DE102013109240A9

DE102013109240A9 - Mikrofluidische mischervorrichtungen und verfahren zum mischen eines fluids

Info

Publication number: DE102013109240A9
Application number: DE102013109240.3A
Authority: DE
Inventors: Huanming Xia; Zhiping Wang; Wei Wang
Original assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore
Current assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2014-06-18
Also published as: DE102013109240A1; US20140056096A1; US9364804B2

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine mikrofluidische Mischervorrichtung bereitgestellt werden. Die mikrofluidische Mischervorrichtung kann enthalten: einen Lufteinlass; einen Luftauslass; eine zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass angeordnete elastische Membran, eingerichtet zum Oszillieren, wenn ein Luftfluss von dem Lufteinlass zu dem Luftauslass bereitgestellt wird; und eine mit der elastischen Membran gekoppelte Kammer.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität und die Vorzüge der Singapur-Patentanmeldung Nummer 201206345-9 , eingereicht am 27 August 2012, deren gesamte Inhalte hierin durch Referenz für alle Zwecke miteinbezogen werden.
Technisches Gebiet
Ausführungsformen betreffen allgemein mikrofluidische Mischervorrichtungen und Verfahren zum Mischen eines Fluids.
Hintergrund
Das Vermischen von Fluiden in einer mikrofluidischen Mischervorrichtungen kann gewünscht sein. Daher gibt es Bedarf für eine effiziente Vorrichtung zum Mischen von Fluiden in einer mikrofluidischen Mischervorrichtung.
Kurze Zusammenfassung
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine mikrofluidische Mischervorrichtung bereitgestellt werden. Die mikrofluidische Mischervorrichtung kann enthalten: einen Lufteinlass; einen Luftauslass; eine zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass angeordnete elastische Membran, eingerichtet zum Oszillieren, wenn ein Luftfluss von dem Lufteinlass zu dem Luftauslass bereitgestellt wird; und eine mit der elastischen Membran gekoppelte Kammer.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Mischen eines Fluids in einer mikrofluidischen Mischervorrichtung bereitgestellt werden. Das Verfahren kann enthalten: Bereitstellen eines zu mischenden Fluids in einer mit einer elastischen Membran gekoppelten Kammer; und Bereitstellen eines Luftflusses durch einen Lufteinlass zu der zwischen dem Lufteinlass und einem Luftauslass bereitgestellten elastischen Membran.
Kurze Beschreibung der Figuren
In den Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf die gleichen Teile über die verschiedenen Ansichten hinweg. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen wird mehr Wert gelegt darauf, die Prinzipien der Erfindung zu illustrieren. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen beschrieben unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren, in denen:
1A eine mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen zeigt;
1B eine mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen zeigt;
1C ein Flussdiagramm zeigt, das ein Verfahren zum Mischen eines Fluids in einer mikrofluidischen Mischervorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen illustriert;
2A bis 2C eine Struktur einer mikrofluidischen Vorrichtung, enthaltend einen Mikromischer, gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
3 einen Mikromischer gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
4 eine mikrofluidische Vorrichtung mit einem abnehmbaren Design gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
5 eine mikrofluidische Vorrichtung mit einem abnehmbaren Design gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
6 eine Illustration von verschiedenen Mikrodüsendesigns für Flussmustersteuerung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
7 ein Mikrokammer-Array gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
8A bis 8C eine Vorderansicht, eine Seitenansicht und eine 3D- und Querschnittsansicht einer mikrofluidischen Mischervorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
9 eine weitere abnehmbare Ausführungsform zeigt, mit einer Fluidkammer angeordnet stromaufwärts von der Vibrationsmembran; und
10 eine weitere abnehmbare Ausführungsform zeigt, mit einer Fluidkammer angeordnet stromabwärts von der Vibrationsmembran.
Beschreibung
Ausführungsformen, die unten im Kontext von Vorrichtungen beschrieben werden, sind analog gültig für entsprechende Verfahren, und umgekehrt. Ferner wird verstanden werden, dass die unten beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, zum Beispiel kann ein Teil einer Ausführungsform mit einem Teil einer anderen Ausführungsform kombiniert werden.
Das Vermischen von Fluiden in einer mikrofluidischen Mischervorrichtung kann gewünscht sein. Daher gibt es Bedarf für eine effiziente Vorrichtung zum Vermischen von Fluiden in einer mikrofluidischen Mischervorrichtung.
Da die viskosen Kräfte von Flüssigkeiten in einer mikrofluidischen Vorrichtung dominant werden, kann das Mischen oder Vermischen von Fluiden schwierig werden. Aktive Methoden können üblicherweise angewendet werden, die externe Ressourcen und Steuerkomponenten benötigen. Im Vergleich dazu können die Vorrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen verschiedene Vorteile haben, wie hierin beschrieben wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein robustes, passives Mischverfahren und eine robuste, passive Vorrichtung für Mikrofluidmanipulationen bereitgestellt werden, einschließlich Flussmustersteuerung, Fluidmischen, Umrühren von Festkörperpartikeln, und Partikelfokussierung/Anreicherung.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein mikrofluidisches Mischverfahren und eine mikrofluidische Mischervorrichtung bereitgestellt werden.
