NL9301971A

NL9301971A - Membraan voor microfiltratie, alsmede werkwijze ter vervaardiging van een dergelijk membraan.

Info

Publication number: NL9301971A
Application number: NL9301971A
Authority: NL
Original assignee: Cornelis Johannes Maria Van Ri
Priority date: 1993-11-12
Filing date: 1993-11-12
Publication date: 1995-06-01

Description

Membraan voor microfiltratie, alsmede werkwijze ter vervaardigingvan een dergelijk membraan

De uitvinding heeft betrekking op een membraan voor microfiltratie, omvattende een drager metopeningen en een membraanlaag voorzien van poriën met een poriegrootte tussen 0.005 pm en50 pm. De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze ter vervaardiging van eendergelijk membraan.

Een membraan gekarakteriseerd door een dunne membraanlaag, een hoge poriedichtheid en eennauwe poriestraal verdeling heeft een hoog filtratievermogen en goede scheidingseigenschappen.De drager draagt bij tot de mechanische sterkte van het gehele membraan. De openingen in dedrager dienen zo groot en zo talrijk mogelijk te worden aangebracht om de stromingsweerstandvan deze zo klein mogelijk te maken.

Een membraan van de in de aanhef beschreven soort is bekend uit de Europese Octrooiaanvraagno EP-A-0 325 752. Hierin wordt een membraan beschreven, waarbij poriën met een diametervan ongeveer 1 pm in de membraanlaag zijn aangebracht door het branden van perforaties in een1 pm dikke polyimidelaag met behulp van een KrF Excimeer laser. De drager is hier een dunnemetalen plaat met openingen groter dan 100 pm in diameter. De poriën in de membraanlaag zijnaangebracht in een regelmatig patroon door het eerst branden van een reeks evenwijdige groevenmet een onderlinge afstand van 1 pm en een diepte van 0.5 pm in de 1 pm dikke polyimidelaagen vervolgens door het branden van een gelijke reeks groeven orthogonaal op de eerste reeks. Opde overlap van beide reeksen met groeven ontstaan dan perforaties met een diepte van 1 pm.Membraanlagen met dergelijke groeven zijn mechanisch relatief zwak en raken relatief snellervervuild. Een ander intrinsiek nadeel is dat de instelling van de laser apparatuur zeer kritisch iswat betreft de dikte van de membraanlaag, het materiaal van de membraanlaag, lichtintensiteit etc.Met name wordt het al of niet ontstaan van perforaties en ook de diameter hiervan zeer sterkbepaald door variaties in de laagdikte van de polyimidelaag.

De uitvinding beoogt onder meer een membraan te vervaardigen met een zeer dunnemembraanlaag met een verbeterde mechanische sterkte en een verhoogd filtratievermogen. Deuitvinding beoogt tevens te voorzien in een relatief eenvoudige en betrouwbare werkwijze tervervaardiging van een dergelijk membraan. Tevens beoogt de uitvinding te voorzien in eenmembraan geschikt voor biomedische toepassingen, in het bijzonder een membraan dat in staatis deeltjes en biologische cellen te scheiden naar grootte. Het membraan van de in de aanhefbeschreven soort heeft daartoe het kenmerk, dat de poriën in de membraanlaag perforaties zijnmet een diepte en een diameter, zodanig dat de diepte kleiner is dan twintig maal de diameter vandeze perforaties.

De diepte van de perforaties komt nagenoeg overeen met de dikte van de membraanlaag indien deperforaties loodrecht in de membraanlaag zijn aangebracht. De membraanlaag is dan volgens deuitvinding dunner dan 20 maal de diameter van de perforaties. Hierdoor wordt een membraanmet een hoog filtratievermogen( flux) verkregen. Het membraan kan eenvoudig en betrouwbaarworden vervaardigd door eerst op de drager een relatief dunne laag aan te brengen, bijvoorbeeldmet behulp van een geschikte opdamp, 'sputter’ of spin techniek, waama perforaties in demembraanlaag en openingen in de drager worden aangebracht, bijvoorbeeld door middel vanetsen met behulp van fotolithografie of een afdruk techniek. Een dergelijk vervaardigd membraanis zeer geschikt voor de scheiding van biologische cellen. Volgens de uitvinding heeft eenvoorkeursuitvoeringsvorm het kenmerk, dat de membraanlaag een dikte bezit die kleiner is dande diameter van de perforaties hierin, gebruikelijk een dikte tussen 0.01 pm en 5 pm. Eendergelijke membraanlaag is bijzonder geschikt indien kwetsbare deeltjes of 'stress' gevoeligecellen met een hoge flux gescheiden moeten worden. Bepaalde cellen, e.g. leukocyten,erythrocyten en bloedplaatjes vertonen een toegenomen stijfheid van hun celwand indien zij in tenauwe en te lange poriën zitten, zij zullen zich vastzetten (erythrocyten) of kunnen hun celinhoudloslaten (bloedplaatjes).

