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CN101010139A - 微型流体系统和制造该系统的方法 - Google Patents

微型流体系统和制造该系统的方法 Download PDF

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CN101010139A CNA2005800286737A CN200580028673A CN101010139A CN 101010139 A CN101010139 A CN 101010139A CN A2005800286737 A CNA2005800286737 A CN A2005800286737A CN 200580028673 A CN200580028673 A CN 200580028673A CN 101010139 A CN101010139 A CN 101010139A
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E·萨罗菲姆
I·G·卡拉索
P·格里斯
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F Hoffmann La Roche AG
Original Assignee
F Hoffmann La Roche AG
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Abstract

本发明涉及一种微型流体系统，它具有优选地设置穿刺机构(14)的支架体(12)，设置在该支架体上且用于将样品流体从取出位置毛细管地输送到目标地(22，24)的半开口的微型通道(16)。为了得到更高的尺寸比，本发明建议，为了输送流体用至少在上部区域在侧面限定微型通道(16)的结构层(18)给支架体(18)涂层。

Description

微型流体系统和制造该系统的方法
本发明涉及一种微型流体系统，它具有优选地设置穿刺机构的支架体和一个设置在该支架体上且用于将流体从取出位置毛细管地输送到目的位置的半开口的微型通道。另外，本发明还涉及一种这样一种系统的优选应用以及一种制造该系统的方法。
这种类型的系统可以专门在生物分析方面用于对例如为了确定血糖在现场作为毛细血管血取出的最小量的流体的化验。在这种情况中，微量流体技术的特征除了微观的体积(微升和更少)外还在于结构部件越来越小的尺寸，该结构部件可以利用毛细管力，并且在所谓的任意使用(Disposible)方面必须成本有利，并且必须适合批量生产。虽然半导体技术领域已公开了专门以掩膜蚀刻形式(“光化学蚀刻”)的用于高集成系统的方法，然而在该领域所采用的材料主要由于其脆性几乎不能用于有机械应力的结构。在蚀刻生物兼容材料例如钢时由于均质的材料去除出现了下述问题，即所产生的通道结构的横截面不能特别最佳地输送流体。在这方面在US-A2002/0168290已建议的使用湿润剂的方法由于下述原因也存在问题：
—需要附加的生产步骤，
—典型地要求和被输送的样品中的分析物的验证方法的兼容性(也就是对测量结果没有影响或者说没有不可接受的失真)。
—通常甚至必须有生物兼容性(无任何有毒作用)，因为在取样时不能排除在用湿润剂涂层时部件短时地进到有机体中。
—亲水化必须足够地存储稳定。
—在唯一使用无合适几何形状的湿润剂时存在物理限制。这样的限制单个或者组合地存在于所要求的输送距离、位置/重力的不相关性和/或流动速度之中。
以此为出发点，本发明的任务是避免在现有技术中出现的缺点，并且对系统和制造方法作如下的改进，即用有利措施提供一种有效输送微量流体的结构。特别是应该减少由于唯一地使用湿润剂可能出现的限制。
为了完成这个任务，本发明建议了在独立权利要求中所说明的特征组合。本发明的有利的设计方案和改进方案产生自从属权利要求。
