EP3912721A1 - Flusszelle mit sollbruchsperre - Google Patents

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EP3912721A1
EP3912721A1 EP20176011.3A EP20176011A EP3912721A1 EP 3912721 A1 EP3912721 A1 EP 3912721A1 EP 20176011 A EP20176011 A EP 20176011A EP 3912721 A1 EP3912721 A1 EP 3912721A1
Authority
EP
European Patent Office
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flow cell
barrier film
elastic layer
section
cell according
Prior art date
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Pending
Application number
EP20176011.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lutz LOEBER
Stefan LEIDHEISER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thinxxs Microtechnology GmbH
Original Assignee
Thinxxs Microtechnology GmbH
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Publication date
Application filed by Thinxxs Microtechnology GmbH filed Critical Thinxxs Microtechnology GmbH
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Priority to PCT/EP2021/063055 priority patent/WO2021233862A1/de
Priority to US17/926,716 priority patent/US20230234053A1/en
Priority to CN202180036739.6A priority patent/CN115697558A/zh
Publication of EP3912721A1 publication Critical patent/EP3912721A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
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    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
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    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502738—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by integrated valves
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    • B01L2400/0633—Valves, specific forms thereof with moving parts
    • B01L2400/0655—Valves, specific forms thereof with moving parts pinch valves

Definitions

  • the invention relates to a flow cell with a predetermined breaking barrier in a channel area of the flow cell.
  • microfluidic flow cells such as those used in medical diagnostics for the analysis of biological samples, are becoming increasingly important.
  • Such flow cells which are mostly to be combined with an operating device, sometimes comprise complex networks of channels, storage and reaction chambers.
  • Such flow cells have predetermined breaking barriers that have to be broken in the event of operation.
  • Flow cells with predetermined breaking barriers go, for example, from the DE 10 2007 059 553 A1 , the EP 2 679 307 A1 as well as the PCT / EP2018 / 058670 emerged.
  • the present invention creates a new flow cell of the type mentioned at the outset, which is characterized by at least one recess in a substrate of the flow cell, which forms part of the channel region and has an opening in a surface of the substrate, the opening being connected to the
  • the surface welded and / or glued barrier film forming the predetermined breaking barrier is hermetically sealed, as well as by an elastic layer provided for arrangement over the barrier film, which breaks the barrier film and creates an access to a channel region section delimited by the barrier film and the layer into the recess is stretchable.
  • barrier film When the barrier film is broken open access to a channel region section adjoining the recess is formed with a flow cross-section delimited by the barrier film and the elastic layer, through which the fluid can be transported further within the flow cell.
  • the substrate forms a valve seat in an edge region adjoining the opening of the recess, to which the elastic layer and the barrier film can be pressed with fluid-tight separation of the channel region section from the recess.
  • the elastic layer and the barrier film then form a closure which prevents a transport flow between the elastic layer and the barrier film.
  • the barrier film and / or the elastic layer extend over a plurality of recesses, each forming part of a channel region, with an opening in the substrate surface.
  • the layer can be stretchable by means of a pin element which is comprised by an operator device for the flow cell and can in particular be advanced vertically towards the elastic layer.
  • the pin element is preferably movable by a drive device in order, for example, to break through the barrier film when it is advanced and, for example, to enable a fluid flow to pass through the breaking point when it is withdrawn.
  • the pin element is preferably arranged coaxially to the opening, which is expediently a circular opening. Such a pin element results in a uniform contact pressure along the valve seat.
  • the pin element expediently has a cross section that decreases in the feed direction, the cross section of the pin element increasing, in particular against the feed direction, to a value that is greater than the opening cross section.
  • the edge area forming the valve seat there is thus a stop against the flow cell which limits the advance of the pin element and which enables a reliable valve closure.
  • the elastic layer and the barrier film are preferably clamped between the valve seat and a section or an annular shoulder of the pin element that decreases in cross section in the feed direction, so that a high, fluid-tight seal of the channel area section is created between the elastic layer and the barrier film resulting surface pressure.
  • the recess is expediently widened, in particular widened conically, in the edge region which forms the valve seat and adjoins the opening of the recess.
  • the edge region extending from the recess into the substrate surface can also be rounded.
  • the elastic layer is glued and / or welded to the barrier film in a surface region adjoining the channel region section or is merely pressed against the barrier film in a fluid-tight manner by a stamp element in the operating region direction.
  • the elastic layer can be part of the flow cell, part of the operator device or a separate, exchangeable intermediate layer. In the first case, no fluid can advantageously escape from the flow cell.
  • the elastic layer lies only loosely on the barrier film in the region of the channel region section and can be stretched by internal fluid pressure or external suction pressure, forming a flow cross-section between the elastic layer and the barrier film.