Al naar gelang de toepassing kunnen de perforaties in de membraanlaag cylindrisch of tapstoelopend zijn aangebracht. Het laatste biedt een voordeel in 'backflush' toepassingen,dichtgemakte perforaties zijn dan weer makkelijk te ontstoppen met een tegendrukpuls. Geschiktematerialen voor de membraanlaag van het membraan volgens de uitvinding zijn bij voorkeursamengesteld uit een anorganisch of keramisch materiaal, zoals silicium, koolstof,siliciumoxyde, siliciumnitride, siliciumoxynitride, siliciumcarbide, silicides, aluminiumoxyde,zirconiumoxyde, magnesiumoxyde, titaniumoxyde, titaniumoxynitride, titaniumnitride,ytriumbariumkoperoxides, etc. Een metaal of legering met componenten uit de groep paladium,wolfraam, goud, zilver, chroom, nikkel, aluminium, titanium etc. is eveneens geschikt alsmembraanmateriaal. Met een geleidend metaal of een supergeleidend materiaal zijn ook electrochemische scheidingsmethoden mogelijk.

Als organisch materiaal voor de membraanlaag is geschikt polyurethaan, teflon, polyamide,polyimide, polyvinyl, polymetamethylcrylaat, polypropylene, polyolefine, polycarbonate,polyester, cellulose, polyformaldehyde, polysulfon etc. Voor practische toepassingen,bijvoorbeeld membranen voor eenmalig gebruik, kan de membraanlaag eenvoudiger vervaardigdworden met behulp van alleen een fotogevoelige laag, zoals fotogevoelig polyimide ofpolymetamethylacrylaat als membraanlaag. Voor biomedische toepassingen kan demembraanlaag van een biocompatibel materiaal vervaardigd worden zoals, siliciumnitride,siliciumcarbide, siliciumoxynitride, titanium, titaniumoxyde, titaniumoxynitride, titaniumnitride,polyimide, teflon, etc. Ook kan de membraanlaag voorzien worden van een biocompatibelecoating van bovengenoemde materialen of bijvoorbeeld ook van een heparine-achtige coating etc.Tussen de membraanlaag en de drager kan een tussenlaag worden aangebracht voor verbeteringvan de hechting of het verminderen van de stress in de membraanlaag, zoals borax, chroom,fosforpentoxide etc. Voor de drager zijn vele materialen geschikt, zowel organische als ook inorganische materialen, zoals silicium, koolstof, siliciumoxyde, siliciumnitride,siliciumoxynitride, siliciumcarbide, aluminiumoxyde, zirconiumoxyde, magnesiumoxyde,titaniumoxyde, titanium-oxynitride, titaniumnitride, chroom, nikkel, aluminium, titanium, teflon,polyamide, polyimide, polyvinyl, polymetamethylcrylaat, polypropylene, polyolefine,polycarbonate, polyester, cellulose, polyformaldehyde, polysulfon, glasachtige materialen etc.

De drager kan zowel macroporeus zijn met grillige poriestructuren, als ook een aanvankelijk dichtmateriaal waarin in een later stadium openingen worden aangebracht bijvoorbeeld in eenhalfgeleider wafer, een metalen plaat of een anorganische schijf. De stevigheid van het membraankan dan verhoogd worden door een groot aantal ondersteunende bruggen onder demembraanlaag aan te brengen. Goede resultaten worden geboekt, indien de drager is uitgerustmet openingen, die een gemiddelde diameter hebben van 5-100 maal de diameter van deperforaties in de membraanlaag. Een relatief dikke membraanlaag of een membraanlaag met eenlage intrinsieke stress 'stressarm', biedt het voordeel dat de openingen in de drager zeer grootgekozen kunnen worden, bijvoorbeeld openingen met een diameter groter dan 100-10.00 maal dedikte van de membraanlaag. Voor lage scheidingsdruk toepassingen kan de drager in een aantalgevallen geheel worden weggelaten. Een drager met relatief grote en glad geëtste openingenvoldoet goed bij kwetsbare cel scheidings eigenschappen. De drager heeft bij voorkeur een diktetussen 10 tot 1000 maal de dikte van de membraanlaag, gebruikelijk is een dikte tussen 10 en10000 pm. Afhankelijk van de toepassing kan de drager vlak, buisvormig of anderzins gevormdzijn. Buisvormige membranen hebben een bewezen voordeel bij 'cross-flow' toepassingen.Goede resultaten zijn verkregen met een membraan volgens de uitvinding bestaande uit eensilicium drager met vierkantvorminge openingen van 200 x 200 pm en een 1 pm dikkemembraanlaag van siliciumnitride met perforaties van 0.5 -5 pm. Bij voorkeur worden de drageren de membraanlaag van hetzelfde materiaal gemaakt, bijvoorbeeld silicium. Het membraan isdan toepasbaar in een breed temperatuur gebied.

