1997).
18. A. Y. Fu, C. Spence, A. Scherer, F. H. Arnold, S. R. Quake, Nature Biotechnol. 17, 1109 (1999).
19. K. Hosokawa, T. Fujii, I. Endo, Anal. Chem. 71, 4781 (1999).
20. D. C. Duffy, O. J. A. Schueller, S. T. Brittain, G. M. Whitesides, J. Micromech. Microeng. 9, 211 (1999).
21. D. C. Duffy, J. C. McDonald, O. J. A. Schueller, G. M. Whitesides, Anal. Chem. 70, 4974 (1998).
22. P. J. A. Kenis, R. F. Ismagilov, G. M. Whitesides, Science 285, 83 (1999).
23. Für Mehrfachschichten wurde eine Dickschicht gemäß der vorstehenden Beschreibung hergestellt; jede Dünnschicht wurde 20 min bei 80ºC wärmebehandelt. Die wachsende Dickschicht wurde auf jeder neuen Dünnschicht angeordnet und durch 20 min Wärmebehandlung bei 80ºC verbunden. Durch dieses Verfahren wurden Sieben-Schicht-Vorrichtungen hergestellt; für die Anzahl von Schichten gibt es keine offensichtliche Beschränkung.
24. J. C. Lötters, W. Olthuis, P. H. Veltink, P. Bergveld, J. Micromech. Microeng. 7, 145 (1997).
25. Leitendes Silikon wurde durch Zugabe von feinem Kohleschwarz (Vulcan XC72; Cabot, Billerica, MA) mit 10%iger oder höherer Gewichtskonzentration hergestellt. Die Leitfähigkeit stieg mit der Kohleschwarzkonzentration von 5,6 · 10&supmin;¹&sup6; bis etwa 5 · 10&supmin;³ (Ohm·cm)&supmin;¹. Magnetisches Silikon wurde durch Zugabe von Eisenpulver (etwa 1 um Teilchengröße) erzeugt; bis zu 20 Gew.-% Fe wurden zugegeben. Für sowohl leitendes als auch magnetisches Silikon funktionierte das Mehrschichtverbinden normal.
26. K. Ikuta, K. Hirowatari, T. Ogata, in Proceedings IEEE International MEMS 94 Conference (IEEE, Piscataway, NJ, 1994), Seiten 1-6.
27. R. B. M. Schasfoort, S. Schlautmann, J. Hendrikse, A. von den Berg, Science 286, 942 (1999).
28. S. C. Jacobson, T. E. McKnight, J. M. Ramsey, Anal. Chem. 71, 4455 (1999).
29. C. S. Effenhauser, G. J. M. Bruin, A. Paulus, Electrophoresis 18, 2203 (1997).
30. M. Washizu, S. Suzuki, O. Kurosawa, T. Nishizaka, T. Shinohara, IEEE Trans. Ind. Appl. 30, 835 (1994).
31. R. Pethig und G. H. Markx, Trends Biotechnol. 15, 426 (1997).
32. R. Brechtel, W. Hoffmann, H. Rudiger, H. Watzig, J. Chromatogr. A 716, 97 (1995).
33. C. A. Lucy und R. S. Underhill, Anal. Chem. 68, 300 (1996).
34. Die Größe der Strömung (und auch ihre Richtung) hängt auf komplizierte Weise von der Ionenstärke und -art, dem Vorhandensein grenzflächenaktiver Stoffe und der Ladung an den Wänden des Strömungskanals ab; da ferner die Elektrolyse kontinuierlich stattfindet, ist die Pufferkapazität, pH-Wertänderungen zu widerstehen, begrenzt. Daher erfordert eine genaue Strömungssteuerung eine Kalibrierung für jeden neuen Puffer oder gelösten Stoff und kann schwierig sein, wenn die genaue Zusammensetzung einer Probe nicht vorab bekannt ist. Auch der elektroosmotische Fluß kann eine unerwünschte elektrophoretische Trennung von Molekülen induzieren, was Entmischungsprobleme mit sich bringt. Die Dielektrophorese erfordert keine Elektrolyse und verursacht daher keine Blasenbildung, leidet aber immer noch unter Proben- und Lösungsmittelempimdlichkeit.
35. Jeder Steuerkanal wurde mit dem gemeinsamen Anschluß eines Miniatur-Dreiwege-Schaltventils (LHDA1211111H; Lee Valve, Westbrook, CT) verbunden, das durch eine schnelle Zener-Diodenschaltung gespeist und durch eine digitale Datenerfassungskarte (AT-DIO-32HS; National Instruments, Austin, TX) gesteuert wurde. Regulierter Außendruck wurde zum Öffnungsanschluß geführt, wodurch der Steuerkanal durch Umschalten des Miniaturventils unter Druck gesetzt oder in die Atmosphäre entlüftet werden konnte.
36. Bei Verwendung eines anderen Betätigungsverfahrens, das nicht unter der Öffnungs- und Schließverzögerung leidet, würde dieses Ventil mit etwa 375 Hz arbeiten. Die Federkonstante kann durch Ändern der Membrandicke eingestellt werden; damit wird eine Optimierung zum schnellen Öffnen oder schnellen Schließen möglich.
37. E. coli wurden mit 10 Hz durch den Kanal gepumpt. Proben mit bekanntem Volumen wurden der Ausgangsmulde (Pumpprobe) und Eingangsmulde (Kontrollprobe) entnommen, und Reihenverdünnungen von jeder wurden auf Luria-Bertani-Agarplatten gegeben und über Nacht bei 37ºC vermehrt. Die Bewertung der Lebensfähigkeit erfolgte durch Zählen von Kolonien in der Kontroll- und Pumpprobe und Korrigieren nach Probenvolumina und Verdünnung.
38. J. Fahrenberg, et al., J. Micromech. Microeng. 5, 77 (1995).
39. C. Goll, et al., J. Micromech. Microeng. 6, 77 (1996).
40. X. Yang, C. Grosjean, Y. C. Tai, C. M. Ho, Sensors Actuators A 64, 101 (1998).
41. A. M. Young, T. M. Bloomstein, S. T. Palmacci, J. Biomech. Eng. Trans. ASME 121, 2 (1999).
42. Diese Arbeit wurde teilweise vom NIH gefördert (NS-11756, DA-9121).
24. November 1999; angenommen am 14. Februar 2000

