DE102011015184B4

DE102011015184B4 - Vorrichtung für den Transport kleiner Volumina eines Fluids, insbesondere Mikropumpe oder Mikroventil

Info

Publication number: DE102011015184B4
Application number: DE201110015184
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Thinxxs Microtechnology GmbH
Current assignee: Thinxxs Microtechnology GmbH
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2011-03-26
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2031-03-27
Also published as: WO2012048685A1; DE112011102117A5; WO2012019599A2; EP2576065A1; EP2576068A2; US8950424B2; WO2012019599A3; US9644794B2; EP2576068B1; US20130118621A1; US20130087226A1; EP2576065B1; DE102011015184A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikrofluidische Vorrichtung zum Transport eines Fluids, insbesondere Mikropumpe oder Mikroventil. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch Folien (2, 3), die mit einander gegenüberliegenden Folienflächen aneinander anliegen und unter Begrenzung eines zwischen den Folien (2, 3) zu bildenden Transportkanals (19) miteinander verbunden sind, sowie durch Auslenkeinrichtungen zur Bildung des Transportkanals (19) unter gemeinsamer Auslenkung der aneinander anliegenden Folien (2, 3) in einer Richtung senkrecht zu den Folienflächen, wobei ein auslenkbarer Flächenbereich (12) der in Auslenkrichtung hinteren Folie (2) innerhalb des auslenkbaren, durch die Verbindung (15) zwischen den Folien (2, 3) begrenzten Flächenbereich (14) der in Auslenkrichtung vorderen Folie (3) liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Transport kleiner Volumina eines Fluids, insbesondere eine Mikropumpe oder ein Mikroventil, mit Folien, die mit einander gegenüberliegenden Folienflächen aneinander anliegen und unter Begrenzung eines zwischen den Folien zu bildenden Transportkanals miteinander sowie mit einem starren Substrat verbunden sind, sowie mit Auslenkeinrichtungen zur Bildung des Transportkanals.
Die Erfindung bezieht sich also auf das Gebiet der Mikrofluidik, die in der Medizin und anderen Biowissenschaften zunehmend an Bedeutung gewinnt. Miniaturisierte, auf einem Chip untergebrachte Einrichtungen zur Analyse und/oder Stoffsynthese kommen in Diagnostik wie auch Therapie vermehrt zum Einsatz. Insbesondere Mikropumpen spielen bei der Medikamentdosierung mehr und mehr eine Rolle.
Die eingangs erwähnte Transportvorrichtung kommt als eigenständiges Gerät oder als Komponente einer weitere Komponenten umfassenden mikrofluidischen Analyse- oder/und Syntheseeinrichtung, insbesondere einer sog. Flusszelle, in Betracht.
Bei der Herstellung von mikrofluidischen Flusszellen werden sowohl Verfahren als auch Materialien der Halbleitertechnologie eingesetzt, also Materialien wie Glas, Quarz oder Silizium. In dem Bestreben, den Kostenaufwand für Mikrofluidikprodukte zu senken, kommen als preiswertere Materialien in wachsendem Maße auch Kunststoffe zum Einsatz. Im Hinblick auf eine kostengünstige, aber dennoch hohen Präzisionsanforderungen genügende Massenproduktion erwachst hieraus eine Vielzahl spezifischer Probleme, die in vielen Fällen einer weiteren Kostensenkung und der Herstellung von Kunststoff-Mikrofluidikchips als Einwegprodukte entgegenstehen.
Aus der US 7,832,429 B2 ist eine Transportvorrichtung in Form einer Mikropumpe bekannt, die ein steifes Kunststoffsubstrat und eine gegen das Substrat anliegende Folie aus dem gleichen Kunststoffmaterial aufweist. Die Folie, die teilweise mit dem Substrat verbunden ist und teilweise gegen das Substrat anliegt, kann durch Unterdruck unter Bildung einer Kavität oder mehreren Kavitäten, welche untereinander mittels permanenter Verbindungskanäle verbunden sind, von dem Substrat abgehoben werden. Durch sequentielle Bildung der Kavitäten lässt sich eine Pumpwirkung erzielen.
Solche Transportvorrichtungen werden bevorzugt in mikrofluidischen Einweg- bzw. Wegwerf-Flusszellen zur Analyse und Synthese und zum Transport von geringen Fluidmengen im Bereich von 0,001 bis 10 ml in der medizinischen Diagnostik, der Medikamentendosierung, der Zellkultivierung, in Bioreaktoren und der Wirkstoffentwicklung und Mikroreaktionstechnik verwendet.
Eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art geht aus der US 2005/0022888 A1 hervor. Aneinander anliegende Folien sind zwischen einem Substrat und einem oberen Plattenelement angeordnet. Spiegelbildlich einander gegenüberliegende Vertiefungen in dem Substrat und in dem Plattenelement stehen mit einer Kammer in dem Substrat bzw. Plattenelement in Verbindung, an die ein Vakuum anlegbar ist. Das Vakuum zieht die Folien in entgegengesetzten Richtungen unter Bildung eines Transportkanals in die spiegelbildlichen Vertiefungen hinein. Eine weitere Vorrichtung der eingangs erwähnten Art beschreibt die US 2006/0131529 A1 . Ein rohrartiger, durch zwei an ihren Längsrändern miteinander verbundene Folienstreifen gebildeter Kanal wird zwischen einem Stempel und einer flexiblen Platte zusammengehalten und damit ein Ventilverschluss hergestellt. Die flexible Platte lässt sich über Elektroden auslenken, sodass der zusammengehaltene, verschlossene Kanal freigegeben wird und sich unter dem Einfluss eines darin strömenden Fluids aufweiten kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Transportvorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei weiter verbesserten Geräteeigenschaften eine preiswerte Massenproduktion und darüber hinaus einfache, bevorzugt mechanische und leckagefreie Schnittstellen zu einem Betreibergerät ermöglicht.
Die diese Aufgabe lösende Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkeinrichtungen zur Bildung des Transportkanals unter gemeinsamer Auslenkung der aneinander anliegenden Folien in gleicher Richtung senkrecht zu den Folienflächen vorgesehen sind, wobei ein auslenkbarer Flächenbereich der in Auslenkrichtung hinteren Folie, der durch eine Verbindung der hinteren Folie mit dem Substrat begrenzt ist, innerhalb eines auslenkbaren Flächenbereichs der in Auslenkrichtung vorderen Folie liegt, der durch die Verbindung zwischen den Folien begrenzt ist, und so ein Differenzbereich, in dem nur die in Auslenkrichtung vordere Folie auslenkbar ist, gebildet ist.
Erfindungsgemäß wird der Transportkanal zwischen den miteinander verbundenen Folien erst durch Aktuierung, d. h. Auslenkung, der beiden Folien gebildet. Vorteilhaft bedarf diese Art der Kanalbildung keines weichelastischen Folienmaterials, das z. B. Weichmacher und andere Stoffe, wie Öle enthält und mit einer Vielzahl in dem Transportkanal zu transportierender Substanzen nicht kompatibel wäre. Als Material für beide Folien kommt z. B. PMMA, PS, COP, COC, PP, PC, PE oder PEEK in Betracht.
Bei Aufhebung der Aktuierung bildet sich der Transportkanal ggf. von selbst zurück. Die Rückbildung kann aber auch aktiv durch eine zweite, der Bildung des Transportkanals entgegenwirkende Aktuierung erfolgen.
Während es denkbar wäre, die Folien zu ihrer Verbindung in einer Klemmbacken und Saugeinrichtungen umfassenden Betreibervorrichtung einzuschließen, sind vorzugsweise die Folien unter gegenseitiger Anhaftung der aneinander anliegenden Folienflächen miteinander unlösbar, insbesondere durch Verschweißung, verbunden. Die Dichtigkeit des Transportkanals lässt sich dadurch selbst bei hohem Druck des zu transportierenden Fluids sicherstellen.
Während auch die unlösbar miteinander verbundenen Folien in einer Betreibervorrichtung eingeklemmt werden könnten, wobei einer der Klemmbacken eine Saugfunktion aufweisen müsste, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wenigstens die in Auslenkrichtung hintere Folie unlösbar mit einem starren Substrat verbunden. Dieses starre Substrat kann, wie bei mikrofludischen Flusszellen üblich, bevorzugt Kanäle, Reservoire, Filter oder Misch- und Reaktionskammern oder Detektionskammern sowie fludische Ein- und ggf. Ausgänge zur Probeneingabe und/oder -entnahme aufweisen, welche einzeln oder gemeinsam durch die erfindungsgemäße Transportvorrichtung miteinander seriell und/oder parallel verbunden werden.