  • the elastic layer can be permanently deformed with the formation of a flow cross section between the layer and the barrier film in the channel region section.
  • Flow cell in its basic form as a plate, shown in different perspective views and in exploded views, has four main components, a substrate 1, preferably injection-molded from plastic, which is covered on its underside by a film 2 and connected to a housing component 3 on its upper side.
  • a film 8 ' which is preferably produced as a composite film made of aluminum and plastic, is also connected to the substrate 1.
  • the housing component 3 produced by multicomponent injection molding comprises, as a soft component, an elastic layer 9 ', which essentially coincides with the film 8'.
  • the flow cell comprises a large number of functional areas, including in particular storage and reaction chambers.
  • the functional areas also work together with an operating device for the flow cell. The latter applies in particular to the following on the basis of Fig. 3 - 10 described devices of the flow cell.
  • Fig. 3 shows a section from a flow cell, for example the flow cell from Figs. 1 and 2 .
  • a substrate 1 is covered on an underside by a film 2 that is glued and / or welded to the substrate 1.
  • the film 2 delimits a channel area formed in the substrate 1 by a channel recess 6 and a round cylindrical recess 7.
  • the channel area also includes a storage chamber, for example for a reagent, into which the channel recess 6 opens (not shown).
  • a barrier film 8 covering the recess 7 is arranged on its upper side of the substrate 1 facing away from the film 2. Since the barrier film 8 is glued and / or welded to the substrate surface 1, it hermetically seals the recess 7.
  • the barrier film 8 is a composite film made of a plastic and a metal layer, in particular an aluminum layer.
  • the plastic layer faces the recess 7.
  • the barrier film 8 can, for example, by the in Figs. 1 and 2 Shown film 8 'be formed.
  • an elastic layer 9 arranged above the film 8 lies in the in Figure 3 area shown only loosely on the barrier film 8.
  • the layer 9 can be part of the layer 9 'of the in Figs. 1 and 2 housing component 3 shown, where they are attached to (in Fig. 3 non-visible) edges is fixed like a frame and locked in the direction parallel to the substrate surface.
  • a stamp element 10 of an operating device for the flow cell rests against the layer 9.
  • the stamp element 10 has a web 11 protruding in the form of a closed ring, by means of which the elastic layer 9 is pressed in a fluid-tight manner against the barrier film 8 welded and / or glued to the substrate 1 and is locked on the barrier film 8 parallel to the substrate surface.
  • the ring web 11 closes the opening of the recess 7 and, in the example, a further recess 7 'in the substrate 1 ( Fig. 4 ) at a distance from the edge of the opening.
  • a component of the operating device is also a pin element 12 which is arranged in a guide 13 in the stamp element 10 so as to be displaceable perpendicular to the plate plane of the substrate 1 and coaxially to the cylinder axis of the recess 7.
  • the pin element 12 can be extended out of the stamp element, expanding the elastic layer 9 into the recess 7 until the barrier film 8, which hermetically seals the channel area comprising the storage chamber for the reagent, finally tears open.
  • this channel area remains closed by the layer 9 against the valve seat forming (only the opening edge of the recess 7 covered by the thin barrier film 8 is applied in a fluid-tight manner, as will be explained below.
  • the in Figure 4a The recess 7 'shown does not need to have the same dimensions as the recess 7.
  • the second recess 7 ' also serve as a valve recess closed by the barrier film 8 and form a valve seat which can be opened and closed by moving a further pin element 12' after the film 8 has been broken.
  • the embodiment shown does not require the layer 9 to be pressed against the film 8 in a surface area which delimits the further channel area section 14.
  • the layer 9 is fluid-tightly connected to the barrier film 8 in this surface area, in the example shown by a double-adhesive film 16. How Fig.
  • connection area is set back from the opening edge 15 of the recess 7 over the entire opening circumference.
  • the area of the layer 9 protruding beyond the opening edge 15 also advantageously exerts a tensile stress increasing the sealing effect at the opening edge 15.
  • an elastic layer 9 produced, for example, by injection molding or processed by deep drawing, in the area of the channel area section 14, provided with a permanent deformation 17, so that a channel space 18 for the transport of fluid after the break-up of the fluid is created between the elastic layer 9 and the tearable film 8 Foil 8 is formed.
  • the pressure of the transported fluid is advantageously not so high.
  • the shape of the pin element 12 used in the preceding exemplary embodiments can vary and, in particular, the end face of the pin element acting on the layer 9 can be designed differently. While the embodiments of Figures 7c and 7d have only rounded end faces, the end face in the embodiment of FIG Figure 7b indented. Such a face appears for the in Fig. 6 described embodiment appropriate.