Claims

1. Elastomerstruktur (24) mit:

einem Elastomerblock, der mit mindestens einer ersten und einer zweiten mikrostrukturierten Aussparung (21, 23) darin ausgebildet ist, wobei die erste und zweite mikrostrukturierte Aussparung durch einen Membranabschnitt (25) des Elastomerblocks getrennt sind, der in die erste oder zweite mikrostrukturierte Aussparung ablenkbar ist, wenn die Membran betätigt wird.

2. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Aussparung (21 und 23) eine Breite im Bereich von 10 um bis 200 um haben.

3. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei der Membranabschnitt (25) eine Dicke zwischen etwa 1 um und 100 um hat.

4. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei der Membranabschnitt (25) auf eine ausgeübte Betätigungskraft im wesentlichen linear reagiert.

5. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei:

die erste Aussparung (21) einen ersten mikrostrukturierten Kanal (30) aufweist und die zweite Aussparung (23) einen zweiten mikrostrukturierten Kanal (32) aufweist; und

der Membranabschnitt (25) eine Elastomermembran aufweist, die in den ersten oder zweiten mikrostrukturierten Kanal ablenkbar ist, wenn die Membran betätigt wird.

6. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei:

die erste Aussparung (21) einen ersten mikrostrukturierten Kanal (30) aufweist; und

der Membranabschnitt (25) eine Elastomermembran aufweist, die in den ersten mikrostrukturierten Kanal ablenkbar ist, wenn die Membran betätigt wird.

7. Elastomerstruktur nach Anspruch 6, wobei die zweite mikrostrukturierte Aussparung (23) einen zweiten mikrostrukturierten Kanal (32) aufweist.

8. Elastomerstruktur nach Anspruch 6, wobei die Membran (25) in den ersten Kanal (30) ablenkbar ist, wenn die zweite mikrostrukturierte Aussparung (23) unter Druck gesetzt wird.

9. Elastomerstruktur nach Anspruch 7, ferner mit:

einem dritten und einem vierten Kanal (32B, 32C), die parallel zum zweiten Kanal (32A) angeordnet sind, wobei der zweite, dritte und vierte Kanal vom ersten Kanal durch eine erste, zweite bzw. dritte Membran (25) getrennt sind, die in den ersten Kanal (30) ablenkbar ist.

10. Elastomerstruktur nach Anspruch 9, wobei die erste, zweite und dritte Membran (25) in den ersten Kanal (30) ablenkbar sind, wenn der zweite, dritte bzw. vierte Kanal (32A, 32B, 32C) unter Druck gesetzt werden.