Die in Auslenkrichtung vordere Folie könnte weiterhin durch eine Klemmeinrichtung gehalten werden. Vorzugsweise ist aber auch die in Auslenkrichtung vordere Folie, ggf. über die hintere Folie unlösbar mit dem Substrat verbunden.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist der auslenkbare Flächenbereich der in Auslenkrichtung hinteren Folie durch den Verbindungsbereich dieser Folie mit dem Substrat, insbesondere eine die Folie mit dem Substrat verbindende Schweißnaht, begrenzt. Der auslenkbare Flächenbereich der hinteren Folie liegt innerhalb der vorzugsweise geschlossen umlaufenden Schweißnaht lose aber plan an dem Substrat an.
Während es denkbar wäre, auch bei Verbindung der vorderen Folie mit der hinteren Folie eine die Begrenzung des Auslenkflächenbereichs bildende Klemmvorrichtung zu verwenden, ist in der besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der auslenkbare Flächenbereich der in Auslenkrichtung vorderen Folie durch einen Verbindungsbereich mit der hinteren Folie, insbesondere eine die vordere Folie mit der hinteren Folie verbindende Schweißnaht, begrenzt. Die vorzugsweise geschlossen umlaufende Schweißnaht der hinteren Folie schließt also die Schweißnaht der vorderen Folie ein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei letzterer, die beiden Folien verbindender Schweißnaht um eine ferner die hintere Folie mit dem Substrat verbindende, vorzugsweise durch Laserschweißen erzeugte Doppelschweißnaht.
Vorzugsweise bestehen zumindest die beiden Folien aus dem gleichen Kunststoffmaterial, wobei dieses Material ferner auch mit dem Material des Substrats übereinstimmen kann. Vorteilhaft kommt ein zu transportierendes Fluid auf diese Weise nur mit ein und demselben Material in Berührung.
Zweckmäßig ist die Auslenkeinrichtung zur Ausübung von pneumatischem, hydraulischem oder/und mechanischem Druck auf den auslenkbaren Flächenbereich der in Auslenkungsrichtung hinteren Folie vorgesehen. Entsprechend kann in dem Flächenbereich des Substrats, der dem auslenkbaren Flächenbereich der hinteren Folie gegenüberliegt, ein Druckkanal für ein Druckgas oder eine Druckflüssigkeit ausmünden. Alternativ mündet dort eine Durchgangsöffnung für den Durchtritt eines Aktors aus.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mündet in den Flächenbereich des Substrats, der dem Differenzbereich der auslenkbaren Flächenbereiche der vorderen und hinteren Folie gegenüberliegt, wenigstens ein Kanal aus.
In der Regel wird der den Transportkanal begrenzende Haftverbindungsbereich zwischen den Folien rundum geschlossen sein. Alternativ kann er eine Öffnung aufweisen, z. B. für den Eintritt einer Flüssigkeit, die dann durch Kapillarkraft in den Transportkanal eintritt.
In letzterem Fall ist der Transportkanal innenseitig zweckmäßig hydrophil konditioniert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können Einrichtungen zur Bestimmung des Auslenkungsgrades der vorderen Folie bzw. Innenvolumens des Transportkanals vorgesehen sein. Das Innenvolumen kann z. B. schwanken, wenn der Druck eines zu transportierenden Fluids schwankt. Durch Erfassung der jeweiligen Größe des gebildeten Innenvolumens lässt sich durch entsprechende Steuerung der Pumpaktorbewegung die Durchflussmenge konstant halten. Ggf. auftretende Schwankungen des Innenvolumens des Transportkanals aufgrund von Druckschwankungen des zu transportierenden Fluids können vorteilhaft dadurch minimiert werden, dass durch Anbringen einer weiteren Folie ein druckkontrollierter Außenraum für den Transportbereich geschaffen wird, welcher separat und kontrolliert mit Druck beaufschlagt werden kann.
Eine auf den Transportkanal einwirkende Aktoreinrichtung ist vorzugsweise zur Erzeugung einer in Transportrichtung fortschreitenden Schließfront vorgesehen. In einer peristaltischen Pumpbewegung schiebt die Schließfront in den Transportkanal eingetretenes Fluid vor sich her und transportiert es in gewünschter Weise mit der Geschwindigkeit der voranschreitenden Schließfront aus dem Transportkanal heraus. Die Aktoreinrichtung verschließt den Transportkanal ggf. gegen die zur Auslenkung der Folien anliegende Kraft. Das Verschließen des Transportkanals erfolgt durch Anlegen der Folien plan aneinander.
