DE102013100075A1 - Micro-fluidic system, has system components thermally connected with each other, where membrane is located in recess that is formed in system components, which comprise structure raising from recess and clamping membrane - Google Patents

Micro-fluidic system, has system components thermally connected with each other, where membrane is located in recess that is formed in system components, which comprise structure raising from recess and clamping membrane Download PDF

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membrane
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microfluidic
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DE201310100075
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German (de)
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Jörg Nestler
Tom Enderlein
Sascha Geidel
Thomas Gessner
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BIFLOW SYSTEMS GMBH, DE
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Technische Universitaet Chemnitz
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Abstract

The system (1) has two planar system components (2, 4) at whose surfaces two cavities (3) are formed to a surface. A membrane (8) is arranged between the system components for disconnection of the cavities. The system components are thermally connected with each other. The membrane is located in a recess (6) that is formed in the system components. The system components comprise a structure raising from the recess and clamping the membrane. A substrate (11) is made of a printed circuit board material. The membrane comprises a perforation. The membrane is partially made of a plastic deformable material containing paraffin or a paraffin-coated film. An independent claim is also included for a method for manufacturing a micro-fluidic system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikrofluidisches System, das eine erste flächige Systemkomponente, an deren einer Oberfläche wenigstens eine erste Kavität ausgebildet ist, eine zweite flächige Systemkomponente, an deren Oberfläche wenigstens eine zweite Kavität ausgebildet ist, und eine Membran, die flächig zwischen der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente zur Trennung der ersten Kavität und der zweiten Kavität angeordnet ist, aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen mikrofluidischen Systems. The present invention relates to a microfluidic system comprising a first planar system component, on one surface of which at least one first cavity is formed, a second planar system component, on the surface of which at least one second cavity is formed, and a membrane which is planar between the first system component and the second system component is arranged to separate the first cavity and the second cavity. The invention further relates to a method for producing such a microfluidic system.

Mikrofluidische Systeme der oben bezeichneten Gattung sind aus der Druckschrift DE 10 2006 017 482 A1 bekannt. In verschiedenen in dieser Druckschrift enthaltenen Ausführungsbeispielen sind mikrofluidische Pumpen und mikrofluidische Ventile offenbart. Als mechanische Antriebseinheit bzw. als Aktor für solche mikrofluidischen Bauelemente ist als günstiges Realisierungsbeispiel ein elektrolytischer Aktor beschrieben. In dem elektrolytischen Aktor entsteht mittels elektrischer Energie durch Elektrolyse von Wasser ein Sauerstoff und Wasserstoff enthaltendes Gas. Das erzeugte Gas bewirkt beispielsweise die Entstehung eines Überdrucks in einer durch eine Membran geschlossenen Gaserzeugungskavität. Durch den Überdruck wird die Membran, die eine Wand der Gaserzeugungskavität ausbildet, deformiert. Microfluidic systems of the type described above are from the document DE 10 2006 017 482 A1 known. In various embodiments contained in this document microfluidic pumps and microfluidic valves are disclosed. As a mechanical drive unit or as an actuator for such microfluidic components is described as a favorable implementation example, an electrolytic actuator. In the electrolytic actuator produced by means of electrical energy by electrolysis of water, a gas containing oxygen and hydrogen. The generated gas, for example, causes the formation of an overpressure in a gas generating cavity closed by a membrane. The overpressure deforms the membrane which forms a wall of the gas generating cavity.

In einem Anwendungsbeispiel der Druckschrift DE 10 2006 017 482 A1 bildet der Aktor den Antrieb einer Pumpe, in der die Deformation der Membran genutzt wird, um ein Fluid anzutreiben. Dazu ist in Nachbarschaft der Gaserzeugungskavität, durch die Membran getrennt, eine zweite Kavität angeordnet, in der sich das Fluid befindet. Das Fluid strömt beispielsweise innerhalb der zweiten Kavität aus einer ersten Kammer durch einen Kanal in eine andere Kammer. In einer anderen Anwendungsvariante ist der Aktor das Betätigungselement eines Ventils, das durch die Deformation der Membran geöffnet oder geschlossen wird. In an application example of the document DE 10 2006 017 482 A1 The actuator forms the drive of a pump in which the deformation of the membrane is used to drive a fluid. For this purpose, in the vicinity of the gas generating cavity, separated by the membrane, a second cavity is arranged, in which the fluid is located. For example, within the second cavity, the fluid flows from a first chamber through a channel into another chamber. In another variant of the application, the actuator is the actuating element of a valve which is opened or closed by the deformation of the membrane.

Die in der Druckschrift DE 10 2006 017 482 A1 beschriebenen mikrofluidischen Systeme können als einzelne mikrofluidische Elemente oder als Kombination verschiedener mikrofluidischer Elemente zu einem komplexen mikrofluidischen System, beispielsweise einem Labor auf einem Chip (LOC), ausgebildet sein. Zu den vorgestellten mikrofluidischen Systemen wurde aber kein Herstellungsverfahren beschrieben, mit dem die mikrofluidischen Systemen kostengünstig in Serie hergestellt werden könnten. The in the publication DE 10 2006 017 482 A1 described microfluidic systems may be formed as a single microfluidic elements or as a combination of different microfluidic elements to a complex microfluidic system, such as a laboratory on a chip (LOC). For the presented microfluidic systems but no manufacturing process has been described, with which the microfluidic systems could be produced inexpensively in series.

Die Druckschrift DE 10 2010 061 910 A1 beschreibt mikrofluidische Systeme der eingangs angegebenen Gattung, bei denen die Kavitäten verschiedene Kammern und Kanäle aufweisen. Aussparungen in einer Membran bilden bei den aufgezeigten mikrofluidischen Systemen Brücken zwischen Kanalenden. Durch verschiedene Positionen der Brücken in der Membran können verschiedene mikrofluidische Systeme konfiguriert werden. Diese Druckschrift beinhaltet auch ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für mikrofluidische Systeme. The publication DE 10 2010 061 910 A1 describes microfluidic systems of the type mentioned, in which the cavities have different chambers and channels. Recesses in a membrane form bridges between channel ends in the microfluidic systems shown. Through different positions of the bridges in the membrane different microfluidic systems can be configured. This document also includes a cost effective manufacturing process for microfluidic systems.

Bei dem Herstellungsverfahren kommen kostengünstig in großen Stückzahlen herstellbare Spritzgussteile zum Einsatz, an deren Oberflächen die mikrofluidischen Kammern und Kanäle in Form von Vertiefungen in einer Oberfläche angelegt sind. In einer Variante des Herstellungsverfahrens werden zwei Bauteile, die beide mikrofluidische Kavitäten aufweisen können, mit den beiden Seiten einer Folie verbunden. Die Verbindung erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Folie eine beidseitig selbstklebende Folie ist, deren Klebeschichten die Folie mit den Bauteilen verkleben. In anderen angegebenen Herstellungsvarianten wird die Folie unter Verwendung eines Extrarahmens zwischen den Bauteilen eingeklemmt oder mit den Spritzgussteilen durch Thermokompressionsbonden verschmolzen. In the manufacturing process, injection-molded parts which can be produced cost-effectively in large quantities are used, on the surfaces of which the microfluidic chambers and channels in the form of depressions in a surface are applied. In a variant of the production method, two components, which may both have microfluidic cavities, are connected to the two sides of a film. The connection takes place, for example, in that the film is a self-adhesive film on both sides whose adhesive layers bond the film to the components. In other specified manufacturing variants, the film is clamped using an extra frame between the components or fused with the injection molded parts by thermocompression bonding.

Die in der Druckschrift DE 10 2010 061 910 A1 vorgeschlagenen Herstellungsverfahren führen allerdings nicht in allen Anwendungsfällen zu optimalen Ergebnissen. Problematisch bei der Verwendung beidseitig selbstklebender Folien sind Alterungserscheinungen in den Klebeschichten, die insbesondere bei erhöhten Einsatztemperaturen, von beispielsweise 95 °C, zum Versagen der Klebeschichten und somit zum Ausfall des mikrofluidischen Systems führen können. Besonders anfällig für Ablösungen sind dabei Bereiche der Folie, die an Bereiche angrenzen, in denen die Folie als Membran dient und gedehnt wird. Das Anschmelzen einer Folie an die Spritzgussteile ist bei vielen Materialpaarungen nicht möglich. Das beschriebene Einklemmen unter Verwendung eines Extrarahmens führt zu erhöhten Material- und Fertigungskosten und zu erhöhten Baugrößen der mikrofluidischen Systeme. The in the publication DE 10 2010 061 910 A1 However, proposed production methods do not lead to optimal results in all applications. The problem with the use of self-adhesive films on both sides are aging phenomena in the adhesive layers, which can lead to failure of the adhesive layers and thus failure of the microfluidic system, in particular at elevated use temperatures, for example 95 ° C. Particularly susceptible to delamination are areas of the film adjacent to areas where the film serves as a membrane and is stretched. The melting of a film to the injection molded parts is not possible with many material combinations. The described pinching using an extra frame leads to increased material and manufacturing costs and increased sizes of the microfluidic systems.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikrofluidisches System zur Verfügung zu stellen, das bei zumindest lokal am System auftretenden Temperaturen bis 100 °C eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Zuverlässigkeit hat, und ein Herstellungsverfahren anzugeben, mit dem ein solches mikrofluidisches System kostengünstig in großen Stückzahlen herstellbar ist. It is therefore the object of the present invention to provide a microfluidic system which, at temperatures occurring at least locally at the system up to 100 ° C., has an improved reliability compared with the prior art, and to provide a production method with which such a microfluidic system can be produced inexpensively in large quantities.

Die Aufgabe der Erfindung wird einerseits durch ein mikrofluidisches System der eingangs definierten Gattung gelöst, bei dem die erste Systemkomponente und die zweite Systemkomponente durch thermisches Fügen miteinander verbunden sind, wobei sich die Membran in einer in der ersten Systemkomponente und/oder der zweiten Systemkomponente ausgebildeten Vertiefung befindet und wobei die erste Systemkomponente und/oder die zweite Systemkomponente wenigstens eine sich aus der Vertiefung erhebende und die Membran klemmende Struktur aufweist. The object of the invention is on the one hand by a microfluidic system of the beginning defined genus in which the first system component and the second system component are connected to each other by thermal joining, wherein the membrane is located in a formed in the first system component and / or the second system component recess and wherein the first system component and / or the second system component has at least one rising from the recess and the membrane clamping structure.

Das erfindungsgemäße mikrofluidische System ist also aus mehreren Komponenten, unter anderem der ersten und der zweiten Systemkomponente, aufgebaut. Die erste und/oder die zweite Systemkomponente kann beispielsweise eine durch Spritzguss hergestellte Kunststoffplatte sein, in welcher wenigstens eine Kavität ausgebildet ist. Die jeweils ausgebildete Kavität kann mehrere Kammern und Kanäle aufweisen. Dabei können sowohl die erste als auch die zweite Systemkomponente auch mehrere Kavitäten aufweisen. Die erste und die zweite Systemkomponente können aus verschiedensten Materialien hergestellt sein. Hierbei sind besonders bevorzugte Materialien Kunststoffe, wie beispielsweise Polykarbonat, Polypropylen, PMMA (Polymethylmethacrylat), Cyklo-Olefin-Copolymere (COC) oder Polyethylen. In einigen Ausführungen können aber auch andere Materialien, wie beispielsweise Silizium, Keramik, Glas oder anorganischorganische Hybridpolymere, zum Einsatz kommen. The microfluidic system according to the invention is therefore composed of several components, including the first and the second system component. The first and / or the second system component can be, for example, a plastic plate produced by injection molding, in which at least one cavity is formed. The respectively formed cavity may have a plurality of chambers and channels. Both the first and the second system component can also have several cavities. The first and second system components may be made of a variety of materials. Here, particularly preferred materials are plastics such as polycarbonate, polypropylene, PMMA (polymethylmethacrylate), cycloolefin copolymers (COC) or polyethylene. In some embodiments, however, other materials such as silicon, ceramic, glass or inorganic-organic hybrid polymers can be used.