Een werkwijze volgens de uitvinding ter vervaardiging van een membraan omvattende een drageren een membraanlaag heeft het kenmerk, dat op een oppervlak van de drager een dunne laagwordt aangebracht en dat de membraanlaag wordt gevormd door het aanbrengen van perforatiesin de dunne laag. Bij voorkeur wordt de dunne laag aangebracht door middel van een opdamp,'sputter', epitaxiale groei, sol/gel of spin techniek met een uniforme dikte tussen 0.01 pm en 5pm. Ook kan de membraanlaag worden aangebracht met behulp van een 'bonding' techniek, inhet bijzonder een 'anodic bonding' techniek. De perforaties in de membraanlaag kunnen wordengemaakt met behulp van een gepulste laser, afdruk, ets, ‘track-etching’, spuitgiet techniek, etc.Bij voorkeur worden de perforaties in de membraanlaag gemaakt met behulp van een etsproces,met de volgende stappen, de dunne laag wordt bedekt met een laklaag, een patroon wordtgevormd in de laklaag, het patroon wordt in de dunne laag geëtst. Het etsproces kan zowelisotroop als ook anisotroop, bijvoorbeeld nat, electrochemisch of droog met behulp van reactieveionen zijn. Met anisotroop etsen zijn perforaties te etsen met een diepte die maximaal 10 tot 20maal de gemiddelde diameter van de perforaties is. De laklaag kan een fotogevoelige laklaag zijn, en het patroon kan worden gevormd door belichting van de fotogevoelige laag met behulp vaneen masker of een interferentiepatroon met lijnen, etc. Ook kan het patroon in de laklaag wordengevormd door een afdruk techniek, vergelijkbaar met technieken ter vervaardiging van CompactDiscs. Ook kan het patroon in de laklaag worden gevormd door een homogeen mengsel vandeeltjes, bijvoorbeeld anorganische deeltjes met een grootte van 0.01 pm toe te voegen aan delaklaag voordat de dunne laag wordt bedekt met de laklaag. Er onstaat dan een min of meergeordende verdeling van deeltjes, op de dunne laag en vervolgens kan door een verschil in ets-snelheid, bijvoorbeeld door nat of droog etsen, op de plaats van de deeltjes perforaties in 4edunne laag worden geëtst. Ook 'liquid crystals’ suspensies zijn hiervoor zeer geschikt.

Voor sommige toepassingen kunnen reeds aangebrachte perforaties kleiner worden gemaakt doorhet aanbrengen van een tweede dunne laag met behulp van een spuit, lak, spin, opdamp of'sputter' techniek. Deze tweede dunne laag kan ook een biocompatibele coating zijn.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een werkwijze volgens de uitvinding is dat de openingen inde drager worden geëtst na het aanbrengen van de dunne laag op de drager. Zonder gebruik temaken van een masker kan dit geschieden door de perforaties van de membraanlaag, of andersmet een maskerpatroon via de onderzijde van de drager.

Een werkwijze ter vervaardiging van een membraan uitgaande van een macroporeuze drager heefthet kenmerk, dat voordat de dunne laag wordt aangebracht op een oppervlak van demacroporeuze drager eerst een geschikte porievullende stof wordt aangebracht op dit oppervlak.Bij voorkeur is de porievullende stof, polysilicium, aluminium of een bij lage temperaturensmeltende stof, en wordt de porievullende stof ten minste ten dele verwijderd na het maken vande perforaties in de membraanlaag, bijvoorbeeld door middel van selectief etsen door deperforaties van de membraanlaag.

De uitvinding zal thans nader worden beschreven aan de hand van enkeleuitvoeringsvoorbeelden en de tekening, waarin

Fig. 1 in dwarsdoorsnede een deel van een membraan volgens de uitvinding toont,

Fig. 2 en 3 in dwarsdoorsnede een deel van een membraan volgens enkele voorkeurs¬uitvoeringsvormen van de uitvinding tonen, en

Fig. 4 t/m 8 in dwarsdoorsnede opeenvolgende stadia van een werkwijze tervervaardiging van een membraan volgens de uitvinding tonen, en

Fig. 9 t/m 11 in dwarsdoorsnede opeenvolgende stadia van een andere werkwijze tervervaardiging van een membraan volgens de uitvinding tonen

Fig. 12 t/m 15 in dwarsdoorsnede opeenvolgende stadia van een andere werkwijze tervervaardiging van een membraan volgens de uitvinding tonen

Fig. 16 t/m 19 in dwarsdoorsnede opeenvolgende stadia van een andere werkwijze tervervaardiging van een membraan volgens de uitvinding tonen.