Der Transportkanal kann eingangsseitig mehrere Eintrittskanäle für verschiedene zu mischende Fluide aufweisen, welche mit mehreren Kanälen oder Reservoiren für die verschiedenen Fluide verbunden sind. Die Aktorbewegung führt dann neben dem Transport der Fluide gleichzeitig zu einer Durchmischung derselben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beiliegenden, sich auf diese Ausführungsbeispiele beziehenden Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Mikropumpe in perspektivischer Darstellung,
2 die Mikropumpe von 1 in einer Explosionsdarstellung,
3 eine Längsschnitt- und eine Querschnittsdarstellung der Mikropumpe von 1,
4 verschiedene Möglichkeiten zur Bildung eines erfindungsgemäßen Transportkanals,
5 verschiedene Möglichkeiten zur erfindungsgemäßen Auslenkung von Folien,
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Pumpenbaugruppe,
7 ein Ausführungsbeispiel für eine Ventilbaugruppe nach der Erfindung,
8 eine Mehrkammerpumpe nach der Erfindung,
9 verschiedene Möglichkeiten zur Bestimmung des Innenvolumens eines erfindungsgemäß gebildeten Transportkanals,
10 eine auf Kapillarwirkung beruhende Pumpenbaugruppe nach der Erfindung, und
11 eine auf Kapillarwirkung beruhende Ventilbaugruppe nach der Erfindung.
Eine in den 1 bis 4 dargestellte Mikropumpenbaugruppe umfasst ein Substrat 1 in der Form einer flachen Platte, eine mit dem Substrat 1 auf dessen einer Plattenseite verbundene Folie 2 und eine weitere mit dem Substrat 1 über die Folie 2 verbundene Folie 3. Auf seiner den Folien 2 und 3 abgewandten Seite ist das Substrat 1 mit einer dritten Folie 4 verbunden.
Sämtliche der genannten Teile bestehen in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus dem gleichen Kunststoffmaterial. In Betracht kommen hierfür z. B. PMMA, PC, PS, PP, PE, COC, COP, PET oder PEEK.
Die Dicke des Substrats 1 kann z. B. zwischen 0,5 und 5 mm, insbesondere 0,5 und 2 mm, liegen. Die Dicke der Folie 2 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,001 bis 0,5 mm, insbesondere 0,01 mm bis 0,1 mm, und die Dicke der Folie 3 beträgt z. B. 0,01 bis 1 mm, bevorzugt 0,05 bis 0,3 mm.
Während sich die Folien 2 und 3 in dem gezeigten Beispiel über die gesamte Plattenfläche des Substrats 1 erstrecken, deckt die Folie 4 nur einen Teilbereich der betreffenden Plattenfläche ab und verschließt insbesondere eine in dem Substrat 1 gebildete Ausnehmung 5 sowie teilweise hin zu der Ausnehmung 5 und zu Anschlüssen 10 und 11 führende Kanäle 6 und 7 bzw. 8 und 9.
Wie insbesondere 2 erkennen lässt, weist die Folie 2 einen länglichen Flächenbereich 12 auf, den eine die Folie 2 mit dem Substrat 1 verbindende, vorzugsweise durch einen Laser erzeugte Schweißnaht 13 begrenzt. Vorzugsweise wird für die Laserschweißung die Folie 2 zumindest im Bereich der Schweißnaht 13 für die gewählte Laserwellenlänge transparent und der unter der Schweißnaht 13 liegende Bereich des Substrats 1 absorbierend ausgebildet, z. B. durch Hinzufügen absorbierender Zusatzstoffe, wie Kohlenstoff oder Ruß zum Kunststoffmaterial. Innerhalb des Flächenbereichs 12 und außerhalb der Schweißnaht liegt die Folie 2 lose gegen das Substrat 1 an.
Die Folie 3 weist einen dem Flächenbereich 12 ähnlichen, aber größeren Flächenbereich 14 auf, welcher den Flächenbereich 12 einschließt und durch eine, wie die Schweißnaht 13 vorzugsweise durch Laserschweißen gebildete, Schweißnaht 15 begrenzt ist. Die Schweißnaht 15 verbindet als Doppelnaht sowohl die Folie 3 mit der Folie 2 als auch die Folie 2 mit dem Substrat 1.
Die Bezugszahl 16 verweist auf einen mechanischen Aktor, der Bestandteil eines Betriebsgerätes für die das Substrat 1 und die Folien 2 bis 4 umfassende Mikropumpenbaugruppe ist und die Folie 4 in die Ausnehmung 5 im Substrat 1 hinein auslenken kann.
