DE112016000704T5

DE112016000704T5 - Mikrofluidikeinheit mit Nichtbenetzungs-Entlüftungsbereichen

Info

Publication number: DE112016000704T5
Application number: DE112016000704.3T
Authority: DE
Inventors: Yuksel Temiz; Emmanuel Delamarche
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2016-03-16
Publication date: 2017-10-19
Also published as: CN107635664B; GB2553713A; CN107635664A; US10500586B2; US20170151566A1; US20170151563A1; US20160271608A1; US10493450B2; GB201716704D0; WO2016146710A1; US9604209B2

Abstract

Eine Mikrofluidikeinheit und ein Verfahren zum Fertigen beinhalten einen Mikrofluidikkanal mit einem verschlossenen Abschnitt, der aufweist: einen Flüssigkeitsweg, der durch einen Benetzungsbereich ausgebildet ist, und einen Nichtbenetzungsbereich, der sich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend erstreckt. Der Nichtbenetzungsbereich ist so gestaltet, dass er eine Entlüftung zum Entleeren eines Gases entlang des Nichtbenetzungsbereichs bereitstellt.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Mikrofluidikeinheiten, im Besonderen auf Mikrofluidik-Chips, sowie auf verwandte Einheiten und Verfahren zu deren Betrieb und Fertigung. Mikrofluidik bezieht sich allgemein auf mikrogefertigte Einheiten, die zum Pumpen, Beproben, Mischen, Analysieren und Dosieren von Flüssigkeiten verwendet werden. Hervorstechende Merkmale davon haben ihren Ursprung in dem besonderen Verhalten, das Flüssigkeiten im Bereich von Mikrometerlängen zeigen. Ein Strom von Flüssigkeiten ist in der Mikrofluidik üblicherweise laminar. Durch Fertigen von Strukturen mit seitlichen Abmessungen im Mikrometerbereich können Volumina von weit unter einem Nanoliter erzielt werden. Reaktionen, die bei großen Maßstäben begrenzt sind (durch Diffusion von Reaktanten), können beschleunigt werden. Schließlich können parallele Ströme von Flüssigkeiten möglicherweise exakt und reproduzierbar gesteuert werden und so ermöglichen, dass chemische Reaktionen und Gradienten an Flüssig-/Flüssig- und Flüssig-/Fest-Grenzflächen entstehen. Dementsprechend wird Mikrofluidik für verschiedene Anwendungen in den Biowissenschaften verwendet.
Für viele Mikrofluidikeinheiten sind Chip-Schnittstellen und geschlossene Strömungswege verwendet worden. Geschlossene Strömungswege vereinfachen die Integration von Funktionselementen (z. B. Heizgeräten, Mischgeräten, Pumpen, UV-Detektoren, Ventilen usw.) in eine Einheit und vermindern gleichzeitig Probleme im Zusammenhang mit Undichtigkeiten und Verdampfung.
KURZDARSTELLUNG
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Mikrofluidikeinheit ein Substrat, das einen Mikrofluidikkanal mit einem verschlossenen Abschnitt definiert. Der verschlossene Abschnitt weist einen Flüssigkeitsweg auf, der durch einen Benetzungsbereich ausgebildet wird. Der verschlossene Abschnitt weist des Weiteren einen Nichtbenetzungsbereich auf, der sich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend erstreckt. Der Nichtbenetzungsbereich ist so gestaltet, dass er eine Entlüftung zum Entleeren eines Gases aus dem Benetzungsbereich entlang des Nichtbenetzungsbereichs bereitstellt. Der Nichtbenetzungsbereich ist vorteilhafterweise so gestaltet, dass er ermöglicht, dass ein Gas entleert wird.
In einem verwandten Aspekt handelt es sich bei dem Nichtbenetzungsbereich um einen ersten Nichtbenetzungsbereich, und der verschlossene Abschnitt des Mikrofluidikkanals weist des Weiteren einen zweiten Nichtbenetzungsbereich auf, der sich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend gegenüber dem ersten Nichtbenetzungsbereich erstreckt. Der zweite Nichtbenetzungsbereich ist so gestaltet, dass er eine Entlüftung zum Entleeren eines Gases aus dem Benetzungsbereich entlang des zweiten Nichtbenetzungsbereichs bereitstellt.
In einem verwandten Aspekt ist der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges durch eine untere Wand und zwischen seitlichen Wänden ausgebildet, die auf jeder Seite des Flüssigkeitsweges angeordnet sind, und der Nichtbenetzungsbereich erstreckt sich zwischen einer der seitlichen Wände und dem Flüssigkeitsweg. Der Nichtbenetzungsbereich ermöglicht vorteilhafterweise ein Entlüften, da er sich entlang einer seitlichen Wand des Mikrofluidikkanals und an diese angrenzend erstreckt. Die Nichtbenetzungsbereiche stellen vorteilhafterweise bereit: Flüssigkeitseinschluss, Gasentleerung und dichtes Zusammenfügen von Teilen.
In einem verwandten Aspekt ist der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges zumindest durch eine untere Wand und eine seitliche Wand des Mikrofluidikkanals ausgebildet, und der Nichtbenetzungsbereich erstreckt sich entlang der seitlichen Wand des Mikrofluidikkanals und daran angrenzend.
In einem verwandten Aspekt beinhaltet die Mikrofluidikeinheit des Weiteren einen oder mehrere nicht verschlossene Abschnitte so, dass ein Gas von dem verschlossenen Abschnitt zu dem einen oder den mehreren nicht verschlossenen Abschnitten entlang des Nichtbenetzungsbereichs entlüftbar ist.
In einem verwandten Aspekt beinhaltet die Mikrofluidikeinheit des Weiteren mehrere zweite Mikrofluidikkanäle, die mit dem Mikrofluidikkanal verbunden sind. Jeder der zweiten Mikrofluidikkanäle weist einen verschlossenen Kanalabschnitt auf, und jeder der mehreren zweiten Mikrofluidikkanäle weist einen Flüssigkeitsweg auf, der durch einen Benetzungsbereich ausgebildet ist. Zumindest ein Nichtbenetzungsbereich ist so gestaltet, dass er eine Entlüftung bereitstellt. Die mehreren zweiten Mikrofluidikkanäle sind an einem Ende davon so mit dem Mikrofluidikkanal verbunden, dass sie eine Verzweigung von verschlossenen Kanalabschnitten ausbilden.
In einem verwandten Aspekt weist der Nichtbenetzungsbereich schwarzes Silicium auf. Das schwarze Silicium ist vorteilhaft zum Entlüften und Zusammenfügen mit Flächen und Materialien.
In einem weiteren verwandten Aspekt fügt der Nichtbenetzungsbereich den Flüssigkeitsweg mit einer angrenzenden Struktur zusammen.
In einem weiteren verwandten Aspekt beinhaltet die Mikrofluidikeinheit des Weiteren eine Struktur, die einen Bereich aufweist, der auf dem Nichtbenetzungsbereich aufliegt, und der Nichtbenetzungsbereich ist so gestaltet, dass er verhindert, dass Flüssigkeit zwischen dem Flüssigkeitsweg und der angrenzenden Struktur austritt.
In einem weiteren Aspekt beinhaltet die Mikrofluidikeinheit des Weiteren zwei Flüssigkeitswege, die durch einen gemeinsamen Nichtbenetzungsbereich getrennt sind. Der gemeinsame Nichtbenetzungsbereich erstreckt sich entlang jedes der beiden Flüssigkeitswege und an diese angrenzend.
In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Entlüften einer Mikrofluidikeinheit: Bewirken, dass sich eine Flüssigkeit so entlang eines Benetzungsbereichs auf einem Flüssigkeitsweg voranbewegt, dass ein Gas in einem Mikrofluidikkanal ausgespült wird; und Entlüften des Gases aus einem verschlossenen Abschnitt des Mikrofluidikkanals entlang eines Nichtbenetzungsbereichs, der sich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend erstreckt.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Fertigen einer Mikrofluidikeinheit: Ausbilden eines Mikrofluidikkanals in einem Substrat, wobei der Mikrofluidikkanal einen verschlossenen Abschnitt aufweist; Ausbilden eines Flüssigkeitsweges mithilfe eines Benetzungsbereichs in dem verschlossenen Abschnitt; und Ausbilden eines Nichtbenetzungsbereichs in dem verschlossenen Abschnitt, wobei sich der Nichtbenetzungsbereich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend erstreckt, wobei der Nichtbenetzungsbereich so gestaltet ist, dass er eine Entlüftung zum Entleeren eines Gases aus dem Benetzungsbereich entlang des Nichtbenetzungsbereichs bereitstellt.