1A zeigt eine mikrofluidische Mischervorrichtung 100 (englisch: mircofluidic agitator device) gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die mikrofluidische Mischervorrichtung 100 (die auch als „die Vorrichtung“ gemäß verschiedenen Ausführungsformen bezeichnet werden kann) kann enthalten einen Lufteinlass 102 (beispielsweise einen Lufteinlasskanal). Die mikrofluidische Mischervorrichtung 100 kann ferner enthalten einen Luftauslass 104 (beispielsweise einen Luftauslasskanal). Die mikrofluidische Mischervorrichtung 100 kann ferner enthalten eine zwischen dem Lufteinlass 102 und dem Luftauslass 104 angeordnete elastische Membran 106 (englisch: diaphragm), eingerichtet zum Oszillieren, wenn ein Luftfluss von dem Lufteinlass 102 zu dem Luftauslass 104 bereitgestellt wird. Die mikrofluidische Mischervorrichtung 100 kann ferner enthalten eine mit der elastischen Membran gekoppelte Kammer (beispielsweise eine Mikrokammer). Der Lufteinlass 102, der Luftauslass 104, die elastische Membran 106 und die Kammer 108 können gekoppelt sein, wie durch die Linie 110 dargestellt, beispielsweise mechanisch gekoppelt. Beispielsweise kann die Kammer 108 mit der elastischen Membran 106 gekoppelt sein, so dass auf eine Bewegung der elastischen Membran 106 hin der Inhalt der Kammer 108 bewegt oder gemischt oder vermischt (englisch: agitated) wird.
In anderen Worten kann in der mikrofluidischen Mischervorrichtung 100 gemäß verschiedenen Ausführungsformen die Kammer 108 von einer Bewegung der elastischen Membran 106 beeinflusst werden, und diese Bewegung der elastischen Membran 106 kann verursacht werden durch einen Luftfluss von dem Lufteinlass 106 zu der elastischen Membran 106 und dem Luftauslass 104.
1B zeigt eine mikrofluidische Mischervorrichtung 112 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Die mikrofluidische Mischervorrichtung 112 kann, ähnlich zur mikrofluidischen Mischervorrichtung 100 aus 1A, enthalten einen Lufteinlass 102 (beispielsweise einen Lufteinlasskanal). Die mikrofluidische Mischervorrichtung 112 kann, ähnlich zur mikrofluidischen Mischervorrichtung 100 aus 1A, ferner enthalten einen Luftauslass 104 (beispielsweise einen Luftauslasskanal). Die mikrofluidische Mischervorrichtung 112 kann, ähnlich zur mikrofluidischen Mischervorrichtung 100 aus 1A, ferner enthalten eine zwischen dem Lufteinlass 102 und dem Luftauslass 104 angeordnete elastische Membran 106, eingerichtet zum Oszillieren, wenn ein Luftfluss von dem Lufteinlass 102 zu dem Luftauslass 104 bereitgestellt wird. Die mikrofluidische Mischervorrichtung 112 kann, ähnlich zur mikrofluidischen Mischervorrichtung 100 aus 1A, ferner enthalten eine mit der elastischen Membran 106 gekoppelte Kammer 108 (beispielsweise eine Mikrokammer). Die mikrofluidische Mischervorrichtung 112 kann ferner enthalten eine Düse 114 (beispielsweise eine Mikrodüse), wie weiter unten detaillierter beschrieben werden wird. Die mikrofluidische Mischervorrichtung 112 kann ferner enthalten einen Hohlraum 116, wie weiter unten detaillierter beschrieben werden wird. Die mikrofluidische Mischervorrichtung 112 kann ferner enthalten einen Empfänger 118 (in anderen Worten: eine Empfangsvorrichtung), wie weiter unten detaillierter beschrieben werden wird. Der Lufteinlass 102, der Luftauslass 104, die elastische Membran 106, die Kammer 108, die Düse 114, der Hohlraum 116 und der Empfänger 118 können gekoppelt sein, wie durch die Linie 120 dargestellt, beispielsweise mechanisch gekoppelt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die elastische Membran 106 zwischen der Düse 114 und der Kammer 108 eingespannt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kammer 108 eingerichtet sein zum Aufnehmen eines zu mischenden Fluids.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die elastische Membran 106 enthalten oder hergestellt sein aus Silikongummi und/oder Naturgummi und/oder Latex.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die elastische Membran 106 in die Düse 114 integriert sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Düse 114 und der Luftauslass 104 symmetrische geometrische Strukturen enthalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Düse 114 und der Luftauslass 104 asymmetrische geometrische Strukturen enthalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Ausgang der Düse 114 eine Mehrzahl von Ausflussöffnungen von verschiedenen Größen enthalten oder sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kammer 108 eine offene Kammer sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kammer 108 eine geschlossene Kammer sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Hohlraum 116 zwischen der Düse 114 und der Kammer 108 angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Düse 114 anbringbar sein an einer Unterstützungsvorrichtung mit einem Gewinde. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Position der Düse 114 bezüglich der elastischen Membran 106 einstellbar oder anpassbar oder veränderbar sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Düse 114 ein elastisches Material enthalten oder aus einem elastischen Material gemacht oder hergestellt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die elastische Membran 106 teilweise fixiert sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein dem Luftauslass 104 zugewandter Abschnitt der elastischen Membran 106 eingerichtet sein, sich zu verformen, um eine Flussleitung zu formen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Empfänger 118 eingerichtet sein zum Empfangen eines Chips. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Chip die Kammer 108 enthalten.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Array von mikrofluidischen Mischervorrichtungen bereitgestellt werden. Das Array kann enthalten eine Mehrzahl von mikrofluidischen Mischervorrichtungen, wie sie obenstehend und untenstehend beschrieben sind.