11. Elastomerstruktur nach Anspruch 7, ferner mit einem dritten mikrostrukturierten Kanal (30B) parallel zum ersten Kanal (30A), wobei der zweite Kanal (32A) sowohl breite als auch schmale Abschnitte hat, die über seine Länge angeordnet sind, wobei ein breiter Abschnitt benachbart zum ersten Kanal angeordnet ist und ein schmaler Abschnitt benachbart zum dritten Kanal angeordnet ist.

12. Elastomerstruktur nach Anspruch 6, wobei die Membran eine gewölbte Unterseite hat, so daß die Oberseite des ersten Kanals gewölbt ist.

13. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei die Elastomerstruktur ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus:

Polyisopren, Polybutadien, Polychloropren, Polyisobutylen, Poly(styrol-Butadien-Styrol), den Polyurethanen, Silikonen oder aliphatischen Urethandiacrylaten.

14. Elastomerstruktur nach Anspruch 13, wobei die Elastomerstruktur ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus:

Polydimethylsiloxan (PDMS), z. B. General Electric RTV 615, Dow Chemical Corp. Sylgard 182, 184 oder 186, oder aliphatischen Urethandiacrylaten, z. B. Ebecryl 270 oder Irr 245 von UCB Chemicals.

15. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei die Elastomerstruktur ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus:

Poly(bis(fluoralkoxy)phosphazen) (PNF, Eypel-F), Poly(carboran-Siloxanen) (Dexsil), Poly(acrylnitril-Butadien) (Nitrilkautschuk), Poly(1-buten), Poly(chlortrifluorethylen-Vinylindenfluorid)-Copolymeren (Kel-F), Poly(ethylvinylether), Poly(vinylindenfluorid) oder Poly(vinylindenfluorid-Hexafluorpropylen)-Copolymer (Viton).

16. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei die Elastomerstruktur ein Material aufweist, das ausgewählt ist aus:

Elastomerzusammensetzungen aus Polyvinylchlorid (PVC), Polysulfon, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polytetrafluorethylen (Teflon).

17. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei der Membranabschnitt (25) bei einer Geschwindigkeit von 100 Hz oder darüber betätigt wird.

18. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei der Membranabschnitt (25) bei einer Geschwindigkeit bis zu 75 Hz betätigt wird.

19. Elastomerstruktur nach Anspruch 1, wobei die Struktur im wesentlichen kein Totvolumen enthält, wenn der Membranabschnitt (25) betätigt ist.

20. Elastomerstruktur (24) nach Anspruch 1, ferner mit einem Planarsubstrat (14), beispielsweise Glas, wobei das Planarsubstrat eine Wand der ersten oder zweiten mikrostrukturierten Aussparung (21, 23) bildet.

21. Verfahren zum Betätigen einer Elastomerstruktur mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen eines Elastomerblocks, der mit einer ersten und einer zweiten mikrostrukturierten Aussparung (21, 23) darin ausgebildet ist, wobei die erste und zweite mikrostrukturierte Aussparung durch einen Membranabschnitt (25) des Elastomerblocks getrennt sind, der in die erste oder zweite Aussparung als Reaktion auf eine Betätigungskraft ablenkbar ist; und

Ausüben einer Betätigungskraft auf den Membranabschnitt, so daß der Membranabschnitt in die erste oder zweite Aussparung abgelenkt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Schritt des Ausübens einer Betätigungskraft das Ausüben eines Drucks auf die zweite mikrostrukturierte Aussparung (23) aufweist, um den Membranabschnitt (25) in die erste mikrostrukturierte Aussparung (21) abzulenken.

23. Verfahren zum Steuern von Fluid- oder Gasströmung durch eine Elastomerstruktur mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen eines Elastomerblocks, wobei der Elastomerblock eine erste, zweite und dritte mikrostrukturierte Aussparung (32A, 32B, 32C) hat und der Elastomerblock einen ersten mikrostrukturierten Kanal (30) hat, der ihn durchläuft, wobei die erste, zweite und dritte mikrostrukturierte Aussparung vom ersten Kanal durch eine erste, zweite bzw. dritte Membran (25) getrennt sind, die in den ersten Kanal ablenkbar sind;

und

Ablenken der ersten, zweiten und dritten Membran in den ersten Kanal in einer sich wiederholenden Folge, um eine Strömung von Fluid durch den ersten Kanal peristaltisch zu pumpen.

24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei die erste, zweite und dritte Membran (25) durch zunehmenden Druck innerhalb der ersten, zweiten und dritten Aussparung (32A, 32B, 32C) in den ersten Kanal abgelenkt werden.