De figuren zijn schematisch en niet op schaal getekend. Overeenkomstige delen hebben als regeldezelfde verwijzingscijfers.

Figuur 1 toont schematisch in dwarsdoorsnede een deel van een membraan volgens deuitvinding. Het membraan omvat een drager met bruggen 1, in dit voorbeeld een monokristallijne silicium wafer <100> met dikte 380 μπί en voorzien van vierkante openingen 2 van2.5 bij 2.5 mm en een membraanlaag 3 van siliciumnitride met dikte 2 μπί. De perforaties 4 in demembraanlaag 3 zijn 4 x 4 μτη in doorsnede. De diepte van de perforaties (hier dus 2 pm) is danveel kleiner dan twintig maal de diameter van de perforaties (40 pm). De afstand tussen de centravan de perforaties bedraagt hier 10 pm. Ieder vierkante centimeter membraanoppervlak bevat danongeveer 1 miljoen perforaties. Afhankelijk van de toepassing kunnen andere vormen voor dedoorsnede worden gekozen. Rechthoekige doorsnedes hebben het voordeel dat de perforatiesmoeilijk in hun geheel afgesloten kunnen worden door de deeltjes. Kanaalvormige of sterkuitgerekte doorsnedes hebben het voordeel van een potentiëel hoge flux. Rondvormigedoorsneden zijn goed toepasbaar bij het scheiden van kwetsbare cellen, in het bijzonder ondiepeperforaties die zijn afgerond en gladgeëtst zijn bruikbaar voor het scheiden van biologischecelculturen. Figuur 2 toont schematisch in dwarsdoorsnede een deel van een ander membraanvolgens de uitvinding. Het membraan omvat een aantal kleine membraanlaag eenheden 6 vanteflon met grootte 200 bij 200 pm en met een dikte van 5 pm, gecombineerd met een teflondrager 7 met verbindingsbruggen met brugdimensie 5 pm x 20pm x 200 pm. De diameter vande cirkelvormige perforaties bedraagt hier 10 pm.

Figuur 3 toont hier de doorsnede van een buisvormig membraan volgens de uitvinding. Hetmembraan omvat een buisvormige drager 8, in dit voorbeeld een macroporeuze aluminiumoxydebuis met een diameter van 5 cm, een wanddikte van 1 cm en gemiddelde poriestraal 10 pm. Opde drager 8 is een membraanlaag 9 van siliciumnitride aangebracht met een dikte van 1 pm. Deperforaties hierin hebben een diameter van 1 pm.

Figuren 4 t/m 8 tonen in dwarsdoorsnede opeenvolgende stadia van een werkwijze tervervaardiging van een membraan, omvattende een drager en een membraanlaag, volgens deuitvinding. Op een oppervlak van een drager 11, in dit voorbeeld een mono kristallijne siliciumwafer <100> met dikte 380 pm, wordt een dunne laag 12 van siliciumnitride met een dikte van 1pm aangebracht, hier door middel van 'Chemical Vapour Deposition’. De dunne laag 12 wordtgevormd door reactie van dichloorsilaan SiCl2H2 en ammoniak NH3 bij verhoogde temperatuur850 °C en verlaagde druk (LPCVD). Een 'stressarme' laag 12 wordt verkregen door een lichteovermaat dichloorsilaan aan het mengsel toe te voegen tijdens depositie. Op de dunne laag 12wordt een fotogevoelige laklaag 13 aangebracht door middel van spinnen, figuur 4, in ditvoorbeeld Shipley Europe Resist S1818. Op deze laklaag 13 wordt dan een regelmatig patroonmet behulp van een masker en een UV bron afgebeeld, hier met een Karl Süss afbeeldingssysteem gebruikmakende van 'proximity' belichting. Vervolgens wordt de laklaag 13 ontwikkeldwaarbij het regelmatig patroon 14 wordt gevormd op de dunne laag 12, figuur 5. In de dunnesiliciumnitride laag 12 wordt dan het regelmatig patroon geëtst door middel van reactief ion etsen(RIE) met een CHF3/O2 mengsel waarbij perforaties 15 worden gevormd met een vierkante doorsnede van 5 bij 5 μπι in de membraanlaag 16, figuur 6. Vervolgens worden openingen 18van 2.5 bij 2.5 mm geëtst in de silicium drager 11 gebruikmakende van de perforaties 15 in demembraanlaag 16 met een twee stap natchemisch etsproces. Eerst een isotrope etsbehandelingmet een verdund HF/HNO3 mengsel gedurende enkele minuten tot een diepte 17 van ongeveer20 pm onder de membraanlaag 16 is gevormd, figuur 7a. Dan een anisotrope etsbehandelinglangs de <111> vlakken met een 10% KOH oplossing bij 70 °C totdat de onderzijde van dedrager 11 is bereikt, figuur 8a. Indien gewenst kunnen de openingen 18 in de drager 11 ookgeëtst worden uitgaande van de onderzijde van de drager 11, gebruikmakende van eenaangebracht etspatroon 19, figuur 7b, 8b. In plaats van het etsen van openingen 18 in de drager11 is het ook mogelijk een macroporeuze drager 20 te verbinden met de membraanlaag 4,bijvoorbeeld door middel van een 'sacrificial bonding' techniek al of niet met een voorspanning'anodic bonding’, en vervolgens de dichte silicium drager 11 volledig weg te etsen, figuur 7c,8c. Met de laatste methode kunnen eventueel taps toelopende perforaties 15a omgekeerd op eenmacroporeuze drager worden gemonteerd.