1C zeigt ein Flussdiagramm 112, das ein Verfahren zum Mischen eines Fluids in einer mikrofluidischen Mischervorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen illustriert. In 124 kann ein zu mischendes Fluid in einer mit einer elastischen Membran gekoppelten Kammer bereitgestellt werden. In 126 kann ein Luftfluss durch einen Lufteinlass zu der zwischen dem Lufteinlass und einem Luftauslass bereitgestellten elastischen Membran bereitgestellt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Luftfluss verursachen, dass sich die elastische Membran verformt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Luftfluss verursachen, dass die elastische Membran oszilliert.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Oszillation der elastischen Membran ein Mischen (englisch: Agitation) des Fluids in der Kammer verursachen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine elastische Membran in den mikrofluidischen Chip als eine Schnittstelle zwischen den Flüssigkeiten und einem externen Mischer (in anderen Worten: Agitator) integriert sein. Komprimierte Luft (oder eine andere Gasquelle) kann verwendet werden zum Antreiben der elastischen Membran. Unter dem Luftfluss kann eine Vibration produziert werden durch den aeroelastischen Mechanismus und die mechanische Energie kann auf die Flüssigkeiten für spezifische Manipulationen übertragen werden.
2A bis 2C zeigen eine Struktur einer mikrofluidischen (Mischer-)Vorrichtung enthaltend einen Mikromischer gemäß verschiedenen Ausführungsformen. In 2A ist eine Frontansicht 200 einer mikrofluidischen Vorrichtung enthaltend einen Mikromischer gezeigt. 2B zeigt eine Draufsicht 218 der (mikrofluidischen) Vorrichtung. Ein Lufteinlasskanal 202, eine Mikrodüse 204, ein Luftauslasskanal 206, eine elastische Membran 208, eine Mikrokammer 210, ein Hohlraum 222 für die Membran 208 und ein Vorsprung 224 der Düse 204 sind gezeigt, welche in einer ersten Substratschicht 212, einer zweiten Substratschicht 214 und einer dritten Substratschicht 216 bereitgestellt oder angeordnet sein können.
Es wird verstanden werden, dass für die verschiedenen hierin gezeigten Vorrichtungen (in 2A bis 2C und in den anderen Figuren), die Vorrichtungsstruktur illustriert ist in verschiedenen Schichten, weil die Herstellung der Vorrichtung durch einen Schicht-für-Schicht-Prozess durchgeführt werden kann. Jedoch wird verstanden werden, dass mit anderen geeigneten Produktionsverfahren eine andere Schichtanordnung bereitgestellt werden kann.
Um den Ausgang der Düse 204 kann ein flacher Hohlraum 222 sein, welcher verwendet werden kann, um die elastische Membran 208 unterzubringen. Die Düse 204 kann über der unteren Oberfläche des Hohlraums 222 hinausragen oder nicht, um den Vorsprung 224, beispielsweise eine umlaufende Kante 224, zu bilden. Die Mikrokammer 210 kann über der Membran 208 angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die (mikrofluidische) Vorrichtung in zwei verschiedenen Modi arbeiten. In einer Ausführungsform kann es eine kleine Lücke zwischen der Düse 204 und der Membran 208 geben. Wenn Luft durch den Einlasskanal 202 getrieben wird und aus der Düse 204 strömt, kann die elastische Membran von der Düse 204 weggedrückt werden. Die Luft kann dann radial über die untere Oberfläche der Membran 208 strömen und sich in die umgebende Atmosphäre durch die Öffnung 206 entladen. Die Lücke zwischen der Düse 204 und der Membran 208 kann so klein sein, dass die radiale Geschwindigkeit des Luftflusses in diesem Bereich beschleunigt wird. Gemäß der Bernoulli-Gleichung P* = P₀ + ρV² / 2, bei konstantem gesamten Druck P*, kann der statische Druck P₀ mit der Zunahme der Luftgeschwindigkeit abnehmen. Dann kann eine Kraft erzeugt werden aufgrund des Druckunterschieds auf (oder zwischen) der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche der Membran 208, was sie zurück zu der Düse 208 drücken kann. Wenn die Düse 204 durch die Membran 208 blockiert ist, kann der Luftfluss stoppen und der Druck kann aufgebaut werden. Oder die Membran 208 kann sehr nahe der Düse 204 sein (aber sie wird die Düse 204 nicht blockieren), so dass die Luftgeschwindigkeit V reduziert werden wird aufgrund des erhöhten Flusswiderstandes. Als ein Ergebnis wird sich der statische Druck P₀ wieder aufbauen. Dann kann die Membran 208 wieder weggedrückt werden von der Düse 204 und Luftfluss kann wieder aufgenommen werden. Da sich dieser Zyklus selbst wiederholen kann, kann die Membran 208 hin und her (oder vor und zurück) oszillieren. Auf Mikroebene (in anderen Worten: auf Mikroskalen), kann die Trägheitskraft (englisch: inertial force) der Membran 208 schwach werden. Sie tendiert dazu, an einem Gleichgewichtspunkt zu bleiben. So kann es schwieriger werden, Oszillationen zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Düse 204 fest gegen die Membran 208 gedrückt werden. Daher kann sie (beispielsweise die Düse 204) durch die elastische Kraft (beispielsweise der Membran 208) versiegelt werden, wobei die Größe der elastischen Kraft sich auf die Eigenschaften und Auslenkung oder Verformung der Membran beziehen kann. In dieser Situation wird ein hoher Druck benötigt zum Wegdrücken der Membran 208, und sie kann leicht einen Trägheitsüberschwungzustand erreichen. Wenn die Düse 204 erst einmal offen ist, kann die Luft freigesetzt (oder abgelassen) werden, und der Druck kann reduziert werden. Dann kann die elastische Kraft zusammen mit den aerodynamischen Kräften die Membran 208 wieder zurück gegen die Düse 204 ziehen. So können konsistente Vibrationen erzeugt werden. Diese Ausführungsform kann sehr zuverlässig sein. Die Oszillationsfrequenz kann abhängen von der elastischen Antwort der Membran 208, beispielsweise in der Größenordnung von mehreren Tausend Hertz. Die Mischkraft (englisch: agitation force) kann erhöht werden mit dem angewendeten Luftdruck zum Antreiben der Membran 208. Die Schwellwertdruck P_i, bei dem die Oszillation beginnt, kann sich auf die Eigenschaften (beispielsweise das Elastizitätsmodul) und die Spannung der Membran 208 beziehen. Letztere kann sich ferner auf die Höhe des Vorsprungs der Düse 224 oder die gegen die Membran 208 angewendete Kraft beziehen. Ein größeres Elastizitätsmodul und eine größere Spannung der Membran können ein größeres P_i benötigen und damit stärkeres Mischen erzeugen.
