KR20110021999A - 유체의 계량을 위한 마이크로유체 포일 구조체 - Google Patents

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KR20110021999A
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디르크 쿠로브스키
마리오 헴펠
게르트 블랑켄슈타인
토비아스 로덴펠스
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베링거 인겔하임 미크로파르 게엠베하
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Abstract

본 발명은 마이크로유체 네트워크 내로의 액체를 계량하기 위한 마이크로유체 디바이스에 관한 것이다. 마이크로유체 채널 또는 챔버가 적어도 부분적으로 기판 캐리어 상부의 필름 내로의 적합한 구조체의 도입에 의해 형성되어, 네트워크를 통한 유체의 유동의 적어도 일부가 기판의 평면 위에서 발생한다. 필름 내에 안정한 채널 구조체 또는 챔버 구조체를 형성하기 위해, 미부착 부분과 부착 부분 사이의 에지 구역에서, 필름이 기판에 접합됨에 따라 재료의 웨지가 필름 재료의 점성 유동에 의해 형성되고, 이 웨지는 챔버 벽과 기판 사이의 전이부를 형성하고, 기판의 평면 위로 챔버 벽을 상승시킨다. 완성된 마이크로유체 구조체를 제조하는 일 방법에서, 편평한 평면형 필름이 편평한 시트형 기판 상에 라미네이팅된다. 라미네이션 중에, 적어도 하나의 리세스 또는 개구를 갖는 마스크가 압력 하에서 및/또는 열의 영향 하에서 필름 상에 그리고 기판 상에 가압된다. 필름은 이에 의해 리세스 또는 개구의 영역 내로의 필름 및/또는 기판 매체의 점성 유동이 존재하는 온도로 유도되어, 재료의 웨지가 형성되고 필름이 리세스의 영역 내에서 팽윤되어 챔버를 형성한다. 본 발명은 또한 모세관 정지부가 필름을 작동함으로써 극복되는 마이크로유체 네트워크 내의 적어도 하나의 액체를 계량하는 방법에 관한 것이고, 모세관 정지부가 제거될 때 필름이 습윤된다.

Description

유체의 계량을 위한 마이크로유체 포일 구조체{MICROFLUIDIC FOIL STRUCTURE FOR METERING OF FLUIDS}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 마이크로유체 네트워크 내의 액체를 계량하기 위한 구조체와, 이 종류의 구조체를 제조하기 위한 프로세스 및 이러한 구조체를 사용하는 액체를 계량하기 위한 프로세스에 관한 것이다.
본 발명은 특히 액체를 이송하기 위해 모세관 효과 또는 압력차를 사용하고 마이크로유체 구조체의 적어도 일부가 플레이트형 기판 상에 포일에 의해 형성된 챔버 및/또는 채널로 이루어지는 이들 마이크로유체 구조체 및 디바이스에 관한 것이다.
탄성 멤브레인이 마이크로유체 밸브를 개방 및/또는 폐쇄하기 위해 사용되는 밸브 구조체가 종래 기술로부터 알려져 있다.
따라서, US 2005/0205816 A1호는 유동이 유동 채널의 부분 상에 배열된 가요성 멤브레인에 의해 중단될 수 있는 특히 마이크로유체 채널 내의 유동을 제어하기 위한 마이크로유체 구조체용 밸브를 개시하고 있다. 이를 위해, 압축 공기가 멤브레인에 인접하는 챔버에 인가되고, 따라서 멤브레인은 채널의 경로 내로 이동하여 이를 폐쇄하도록 편향된다.
US 5,811,291호는 서로에 대해 2개의 폴리머 포일, 특히 PE 포일의 라미네이션에 의해 생성되는 마이크로유체디바이스를 설명하고 있다. 포일은 압력 및 열의 효과에 의해 부분적으로 함께 접합되어 챔버 및 채널이 액체의 도입에 의해 미연결 라미네이션 영역에 형성될 수 있다. US 5,811,291호는 특히 큐벳(cuvette)에 관한 것이다.
US 2006/0076068 A1호는 밸브가 캐리어 재료 내의 채널 구조체를 덮고 있는 멤브레인에 의해 형성되는 마이크로유체 펌프 및 마이크로유체 밸브와 이들을 제조하기 위한 프로세스를 개시하고 있다. 밸브는 선택적인 라미네이션을 사용하여 제조되고, 멤브레인은 밸브의 영역에 부착되지 않고 유지된다.
US 2006/0057030 A1호는 액체 저장조가 베이스 플레이트 내에 형성되어 있는 저장조로부터 액체를 운반하기 위한 마이크로유체 디바이스, 소위 MEMS 디바이스를 개시하고 있다. 액체-이송 구조체로서 저장조 및 채널을 갖는 베이스 플레이트는 제 1 폴리머 필름에 의해 덮여진다. 제 1 폴리머 필름은 저장조 및 채널로의 개구를 갖는다.
다른 제 2 폴리머 필름이 제 1 폴리머 필름 상에 배열되고, 제 2 필름은 부분적으로 돔형으로 형성되어 챔버들이 볼록부에 의해 형성되게 된다. 이들 챔버는 서로로부터 유동적으로 분리되고 공기로 충전되고, 예를 들어 챔버를 함께 가압함으로써 충분한 압력의 인가가 분리점이 제 1 및 제 2 필름 사이를 파괴 개방하게 하고, 압축된 공기가 개구를 통해 탈출하여 저장조로부터 채널 내로 액체를 변위시킨다.
US 6,902,706 B1호는 분석 칩 내의 액체를 제어하기 위한 밸브를 개시하고 있다. 밸브는 기판 내의 채널 단부를 덮는 포일을 포함한다. 포일은 채널 단부의 영역에서 돔 형상으로 볼록하게 형성되고 이 돔 형상 챔버에 의해 이들 단부들을 연결한다. 돔은 공압식 원추형 액추에이터에 의해 하강될 수 있어, 이에 의해 밸브를 폐쇄한다.
US 2005/0037471 A1호는 제 1 채널이 편평한 탄성 중합 플라스틱 시트에 형성되어 있는 마이크로유체 밸브 또는 마이크로유체 펌프를 제조하는 방법을 설명하고 있다. 제 2 도구가 제 2 탄성 중합체의 층 내에 제 2 채널을 형성하는데 사용된다. 제 1 시트는 제 2 층의 편평한 평면형 표면 상의 채널측에 배치되어 그에 부착된다. 다음, 하부 플레이트가 예를 들어 유리의 시트와 같은 편평한 평면형 캐리어 상에 제 2 채널이 여전히 개방된 상태로 배치된다. 제 1 채널을 통해 이송된 액체는 제 1 및 제 2 채널 사이의 교점에서 탄성 중합 분리 재료에 의해 형성된 멤브레인을 편향할 수 있고 따라서 밸브로서 작용한다.
US 2005/02058816 A1호는 마이크로유체 멤브레인 밸브를 개시하고 있다. 유동 채널 상부에 배열된 가요성 멤브레인이 사용된다. 멤브레인에 인접하는 챔버 내에 공압 압력 또는 진공을 도입함으로써, 멤브레인이 편향되고 유동 채널을 폐쇄하거나 개방한다.
전술된 개시 내용에 따라 밸브 구조체 또는 계량 요소를 얻기 위해, 상기 절차는 탄성 중합체 포일 또는 탄성 중합체 플라스틱 시트를 변형시킴으로써 채널 구조체를 형성하는 것이다.
따라서, 단점은 형성될 윤곽이 몰딩 다이 내의 높은 정밀도를 갖고 형성되어야 한다는 것이다. 이 종류의 3차원 미세 구성된 다이의 제조는 고비용이다.
게다가, 이러한 다이를 제조하기 위한 기계적 가공 기술은 현재 단지 구조체의 특정 최소 크기로 낮추는데 사용될 수 있다. 1 미크론보다 매우 낮은 치수를 갖는 구조체는 다이를 생성하기 위한 광기술 방법을 필요로 하고, 이는 다이의 비용을 더욱 더 상승시킨다.