Figuren 9 t/m 12 tonen in dwarsdoorsnede opeenvolgende stadia van een werkwijze tervervaardiging van een membraan, omvattende een drager en een membraanlaag, volgens deuitvinding. Op een vlak oppervlak van een drager 21, in dit voorbeeld een dunne metalen plaatmet dikte 300 pm, wordt een dunne laag 22 van siliciumnitride met een dikte van 2 pmaangebracht, met een LPCVD techniek en een zachte laklaak 23 door middel van een geschiktedepositie techniek, hier door middel van het spinnen van een oplossing met pre-polymeerpolyimide, gevolgd door een lage temperatuur droog stap, figuur 9. De polyimidelaag 23 wordtdan voorzien van een regelmatig patroon 25 met behulp van de afdruk van een mal 24, figuur 10,gevolgd door een 'postbake' stap. Door middel van reactief ion etsen (RIE) met een CHF3/O2mengsel wordt dan een membraanlaag 26 met perforaties gevormd met een vierkante doorsnedevan 5 bij 5 pm, figuur 11. Afhankelijk van de grootte en de dikte van de membraanlaag, kunnenvervolgens openingen in de drager 21 worden gemaakt, figuur 12a, of de drager 21 kan in zijngeheel worden weggeëtst, figuur 12b. Het laatste geeft bijvoorbeeld een losse 2 pm dikkemembraanlaag 26, die nog stevig en hanteerbaar is met een oppervlak van 1-10 cm2.

Figuren 13 t/m 15 tonen in dwarsdoorsnede opeenvolgende stadia van een werkwijze tervervaardiging van een membraan, omvattende een drager en een membraanlaag, volgens deuitvinding. Op een vlak oppervlak van een drager 27, in dit voorbeeld een dunne metalen plaatmet dikte 300 pm, wordt een dunne laag 28 van foto-gevoelig polyimide met een dikte van 2 pmaangebracht door middel van het spinnen van een oplossing met pre-polymeer polyimide,gevolgd door een lage temperatuur droog stap, figuur 13a. De polyimidelaag 28 wordt danvoorzien van een regelmatig patroon met behulp van een geschikte belichtingstechniek.Vervolgens wordt de polyimidelaag 28 ontwikkeld en wordt na een 'postbake' stap direct eenmembraanlaag 29 met perforaties verkregen, figuur 14a. Afhankelijk van de grootte en de diktevan de membraanlaag kunnen vervolgens openingen in de drager 27 worden gemaakt, figuur 15a, of de drager 27 kan in zijn geheel worden weggeëtst. Desgewenst kan de volgorde van hetmaken van de perforaties in de membraanlaag en die van openingen in de drager wordenomgedraaid, figuur 13b tot en met 15b.

Figuren 16 t/m 19 tonen in dwarsdoorsnede opeenvolgende stadia van een werkwijze tervervaardiging van een buisvormig membraan volgens de uitvinding. Het buisvormige membraanomvat een cylindrisch gevormde drager 31, in dit voorbeeld een macroporeuze aluminiumoxydebuis met een diameter van 5 cm en een wanddikte van lcm met een gemiddelde poriegrootte van10 μτη, figuur 16. Voordat een dunne membraanlaag wordt gevormd, wordt eerst een geschiktporievullend materiaal 32 op het buitenoppervlak van de drager 31 aangebracht waarbij alleporiën liggend aan het buitenoppervlak worden opgevuld, figuur 17. In dit voorbeeld worden deporiën opgevuld met aluminium 32 met behulp van een sputter of opdamptechniek. Andereorganische of inorganische materialen met een goede porievullende werking kunnen ook wordengebruikt. Ook sol/gel of andere technieken kunnen worden toegepast om het oppervlak tedichten. Na de aluminiumdepositie wordt bij voorkeur een polijst methode uitgevoerd,bijvoorbeeld met behulp van een geschikt diamantpoeder. De polijst methode dient doorgevoerdte worden totdat de poriën gevuld met aluminium blootgelegd worden, dit in verband met delatere hechting van de mem-braanlaag aan de drager 31.