Das erfindungsgemäße mikrofluidische System ist ein durch thermisches Fügen der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente kostengünstig hergestellter zuverlässiger Verbund. Beim thermischen Fügen verbinden sich die gefügten Teile unter Bereitstellung einer erhöhten Temperatur an Berührungsflächen der Teile miteinander, ohne dass zusätzliche Materialien, wie beispielsweise Kleber, benötigt werden. Verfahren, die ein solches thermisches Fügen bewirken, sind beispielsweise das Schweißen und das Bonden. Zum Verbinden von zwei Teilen durch thermisches Fügen müssen die beiden Teile aus geeigneten Materialien bestehen. Problematisch bei mikrofluidischen Systemen der eingangs genannten Gattung ist, dass zwischen der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente eine Membran angeordnet ist und dass diese Membran regelmäßig aus einem Material ausgebildet ist, dass nicht zum thermischen Fügen mit der ersten Systemkomponente oder der zweiten Systemkomponente geeignet ist. The microfluidic system according to the invention is a reliable composite produced by thermal joining of the first system component and the second system component in a cost-effective manner. In thermal joining, the joined parts combine to provide an elevated temperature at contact surfaces of the parts without the need for additional materials, such as adhesives. Methods that effect such a thermal joining are, for example, welding and bonding. To join two parts by thermal joining, the two parts must be made of suitable materials. The problem with microfluidic systems of the type mentioned in the introduction is that a membrane is arranged between the first system component and the second system component and that this membrane is regularly formed from a material which is not suitable for thermal joining with the first system component or the second system component.

Zur Lösung dieses Problems werden die erste Systemkomponente und die zweite Systemkomponente daher bei dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System direkt miteinander verbunden und nicht mit der Membran. Hierfür ist in dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System die Membran nicht, wie im Stand der Technik, als durchgehende Trennschicht zwischen der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente ausgebildet. Bei der vorliegenden Erfindung trennt die Membran die erste und zweite Systemkomponente also nicht vollflächig, sondern nur teilflächig. Dabei befindet sich die Membran in einer Vertiefung, die in der ersten Systemkomponente und/oder der zweiten Systemkomponente ausgebildet ist. Die Vertiefung ist ein flacher Raum bzw. ein in der ersten Systemkomponente und/oder der zweiten Systemkomponente ausgebildeter flacher Graben, in dem die Membran vorgesehen bzw. eingebracht ist. To solve this problem, the first system component and the second system component are therefore connected directly to one another in the microfluidic system according to the invention and not to the membrane. For this purpose, in the microfluidic system according to the invention, the membrane is not formed, as in the prior art, as a continuous separating layer between the first system component and the second system component. In the present invention, therefore, the membrane does not separate the first and second system components over the entire area, but only over part of the area. In this case, the membrane is located in a depression which is formed in the first system component and / or the second system component. The recess is a flat space or a flat trench formed in the first system component and / or the second system component, in which the membrane is provided or incorporated.

Die Vertiefung ist entweder in der ersten Systemkomponente oder in der zweiten Systemkomponente ausgebildet, oder die Vertiefung ist räumlich auf die erste Systemkomponente und die zweite Systemkomponente aufgeteilt. Beispielsweise kann eine Hälfte der Vertiefung in der ersten Systemkomponente und die andere Hälfte der Vertiefung in der zweiten Systemkomponente ausgebildet sein. Die Abmessungen der Vertiefung und der Membran sind vorzugsweise aufeinander abgestimmt, sodass Ränder der Vertiefung bei der Montage Anschläge für die Membran bilden und somit eine einfache Montage des mikrofluidischen Systems erlauben. The depression is formed either in the first system component or in the second system component, or the depression is spatially divided between the first system component and the second system component. For example, one half of the depression may be formed in the first system component and the other half of the depression may be formed in the second system component. The dimensions of the recess and the membrane are preferably matched to each other, so that edges of the recess during assembly form stops for the membrane and thus allow easy mounting of the microfluidic system.

In dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System sind die erste Systemkomponente und die zweite Systemkomponente durch thermisches Fügen miteinander verbunden. In the microfluidic system according to the invention, the first system component and the second system component are connected to one another by thermal joining.

Diese Verbindung ist kostengünstig realisierbar, sie ist langzeitstabil und für erhöhte Temperaturen, beispielsweise im Bereich von 75 °C bis 95 °C, geeignet. Solche Temperaturen sind beispielsweise zur Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktion, einer reversen Transkription oder einer thermisch unterstützten Zell-Lyse erforderlich, wobei der Einsatz der erhöhten Temperaturen meist lokal auf eine Reaktionskammer begrenzt ist. This compound is inexpensive to implement, it is long-term stable and suitable for elevated temperatures, for example in the range of 75 ° C to 95 ° C. Such temperatures are required, for example, for carrying out a polymerase chain reaction, a reverse transcription or a thermally assisted cell lysis, wherein the use of the elevated temperatures is usually limited locally to a reaction chamber.

Durch die thermisch gefügten Bereiche ist das erfindungsgemäße mikrofluidische System mechanisch belastbar aufgebaut, ohne dass eine Verklebung mit der Membran für die mechanische Festigkeit erforderlich ist. As a result of the thermally joined regions, the microfluidic system according to the invention has a mechanically load-bearing structure without the need for bonding to the membrane for mechanical strength.

Die Membran befindet sich nicht nur in der Vertiefung, sondern sie ist auch mechanisch in der Vertiefung befestigt. Die Befestigung der Membran wird durch die wenigstens eine die Membran klemmende Struktur erreicht, die vorzugsweise entweder Teil der ersten Systemkomponente oder Teil der zweiten Systemkomponente ist. Es ist aber auch möglich, dass sowohl die erste Systemkomponente als auch die zweite Systemkomponente klemmende Strukturen aufweisen. Bei der klemmenden Struktur kann es sich um eine einzige Struktur, beispielsweise einen umlaufenden Ring, oder um eine Vielzahl von Strukturen, beispielsweise in Form von Stiften, handeln. Die wenigstens eine klemmende Struktur verhindert, dass die Membran, beispielsweise wenn sie deformiert wird, innerhalb der Vertiefung verrutscht. Andererseits bewirkt der von der klemmenden Struktur ausgehende Druck auf die Membran eine Querkontraktion der Membran, die dazu führt, dass das verdrängte Volumen der Membran um die klemmende Struktur herum einen von der Membran ausgehenden Druck ausbildet, sodass die Membran als Dichtung an der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente anliegt. The membrane is not only in the recess, but it is also mechanically fixed in the recess. The attachment of the membrane is achieved by the at least one membrane-clamping structure, which is preferably either part of the first system component or part of the second system component. But it is also possible that both the first system component and the second system component have clamping structures. The clamping structure may be a single structure, for example a circumferential ring, or a variety of structures, for example in the form of pins act. The at least one clamping structure prevents the membrane, for example when it is deformed, from slipping inside the recess. On the other hand, the pressure exerted by the clamping structure on the membrane causes a transverse contraction of the membrane, which causes the displaced volume of the membrane around the clamping structure to form a pressure exerted by the membrane, so that the membrane acts as a seal on the first system component the second system component is applied.

In einer vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems ist die erste Kavität in einem einteiligen ersten Substrat ausgebildet und/oder die zweite Kavität in einem einteiligen zweiten Substrat ausgebildet. Das einteilige erste und/oder zweite Substrat ist kostengünstig, beispielsweise durch Spritzgießen, herstellbar. Dabei bildet das einteilige erste und/oder zweite Substrat eine kostengünstige Basis zur Herstellung der jeweiligen Systemkomponente. In einem einfachen Beispiel kann das einteilige erste und/oder zweite Substrat bereits die jeweilige Systemkomponente bilden. In einem anderen Beispiel kann das einteilige erste und/oder zweite Substrat auch als Basis für die Herstellung der jeweiligen Systemkomponente dienen, wobei auf dem Substrat zusätzlich beispielsweise noch Elektroden hergestellt werden oder eine Analysesubstanz abgeschieden wird, um die jeweilige Systemkomponente zu erhalten. Bei der Verwendung einteiliger Substrate ist das mikrofluidische System körperlich einfach aufgebaut. In an advantageous embodiment of the microfluidic system according to the invention, the first cavity is formed in a one-piece first substrate and / or the second cavity is formed in a one-piece second substrate. The one-piece first and / or second substrate is inexpensive, for example by injection molding, produced. In this case, the one-part first and / or second substrate forms a cost-effective basis for the production of the respective system component. In a simple example, the one-piece first and / or second substrate may already form the respective system component. In another example, the one-piece first and / or second substrate can also serve as a basis for the production of the respective system component, wherein electrodes are additionally produced on the substrate, for example, or an analyte substance is deposited in order to obtain the respective system component. When using one-piece substrates, the microfluidic system is physically simple.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems ist das einteilige erste Substrat und/oder das einteilige zweite Substrat ein durch Spritzgießen oder Prägen hergestelltes Substrat. Das Spritzgießen und Prägen von Kunststoffen ermöglicht die Herstellung von Bauteilen in großen Stückzahlen zu sehr geringen Kosten pro Stück. So gefertigte Substrate führen daher letztlich auch zu kostengünstigen erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systemen. Alternativ können die einteiligen ersten und/oder zweiten Substrate anderweitig, beispielsweise unter Verwendung einer Oberflächenbearbeitung mit einem Fräser oder Laser, hergestellt werden. So hergestellte Substrate können vorteilhaft verwendet werden, wenn nur geringe Stückzahlen benötigt werden. In a particularly preferred embodiment of the microfluidic system according to the invention, the one-piece first substrate and / or the one-piece second substrate is a substrate produced by injection molding or embossing. The injection molding and embossing of plastics enables the production of components in large quantities at a very low cost per piece. Thus produced substrates ultimately lead to cost-effective microfluidic systems according to the invention. Alternatively, the one-piece first and / or second substrates may be otherwise prepared, for example using a surface finish with a mill or laser. Substrates prepared in this way can advantageously be used if only small quantities are required.