Im Folgenden werden Einheiten und Verfahren, die die vorliegende Erfindung verkörpern, mithilfe von nicht beschränkenden Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Technische Merkmale, die in den Zeichnungen dargestellt werden, sind nicht zwingend maßstabsgetreu. Darüber hinaus können einige Teile so dargestellt werden, dass sie nicht miteinander in Kontakt stehen, um das Verständnis der Zeichnungen zu vereinfachen), wohingegen sehr wohl beabsichtigt sein kann, dass sie im Betrieb miteinander in Kontakt stehen.
KURZBESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Diese und sonstige Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen davon ersichtlich, die in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist. Die verschiedenen Merkmale der Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu, da die Veranschaulichungen der Verdeutlichung dienen und dem Fachmann zusammen mit der ausführlichen Beschreibung das Verständnis der Erfindung erleichtern sollen. In den Zeichnungen gilt:
1 ist eine isometrische Ansicht einer vereinfachten Darstellung eines Abschnitts eines Mikrofluidik-Chips gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine quer verlaufende Querschnittansicht der Einheit von 1 senkrecht zu der Hauptachse eines Mikrofluidikkanals;
3 ist eine quer verlaufende Querschnittansicht der Einheit von 1 ähnlich wie die Ansicht von 2 und veranschaulicht zusätzlich einen typischen Flüssigkeitsteilabschnitt, wenn Flüssigkeit den Flüssigkeitsweg benetzt;
4 stellt einen horizontalen Schnitt durch die Einheit von 1 unmittelbar oberhalb der Benetzungsfläche dar;
5 bis 7 sind Querschnittansichten von vereinfachten Darstellungen eines Abschnitts eines Mikrofluidik-Chips gemäß einer weiteren Ausführungsform, wobei zwei Flüssigkeitswege durch einen selben Nichtbenetzungsbereich getrennt sind;
8 stellt eine Querschnittansicht einer vereinfachten Darstellung einer Variante der Ausführungsform von 2 dar, wobei der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges auf einer Schicht eines Materials (eines Oxids oder eines Metalls) auf einer unteren Wand des Substrats gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausgebildet ist;
9 und 10 sind querverlaufende Querschnittansichten einer vereinfachten Darstellung einer Mikrofluidikeinheit gemäß sonstigen Ausführungsformen, wobei sich die Nichtbenetzungs-Entlüftungsbereiche entlang seitlicher Wände des Kanals erstrecken;
11A bis 11D sind Draufsichten auf eine vereinfachte Darstellung einer Mikrofluidikeinheit, die eine Verzweigung von Kanälen aufweist, und die darstellen, wie eine Flüssigkeit darin eingebracht werden und die Kanäle bis zu der Verzweigung benetzen kann, während Druckluft durch die Nichtbenetzungsbereiche entlüftet wird, wie bei Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung;
12 stellt eine Querschnittansicht einer vereinfachten Darstellung eines Abschnitts einer Mikrofluidikeinheit, bei der der Kanal vor allem in einem Hohlraum der Abdeckstruktur bereitgestellt wird, gemäß Ausführungsformen dar;
13 stellt eine Querschnittansicht eines Abschnitts eines Mikrofluidik-Chips, bei dem ein Kanal vor allem durch einen Hohlraum der Abdeckstruktur bereitgestellt wird, die ferner eine Kapillarpumpe aufweist, gemäß einer Ausführungsform dar;
14 stellt eine Draufsicht auf einen Abschnitt eines Mikrofluidik-Chips, bei dem ein Kanal erneut vor allem durch einen Hohlraum der Abdeckstruktur bereitgestellt wird, die ferner eine Kapillarpumpe aufweist, gemäß Ausführungsformen dar; und
15 ist ein Ablaufplan, der Schritte eines Verfahrens zum Fertigen einer Mikrofluidikeinheit gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf 1 bis 13 wird zunächst ein allgemeiner Aspekt der Erfindung beschrieben, der eine Mikrofluidikeinheit 1 betrifft. Die Einheit weist einen oder mehrere Mikrofluidikkanäle 10 auf, die auf einer Fläche der Mikrofluidikeinheit oder als Hohlräume, die zwischen zwei Teilen der Einheit 1 ausgebildet sind, bereitgestellt werden können, wie in den Zeichnungen veranschaulicht. Zumindest ein Abschnitt 12 eines Mikrofluidikkanals ist verschlossen, z. B. durch eine Abdeckstruktur 30. Dieser Kanalabschnitt weist einen Flüssigkeitsweg 14, der durch einen Benetzungsbereich ausgebildet ist, und einen Nichtbenetzungsbereich (d. h. der unbenetzt bleibt) 16 auf, der sich entlang des Flüssigkeitsweges 14 und an diesen angrenzend erstreckt. Beispielsweise ist der Flüssigkeitsweg 14 in 1 durch eine Abdeckstruktur 30 zumindest in dem dargestellten Abschnitt 12 des Kanals bedeckt. Sonstige Abschnitte der Einheit können unverschlossen sein, d. h. um Öffnungen so bereitzustellen, dass ermöglicht wird, dass Flüssigkeit von oben in die Kanäle eingeleitet wird.
Darüber hinaus ist der Nichtbenetzungsbereich des Weiteren so gestaltet, dass er eine Entlüftung ermöglicht. Auf diese Weise kann ein die Flüssigkeit umgebendes Gas (z. B. Luft), das komprimiert wird, wenn die Flüssigkeit den Flüssigkeitsweg benetzt und sich diesen entlang voranbewegt, entlang des Nichtbenetzungsbereichs 16 z. B. über ein Volumen oder einen Raum entlüftet werden, der oberhalb des Nichtbenetzungsbereichs bereitgestellt wird. In einem weiteren Beispiel kann ein Gas durch eine Dicke der Nichtbenetzungsbereiche, wenn Letztere eine Nadelstruktur aufweisen, oder in ähnlicher Weise durch eine Netzwerkstruktur entlüftet werden, die Flüssigkeit zurückhält, aber gasdurchlässig ist.
Dementsprechend dienen die Nichtbenetzungsbereiche einem doppelten Zweck. Nicht nur ermöglichen sie, dass eine Flüssigkeit 25 in dem Flüssigkeitsweg 14 eingeschlossen bleibt, sondern sie ermöglichen darüber hinaus, dass ein Gas, z. B. Luft, leichter entleert wird, sodass eine gleichmäßige Flüssigkeitsausbreitung in der Einheit selbst in verschlossenen (d. h. bedeckten) Kanalabschnitten und selbst dann ermöglicht wird, wenn verschlossene Kanalabschnitte ein totes Ende aufweisen. In einem verschlossenen Kanal und ohne eine Entlüftung, wie sie hierin beschrieben worden ist, muss eine Flüssigkeit ein Gas in den Kanälen komprimieren, wodurch die Vorwärtsbewegung der Flüssigkeit verlangsamt und die kapillare Strömung (bei toten Enden) möglicherweise beendet werden kann. Die vorliegende Offenbarung löst das obige Problem und ermöglicht, neue Chip-Konstruktionen bereitzustellen, und ermöglicht Flüssigkeitsbewegungen und -vermischungen, die bei vorherigen Konstruktionen nicht möglich gewesen wären. Dies wird unter Bezugnahme auf 11A bis 11D genauer erörtert. Darüber hinaus können Nichtbenetzungsbereiche dazu verwendet werden, Flächen zu vereinen und/oder Teile und Materialien so zusammenzufügen, dass Undichtigkeiten verhindert werden. Beispielsweise verwenden hierin beschriebene Ausführungsformen Si/Polymer-Hybrid-Chips, bei denen Nichtbenetzungsbereiche aus schwarzem Silicium hergestellt sind, wodurch ermöglicht wird, Flüssigkeiten einzuschließen, Gase auszuspülen und Teile der Einheit zusammenzufügen (ohne zwingend Bonden oder Haftmittel einzusetzen). Silicium ermöglicht hochgradige Präzision beim Verarbeiten des Siliciums.