与之相应地在微型流体系统方面建议，给支架体涂上一层用于流体输送的结构层，这个结构层至少在上部区域，并且除了底部区域以外在侧面限定微型通道。这种涂层可以以简单的方式用事前无形的物质形成一种固定粘附的结构，其中，通过在结构层中或者说在它的侧壁上形成通道或者增高通道实现引导流体的导流功能，这种功能是建立在提高毛细作用基础之上的。这特别地意味着也可在均质可蚀刻的基质上实现具有高的尺寸比的通道横截面，这种通道横截面大大地改进毛细管作用。在这种情况中支架体可同时设计成刺入皮肤的穿刺元件，或者完成一种与穿刺元件分开的取样或者说容纳功能。
在一种有利的设计方案中，微型通道具有设置到支架体中的，优选已刻入的下横截面区域和位于其上在结构层中形成的上横截面区域。也可以的是，结构层在微型通道的整个深度上在侧面限定该微型通道，并且因此仅承担引导流体的功能。
若结构层由一种光刻胶，优选地由一种厚膜光刻胶构成则是特别有利的。这样就可以以简单的方式在支架体上实现具有所要求的稳定性和符合使用目的惯性的微型导流结构。这可以通过下述措施达到，即为了形成或者增高微型通道将结构层进行光电结构化(fotostrukturiert)，从而，也可提供一种具有所要求的精度的综合的几何形状。
结构层有利地具有大于50μm，优选200至500μm的层厚。
本发明的另一发明点在于微型通道具有多个通过连续的蚀刻步骤从支架体表面到深处刻入的部分横截面。也可以以这样的方式在一种均质可蚀刻的支架体材料上使微型通道达到大的深宽比。若这个尺寸比大于0.5，优选大于0.8是特别有利的。
若微型通道具有在50至500μm范围的净宽度则对于独立的毛细管的流体输送是有利的。
另一有利的设计方案规定，支架体中的部分横截面是通过光化学掩膜蚀刻形成的。
根据本发明的另一变型方案可通过下述措施提高毛细管作用，即微型通道具有优选通过底侧蚀刻在它的纵向边缘区域中形成的侧凹。
另一实施方式规定，支架体由一种均质可蚀刻的材料构成，其中，特别是使用一种优选由金属，特别是优质钢构成的平面成形件可实现所希望的特性，如有利的可使用性、稳定性、惯性和生物兼容性。
有利地，由扁平材料形成的支架体具有100至450μm，优选150至300μm的厚度。
若结构层具有提高亲水性的附加物质或者成份，或者通过化学表面处理提高微型通道的壁的可润湿性也是有利的。
另一改进方案规定，在微型通道区域的外部，支架体的至少一个部分结构，优选穿刺机构通过蚀刻或者冲压形成，从而，通过统一的流程就可提供不同的结构化。
一种优选的使用方案涉及一种包括根据本发明的微型流体系统的可任意使用的取样元件。
根据本发明的微型流体系统的另一优选应用在于将样品流体从取出位置输送到目的位置，特别是输送到检测区域。
在方法方面，本文开头所述任务是通过下述措施完成的，即通过设置到支架体的光刻胶层，特别是一种厚膜一光刻胶增高或者形成输送流体的微型通道。
在一种有利的设计方案中光刻胶是作为厚膜喷溅或者刮印(aufgerakelt)到支架体上的或者是通过浸渍涂层涂覆到支架体上的。
另一有利的措施在于，通过掩膜蚀刻，第一光致抗蚀层将微型通道刻入到支架体中；并且在去掉第一光刻胶层后涂覆第二光刻胶层，并且为了增高微型通道将其光电结构化。
下面借助在附图中简示的实施例对本发明进行更详细的说明。
这些附图是：
图1是用于输送样品流体的作为微型流体系统的取样元件的透视图，
图2至4是按照图1的其微型通道具有不同结构层的系统的横截面图，
图5a至f是按照图1的系统的横截面图，其中示出该系统的用于增高通道的光电结构化的连续的方法步骤，
图6a至k是与图5对应地表示用于通道深化的连续的方法步骤图。
在附图中示出的微型流体系统作为可任意使用的取样元件10能取样，并且能毛细管地输送小量的人体流体。为此，该系统包括平面的支架体12、在其上形成的穿刺机构14和毛细管式的微型通道16，可通过支架体12的结构层18至少部分区域地对该微型通道进行限定。