3 zeigt einen mikrofluidischen Mischer 300 (in anderen Worten: eine mikrofluidische Mischervorrichtung) gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Ein Lufteinlasskanal 302, eine Mikrodüse 304, ein Luftauslasskanal 306, eine elastische Membran 308, eine Mikrokammer 310 und ein Hohlraum 320 sind gezeigt, welche in einer ersten Substratschicht 312, einer zweiten Substratschicht 314, einer dritten Substratschicht 316 und einer vierten Substratschicht 318 bereitgestellt oder angeordnet sein können. Die mechanische Energie der oszillierenden Membran 308 kann indirekt übertragen werden auf die Mischkammer 310 durch den Hohlraum 320. Diese Ausführungsform kann eine flexible Änderung der Kammergröße (in anderen Worten: der Größer der Kammer 310), und dadurch des Volumens der verarbeiteten Flüssigkeit, ermöglichen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der mikrofluidische Mischer auch als eine unabhängige und abnehmbare Komponente arbeiten.
4 zeigt eine mikrofluidische (Mischer-)Vorrichtung 400 gemäß verschiedenen Ausführungsformen mit einem abnehmbaren Design, wobei der Mischer als eine unabhängige Komponente arbeitet. Ein Lufteinlasskanal 402, eine Mikrodüse 404, ein Luftauslasskanal 406, eine elastische Membran 408, eine Mikrokammer 410 und ein Hohlraum 424 sind gezeigt, welche in einer ersten Substratschicht 412, einer zweiten Substratschicht 418, einer dritten Substratschicht 420 und einer vierten Substratschicht 422 bereitgestellt oder angeordnet sein können. Ein Chip 414 (beispielsweise enthaltend die Mikrokammer 410 in der ersten Substratschicht 412) kann bereitgestellt werden separat (oder getrennt) von dem Mischer (beispielsweise enthaltend die zweite Substratschicht 418, die dritte Substratschicht 420, die vierte Substratschicht 422, den Einlass 402, den Auslass 406, die Düse 404, den Hohlraum 424 und die Membran 408) und kann als ein wegwerfbarer Chip (in anderen Worten: ein Einwegchip oder ein Wegwerfchip) verwendet werden. Eine untere Schicht 416 der Flüssigkeitskammer 410 kann ein elastisches Material ähnlich zur Oszillationsmembran 408 enthalten. Sie kann auch einen dünnen Film enthalten oder ein dünner Film sein von dem gleichen Material wie das Chipsubstrat 412 (beispielsweise ein 50 µm dicker Film, beispielsweise aus Polymethylmethacrylat (PMMA; in anderen Worten: Acrylglas) oder Polycarbonat (PC)). Auf diese Weise können die Spritzguss- oder Thermalbondingverfahren verwendet werden, um den Herstellungsprozess zu erleichtern. Ferner kann das Material auswählbar sein beispielsweise aus PMMA, PC, COC (zyklisches Olefincopolymer; englisch: Cyclic Olefin Copolymer), und die möglichen Anwendungen können weit ausgedehnt werden unter Berücksichtigung der Gegebenheiten von beispielsweise chemischer Resistenz oder Biokompatibilität.
5 zeigt eine mikrofluidische (Mischer-)Vorrichtung 500 gemäß verschiedenen Ausführungsformen mit einem abnehmbaren Design, wo die Mischstärke einstellbar ist. Eine Membran 508, eine Mikrokammer 510, ein Fluideinlass 516 in die Mikrokammer 510, und ein Fluidauslass 518 aus der Mikrokammer 510 sind gezeigt, welche auf einem ersten Substrat 512 bereitgestellt werden können. Ein Lufteinlass 502, ein Luftauslass 506 und eine Düse 504 sind gezeigt, welche auf einem zweiten Substrat 514 (welches auch als eine Plattform bezeichnet werden kann) bereitgestellt werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Düse 504 und eine Unterstützungsvorrichtung als die Plattform 514 verwendet werden. Der mikrofluidische Chip (beispielsweise das erste Substrat 512) kann als Einwegvorrichtung verwendet werden. Er kann an der Mischerplattform 514 angebracht sein zur Fluidverarbeitung und kann dann entfernt werden. Die Düse 504 kann an der (Unterstützungs-)Vorrichtung mit einem Gewinde 518 befestigt sein. Die gegen die Membran 508 angewendete Kraft kann einstellbar sein durch Ein- und Ausschrauben der Düse 502.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kammer entweder eine offene Kammer oder eine geschlossene Kammer sein. Normalerweise können durch Viskositätseffekte stärkere Mischungen (englisch: agitations) notwendig sein für Manipulation von Fluiden in geschlossenen Kammern.