Auf der dem Aktor 16 abgewandten Seite der Mikropumpenbaugruppe befindet sich eine Aktoreinrichtung 17, die sich über die Länge des gesamten Flächenbereiches 14 erstreckt und einzeln senkrecht zur Plattenebene des Substrats 1 bewegbare Aktoren 18 umfasst.
Die Betriebsweise der vorangehend beschriebenen Mikropumpenbaugruppe wird nachfolgend anhand von 3 beschrieben, deren 3a einen Längsschnitt entlang der Mitte der Flächenbereiche 12, 14 und deren 3b einen Querschnitt durch diese Flächenbereiche zeigt.
Eine Dehnung der Folie 4 durch den Aktor 16 in die Ausnehmung 5 hinein führt zur Verdrängung eines darin enthaltenen Fluids, z. B. Luft, in die Kanäle 6 und 7 hinein, welche in dem Substrat 1 gegenüber dem Flächenbereich 12 der gegen das Substrat 1 anliegenden Folie 2 ausmünden. Das durch die Ausmündungen tretende ggf. komprimierte Fluid dehnt die bis dahin plan gegen das Substrat 1 anliegende Folie 2 in der in 3 gezeigten Weise unter Bildung eines Auslenkkanals 20 aus. Mit dieser Ausdehnung kommt es zwangsläufig auch zur Ausdehnung der bis dahin plan gegen die Folie 2 anliegenden Folie 3. Aufgrund der größeren Ausdehnung des Flächenbereichs 14 der Folie 3 gegenüber dem Flächenbereich 12 der Folie 2 entsteht bei dieser Ausdehnung zwischen den Folien 2, 3 ein Transportkanal 19, in den die Kanäle 8 und 9 an dessen Enden ausmünden.
Bildet z. B. der Anschluss 10 einen Einlass für ein durch die Pumpenbaugruppe zu transportierendes Fluid, so wird das anstehende Fluid infolge der Entstehung des Transportkanals 19 über den Kanal 8 in den Transportkanal 19 hinein eingesaugt.
Eine durch aufeinanderfolgende Betätigung der Aktoren 18 der Aktoreinrichtung 17 voranschreitende Verschlussfront verschiebt das eingesaugte Fluid in dem Transportkanal 19 durch den Kanal 9 hindurch zu dem als Auslass dienenden Anschluss 11. Während Fluid ausgestoßen wird, lässt sich hinter der Verschlussfront bereits neues, zu transportierendes Fluid ansaugen, so dass in einer peristaltischen Pumpbewegung laufend Fluid transportiert werden kann. Typische Flussraten liegen zwischen 0,1 und 10000 μl/min.
Es versteht sich, dass die vorangehend beschriebene Pumpenbaugruppe Fluide ggf. auch in umgekehrter Richtung vom Anschluss 11 zu dem Anschluss 10 befördern kann.
Die Pumpenbaugruppe könnte Bestandteil einer größeren, eine Vielzahl weiterer Funktionen ausübenden Flusszelle sein. Ein- und Auslass könnten zusammenfallen und ein Fluidtransport in einer Kreisbewegung erfolgen. Anstelle der Anschlüsse 10 und 11 ließen sich Reservoire vorsehen.
4 zeigt weitere Möglichkeiten zur Bildung eines Transportkanals 19 zwischen Folien 2 und 3 durch einen mit einem Druckfluid beaufschlagbaren Auslenkkanal.
Gemäß 4a ist eine Anordnung aus zwei Auslenkkanälen 20' und 20'' vorgesehen. Schweißnähte sind in 4a weggelassen.
4b zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem symmetrischen Auslenkkanal 20, bei dem nur die Folie 2 über eine Schweißnaht 13 permanent mit dem Substrat 1 verbunden ist. Zur Verbindung der Folien 2, 3 untereinander und zur Begrenzung des Transportkanals 19 dient eine Anpressvorrichtung 21, die vorzugsweise Bestandteil eines Betriebsgeräts ist.
Position, Anzahl und Breite des Auslenkkanals bzw. der Auslenkkanäle sowie die Steifigkeit der Folien sind maßgebend für den Querschnitt und das Volumen des Transportkanals 19.
5 erläutert unterschiedliche Möglichkeiten zur Folienauslenkung.
5a und b verdeutlichen die bereits oben erwähnten Möglichkeiten zur pneumatischen und hydraulischen Druckbeaufschlagung eines Auslenkkanals 20.