  • Fig. 8 shows a flow cell according to Figure 4a .
  • a stamp element 10 has an opening region 19 through which a negative pressure (-P) can be applied to the elastic layer 9.
  • the pressure of the fluid to be transported through the valve, which is required to expand the layer 9, can thus be reduced.
  • FIG. 9 Embodiments restricted in their function to a predetermined breaking block are assumed Fig. 9 emerged.
  • a pin element 12 of an operating device is acted upon by a spring 20, which the pin element 12 in the in Fig. 9 holds the position shown, wherein the operating device rests functionally against the elastic layer 9 of the flow cell.
  • the pin element 12 has broken the film 8.
  • the recess 7 would be closed in a fluid-tight manner by the elastic layer 9 in this position of the pin element 12.
  • the cylindrical recess 7 has a widening 21 on one side through which a flow passage 22 for a pressurized (+ P) fluid extends between the broken film 8 and the elastic layer 9 stretched into the recess 7 can train.
  • the lateral expansion 21 can be shaped differently.
  • a bevel 23 facing the expansion 21 is formed on the pin element 12, which results in an enlarged cross section of the flow passage 22.
  • a pin element 12 has an approximately conical end section 24, the maximum cross section of which exceeds the opening cross section of a cylindrical recess 7 in a substrate 1.
  • a barrier film 8 is already broken open by an elastic layer 9 stretched into the recess 7 and a channel region section adjoining the recess 7 can be opened by internal fluid pressure.
  • This possibility is prevented in that the conical end section 24 compresses the elastic layer 9 and the barrier film 8 between the conical end section 24 and a valve seat formed in the edge region of the recess 7 in a fluid-tight manner.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flusszelle mit einer Sollbruchsperre in einem Kanalbereich (6,7,14,7') der Flusszelle. Die erfindungsgemäße Flusszelle ist gekennzeichnet durch eine Ausnehmung (7) in einem Substrat (1) der Flusszelle, die einen Teil des Kanalbereichs (6,7,14,7') bildet und eine Öffnung in einer Oberfläche des Substrats (1) aufweist, wobei die Öffnung durch eine mit der Oberfläche verschweißte oder/und verklebte, die Sollbruchsperre bildende Sperrfolie (8) hermetisch verschlossen ist, sowie durch eine zur Anordnung über der Sperrfolie (8) vorgesehene Schicht (9), die unter Bruch der Sperrfolie (8) und Bildung eines Zugangs zu einem durch die Sperrfolie (8) und die Schicht (9) begrenzenden Kanalbereichsabschnitt (14) in die Ausnehmung (7) hinein dehnbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Flusszelle mit einer Sollbruchsperre in einem Kanalbereich der Flusszelle.
  • Bekanntermaßen gewinnen mikrofluidische Flusszellen, wie sie z.B. in der medizinischen Diagnostik zur Analyse biologischer Proben eingesetzt werden, zunehmend an Bedeutung. Solche zumeist mit einem Betriebsgerät zu kombinierende Flusszellen umfassend mitunter komplexe Netzwerke aus Kanälen, Speicher- und Reaktionskammern. Zum hermetischen Einschluss gespeicherter Reagenzien weisen solche Flusszellen im Betriebsfall aufzubrechende Sollbruchsperren auf.
  • Flusszellen mit Sollbruchsperren gehen zum Beispiel aus der DE 10 2007 059 553 A1 , der EP 2 679 307 A1 sowie der PCT/EP2018/058670 hervor.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird eine neue Flusszelle der eingangs genannten Art geschaffen, die gekennzeichnet ist durch mindestens eine Ausnehmung in einem Substrat der Flusszelle, die einen Teil des Kanalbereichs bildet und eine Öffnung in einer Oberfläche des Substrats aufweist, wobei die Öffnung durch eine mit der Oberfläche verschweißte oder/und verklebte, die Sollbruchsperre bildende Sperrfolie hermetisch verschlossen ist, sowie durch eine zur Anordnung über der Sperrfolie vorgesehene elastische Schicht, die unter Bruch der Sperrfolie und Bildung eines Zugangs zu einem durch die Sperrfolie und die Schicht begrenzten Kanalbereichsabschnitt in die Ausnehmung hinein dehnbar ist.