In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems ist die erste Systemkomponente aus einem Substrat und einem thermisch fügbaren, um die erste Kavität verlaufenden und in diesem Bereich mit dem Substrat verbundenen plattenförmigen Abstandshalter ausgebildet. In dieser Ausbildung ist die erste Systemkomponente also aus mehreren Teilen zusammengesetzt. Dies ist beispielsweise dann für eine vereinfachte Herstellung vorteilhaft, wenn die erste Systemkomponente eine Vielzahl metallischer Elektroden und Durchkontaktierungen für einen rückseitigen Anschluss der Elektroden aufweist. Auf ebenen Substraten können die auch bei der Leiterplattenherstellung üblicherweise verwendeten lithografischen Verfahren eingesetzt werden, sodass keine speziellen sich für strukturierte Oberflächen eignenden lithografischen Geräte erforderlich sind. Aus dem im Wesentlichen ebenen Substrat wird bei dieser Ausführungsvariante die für das mikrofluidische System benötigte Kavität dadurch hergestellt, dass auf dem Substrat der plattenförmige Abstandshalter befestigt wird. Der plattenförmige Abstandshalter kann beispielsweise eine Kunststoffplatte oder eine Kunststofffolie sein, welche in den Bereichen, in welchen Kavitäten vorgesehen sind, Freiräume aufweist. Diese Freiräume in dem Abstandshalter können zum Beispiel durch Ausschneiden oder Ausstanzen hergestellt sein. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Abstandshalter auch auf dem Substrat, beispielsweise durch eine Schichtabscheidung, hergestellt sein. In an alternative embodiment of the microfluidic system according to the invention, the first system component is formed from a substrate and a thermally available plate-shaped spacer running around the first cavity and connected to the substrate in this area. In this embodiment, the first system component is thus composed of several parts. This is advantageous, for example, for a simplified production if the first system component has a large number of metallic electrodes and plated-through holes for a back-side connection of the electrodes. On flat substrates, the lithographic processes also commonly used in printed circuit board manufacturing can be used so that no special lithographic devices suitable for structured surfaces are required. In the case of this embodiment variant, the cavity required for the microfluidic system is produced from the substantially planar substrate by fastening the plate-shaped spacer to the substrate. The plate-shaped spacer may be, for example, a plastic plate or a plastic film which has free spaces in the areas in which cavities are provided. These clearances in the spacer can be made for example by cutting or punching. In other embodiments, the spacer can also be made on the substrate, for example by a layer deposition.

In einer besonders praktikablen Variante der oben erläuterten alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems ist das Substrat aus einem Leiterplattenmaterial und der plattenförmige Abstandshalter aus einer Folie ausgebildet, und das Substrat und der Abstandshalter sind durch eine beidseitig klebende Folie oder eine Klebeschicht miteinander verbunden. Die Verwendung von Leiterplatten hat den Vorteil, dass auf bewährte Technologien zur Bearbeitung und Bestückung von Leiterplatten zurückgegriffen werden kann, wobei diese Arbeiten auch von externen Dienstleistern angeboten werden. In a particularly practical variant of the above-explained alternative embodiment of the microfluidic system according to the invention, the substrate is made of a printed circuit board material and the plate-shaped spacer is formed of a film, and the substrate and the spacer are connected to each other by a double-sided adhesive film or an adhesive layer. The use of printed circuit boards has the advantage that proven technologies for processing and assembly of printed circuit boards can be used, and this work is also offered by external service providers.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems weist die Membran wenigstens eine Perforation auf, die erste Systemkomponente und/oder die zweite Systemkomponente erstreckt sich in die Perforation der Membran hinein oder durch die Perforation hindurch, und die erste Systemkomponente und die zweite Systemkomponente sind innerhalb der Perforation der Membran durch thermisches Fügen miteinander verbunden. Üblicherweise sind die erste Systemkomponente und die zweite Systemkomponente durch eine um die Membran herum verlaufende Schweißnaht miteinander verbunden. Insbesondere bei großflächigen Membranen und mechanisch begrenzt tragfähigen Systemkomponenten ist es jedoch günstig, Verbindungen zwischen der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente nicht nur außerhalb der Membran vorzusehen, sondern auch in Perforationen in der Membran. Die Herstellung von Perforationen in der Membran ist technisch einfach zu bewerkstelligen. Durch die Verbindungen in den Perforationen in der Membran können die lateralen Abstände zwischen verschiedenen Bereichen, die durch thermisches Fügen miteinander verbunden sind, verringert werden. Dadurch sind Verwölbungen der Systemkomponenten zwischen diesen Bereichen klein und die mechanische Stabilität des mikrofluidischen Systems ist insgesamt gut. In a preferred embodiment of the microfluidic system according to the invention, the membrane has at least one perforation, the first system component and / or the second system component extends into the perforation of the membrane or through the perforation, and the first system component and the second system component are within the Perforation of the membrane connected by thermal joining together. Typically, the first system component and the second system component are interconnected by a weld around the membrane. Especially with large-area membranes and mechanically limited load-bearing system components, however, it is favorable to provide connections between the first system component and the second system component not only outside the membrane, but also in perforations in the membrane. The production of perforations in the membrane is technically easy to accomplish. Through the connections in the Perforations in the membrane can reduce the lateral distances between different areas joined together by thermal joining. As a result, warpage of the system components between these areas is small and the mechanical stability of the microfluidic system is good overall.

Gemäß einer bevorzugten Beschaffenheit des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems ist die Membran aus einem paraffinartigen plastischen Material oder aus einer paraffinbeschichteten Folie ausgebildet. Die Membran zwischen der ersten und der zweiten Systemkomponente hat die Aufgabe, die Substanzen in den Kavitäten voneinander zu trennen. Dabei ist es in vielen Anwendungsfällen vorteilhaft, wenn die Membran eine Diffusion von Gasen durch die Membran verhindert, also die Membran gasdicht ist. Die innere Struktur vieler elastischer Materialien weist eine Struktur auf, die Diffusionspfade für Gasatome oder Gasmoleküle enthält. Paraffinartige plastische Materialien haben hingegen eine dichte innere Struktur, sodass keine oder nur eine geringe Diffusion von Gasen durch die Membranen stattfindet. Bei einem plastischen Material ist die Deformation der Membran irreversibel, was bei einem Einwegprodukt in der Regel unproblematisch ist. In verschiedenen Anwendungsfällen mikrofluidischer Systeme sind aber auch elastische Membranen gewünscht oder erforderlich. Beispielsweise kann in diesen Fällen die Gasdurchlässigkeit einer verwendeten elastischen Membran dadurch reduziert werden, dass eine elastische, paraffinbeschichtete Folie zur Ausbildung der Membran verwendet wird. According to a preferred embodiment of the microfluidic system according to the invention, the membrane is formed from a paraffin-like plastic material or from a paraffin-coated film. The membrane between the first and the second system component has the task of separating the substances in the cavities from each other. It is advantageous in many applications, when the membrane prevents diffusion of gases through the membrane, so the membrane is gas-tight. The internal structure of many elastic materials has a structure containing diffusion paths for gas atoms or gas molecules. On the other hand, paraffin-like plastic materials have a dense internal structure, so that no or only little diffusion of gases takes place through the membranes. In a plastic material, the deformation of the membrane is irreversible, which is usually not a problem in a disposable product. In various applications of microfluidic systems but also elastic membranes are desired or required. For example, in these cases, the gas permeability of an elastic membrane used can be reduced by using an elastic, paraffin-coated film to form the membrane.

Vorzugsweise weist die Membran eine Dehnbarkeit in einer Richtung von mindestens 120 % ihrer Ausgangslänge auf, ohne dass die Membran reißt. In dem mikrofluidischen System wird die Membran nicht eindimensional gedehnt, sondern typischerweise dreidimensional. Da eine eindimensionale Dehnung messtechnisch einfacher erfassbar ist als eine dreidimensionale Dehnung, wird die eindimensionale Dehnbarkeit, die mit einer entsprechenden dreidimensionalen Dehnbarkeit verbunden ist, zur Dehnungscharakterisierung eingesetzt. Eine große Dehnbarkeit der Membran ermöglicht eine Verdrängung eines entsprechend großen Volumens in der zweiten Kavität. Preferably, the membrane has a stretchability in a direction of at least 120% of its initial length without the membrane rupturing. In the microfluidic system, the membrane is not stretched one-dimensionally, but typically three-dimensionally. Since a one-dimensional strain can be measured more easily than a three-dimensional strain, the one-dimensional extensibility, which is associated with a corresponding three-dimensional extensibility, is used for strain characterization. A large extensibility of the membrane allows a displacement of a correspondingly large volume in the second cavity.

Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems die wenigstens eine sich aus der Vertiefung erhebende Struktur wenigstens einen Steg aufweist. Als Steg wird hierbei eine im Wesentlichen linienförmige Erhebung verstanden, welcher in die Membran hineindrückt. Ein Steg ist daher gut zur mechanischen Befestigung der Membran geeignet. It has proved to be particularly favorable if, in one embodiment of the microfluidic system according to the invention, the at least one structure which rises from the depression has at least one web. In this case, a web is understood as meaning a substantially linear elevation which presses into the membrane. A bridge is therefore well suited for mechanical attachment of the membrane.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems ist der wenigstens eine Steg rahmenartig um die erste Kavität und/oder die zweite Kavität ausgebildet. Durch die Einrahmung der Kavität mit dem Steg wird eine gute Abdichtung der Kavität erreicht. Dabei kann der Steg die Kavität entweder vollständig einrahmen oder in dem Fall, dass sich die Kavität lateral über die Vertiefung hinaus erstreckt, bis an den Rand der Vertiefung herangeführt sein. Vorzugsweise ist der rahmenartige Steg im Wesentlichen quer zu den durch bei Deformation der Membran in der Kavität entstehenden Zugkräften der Membran ausgerichtet, sodass die vorhandenen Kräfte gut aufgenommen werden können. In a preferred embodiment of the microfluidic system according to the invention, the at least one web is frame-shaped around the first cavity and / or the second cavity. By framing the cavity with the web a good sealing of the cavity is achieved. In this case, the web can either completely frame the cavity or, in the event that the cavity extends laterally beyond the depression, be brought up to the edge of the depression. Preferably, the frame-like web is aligned substantially transversely to the resulting by deformation of the membrane in the cavity tensile forces of the membrane, so that the existing forces can be well received.

In einer geeigneten Weiterbildung können zwei bis zwanzig solcher Stege nebeneinander angeordnet sein. Durch die Mehrzahl von Stegen kann die Haltekraft für die Membran weiter erhöht werden, wodurch das Risiko von Undichtigkeiten reduziert werden kann. In a suitable development, two to twenty such webs can be arranged side by side. By the plurality of webs, the holding force for the membrane can be further increased, whereby the risk of leaks can be reduced.

Beispielsweise kann das erfindungsgemäße mikrofluidische System, zumindest in seinen lateralen Abmessungen, das heißt, zumindest in der flächigen Ausdehnung der ersten und/oder zweiten Systemkomponenten, in einem Chipkartenformat ausgebildet sein. Chipkartenformate sind standardisiert und werden für eine Vielzahl von verschiedenen, beispielsweise durch Kartenlesegeräte lesbaren Karten eingesetzt. Ein weit verbreitetes Chipkartenformat ist beispielsweise das Kreditkartenformat. Die Verwendung von Chipkartenformaten ist bei der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, da bei Verwendung dieser Formate auf verfügbare Produktionsanlagen und Zubehörkomponenten für das erfindungsgemäße mikrofluidische System zurückgegriffen werden kann. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße mikrofluidische System mit wenigstens einem Mikrochip ausgestattet werden und es können handelsübliche Kartenlesegeräte für den oder die eingebetteten Mikrochips verwendet werden. Außerdem ist ein mit Chipkartenabmessungen ausgebildetes erfindungsgemäßes mikrofluidisches System insgesamt handlich und mit gebräuchlichen Aufbewahrungsmitteln verstaubar bzw. mit anderen, mit gleichen Abmessungen gestalteten Systemkomponenten gut kombinier- und zusammensetzbar. For example, the microfluidic system according to the invention, at least in its lateral dimensions, that is, at least in the areal extent of the first and / or second system components, may be formed in a chip card format. Smart card formats are standardized and used for a variety of different, for example by card readers readable cards. A widely used smart card format is, for example, the credit card format. The use of chip card formats is advantageous in the present invention since, when these formats are used, it is possible to resort to available production equipment and accessory components for the microfluidic system according to the invention. For example, the microfluidic system according to the invention can be equipped with at least one microchip and commercially available card readers can be used for the embedded microchip (s). In addition, a microfluidic system according to the invention designed with chip card dimensions is overall handy and stowable with conventional storage means or can be combined and assembled well with other system components of the same dimensions.