따라서, 본 발명의 목적은 경제적으로 제조될 수 있는 제조 프로세스 및 이 제조 프로세스에 따른 마이크로유체 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 나노미터 범위 또는 수 미크론 범위의 크기의 마이크로유체 구조체를 제조하는 대안적인 방법을 제공하고 향상된 유체 이송 특성을 갖는 이러한 구조체를 제조하는 것이다.
종래 기술에 따르면, 밸브는 일반적으로 탄성 멤브레인이 캐리어 기판 내의 유체 이송 구조체 상에 놓이고 이완 상태에서 이들 유체 채널을 폐쇄하는 요소에 의해 형성된다.
액체에 내부 압력을 또는 밸브 부재에 외부에서 인가된 압력을 인가함으로써, 멤브레인이 편향되어 유동 경로를 개방한다. 탄성 시트 재료에 유체 이송 구조체를 형성하고 편평한 기판 상에 이와 같이 얻어진 유체 네트워크를 배치하는 것이 또한 알려져 있다. 이러한 채널을 목표된 방식으로 작동하고 제어하기 위해, 하나 이상의 채널 시스템이 하나가 다른 하나의 상부에 적층되고 예를 들어 공압식으로 또는 유압식으로 팽창되고, 이에 의해 다른 평면 내의 채널을 개방 또는 폐쇄한다. 일반적으로, 힘드는 고가의 구조화 기술이 이 종류의 유체 네트워크를 제공하도록 요구된다.
이 배경에 대해, 목적은 기판, 포일 또는 멤브레인의 임의의 사전 구조화를 필요로 하지 않고 단일의 작업 단계에서 유체 밸브가 제조될 수 있게 하는 이러한 구조체를 제조하는 간단한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액체를 이송하기 위한 향상된 특성을 갖는 수동 마이크로유체 제어 요소를 형성하기 위해 밸브와 같은 마이크로유체 제어 부재의 작동을 단순화하는 것이다.
상기 목적들은 청구항 1에 따른 마이크로유체 구조체 요소, 청구항 31에 따른 이 종류의 마이크로유체 구조체 제조 방법 및 이 종류의 마이크로유체 구조체를 갖는 청구항 37에 따른 액체 계량 방법에 의해 성취된다.
본 발명에 따르면, 편평한 포일 또는 필름이 편평한 기판 또는 캐리어에 도포되고, 더 구체적으로는 이 캐리어에 밀봉되는 것이 고려된다.
밀봉, 특히 라미네이션은 캐리어 및 필름을 서로 적층하여 배치함으로써 수행된다. 다음에, 라미네이션을 위해, 마스크(가열된 다이)가 필름 상에 배치된다. 마스크는 리세스 또는 개구를 갖고, 리세스 또는 개구의 영역에서 마스크(다이)와 필름 사이에 접촉이 없다. 다이의 열 및 접촉 압력의 작용의 결과로서, 필름 및/또는 기판의 재료는 유동하기 시작하고 재료는 리세스 및/또는 개구 내로 이동한다.
그 결과로서, 리세스 또는 개구의 내부 에지 영역에서, 재료는 기판과 필름 사이의 웨지의 형태로 축적된다. 본 발명의 개념에서 용어 웨지는 필름과 기판 사이의 필름의 미고정 부분의 에지 영역 내의 필름 및/또는 기판 재료의 축적 또는 가열을 의미한다. 형상은 웨지의 문자상의 의미와는 상이할 수 있고, 그 결과 재료의 웨지는 비드, 삼각형, 원의 세그먼트, 타원형 형상 및 이들 형상의 조합 및 섹션의 형태를 취할 수 있다.
다층 필름이 사용되면, 이는 유리하게는 커버층/커버 필름의 형태의 외부 고융점 재료 및 기판 내부의 밀봉층으로서 저융점 플라스틱 재료를 갖는다. 밀봉 필름 재료는 예를 들어 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 또는 에틸렌 아크릴산(EAA)일 수 있고, 커버 필름의 재료는 일반적으로 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌 또는 아크릴레이트이다.
유리하게는, EVA는 라미네이션 중에 균질하게 용융된다. 용융 중에 낮은 점도를 갖는 이 재료는 필름 아래에서 마스크 내의 공간 내로 가압되고, 비드 또는 웨지를 형성하고, 필름이 개구 내에서 팽윤될 수 있게 하고, 그리고/또는 개구의 영역에서 필름 내의 팽윤부를 안정화한다.
재료의 웨지는 고정된 부분 사이의 에지 구역에서 그리고 미고정 부분에서 기판의 평면으로부터 필름을 상승시킨다.
유리하게는, 60℃ 내지 190℃, 특히 85℃ 내지 130℃의 용융 온도를 갖는 플라스틱 재료가 밀봉층에 대해 사용된다.
밀봉층과 함께 사용되는 커버층 또는 커버 필름의 용융 온도가 이로부터 구별되어야 하고 이 온도를 초과해야 한다.
따라서, 커버 필름 재료는 150℃ 내지 400℃, 특히 200℃ 내지 300℃의 용융 온도에 도달해야 한다.
플라스틱의 접합 또는 가교 결합을 성취하기 위해, 총 용융이 발생해야 한다. 대안적으로, 밀봉층이 60℃ 내지 190℃, 더 구체적으로는 85℃ 내지 130℃에서 연화되고 연화된 재료를 가교 결합하면 또한 충분할 수 있다. 전술된 온도 체제 하에서 재료의 연화의 결과로서 커버 필름의 가교 결합 또는 접합이 발생하는 것이 또한 가능하다.
사용된 플라스틱의 점도에 따라, 재료의 용융 또는 접착 없이 라미네이션이 발생하는 것이 또한 가능하다. 필름은 필름 재료가 연화될 때까지만 가열되고, 이 필름은 이어서 점성 방식으로 유동한다.
대안적으로, 용제의 사용에 의해 라미네이션을 수행하는 것이 또한 가능할 수 있다. 용제는 부착되는 기판의 영역에 도포된다. 선택적인 도포를 위해, 용제는 예를 들어 마스크를 통해 스프레이되거나 페인팅되거나 스탬핑될 수 있다. 다음에, 라미네이팅될 필름이 상부에 배치되어 다른 마스크 또는 다이에 의해 가압된다. 이 부착은 또한 어떠한 열의 인가도 없이 주위 온도에서 수행될 수 있다. 이 실시예에서, 바람직하게는 사전 성형된 필름이 라미네이팅된다. 용제에 의해 용해되기 시작하는 재료가 필름 내의 사전 형성된 챔버 영역 내로 가압되고 재료의 웨지를 형성한다.
용어 "챔버"는 본 발명에서 밸브 또는 파우치로 이어지는 세장형 채널, 라인과 같은 3차원 형상의 임의의 유체 이송 구조체를 의미한다. 사용된 유체는 액체 및 가스일 수 있다.
유리하게는, 평활한 편평한 기판이 마이크로유체 디바이스의 베이스로서 사용된다. 베이스 또는 기판은 또한 필름에 의해 형성될 수 있다. 마이크로유체 구조체는 이어서 단지 필름 내에 3차원 구조체로서 형성되고 미구조화된 기판 평면 상으로 상승되는 챔버에 의해서만, 특히 입구 챔버, 샘플 챔버, 비율 챔버 및 채널에 의해서만 형성된다.
챔버 및 채널은 기판 표면 상부에 완전한 마이크로유체 네트워크를 형성한다.
유리하게는, 기판 내의 유체 이송 구조체는 또한 특히 기판 내의 채널 섹션 또는 개구와 같은 필름 내의 챔버에 의해 덮여질 수 있다. 기판 내의 개구는 기판의 상부 및 저부 상의 유동 네트워크를 연결할 수 있고, 또는 샘플 유체가 마이크로유체 네트워크 내로 도입될 수 있는 기판 내의 개구를 갖는 입구 영역을 형성할 수 있다.
기판 내의 개구의 마우스 또는 채널의 단부는 기판 표면에서 종료하고, 개구 또는 채널이 기판 내로 연장함에 따라 기판의 평면 위에 위치된 필름 내의 챔버로의 단차부를 형성한다.