  • Mit dem Aufbrechen der Sperrfolie ist ein Zugang zu einem sich an die Ausnehmung anschließenden Kanalbereichsabschnitt mit einem durch die Sperrfolie und die elastische Schicht begrenzten Strömungsquerschnitt gebildet, durch den ein Weitertransport von Fluid innerhalb der Flusszelle erfolgen kann.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung bildet das Substrat in einem an die Öffnung der Ausnehmung angrenzenden Randbereich einen Ventilsitz, an den die elastische Schicht und die Sperrfolie unter fluiddichter Trennung des Kanalbereichsabschnitts von der Ausnehmung anpressbar sind. Entlang des Ventilsitzes bilden die elastische Schicht und die Sperrfolie dann einen Verschluss, der eine Transportströmung zwischen der elastischen Schicht und der Sperrfolie verhindert.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erstrecken/erstreckt sich die Sperrfolie und/oder die elastische Schicht über mehrere, jeweils einen Teil eines Kanalbereichs bildende Ausnehmungen mit einer Öffnung in der Substratoberfläche. Vorteilhaft lässt sich auf diese Weise mit einer einzigen Sperrfolie oder/und elastischen Schicht in einem effizienten Herstellungsverfahren eine Vielzahl von Sollbruchsperren und diesen nachgeschalteten Ventilen erzeugen.
  • Es versteht sich, dass die Schicht durch ein von einer Betreibereinrichtung für die Flusszelle umfasstes, gegen die elastische Schicht insbesondere senkrecht vorschiebbares Stiftelement dehnbar sein kann.
  • Vorzugsweise ist das Stiftelement durch eine Antriebseinrichtung bewegbar, um z.B. bei Vorschub die Sperrfolie zu durchbrechen und z.B. bei Zurückziehen einen durch die Bruchstelle tretenden Fluidstrom zu ermöglichen.
  • Vorzugsweise ist das Stiftelement koaxial zu der Öffnung angeordnet, bei der es sich zweckmäßig um eine kreisrunde Öffnung handelt. Durch ein solches Stiftelement kommt es zu einer entlang des Ventilsitzes gleichmäßigen Anpresskraft.
  • Das Stiftelement weist zweckmäßig einen sich in Vorschubrichtung verringernden Querschnitt auf, wobei der Querschnitt des Stiftelements insbesondere entgegen der Vorschubrichtung auf einen Wert anwächst, der größer als der Öffnungsquerschnitt ist. In dem den Ventilsitz bildenden Randbereich kommt es so zu einem den Vorschub des Stiftelements begrenzenden Anschlag gegen die Flusszelle, durch den ein sicherer Ventilverschluss ermöglicht wird.
  • Vorzugsweise sind in der Verschlussstellung des Stiftelements die elastische Schicht und die Sperrfolie zwischen dem Ventilsitz und einem sich im Querschnitt in Vorschubrichtung verringernden Abschnitt oder einer Ringschulter des Stiftelements eingeklemmt, so dass sich zwischen der elastischen Schicht und der Sperrfolie eine hohe, für fluiddichten Verschluss des Kanalbereichsabschnitts sorgende Flächenpressung ergibt. Zweckmäßig ist die Ausnehmung in dem den Ventilsitz bildenden, an die Öffnung der Ausnehmung grenzenden Randbereich aufgeweitet, insbesondere konisch aufgeweitet. Der von der Ausnehmung in die Substratoberfläche übergehende Randbereich kann auch abgerundet sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die elastische Schicht in einem an den Kanalbereichsabschnitt angrenzenden Flächenbereich mit der Sperrfolie verklebt oder/und verschweißt oder lediglich durch ein Stempelelement der Betreibereichrichtung gegen die Sperrfolie fluiddicht angepresst.
  • So kann die elastische Schicht Bestandteil der Flusszelle, Bestandteil der Betreibereinrichtung oder eine separate, austauschbare Zwischenlage sein. Vorteilhaft kann im ersteren Fall aus der Flusszelle kein Fluid austreten.
  • Die elastische Schicht liegt im Bereich des Kanalbereichsabschnitts nur lose auf der Sperrfolie auf und ist unter Bildung eines Strömungsquerschnitts zwischen der elastischen Schicht und der Sperrfolie durch Fluidinnendruck oder äußeren Saugdruck dehnbar.
  • Alternativ kann die elastische Schicht unter Bildung eines Strömungsquerschnitts zwischen der Schicht und der Sperrfolie in dem Kanalbereichsabschnitt permanent verformt sein.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Ausnehmung oder/und das Stiftelement derart ausgebildet, dass in einer Vorschubposition des Stiftelements, in welcher die elastische Schicht in die Ausnehmung hinein gedehnt ist, der kanalbereichsabschnitt in Strömungsverbindung mit der Ausnehmung steht. Eine solche Ausführungsform ohne der Sollbruchsperre nachgeschaltete Ventilfunktion kann vorteilhaft Betreibergeräte mit federbeaufschlagten Stiftelementen nutzen, die nach Kontaktierung der Flusszelle nicht mehr beweglich sind.