5c erläutert die Möglichkeit, die Folien 2, 3 durch ein mechanisches Element 22 auszulenken, das in eine Durchgangsöffnung 23 in dem Substrat 1 eingreift. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn das mechanische Element 22 beheizt ist. Durch die Formangleichung zwischen dem Element 22 und der Folie 2 sowie die Formangleichung zwischen der Folie 2 und der Folie 3 lässt sich die Wärme sehr gut auf das sich im Transportkanal befindende Fluid übertragen, was insbesondere für Temperaturwechselzyklen, wie bei der Amplifikation von DNA mittels PCR, vorteilhaft ist, so dass sich die Transportvorrichtung für die Durchführung von PCR und ähnlichen Prozessen in mikrofluidischen Flusszellen eignet. Für die Durchführung von Temperaturwechselzyklen kann entweder die Temperatur eines Elements 22 aktiv variiert werden, oder verschiedene Elemente 22 mit konstanten Temperaturen können nacheinander mit der Folie 3 formschlüssig verbunden werden.
Gemäß 5d ist in der Durchgangsöffnung eine plastisch oder elastisch verformbare, die Bewegung des mechanischen Elements 22 übertragende aus einem Silikon oder thermoplastischen Elastomer bestehende Füllung 24 vorgesehen.
Die geeignete Steifigkeit der Auslenkfolie und durch die Art und Weise, in der die Auslenkung stattfinden kann, lässt sich die für die Pumpaktoren notwendige Kraft kontrollieren.
6 und 7 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für Aktoreinrichtungen.
Eine Aktoreinrichtung 17' gemäß 6 weist anstelle nur translatorisch bewegbarer Aktoren Rollen 25 auf, die neben einer Translationsbewegung gemäß Pfeil 26 eine Rollbewegung gemäß Pfeil 27 ausführen und durch Verlagerung einer Schließfront in dem Transportkanal 19 ein Fluid transportieren können. Eine in 7 dargestellte Aktoreinrichtung 17'' verschließt den Transportkanal 19 über seine gesamte Länge. Der Anordnung von 7 kommt daher die Funktion eines Ventils zu.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Pumpenbaugruppe, mit drei aufeinanderfolgenden Kammern bzw. Transportkanälen 19', 19'' und 19''', die durch Überströmkanäle 28 und 29 miteinander verbunden sind. Jedem der Transportkanäle 19', 19'', 19''' ist ein Aktor 30, 30' und 30'' zugeordnet. Durch sukzessive Betätigung der Aktoren lässt sich ein Fluid von einem Eingangskanal 8 zu einem Ausgangskanals 9 oder umgekehrt transportieren.
Das Volumen des durch Auslenkung der Folien 2, 3 gebildeten Transportkanals 19 kann über das Ausmaß der Auslenkung der Folie 3 durch die Folie 2 hinaus auch vom Eingangsdruck des zu transportierenden Fluids abhängen. Um unterschiedlich große Volumina des Transportkanals beim Fluidtransport berücksichtigen zu können, kommt es darauf an, die jeweilige Größe des Transportkanals zu kennen.
9 zeigt verschiedene Möglichkeiten zur Erfassung der Auslenkung, bzw. der Größe des Volumens des Transportkanals. Insbesondere bei Anwendungen, in denen der Eingangsdruck eines zu transportierenden Fluids schwankt, z. B. im Bereich der Medikamentendosierung, kann es erforderlich sein, die Auslenkung der Folien zu kontrollieren, um damit den Durchfluss durch die Pumpe z. B. durch Anpassung der Pumpfrequenz regeln zu können.
9a zeigt einen Aktor 31 mit einem Lichtleiter 32. Der Lichtleiter 32 sendet Licht zu einer reflektierenden Fläche 37 auf der Folie 3 im Bereich des Transportkanals 19 aus und empfängt reflektiertes Licht, dessen Intensität von der jeweiligen Ausdehnung der Folie 3 und der Lage 31 des Aktors abhängt. Aus der Lichtmessung in Verbindung mit einer Erfassung der Lage des Aktors lässt sich die Ausdehnung der Folie und damit das Innenvolumen des Transportkanals ermitteln.