모세관 수단에 의해 작동되는 마이크로유체 디바이스에서, 이 종류의 단차부는 모세관 정지부를 형성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이 모세관 정지부는 수동적으로 또는 능동적으로 극복될 수 있다. 이를 위해, 챔버 벽 또는 챔버 베이스는 기판 내의 단차부로부터 습윤되어야 한다.
필름 내의 챔버 또는 채널 구조체는 반구, 더 구체적으로는 돔의 방식으로 기판의 평면 상으로 상승된다.
챔버 벽과 챔버 베이스 사이의 에지 영역은 2°내지 90°의 각도, 유리하게는 특히 5°내지 25°의 각도를 형성한다. 작은 개구 각도로, 낮은 간극이 챔버의 에지에 형성된다. 이 낮은 간극 높이는 챔버의 베이스의 영역에서 높은 모세관력을 발생시킨다.
모세관 정지부의 수동적인 극복을 성취하기 위해, 챔버의 외부 에지는 횡단 보어 또는 채널 단부의 단차 에지 상에 배열되어 1 미크론 내지 5 미크론, 더 구체적으로는 10 미크론 내지 50 미크론의 모세관 간극이 단차 에지와 단차 에지를 덮는 챔버 벽 사이에 잔류한다. 작동 중에, 이 모세관 간극은 단차부에서의 전방 축적 및 팽윤하는 액체에 의해 극복될 수 있다.
도시되지 않은 다른 실시예에서, 모세관 정지부는 소수성 영역에 의해 형성된다. 이 종류의 모세관 정지부는 예를 들어 소수성 플라스틱의 사용에 의해 또는 코팅에 의해 생성될 수 있다. 이 모세관 정지부는 또한 인접하는 필름 벽의 습윤에 의해 극복될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 멤브레인은 필름과 기판 사이에 배열된다. 이 종류의 멤브레인은 예를 들어 공급된 샘플 액체 내의 입자의 필터링 또는 분리를 수행하기 위해 제공될 수 있다. 유리하게는, 멤브레인은 예를 들어 분위기로 개방된 샘플 액체를 위해 기판 내에서 또는 공급 챔버 내에서 관통 유동 개구 상에 또는 내에 배열된다.
멤브레인은 특히 필름과 기판 사이의 간극 내에 배열될 수 있어, 멤브레인이 모세관 정지부를 브리징할 수 있고 습윤 보조부로서 기능할 수 있다.
모세관 정지부는 단차부의 에지 상에 필름을 하향 가압함으로써 능동적으로 극복될 수 있어, 모세관 간극이 챔버의 습윤이 기판 내의 유체 이송 구조체로부터 시작하는 지점으로 감소되게 된다.
유리하게는, 이 종류의 구조체는 밸브로서 작용할 수 있다. 기판을 통한 관통 유동 개구는 챔버에 의해 덮여진다. 관통 유동 개구에 의해 형성된 모세관 정지부는 개구에서 유체의 유동을 제지한다.
필름이 이어서 챔버의 영역, 즉 관통 유동 개구 상부의 챔버 벽에서 하향 가압되면, 유체 흐름은 발생하는 습윤에 의해 전방으로 수행될 수 있다. 따라서, 탄성 챔버 벽이 마이크로유체 네트워크 내의 가역적인 탄성 개방 밸브로서 작용한다. 그 탄성 치수 안정성에 의해, 필름 재료는 그 원래 위치로 복귀하여, 일단 제 1 계량된 양의 유체가 유동하면 다른 양의 유체가 계량될 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시예에서, 필름은 기판의 상부와 저부의 모두 상에 라미네이팅되고, 거기서 마이크로유체 구조체를 덮거나 마이크로유체 챔버를 형성한다.
챔버 벽을 하향 가압함으로써 습윤을 위해 필름을 변형시키는 다이 또는 펀치 또는 다른 전자 기계적 도구 대신에, 압축 공기의 도입에 의해 또는 기판을 굽힘으로써 유체를 계량하는 것이 또한 가능하다.
이를 위해, 탄성 기판이 기판 캐리어 상의 접촉점 또는 가이드에서 일 또는 양 측면 상에 클램핑되고 이어서 기계적으로 굽혀진다. 기판 내에 포지티브 굽힘부 및/또는 곡률이 존재할 때, 표면은 기판의 변형 중립 코어 파이버와 비교에 의해 신장되고, 그 결과 필름이 또한 신장된다.
이는 챔버 벽이 모세관 단차부와 관련하여 이동되고, 따라서 습윤을 발생시키는 것을 보장한다. 굽힘부가 큰 경우에, 채널 또는 챔버는 완전히 폐쇄될 수 있다. 지원 용량에서, 기판이 필름으로부터 먼 기판의 측면 상에 특히 웨지 또는 절결부의 형태의 리세스를 갖는 것이 또한 가능하다. 기판이 굽혀질 때, 높은 굽힘 반경이 이들 영역에서 얻어지고, 따라서 특히 챔버 벽을 위한 높은 정도의 조정 이동을 형성한다.
유리하게는, 굽힘 중에 기판이 지지되거나 가동 다이로서 작용하여 기판 캐리어 내에 굽힘부를 도입하는 지지 부재, 특히 앤빌이 제공된다.
굽힘 중에, 채널 또는 챔버의 단면적은 굽힘의 수학적인 부호에 따라 더 작게 또는 더 크게 이루어진다. 채널 또는 챔버 내의 유동은 이 방식으로 고의적으로 억제될 수 있다.
채널 또는 챔버의 개방 및 폐쇄는 주기적으로 방향적으로 배향된 방식으로 수행될 수 있고, 그 결과 필름 내의 채널 또는 챔버는 펌프로서 작동된다. 따라서, 예를 들어 2개의 채널 단부를 덮는 필름 챔버의 경우에, 챔버 벽의 형태로 필름을 하향 가압함으로써 일 채널 단부를 초기에 폐쇄하고, 다이에 의해 이어서 여전히 개방되어 있는 제 2 채널 단부를 향해 다이를 이동시키고 제 2 채널 내로 개방된 챔버 영역에서 포위된 일정량의 액체를 가압하는 것이 고려될 수 있다.
이 펌프 기구에 대안적으로, 드럼이 필름 채널 상에서 일 방향으로 이동하는 연동 펌프의 원리가 또한 사용될 수 있다. 펌프의 선형 실시예에서, 하나가 다른 하나의 후방에 배열된 일련의 액추에이터가 파동 이동으로 작동되고, 이 방식으로 액체가 관형 탄성 필름 채널 내에서 전방으로 이송된다.
유리하게는, 기판은 또한 예를 들어 기판 또는 유체 충전 탄성 필름 시스템의 고조파 고유 공진을 갖는 굴곡 진동에 의해 여기될 수 있어, 횡파, 특히 이를 따라 이동하는 수직파가 액체 칼럼 내에 각인되고 따라서 이를 따라 액체를 구동하거나 모세관 정지부를 극복하는 것을 돕는다.
본 발명에 따르면, 0.01 마이크로리터, 0.1 마이크로리터, 0.2 마이크로리터, 0.5 마이크로리터, 1 마이크로리터, 3 마이크로리터, 5 마이크로리터, 10 마이크로리터 및 20 마이크로리터의 체적 및 다른 체적, 특히 또한 상기 언급된 체적의 조합으로부터 얻어지는 중간 크기를 갖는 매우 소형 모세관 챔버를 제조하는 것이 특히 가능하다.
필름 내에 형성된 챔버는 바람직하게는 단면 내의 챔버의 폭이 챔버의 높이의 적어도 20배인 원반 형상 단면이다. 일 실시예에서, 단면 높이는 단면의 정점 영역에서 10 내지 15 미크론이고, 에지와 정점 또는 꼭대기 영역 사이의 중앙 단면 영역에서 5 내지 10 미크론, 에지 영역에서 0.1 내지 5 미크론이다. 예를 들어 1 내지 4 미크론 크기의 혈소판 및 7 내지 8 미크론 크기의 적혈구와 같은 상이한 크기의 입자가 운반되는 샘플 액체가 이러한 단면을 갖는 채널을 통해 유동하면, 백혈구가 단면 섹션의 정점 영역에서 축적되고, 적혈구가 중앙 영역에서 축적되고 혈소판이 단면의 에지 영역에서 축적된다.