Bei einer zweckdienlichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems weist die erste Systemkomponente in die erste Kavität hineinreichende Elektroden auf, und die erste Kavität ist mit einem Elektrolyt oder einem Gel gefüllt, wobei durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden in der ersten Kavität durch Elektrolyse ein Gas erzeugbar ist. Eine solche elektrolytgefüllte Kavität, die unter anderem unter Verwendung einer Membran geschlossen ist und in der durch Elektrolyse ein Gas erzeugbar ist, kann als Mikroaktor, bei dem die Membran bewegt wird, betrieben werden. Der Mikroaktor kann in dem mikrofluidischen System beispielsweise ein Fluid bewegen oder die Bewegung eines Fluides steuern. Der auf Elektrolyse basierende Aktor ist einfach und kostengünstig aufgebaut, zudem setzt er elektrische Energie effizient in Bewegungsenergie um. Der Elektrolyt kann in dem mikrofluidischen System als Flüssigkeit vorliegen. Er kann aber auch als Gel vorliegen, wobei der wässrige Elektrolyt beispielsweise von einem hydrophilen Polymer und unter Ausbildung eines Hydrogels gebunden ist. Als Elektrodenmaterial für die Elektrolyse kann beispielsweise eine Goldbeschichtung verwendet werden. Es kann auch ein Katalysator in der Kavität vorhanden sein, der die Gaserzeugung oder eine Rückreaktion des erzeugten Gases unter Bildung einer Flüssigkeit unterstützt, sodass ein dynamischer Aktorbetrieb mit Gaserzeugung und Gasabbau stattfinden kann. In an expedient embodiment of the microfluidic system according to the invention, the first system component has electrodes extending into the first cavity, and the first cavity is filled with an electrolyte or a gel, whereby a gas can be generated by applying a voltage to the electrodes in the first cavity by electrolysis is. Such electrolyte-filled cavity, which is closed, inter alia, using a membrane and in the electrolysis gas can be operated as a microactuator in which the membrane is moved, operated. The microactuator may, for example, move a fluid or control the movement of a fluid in the microfluidic system. The electrolysis-based actuator is simple and inexpensive, and it efficiently converts electrical energy into kinetic energy. The electrolyte may be present in the microfluidic system as a liquid. However, it can also be present as a gel, wherein the aqueous electrolyte is bound, for example, by a hydrophilic polymer and with the formation of a hydrogel. As the electrode material for the electrolysis, for example, a gold coating can be used. There may also be a catalyst in the cavity that promotes gas generation or back reaction of the generated gas to form a liquid so that dynamic actuator operation may occur with gas generation and gas degradation.

In einem vorteilhaften Aufbau des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems weist die zweite Kavität wenigstens eine mit einer Reagenz gefüllte Reagenzkammer, wenigstens eine Reaktionskammer und einen Kanal zwischen der Reagenzkammer und der Reaktionskammer auf, und die erste Kavität ist gegenüber der Reagenzkammer und/oder der Reaktionskammer, durch die Membran getrennt, angeordnet. Die zweite Kavität weist also wenigstens zwei Kammern auf, die durch einen Kanal miteinander verbunden sind. Die zweite Kavität kann auch weitere Kammern und Kanäle zwischen den Kammern aufweisen. In der Reagenzkammer der zweiten Kavität ist ein eingefülltes Reagenz vorgesehen. Das Reagenz kann eine beliebige Substanz sein, der in dem mikrofluidischen System eine Funktion zugedacht ist. Beispielsweise kann das Reagenz eine Säure, eine Lauge, eine biologisch aktive Substanz oder ein Spülmittel sein. In an advantageous construction of the microfluidic system according to the invention, the second cavity has at least one reagent chamber filled with a reagent, at least one reaction chamber and a channel between the reagent chamber and the reaction chamber, and the first cavity is opposite to the reagent chamber and / or the reaction chamber through which Membrane separated, arranged. The second cavity thus has at least two chambers, which are interconnected by a channel. The second cavity may also include further chambers and channels between the chambers. In the reagent chamber of the second cavity, a filled reagent is provided. The reagent may be any substance intended to have a function in the microfluidic system. For example, the reagent may be an acid, a caustic, a biologically active substance, or a rinse.

Vorteilhafte erfindungsgemäße mikrofluidische Systeme weisen mehrere mit verschiedenen Substanzen gefüllte Reagenzkammern auf. Gegenüber der Reagenzkammer ist, durch die Membran getrennt, die erste Kavität angeordnet. Die erste Kavität kann als Aktuator betrieben werden, indem in der ersten Kavität ein Gas erzeugt wird und durch das erzeugte Gas die Membran deformiert wird. Die deformierte Membran verdrängt das Reagenz aus der Reagenzkammer, sodass das Reagenz durch den Kanal in die Reaktionskammer strömt. Gegenüber der Reaktionskammer kann, durch die Membran getrennt, eine weitere erste Kavität angeordnet sein. Diese weitere erste Kavität kann wiederum als Aktuator betreibbar sein, sodass eine Substanz aus der Reaktionskammer durch die Membran verdrängt werden kann und die Substanz aus der Reaktionskammer durch einen Kanal in eine andere Kammer gepumpt werden kann. Advantageous microfluidic systems according to the invention have a plurality of reagent chambers filled with different substances. Opposite the reagent chamber, separated by the membrane, the first cavity is arranged. The first cavity can be operated as an actuator by generating a gas in the first cavity and deforming the membrane by the generated gas. The deformed membrane displaces the reagent from the reagent chamber so that the reagent flows through the channel into the reaction chamber. Opposite the reaction chamber, separated by the membrane, a further first cavity may be arranged. This further first cavity may in turn be operable as an actuator, so that a substance from the reaction chamber can be displaced through the membrane and the substance from the reaction chamber can be pumped through a channel into another chamber.

In die Reaktionskammer können verschiedene Kanäle münden, durch welche gleichzeitig oder in einer zeitlichen Abfolge verschiedene Reagenzien oder andere Substanzen, wie beispielsweise zu analysierende Proben in die Reaktionskammer eingeleitet werden können. Desweiteren können in die Reaktionskammer Kanäle münden, über welche eine Ableitung der in der Reaktionskammer befindlichen Substanz vorgesehen ist. Dabei kann die reagierte Substanz beispielsweise in eine Analysekammer oder in eine Abfallkammer geleitet werden. Various channels can lead into the reaction chamber, through which different reagents or other substances, such as for example samples to be analyzed, can be introduced into the reaction chamber at the same time or in a chronological sequence. Furthermore, channels can open into the reaction chamber, via which a discharge of the substance located in the reaction chamber is provided. In this case, the reacted substance can be passed, for example, into an analysis chamber or into a waste chamber.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems ist die zweite Kavität wenigstens Bestandteil eines Fluidventils, welchem gegenüber die erste Kavität angeordnet ist, wobei das Fluidventil bei deformierter Membran geöffnet oder geschlossen ist und wobei durch eine Gaserzeugung in der ersten Kavität die Membran deformierbar und durch das Fluidventil schließbar oder öffenbar ist. Ein unter Beteiligung der ersten Kavität und der Membran ausgebildeter Aktuator ist in dieser Weiterbildung als Betätigungselement für ein Fluidventil vorgesehen. Das Fluidventil kann beispielsweise auch so aufgebaut sein, dass bei einer undeformierten Membran ein Strömungspfad in der zweiten Kavität geöffnet ist, welcher dann durch Deformation der Membran geschlossen wird. Die Deformation der Membran kann aber nicht nur dafür genutzt werden, einen Strömungspfad zu verschließen, es ist auch möglich, durch die Deformation der Membran einen Strömungspfad zu öffnen. Beispielsweise kann die Deformation der Membran dafür genutzt werden, ein Verschlusselement in der zweiten Kavität zu bewegen, sodass ein Strömungspfad in der zweiten Kavität geöffnet wird. In an expedient development of the microfluidic system according to the invention, the second cavity is at least part of a fluid valve, which is arranged opposite the first cavity, wherein the fluid valve is opened or closed with deformed membrane and wherein by gas generation in the first cavity, the membrane deformable and by the Fluid valve is closable or openable. A trained under participation of the first cavity and the diaphragm actuator is provided in this development as an actuating element for a fluid valve. By way of example, the fluid valve can also be constructed in such a way that, in the case of an undeformed membrane, a flow path in the second cavity is opened, which is then closed by deformation of the membrane. However, the deformation of the membrane can not only be used to close a flow path, it is also possible to open a flow path by the deformation of the membrane. For example, the deformation of the membrane can be used to move a closure element in the second cavity, so that a flow path in the second cavity is opened.

In einer anderen günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems weist die erste Systemkomponente wenigstens eine Aussparung auf, wobei in der Aussparung die Dicke der ersten Systemkomponente reduziert ist und in der Aussparung ein externer Heizer für das mikrofluidische System vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße mikrofluidische System zeichnet sich durch kleine Strukturen, das heißt durch typische Strukturabmessungen im Mikrometer- bis Millimeterbereich, aus. In dem mikrofluidischen System können dabei verschiedene Systemkomponenten, unter anderem Heizer, ausgebildet sein. Solche mikrofluidischen Systemkomponenten weisen verschiedene Vorteile auf, mikrofluidischen Systemkomponenten können aber auch Nachteile anhaften. Beispielsweise kann bei einem Mikroheizer die durch seine geringe Größe begrenzte Heizleistung nachteilig sein. In diesem Fall ist ein externer Heizer für das mikrofluidische System mit einer hohen Heizleistung, verbunden mit einer hohen Temperiergeschwindigkeit, wünschenswert. Das weitergebildete erfindungsgemäße mikrofluidische System ist so konzipiert, dass ein externer Heizer optimal auf das mikrofluidische System einwirkt. Eine gute thermische Ankopplung eines externen Heizers an das mikrofluidische System wird durch eine geringe bzw. im Vergleich zu den Umgebungsbereichen verringerte Dicke der ersten Systemkomponente in Bereichen, an denen der externe Heizer vorgesehen ist, erreicht. In another favorable refinement of the microfluidic system according to the invention, the first system component has at least one recess, wherein the thickness of the first system component is reduced in the recess and an external heater for the microfluidic system is provided in the recess. The microfluidic system according to the invention is characterized by small structures, that is to say by typical structural dimensions in the micrometer to millimeter range. Various system components, including heaters, can be formed in the microfluidic system. Such microfluidic system components have various advantages, but microfluidic system components can also adhere to disadvantages. For example, in a micro heater, the heating power limited by its small size may be disadvantageous. In this case, an external heater for the microfluidic system with a high heating power, combined with a high tempering speed, is desirable. The further developed microfluidic system according to the invention is designed so that a external heater acts optimally on the microfluidic system. A good thermal coupling of an external heater to the microfluidic system is achieved by a small or compared to the surrounding areas reduced thickness of the first system component in areas where the external heater is provided.