25. Verfahren zum Mikrostrukturieren einer Elastomerstruktur mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen einer ersten mikrostrukturierten Elastomerstruktur (20) mit mindestens einer ersten Aussparung (21) darin;

Bereitstellen einer zweiten mikrostrukturierten Elastomerstruktur (22) mit mindestens einer zweiten Aussparung (23) darin; und

Verbinden einer Oberfläche der ersten Elastomerstruktur mit einer Oberfläche der zweiten Elastomerstruktur.

26. Verfahren nach Anspruch 25, ferner mit den folgenden Schritten:

Positionieren der zweiten Elastomerstruktur (22) auf der Oberseite der ersten Elastomerstruktur (20), so daß die erste Aussparung (21) und zweite Aussparung (23) durch einen Membranabschnitt (25) der Elastomerstruktur getrennt sind und der Membranabschnitt in die erste Aussparung oder die zweite Aussparung ablenkbar ist;

und

Verbinden einer Unterseite der zweiten Elastomerstruktur mit einer Oberseite der ersten Elastomerstruktur.

27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei:

die erste Elastomerstruktur (20) auf einer ersten mikrobearbeiteten Form (10) gefertigt wird, die mindestens einen erhöhten Vorsprung (11) hat, der die mindestens erste Aussparung (21) in der Unterseite der ersten Elastomerstruktur bildet; und

die zweite Elastomerstruktur (22) auf einer zweiten mikrobearbeiteten Form (12) gefertigt wird, die mindestens einen erhöhten Vorsprung (13) hat, der die mindestens zweite Aussparung (23) in der Unterseite der ersten Elastomerstruktur bildet.

28. Verfahren nach Anspruch 26, ferner mit den folgenden Schritten:

aufeinanderfolgendes Zufügen weiterer Elastomerschichten, wobei jede Schicht zugefügt wird durch:

Mikrostrukturieren einer nachfolgenden Elastomerschicht; und

Verbinden der Unterseite der nachfolgenden Elastomerschicht mit der Oberseite der Elastomerstruktur.

29. Verfahren nach Anspruch 26, wobei die erste und zweite Elastomerstruktur aus dem gleichen Material hergestellt werden.

30. Verfahren nach Anspruch 29, wobei sowohl die erste als auch die zweite Elastomerstruktur ein Vernetzungsmittel aufweisen.

31. Verfahren nach Anspruch 26, wobei die erste und zweite Elastomerstruktur durch eine Kleberschicht verbunden werden.

32. Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Kleber ein ungehärtetes Elastomer aufweist, das gehärtet wird, um die erste und zweite Elastomerstruktur miteinander zu verbinden.

33. Verfahren nach Anspruch 26, wobei die erste und zweite Elastomerstruktur durch Einwirkenlassen von Sauerstoffplasma chemisch aktiviert werden, um das Verbinden der Schichten zu erleichtern.

34. Verwendung einer ablenkbaren Membran (25), um Strömung von Fluid in einem mikrostrukturierten Kanal (30) einer Elastomerstruktur (24) zu steuern.

35. Verwendung nach Anspruch 34, wobei die Steuerung von Strömung eines Fluids im mikrostrukturierten Kanal durch das Ausüben einer Betätigungskraft auf die Membran (25) bewirkt wird.

36. Verwendung nach Anspruch 34, wobei die mikrostrukturierte Elastomerstruktur (24) monolithisch ist.

37. Verwendung nach Anspruch 34, wobei die Steuerung von Strömung eines Fluids im mikrostrukturierten Kanal (30) durch Druckbeaufschlagung eines zweiten mikrostrukturierten Kanals (32) der Elastomerstruktur bewirkt wird, um die Membran abzulenken.

38. Verwendung nach Anspruch 34, wobei die Elastomerstruktur mit mindestens einer ersten und einer zweiten mikrostrukturierten Aussparung (21, 23) darin ausgebildet ist, wobei eine der mikrostrukturierten Aussparungen den mikrostrukturierten Kanal (30) bildet, und wobei die ablenkbare Membran (25) die erste und zweite mikrostrukturierte Aussparung trennt und in die erste oder zweite mikrostrukturierte Aussparung bei Betätigung ablenkbar ist.

39. Verwendung verbundener Elastomerschichten (20, 22), um eine Elastomervorrichtung (24) herzustellen, die einen mikrostrukturierten ablenkbaren Abschnitt (25) enthält.

40. Verwendung eines Elastomermaterials, um ein mikrostrukturiertes Fluidventil mit im wesentlichen keinem Totvolumen oder eine mikrostrukturierte peristaltische Pumpe herzustellen.