이 방식으로, 특히 흐름이 분리될 때, 즉 단면이 이에 따라 분기되거나 관련 단면 직경을 갖는 채널 또는 관통 유동 개구로 병합될 때 혈액 성분을 분리하는 것이 가능하다.
일 실시예에서, 챔버의 정점 또는 돔이 하강되는 것이 고려된다. 이는 필름 챔버의 외부 간극 영역에서 또한 챔버의 중심에서 마이크로유체 구조체 내에서 작동하는 높은 모세관이 존재하는 것을 보장한다.
특정 플라스틱 재료는 열의 영향 항서 이들의 형상을 변경하고 이어서 복원하는 능력을 가질 수 있다. 이 형상 기억의 특성을 사용하기 위해, 폴리에틸렌 또는 폴리아미드의 필름 재료가 소위 활성화 온도를 초과하는 온도로 가열되고 원하는 형상이 이 온도에서 필름에 제공된다. 특히, 이 온도에서, 챔버 및/또는 채널이 특히 본 발명에 따른 이들 챔버를 성형함으로서 또는 특히 가열된 필름을 열성형함으로써 필름 내에 도입된다. 다음에, 필름은 급속하게 냉각되어 필름이 그 변형된 형상을 유지하게 된다. 활성화 온도를 초과하여 필름의 후속의 가열은 그 원래 형상으로 필름을 복귀시킨다.
이 방식으로 처리된 형상 기억 플라스틱으로부터 채널의 국부적인 가열에 의해, 채널은 가열된 섹션을 따라 폐쇄되거나 개방될 수 있다.
챔버가 관통 유동 개구 또는 채널 섹션을 거쳐 폐쇄되는 폐쇄 밸브가 또한 이 방식으로 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 특징은 예로서 이하의 실시예 및 도면으로부터 추론될 수 있다.
도 1은 기판 평면 위에 챔버를 갖는 마이크로유체 구조 요소를 도시하는 도면.
도 2는 2층 필름을 갖는 마이크로유체 구조 요소를 도시하는 도면.
도 3은 채널로의 모세관 단차부를 갖는 필름에 의해 덮여진 관통 유동 개구를 도시하는 도면.
도 4는 도 3에 따른 작동된 마이크로유체 밸브 요소를 도시하는 도면.
도 5는 현탁액의 성분을 분리하기 위한 마이크로유체 채널을 도시하는 도면.
도 6은 고정되지 않은 필름부가 2개의 채널 단부를 덮고 있는 밸브 요소를 도시하는 도면.
도 7은 기판을 굽힘으로써 작동되는 밸브 요소를 도시하는 도면.
도 8은 공압식으로 작동되는 밸브 요소를 도시하는 도면.
도 9 및 도 10은 기계적으로 압축될 수 있는 굽힘 바아의 섹션 상의 채널 요소를 도시하는 도면.
도 11은 제조 중의 필름 채널을 도시하는 도면.
도 12는 하강된 중심을 갖는 필름 채널을 도시하는 도면.
도 13은 성형 도구 내의 필름 채널을 도시하는 도면.
도 14a 및 도 14b는 밀봉 및 압력 필름을 갖는 필름 채널을 도시하는 도면.
도 1은 액체의 계량 또는 조작을 위한 마이크로유체 구조체를 단면도로 도시한다.
마이크로유체 구조체는 보어의 형태의 틈새 또는 개구(8)를 포함하는 기판(1)에 의해 형성된다.
필름(2)이 적어도 부분에 또는 개별 영역에서 기판 캐리어(1)에 부착된다.
미부착 부분 또는 미부착 영역에서, 필름은 편평한 기판 표면 상부로 팽윤하여 미부착 필름부가 챔버(6), 특히 편평한 기판 평면(21) 위에 채널(5)을 형성하게 된다.
필름부는 바람직하게는 환경으로부터 유체 기밀 방식으로 챔버(6)를 밀봉한다.
특히 마이크로유체 네트워크를 위한 입구 개구인 기판에 도시된 개구(8)의 대안으로서, 채널 섹션(5, 20) 또는 챔버(6) 및 밸브 공간이 또한 이하의 설명에서 나타내는 바와 같이 필름에 의해 기판 내에 경계 형성될 수 있다.
유리하게, 마이크로유체 챔버(6) 및 채널(5)은 기판 캐리어(1)의 고비용의 마이크로 구조화의 필요성을 회피하기 위해 미구조화된 기판 표면 상에서 필름 내에 성형될 수 있다.
마이크로유체 디바이스를 제조하기 위해, 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 기판이 먼저 워밍되어 몰드 내에서 주조되고, 또는 채널 구조체는 성형 가능한 플라스틱 내의 몰드의 네거티브 구조체의 각인을 수행함으로써 도입된다. 유리하게는, 적어도 부분적으로 평면형 및/또는 편평한 표면을 갖는 미구조화된 기판 시트가 이 종류의 마이크로유체 디바이스를 위해 사용될 수 있다. 기판 시트의 편평한 및/또는 평면형 표면 영역은 서로에 대해 단차식 또는 계단식으로 배열될 수 있어, 개별 표면 영역이 평균 표면 높이에 대해 상이한 높이에 있게 된다.
필름이 특히 라미네이션에 의해 기판의 표면에 부착된다.
도 11은 플라스틱으로 제조된 평면형의 미구조화된 기판(1)이 라미네이션 프로세스를 위한 대응 지지부를 형성하는 지지 시트(31) 상에 지지되는 밀봉 또는 라미네이션 프로세스를 도시한다. 열가소성 플라스틱 재료의 필름(2)이 기판 상에 배치되어 가열 가능한 가압 다이(31)에 의해 압력(P)으로 하향 가압된다.
기판 재료는 바람직하게는 순수 폴리올레핀 또는 폴리올레핀의 블렌드, 특히 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 에틸렌 또는 프로필렌의 공중합체와 이들의 혼합된 블렌드로 이루어진다.
필름 재료에 대해, 스티렌/에틸렌/부틸렌 폴리머에 기초하는 열가소성 탄성 중합체(TPE), EPR(에틸렌 및 폴리프로필렌에 기초하는 합성 고무), EPDM(에틸렌프로필렌 디엔 모노머에 기초하는 테르폴리머), 폴리올레핀과 폴리아미드(PA)의 합금, PP/EPR/PE, PP/EPDM 또는 PE/EVA/EPDM, EAA 또는 폴리프로필렌 공중합체의 블렌드가 바람직하게 사용된다.
대안적으로, 열악하게 습윤 가능한 플라스틱이 사용되는 경우, 필름 재료로서 청동, 유리 또는 탄소와 같은 필러를 갖는 PTFE 필름 또는 PTFE 블렌드 또는 PTFE를 사용하는 것이 또한 가능하다.
가압 다이(31)는 개구를 갖고, 이 결과로서 어떠한 접촉 압력(P)도 개구의 영역에서 기판 상에 놓인 필름에 인가되지 않는다. 가압 다이(31)는 가열된 상태로 적소에 놓이고, 필름 재료 및/또는 기판이 용융되게 하는데, 용어 "용융"은 재료가 완전히 액체가 되지는 않지만 압력 하에서 유동하는 점도에 도달하거나 압력 하에서 소성 변형 가능한 것을 의미한다.
라미네이션, 즉 재료의 공동 유동 및 가교 결합은 압력 및 라미네이션 온도의 모두에 의존하기 때문에, 이들 파라미터는 넓은 범위 내에서 변경될 수 있다. 따라서, 가압 다이의 가압 표면의 기하학적 형상, 밀봉 압력, 밀봉 온도 및 밀봉 시간은 원하는 강도 및 기판(1)에 대한 필름(2)의 접착성이 성취되도록 선택되어야 한다.
필름이 몰드로부터 제거 가능하면, 라미네이션은 용이하게 제거 가능한 접합부에 대해 2 내지 5 N/10 mm 또는 더 단단히 접착하는 접합부에 대해 5 내지 20 N/10 mm의 접착 강도를 제공하도록 조정되어야 한다.