Die Aussparung in der ersten Systemkomponente kann beispielsweise dadurch ausgebildet sein, dass die erste Systemkomponente mehrteilig unter Verwendung einer Leiterplatte und einer thermisch fügbaren Folie ausgebildet ist und die Leiterplatte Einbuchtungen über die gesamte Dicke der Leiterplatte aufweist, sodass die Dicke der ersten Systemkomponente im Bereich der Einbuchtungen in der Leiterplatte nur aus der Dicke der thermisch fügbaren Folie besteht. In einem anderen Beispiel zur Herstellung der Aussparung basiert die erste Systemkomponente auf einem spritzgegossenen ersten Substrat, und die Aussparung wird im Zuge des Spritzgießens durch eine entsprechende Spritzgussform hergestellt. The recess in the first system component may be formed, for example, in that the first system component is formed in several parts using a printed circuit board and a thermally inflexible film and the printed circuit board indentations over the entire thickness of the printed circuit board, so that the thickness of the first system component in the region of the indentations in the circuit board consists only of the thickness of the thermally available film. In another example of manufacturing the recess, the first system component is based on an injection molded first substrate, and the recess is made by injection molding through a corresponding injection mold.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems, welches eine erste flächige Systemkomponente, an deren Oberfläche wenigstens eine erste Kavität ausgebildet ist, eine zweite flächige Systemkomponente, an deren eine Oberfläche wenigstens eine zweite Kavität ausgebildet ist, und eine Membran, die flächig zwischen der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente zur Trennung der ersten Kavität und der zweiten Kavität angeordnet ist, aufweist, wobei die Membran in einer zwischen der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente ausgebildeten Vertiefung vorgesehen wird und die erste Systemkomponente und die zweite Systemkomponente durch thermisches Fügen miteinander verbunden werden, und wobei die Membran von wenigstens einer sich aus der Vertiefung erhebenden Struktur geklemmt wird, gelöst. The object of the invention is further provided by a method for producing a microfluidic system, which comprises a first planar system component, on the surface of which at least one first cavity is formed, a second planar system component, on whose surface at least one second cavity is formed, and a membrane sandwiched between the first system component and the second system component for separating the first cavity and the second cavity, the membrane being provided in a recess formed between the first system component and the second system component, and the first system component and the second system component are joined together by thermal joining, and wherein the membrane is clamped by at least one structure rising from the recess.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also die erste und/oder die zweite Systemkomponente mit einer dazwischen vorgesehenen Vertiefung hergestellt bzw. zur Verfügung gestellt, sodass die Vertiefung die Membran aufnehmen kann. Die Vertiefung kann dabei entweder in der ersten Systemkomponente, in der zweiten Systemkomponente oder sowohl in der ersten als auch in der zweiten Systemkomponente ausgebildet sein. Außerhalb der Vertiefung werden die erste und die zweite Systemkomponente direkt miteinander in Verbindung gebracht, ohne dass sich die Membran in diesen Bereichen zwischen der ersten und der zweiten Systemkomponente befindet. In the method according to the invention, therefore, the first and / or the second system component are produced or made available with a depression provided therebetween, so that the depression can receive the membrane. The recess can be formed either in the first system component, in the second system component or both in the first and in the second system component. Outside the depression, the first and second system components are directly communicated with one another without the membrane being in these regions between the first and second system components.

Die Membran ist dabei als wenigstens eine Membran zu verstehen, das heißt, es können zwischen der ersten und der zweiten Systemkomponente auch zwei oder mehrere Membranen in zu den zwei oder mehreren Membranen korrespondierenden Vertiefungen angeordnet werden. Nachdem die erste Systemkomponente und die zweite Systemkomponente einander berührend ausgerichtet wurden, werden sie durch thermisches Fügen miteinander verbunden, wobei die Membran von wenigstens einer sich aus der Vertiefung erhebenden Struktur geklemmt wird. Das heißt, die erste Systemkomponente und die zweite Systemkomponente werden direkt miteinander durch ein thermisches Fügeverfahren verbunden und die in der Vertiefung befindliche Membran wird dabei zwischen der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente in der Vertiefung eingeklemmt. Zum Klemmen der Membran befindet sich in der Vertiefung eine Struktur, die sich aus der Vertiefung erhebt und auf die verformbare Membran drückt. Durch das Drücken der Struktur auf die Membran wird eine mechanisch belastbare Befestigung der Membran zwischen der ersten und der zweiten Systemkomponente erreicht. Die Membran wird dabei so festgeklemmt, dass eine gasdichte Abdichtung zwischen der Membran und der ersten Systemkomponente und der Membran der zweiten Systemkomponente erreicht wird. Die Gasdichtigkeit bleibt auch bei einer mechanischen Beanspruchung, beispielsweise einem auf die Membran einwirkenden hohen Druck, erhalten. Der auf die Membran einwirkende Druck kann beispielsweise eine Größe von 3 bar über Atmosphärendruck haben. The membrane is to be understood as at least one membrane, that is, it can be arranged between the first and the second system component and two or more membranes in the two or more membranes corresponding recesses. After the first system component and the second system component have been aligned with each other, they are joined together by thermal joining, whereby the membrane is clamped by at least one structure rising from the recess. That is, the first system component and the second system component are directly connected to each other by a thermal joining method, and the membrane in the recess is sandwiched between the first system component and the second system component in the recess. To clamp the membrane is located in the recess, a structure that rises from the depression and presses on the deformable membrane. By pressing the structure on the membrane, a mechanically strong attachment of the membrane between the first and the second system component is achieved. The membrane is thereby clamped so that a gas-tight seal between the membrane and the first system component and the membrane of the second system component is achieved. The gas-tightness is maintained even under mechanical stress, for example, a high pressure acting on the membrane. The pressure acting on the membrane may, for example, have a size of 3 bar above atmospheric pressure.

In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine für das thermische Fügen notwendige Energie zumindest teilweise durch elektromagnetische Strahlung zur Verfügung gestellt. Es gibt verschiedene elektromagnetische Strahlung, die je nach Wellenlänge der Strahlung beispielsweise in Mikrowellenstrahlung, Infrarotlicht oder sichtbares Licht unterteilt wird. Die elektromagnetische Strahlung und die Materialien der ersten und der zweiten Systemkomponente können so kombiniert werden, dass die eine Systemkomponente transparent für die verwendete Strahlung ist und die andere Systemkomponente diese Strahlung absorbiert. Auf diese Weise kann die verwendete elektromagnetische Strahlung vorteilhaft an die Grenzfläche zwischen der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente gebracht werden, sodass die elektromagnetische Strahlung dort ihre Energie abgibt und das thermische Fügen der ersten Systemkomponente und der zweiten Systemkomponente bewirkt. In a preferred variant of the method according to the invention, an energy necessary for the thermal joining is provided at least partially by electromagnetic radiation. There are various electromagnetic radiation, which is divided depending on the wavelength of the radiation, for example, in microwave radiation, infrared light or visible light. The electromagnetic radiation and the materials of the first and second system components may be combined such that one system component is transparent to the radiation used and the other system component absorbs that radiation. In this way, the electromagnetic radiation used can advantageously be brought to the interface between the first system component and the second system component, so that the electromagnetic radiation emits its energy there and causes the thermal joining of the first system component and the second system component.

Vorzugsweise ist dabei die elektromagnetische Strahlung eine Laserstrahlung, wobei für die zweite Systemkomponente ein für die Laserstrahlung transparentes Material verwendet und für die erste Systemkomponente ein Laserstrahlung absorbierendes Material verwendet wird. Bei dem Fügen wird die Laserstrahlung durch die zweite Systemkomponente gestrahlt und in der ersten Systemkomponente absorbiert. Bei der Verwendung von Laserstrahlung kann die elektromagnetische Strahlung auf einen besonders kleinen Strahlquerschnitt gebündelt werden, sodass das thermische Fügen mit großer örtlicher Präzision durchführbar ist. Mit Laserstrahlung wird auch eine große Energiedichte transportiert, sodass das thermische Fügen schnell und zuverlässig durchgeführt werden kann. Preferably, the electromagnetic radiation is a laser radiation, wherein for the second system component used for the laser radiation transparent material and for the first System component, a laser radiation absorbing material is used. In joining, the laser radiation is radiated by the second system component and absorbed in the first system component. When using laser radiation, the electromagnetic radiation can be bundled to a particularly small beam cross-section, so that the thermal joining with great local precision is feasible. With laser radiation, a high energy density is also transported, so that the thermal joining can be carried out quickly and reliably.

Die Laserstrahlung kann dabei beispielsweise eine Wellenlänge im sichtbaren Spektralbereich besitzen, wobei für die Ausbildung der zweiten Systemkomponente ein Material gewählt wird, das in diesem Spektralbereich transparent. Die erste Systemkomponente ist hingegen bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem „schwarzen“, die Laserstrahlung absorbierenden Material hergestellt. Als „schwarzes“ Material bietet sich beispielsweise die Verwendung von Polykarbonat an. Die Laserstrahlung kann aber auch eine Wellenlänge im infraroten oder im ultravioletten Spektralbereich haben, wobei sich die erste und die zweite Systemkomponente durch hohe bzw. niedrige Absorption in diesem Spektralbereich auszeichnen. In this case, the laser radiation may have, for example, a wavelength in the visible spectral range, a material being selected that is transparent in this spectral range for the formation of the second system component. In contrast, the first system component in this exemplary embodiment is made of a "black" material that absorbs the laser radiation. As a "black" material, for example, offers the use of polycarbonate. However, the laser radiation can also have a wavelength in the infrared or in the ultraviolet spectral range, with the first and the second system components being distinguished by high or low absorption in this spectral range.

In einer alternativen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das thermische Fügen durch Thermokompressionsbonden. Die für das thermische Fügen erforderliche Energie wird in diesem Fall teilweise durch Erwärmung und teilweise durch mechanischen Druck zur Verfügung gestellt. Das Thermokompressionsbonden ist insbesondere im Bereich der Kunststoffbearbeitung ein bewährtes Fügeverfahren. In an alternative variant of the method according to the invention, the thermal joining takes place by thermocompression bonding. The energy required for thermal joining is provided in this case partly by heating and partly by mechanical pressure. Thermocompression bonding is a proven joining process, especially in the field of plastics processing.

In einer anderen Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine für das thermische Fügen notwendige Energie mittels Ultraschall eingekoppelt. Ultraschallschweißen ist insbesondere im Bereich der Folienverarbeitung ein erprobtes Verfahren zum thermischen Fügen, das sich bei Verwendung geeigneter Materialien auch zur Herstellung von erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systemen eignet. In another alternative of the method according to the invention, an energy necessary for the thermal joining is coupled in by means of ultrasound. Ultrasonic welding is a proven method for thermal joining, especially in the field of film processing, which is also suitable for the production of microfluidic systems according to the invention when suitable materials are used.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einschließlich deren Aufbau, Funktion und Vorteilen, werden im Folgenden in Gegenüberstellung zum Stand der Technik in Figuren näher erläutert, wobei Preferred embodiments of the present invention, including their structure, function and advantages, are explained in more detail in the following in comparison with the prior art in FIGS

1 schematisch ein mikrofluidisches System aus dem Stand der Technik in einem Querschnitt zeigt; 1 schematically shows a microfluidic system of the prior art in a cross section;

2 schematisch eine Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems in einem Querschnitt zeigt; 2 schematically shows an embodiment of a microfluidic system according to the invention in a cross section;

3 schematisch eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems in einem Querschnitt zeigt; 3 schematically shows a further embodiment of the microfluidic system according to the invention in a cross section;

4 schematisch noch eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems in einem Querschnitt zeigt; 4 schematically shows yet another possible embodiment of the microfluidic system according to the invention in a cross section;

5 schematisch ein nächstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems mit weiteren Details in einem Querschnitt zeigt; und 5 schematically shows a next embodiment of the microfluidic system according to the invention with further details in a cross section; and

6 schematisch eine Draufsicht auf das erfindungsgemäße mikrofluidische System aus 5 zeigt. 6 schematically a plan view of the inventive microfluidic system 5 shows.