    • Fig. 1 und 2
    Explosionsdarstellungen einer Flusszelle nach der Erfindung in verschiedenen perspektivischen Ansichten,
    Fig. 3
    einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Flusszelle mit einer Ventilfunktion in verschiedenen Stellungen eines das Ventil ergänzenden Stiftelements eines Betriebsgerätes,
    Fig. 4
    zwei Varianten von Flusszellen gemäß Fig. 3,
    Fig. 5
    einen Ausschnitt aus einer Flusszelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel für die Erfindung.
    Fig. 6
    einen Ausschnitt aus einer Flusszelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel für die Erfindung,
    Fig. 7
    verschiedene Varianten eines in einer Flusszelle nach der Erfindung verwendbaren Stiftelements eines Betriebsgerätes,
    Fig. 8
    ein viertes Ausführungsbeispiel für eine Flusszelle nach der Erfindung,
    Fig. 9
    verschiedene Varianten einer Flusszelle entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel, und
    Fig. 10
    ein Ausführungsbeispiel für ein Stiftelement einer Betreibereinrichtung.
  • Eine in Fig. 1 und 2 in verschiedenen perspektivischen Ansichten und in Explosionsdarstellung gezeigte, in ihrer Grundform als Platte ausgebildete Flusszelle weist vier Hauptkomponenten auf, ein bevorzugt aus Kunststoff spritzgegossenes Substrat 1, das auf seiner Unterseite durch eine Folie 2 abgedeckt und auf seiner Oberseite mit einem Gehäusebauteil 3 verbunden ist. Mit dem Substrat 1 verbunden ist ferner eine Folie 8', die vorzugsweise als Verbundfolie aus Aluminium und Kunststoff hergestellt ist. Das durch Mehrkomponentenspritzgießen hergestellte Gehäusebauteil 3 umfasst als Weichkomponente eine elastische Schicht 9', welche im Wesentlichen mit der Folie 8' zur Deckung kommt.
  • Wie sich Fig. 1 und 2 entnehmen lässt, umfasst die Flusszelle neben einem Netzwerk von Kanälen eine Vielzahl von Funktionsbereichen, darunter insbesondere Speicher- und Reaktionskammern. Teilweise arbeiten die Funktionsbereiche ergänzend mit einem Betriebsgerät für die Flusszelle zusammen. Letzteres gilt insbesondere für nachstehend anhand der Fig. 3 - 10 beschriebene Einrichtungen der Flusszelle.
  • Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Flusszelle, z.B. der Flusszelle von Fig. 1 und 2. Ein Substrat 1 ist auf einer Unterseite durch eine mit dem Substrat 1 verklebte oder/und verschweißte Folie 2 abgedeckt. Die Folie 2 begrenzt einen in dem Substrat 1 durch eine Kanalausnehmung 6 und eine rundzylindrische Ausnehmung 7 gebildeten Kanalbereich. Der Kanalbereich umfasst ferner eine Vorratskammer, z.B. für ein Reagenz, in welche die Kanalausnehmung 6 mündet (nicht gezeigt).
    An seiner der Folie 2 abgewandten Oberseite des Substrats 1 ist eine die Ausnehmung 7 überdeckende Sperrfolie 8 angeordnet. Indem die Sperrfolie 8 mit der Substratoberfläche 1 verklebt oder/und verschweißt ist, schließt sie die Ausnehmung 7 hermetisch ab. Bei der Sperrfolie 8 handelt es sich in dem Beispiel um eine Verbundfolie aus einer Kunststoff- und einer Metallschicht, insbesondere Aluminiumschicht. Die Kunststoffschicht ist der Ausnehmung 7 zugewandt. Die Sperrfolie 8 kann z.B. durch die in Fig. 1 und 2 gezeigte Folie 8' gebildet sein.
  • Während die Sperrfolie 8 mit dem Substrat 1 fest verbunden ist, liegt eine über der Folie 8 angeordnete elastische Schicht 9 in dem in Figur 3 gezeigten Bereich nur lose an der Sperrfolie 8 an. Die Schicht 9 kann Bestandteil der Schicht 9' des in Fig. 1 und 2 gezeigten Gehäusebauteils 3 sein, wo sie an (in Fig. 3 nicht sichtbaren) Rändern rahmenartig fixiert und in Richtung parallel zur Substratoberfläche arretiert ist. Gegen die Schicht 9 liegt ein Stempelelement 10 eines Betriebsgeräts für die Flusszelle an. Das Stempelelement 10 weist einen in Form eines geschlossenen Rings vorstehenden Steg 11 auf, durch welchen die elastische Schicht 9 fluiddicht gegen die mit dem Substrat 1 verschweißte oder/und verklebte Sperrfolie 8 gedrückt und dabei parallel zur Substratoberfläche auf der Sperrfolie 8 arretiert wird. Der Ringsteg 11 schließt die Öffnung der Ausnehmung 7 und in dem Beispiel einer weiteren Ausnehmung 7' in dem Substrat 1 (Fig. 4) jeweils im Abstand zum Öffnungsrand mit ein.