6 zeigt eine Illustration 600 von verschiedenen Mikrodüsendesigns für Flussmustersteuerung gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die elastische Membran 604 mit der Düse (oder in die Düse) integriert sein, um einen unabhängigen Mikromischer (englisch: micro-agitator) zu bilden, wie im Abschnitt (a) von 6 gezeigt. Er kann als eine Stand-Alone-Mischervorrichtung zum Manipulieren von Fluiden in einem abnehmbaren Chip verwendet werden, beispielsweise wie in 4 beschrieben oder wie in 5 beschrieben. Abhängig vom Design der Düse (beispielsweise vom Design des Lufteinlasses 608 (oder der Lufteinlässe) und des Luftauslasses 606 (oder der Luftauslässe)) können verschieden Flussmuster erzielt werden.
Eine weitere Ausführungsform ist in Abschnitt (b) von 6 gezeigt. Beispielsweise kann die Düse nur teilweise aus einem elastischen Material 610 hergestellt sein, während der Rest 612 der Düse aus einem nicht-elastischen Material hergestellt ist.
Eine weitere Ausführungsform ist in Abschnitt (b) von 6 gezeigt. Beispielsweise können eine Mehrzahl von Ausflussöffnungen (englisch: orifices) 614 von verschiedenen Größen und Formen an dem Ausgang der Düse hergestellt sein.
Für das symmetrische Design wie in 5 und Abschnitt (a) von 6 gezeigt, kann die Oszillation der Membran im Wesentlichen in der vertikalen Richtung sein, was einen symmetrischen Wirbelringfluss (englisch: vortex ring flow) verursachen kann. Für die in den Abschnitten (b) und (c) gezeigten nicht-symmetrischen Designs kann die resultierende Oszillation der Düsenwand oder der Membran auch eine transversale Wellenbewegung zeigen, was zu einem komplizierteren chaotischen Fluss führen kann.
7 zeigt ein Mikrokammer-Array 700 gemäß verschiedenen Ausführungsformen. In anderen Worten: 7 zeigt ein Design zum Manipulieren von Fluiden in einem Mikrokammer-Array, enthaltend eine Mehrzahl von Mikrokammervorrichtungen 702 (beispielsweise wie in den vorangehenden Figuren gezeigt). In dem Mikrowell-Array (englisch: micro well array) 700 wie in 7 gezeigt kann eine größere Flussrate von Luft bereitgestellt werden (zum Beispiel unter Verwendung einer gemeinsamen Luftversorgung 704 (oder eines gemeinsamen Lufteinlasses)) zum Antreiben der Mehrzahl von Membranen für Fluidmanipulation in der Mikrowell.
8A zeigt eine Frontansicht 800 einer weiteren Ausführungsform. 8B zeigt eine Draufsicht der Vorrichtung aus 8A gemäß verschiedenen Ausführungsformen. 8C zeigt eine 3D- und Querschnittsansicht 822 der Vorrichtung von 8A. Ein Lufteinlasskanal 802, ein Lufthohlraum 804, ein Luftauslass 806, eine elastische Membran 808 (welche auch in einem ausgelenkten (in anderen Worten: verformten) Zustand 808‘ gezeigt ist), eine Mikrokammer 810 und ein Mikrokanal 812 (englisch: micro channel) sind auf einer ersten Substratschicht 814, einer zweiten Substratschicht 816 und einer dritten Substratschicht 818 gezeigt.
Die elastische Membran 808 kann zwischen zwei Substraten (beispielsweise der ersten Substratschicht 814 und der zweiten Substratschicht 816) eingeklemmt sein. Ein Großteil der Kante der elastischen Membran 808 kann fixiert sein, außer dem Bereich, der dem Luftauslass 806 zugewandt ist. Im Ausgangszustand kann die elastische Membran 808 gegen das Substrat der zweiten Schicht (in anderen Worten: die zweite Substratschicht 816) gedrückt (oder gezwungen) sein. So kann der Luftflussleiter geschlossen sein. Wenn ein Luftdruck auf die Membran 808 angewendet wird, kann sie sich in den Kanal 812 verformen und die Flussleitung kann offen sein. Die Luft kann dann abgelassen werden und der Druck stromaufwärts kann reduziert werden. Als nächstes kann sich die Membran 808 unter der elastischen Kraft zurückbewegen, um die Leitung zu schließen. Dann kann sich der Druck wieder aufbauen, bis die Membran 808 gezwungen ist, zu öffnen. Auf diese Weise können das abwechselnde Laden und Ablassen von Luft eine Vibration der elastischen Membran 808 verursachen. Gleichzeitig kann die Druckfluktuation in dem Hohlraum 804 übertragen werden durch die elastische Membran 808 auf die Flüssigkeiten in der Kammer 810. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann sich die Vibration beziehen auf die freie Kante der Membran 808 (welche beispielsweise ein dem Luftauslass 806 zugewandter Teil der Membran 808 sein kann). Je länge die freie Vibrationslänge, desto stärkere Vibration kann produziert werden. Aber allgemein kann die Mischung schwächer sein verglichen mit anderen Ausführungsformen. Diese Ausführungsform kann verwendet werden zum Manipulieren von Flüssigkeiten von niedriger Viskosität. Die Ausführungsform kann verwendet werden entweder für eine offene Kammer oder eine geschlossene Kammer, und kann in einer abnehmbaren Konfiguration designt werden.