Es ist zu beachten, dass, wenngleich die meisten hierin erörterten Ausführungsformen sich auf Mikrofluidik-Chips beziehen, das vorliegende Konzept grundsätzlich auch auf Mikrofluidik-Sondenköpfe angewendet werden kann, die üblicherweise zum Auffinden von Flüssigkeiten und Chemikalien/Biochemikalien über Flächen durch berührungsloses Abtasten verwendet werden. Beispielsweise handelt es sich bei einigen praktischen Anwendungen bei dem auszuspülenden Gas wahrscheinlich um Luft, es können jedoch bei Bedarf auch andere Gase verwendet werden, im Besonderen Stickstoff.
Bei den meisten hierin erörterten Ausführungsformen ist der Flüssigkeitsweg von zwei Nichtbenetzungs-Lüftungsbereichen 16 umgeben, die sich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend erstrecken und die einander gegenüberliegen. Es versteht sich, dass die beiden gegenüberliegenden Bereiche 16 tatsächlich zu einem durchgehenden Nichtbenetzungsbereich gehören können, wie zum Beispiel in 11 veranschaulicht. Abhängig von der gewünschten Kanalkonstruktion können ein oder mehrere Nichtbenetzungsbereiche beinhaltet sein, was dazu führt, dass sich ein oder zwei Nichtbenetzungsabschnitte entlang des Kanals/der Kanäle erstrecken.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 8 ist der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges 14 durch eine untere Wand 15 der Einheit 1 zwischen seitlichen Wänden 17 eines Kanals 10 oder eines verschlossenen Kanalabschnitts 12 ausgebildet. Die seitlichen Wände 17 sind auf jeder Seite des Flüssigkeitswegs/der Flüssigkeitswege 14 angeordnet. Der Nichtbenetzungsbereich 16 erstreckt sich zum Beispiel zwischen einer der seitlichen Wände 17 und einem Flüssigkeitsweg 14. Auf diese Weise wird oberhalb der äußeren Nichtbenetzungsbereiche 16 ein Volumen bereitgestellt, das im Betrieb nicht (zumindest nicht vollständig) durch eine Flüssigkeit 25 gefüllt wird (siehe z. B. 3, 6 und 8), sodass ein Gas in geeigneter Weise entlang der Nichtbenetzungsbereiche ausgespült werden kann, wenn die Flüssigkeit den Weg füllt.
Bei einer Ausführungsform weisen die seitlichen Kanalwände 17 Silicium auf, wobei zu beachten ist, dass auch das Basissubstrat 5 üblicherweise aus Silicium hergestellt ist. Die Benetzungsfläche kann aus SiO₂ oder allgemeiner aus einem Oxid oder einem Metall, z. B. aus Palladium, hergestellt sein, wie im Folgenden ausführlicher erörtert wird. In praktischen Ausführungsformen kann es sich bei den seitlichen Kanalwänden 17 um Wände von seitlichen Strukturen 20 handeln, die von der unteren Wand 15 des Kanals vorspringen, wie in 1 bis 8 veranschaulicht. Eine Abdeckstruktur 30 kann zum Beispiel auf den seitlichen Strukturen 20 so aufliegen, dass sie den Kanal (oder zumindest einen Abschnitt davon) verschließt.
Unter Bezugnahme im Besonderen auf 5 bis 7 können bei einer weiteren Ausführungsform 50 gemäß der Offenbarung zwei Flüssigkeitswege 14 (1) innerhalb desselben Kanalhohlraums ausgebildet sein, wobei jeder Weg durch einen entsprechenden Benetzungsbereich 16 ausgebildet ist. Der Benetzungsbereich kann zum Beispiel auf der unteren Wand 15 des Kanalhohlraums ausgebildet sein. Die beiden Flüssigkeitswege 14 können durch einen selben Nichtbenetzungsbereich 16 getrennt sein, der sich entlang jedes der beiden Flüssigkeitswege 14 und an diese angrenzend erstreckt. Äußere Nichtbenetzungsbereiche 16 (wie in 6 dargestellt) können dazu bereitgestellt werden, eine Flüssigkeit L auf den jeweiligen Wegen 14 einzuschließen.
Unter Bezugnahme auf 9 bis 10 ist bei einer weiteren Ausführungsform 60 der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges 14 profiliert (z. B. als U- oder V-Form). Er kann zum Beispiel durch eine untere Wand 62 und eine seitliche Wand 64 eines Mikrofluidikkanals oder durch eine untere Wand 62 und zwei seitliche Wände 64 ausgebildet sein, wie in 9 bis 10 dargestellt. In solchen Fällen können die Nichtbenetzungs-Entlüftungsbereiche 16 sich in vorteilhafter Weise entlang einer seitlichen Wand 64 des Mikrofluidikkanals und an diese angrenzend erstrecken. Hier ist der Nichtbenetzungsbereich so gestaltet, dass er ermöglicht, dass ein Gas entleert wird. Die Nichtbenetzungsbereiche werden in einer Basisstruktur 5 bereitgestellt. Wie ferner aus 9 bis 10 zu ersehen ist, werden die Nichtbenetzungsbereiche an einer Grenzfläche der Basisstruktur 5 und einer Abdeckstruktur 30 bereitgestellt.
Bei einer alternativen Ausführungsform können die Nichtbenetzungsbereiche auch in der Abdeckstruktur 30 bereitgestellt werden. Wie zuvor erwähnt können die Nichtbenetzungs-Entlüftungsbereiche 16 aus einem schwarzen Silicium oder einer beliebigen ähnlichen nadelförmigen Flächenstruktur oder allgemeiner einer beliebigen feinstrukturierten Fläche hergestellt sein. Ein Vorteil von schwarzem Silicium oder dergleichen besteht darin, dass es Flüssigkeiten abstößt. Dies ist besonders dort vorteilhaft, wo Nichtbenetzungsbereiche an Grenzflächen verwendet werden, wie in 9 bis 10, oder zum Zusammenfügen von Teilen, wodurch zusätzlich zu den Nichtbenetzungseigenschaften (und folglich Flüssigkeiten einschließenden Eigenschaften) ein Austreten von Flüssigkeiten verhindert wird. Darüber hinaus kann ein Gas durch die Dicke der Nichtbenetzungsbereiche so ausgespült werden, dass die Nichtbenetzungsbereiche möglicherweise drei Zwecke erfüllen können: Flüssigkeitseinschluss, Gasentleerung und dichtes Zusammenfügen von Teilen.
Schwarzes Si kann optional (auch auf den Seitenwänden) durch eine dünne Schicht Fluorkohlenstoff so verstärkt werden, dass diese Schicht hydrophober wird (wobei ein Kontaktwinkel mit Wasser größer als 130° ist). Hier wird das schwarze Si mithilfe eines Prozesses zum reaktiven Ionentiefätzen (deep reactive ion etching, DRIE, auch als Bosch-Prozess bekannt) ausgebildet. Dieser Prozess ist mit einer Fertigung auf Wafer-Ebene mit hohem Durchsatz kompatibel, und die Benetzungsbereiche (ohne schwarzes Si) können mithilfe eines Photolacks, einer Metall- oder einer Oxidschicht maskiert werden. Der Prozess ätzt das Si und bildet nadelartige Strukturen aus, wobei eine Schicht Fluorkohlenstoff (C₄F₈) auf den Seitenwänden der Nadeln verbleibt, wodurch die Struktur noch hydrophober wird. Diese nadelartigen Strukturen und die Flurkohlenstoffschicht sind zerbrechlich und können während des Reinigens des Photolacks nach der Photolithographie oder nach dem Zerteilen zerbrochen oder weggespült werden. Daher schlägt die vorliegende Offenbarung vor, zuerst die Oxid- und/oder die Metallschicht mithilfe einer Photolackschicht als Maske zu ätzen, den Wafer teilweise zu zerteilen (verbleibender Photolack dient als Schutz für die Benetzungsbereiche während des Zerteilens), anschließend den Photolack mithilfe eines organischen Lösungsmittels zu reinigen und schließlich eine DRIE an dem vollständigen Wafer durchzuführen, um Si-Bereiche in schwarzes Si umzuwandeln, wobei das Oxid und/oder das Metall als Maske dienen. Da es sich bei letzterem Schritt um den abschließenden Schritt vor dem Vereinzeln der Chips (z. B. durch einfaches Brechen an den teilweisen Zerteilungsteilschnitten) handelt, wird die Unversehrtheit der brüchigen hydrophoben Bereiche nicht gefährdet.