支架体12作为条形的平面成形件由具有约150至300μm厚度的钢制成。它的邻近的端部段形成在穿孔过程时进行操作的支承区域20，而在远侧的端部上整体成形的穿刺机构14在使用者的皮肤中产生一个小伤口，以便能取出微量的血或者组织液。
微型通道16沿它的长度是凹槽形或者说半开口的，从而如下所述那样可以用光刻法进行制造。在穿刺机构区域(刺尖14)中的取样部位22在半开口的横截面上可有效地从皮肤或者皮肤表面取出流体，而组织部分不能像传统的空心导管那样完全封闭进入横截面。
流体通过毛细管通道16输送到与穿刺机构14间隔距离的目标地24，在该目标地可对体液进行分析。这种分析例如可通过反射分光的或者电化学的验证方法以已公开的方式实现。
通道横截面沿微型通道16的长度可是恒定的或者是变化的。优选地通道的宽度在50至500μm范围之内，而所述的深度和宽度之间的尺寸比从改进毛细作用意义上讲大于0.5，优选大于0.8。其中值得注意的是在将通道16均质地刻入支架体12时得到大约为半圆形的横截面，在该横截面中尺寸比仅为0.5。
如图2所示，可通过结构层18在侧面地限定上边缘开口的通道区域28的情况下增加通过均质蚀刻形成的半圆形的作为支架体或者说基质12中的底部区域的下通道区域26的高度，这样可得到总的更高的尺寸比，并且因此可为流体的输送取得更好的毛细管作用。为此目的结构层18应具有大于50μm的层厚，优选为200至500μm的厚度。
结构层18不是作为预制体铺到支架体12上的，而是由一种事先无形的物质作为固定附着的涂层涂覆其上的。为此规定了一种流体的涂层材料，特别是一种光刻胶30(英文：“Photo-resist”)。一种例如环氧基的厚膜-光刻胶特别适合于此。
在图2的实施方式中，在蚀刻下部区域26之后随即涂覆光刻胶30，从而，互补的上通道区域28可附加地引导流体。为此目的通过合适的添加剂或者一种相应的油漆成份(Lackzusammensetzung)提高结构层18的亲水性是有利的。
也可以在结构形成后通过对表面的化学任意使用改进通道壁的水亲合性。
如图3的实施方式所示，在蚀刻支架体12上的下部区域26时作为掩膜使用的光刻胶30没有去掉，而是用于附加的流动功能保留下来。如图所示，除了增高通道壁以外通过侧凹也可减小面对大气的开口表面32，这样可进一步地提高毛细管作用。原则上也可以设想通过选择合适的蚀刻参数可将通道16的侧凹的边缘区域作为支架体12的底侧蚀刻结构制造。
图4示出一种实施例。在该实施例中结构层18在微型通道的整个深度上侧面地限定微型通道16，其中，在此通过光刻胶30的相应的层厚可达到高的尺寸比。除了在结构层18中对通道16进行光电结构化以外还可通过安排在前的(均质的)蚀刻对支架体12进行结构化，例如自由蚀刻穿刺机构14。
图5示出在之前已蚀刻的支架体结构上对通道16进行光电结构化的方法流程。首先将作为基质的支架体12设置第一光刻胶层30’(图5a、b)。然后穿过光电掩膜32地进行紫外线曝光，其中，在透光的掩膜区域的下面光刻胶30’进行聚合或者说硬化，而被掩蔽的区域34在曝光和显影之后被冲洗掉(图5c、d)。然后通过在层30’中如此产生的凹槽36给支架体12提供蚀刻剂，其中，均质地自由蚀刻出通道区域26。在去掉光致抗蚀层30’(图5f)后，通过借助掩膜38对第二厚膜层30”的另一光电结构化对应前面已蚀刻的通道走向形成通道增高部分28(图5i)。已硬化的光刻胶作为结构层18永久地保留在基质12上，并且因此为改进流体的输送完成导流的功能。
在图6所示的方法流程中通过多个连续的蚀刻步骤提高通道16的尺寸比。通过第一次蚀刻与前面在图5a至f中的说明对应地在支架体12中形成通道16的上部分横截面40(图6a至f)。然后通过这些步骤的至少一次重复在一个第二次或者另一次的蚀刻中产生一个加深的部分横截面42，从而，该通道16几乎穿透整个支架体12，但不均质地在宽度方向上延伸(图6g至k)。原则上讲也可以和支架体12的两侧彼此平行地进行多次蚀刻，直到通道16完全刻蚀透，然后其中至少其底部侧面必须例如通过铺上一层薄膜进行封闭。