고정 라미네이션에 대해, 20 내지 80 N/10 mm의 접착값이 사용되는데, 이들 접착값은 10 mm 폭인 시험편으로의 인장 시험에 기초하는 것이다. 사용된 접촉 압력(P)은 70℃ 내지 170℃의 밀봉 온도에서 0.2 내지 20 N/mm2의 값을 갖는다. 고려된 밀봉 시간은 0.2초 내지 200초이다.
기판 재료는 필름 재료보다 높은 용융 온도 및/또는 유리 천이 온도를 갖는다. 라미네이션이 선택된 온도 범위에서 수행될 때, 이는 필름 재료의 더 큰 연화를 생성하고, 따라서 라미네이팅 조건 하에서 기판보다 더 많은 유동 가능성을 필름 재료에 제공한다.
다이(31)가 필름(2) 및 기판(1) 상에 압력(P)을 인가할 때, 특히 필름 재료는 낮은 전단 점도의 결과로서 유동한다. 압력 및 전단력은 필름 재료를 특히 접촉 압력이 없는 다이(31)의 영역 내로 변위시키고, 재료(11)의 웨지는 이에 의해 다이 내의 개구의 에지 영역 내에 형성된다. 바람직하게는, 필름(2)과 기판(1)의 어떠한 접합도 다이(31)의 개구의 영역에서 발생하지 않아, 따라서 미부착 영역(25)을 형성한다. 재료의 유동의 결과로서, 필름은 미부착 영역 내에서 팽윤하고, 기판과 필름 사이에 유체 이송 구조체를 형성한다. 이들은 도 11에서와 같은 채널(5), 또는 챔버(6) 또는 마이크로밸브일 수 있다.
형성된 재료(11)의 웨지는 미부착 영역에서 상향으로 필름을 가압하고 필름 구조체를 지지한다.
유리하게는, 필름 챔버(6)는 기판(1) 내의 보어(8) 또는 관통 유동 개구(8) 상에 배열될 수 있다. 필름은 탄성이기 때문에, 용이하게 변형될 수 있고, 그 결과로서 기판 채널(5) 내의 또는 기판의 상부와 저부 사이의 관통 유동 개구(8)를 통한 유동이 제어될 수 있다. 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 필름 챔버(6)는 라미네이션에 의해 부착된 영역(24)에 의해 밀봉되어 환경에 대해 유체 밀봉되게 할 수 있다.
필름 챔버(6) 또는 필름 채널(5)의 형상은 압력, 라미네이팅 시간 및 온도와 같은 필름 재료의 라미네이팅 조건의 모두 또는 가압 다이(31)의 기하학적 형상에 의존한다.
도 12는 상이한 크기의 개구를 갖는 가압 다이(31)가 사용되는 라미네이팅 프로세스를 도시한다. 더 소형의 우측 개구의 영역 및 가압 다이(31)의 중간에 위치된 더 대형의 리세스의 영역의 모두에서, 필름(2)은 상향으로 팽윤하고 재료(11)의 웨지가 형성된다.
중앙 영역에서, 팽윤은 기판(1)과 관련하여 필름(2)의 파형 단면을 유도하고, 이에 의해 2개의 채널(5)을 형성한다. 유리하게는, 관통 유동 개구(8)의 영역에서의 이 종류의 파형 구조는 도 12에 도시된 바와 같이 필름(2)의 중앙 구역이 관통 유동 개구(8) 내로 돌출할 때 사용될 수 있다. 이는 개구(8)에 의해 형성된 모세관 정지부가 처지는 중앙 영역 내에 필름을 습윤시킴으로써 극복되는 것을 보장한다.
도 13 및 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 최종 필름 챔버는 가압 다이에 의해 성형되어야 하는 것이 유리하게 고려된다. 이를 위해, 가압 다이(31)는 가압면 상에 반원형 리세스를 갖는다. 가압 프로세스 중에, 필름(2)은 리세스의 표면에 접촉할 때까지 상향으로 팽윤하고 그 결과로서 도 13에 도시된 바와 같이 반원형 형상을 취한다.
필름 재료의 특히 강력한 변위가 밀봉층을 갖는 필름에서 발생한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 이 종류의 필름(2)은 커버 필름(3) 및 밀봉 필름(4)으로 이루어진다. 밀봉 필름은 바람직하게는 EVA로 제조되고, 커버 필름(3) 및 기판(1)보다 낮은 융점을 갖는다. 가열 및 압력(P)의 인가 중에, 주로 선택된 라미네이션 온도에서 최저 전단 점도를 갖는 밀봉 필름의 재료가 미부착 영역(25) 내로 변위되어 웨지(11)를 형성한다. 변위된 재료의 양, 팽윤의 정도 및 재료의 웨지의 크기는 라미네이팅 시간, 접촉 압력 및 온도의 파라미터에 의존한다.
도 2, 도 14a 및 도 14b는 온도가 일정하게 유지되는 동안 상이한 밀봉 시간 후에 유체 채널을 생성하기 위한 라미네이팅 프로세스 또는 밀봉 프로세스를 도시한다. 제 1 밀봉 시간(t1) 후에, 밀봉 필름(4) 및 커버 필름(3)으로 이루어진 필름 구조체는 도 14a에 따라 반원형 리세스 내로 팽윤되고 부분적으로 이로 충전된다.
밀봉 필름(4)으로부터의 재료는 웨지 형상(11)으로 가열되고 기판의 표면으로부터 필름을 멀어지게 상승시킨다. 도 14b에 의해 도시된 바와 같이, 도 14a와 비교에 의해, 밀봉 필름(4)의 재료의 두께는 밀봉 시간이 증가함에 따라 감소한다. 비교적 긴 밀봉 시간(t2) 후에, 밀봉 필름(4)의 두께가 상당히 감소되고, 재료는 커버 필름(3)에 의해 이제 완전히 충전되어 있는 가압 다이(31) 내의 반원형 캐비티 내로 유동한다.
적어도 측면 영역 및 베이스 영역에서 밀봉 재료에 의해 그 측면들에서 접경하고 있는 초기에 반원형 채널(5)은 이제 도 14b에 따르면, 밀봉 시간(t2) 후에 대략 원형이 된다.
밀봉 필름(4)의 재료의 유동의 결과로서, 커버 필름(3)과 기판(1) 사이에 형성된 공간은 완전히 충전될 수 있다. 유리하게는, 중간 공간(6)의 0.1% 내지 90%, 특히 유리하게는 0.1% 내지 30%, 더 구체적으로는 0.1% 내지 5%의 충전 레벨이 실현된다.
웨지의 크기는 실질적으로 채널 구조체(5)의 에지 영역에서의 모세관력에 영향을 미친다. 1°내지 10°의 기판(1)과 채널(5)의 벽 사이의 개방각에 의해, 5°의 개구각 및 개구의 대략 삼각형 단면에 의해, 약 10 미크론의 중앙 높이 또는 정점 높이가 250 ㎛인 채널(5) 내에서 얻어진다.
10 ㎛ 폭의 에지 영역에서, 어떠한 웨지(11)도 존재하지 않으면, 간극 높이는 1 ㎛ 미만일 수 있다. 이 정도의 에지 간극은 그 낮은 높이의 결과로서 강력한 모세관 효과를 가질 수 있고, 프리슈터(preshooter)를 형성할 수 있는데, 즉 모세관이 그에 선행하여 면한다. 웨지(11)의 존재는 유리하게는 이들 높은 모세관 에지 영역이 고의적으로 충전되어, 따라서 바람직하지 않은 프리슈터 효과를 방지한다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 개구의 각도 및 정점(13)의 높이에 의해, 제조 중의 필름 챔버(6) 및 필름 채널(5)의 모세관 특성이 목표된 방식으로 조정될 수 있다.
유리하게는, 필름 챔버(6)의 성형은 다이(31) 내의 리세스의 기하학적 형상에 의해 그리고 리세스의 영역에서의 다이(31)의 통기구에 의해 영향을 받을 수 있다.
대응 압력은 예를 들어 외부로부터 제조 장치 내로 공압 압력을 도입함으로써 통기구에 인가될 수 있다. 이 방식으로, 팽윤 프로세스의 속도를 제어하는 것이 가능하다.