Unter Bezugnahme auf 11A bis 11D sind bei einer weiteren Ausführungsform einer Mikrofluidikeinheit 70 gemäß der Offenbarung der eine oder die mehreren Kanäle nicht an einem oder mehreren sonstigen Abschnitten 18 davon verschlossen. Beispielsweise ist der Flüssigkeitsweg 14 möglicherweise nicht an Abschnitten 18 (z. B. Öffnungen) durch die Abdeckstruktur 30 bedeckt. Folglich kann ein Gas im Betrieb aus einem verschlossenen Abschnitt 12 entlang des Nichtbenetzungsbereichs/der Nichtbenetzungsbereiche und anschließend durch die nicht verschlossenen Abschnitte 18 entleert werden.
Wie zuvor erwähnt, ermöglicht die vorliegende Offenbarung neue Chip-Konstruktionen. Beispielsweise kann ein verschlossener Abschnitt 12 eines Mikrofluidikkanals ein (nicht dargestelltes) totes Ende aufweisen. Die Entlüftungsbereiche 16 können dennoch ermöglichen, dass ein Gas entleert wird. Es ist zu beachten, dass in kapillar getriebenen Systemen ein Mikrofluidikkanal mit einem toten Ende besonders interessant sein kann, da ein Strukturieren von Entlüftungen auf der Abdeckschicht üblicherweise nicht so trivial ist und Entlüftungen an den Rändern des Mikrofluidik-Chips eine potenzielle Quelle für Fehler sein können, zum Beispiel ein Austreten von Flüssigkeit aus einem Kanal nach außen oder ein Eindringen von Flüssigkeit von außen in einen Kanal, was zu einer Verunreinigung der Kanäle führen kann, usw. Wenn darüber hinaus klinische Proben auf Mikrofluidik-Chips mit Entlüftungen analysiert werden müssen, können Entlüftungen Probleme mit der biologischen Sicherheit aufgrund dessen mit sich bringen, dass die Möglichkeit besteht, dass etwas von der Probe durch die Entlüftungen aus dem Chip austritt, woraus sich die potenziellen Vorteile von toten Enden ergeben.
Wie in 11A bis 11D dargestellt, können sich zwei Mikrofluidikkanäle 11 an einer verschlossenen Verzweigung 19 vereinigen. Im Besonderen kann jeder Kanal 11 einen Flüssigkeitsweg 14 aufweisen, der sich von einem verschlossenen Abschnitt 12 zu einem oder mehreren nicht verschlossenen Abschnitten (oder Öffnungen) 18 erstreckt. Ein Abschnitt 12 eines Mikrofluidikkanals kann an einem Ende davon so in einen weiteren Kanalabschnitt führen, dass eine Verzweigung 19 von Flüssigkeitswegen ausgebildet wird. In dem in 11A bis 11D dargestellten Beispiel kann die Kanalkonstruktion als durch einen gekrümmten Kanal ausgebildet betrachtet werden, der einen geraden Kanal 11 schneidet. Der gerade Kanal weist eine Flüssigkeitsöffnung auf, wohingegen der gekrümmte Kanal zwei Flüssigkeitsöffnungen 18 verbindet. Wenngleich die Kanalverzweigung 19 verschlossen ist, d. h. in dem Beispiel von 11A bis 11D durch die Abdeckstruktur 30 bedeckt ist, kann dennoch ein Gas entlang des Nichtbenetzungsbereichs 16 entleert werden, selbst wenn gleichzeitig eine Flüssigkeit über jede Öffnung 18 eingebracht wird. Derselbe Grundsatz kann auf Verzweigungen von drei oder mehr Mikrokanälen ausgeweitet werden. Es ist zu beachten, dass in 11A bis 11D jeder Kanalabschnitt zwei Abschnitte von Nichtbenetzungsbereichen auf jeder Seite aufweist, obwohl die Einheit nur einen durchgehenden Nichtbenetzungsbereich zeigt.
Wie des Weiteren in 11A bis 11D veranschaulicht und gemäß einem weiteren Aspekt kann eine Ausführungsform ein Verfahren zum Betreiben der Mikrofluidikeinheit 70 beinhalten, wobei das Verfahren im Grunde die folgenden Phänomene ausnutzt. Da eine Flüssigkeit 25 den (Benetzungs-)Flüssigkeitsweg 14 benetzen kann, bewegt sie sich natürlich darauf voran. Dies bewirkt wiederum ein Schieben und Ausspülen von umgebendem Gas in dem Mikrofluidikkanal 11. Unterdessen wird das Gas, das durch die Flüssigkeit geschoben wird, aus dem verschlossenen Abschnitt 12 entlang des Nichtbenetzungsbereichs durch den/die Entlüftungsbereich(e) 16 entleert. Ein Gas kann im Besonderen durch Öffnungen 18, wie in 11A bis 11D dargestellt, und/oder durch Öffnungen an den (nicht dargestellten) Rändern entleert werden. Flüssigkeit kann über Öffnungen 18 eingebracht werden oder bei (nicht dargestellten) Varianten von angrenzenden Strukturen (Leitungen, Bohrungen usw.) aus eingeleitet werden, die mit Kanälen der Einheit 70 in Fluidverbindung stehen.
Wie zuvor kurz angesprochen worden ist, kann/können der/die Nichtbenetzungsbereich(e) 16 (oder zumindest einige von ihnen) in vorteilhafter Weise so angeordnet und konstruiert sein, dass sie den Flüssigkeitsweg mit einer angrenzenden Struktur verbinden. Bei der angrenzenden Struktur kann es sich zum Beispiel um eine (in 1 bis 8 dargestellte) seitliche Strukturwand handeln, wie zuvor erwähnt. Es kann sich auch um eine Struktur handeln, die die Kanäle bedeckt oder überspannt, wie eine (in 9, 10, 12 bis 14 dargestellte) Abdeckstruktur. Im Besonderen können Einheiten schwarzes Si dazu verwenden, Strukturen zu verbinden, z. B. Flächen und Materialien zu vereinen, wie es erforderlich ist, um ein dichtes Zusammenfügen zu gewährleisten. Eine Verwendung von schwarzem Si zum Zusammenfügen von zwei Strukturen führt dazu, dass die beiden Teile miteinander in Kontakt gebracht oder geklammert werden, ohne dass zwingend Bonden, Kleben, Haftmittel, Kaschieren usw. erforderlich sind. Das Gewicht eines Teils kann zum Beispiel ausreichen, damit es auf dem anderen Teil aufliegt oder darauf drückt. Zwei Teile können auch dadurch zusammengefügt werden, dass sie über die schwarzen Si-Bereiche nahe beieinander auf einem gemeinsamen Träger positioniert werden. In dieser Hinsicht kann schwarzes Si auch zum Zusammenfügen von Bereichen verwendet werden, deren Zweck darin besteht, Teile unabhängig von den Entlüftungsbereichen 16 zusammenzufügen.
Bei in den 9, 10, 12 bis 14 veranschaulichten Ausführungsformen weist die Einheit 80 eine Struktur 30 (z. B. eine Abdeckstruktur) auf, die einen Bereich aufweist, der auf dem Nichtbenetzungs-Entlüftungsbereich 16 aufliegt. Die Nichtbenetzungsbereiche können dementsprechend ein Austreten von Flüssigkeit zwischen dem Flüssigkeitsweg 14 und der Struktur 30 verhindern. Bei der Struktur 30 kann es sich zum Beispiel um eine Kunststoffhülse oder um einen Kunststoff-Chip (12 bis 14) oder um eine Abdeckstruktur 30 (9, 10) handeln. Es ist zu beachten, dass in 13 die Teile 5 und 30 nicht miteinander „in Kontakt” stehend dargestellt werden. Stattdessen wird ein schmaler Spalt zwischen der Fläche des Basis-Chips 5 und der angrenzenden Struktur 30 dargestellt, um das Verständnis der Zeichnungen zu erleichtern. Wiederum ist eine Verwendung von schwarzem Si besonders vorteilhaft, und dies im Besonderen, wenn der Bereich der obersten Struktur nicht vollkommen eben ist. Der Bereich der obersten Struktur kann aufgrund wahrscheinlicher Abweichungen in der Dicke während des Kunststoff-Formungsprozesses tatsächlich nicht vollkommen eben sein. Beispielsweise können biologische Reagenzien auf dem Silicium-Chip 5 (der Benetzungs-/Nichtbenetzungsbereiche aufweist) oder auf dem Kunststoff-Chip abgeschieden, integriert oder strukturiert werden, und anschließend können die beiden Chips 5, 30 ohne Verwendung jeglichen Haftmittels oder einer Temperatur, die die Reagenzien beschädigen könnten, zusammengefügt werden (13, 14). Die pipettierte Flüssigkeit breitet sich entlang der Benetzungsbereiche auf dem Silicium-Chip aus, ohne Luft (oder Gas) einzuschließen, und geht anschließend auf den Kunststoff-Chip 30 (der z. B. aus hydrophilem PMMA hergestellt ist) über, wo die Kapillarpumpenstrukturen 40 die Flüssigkeit ziehen. Diese Umsetzung kann zu Multiplexzwecken auf mehrere parallele Kanäle erweitert werden, wie ansonsten in 6 veranschaulicht.