1 zeigt schematisch einen Querschnitt eines mikrofluidischen Systems 10 aus dem Stand der Technik. Das mikrofluidische System 10 weist eine erste flächige Systemkomponente 2‘ und eine zweite flächige Systemkomponente 4‘ mit einer dazwischen befindlichen Membran 8‘ auf. Die Membran 8‘ ist dabei als eine durchgängige Lage zwischen den beiden Systemkomponenten 2‘, 4‘ vorgesehen. Die in der schematischen Querschnittsdarstellung von 1 sichtbare Dicke der Systemkomponenten 2‘, 4‘ ist zum Zweck der besseren Erkennbarkeit vergrößert dargestellt. In der Realität ist das mikrofluidische System 10 flächig ausgebildet, wobei die Dicke des mikrofluidischen Systems 10 deutlich kleiner als die Abmessungen in den anderen beiden räumlichen Dimensionen ist. 1 schematically shows a cross section of a microfluidic system 10 from the prior art. The microfluidic system 10 has a first planar system component 2 ' and a second planar system component 4 ' with a membrane in between 8th' on. The membrane 8th' is here as a continuous situation between the two system components 2 ' . 4 ' intended. The in the schematic cross-sectional view of 1 Visible thickness of the system components 2 ' . 4 ' is shown enlarged for the purpose of better visibility. In reality, the microfluidic system 10 formed flat, the thickness of the microfluidic system 10 significantly smaller than the dimensions in the other two spatial dimensions.

Die erste Systemkomponente 2‘ ist aus einem ersten Substrat 19‘ und einer beidseitig klebenden Folie 13 zusammengesetzt. In der Oberfläche der Systemkomponente 2‘, die der Membran 8‘ zugewandt ist, befindet sich eine erste Kavität 3‘. Die zweite Systemkomponente 4‘ ist aus einem zweiten Substrat 20‘ und einer beidseitig klebenden Folie 13 zusammengesetzt. Die zweite Systemkomponente 4‘ weist in ihrer der Membran 8‘ zugewandten Oberfläche eine zweite Kavität 5‘ auf. Die zweite Kavität 5‘ ist hier schematisch als einfacher Hohlraum dargestellt, die zweite Kavität 5‘ ist in der Realität aber oft in verschiedene Kammern, die durch Kanäle miteinander verbunden sind, strukturiert. Das mikrofluidische System 10 aus dem Stand der Technik kann abweichend von der schematischen Darstellung mehrere erste Kavitäten 3‘ und zweite Kavitäten 5‘ aufweisen. In 1 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine erste Kavität 3‘ und eine zweite Kavität 5‘ dargestellt. The first system component 2 ' is from a first substrate 19 ' and a double-sided adhesive film 13 composed. In the surface of the system component 2 ' that of the membrane 8th' facing, there is a first cavity 3 ' , The second system component 4 ' is from a second substrate 20 ' and a double-sided adhesive film 13 composed. The second system component 4 ' has in its the membrane 8th' facing surface a second cavity 5 ' on. The second cavity 5 ' is shown schematically as a simple cavity, the second cavity 5 ' In reality, however, it is often structured into different chambers connected by channels. The microfluidic system 10 In contrast to the schematic representation, a plurality of first cavities can be derived from the state of the art 3 ' and second cavities 5 ' exhibit. In 1 For reasons of clarity, only a first cavity was used 3 ' and a second cavity 5 ' shown.

Bedingt durch die selbstklebenden Folien 13, die jeweils an den der Membran 8‘ zugewandten Oberflächen der Systemkomponenten 2‘, 4‘ vorgesehen sind, wird zwischen der ersten Systemkomponente 2‘ und der Membran 8‘ sowie zwischen der zweiten Systemkomponente 4‘ und der Membran 8‘ eine Klebeverbindung hergestellt, die somit auch die erste und die zweite Systemkomponente 2‘, 4‘ verbindet. Wie oben bereits erläutert, ist diese Klebeverbindung nur in einem begrenzten Temperaturbereich haltbar, zudem verliert die Klebeverbindung durch Alterung an Qualität. Due to the self-adhesive films 13 , each attached to the membrane 8th' facing surfaces of the system components 2 ' . 4 ' are provided, between the first system component 2 ' and the membrane 8th' and between the second system component 4 ' and the membrane 8th' made an adhesive bond, which thus also the first and the second system component 2 ' . 4 ' combines. As already explained above, this adhesive bond is durable only in a limited temperature range, also loses the adhesive bond by aging quality.

2 zeigt schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems 1. Ebenso wie das mikrofluidische System 10 aus dem Stand der Technik ist das erfindungsgemäße mikrofluidische System 1 flächig ausgebildet und der besseren Erkennbarkeit halber mit einer vergrößerten Dicke dargestellt. 2 schematically shows the cross section of a microfluidic system according to the invention 1 , As well as the microfluidic system 10 The microfluidic system according to the invention is known from the prior art 1 formed surface and the better Erkennbarkeit half represented with an increased thickness.

Das mikrofluidische System 1 weist eine erste flächige Systemkomponente 2 und eine zweite flächige Systemkomponente 4 auf. The microfluidic system 1 has a first planar system component 2 and a second planar system component 4 on.

In dem Ausführungsbeispiel von 2 ist die erste Systemkomponente 2 aus einer Leiterplatte 11, welche Elektroden 18 trägt, und einem Abstandshalter 12 aufgebaut. Der Abstandshalter 12 ist wiederum aus einer beidseitig klebenden Folie 13 und einer thermisch fügbaren Platte 14 zusammengesetzt. Ferner ist an der der zweiten Systemkomponente zugewandten Oberfläche der ersten Systemkomponente eine erste Kavität 3 ausgebildet, deren Boden durch die Leiterplatte 11 und deren Seitenwände durch Enden der Folie 13 und der Platte 14 ausgebildet sind. In the embodiment of 2 is the first system component 2 from a printed circuit board 11 , which electrodes 18 carries, and a spacer 12 built up. The spacer 12 is in turn made of a double-sided adhesive film 13 and a thermally available plate 14 composed. Furthermore, a first cavity is on the surface of the first system component facing the second system component 3 formed, whose bottom through the circuit board 11 and their side walls through ends of the film 13 and the plate 14 are formed.

Die zweite Systemkomponente 4 besteht aus einem strukturierten Substrat, in deren der ersten Systemkomponente 2 zugewandten Oberfläche eine zweite Kavität 5 vorgesehen ist. Die zweite Kavität 5 ist in 2 schematisch als einfacher Hohlraum dargestellt, die zweite Kavität 5 ist in der Realität aber oft in verschiedene Kammern, die durch Kanäle miteinander verbunden sind, strukturiert. Das mikrofluidische System 1 kann abweichend von der schematischen Darstellung von 2 auch mehrere erste Kavitäten 3 und/oder mehrere zweite Kavitäten 5 aufweisen. In 2 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine erste Kavität 3 und eine zweite Kavität 5 dargestellt. The second system component 4 consists of a structured substrate, in which the first system component 2 facing surface a second cavity 5 is provided. The second cavity 5 is in 2 shown schematically as a simple cavity, the second cavity 5 In reality, however, it is often structured into different chambers connected by channels. The microfluidic system 1 may deviate from the schematic representation of 2 also several first cavities 3 and / or a plurality of second cavities 5 exhibit. In 2 For reasons of clarity, only a first cavity was used 3 and a second cavity 5 shown.

Zwischen der ersten Systemkomponente 2 und der zweiten Systemkomponente 4 befindet sich eine Membran 8. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist die Membran 8 ist nicht als eine durchgängige Lage zwischen den beiden Systemkomponenten 2, 4, sondern nur in einem Teilbereich zwischen den beiden Systemkomponenten 2, 4, insbesondere zwischen der in der ersten Systemkomponente 2 ausgebildeten ersten Kavität 3 und der in der zweiten Systemkomponente 4 ausgebildeten zweiten Kavität 5, vorgesehen. Between the first system component 2 and the second system component 4 there is a membrane 8th , In contrast to the prior art, the membrane 8th is not as a continuous situation between the two system components 2 . 4 but only in a subarea between the two system components 2 . 4 , in particular between in the first system component 2 trained first cavity 3 and in the second system component 4 trained second cavity 5 , intended.

In dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System 1 sind die erste Systemkomponente 2 und die zweite Systemkomponente 4 durch thermisches Fügen direkt miteinander verbunden, was in der schematischen Darstellung von 2 an der zwischen der Platte 14 der ersten Systemkomponente 2 und der zweiten Systemkomponente 4 ausgebildeten Schweißnaht 15 zu erkennen ist. Die Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Systemkomponente 2, 4 erfolgt erfindungsgemäß somit nicht dort, wo die Membran 8 zwischen den Systemkomponenten 2, 4 vorgesehen ist, sondern in den um die Membran 8 verlaufenden Bereichen, in welchen sich die Systemkomponenten 2, 4 direkt, das heißt, ohne dazwischen befindlicher Membran 8, gegenüber liegen. In the microfluidic system according to the invention 1 are the first system component 2 and the second system component 4 connected directly by thermal joining, which in the schematic representation of 2 at the between the plate 14 the first system component 2 and the second system component 4 trained weld 15 can be seen. The connection between the first and the second system component 2 . 4 takes place according to the invention thus not where the membrane 8th between the system components 2 . 4 is provided, but in the around the membrane 8th extending areas, in which the system components 2 . 4 directly, that is, without any membrane in between 8th , lie opposite.