도 3 및 도 4는 기판의 상부 및 저부의 모두 상의 필름에 의해 덮여진 마이크로유체 디바이스를 도시한다. 채널(5)이 상부 및 저부에서 기판(2) 내에 형성되고, 횡단 보어(8)를 통해 서로 유동 연결되어 있다.
상부에서 횡단 보어(8)로부터의 출구에는, 에지 또는 단차부(12)가 존재한다. 저부에서 채널을 통과하고 횡단 보어(8) 내에서 상승하는 액체는 횡단 보어의 상단부에서 필름 챔버(6) 내로 돌출하는 메니스커스(9)를 형성한다.
챔버의 내부 상부의 필름 팽윤은 초기에 액체의 메니스커스와 접촉을 갖지 않는다. 따라서, 보어(8)의 에지는 보어(8) 내에서 상승하는 액체를 위한 모세관 정지부로서 작용한다.
단차부(12)를 갖지 않는 이 종류의 모세관 정지부를 형성하는 것이 또한 가능하다. 필름과 보어의 벽 사이의 거리는 구조체의 습윤이 에지에서 중단되도록, 즉 모세관 정지부가 존재하도록 이루어져야 한다. 탄성 필름이 사용될 때, 모세관 정지부는 필름을 이동시킴으로써 극복될 수 있다. 이 방식으로, 액체가 제어된 방식으로 계량될 수 있다. 모세관 정지부를 극복하기 위해, 돔 형상 또는 볼록형 필름(2)은 습윤이 메니스커스(9)로부터 필름 벽으로 발생하도록 펀치 또는 피스톤의 형태의 액추에이터(10)에 의해 관통 유동 개구(8)의 영역에서 하향 가압된다. 액추에이터(10)가 완전히 하향 가압되면, 하향 가압 필름(2)이 기판의 상부를 따라 그리고 단차부를 따라 보어(8)를 폐쇄하여 밀봉부를 형성하기 때문에 계량 프로세스를 또한 고의적으로 종료할 수 있다.
액추에이터(9)가 후방 이동하면, 챔버(6)는 필름 재료의 탄성 복원력의 결과로서 및/또는 계량될 액체의 유체 압력의 결과로서 개방된다. 계량 프로세스 중에, 작동된 필름 챔버(6)는 다양한 기능, 즉 액추에이터(10)에 의한 챔버(6)의 개방 및/또는 폐쇄에 의한 밸브 기능 및 부분 폐쇄에 의한 스로틀 기능을 수행할 수 있다. 펌핑 기능은 또한 제어된 개방 및 폐쇄에 의해 얻어질 수 있다.
액추에이터 대신에, 챔버 벽 또는 채널 벽을 이동하기 위한 폴리에틸렌 또는 폴리아미드와 같은 특정 플라스틱 재료의 형상 기억 특성을 사용하는 것이 또한 가능하다. 이를 위해, 플라스틱 재료는 제조 중에 특정 활성화 온도를 초과하여 가열되고, 이는 라미네이션 프로세스에 의해 수행된다. 따라서, 형상이 얻어지는데, 예를 들어 전술된 형상 중 하나가 급속 냉각에 의해 동결된다. 재료가 이후에 활성화 온도를 초과하는 점으로 재차 가열되면, 이는 그 원래 형상을 복원한다. 다음에 반원형 볼록부를 갖는 필름 벽은 예를 들어 그 돔 형상을 손실하고, 성형의 결과로서 프로세스가 도 3에 도시된 바와 같이 횡단 보어(8)를 폐쇄한다. 모세관 정지부를 극복하기 위한 챔버 벽의 변위는 또한 변형에 의해 성취될 수 있다.
가열은 열자극기(thermode), 편평한 가열 다이 또는 하나 이상의 열 라디에이터에 의해 국부적으로 수행될 수 있다. 이 종류의 재료는 또한 50℃ 미만, 특히 20℃ 내지 40℃의 범위의 작동 온도에 대해 얻어질 수 있기 때문에, 샘플 재료에 의한 열 활성화가 또한 고려 가능하다. 이를 위해, 디바이스는 예를 들어 25℃의 활성화 온도 미만의 온도로 냉각되고, 활성화 온도는 예를 들어 30℃이다. 샘플 액체는 예를 들어 35℃와 같은 활성화 온도를 초과하는 온도에서 도입되고, 이에 의해 필름 벽의 변형을 자동으로 활성화하고, 이에 의해 마이크로유체 모세관 정지부 및 밸브를 개방 및 폐쇄한다.
특정 플라스틱이 UV광에 동일한 방식으로 반응하기 때문에, 이 종류의 형상 기억 효과가 또한 UV광에 의한 조사에 의해 활성화될 수 있다. UV광의 국부적인 커플링 및 필름의 이동의 활성화는 예를 들어 제어된 원격 UV 레이저에 의해 또는 광 파이버를 사용하여 채널 내에 광을 커플링함으로써 가능하다.
도 4에 따른 횡단 보어(8)에서의 가능한 모세관 정지부가 또한 수동적으로 극복될 수 있다. 이를 위해, 챔버 정점(13) 및 챔버 벽이 생성되고, 1 미크론 내지 20 미크론, 특히 3 미크론 내지 10 미크론의 모세관 간극이 횡단 보어(8)의 에지 상부에 잔류하도록 챔버 벽이 형성되고 3차원 성형된다.
횡단 보어(8) 내에서 상승 유동하는 액체는 이 종류의 모세관 간극을 브리징하여 이에 의해 모세관 정지부를 수동적으로 폐쇄하는 메니스커스(9)를 형성한다.
유리하게는, 필름 챔버(6)는 단차부의 에지를 향해 배열되어 챔버의 에지 영역의 높은 모세관력이 모세관 브리지를 형성하는데 사용되게 된다. 유리하게는, 전이 영역이 또한 습윤을 지원하기 위해 친수성 코팅이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 제조 프로세스는 그 폭이 채널 높이의 배수인 기판 상에 유체 채널(5)을 생성하기 위해 특히 적합하다. 채널 폭은 채널 높이의 적어도 5배, 특히 채널 높이의 10 내지 50배이다.
이 종류의 구조체가 도 5에 도시되어 있다. 이 마이크로유체 채널(5)은 중앙 영역 A(13)에서 바람직하게는 10 미크론의 높이, 인접 영역 B에서 5 미크론 내지 10 미크론의 높이, 에지 영역 C에서 2 내지 5 미크론의 높이를 갖는다. 필름 채널(5)의 제한된 수직 범위에 기인하여, 이 필름 채널은 혈액 성분을 분리하는데 사용될 수 있다. 채널을 통해 유동할 때, 적혈구와 같은 더 큰 혈액 입자는 바람직하게는 영역 A에서 그 자체로 배열되고, 혈소판과 같은 중간 입자는 바람직하게는 영역 B에서 그 자체로 배열되고, 작은 혈액 플라즈마 성분은 바람직하게는 영역 C에서 그 자체로 배열된다. 예를 들어 유동 영역 내의 대응 개구를 갖는 횡단 보어로 분기하거나 전환함으로써 영역들을 분리함으로써, 혈액 성분이 분류되고, 분리되거나, 필터링될 수 있다. 필름(2) 상의 규정된 지점이 기판에 부착되지 않으면 그리고 이 영역이 마이크로유체 시스템에 유동 연결되면, 구조는 마이크로유체 밸브로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 필름의 기계적 특성을 적합하게 선택함으로써, 특정 압력/체적 유동비가 셋업될 수 있다. 더욱이, 유동 용량 및 저장조가 제어된 방식으로 시스템 내에 도입될 수 있다.
도 6에 따른 밸브에서, 탄성 필름(2)이 기판(21)의 평면을 따라 기판(1)에 부착된다. 부착 후에, 탄성 필름(2)은 미부착 영역(25)에서 기판 상에 놓인다. 다음에 액체가 특정 압력에서 도입되면, 필름(2)은 영역(25) 내로 팽창하여 2개의 채널 단부(20)가 기판 내에서 유동 연결되게 한다.