Das Eigengewicht der angrenzenden Struktur 30 kann in der Praxis ausreichen, ohne dass es erforderlich ist, sie mit dem Basis-Chip 5 zu verbinden. Es können jedoch Haftmittel in Bereichen der Struktur 30 hinzugefügt werden, die angemessen weit von den Kanälen entfernt sind, um eine Verunreinigung des Kanals zu verhindern. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Struktur 30 nicht abfällt. Das Haftmittel könnte auch von den Rändern aus oder von der Rückseite aus aufgebracht werden, um Störungen so gering wie möglich zu halten. Auch ein Klebeband könnte von der Rückseite aus aufgebracht werden. Bei Varianten kann die Struktur 30 mechanisch festgeklemmt werden, z. B. können ein oberes Kunststoffteil und ein unteres Kunststoffteil aneinander geklammert werden.
Der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges 14 weist bevorzugt ein Oxid, ein Metall oder sogar eine Kombination von diesen auf. Unter Bezugnahme auf 8 kann der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges 14 zum Beispiel durch eine Metallschicht 21, etwa Palladium, bereitgestellt werden. Siliciumoxid kann ebenfalls verwendet werden (es kann z. B. durch thermische Oxidation aus einem Siliciumsubstrat gefertigt werden). Es ist jedoch zu beachten, dass sowohl thermisch aufgewachsenes (> 5 nm) als auch ein natives Oxid (2 bis 3 nm), das sich natürlich auf Silicium ausbildet (z. B. auf einem Si-Wafer) als Benetzungsfläche verwendet werden kann. Alternativ können auch Benetzungsbereiche verwendet werden, die aus einer Kombination von Metall- und Oxidstrukturen hergestellt werden. Die Oxidschicht oder die Metallschicht 21 kann jeweils als Maske für die Ausbildung des schwarzen Siliciums verwendet werden. Die Verwendung von Metall ist jedoch insofern vorteilhaft, als es auch als Elektroden, zum Beispiel für „Flüssigkeits-Gating” (d. h. zum Steuern von Flüssigkeitsbenetzung und/oder -durchfluss in Mikrokanälen mithilfe von elektrischen Potentialen), Dielektrophorese oder sonstige Arten von Elektrostimulation oder -erkennung, dienen kann. Beispielsweise kann in 8 die Abdeckstruktur 30 aus einer 50 μm dicken Schicht eines Trockenfilm-Photolacks DF-1050 auf Grundlage eines Epoxids oder aus einem Kunststoffmaterial wie etwa PMMA hergestellt sein. Die seitlichen Abstandselementstrukturen 20 können ebenfalls aus demselben Trockenfilm-Photolack (mit einer Dicke von 50 μm), der durch Photolithographie strukturiert worden ist, oder durch ein doppelseitiges Klebeband hergestellt sein, das durch ein Schneidwerkzeug oder eine elektronische Vorlagenschneidvorrichtung geschnitten worden ist. Bei der Schicht 21 kann es sich zum Beispiel um eine 50 nm dicke Schicht aus Palladium handeln, die auf einer 200 nm dicken SiO₂-Schicht auf dem Si-Vollsubstrat 5 aufliegt.
Es lässt sich beobachten, dass eine Flüssigkeit auf breiteren hydrophilen Mustern viel schneller strömt und ferner einem gekrümmten Weg folgen kann. Diese beiden Aspekte werden im Rahmen dieser Offenbarung erreicht. Ein Tensid in der Lösung kann die Strömungsgeschwindigkeit erheblich erhöhen. Die Flüssigkeit bewegt sich jedoch mehr in die seitliche Richtung voran. Daher kann bei Lösungen mit Tensiden ein zusätzlicher seitlicher Zwischenraum von Vorteil sein, wie in 8 veranschaulicht.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die vorliegende Offenbarung auch als Verfahren zum Fertigen einer Mikrofluidikeinheit 1, wie sie oben beschrieben worden ist, verkörpert werden. Im Wesentlichen geht es bei einem solchen Verfahren um ein Fertigen eines Nichtbenetzungsbereichs 16 auf einer (oder gar jeder einer) ersten Schicht (z. B. einem Substrat) 5, in die zum Beispiel bereits Mikrokanal-Hohlräume maschinell eingearbeitet worden sind, und einer zweiten Schicht 30, z. B. einer Abdeckstruktur 30 für das Substrat 5, um den Nichtbenetzungs-Entlüftungsbereich 16 auszubilden. Wie zuvor bemerkt, können die Nichtbenetzungsbereiche 16 statt auf der Schicht, die die Kanäle stützt, auf der Abdeckstruktur 30 gefertigt werden. Dies kann jedoch Probleme bei der Platzierung bereiten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Fertigung ein Gewinnen von schwarzem Silicium zum Ausbilden des Nichtbenetzungsbereichs/der Nichtbenetzungsbereiche 16 auf.
Bei einer Ausführungsform können die Benetzungsbereiche aus SiO₂ hergestellt werden. Ein Beispiel für ein Fertigungsverfahren wird hierin erörtert. Wenn davon ausgegangen wird, dass das Substrat Silicium aufweist, kann Letzteres so oxidiert werden, dass eine SiO₂-Schicht darauf ausgebildet wird. Anschließend kann ein Bereich der SiO₂-Schicht geätzt werden und der geätzte Bereich so in schwarzes Silicium umgewandelt werden, dass die gewünschten Nichtbenetzungsbereiche gewonnen werden. Für die Umwandlung in schwarzes Si kann zum Beispiel eine Prozedur zum reaktiven Ionenätzen verwendet werden, bei der der umgebende (nicht geätzte) Bereich der Sio₂-Schicht als Maske für die Prozedur des reaktiven Ionenätzens dient. Es ist zu beachten, dass es möglicherweise nicht ausreicht, SiO₂ zu ätzen, um einen dauerhaften Nichtbenetzungsbereich zu gewinnen. Silicium kann eine Zeit lang hydrophob sein, es würde sich jedoch wahrscheinlich ein natives Oxid ausbilden und die Fläche wieder hydrophil machen. Daher können die Si-Bereiche (geätztes SiO₂) mithilfe von reaktivem Ionenätzen in schwarzes Si umgewandelt werden, wobei die umgebende SiO₂-Schicht als Maske dient. Bei Varianten kann eine Metallschicht als Flüssigkeitsweg gewonnen werden, die ebenfalls als Maske dienen kann.