9 zeigt eine weitere abnehmbare Ausführungsform 900 mit einer Fluidkammer 910 angeordnet stromaufwärts von der Vibrationsmembran (in anderen Worten: der elastischen Membran). Ein Lufteinlasskanal 902, ein Lufthohlraum 904, ein Luftauslass 906, eine elastische Membran 908 (welche auch in einem verformten Zustand 908‘ gezeigt ist), die Mikrokammer 910 und ein Mikrokanal 912 sind gezeigt auf einer ersten Substratschicht 914, einer zweiten Substratschicht 916, einer dritten Substratschicht 918 und einer vierten Substratschicht 920. Wie in 9 gezeigt, kann die Kammer 910 stromaufwärts von dem Mischer angeordnet sein. Beispielsweise kann ein dünner flexibler Film 922 (wie beispielsweise der Chip in 4) oder eine elastische Membran (wie der Chip in 5) verwendet werden zum Übertragen der Mischungsenergie (englisch: agitation energy) in die Flüssigkeiten.
10 zeigt eine weitere abnehmbare Ausführungsform 1000 mit einer Fluidkammer 1010 angeordnet stromabwärts von der Vibrationsmembran (in anderen Worten: der elastischen Membran). Ein Lufteinlasskanal 1002, ein Luftauslass 1006, eine elastische Membran 1008 (welche auch in einem verformten Zustand 1008‘ gezeigt ist), die Mikrokammer 1010 und ein Mikrokanal 1012 sind gezeigt auf einer ersten Substratschicht 1014, einer zweiten Substratschicht 1016, einer dritten Substratschicht 1018 und einer vierten Substratschicht 1020. Wie in 10 gezeigt, kann die Kammer 1010 stromabwärts von dem Mischer (englisch: agitator) angeordnet sein. Beispielsweise kann ein dünner flexibler Film 1022 (wie beispielsweise der Chip in 4) oder eine elastische Membran (wie der Chip in 5) verwendet werden zum Übertragen der Mischungsenergie (englisch: agitation energy) in die Flüssigkeiten.
Im Folgenden wird ein Herstellungsverfahren für Vorrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen beschrieben werden. Die Vorrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsformen können realisiert werden mit konventionellen Schicht-für-Schicht-Herstellungsprozessen. Mechanisches Klemmen (englisch: mechanical clamping) kann verwendet werden zur Integration der elastischen Membran in den Chip. In der Fabrikation kann PMMA-Material und eine Thermobonding-Technik verwendet werden. Zuerst kann ein Hohlraum leicht flacher als die Dicke der elastischen Membran hergestellt werden zum Halten der Membran. Beispielsweise kann ein 200 µm tiefer Hohlraum verwendet werden für einen 250 µm dicke Silikongummi. Dann kann eine Luftplasmabehandlung angewendet werden zum Reinigen der Oberfläche von PMMA-Substraten und auch zum Ändern der Benetzungseigenschaften. Nach Ausrichtung können die Substrate mit der elastischen Membran in Position zwischen zwei Metalplatten eingeschoben (englisch: sandwiched) werden und in zwei heiße Drucktigel (englisch: hot-platens) mit Temperatur- und Druckkontrolle gegeben werden. Unterschiedlich von normalen Thermobondingprozessen kann eine höhere Temperatur und ein niedrigerer Druck angewendet werden. Für PMMA können 109–110°C und ungefähr 0,2 MPa verwendet werden. Nach 7 bis 10 Minuten können die Substrate gut gebondet sein. Die elastische Membran kann fest zwischen zwei PMMA-Schichten eingeklemmt sein und kann die Kammer versiegeln. Es ist anzumerken, dass die oben genannten Parameter nur ein Beispiel für Parameter für einen Herstellungsprozess sind, aber dass auch Parameter verschieden von den obigen Parametern verwendet werden können.
Außer PMMA und Silikongummi kann die mikrofluidische Vorrichtung auch hergestellt werden beispielsweise aus PC, COC, Glas oder Metall. Beispielsweise können Naturgummi, thermoplastisches Polyurethan, Latex oder Akrylkautschuk verwendet werden für die elastische Membran.
Im Folgenden werden Herstellung und Eigenschaften einer Vorrichtung wie in 2 gezeigt beschrieben werden. Das Substratmaterial kann PMMA sein, und die Struktur kann hergestellt werden unter Verwendung einer Fräsmaschine. Die elastische Membran kann hergestellt sein aus Silikongummi. Sie kann geschnitten werden unter Verwendung eines CO₂-Lasers.
Beispielsweise können die Hauptparameter der Vorrichtung wie unten folgend gegeben sein (Einheit: mm):

– Durchmesser/Tiefe der Kammer: 3/2,5;
– Durchmesser/Dicke der elastischen Membran: 6/0,25;
– Innerer/äußerer Durchmesser der Düse: 1,5/2,2;
– Innerer/äußerer Durchmesser/Umfangswinkel des Luftauslasses (Öffnung 206): 2,2/3/300°; und
– Breite/Tiefe des Lufteinlasskanals: 0,4/0,5.