압축 공기(30)의 인가는 필름 상에 추가의 복원력을 인가한다. 밸브는 압축 공기에 의해 개방되고 폐쇄될 수 있다. 대안적으로, 이 실시예에서, 도 6에 파선에 의해 도시된 바와 같이, 제조 후에, 채널(5)의 단부를 서로 유동 연결하는 볼록 챔버(6)가 또한 얻어질 수 있다. 이 실시예에서, 역시, 챔버가 압축 공기 또는 다이에 의해 개방되고 폐쇄될 수 있다.
도 7에 따른 다른 실시예에서, 마이크로유체 디바이스는 접촉점(23)에서 클램핑되고, 화살표에 의해 지시된 바와 같이 굽혀진다. 포일-기판 조합의 굽힘의 결과로서, 상향 굽힘의 경우에, 필름(2)은 미부착 표면(25)으로부터 멀어지게 상승되고, 다음에 유체가 그를 통해 유동하게 하고, 그리고/또는 하향 굽힘의 경우에는 신장되어 미부착 영역(25) 상으로 가압된다. 이 방식으로, 밸브, 펌프 또는 스로틀 기능이 굽힘에 의해 성취될 수 있다. 유리하게는, 굽힘부를 위치시키고 강화하기 위해, 리세스가 기판 내에 제공된다. 이는 최대 굽힘 반경이 성취되는 지점, 즉 바람직하게는 마이크로유체 위치 설정 요소 아래에 배열된다.
액체 또는 분말의 저장 및 해제가 랩-온-칩(lab-on-a-chip) 용례에서 중요한 주제이다. 액체 또는 분말을 칩으로부터 분리하여 패키징하고 저장하는 것이 종종 유리하다. 필요하다면, 용기는 이어서 칩에 적용될 수 있다. 그러나, 칩의 유동 시스템으로의 용기의 유동 커플링은 일반적으로 문제가 있다.
마이크로유체 디바이스, 즉 칩 내로 액체 또는 현탁액을 도입하기 위한 실시예가 도 8에 도시된다.
용기 또는 블리스터(28)는 용기가 액체 또는 현탁액으로 충전된 후에 확산 방지 필름으로 밀봉된다. 액체는 특히 분석물일 수 있다. 자체 접착 또는 자체 밀봉층 또는 필름이 용기(28)의 밀봉 필름에 도포된다. 용기는 이 조건에서 저장될 수 있다. 용기를 사용하기 위해, 이는 기판(1) 내의 리세스(22)에 배치되고, 그 후에 접착층(29)이 기판과 밀봉 접합하게 된다. 이 부착 또는 조립 중에, 용기는 예를 들어 니들(34)을 사용하여 개방된다. 자체 접착층은 칩과 접촉하게 되고 칩 및 용기 내의 개구에 대해 이를 밀봉한다. 디바이스의 상부에서, 채널(5)이 기판 내에 형성된다. 니들(34)은 기판 내의 보어(8)에 특히 접착제로 고정되는 중공 니들이다. 대안적으로, 니들(34)은 기판 캐리어(1)의 사출 성형 또는 성형 중에 인서트 성형 또는 사출 성형에 의해 형성될 수 있다. 채널(5)은 필름(2) 내의 개구(8)를 거쳐 채널(5)에 유동 연결된다. 개구(8)는 가스에 투과성이고 수성 액체에 실제로 불투과성인 소수성 밸브인 소수성 통기구에 의해 덮여진다. 필름(2)은 미부착 영역이 니들 개구 및 채널 단부에 위치된 상태로 기판에 그 표면에 의해 부착된다. 필름은 밀봉부를 형성하기 위해 미부착 영역에 놓인다. 필름은 도 8에 파선으로 지시된 바와 같이 압축 공기(30)의 도입에 의해 상향으로 팽윤하게 된다. 압축된 공기는 제 1 중공 니들(34)을 통해 용기 내로 유동하고 분석물을 제 2 중공 니들(34)을 통해 채널(5) 내로 변위시킨다.
채널을 통한 체적 유동이 제어된 방식으로 억제되는 실시예가 도 10에 도시된다. 점진적인 두께를 갖는 기판(1)이 제 1 영역에서 더 큰 두께를 갖는다. 이 영역에서, 입구(35) 및 출구(36)가 존재한다. 입구(35) 및 출구(36)는 마이크로유체 네트워크(미도시)의 다른 유동 구조체에 접속될 수 있다. 입구(35) 및 출구(36)로부터 분기하는 2개의 채널(5)은 기판 내에 연장되고 필름(2)에 의해 덮여진다. 인접한 영역에서, 기판의 두께는 도 9에 따른 단면에 의해 도시된 바와 같이 상당히 감소된다. 제 1 영역에서 채널에 유동 연결된 필름 채널(5)은 제 2 영역에 형성되고, 이들 채널은 이 지점에서 편평한 기판의 평면 위로 상승된다.
감소된 두께 기판(1)이 지지 부재(26), 특히 앤빌 상에 놓인다. 이 기판 영역은 기판의 단부에 작용하는 액추에이터(10)를 사용하여 굽혀질 수 있다. 굽힘은 도 10에 도시된 바와 같이 필름 채널(5)을 신장시키고, 따라서 필름 채널(5) 내의 체적 유동을 억제한다.
1: 기판 2: 필름
5: 채널 6: 챔버
8: 개구 9: 메니스커스
10: 액추에이터 13: 챔버 정점
22: 리세스 25: 미부착 영역
28: 용기 29: 접착층
30: 압축 공기 31: 가압 다이
34: 니들 35: 입구

Claims (48)

  1. 기판(1)과, 미부착 부분들(25)을 갖고 상기 기판(1)에 편평하게 부착된 필름(2)을 포함하여, 챔버(6) 또는 채널(5)이 상기 미부착 부분(25)에서 기판 평면(21) 위에 형성되게 되는 마이크로유체 구조체에 있어서,
    상기 미부착 부분(25)과 부착 부분(24) 사이의 에지 구역에서, 상기 필름(2)이 상기 기판(1)에 접합될 때 재료(11)의 웨지가 상기 필름 재료의 점성 유동에 의해 형성되고, 상기 재료(11)의 웨지는 챔버 벽과 상기 기판(1) 사이에 전이부를 형성하고, 상기 챔버 벽을 상기 기판 평면(21)으로부터 멀어지게 상승시키는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 필름(2)은 다층 필름, 특히 2층 필름인 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 필름(2)은 상기 기판 상에 배열된 밀봉층(4)과 기판 위에 배열된 커버층(3)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 밀봉층(4)은 상기 커버층(3)보다 낮은 용융 및/또는 연화 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 밀봉층(4)의 연화 온도는 60℃ 내지 200℃, 특히 85℃ 내지 110℃인 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 커버층(3)의 연화 온도는 150℃ 내지 350℃, 특히 200℃ 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로유체 네트워크가 상기 기판 평면 위에서 상기 챔버(6) 및/또는 채널들(5)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 채널들(5)의 형태의 리세스들(22)이 상기 기판(1) 내에 형성되고, 상기 필름 내의 챔버(6) 또는 채널(5)이 상기 기판 내의 채널 섹션(5)의 일 단부를 덮는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 기판(1)의 채널 섹션의 벽들은 상기 필름(2) 내의 챔버(6)로의 단차부 또는 채널(5)로의 단차부를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  10. 제 7 항 또는 제 9 항에 이어서, 상기 챔버(6) 또는 상기 채널(5)은 관통 유동 개구(8), 특히 상기 기판(1)을 통한 횡단 보어(8)를 덮는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 챔버(6)의 외부 에지는 상기 횡단 보어(8) 위에 배열되어 1 미크론 내지 20 ㎛, 특히 3 내지 10 미크론의 모세관 간극이 상기 챔버 벽과 상기 단차부의 에지(12) 사이에 생성되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 채널(5)은 상부 및 저부 상의 상기 횡단 보어(8) 내로 개방되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 필름들(2)은 상기 기판의 상부 및 저부 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 챔버(6) 및/또는 상기 채널(5)은 단면이 디스크 형상, 특히 구형 세그먼트의 형상이고, 단면폭은 단면 높이의 적어도 20배이고, 상기 단면의 에지 영역에서의 챔버 벽과 상기 기판 평면(21) 사이에 형성된 각도는 1°내지 20°, 특히 5°내지 12°인 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 챔버 높이는 상기 챔버의 정점(13)에서의 제 1 단면 영역에서 10 내지 15 미크론이고, 상기 정점(13)과 상기 에지 사이의 제 2 단면 영역에서 5 내지 10 ㎛이고, 제 3 에지 영역에서 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛여서, 다양한 단면 높이의 결과로서 상이한 크기들의 유체 입자들이 상이한 유동 영역들에서 그 자체로 배열되게 되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 유체는 혈액인 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  17. 제 16 항에 있어서, 주로 적혈구 세포들이 제 1 영역에서 유동하고, 주로 혈소판들이 제 2 영역에서 유동하고, 주로 혈액 플라즈마가 제 3 영역에서 유동하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  18. 제 14 항에 있어서, 상기 기판 평면(21)으로의 반구 또는 돔의 중심(13)은 외부 영역에 대해 하강되어 상기 돔의 중심으로부터 상기 기판 평면(21)의 거리가 상기 돔의 벽과 상기 기판 평면(21) 사이의 최대 수직 거리의 절반보다 작게 되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  19. 