Die zweite Systemkomponente 4 weist hierfür in der Oberfläche, in der sich auch die zweite Kavität 5 befindet, in einem die zweite Kavität 5 umgebenden Bereich eine Vertiefung 6 auf. Die Vertiefung 6 ist ein Graben, der eine geringere Tiefe als die Kavität 6 aufweist und dessen Tiefe an die Dicke der Membran 8 angepasst ist. In der Vertiefung 6 befindet sich die Membran 8. The second system component 4 points for this in the surface, in which also the second cavity 5 located in one the second cavity 5 surrounding area a recess 6 on. The depression 6 is a trench that has a smaller depth than the cavity 6 and its depth to the thickness of the membrane 8th is adjusted. In the depression 6 is the membrane 8th ,

Die Membran 8 wird in dem gefügten mikrofluidischen System 1 durch eine sich aus der Vertiefung 6 erhebende Struktur geklemmt. Die sich aus der Vertiefung 6 erhebende Struktur ist in dem Ausführungsbeispiel von 2 durch eine Mehrzahl von Stegen 9 ausgebildet. Die Stege 9 sind einzelne erhabene Strukturen, die im Boden der Vertiefung 6 ausgebildet sind und eine derartige Höhe besitzen, dass sie sich in das Material der Membran beim Verbinden der ersten Systemkomponente 2 mit der zweiten Systemkomponente 4 hineindrücken und dadurch die Membran 8 zwischen der ersten Systemkomponente 2 und der zweiten Systemkomponente 4 einklemmen. Zur Ausbildung der sich aus der Vertiefung 6 erhebenden Struktur reicht somit eine sich bei der Ausbildung der Vertiefung 6, wie beispielsweise einem Ätzen der Vertiefung 6, Bodenrauigkeit typischerweise nicht aus. The membrane 8th is in the joined microfluidic system 1 through one out of the depression 6 Clamping uplifting structure. Which are from the depression 6 elevating structure is in the embodiment of 2 through a plurality of webs 9 educated. The bridges 9 are single raised structures in the bottom of the well 6 are formed and have such a height that they are in the material of the membrane in connecting the first system component 2 with the second system component 4 push in and thereby the membrane 8th between the first system component 2 and the second system component 4 pinch. To train yourself from the depression 6 elevating structure thus extends in the formation of the depression 6 such as etching the recess 6 , Ground roughness typically not enough.

Die Membran 8 ist in dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System 1 nicht mit der ersten Systemkomponente 2 oder der zweiten Systemkomponente 4 verklebt, sondern rein mechanisch durch Klemmen verbunden. Die Stege 9 drücken auf die Membran 8 und erzeugen durch Kompression der Membran 8 Dichtungsbereiche, die die erste Kavität 3 und die zweite Kavität 5 gasdicht abdichten. Die Gasdichtigkeit wird zum Beispiel dafür benötigt, ein in der ersten Kavität 3 erzeugtes Gas in der ersten Kavität 3 einzuschließen. The membrane 8th is in the microfluidic system according to the invention 1 not with the first system component 2 or the second system component 4 glued, but purely mechanically connected by terminals. The bridges 9 press on the membrane 8th and generate by compression of the membrane 8th Sealing areas, the first cavity 3 and the second cavity 5 seal gas-tight. The gas-tightness is needed, for example, one in the first cavity 3 generated gas in the first cavity 3 include.

In dem Ausführungsbeispiel von 2 ist die erste Kavität 3 mit einem Elektrolyt gefüllt, in welchem bei Anlegen einer Spannung an die Elektroden 18 in der Kavität 3 ein Gas erzeugbar ist. Durch die Gaserzeugung entsteht beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden 18 in der ersten Kavität 3 ein Überdruck, durch welchen die Membran 8 verformt und in die zweite Kavität 5 gedrückt wird. Dadurch wird ein in der zweiten Kavität 5 befindliches Fluid aus dem der ersten Kavität 3 gegenüber liegenden Bereich der zweiten Kavität 5 verdrängt, sodass das Fluid in einen anderen Bereich der zweiten Kavität 5, beispielsweise durch einen in 2 nicht dargestellten Kanal in eine andere, in 2 nicht dargestellte Kammer der zweiten Kavität 5 strömt. In the embodiment of 2 is the first cavity 3 filled with an electrolyte in which when applying a voltage to the electrodes 18 in the cavity 3 a gas can be generated. Gas generation occurs when a voltage is applied to the electrodes 18 in the first cavity 3 an overpressure through which the membrane 8th deformed and in the second cavity 5 is pressed. This becomes one in the second cavity 5 located fluid from the first cavity 3 opposite region of the second cavity 5 displaces the fluid into another area of the second cavity 5 , for example, by a in 2 not shown channel into another, in 2 not shown chamber of the second cavity 5 flows.

In dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System 1 treten auch bei erhöhten Temperaturen, beispielsweise 95 °C, keine Zuverlässigkeitsprobleme in Form von Undichtigkeiten in der Umgebung der Membran 8 auf. Da die Membran 8 geklemmt und nicht geklebt ist, spielt die Klebkraft der doppelseitig klebenden Folie 13 zu der Membran 8 keine Rolle. In the microfluidic system according to the invention 1 occur even at elevated temperatures, for example 95 ° C, no reliability problems in the form of leaks in the environment of the membrane 8th on. Because the membrane 8th clamped and not glued, plays the adhesive power of the double-sided adhesive film 13 to the membrane 8th not matter.

3 zeigt den Querschnitt einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems 1a, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. An dieser Stelle sei bezüglich dieser Elemente auf obige Erläuterungen zu diesen Elementen verwiesen, die entsprechend gelten. Gleiches gilt für die weiteren Ausführungsbeispiele. 3 shows the cross section of another embodiment of the microfluidic system according to the invention 1a , wherein like elements are designated by like reference numerals. Reference should be made at this point to the above explanations regarding these elements, which apply accordingly. The same applies to the other embodiments.

Im Unterschied zu dem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System 1 aus 2 weist die erste flächige Systemkomponente 2 des mikrofluidischen Systems 1a als Substrat keine Leiterplatte 11, sondern ein erstes Substrat 19 auf, in dessen Oberfläche eine erste Kavität 3a zumindest teilweise eingebracht ist. Ein Teil der Höhe der ersten Kavität 3 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel in dem ersten Substrat 19, und ein anderer Teil der Höhe der ersten Kavität 3a wird durch die Höhe des Abstandhalters 12 bestimmt. Somit weist die erste Kavität 3a durch ihre größere Höhe ein größeres Volumen gegenüber der ersten Kavität 3 in 2 auf. Durch die Oberflächenstrukturierung des ersten Substrates 19 ist das Volumen der ersten Kavität 3a in dem mikrofluidischen System 1a bedarfsgerecht eingestellt. Ansonsten besitzt die Kavität 3a gleiche Eigenschaften und Funktionen wie die oben im Detail beschriebene Kavität 3. In contrast to the microfluidic system according to the invention 1 out 2 indicates the first planar system component 2 of the microfluidic system 1a as substrate no circuit board 11 but a first substrate 19 on, in the surface of a first cavity 3a is at least partially introduced. Part of the height of the first cavity 3 is in this embodiment in the first substrate 19 , and another part of the height of the first cavity 3a is determined by the height of the spacer 12 certainly. Thus, the first cavity has 3a due to its greater height, a larger volume compared to the first cavity 3 in 2 on. Due to the surface structuring of the first substrate 19 is the volume of the first cavity 3a in the microfluidic system 1a adjusted as needed. Otherwise owns the cavity 3a same properties and functions as the cavity described in detail above 3 ,

Die erste flächige Systemkomponente 2 des mikrofluidischen Systems 1a besitzt zudem eine schematisch dargestellte Aussparung 17, in der im vorliegenden Fall die Dicke der Systemkomponente 2 dadurch reduziert ist, dass das erste Substrat 19 eine Einbuchtung zur Ausbildung der Aussprung 17 aufweist. In der Aussparung 17 kann beispielsweise ein externer Heizer (nicht dargestellt) vorgesehen sein, über den eine in einem der Aussparung 17 gegenüber liegenden Bereich (nicht dargestellt) der zweiten Kavität 5 befindliche Substanz schnell aufgeheizt werden kann. The first planar system component 2 of the microfluidic system 1a also has a schematically illustrated recess 17 in which, in the present case, the thickness of the system component 2 This reduces the fact that the first substrate 19 a recess for the formation of the jump 17 having. In the recess 17 For example, an external heater (not shown) may be provided over the one in one of the slots 17 opposite region (not shown) of the second cavity 5 substance can be heated quickly.

4 zeigt schematisch den Querschnitt noch einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems 1b. Bei dem mikrofluidischen System 1b besteht die erste flächige Systemkomponente 2 aus einem einteiligen ersten Substrat 19. Anders als bei der in 3 gezeigten ersten Systemkomponente 2 ist hier für die Ausbildung der ersten Kavität 3 kein Abstandshalter 12 genutzt. Das erste Substrat 19 der ersten Systemkomponente 2 ist aus einem thermisch fügbaren Material hergestellt, sodass die Schweißnaht 15 direkt das erste Substrat 19 mit dem zweiten Substrat 20 der zweiten Systemkomponente 4 miteinander verbindet. Das mikrofluidische System 1b zeichnet sich somit durch einen besonders einfachen Aufbau aus. 4 schematically shows the cross section of yet another embodiment of the microfluidic system according to the invention 1b , In the microfluidic system 1b exists the first planar system component 2 from a one-piece first substrate 19 , Unlike the in 3 shown first system component 2 is here for the training of the first cavity 3 no spacer 12 used. The first substrate 19 the first system component 2 is made of a thermally available material, so that the weld 15 directly the first substrate 19 with the second substrate 20 the second system component 4 connects with each other. The microfluidic system 1b is characterized by a particularly simple structure.

5 zeigt schematisch ein nächstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Systems 1c im Querschnitt, und 6 zeigt dieses mikrofluidische System 1c schematisch in einer Draufsicht auf die Fläche der zweiten flächigen Systemkomponente 4. In der Draufsicht in 6 ist zu erkennen, dass sich die Membran 8 über einen Flächenbereich erstreckt, an den zwei zweite Kavitäten 5 in der Systemkomponente 4 angrenzen. Zwischen den beiden zweiten Kavitäten 5 weist die Membran 8 Perforationen 16 auf, innerhalb welchen die zweite Systemkomponente 4 durch die Membran 8 ragt und durch thermisches Fügen mit der ersten Systemkomponente 2 verbunden ist. In 6 ist zu sehen, dass die Membran 8 nicht nur außen von einer Schweißnaht 15 umgeben wird, sondern dass sich auch in den drei Perforationen 16 drei Schweißnähte 15 befinden. Die in 5 dargestellten Stege 9 umrahmen die zweiten Kavitäten 5 rahmenartig. In 6 wurde die Darstellung der rahmenartigen Stege 9 der Übersichtlichkeit halber weggelassen. 5 schematically shows a next embodiment of the microfluidic system according to the invention 1c in cross-section, and 6 shows this microfluidic system 1c schematically in a plan view of the surface of the second planar system component 4 , In the plan view in 6 it can be seen that the membrane 8th extends over a surface area, at the two second cavities 5 in the system component 4 adjoin. Between the two second cavities 5 has the membrane 8th perforations 16 within, within which the second system component 4 through the membrane 8th protrudes and by thermal joining with the first system component 2 connected is. In 6 you can see that the membrane 8th not just outside of a weld 15 is surrounded, but that is also in the three perforations 16 three welds 15 are located. In the 5 illustrated webs 9 frame the second cavities 5 frame-like. In 6 became the representation of the frame-like webs 9 omitted for clarity.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102006017482 A1 [0002, 0003, 0004] DE 102006017482 A1 [0002, 0003, 0004]
  • DE 102010061910 A1 [0005, 0007] DE 102010061910 A1 [0005, 0007]

Claims (21)