Gemäß 9b ist der lichtaussendende und -empfangende Lichtleiter 32 nicht Bestandteil des Aktors sondern in einer Durchgangsöffnung 23 im Substrat 1 angeordnet. Gemäß 9c erfolgt die Messung der Kapazität einer Elektrode 33 auf einem Aktor 34 und eine Elektrode 35 auf der Folie 3 im Bereich des Transportkanals 19. Die gleiche Konfiguration ließe sich verwenden, um die Messung der druckbedingten Auslenkung der Folie 3 mittels Leitfähigkeitsmessung durchzuführen. In diesem Fall ist die Elektrode 35 vorzugsweise als leitfähiger Streifen, z. B. in Form einer streifenförmigen elektrisch leitfähigen, insbesondere metallischen Beschichtung oder Bedruckung parallel zur Längsachse in Transportrichtung des Kanals 19 ausgeführt. Vorzugsweise braucht diese nicht, wie in 9c gezeigt, separat elektrisch kontaktiert zu werden. Wenigstens zwei der Aktoren 18, 34 werden gemäß 9c mit jeweils einer Elektrode 33 ausgestattet, wobei die Elektroden über eine Auswertschaltung elektrisch verbunden sind. Befindet sich einer der mindestens zwei Aktoren im nicht aktuierten Zustand und der andere im aktuierten Zustand, so wird die Elektrode 35 vom zweiten Aktor berührt, vom ersten jedoch nicht. Entsprechend kann zwischen den beiden Elektroden 33 kein Strom fließen. Beim Aktuieren/Bewegen des zweiten Aktors kommt dieser bei Berührung der Folie 3 mit der sich darauf befindenden Elektrode 35 in Kontakt, und es kann ein Strom zwischen den Elektroden 33 der beiden Aktoren fließen. Die Zeit oder der Weg, den der erste Aktor von seiner Ausgangsposition bis zum Kontakt mit der Folie 3 benötigt, ist daher ein Maß für den druckbedingten Auslenkungsgrad der Folie 3 und kann zur Regelung herangezogen werden. Ebenso könnte eine Konfiguration mehrere Elektroden in einem definierten Abstand entlang der Breite des Transportkanals verwenden, wobei die Anzahl der nach dem oben beschriebenen Prinzip kurzgeschlossenen Elektroden die Aussage über den Grad der druckbedingten Auslenkung der Folie 3 liefert.
9d zeigt einen nur für Messzwecke gebildeten, keiner Pumpbeanspruchung unterliegenden Messtransportkanal 19' mit einer Elektrode 35. Die Messung der Auslenkung der Folie 3 erfolgt kapazitiv zwischen der Elektrode 35 und einer weiteren Elektrode 36.
Möglich ist ebenso die Verwendung von Wirbelstromsensoren zu Messung der Auslenkung der Folie 3.
10 zeigt eine Baugruppe mit einem Substrat 1 und Folien 2, 3 und 4, die sich von der Pumpenbaugruppe gemäß den 1 bis 4 dadurch unterscheidet, dass ein zu bildender Transportkanal 19'' zwischen der Folie 2 und der Folie 3 mangels Verbindung zwischen den Folien an einem Ende offen ist. Am anderen Ende steht der Transportkanal mit einem weiterführenden Kanal 9 in Verbindung.
Der Transportkanal 19'' ist zwecks Befüllung durch Kapillarwirkung innenseitig durch Oberflächenmodifikation oder -beschichtung hydrophil konditioniert, z. B. durch nasschemische Behandlung, Koronabehandlung, Plasmabehandlung oder -polymerisation.
Durch Betätigung eines Aktors 16 wird der Transportkanal 19'' gebildet und eine Flüssigkeitsprobe 40, z. B. ein sich auf der Haut eines Fingers befindender Blutstropfen, tritt am offenen Ende durch Kapillarwirkung in den Transportkanal 19'' ein. Die Eingangsöffnung des weiterführenden Kanals 9 bildet hierbei einen Kapillarstopp. Nach der Befüllung wird der Transportkanal 19'' mit Hilfe eines Aktors 38 am offenen Ende geschlossen und der Aktor 16 dann zurückgenommen. Die Folien 2, 3 legen sich unter Ausstoß der aufgenommenen Flüssigkeitsprobe in den weiterführenden Kanal 9 dann wieder plan an das Substrat 1 an.
Gemäß 11 ist auch ein weiterführender Kanal 9' hydrophil konditioniert, so dass die genannte Kapillarstoppwirkung aufgehoben ist und eine Flüssigkeitsprobe durch den Transportkanal 19'' hindurch auch in den weiterführenden Kanal 9' eintritt. Ein Aktor 39 schließt den befüllten Kanal 9' ab. Die Vorrichtung gemäß 11 wirkt so als Ventil.