Een dunne laag 33 van siliciumdioxide met een dikte van 1 μηι wordt gedeponeerd met behulpvan een geschikte depositie techniek, hier door middel van een lage temperatuur 'PlasmaEnhanced Chemical Vapour Deposition' van een silaan/zuurstof mengsel (SiH4/02). Op dezesiliciumdioxidelaag 33 wordt een verdunde fotogevoelige laklaag 34 met een lage viscositeitaangebracht, figuur 18, en wordt uniform over het oppervlak van de drager 31 verdeeld doordeze langs de axiale as te roteren. Na een 'prebake' stap waarbij de dikte van de fotogevoeligelaklaag 34 aanzienlijk wordt verkleind, wordt de laklaag 34 belicht met een regelmatig patroon 35verkregen met behulp van interferentiepatroon met lijnen. Het lijnen patroon 35 wordt verkregendoor de interferentie van twee lichtstralen afkomstig van een monochromatische bron, hier eenNd-YAG Laser. Het lijnenpatroon 35 wordt zowel langs de axiale as van de drager 31 als ookloodrecht hierop geprojecteerd door een diafragma. Door herhaalde translatie en rotatie van dedrager 31 wordt een regelmatig patroon van vierkante velden 36 van 1 x 1 pm afgebeeld in defotogevoelige laklaag 34. Andere afbeeldings of afdruk technieken, bijvoorbeeld 'proximity'belichting met een cylindrisch gekromd masker, of de afdruk van een mal door het rollen van dedrager 31 met een niet fotogevoelige laklaag 34 kunnen eveneens worden toegepast. Vervolgenswordt de laklaag 34 ontwikkeld en de siliciumdioxidelaag 33 geëtst waarbij het patroon 36 wordtgevormd met behulp van standaard technieken. In dit voorbeeld wordt de siliciumdioxidelaag 33geëtst met een gebufferde HF oplossing waarbij vierkante perforaties van lxl μτη wordengevormd. Tenslotte wordt het aluminium 32 volledig verwijderd uit de poriën in de drager 31 metbehulp van een verdunde KOH oplossing.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding niet beperkt wordt door de gegevenuitvoeringsvoorbeelden, maar dat voor de vakman binnen het kader van de uitvinding velevariaties mogelijk zijn. Zo kan bijvoorbeeld het materiaal van de membraanlaag of de drageranorganisch, glasachtig, keramisch, een polymeer, een halfgeleider, een metaal of legering zijn.Zeer veel materialen zijn te etsen met behulp van reactieve ionen. Ook kan voor het porievullendmateriaal een ander materiaal worden gekozen dan aluminium of silicium, bijvoorbeeld een bijlage temperaturen vervloeiende glas laag. Ook kunnen componenten worden toegevoegd die dehechting en temperatuurbestendigheid tussen de drager en de membraanlaag bevorderen,bijvoorbeeld borax, difosforpentoxyde, chroom etc. Het patroon in de membraanlaag behoeftniet uitsluitend via een masker te worden verkregen, maar kan gezien de regelmatige aard van hetpatroon ook direct met behulp van een interferentiepatroon of met behulp van een gemoduleerdelaserstraal worden aangebracht. Ook is de uitvinding niet beperkt tot het gebruik van optischelithografie maar zijn andere lithografische technieken met nog hogere resoluties (submicron),zoals 'Electron Beam' en 'X-Ray' eveneens geschikt. Bij de vervaardiging van het membraankunnen andere technieken worden gebruikt dan hier beschreven, essentieel is echter het gebruikvan dunne lagen 'thin film' technologie. Het gebruik van epitaxiaal gegroeide dunne lagen heefthierbij het voordeel dat bij het 'langs de kristal vlakken’ etsen de perforaties zeer welbepaald vanvorm zijn. In combinatie met een zeer welbepaalde en uniforme dikte van de dunne laag zijnhierdoor perforaties te realiseren met een zeer preciese en ook zeer kleine eind diameter. Ook devolgorde van processtappen kunnen soms anders worden gekozen, bijvoorbeeld de openingen inde drager kunnen al worden aangebracht voordat de dunne laag wordt voorzien van perforaties.De uitvinding is evenmin beperkt tot een drager met één membraanlaag, zonder bezwaar kan eendrager voorzien worden van meer dan een membraanlaag door het gebruik van ten minste één’sacrificial layer’.

De uitvinding is ook van toepassing op een membraan bestaande uit een enkele membraanlaagzonder drager. Het membraan kan worden toegepast als leukocytfilter, die leukocyten scheidt tenopzichte van erythrocyten en/of bloedplaatjes of anderzins als biomedisch scheidingsfilter in eenfiltratiesysteem. Het membraan kan ook fungeren als scheidingsfilter in een sensor of actuatorsysteem. Dit biedt een groot voordeel voor microsensoren en actuators die (evenals de microfiltratie membranen volgens de uitvinding) met behulp van dunne film technologie wordenvervaardigd.