  • Bestandteil des Betriebsgerätes ist ferner ein Stiftelement 12, das in einer Führung 13 in dem Stempelelement 10 senkrecht zur Plattenebene des Substrats 1 verschiebbar und koaxial zur Zylinderachse der Ausnehmung 7 angeordnet ist.
  • Wie sich Fig. 3b entnehmen lässt, ist das Stiftelement 12 aus dem Stempelelement ausfahrbar, wobei es die elastische Schicht 9 in die Ausnehmung 7 hinein ausdehnt, bis die Sperrfolie 8, welche den die Vorratskammer für das Reagenz umfassenden Kanalbereich hermetisch abschließt, schließlich aufreißt.
    In der in Fig. 3b gezeigten Stellung des Stiftelements 12 bleibt dieser Kanalbereich dennoch geschlossen, indem die Schicht 9 gegen den einen Ventilsitz bildenden (nur von der dünnen Sperrfolie 8 bedeckten) Öffnungsrand der Ausnehmung 7 fluiddicht anlegt, wie weiter unten erläutert ist.
    Bei Rückführung des Stiftelements 12 in die in Fig. 3c gezeigte Stellung lässt sich durch Anlegen eines Drucks (+P) an ein Fluid in dem Kanalbereich, wobei der Fluiddruck dann durch die aufgebrochene Sperrfolie 8 hindurch auf die Schicht 9 einwirkt, die elastisch dehnbare Schicht 9 zu einem weiteren Kanalbereichsabschnitt 14 zwischen der Schicht 9 und der Folie 8 aufschließen, durch den hindurch Fluid in die Ausnehmung 7' strömen kann (Fig. 4).
  • Bewegung des Stiftelements 12 aus dieser Offenstellung zurück in die in Fig. 3b und 3d gezeigte Stellung führt zum Schließen des Strömungsweges von der Ausnehmung 7 in den gebildeten Zwischenraum zwischen der Schicht 9 und Folie 8, indem die Schicht 9 über den von der Folie 8 bedeckten Öffnungsrand 15 der Ausnehmung 7 gezogen und am Öffnungsrand abgelenkt wird, sodass sich um den Öffnungsrand herum eine annähernd gleichmäßig hohe Flächenpressung und damit fluiddichter Verschluss des Strömungsweges ergibt.
  • Es versteht sich, dass die in Fig. 4a gezeigte Ausnehmung 7' nicht die gleichen Abmessungen wie die Ausnehmung 7 aufzuweisen braucht. In dem gezeigten Beispiel kann sich gemäß Fig. 4b aber auch die zweite Ausnehmung 7' als durch die Sperrfolie 8 verschlossene Ventilausnehmung dienen und einen Ventilsitz bilden, der sich durch Verschiebung eines weiteren Stiftelements 12' nach Aufbrechen der Folie 8 öffnen und schließen lässt.
    Bei einer in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform bedarf es keiner Anpressung der Schicht 9 an die Folie 8 in einem Flächenbereich, der den weiteren Kanalbereichsabschnitt 14 begrenzt. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 5 ist die Schicht 9 in diesem Flächenbereich fluiddicht mit der Sperrfolie 8 verbunden, in dem gezeigten Beispiel durch eine doppelt klebende Folie 16. Wie Fig. 5 erkennen lässt, ist der Verbindungsbereich über den gesamten Öffnungsumfang vom Öffnungsrand 15 der Ausnehmung 7 zurückversetzt. Wenn die Schicht 9 durch ein zum Öffnungsrand koaxiales Stiftelement 12 in die Ausnehmung 7 hinein gedehnt wird, übt vorteilhaft auch der über den Öffnungsrand 15 hinausragende Bereich der Schicht 9 eine die Dichtwirkung am Öffnungsrand 15 erhöhende Zugspannung aus.
  • Gemäß Fig. 4b könnte in Offenstellung des Stiftelements 12 (bei aufgebrochener Folie 8), wenn sich das Stiftelement 12' in der Verschlussstellung befindet, Flüssigkeit durch den Kanalbereichsabschnitt 14 hindurch bis an die die geschlossene Ausnehmung 7' herantreten. Indem das Stiftelement 12 dann in die Verschlussstellung und das Stiftelement 12' in die Offenstellung überführt werden, lässt sich eine bestimmte Fluidmenge abmessen, die bei Anlegung eines Saugdrucks aus dem Kanalbereichsabschnitt 14 abgezogen werden kann.