Im Folgenden wird ein ausführliches Fertigungsverfahren 100 im Hinblick auf die Einheit von 14 und unter Bezugnahme auf 15 beschrieben. Zuerst wird ein Si-Wafer wie in Block 104 bereitgestellt. Der Wafer wird thermisch so oxidiert, dass eine SiO₂-Schicht auf dem Wafer gewonnen wird, wie in Block 108. Photolithographie wird dazu verwendet, die Kanalhohlräume (mit einem Photolack) zu strukturieren, wie in Block 112. Zu solchen Photolithographieschritten zählen üblicherweise ein Beschichten mit einem Photolack, Brennen, Belichten und Entwickeln. Bereiche der SiO₂-Schicht werden so geätzt, dass eine Maske für das nachfolgende Si-Ätzen gewonnen wird, wie in Block 116. Der Photolack kann entfernt werden, wie in Block 120. Eine selbstbegrenzte anisotrope Si-(Nass)-Ätzung kann durchgeführt werden, um die Kanalhohlräume zu gewinnen, wie in Block 124. Anschließend wird eine thermische Oxidation so durchgeführt, dass eine SiO₂-Schicht ebenfalls in den Kanalhohlräumen gewonnen wird, wie in Block 128. Photolithographische Anwendungen werden durchgeführt, um die nachfolgende Metallstrukturierung wie in Block 132 vorzubereiten, und anschließend wird die Metallstrukturierung 136 durchgeführt. Im Allgemeinen ist eine Metallstrukturierung optional. Sie kann jedoch für einige Anwendungen vorteilhaft sein, z. B. für mikrofluidische Anwendungen, die elektrische Erkennung/Steuerung einsetzen. Zusätzliche Photolithographieschritte werden dazu verwendet, die Nichtbenetzungsbereiche zu strukturieren, wie in Block 140. Ein oder mehrere Bereiche der SiO₂-Schicht werden geätzt, um die Nichtbenetzungsbereiche herzustellen, wie in Block 144. Es ist angebracht, zu diesem Zeitpunkt zu einem teilweisen Zerteilen überzugehen, um eine Verunreinigung in einer späteren Phase zu vermeiden, wie in Block 148. Es ist zu beachten, dass vor dem Zerteilen noch ein wenig Photolack in dem Kanal vorhanden ist, um als Schutzschicht für die Kanäle zu dienen. Der Photolack kann zum Beispiel durch Ablösen des Photolacks entfernt werden, wie in Block 152. Die geätzten SiO₂-Bereiche (Si) werden in schwarzes Silicium umgewandelt, um die Nichtbenetzungsbereiche zu gewinnen, wie in Block 156. Für die Umwandlung in schwarzes Si kann erneut reaktives Ionenätzen verwendet werden, bei dem der umgebende (nicht geätzte) Bereich der SiO₂/Metallschicht als Maske dient. Anschließend kann der teilweise zerteilte Chip vereinzelt werden, wie in Block 160. Abschließende Bestückungs- und Konfektionierungsschritte werden durchgeführt, wie in Block 164. Hier kann bei Bedarf eine angrenzende Struktur platziert, festgeklemmt oder aufgeklebt werden.
Die obigen Ausführungsformen sind unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden, und es ist eine Reihe von Varianten möglich. Es können mehrere Kombinationen der obigen Merkmale in Betracht gezogen werden, die verschiedene Vorteile zur Folge haben. Beispielsweise können zwei oder mehr der folgenden Merkmale kombiniert werden:

– Paare von Nichtbenetzungsbereichen können neben den Mikrokanalabschnitten hergestellt werden;
– Die Nichtbenetzungsbereiche können aus schwarzem Silicium hergestellt werden. Schwarzes Si stellt „nadelartige” Strukturen bereit, die möglicherweise durch eine dünne Fluorkohlenstoffschicht (auch auf den Seitenwänden) so verstärkt werden können, dass diese Schicht sehr hydrophob wird;
– Die Benetzungsbereiche können aus Si/SiOx oder aus einem Metall wie zum Beispiel Palladium hergestellt werden. Neben sonstigen Beispielen für ein Metall kann auch Aluminium verwendet werden;
– Bei Wafern auf Grundlage von Si kann schwarzes Si auch auf sonstigen Bereichen ausgebildet werden, z. B. auf Bereichen, die mit angrenzenden Strukturen (wie zum Beispiel einer Abdeckschicht) in Kontakt kommen, um Undichtigkeiten zu verhindern. Im Besonderen kann schwarzes Si zwischen einer Abdeckstruktur und der obersten Fläche von seitlichen Wänden von Mikrokanälen so strukturiert werden, dass zusätzlich zu einem Entlüftungsvermögen eine Undichtigkeit verhindert wird;
– Ein Nichtbenetzungsbereich kann sich zwischen einer seitlichen Wand und dem Benetzungsströmungsweg so erstrecken, dass ein Nebeneinander einer Luftmenge (in dem schwarzen Si und auf diesem) und einer Flüssigkeit in den Mikrokanälen entsteht, und ein hydrophiler Strömungsweg wird so zwischen der unteren und der oberen Abdeckschicht ausgebildet, dass die Mikrokanäle selbstentlüftend sind;
– Mikrofluidikstrukturen können auch auf der Abdeckschicht ausgebildet werden. Schwarzes Si kann hier als nicht benetzbare hydrophobe Barriere zwischen dem Substrat und der Abdeckschicht dienen. Beispielsweise kann ein Mikrofluidik-Chip aus Spritzguss-Kunststoff konstruiert werden, der mit einer planaren Si-Abdeckung abgedichtet wird, die Bereiche aus schwarzem Si, strukturiertes Metall und Sensoren usw. aufweist; und
– Mehrere Flüssigkeiten können sich an (verschlossenen oder abgedeckten) Verzweigungen vermischen, ohne Luft zwischen sich einzuschließen.

Einige der hierin beschriebenen Verfahren können bei der Fertigung von Mikrofluidik-Chips verwendet werden. Die resultierenden Chips können durch den Hersteller in Form eines Roh-Wafers (das heißt, als einzelner Wafer, der mehrere gehäuselose Chips aufweist, die jedoch bereits bedeckt sind, z. B. durch eine Schicht, um einen Abschnitt von Kanälen zu verschließen), als bloßer Chip (wiederum bedeckt) oder in einem Gehäuse vertrieben werden. In letzterem Fall wird der Chip in einem Einzel-Chip-Gehäuse (wie zum Beispiel auf einem Kunststoffträger) oder in einem Mehrfach-Chip-Gehäuse angebracht. In jedem Fall kann der Chip anschließend mit sonstigen Chips oder sonstigen Elementen integriert werden.
Die vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf eine begrenzte Anzahl von Ausführungsformen, Varianten und die beigefügten Zeichnungen beschrieben worden, für Fachleute ist jedoch ersichtlich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und gleichartige Elemente ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Im Besonderen kann ein (einheitenähnliches oder verfahrensähnliches) Merkmal, das bei einer bestimmten Ausführungsform, Variante erwähnt worden ist oder in einer Zeichnung dargestellt worden ist, mit einem weiteren Merkmal in einer weiteren Ausführungsform, Variante oder Zeichnung kombiniert oder durch dieses ersetzt werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Verschiedene Kombinationen der Merkmale, die im Hinblick auf jegliche der obigen Ausführungsformen oder Varianten beschrieben worden sind, können dementsprechend in Betracht gezogen werden, die innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche bleiben. Darüber hinaus können zahlreiche kleinere Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Umfang abzuweichen. Daher soll die vorliegende Erfindung nicht auf die bestimmten offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern die vorliegende Erfindung soll alle Ausführungsformen beinhalten, die in den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen. Darüber hinaus können zahlreiche andere Varianten als die oben ausdrücklich erwähnten in Betracht gezogen werden. Beispielsweise können andere Materialien als Silicium als Basissubstrat verwendet werden. Es kann zum Beispiel schwarzes Germanium verwendet werden, das durch einen Plasmaätzprozess mit einem hohen Aspektverhältnis gewonnen werden kann und das auch Superhydrophobie aufweist. Es können darüber hinaus Strukturmuster auf Kunststoffen mithilfe von Heißprägen zum Anpassen der Benetzungseigenschaften (hydrophob, hydrophil) verwendet werden und anschließend eine Plasmapolymerisation oder sonstige Techniken zur Oberflächenbeschichtung auf Kunststoffflächen angewendet werden, um sie superhydrophob zu machen.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die vorliegende Erfindung als Mikrofluidikeinheit verkörpert. Die Einheit weist einen oder mehrere Mikrofluidikkanäle auf, die z. B. auf einer Fläche der Mikrofluidikeinheit ausgebildet oder ausgehöhlt sind. Zumindest ein Abschnitt eines Mikrofluidikkanals ist verschlossen, d. h. der Kanal weist in diesem Abschnitt einen verschlossenen Querschnitt-Teilabschnitt auf. Der Kanal kann zum Beispiel zumindest in dem Teilabschnitt durch eine Abdeckstruktur so bedeckt sein, dass dieser Abschnitt verschlossen wird. Dieser Teilabschnitt weist einen Flüssigkeitsweg, der durch einen Benetzungsbereich ausgebildet ist, und einen Nichtbenetzungsbereich auf, der sich so entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend erstreckt, dass eine Flüssigkeit in dem Benetzungsbereich eingeschlossen wird. Um zu ermöglichen, dass ein Gas entleert wird, ist der Nichtbenetzungsbereich darüber hinaus als Entlüftung gestaltet. Dementsprechend kann das die Flüssigkeit umgebende Gas (z. B. Luft), das ausgespült wird, wenn die Flüssigkeit den Flüssigkeitsweg benetzt und sich diesen entlang voranbewegt, durch die Entlüftung entlüftet werden, die durch den Nichtbenetzungsbereich ermöglicht wird.
Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die obige Einheit eines oder mehrere der folgenden Merkmale zeigen:

– Bei dem Nichtbenetzungsbereich handelt es sich um einen ersten Nichtbenetzungsbereich, und der Abschnitt des Mikrofluidikkanals weist des Weiteren einen zweiten Nichtbenetzungsbereich auf, der sich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend gegenüber dem ersten Nichtbenetzungsbereich erstreckt und der so gestaltet ist, dass er eine Entlüftung zum Entleeren eines Gases entlang des zweiten Nichtbenetzungsbereichs bereitstellt;
– Der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges ist durch eine untere Wand zwischen seitlichen Wänden ausgebildet, die auf jeder Seite des Flüssigkeitsweges angeordnet sind, wobei sich der Nichtbenetzungsbereich zwischen einer der seitlichen Wände und dem Flüssigkeitsweg erstreckt;
– Die seitlichen Kanalwände können Silicium aufweisen;
– Der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges ist zumindest durch eine untere Wand und eine seitliche Wand des Mikrofluidikkanals ausgebildet, und der Nichtbenetzungsbereich erstreckt sich entlang der seitlichen Wand des Mikrofluidikkanals und daran angrenzend;
– Die Mikrofluidikeinheit weist des Weiteren einen oder mehrere nicht verschlossene Abschnitte auf, sodass ein Gas im Betrieb von dem verschlossenen Abschnitt zu dem einen oder den mehreren nicht verschlossenen Abschnitten entlang des Nichtbenetzungsbereichs entlüftbar ist;
– Die Mikrofluidikeinheit weist des Weiteren zwei Mikrofluidikkanäle jeweils gemäß dem Mikrofluidikkanal so auf, dass die Einheit zwei verschlossene Kanalabschnitte aufweist, die jeweils einen Flüssigkeitsweg, der durch einen Benetzungsbereich ausgebildet ist, und zumindest einen Nichtbenetzungsbereich aufweisen, der so gestaltet ist, dass er eine Entlüftung bereitstellt, und einer der beiden Kanalabschnitte an einem Ende davon so in einen weiteren der beiden Kanalabschnitte führt, dass eine Verzweigung von verschlossenen Kanalabschnitten ausgebildet wird;
– Der Nichtbenetzungsbereich kann schwarzes Silicium aufweisen;
– Der Nichtbenetzungsbereich fügt den Flüssigkeitsweg mit einer angrenzenden Struktur zusammen;
– Die Mikrofluidikeinheit kann des Weiteren eine Struktur aufweisen, die einen Bereich aufweist, der auf dem Nichtbenetzungsbereich aufliegt, wobei der Letztere so gestaltet ist, dass er verhindert, dass Flüssigkeit zwischen dem Flüssigkeitsweg und der angrenzenden Struktur austritt;
– Der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges kann eines des Folgenden aufweisen: ein Oxid; ein Metall; und eine Kombination aus einem Metall und einem Oxid;
– Der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges kann ein Metall aufweisen, wobei es sich bei dem Metall um Palladium handelt;
– Die Mikrofluidikeinheit kann des Weiteren zwei Flüssigkeitswege aufweisen, die durch einen selben Nichtbenetzungsbereich getrennt sind, der sich entlang jedes der beiden Flüssigkeitswege und an diese angrenzend erstreckt;
– Der Abschnitt des Mikrofluidikkanals kann ein totes Ende aufweisen; und
– Bei der Einheit kann es sich um einen Mikrofluidik-Chip handeln.

Beispielsweise machen die meisten hier beschriebenen Ausführungsformen Gebrauch von Nichtbenetzungs-Entlüftungsbereichen, die sich entlang des Flüssigkeitsweges auf jeder Seite davon erstrecken. Ein Nichtbenetzungsbereich kann sich zum Beispiel zwischen einer seitlichen Wand und einer unteren (Benetzungs-)Fläche erstrecken, die den Flüssigkeitsweg ausbildet. Bei Varianten können sich Nichtbenetzungsbereiche entlang seitlichen Benetzungswänden des Mikrofluidikkanals, z. B. auf der oberen Fläche von seitlichen Strukturen, erstrecken. Auf diese Weise können Nichtbenetzungsbereiche an einer Grenzfläche zu der Abdeckstruktur bereitgestellt werden. Die Kanalhohlräume und die Nichtbenetzungsbereiche können ansonsten entweder in dem Basissubstrat (z. B. dem Wafer) oder in der Abdeckstruktur oder in beiden maschinell eingearbeitet oder strukturiert werden. Darüber hinaus kann die Abdeckstruktur Öffnungen aufweisen, um zu ermöglichen, dass eine Flüssigkeit pipettiert wird und ausgespülte Gase entleert werden. Die Nichtbenetzungs-Entlüftungsbereiche werden vorteilhafterweise aus schwarzem Silicium hergestellt, das zahlreiche Vorteile aufweist, nicht nur zum Entlüften eines Gases, sondern auch zum Zusammenfügen von Flächen und Materialien.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Erfindung als Verfahren zum Betreiben einer Mikrofluidikeinheit verkörpert werden, wie zum Beispiel in einer beliebigen der obigen Ausführungsform beschrieben worden ist, wobei bewirkt wird, dass eine Flüssigkeit den Flüssigkeitsweg benetzt und sich auf diesem voranbewegt, wodurch ein Gas in dem Mikrofluidikkanal so ausgespült wird, dass das Gas aus dem bedeckten Abschnitt entlang des Nichtbenetzungsbereichs entleert wird. Bevor bewirkt wird, dass eine Flüssigkeit den Flüssigkeitsweg benetzt und sich auf diesem voranbewegt, weist das Verfahren bevorzugt des Weiteren ein Einbringen der Flüssigkeit über den einen oder die mehreren nicht verschlossenen Abschnitte auf.
Gemäß einem abschließenden Aspekt kann die vorliegende Offenbarung auch als Verfahren zum Fertigen einer Mikrofluidikeinheit, wie sie oben beschrieben worden ist, verkörpert werden. Solche Verfahren können im Besonderen aufweisen: Fertigen eines Nichtbenetzungsbereichs auf einem oder jedem der Folgenden: einem Substrat und einer Abdeckstruktur für das Substrat, um den Nichtbenetzungsbereich auszubilden.
Das Fertigen des Nichtbenetzungsbereichs weist bevorzugt ein Gewinnen von schwarzem Silicium zum Ausbilden des Nichtbenetzungsbereichs auf. Bevorzugter weist das Substrat Silicium auf, und das Fertigungsverfahren weist des Weiteren auf: Oxidieren des Substrats so, dass eine SiO₂-Schicht auf dem Substrat ausgebildet wird; Ätzen eines Bereichs der SiO₂-Schicht; und Umwandeln der geätzten Bereiche in schwarzes Silicium so, dass der Nichtbenetzungsbereich gewonnen wird, wobei bei dem Umwandeln der geätzten Bereiche eine Prozedur zum reaktiven Ionenätzen verwendet wird, wobei der umgebende nicht geätzte Bereich der SiO₂-Schicht als Maske für die Prozedur zum reaktiven Ionenätzen dient.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfolgten zur Veranschaulichung, sind jedoch nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt gemeint. Viele Modifizierungen und Varianten sind für Fachleute ersichtlich, ohne vom Umfang und Gedanken der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Grundgedanken der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder die technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt erhältlichen Technologien am besten zu erläutern oder um anderen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Mikrofluidikeinheit, die aufweist: ein Substrat, das einen Mikrofluidikkanal mit einem verschlossenen Abschnitt definiert, wobei der verschlossene Abschnitt aufweist: einen Flüssigkeitsweg, der durch einen Benetzungsbereich ausgebildet ist; und einen Nichtbenetzungsbereich, der sich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend erstreckt, wobei der Nichtbenetzungsbereich so gestaltet ist, dass er eine Entlüftung zum Entleeren eines Gases aus dem Benetzungsbereich entlang des Nichtbenetzungsbereichs bereitstellt.