Mikrofluidisches System (1), welches aufweist: eine erste flächige Systemkomponente (2), an deren einer Oberfläche wenigstens eine erste Kavität (3, 3a) ausgebildet ist, eine zweite flächige Systemkomponente (4), an deren einer Oberfläche wenigstens eine zweite Kavität (5) ausgebildet ist, und eine Membran (8), die flächig zwischen der ersten Systemkomponente (2) und der zweiten Systemkomponente (4) zur Trennung der ersten Kavität (3, 3a) und der zweiten Kavität (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Systemkomponente (2) und die zweite Systemkomponente (4) durch thermisches Fügen miteinander verbunden sind, wobei sich die Membran (8) in einer in der ersten Systemkomponente (2) und/oder der zweiten Systemkomponente (4) ausgebildeten Vertiefung (6) befindet und wobei die erste Systemkomponente (2) und/oder die zweite Systemkomponente (4) wenigstens eine sich aus der Vertiefung (6) erhebende und die Membran (8) klemmende Struktur aufweist. Microfluidic system ( 1 ), which comprises: a first planar system component ( 2 ), on whose one surface at least one first cavity ( 3 . 3a ), a second planar system component ( 4 ), on one surface of which at least one second cavity ( 5 ), and a membrane ( 8th ), which is flat between the first system component ( 2 ) and the second system component ( 4 ) for separating the first cavity ( 3 . 3a ) and the second cavity ( 5 ), characterized in that the first system component ( 2 ) and the second system component ( 4 ) are joined together by thermal joining, whereby the membrane ( 8th ) in one in the first system component ( 2 ) and / or the second system component ( 4 ) formed recess ( 6 ) and wherein the first system component ( 2 ) and / or the second system component ( 4 ) at least one of the recess ( 6 ) elevating and the membrane ( 8th ) has a clamping structure. Mikrofluidisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kavität (3, 3a) in einem einteiligen ersten Substrat ausgebildet und/oder die zweite Kavität (5) in einem einteiligen zweiten Substrat ausgebildet ist. Microfluidic system according to claim 1, characterized in that the first cavity ( 3 . 3a ) formed in a one-piece first substrate and / or the second cavity ( 5 ) is formed in a one-piece second substrate. Mikrofluidisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Substrat und/oder das zweite Substrat ein durch Spritzgießen oder Prägen hergestelltes Substrat ist. Microfluidic system according to claim 2, characterized in that the first substrate and / or the second substrate is a substrate produced by injection molding or embossing. Mikrofluidisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Systemkomponente (2) aus einem Substrat (11) und einem thermisch fügbaren, um die erste Kavität (3, 3a) verlaufenden und in diesem Bereich mit dem Substrat (11) verbundenen plattenförmigen Abstandshalter (12) ausgebildet ist. Microfluidic system according to claim 1, characterized in that the first system component ( 2 ) from a substrate ( 11 ) and a thermally available to the first cavity ( 3 . 3a ) and in this area with the substrate ( 11 ) connected plate-shaped spacers ( 12 ) is trained. Mikrofluidisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) aus einem Leiterplattenmaterial und der plattenförmige Abstandshalter (12) aus einer Folie ausgebildet ist, und das Substrat (11) und der Abstandshalter (12) durch eine beidseitig klebende Folie (13) oder eine Klebeschicht miteinander verbunden sind. Microfluidic system according to claim 4, characterized in that the substrate ( 11 ) of a printed circuit board material and the plate-shaped spacers ( 12 ) is formed from a film, and the substrate ( 11 ) and the spacer ( 12 ) by a double-sided adhesive film ( 13 ) or an adhesive layer are joined together. Mikrofluidisches System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (8) wenigstens eine Perforation (16) aufweist, die erste Systemkomponente (2) und/oder die zweite Systemkomponente (4) sich in die Perforation der Membran (8) hinein oder durch die Perforation (16) der Membran (8) hindurch erstreckt, und die erste Systemkomponente (2) und die zweite Systemkomponente (4) innerhalb der Perforation (16) der Membran (8) durch thermisches Fügen miteinander verbunden sind. Microfluidic system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the membrane ( 8th ) at least one perforation ( 16 ), the first system component ( 2 ) and / or the second system component ( 4 ) get into the perforation of the membrane ( 8th ) or through the perforation ( 16 ) of the membrane ( 8th ), and the first system component ( 2 ) and the second system component ( 4 ) within the perforation ( 16 ) of the membrane ( 8th ) are joined together by thermal joining. Mikrofluidisches System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (8) aus einem zumindest teilweise paraffinhaltigen plastisch verformbaren Material oder aus einer paraffinbeschichteten Folie ausgebildet ist. Microfluidic system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the membrane ( 8th ) is formed from an at least partially paraffin-containing plastically deformable material or from a paraffin-coated film. Mikrofluidisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Dehnbarkeit in einer Richtung von mindestens 120 % ihrer Ausgangslänge aufweist, ohne dass die Membran bei der Dehnung reißt. Microfluidic system according to claim 7, characterized in that the membrane has a stretchability in a direction of at least 120% of its initial length, without the membrane tearing during stretching. Mikrofluidisches System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine sich aus der Vertiefung (6) erhebende Struktur wenigstens einen Steg (9) aufweist. Microfluidic system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the at least one of the recess ( 6 ) elevating structure at least one web ( 9 ) having. Mikrofluidisches System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Steg (9) rahmenartig um die erste Kavität (3, 3a) und/oder die zweite Kavität (5) ausgebildet ist. Microfluidic system according to claim 9, characterized in that the at least one web ( 9 ) frame-like around the first cavity ( 3 . 3a ) and / or the second cavity ( 5 ) is trained. Mikrofluidisches System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bis zwanzig Stege (9) nebeneinander angeordnet sind. Microfluidic system according to claim 10, characterized in that two to twenty webs ( 9 ) are arranged side by side. Mikrofluidisches System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrofluidische System (1) zumindest in der flächigen Ausdehnung der Systemkomponenten (2, 4) in einem Chipkartenformat ausgebildet ist. Microfluidic system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the microfluidic system ( 1 ) at least in the areal extent of the system components ( 2 . 4 ) is formed in a smart card format. Mikrofluidisches System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Systemkomponente (2) in die erste Kavität (3, 3a) hineinreichende Elektroden (18) aufweist und die erste Kavität (3, 3a) mit einem Elektrolyt oder einem Gel gefüllt ist, wobei durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden (18) in der ersten Kavität (3, 3a) durch Elektrolyse ein Gas erzeugbar ist. Microfluidic system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first system component ( 2 ) into the first cavity ( 3 . 3a ) electrodes ( 18 ) and the first cavity ( 3 . 3a ) is filled with an electrolyte or a gel, wherein by applying a voltage to the electrodes ( 18 ) in the first cavity ( 3 . 3a ) a gas can be generated by electrolysis. Mikrofluidisches System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kavität (5) wenigstens eine mit einer Reagenz gefüllte Reagenzkammer, wenigstens eine Reaktionskammer und einen Kanal zwischen der Reagenzkammer und der Reaktionskammer aufweist und gegenüber der Reagenzkammer und/oder der Reaktionskammer, durch die Membran (8) getrennt, die erste Kavität (3, 3a) angeordnet ist. Microfluidic system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the second cavity ( 5 ) comprises at least one reagent chamber filled with a reagent, at least one reaction chamber and a channel between the reagent chamber and the reaction chamber and opposite the reagent chamber and / or the reaction chamber, through the membrane ( 8th ), the first cavity ( 3 . 3a ) is arranged. Mikrofluidisches System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kavität (5) wenigstens Bestandteil eines Fluidventils ist, welchem gegenüber die erste Kavität (3, 3a) angeordnet ist, wobei das Fluidventil bei undeformierter Membran (8) geöffnet oder geschlossen ist und wobei durch eine Gaserzeugung in der ersten Kavität (3, 3a) die Membran (8) deformierbar und dadurch das Fluidventil schließbar oder öffenbar ist. Microfluidic system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the second cavity ( 5 ) is at least part of a fluid valve, opposite which the first cavity ( 3 . 3a ), wherein the fluid valve in undeformed membrane ( 8th ) is open or closed, and wherein by gas generation in the first cavity ( 3 . 3a ) the membrane ( 8th ) is deformable and thereby the fluid valve is closable or openable. Mikrofluidisches System nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Systemkomponente (2) wenigstens eine Aussparung aufweist, wobei in der Aussparung die Dicke der ersten Systemkomponente (2) reduziert ist und in der Aussparung ein externer Heizer für das mikrofluidische System (1) vorgesehen ist. Microfluidic system according to at least one of the preceding claims, characterized in that the first system component ( 2 ) has at least one recess, wherein in the recess the thickness of the first system component ( 2 ) and in the recess an external heater for the microfluidic system ( 1 ) is provided. Verfahren zur Herstellung eines mikrofluidischen Systems, welches eine erste flächige Systemkomponente (2), an deren einer Oberfläche wenigstens eine erste Kavität (3, 3a) ausgebildet ist, eine zweite flächige Systemkomponente (4), an deren einer Oberfläche wenigstens eine zweite Kavität (5) ausgebildet ist, und eine Membran (8), die flächig zwischen der ersten Systemkomponente (2) und der zweiten Systemkomponente (4) zur Trennung der ersten Kavität (3, 3a) und der zweiten Kavität (5) angeordnet ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (8) in einer zwischen der ersten Systemkomponente (2) und der zweiten Systemkomponente (4) ausgebildeten Vertiefung (6) vorgesehen wird und die erste Systemkomponente (2) und die zweite Systemkomponente (4) durch thermisches Fügen miteinander verbunden werden, wobei die Membran (8) von wenigstens einer sich aus der Vertiefung (6) erhebenden Struktur geklemmt wird. Method for producing a microfluidic system, which comprises a first planar system component ( 2 ), on whose one surface at least one first cavity ( 3 . 3a ), a second planar system component ( 4 ), on one surface of which at least one second cavity ( 5 ), and a membrane ( 8th ), which is flat between the first system component ( 2 ) and the second system component ( 4 ) for separating the first cavity ( 3 . 3a ) and the second cavity ( 5 ), characterized in that the membrane ( 8th ) in one between the first system component ( 2 ) and the second system component ( 4 ) formed recess ( 6 ) and the first system component ( 2 ) and the second system component ( 4 ) are joined together by thermal joining, wherein the membrane ( 8th ) of at least one of the well ( 6 ) elevating structure is clamped. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine für das thermische Fügen notwendige Energie zumindest teilweise durch elektromagnetische Strahlung zur Verfügung gestellt wird. A method according to claim 17, characterized in that an energy necessary for the thermal joining is provided at least partially by electromagnetic radiation. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als elektromagnetische Strahlung Laserstrahlung verwendet wird, für die zweite Systemkomponente (4) ein für die Laserstrahlung transparentes Material und für die erste Systemkomponente (2) ein die Laserstrahlung absorbierendes Material verwendet wird und bei dem Fügen die Laserstrahlung durch die zweite Systemkomponente (4) gestrahlt und in der ersten Systemkomponente (2) absorbiert wird. A method according to claim 18, characterized in that laser radiation is used as the electromagnetic radiation, for the second system component ( 4 ) a material transparent to the laser radiation and for the first system component ( 2 ) a laser radiation absorbing material is used and in the joining the laser radiation through the second system component ( 4 ) and in the first system component ( 2 ) is absorbed. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Fügen durch Thermokompressionsbonden erfolgt. A method according to claim 17, characterized in that the thermal joining takes place by thermocompression bonding. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine für das thermische Fügen notwendige Energie zumindest teilweise mittels Ultraschall eingekoppelt wird. A method according to claim 17, characterized in that an energy required for the thermal joining is at least partially coupled by means of ultrasound.
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DE102006017482A1 (en) 2006-04-13 2007-10-18 Technische Universität Chemnitz Microfluidic actuator, actuator method and method of making a microactuator
DE102010061910A1 (en) 2010-11-24 2012-05-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Microfluidic device and method of making same

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