Claims

1 Membraan voor microfiltratie, omvattende een drager met openingen en eenmembraaniaag voorzien van poriën met een poriegrootte gebruikelijk tussen 0.005 pm en 50 pm,met het kenmerk, dat de poriën in de membraaniaag perforaties zijn met een diepte en eendiameter, zodanig dat de diepte kleiner is dan twintig maal de diameter van deze perforaties.

2 Membraan, volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de membraaniaag een uniformedikte bezit, gebruikelijk tussen 0.01 μτη en 5 pm.

3 Membraan, volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de dikte van demembraaniaag kleiner is dan de diameter van de perforaties in de membraaniaag.

4 Membraan, volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de perforaties van demembraaniaag taps toelopend zijn.

5 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 4, met het kenmerk, dat in demembraaniaag een regelmatig patroon met rondvormige perforaties is aangebracht.

6 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 4, met het kenmerk, dat in demembraaniaag een regelmatig patroon met rechthoekige perforaties is aangebracht.

7 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 4, met het kenmerk, dat in demembraaniaag een regelmatig patroon met kanaalvormige perforaties is aangebracht.

8 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 7, met het kenmerk, dat tussen demembraaniaag en de drager een tussenlaag is aangebracht voor verbetering van de hechting of hetverminderen van de stress in de membraaniaag, zoals borax, chroom, fosforpentoxide.

9 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 8, met het kenmerk, dat demembraaniaag is vervaardigd van een anorganisch of keramisch materiaal, zoals silicium,koolstof, siliciumoxyde, siliciumnitride, siliciumoxynitride, siliciumcarbide, aluminiumoxyde,zirconiumoxyde, magnesiumoxyde, titaniumoxyde titaniumoxynitride en titaniumnitride.

10 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 8, met het kenmerk, dat demembraaniaag is vervaardigd van een metaal of legering met componenten uit de groep paladium,wolfraam, goud, zilver, chroom, nikkel, aluminium en titanium. Π Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 8, met het kenmerk, dat demembraanlaag is vervaardigd van een organisch materiaal, zoals polyurethaan, teflon,polyamide, polyimide, polyvinyl, polymetamethylcryiaat, polypropylene, polyolefine,polycarbonate, polyester, cellulose, polyformaldehyde, polysulfon.

12 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 8, met het kenmerk, dat demembraanlaag is vervaardigd van een fotogevoelige laag, zoals polyimide ofpolymetamethylacrylaat

13 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 8, met het kenmerk, dat demembraanlaag is vervaardigd van een biocompatibel materiaal, zoals siliciumnitride,siliciumcarbide siliciumoxynitride, titanium, titaniumoxyde, titaniumoxynitride, titaniumnitride,polyimide, teflon.

14 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 13, met het kenmerk, dat dedrager is vervaardigd van een anorganisch materiaal, zoals silicium, koolstof, siliciumnitride,siliciumoxynitride, aluminiumoxyde, zirconiumoxyde, magnesiumoxyde, titaniumoxydetitaniumoxynitride en titaniumnitride.

15 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 13, met het kenmerk, dat dedrager is vervaardigd van een organisch materiaal, zoals polyurethaan, teflon, polyamide,polyimide, polyvinyl, polymetamethylcryiaat, polypropylene, polyolefine, polycarbonate,polyester, cellulose, polyformaldehyde, polysulfon.

16 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 13, met het kenmerk, dat dedrager is vervaardigd van een metaal of legering, zoals met componenten uit de groep paladium,wolfraam, goud, zilver, chroom, nikkel, ijzer, staal, aluminium en titanium.

17 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 13, met het kenmerk, dat dedrager is vervaardigd van een biocompatibel materiaal, zoals siliciumnitride, siliciumcarbidesiliciumoxynitride, titanium, titaniumoxyde, titaniumoxynitride, titaniumnitride, polyimide,teflon.

18 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 17, met het kenmerk, dat dedrager geheel is vervaardigd van een aanvankelijk dicht materiaal, zoals een halfgeleider wafer,een metalen plaatdrager, een kunststof plaat of een keramische schijf, waarin openingen zijnaangebracht door midel van etsen of verdampen van het drager materiaal.

19 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 18, met het kenmerk, dat dedrager een aantal dunne ondersteunende bruggen omvat onder de membraanlaag.

20 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 19, met het kenmerk, dat dedrager voorzien is van openingen met een gemiddelde diameter die 5 tot 100 maal groter is dan dediameter van de perforaties in de membraanlaag.