Die Aktoren 16, 38 und 41 können Teil eines Betriebsgerätes oder Teil eines Gehäusebauteils einer Einweg-Flusszelle sein, wobei das Gehäusebauteil ggf. relativ zu der Flusszelle bewegbar oder verschiebbar ist.

Claims

Mikrofluidische Vorrichtung zum Transport eines Fluids, insbesondere Mikropumpe oder Mikroventil, mit Folien (2, 3), die mit einander gegenüberliegenden Folienflächen aneinander anliegen und unter Begrenzung eines zwischen den Folien (2, 3) zu bildenden Transportkanals (19) miteinander sowie mit einem starren Substrat (1) verbunden sind, sowie mit Auslenkeinrichtungen zur Bildung des Transportkanals (19), dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkeinrichtungen zur Bildung des Transportkanals (19) unter gemeinsamer Auslenkung der aneinander anliegenden Folien (2, 3) in gleicher Richtung senkrecht zu den Folienflächen vorgesehen sind, wobei ein auslenkbarer Flächenbereich (12) der in Auslenkrichtung hinteren Folie (2), der durch eine unlösbare Verbindung der hinteren Folie (2) mit dem Substrat (1) begrenzt ist, innerhalb eines auslenkbaren Bereichs der in Auslenkrichtung vorderen Folie (3) liegt, der durch die Verbindung zwischen den Folien (2, 3) begrenzt ist, und so ein Differenzbereich gebildet ist, in welchem nur die in Auslenkrichtung vordere Folie (3) auslenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien (2, 3) unter gegenseitiger Anhaftung der aneinander anliegenden Folienflächen miteinander unlösbar, insbesondere durch Verschweißung, oder Verklebung, vorzugsweise durch Laserschweißen, verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der auslenkbare Flächenbereich (12) der in Auslenkrichtung hinteren Folie (2) durch eine die Folie (2) mit dem Substrat (1) verbindende Schweißnaht (13) begrenzt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der auslenkbare Flächenbereich (14) der in Auslenkrichtung vorderen Folie (3) durch einen Verbindungsbereich mit der in Auslenkungsrichtung hinteren Folie (2), insbesondere eine die vordere Folie (3) mit der hinteren Folie (2) verbindende Schweißnaht (15), begrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die die Foren (2, 3) verbindende Schweißnaht (15) ferner eine die hintere Folie (2) mit dem Substrat (1) verbindende Doppelschweißnaht ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die beiden Folien (2, 3) aus dem gleichen Material, vorzugsweise gleichen Kunststoffmaterial, bestehen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkeinrichtungen zur Ausübung von pneumatischem, hydraulischem oder/und mechanischem Druck auf den auslenkbaren Flächenbereich (12) der in Auslenkrichtung hinteren Folie (2) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flächenbereich des Substrats (1), welcher dem auslenkbaren Flächenbereich (12) der in Auslenkungsrichtung hinteren Folie (2) gegenüberliegt, ein Druckkanal (6, 7) oder eine Durchgangsöffnung (23) für den Durchtritt eines Aktors (22) ausmündet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor, z. B. durch Durchführung einer Amplifikationsreaktion, beheizbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Differenzbereich außerhalb des auslenkbaren Bereichs (12) der hinteren Folie (2), der zwischen den Folien (2, 3) liegt, wenigstens ein Kanal (8, 9) ausmündet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (8, 9) wenigstens mit einem im Substrat (1) gebildeten fluidischen Anschluss, Reservoir oder anderen Verarbeitungseinrichtung, wie einem Mischer, einem Filter, einer Messkammer, einer Reaktionskammer oder dergleichen, verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung des Transportkanals (19) die in Auslenkrichtung hintere Folie (2) mehrere auslenkbare Flächenbereiche aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die den Transportkanal (19) begrenzende Schweißnaht (15) zwischen den Folien (2, 3) rundum geschlossen ist, oder eine Öffnung (39) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Transportkanal (19) innenseitig hydrophil konditioniert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Einrichtungen zur Bestimmung des Auslenkungsgrades der vorderen Folie (3) oder des Innenvolumens des Transportkanals (19) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine auf den Transportkanal (19) einwirkende Aktoreinrichtung (17) zum teilweisen oder vollständigen Verschluss des Transportkanals (9), insbesondere zur Erzeugung einer in Transportrichtung eines Fluids fortschreitenden Schließfront, vorgesehen ist.