  • In einer in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist eine z.B. durch Spritzgießen hergestellte oder durch Tiefziehen bearbeitete elastische Schicht 9 im Bereich des Kanalbereichsabschnitts 14 mit einer permanenten Verformung 17 versehen, so dass zwischen der elastischen Schicht 9 und der aufreißbaren Folie 8 ein Kanalraum 18 für den Transport von Fluid nach Aufbrechen der Folie 8 gebildet wird. Vorteilhaft bedarf es zum Ausdehnen der Schicht 9, um den Kanalbereichsabschnitt 14 aufzuschließen, eines nicht so hohen Drucks des transportierten Fluids.
  • Wie Fig. 7 erkennen lässt, kann die Form des in den vorangehenden Ausführungsbeispielen verwendeten Stiftelements 12 variieren und insbesondere die auf die Schicht 9 einwirkende Stirnfläche des Stiftelements unterschiedlich ausgebildet sein. Während die Ausführungsbeispiele von Fig. 7c und 7d nur abgerundete Stirnflächen aufweisen, ist die Stirnfläche bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 7b eingebuchtet. Eine solche Stirnfläche erscheint für das in Fig. 6 beschriebene Ausführungsbeispiel zweckmäßig.
  • Fig. 8 zeigt eine Flusszelle gemäß Fig. 4a. Im Unterschied zu dieser Ausführungsvariante weist ein Stempelelement 10 jedoch einen Öffnungsbereich 19 auf, durch den ein Unterdruck (-P) an die elastische Schicht 9 angelegt werden kann. Der zur Ausdehnung der Schicht 9 erforderliche Druck des durch das Ventil hindurch zu transportierenden Fluids kann so reduziert werden.
  • In ihrer Funktion auf eine Sollbruchsperre eingeschränkte Ausführungsformen gehen aus Fig. 9 hervor. Ein Stiftelement 12 eines Betriebsgerätes ist durch eine Feder 20 beaufschlagt, die das Stiftelement 12 in der in Fig. 9 gezeigten Stellung hält, wobei das Betriebsgerät funktionsgemäß gegen die elastische Schicht 9 der Flusszelle anliegt. In der gezeigten Stellung hat das Stiftelement 12 die Folie 8 aufgebrochen. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 wäre die Ausnehmung 7 durch die elastische Schicht 9 in dieser Stellung des Stiftelements 12 fluiddicht verschlossen.
  • In dem gezeigten Beispiel weist jedoch die zylindrische Ausnehmung 7 an einer Seite eine Ausweitung 21 auf, durch die sich zwischen der aufgebrochenen Folie 8 und der in die Ausnehmung 7 hinein gedehnten elastischen Schicht 9 ein Strömungsdurchgang 22 für ein unter Druck (+P) stehendes Fluid ausbilden kann.
  • Wie die Fig. 9a - 9c zeigen, kann die seitliche Ausweitung 21 unterschiedlich geformt sein.
    In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 9c ist nicht nur die Ausweitung 21 der zylindrischen Ausnehmung 7, sondern auch eine der Ausweitung 21 zugewandte Abschrägung 23 an dem Stiftelement 12 gebildet, durch die sich ein vergrößerter Querschnitt des Strömungsdurchgangs 22 ergibt.
  • Bei einem in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel weist ein Stiftelement 12 einen etwa konischen Endabschnitt 24 auf, dessen maximaler Querschnitt den Öffnungsquerschnitt einer zylindrischen Ausnehmung 7 in einem Substrat 1 übersteigt.
  • In einer in Fig. 10b gezeigten Vorschubposition des Stiftelements 12 ist eine Sperrfolie 8 durch eine in die Ausnehmung 7 hinein gedehnte elastische Schicht 9 bereits aufgebrochen und ein sich an die Ausnehmung 7 anschließender Kanalbereichsabschnitt durch Fluidinnendruck aufschließbar. In der in Fig. 10c gezeigten Stellung ist diese Möglichkeit unterbunden, indem der konische Endabschnitt 24 die elastische Schicht 9 und die Sperrfolie 8 zwischen dem konischen Endabschnitt 24 und einem im Randbereich der Ausnehmung 7 gebildeten Ventilsitz fluiddicht zusammenpresst.