Im Folgenden wird ein Mischtest beschrieben werden. Eine wichtige Anwendung von momentanen mikrofluidischen Mischern ist eine Verbesserung eines Mischens. Testen wurde durchgeführt zum Mischen von ungefähr 15 µl 99,5%-igem Glycerol (Viskosität: ungefähr 1200 cP) und 0,5 µl Lebensmittelfarbe (Viskosität: ungefähr 1 cP). In der Ausgangssituation bleibt die Lebensmittelfarbe auf der Oberfläche des Glycerols. Mit einem Luftfluss bei einem Druck von ungefähr 0,6 bar kann eine starke Vibration der Silikongummimembran produziert werden, welche ferner einen Wirbel/rotierenden Fluss verursachen kann. Als ein Ergebnis können die Flüssigkeiten schnell gemischt werden innerhalb nur etwa 5 Sekunden. Als Vergleichswert wurde ein ähnlicher Test auch durchgeführt unter Verwendung von verschiedenen Mischervorrichtungen, und relevante Ergebnisse werden in Tabelle 1 gezeigt. Für einen gewöhnlichen Wirbelmixer (englisch: vortex mixer) wird beobachtet, dass für die gleichen Flüssigkeiten von gleichem Volumen die Mischrate langsam ist. Er benötigt etwa 20 Minuten, um ein vollständiges Mischen zu erreichen. Für akustisches Mischen unter Verwendung einer Mikrolautsprecherkomponente wird nach 2 Minuten nur ein leichtes Mischen erreicht. Für Ultraschallmischverfahren unter Verwendung einer piezoelektrischen Scheibe wird das Mischen sogar noch schlechter. Nach 2 Minuten ist kein klares Mischen zu beobachten.

Mischervorrichtung	Mischergebnis
Wirbelmischer	20 Minuten für vollständiges Mischen
Akustisches Mischen unter Verwendung von Mikrolautsprecher	Leichtes Mischen nach 2 Minuten
Ultraschallmischen unter Verwendung von Piezo-Scheibe	Fast kein Mischen nach 2 Minuten
Mikrofluidischer Mischer (gemäß verschiedenen Ausführungsformen)	5 s zum Erreichen von vollständigem Mischen

Tabelle 1: Vergleich von Mischen von ungefähr 15 µl Glycerol mit ungefähr 0,5 µl Lebensmittelfarbe in offener Mikrowell unter Verwendung von verschiedenen Vorrichtungen

Die Vorrichtung wurde auch getestet zum Verrühren von Feststoffen. Angewendete Flüssigkeit ist 16 µl 90%-ige Glycerollösung mit 10% Wasser (Viskosität: ungefähr 220 cP). Ungefähr 0,2 µl von 6 µm-diameter Polystyren (PS) Mikrokugeln (Fluoresbrite, Polysciences, Inc.) werden zu der Lösung hinzugefügt. Die Mikropartikel schwimmen in der Ausgangslage auf der Oberfläche des Glycerols. Unter Luftdruck von 0,35 bar kann ein starker Wirbelstrom produziert werden. Nach ungefähr 5 Sekunden haben sich die PS-Kügelchen homogen in der gesamten Flüssigkeitsregion verteilt.
Im Folgenden wird Partikelfokussierung und/oder Anreicherung beschrieben werden. Wie oben beschrieben worden ist, können verschiedene Designs der Düse verwendet werden, um verschiedene Flussmuster zu erzeugen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Düse asymmetrisch sein. Sie kann starken Rotationsfluss/Wirbelfluss in der Kammer erzeugen. Sie kann verwendet werden für Manipulation von Mikropartikeln. Ihre Anwendung für Partikelfokussierung ist getestet worden. Die Flüssigkeit ist 85%-ige Glycerol-Lösung mit 15% Wasser (Viskosität: ungefähr 110 cP). Glaskügelchen mit einem Durchmesser von 30–50µm werden in der Ausgangslage am Boden der Kammer positioniert. Wenn der Mischer eingeschaltet wird mit einem Luftdruck von 0,6 bar, werden die Glaskügelchen schnell aufgerührt und durch den Rotationsfluss weggetragen. Dann tritt Verwirbelungsanhäufung auf. Die Glaskügelchen bewegen sich schnell nach innen und häufen sich im Zentrum des Verwirbelungsflusses nach nur 4 Sekunden an.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein passives Design, das in einer aktiven Art und Weise arbeitet, bereitgestellt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Membran spontan und konsistent oszillieren/vibrieren basierend auf dem Aeroelastizitätsmechanismus. Er kann aktiviert und aufrechterhalten werden durch einen Luftfluss. Keine externe Steuerung oder Regelung kann nötig sein. Im Vergleich mit aktiven Designs kann seine Struktur einfacher sein. Es kann billiger und zuverlässiger sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine portable Vorrichtung für Vor-Ort-Anwendungen bereitgestellt werden. Der Betriebsdruck kann so niedrig sein wie 0,3 bar, und die Luftflussrate kann liegen zwischen ungefähr 0,05 und 0,3 l/min. Für bestimmte Anwendungen, d.h. Fluidmischen, kann es nur ein paar Sekunden dauern. Daher kann ein kleiner Drucktank genug sein, um die Vorrichtung anzutreiben. Sie kann sogar mit einer gewöhnlichen Spritze betrieben werden durch manuelles Drücken der Luft durch die Vorrichtung. So kann die Vorrichtung ein ideales Werkzeug sein für portable Anwendungen und Vor-Ort-Anwendungen.
Verschiedene Ausführungsformen können weniger abhängig sein von Flüssigkeitseigenschaften und ausführbar sein für Flüssigkeiten von hoher Viskosität. Da das Mischen (englisch: agitation) extern bereitgestellt werden kann durch einen Luftfluss, kann der Betrieb der Vorrichtung weniger abhängig sein von den Eigenschaften der bearbeiteten Flüssigkeit. Die Mischkraft kann groß und einstellbar sein, beispielsweise durch Ändern der Designparameter (beispielsweise der Höhe der Mikrodüse), Auswahl von elastischen Materialien für die Membran und/oder Steuerung der Luftdrucks stromaufwärts.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine hohe Oszillationsfrequenz bereitgestellt werden. Die Frequenz kann typischerweise bei ungefähr mehreren Tausend Hertz sein, was einen Vorteil für viele Anwendungen, wie beispielsweise Fluidmischen und Wärmeleitungsverbesserung, bereitstellen kann.