Claims (23)

1.取出人体流体的微型流体系统，具有优选地设置穿刺机构(14)的支架体(12)，设置在该支架体上且用于将流体从取出位置毛细管地输送到目的位置(22，24)的半开口的微型通道(16)，其特征在于，为了输送流体用至少在上部区域在侧面限定微型通道(16)的结构层(18)给支架体(12)涂层。
2.按照权利要求1所述的微型流体系统，其特征在于，所述微型通道(16)具有设置到支架体(12)中、且优选已刻入的下横截面区域(26)，和位于其上的且在结构层(18)中形成的上横截面区域(28)。
3.按照权利要求1所述的微型流体系统，其特征在于，所述结构层(18)在微型通道(16)的整个深度上在侧面限制微型通道(16)。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，所述结构层(18)由一种光刻胶(30)，优选一种厚膜-光刻胶构成。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，为了形成或者增高微型通道(16)将结构层(18)光电结构化。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，所述结构层(18)具有大于50μm的层厚，优选层厚为200至500μm。
7.取出人体流体的微型流体系统，具有优选地设置穿刺机构(14)的支架体(12)，设置在该支架体上且用于将流体从取出位置毛细管地输送到目的位置(22、24)的半开口的微型通道(16)，其特征在于，所述微型通道(16)具有多个通过连续的蚀刻步骤从支架体(12)表面刻入到深处的部分横截面(40、42)。
8.按照权利要求1至7中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，所述微型通道(16)的深度和宽度的尺寸比大于0.5，优选地大于0.8。
9.按照权利要求1至8中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，所述微型通道(16)具有50至500μm范围内的净宽度。
10.按照权利要求7至9中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，所述部分横截面(40、42)是通过光化学掩膜蚀刻形成的。
11.按照权利要求1至10中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，所述微型通道(16)具有在它的纵向边缘的区域中优选地通过底侧蚀刻形成的侧凹。
12.取出人体流体的微型流体系统，具有优选地设置穿刺机构(14)的支架体(12)，设置在该支架体上且用于将流体从取出位置毛细管地输送到目的位置(22、24)的半开口的微型通道(16)，其特征在于，所述微型通道(16)具有在它的纵向边缘区域中优选地通过底侧蚀刻形成的侧凹。
13.按照权利要求1至12中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，所述支架体(12)由一种均质可蚀刻的材料构成。
14.按照权利要求1至13中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，所述支架体(12)作为平面成形件优选地由金属，特别是由优质钢构成。
15.按照权利要求1至14中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，由扁平材料形成的支架体(12)具有100至450μm的厚度，优选地具有150至300μm的厚度。
16.按照权利要求1至15中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，所述结构层(18)具有提高亲水性的附加物质或者成份。
17.按照权利要求1至16中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，通过化学表面处理提高微型通道(16)的壁的可润湿性。
18.按照权利要求1至17中任一项所述的微型流体系统，其特征在于，在微型通道区域的外部，所述支架体(12)的至少一个部分结构，优选穿刺机构(14)通过蚀刻或者冲压形成。
19.包括按照前述权利要求中任一项所述的微型流体系统(10)的可任意使用的取样元件。
20.将按照前述权利要求中任一项所述的微型流体系统(10)用于将样品流体从取出位置输送到目的位置(22、24)，特别是输送到检测区域的应用。
21.取出人体流体的微型流体系统的制造方法，在该方法中，通过一种设置到支架体(12)上的光刻胶层，特别是一种厚膜-光刻胶(30)增高或者形成输送流体的且半开口的微型通道(16)。
22.按照权利要求21所述的方法，其特征在于，将光刻胶(30)作为厚膜喷溅或者刮印到支架体(12)上或者通过浸渍涂层涂覆到支架体(12)上。
23.按照权利要求21或22所述的方法，其特征在于，通过掩膜蚀刻第一光致抗蚀层(30’)将微型通道(16)刻入到支架体(12)中；并且在去掉第一光刻胶层后涂覆第二光刻胶层(30”)，并且为了增高微型通道(16)将其光电结构化。
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