제 19 항에 있어서, 채널(5) 또는 관통 유동 개구(8), 특히 횡단 보어(8)가 상기 챔버 돔(13) 아래에 배열되고, 상기 돔의 하강된 중심은 모세관 시작점으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  20. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단차부의 에지(12)는 모세관 정지부를 형성하고, 가요성 상기 챔버 벽의 작동에 의해 상기 챔버 벽과 상기 단차부의 에지 사이에 있는 간극이 변경될 수 있어 상기 간극이 습윤되게 되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  21. 제 14 항에 있어서, 상기 기판 내에 형성된 적어도 2개의 채널 단부들은 돔 형상 챔버에 의해 덮여지는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 기판(1)은 상기 미부착 필름 아래의 영역, 특히 상기 필름으로부터 먼 상기 기판의 저부 상의 영역에 리세스(22)를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 리세스(22)는 웨지형 또는 구형 또는 반구형 또는 직사각형인 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 기판(1)은 가요성이고, 특히 굴곡 응력을 받을 수 있고, 특히 상기 웨지 영역에서 가역적인 방식으로 탄성으로 굽혀질 수 있는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 기판(1)은 기계적인 클램핑을 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 클램핑 수단은 가이드들 및 접촉점들(23)인 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  27. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 기판 재료는 탄성인 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 기판 두께는 챔버 및/또는 채널의 범위의 부분을 따라 감소되어, 이 영역은 감소된 굽힘력 하에서 변형되고, 더 구체적으로는 상기 필름 내의 유체 챔버 또는 유체 채널의 단면의 변화를 유도하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  29. 제 28 항에 있어서, 지지 부재(26), 특히 앤빌이 감소된 두께의 기판을 지지하기 위해 상기 기판(1) 아래에 배열되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  30. 제 28 항 또는 제 29 항에 있어서, 상기 유체 채널은 상기 구조체를 굽힘으로써 조정될 수 있는 억제부를 형성하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체.
  31. 편평한 평면형 필름(2)이 편평한 시트형 기판(1) 상에 라미네이팅되는 특히 제 1 항 내지 제 30 항에 따라 구성된 마이크로유체 구조체를 제조하는 마이크로유체 구조체 제조 방법에 있어서,
    라미네이션을 위해, 적어도 하나의 리세스(22) 또는 개구를 갖는 마스크(31)가 압력 하에서 및/또는 열의 영향 하에서 상기 기판 상의 필름(2) 상에 가압되고, 이에 의해 상기 필름은 적어도 상기 리세스 또는 개구의 영역 내로의 필름 및/또는 기판 매체의 점성 유동이 존재하는 온도로 유도되어, 재료(11)의 웨지가 형성되고 상기 필름이 상기 리세스의 영역에서 팽윤(bulge)하여 챔버를 형성하게 되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체 제조 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 플레이트형 마스크(31)가 사용되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체 제조 방법.
  33. 제 31 항 또는 제 32 항에 있어서, 적어도 2층 필름(2)이 상기 기판 상에 라미네이팅되고, 상기 기판에 인접하는 필름층, 특히 밀봉층(4)은 외부 커버 필름(3)보다 낮은 연화점 및/또는 융점을 갖고, 라미네이션 중에 상기 밀봉 필름(4)의 용융 및/또는 연화 온도에 근접한 온도가 설정되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체 제조 방법.
  34. 제 33 항에 있어서, 70℃ 내지 350℃, 특히 120℃ 내지 150℃의 라미네이팅 온도가 설정되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체 제조 방법.
  35. 제 31 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필름(2)은 롤러 다이의 형태의 마스크를 사용하여 상기 기판(1) 상에 라미네이팅되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체 제조 방법.
  36. 제 31 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 필름들은 다이 라미네이터의 형태의 마스크에 의해 상기 기판 상에 라미네이팅되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 구조체 제조 방법.
  37. 마이크로유체 네트워크 내의 적어도 하나의 액체를 계량하는 계량 방법으로서,
    상기 네트워크는 각각의 경우에 기판 평면 상에 성형된 필름(2)에 의해 형성된 적어도 하나의 액체-이송 채널(5) 및/또는 액체-이송 챔버(6)를 갖고, 관통 유동 개구 또는 횡단 보어(8)를 덮는 상기 채널(5) 및/또는 상기 챔버(6)는 모세관 정지부를 형성하고, 상기 필름을 작동시킴으로써 상기 챔버 벽과 상기 횡단 보어 사이의 간극이 크기가 감소되어 상기 필름이 상기 모세관 정지부의 제거에 의해 습윤되는 계량 방법.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 챔버(6) 또는 채널의 상부는 다이(10)를 사용하여 상기 관통 유동 개구(8)의 방향으로 하향 가압되는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 필름(2)과 상기 기판(1) 사이에 배열된 멤브레인은 상기 멤브레인이 습윤될 때까지 하향 가압되는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
  40. 마이크로유체 네트워크 내의 적어도 하나의 액체를 계량하는 계량 방법으로서, 상기 네트워크는 각각의 경우에 기판 평면(21) 상에 성형된 필름(2)에 의해 형성된 적어도 하나의 액체-이송 채널(5) 또는 액체-이송 챔버(6)를 갖는 계량 방법에 있어서,
    기판(1)을 굽힘으로써, 상기 액체-이송 채널(5) 또는 상기 액체-이송 챔버(6)의 높이가 적어도 부분적으로 변경되는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
  41. 제 40 항에 있어서, 상기 기판(1)은 상기 기판(1)의 리세스(22)의 영역에서 굽혀지는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
  42. 제 40 항 또는 제 41 항에 있어서, 상기 기판(1)을 굽힘으로써, 단면이 변경되어 상기 마이크로유체 구조체를 통한 유량이 조정될 수 있고, 상기 구조체가 특히 억제부로서 작용하는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
  43. 제 40 항 또는 제 41 항에 있어서, 상기 기판(1)을 굽힘으로써, 유체 이송 구조체의 단면이 폐쇄되고, 그 결과 상기 구조체가 특히 밸브 또는 펌프로서 작용하는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
  44. 제 40 항 또는 제 41 항에 있어서, 상기 기판(1)의 굽힘은 고조파 고유 공진에서의 여기에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
  45. 제 40 항 또는 제 41 항에 있어서, 상기 기판의 굽힘은 횡파, 특히 전파의 방향에서 유체의 운반 및/또는 모세관 습윤을 지원하는 수직 연속파로 수행되는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
  46. 마이크로유체 네트워크 내의 적어도 하나의 액체를 계량하는 계량 방법으로서, 상기 네트워크는 각각의 경우에 기판 평면(21) 상에 성형된 필름(2)에 의해 형성된 적어도 하나의 액체-이송 채널(5) 또는 액체-이송 챔버(6)를 갖는 계량 방법에 있어서,
    필름 재료는 활성화 온도를 초과하여 가열되고, 이에 의해 특히 상기 재료의 형상 기억 효과에 의해 형상을 변경하는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
  47. 제 46 항에 있어서, 형상의 변경 중에, 밸브가 개방되거나 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
  48. 제 46 항에 있어서, 채널(5)이 개방되거나 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 계량 방법.
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