Verschiedene Ausführungsformen können, als ein externer Mischer, anwendbar sein entweder für kontinuierlichen Reihenfluss (englisch: in-line continuous flow) oder für Flüssigkeiten in statischen Kammern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein mikrofluidischer Mischer bereitgestellt werden enthaltend eine Lufteinlasspassage, eine Mikrodüse, einen Auslass, eine elastische Membran und eine Mikrokammer, wobei die elastische Membran eingespannt (oder eingeklemmt) sein kann zwischen der Düse und der Kammer. Die Mikrodüse kann platziert sein nahe der oder gegen die Membran.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Membran hergestellt sein aus elastischen Materialien wie beispielsweise Silikongummi, Naturgummi oder Latex.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Membran einfach in die Düse integriert sein um eine unabhängige Mischervorrichtung zu bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Mikrodüse und der Luftauslass entweder symmetrische oder asymmetrische geometrische Strukturen haben. Der Ausgang der Düse kann eine Mehrzahl von Ausflussöffnungen von verschiedenen Größen haben.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kamer entweder eine offene Kammer oder eine geschlossene Kammer sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Hohlraum bereitgestellt werden zwischen der Düse und der Kammer.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Mikrodüse an einer Unterstützungsvorrichtung mit einem Gewinde anbringbar und ihre Position anpassbar sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Mikrodüse (ganz oder teilweise) aus elastischen Materialen hergestellt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kante der Membran nur teilweise fixiert sein. Der Abschnitt, der dem Luftauslass zugewandt ist, kann gegen die Oberfläche des Substrats gedrückt werden, und kann sich unter Druck verformen, um eine Flussleitung zu bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mikrofluidische Mischervorrichtung verwendet werden als eine Plattform für Fluidmanipulationen. Der mikrofluidische Chip kann daran angebracht oder davon entfernt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Mikrofluidchip eine Kammer oder einen Kanal enthalten. Eine elastische Membran oder ein dünner flexibler Film können als die Schnittstelle zwischen dem Mischer (englisch: Agitator) und den Flüssigkeiten verwendet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Vorrichtung erweitert werden zu einem Array von Mikrokammern/Mikrowells.
Obwohl die Erfindung vor allem unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, sollte von denjenigen, die mit dem Fachgebiet vertraut sind, verstanden werden, dass zahlreiche Änderungen bezüglich Ausgestaltung und Details daran vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Bereich der Erfindung, wie durch die angefügten Ansprüche definiert, abzuweichen. Der Bereich der Erfindung wird somit durch die angefügten Ansprüche bestimmt, und es ist daher beabsichtigt, dass sämtliche Änderungen, welche unter den Wortsinn oder den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, umfasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

SG 201206345-9 [0001]

Claims

Mikrofluidische Mischervorrichtung aufweisend: einen Lufteinlass; einen Luftauslass; eine zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass angeordnete elastische Membran, eingerichtet zum Oszillieren, wenn ein Luftfluss von dem Lufteinlass zu dem Luftauslass bereitgestellt wird; und eine mit der elastischen Membran gekoppelte Kammer.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß Anspruch 1, ferner aufweisend: eine Düse; wobei die elastische Membran zwischen der Düse und der Kammer eingespannt ist.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Kammer eingerichtet ist zum Aufnehmen eines zu mischenden Fluids.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elastische Membran aufweist Silikongummi, Naturgummi und/oder Latex.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die elastische Membran in die Düse integriert ist.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Düse und der Luftauslass symmetrische geometrische Strukturen aufweisen.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Düse und der Luftauslass asymmetrische geometrische Strukturen aufweisen.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei ein Ausgang der Düse aufweist eine Mehrzahl von Ausflussöffnungen von verschiedenen Größen.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kammer eine offene Kammer ist.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kammer eine geschlossene Kammer ist.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 oder 5 bis 8, ferner aufweisend: einen Hohlraum zwischen der Düse und der Kammer.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2, 5 bis 8 oder 11, wobei die Düse anbringbar ist an einer Unterstützungsvorrichtung mit einem Gewinde; und wobei die Position der Düse bezüglich der elastischen Membran einstellbar ist.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2, 5 bis 8, 11 oder 12, wobei die Düse ein elastisches Material aufweist.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2, 5 bis 8, oder 11 bis 13, wobei die elastische Membran teilweise fixiert ist; und wobei ein dem Luftauslass zugewandter Abschnitt der elastischen Membran eingerichtet ist, sich zu verformen, um eine Flussleitung zu formen.
Mikrofluidische Mischervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, ferner aufweisend: einen Empfänger, eingerichtet zum Empfangen eines Chips, der Chip aufweisend die Kammer.
Array von mikrofluidischen Mischervorrichtungen, aufweisend eine Mehrzahl von mikrofluidischen Mischervorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15.
Verfahren zum Mischen eines Fluids in einer mikrofluidischen Mischervorrichtung, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines zu mischenden Fluids in einer mit einer elastischen Membran gekoppelten Kammer; und Bereitstellen eines Luftflusses durch einen Lufteinlass zu der zwischen dem Lufteinlass und einem Luftauslass bereitgestellten elastischen Membran.
Verfahren gemäß Anspruch 17, wobei der Luftfluss verursacht, dass sich die elastische Membran verformt.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der Luftfluss verursacht, dass die elastische Membran oszilliert.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Oszillation der elastischen Membran ein Mischen des Fluids in der Kammer verursacht.