21 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 20, met het kenmerk, dat de.drager voorzien is van openingen met een gemiddelde diameter die 100 tot 10.000 maal groter isdan de diameter van de perforaties in een relatief dikke of 'stressarme' membraanlaag.

22 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 21, met het kenmerk, dat dedrager een dikte heeft tussen 10 en 10000 pm.

23 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 22, met het kenmerk, dat de drager schijfvormig is.

24 Membraan, volgens één der conclusies 1 tot en met 20, met het kenmerk, dat dedrager buisvormig is.

25 Membraanlaag volgens één der conclusies 1 tot en met 13.

26 Filtratiesysteem met een membraan of membraanlaag volgens één der conclusies 1 toten met 24.

27 Leukocytfilter met een membraan of membraanlaag volgens één der conclusies 1 toten met 24.

28 Microsensor met een membraan of membraanlaag volgens één der conclusies 1 tot en met 24.

29 Actuator met een membraan of membraanlaag volgens één der conclusies 1 tot en met24.

30 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan omvattende een drager en eenmembraanlaag, met het kenmerk, dat op een oppervlak van de drager een dunne laag wordtaangebracht en dat de membraanlaag wordt gevormd door het aanbrengen van perforaties in dedunne laag.

31 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 30, met hetkenmerk, dat de dunne laag met een uniforme dikte tussen 0.01 pm en 5 pm wordt aangebracht.

32 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 30 of 31, met hetkenmerk, dat de dunne laag wordt aangebracht met behulp van een epitaxiale groei, opdamp of'sputter' techniek.

33 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 30 of 31, met hetkenmerk, dat de dunne laag wordt aangebracht door middel van spinnen van een vloeibaarmateriaal op het oppervlak van de drager.

34 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 30 of 31, met hetkenmerk, dat de dunne laag wordt aangebracht met behulp van een 'bonding' techniek.

35 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 30 of 31, met hetkenmerk, dat de membraanlaag wordt aangebracht met behulp van een 'bonding' techniek.

36 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 34 of 35, met hetkenmerk, dat de 'bonding' techniek een 'anodic bonding’ techniek is.

37 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens een der conclusies 30 tot enmet 36, met het kenmerk, dat de perforaties in de membraanlaag worden gemaakt met behulp vaneen gepulste laser techniek.

38 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens een der conclusies 30 tot enmet 36, met het kenmerk, dat de perforaties in de membraanlaag worden gemaakt met behulp vaneen afdruk of spuitgiet techniek.

39 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens een der conclusies 30 tot enmet 36, met het kenmerk, dat de perforaties in de membraanlaag worden gemaakt met behulp vaneen etsproces.

40 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 39, met hetkenmerk, dat het etsproces de volgende stappen omvat, dat de dunne laag wordt bedekt met een laklaag, dat een patroon wordt gevormd in de laklaag, dat het patroon in de dunne laag wordt geëtst.

41 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 40, met hetkenmerk, dat de laklaag een fotogevoelige laklaag is.

42 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 41, met hetkenmerk, dat het patroon wordt gevormd door belichting van de fotogevoelige laag met behulpvan een interferentiepatroon met lijnen.

43 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 40, met hetkenmerk, dat het patroon in de laklaag wordt gevormd door een afdruk techniek.

44 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 40, met hetkenmerk, dat het patroon in de laklaag wordt gevormd door een homogeen mengsel van deeltjestoe te voegen aan de laklaag voordat de dunne laag wordt bedekt met de laklaag.

45 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens een der conclusies 30 tot enmet 44, met het kenmerk, dat de perforaties kleiner worden gemaakt door het aanbrengen van eenextra laag met behulp van een spuit, lak, spin, opdamp of 'sputter' techniek.

46 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 45, met hetkenmerk, dat de extra laag biocompatibel is.

47 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens een der conclusies 30 tot enmet 46, met het kenmerk, dat openingen in de drager worden geëtst na het aanbrengen van dedunne laag op de drager.

48 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 47, met hetkenmerk, dat de openingen in de drager worden geëtst door de perforaties van demembraanlaag.

49 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens een der conclusies 30 tot enmet 47, met het kenmerk, dat voordat de dunne laag wordt aangebracht op een oppervlak van eenmacroporeuze drager eerst een geschikte porievullende stof wordt aangebracht op dit oppervlak.

50 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 49, met hetkenmerk, dat de porievullende stof, polysilicium, aluminium of een bij lage temperaturen smel¬tende stof is.

51 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 49 of 50, met hetkenmerk, dat de porievullende stof ten minste ten dele wordt verwijderd na het maken van deperforaties van de membraanlaag.

52 Werkwijze ter vervaardiging van een membraan volgens conclusie 49, '50 of 51, methet kenmerk, dat de porievullende stof ten minste ten dele wordt verwijderd door middel vanselectief etsen door de perforaties van de membraanlaag.