Mikrofluidikeinheit nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Nichtbenetzungsbereich um einen ersten Nichtbenetzungsbereich handelt und der verschlossene Abschnitt des Mikrofluidikkanals des Weiteren einen zweiten Nichtbenetzungsbereich aufweist, der sich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend gegenüber dem ersten Nichtbenetzungsbereich erstreckt, und der zweite Nichtbenetzungsbereich so gestaltet ist, dass er eine Entlüftung zum Entleeren eines Gases aus dem Benetzungsbereich entlang des zweiten Nichtbenetzungsbereichs bereitstellt.
Mikrofluidikeinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges durch eine untere Wand und zwischen seitlichen Wänden ausgebildet ist, die auf jeder Seite des Flüssigkeitsweges angeordnet sind, wobei sich der Nichtbenetzungsbereich zwischen einer der seitlichen Wände und dem Flüssigkeitsweg erstreckt.
Mikrofluidikeinheit nach Anspruch 3, wobei die seitlichen Wände Silicium aufweisen.
Mikrofluidikeinheit nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges zumindest durch eine untere Wand und eine seitliche Wand des Mikrofluidikkanals ausgebildet ist und sich der Nichtbenetzungsbereich entlang der seitlichen Wand des Mikrofluidikkanals und daran angrenzend erstreckt.
Mikrofluidikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die des Weiteren aufweist: einen oder mehrere nicht verschlossene Abschnitte, sodass ein Gas von dem verschlossenen Abschnitt zu dem einen oder den mehreren nicht verschlossenen Abschnitten entlang des Nichtbenetzungsbereichs entlüftbar ist.
Mikrofluidikeinheit nach Anspruch 6, die mehrere zweite Mikrofluidikkanäle aufweist, die mit dem Mikrofluidikkanal verbunden sind, wobei jeder der zweiten Mikrofluidikkanäle einen verschlossenen Kanalabschnitt aufweist, jeder der mehreren zweiten Mikrofluidikkanäle einen Flüssigkeitsweg, der durch einen Benetzungsbereich ausgebildet ist, und zumindest einen Nichtbenetzungsbereich aufweist, der so gestaltet ist, dass er eine Entlüftung bereitstellt, und wobei die mehreren zweiten Mikrofluidikkanäle an einem Ende davon so mit dem Mikrofluidikkanal verbunden sind, dass sie eine Verzweigung von verschlossenen Kanalabschnitten ausbilden.
Mikrofluidikeinheit nach Anspruch 1 bis 7, wobei der Nichtbenetzungsbereich schwarzes Silicium aufweist.
Mikrofluidikeinheit nach Anspruch 1 bis 8, wobei der Nichtbenetzungsbereich den Flüssigkeitsweg mit einer angrenzenden Struktur zusammenfügt.
Mikrofluidikeinheit nach Anspruch 9, die des Weiteren aufweist: eine Struktur, die einen Bereich aufweist, der auf dem Nichtbenetzungsbereich aufliegt, wobei der Letztere so gestaltet ist, dass er verhindert, dass Flüssigkeit zwischen dem Flüssigkeitsweg und der angrenzenden Struktur austritt.
Mikrofluidikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges eines des Folgenden aufweist: ein Oxid; ein Metall; und eine Kombination aus einem Metall und einem Oxid.
Mikrofluidikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Benetzungsbereich des Flüssigkeitsweges ein Metall aufweist, wobei es sich bei dem Metall um Palladium handelt.
Mikrofluidikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die des Weiteren aufweist: zwei Flüssigkeitswege, die durch einen gemeinsamen Nichtbenetzungsbereich getrennt sind, wobei sich der gemeinsame Nichtbenetzungsbereich entlang jedes der beiden Flüssigkeitswege und an diese angrenzend erstreckt.
Mikrofluidikeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der verschlossene Abschnitt des Mikrofluidikkanals ein totes Ende aufweist.
Mikrofluidikeinheit nach Anspruch 1 bis 14, wobei es sich bei der Einheit um einen Mikrofluidik-Chip handelt.
Verfahren zum Entlüften einer Mikrofluidikeinheit, das aufweist: Bewirken, dass sich eine Flüssigkeit so entlang eines Benetzungsbereichs auf einem Flüssigkeitsweg voranbewegt, dass ein Gas in einem Mikrofluidikkanal ausgespült wird; und Entlüften des Gases aus einem verschlossenen Abschnitt des Mikrofluidikkanals entlang eines Nichtbenetzungsbereichs, der sich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 16, das des Weiteren aufweist: bevor bewirkt wird, dass eine Flüssigkeit sich entlang des Benetzungsbereiches auf dem Flüssigkeitsweg voranbewegt, Einbringen der Flüssigkeit über einen oder mehrere nicht verschlossene Abschnitte des Mikrofluidikkanals.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 17, wobei es sich bei dem Nichtbenetzungsbereich um einen ersten Nichtbenetzungsbereich handelt und das Verfahren des Weiteren aufweist: Entlüften eines Gases aus dem Benetzungsbereich entlang eines zweiten Nichtbenetzungsbereichs in einem verschlossenen Abschnitt des Mikrofluidikkanals, wobei sich der zweite Nichtbenetzungsbereich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend gegenüber dem ersten Nichtbenetzungsbereich erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei zwei Flüssigkeitswege durch einen gemeinsamen Nichtbenetzungsbereich getrennt sind, wobei sich der gemeinsame Nichtbenetzungsbereich entlang jedes der beiden Flüssigkeitswege und an diese angrenzend erstreckt.
Verfahren zum Fertigen einer Mikrofluidikeinheit, das aufweist: Ausbilden eines Mikrofluidikkanals in einem Substrat, wobei der Mikrofluidikkanal einen verschlossenen Abschnitt aufweist; Ausbilden eines Flüssigkeitsweges mithilfe eines Benetzungsbereichs in dem verschlossenen Abschnitt; und Ausbilden eines Nichtbenetzungsbereichs in dem verschlossenen Abschnitt, wobei sich der Nichtbenetzungsbereich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend erstreckt, wobei der Nichtbenetzungsbereich so gestaltet ist, dass er eine Entlüftung zum Entleeren eines Gases aus dem Benetzungsbereich entlang des Nichtbenetzungsbereichs bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 20, das des Weiteren aufweist: Fertigen eines Nichtbenetzungsbereichs auf einem oder jedem der Folgenden: einem Substrat und einer Abdeckstruktur für das Substrat, um den Nichtbenetzungsbereich auszubilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21, das des Weiteren aufweist: Ausbilden von schwarzem Silicium als Nichtbenetzungsbereich.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei das Substrat Silicium aufweist, wobei das Verfahren des Weiteren aufweist: Oxidieren des Substrats so, dass eine SiO₂-Schicht auf dem Substrat ausgebildet wird; Ätzen eines Bereichs der SiO₂-Schicht; und Umwandeln der geätzten Bereiche in schwarzes Silicium so, dass der Nichtbenetzungsbereich gewonnen wird, wobei bei dem Umwandeln der geätzten Bereiche eine Prozedur zum reaktiven Ionenätzen verwendet wird, wobei der umgebende nicht geätzte Bereich der SiO₂-Schicht als Maske für die Prozedur zum reaktiven Ionenätzen dient.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei es sich bei dem Nichtbenetzungsbereich um einen ersten Nichtbenetzungsbereich handelt und das Verfahren des Weiteren aufweist: Ausbilden eines zweiten Nichtbenetzungsbereichs des verschlossenen Abschnitts des Mikrofluidikkanals, wobei sich der zweite Nichtbenetzungsbereich entlang des Flüssigkeitsweges und an diesen angrenzend gegenüber dem ersten Nichtbenetzungsbereich erstreckt und der zweite Nichtbenetzungsbereich so gestaltet ist, dass er eine Entlüftung zum Entleeren eines Gases aus dem Benetzungsbereich entlang des zweiten Nichtbenetzungsbereichs bereitstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die beiden Flüssigkeitswege durch einen gemeinsamen Nichtbenetzungsbereich getrennt sind, wobei sich der gemeinsame Nichtbenetzungsbereich entlang jedes der beiden Flüssigkeitswege und an diese angrenzend erstreckt.