  • Auch bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel könnte zum Verschließen des Ventilsitzes ein weiterer Vorschub des Stiftelements erforderlich sein, wenn in der Vorschubstellung, in der die Sperrfolie aufreißt, die Zugspannung der elastischen Schicht zur Bildung einer fluiddichten Sperre noch nicht ausreicht.

Claims (14)

  1. Flusszelle mit einer Sollbruchsperre in einem Kanalbereich (6,7,14,7') der Flusszelle,
    gekennzeichnet durch
    mindestens eine Ausnehmung (7) in einem Substrat (1) der Flusszelle, die einen Teil des Kanalbereichs (6,7,14,7') bildet und eine Öffnung in einer Oberfläche des Substrats (1) aufweist, wobei die Öffnung durch eine mit der Oberfläche verschweißte oder/und verklebte Sperrfolie (8) hermetisch verschlossen ist, sowie durch eine zur Anordnung über der Sperrfolie (8) vorgesehene elastische Schicht (9), die unter Bruch der Sperrfolie (8) und Bildung eines Zugangs zu einem durch die Sperrfolie (8) und die Schicht (9) begrenzten Kanalbereichsabschnitt (14) in die Ausnehmung (7) hinein dehnbar ist.
  2. Flusszelle nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Substrat (1) in einem an die Öffnung grenzenden Randbereich (15) einen Ventilsitz bildet, an den die elastische Schicht (9) und die Sperrfolie (8) unter fluiddichter Trennung des Kanalbereichsabschnitts (14) von der Ausnehmung (7) anpressbar ist.
  3. Flusszelle nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich die Sperrfolie (8) und/oder die elastische Schicht (9) über mehrere, jeweils einen Teil eines Kanalbereichs (6,7,14,7') bildende Ausnehmungen (7) mit einer Öffnung in der Substratoberfläche erstrecken/erstreckt.
  4. Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Schicht (9) durch ein von einer Betreibervorrichtung für die Flusszelle umfasstes, gegen die elastische Schicht (9) verschiebbares, insbesondere dazu senkrecht vorschiebbares, Stiftelement (10) in die Ausnehmung (7) hinein dehnbar ist.
  5. Flusszelle nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Stiftelement (10) koaxial zu der Öffnung angeordnet und die Öffnung vorzugsweise kreisrund ist.
  6. Flusszelle nach Anspruch 4 oder 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Stiftelement (10) einen sich in Vorschubrichtung verringernden Querschnitt aufweist.
  7. Flusszelle nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Querschnitt des Stiftelements (10) entgegen der Vorschubrichtung auf einen Wert größer als der Öffnungsquerschnitt anwächst.
  8. Flusszelle nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in einer Verschlussstellung das Stempelelement (10) die elastische Schicht (9) und die Sperrfolie (8) zwischen dem Ventilsitz und einem sich im Querschnitt in Vorschubrichtung verringernden Abschnitt oder einer Ringschulter des Stempelelements einklemmbar sind.
  9. Flusszelle nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass sich in dem den Ventilsitz bildenden Randbereich (15) die Öffnung aufweitet, insbesondere konisch aufweitet.
  10. Flusszelle nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die elastische Schicht (9) in einem an dem Kanalbereichsabschnitt (14) angrenzenden Flächenbereich mit der Sperrfolie (8) verklebt oder/und verschweißt ist oder durch ein Stempelelement (10) der Betreibereinrichtung gegen die Sperrfolie (8) fluiddicht anpressbar ist.
  11. Flusszelle nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die elastische Schicht (9) Bestandteil der Flusszelle oder der Betreibereinrichtung ist.
  12. Flusszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die elastische Schicht (9) im Bereich des Kanalbereichsabschnitts (14) lose auf der Sperrfolie (8) aufliegt und unter Bildung eines Strömungsquerschnitts zwischen der elastischen Schicht (9) und der Sperrfolie (8) durch Fluiddruck oder/und äußeren Saugdruck dehnbar ist.
  13. Flusszelle nach einem der Ansprüche 4 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die elastische Schicht (9) unter Bildung eines Strömungsdurchgangs zwischen der elastischen Schicht (9) und der Sperrfolie (8) in dem Kanalbereichsabschnitt (14) permanent geformt ist.
  14. Flusszelle nach einem der Ansprüche 4 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ausnehmung (7) oder/und das Stiftelement (12) derart ausgebildet ist, dass in einer Vorschubposition des Stiftelements (12), in welcher die elastische Schicht (9) in die Ausnehmung (7) hinein gedehnt ist, der Kanalbereichsabschnitt (14) in Strömungsverbindung mit der Ausnehmung (7) steht.
EP20176011.3A 2020-05-22 2020-05-22 Flusszelle mit sollbruchsperre Pending EP3912721A1 (de)

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