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DE102016124059A1 - DEVICE FOR MICROFLUIDIC - Google Patents

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DE102016124059A1
DE102016124059A1 DE102016124059.1A DE102016124059A DE102016124059A1 DE 102016124059 A1 DE102016124059 A1 DE 102016124059A1 DE 102016124059 A DE102016124059 A DE 102016124059A DE 102016124059 A1 DE102016124059 A1 DE 102016124059A1
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Andreas Winkler
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Mikrosystemtechnik und der Mikrofluidik und betrifft eine Vorrichtung für die Mikrofluidik, wie sie beispielsweise für aktorische oder sensorische Lab-on-a-Chip Systeme, die Impedanzspektroskopie, Oberflächenplasmonenresonanz oder die elektromagnetische Separation in der Medizintechnik oder in der analytischen Chemie und Biochemie zum Einsatz kommen kann. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe einer Vorrichtung für die Mikrofluidik, die einfach aufgebaut ist und eine verbesserte Flexibilität zur Anpassung an geänderte Anwendungen aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Mikrofluidik enthält mindestens ein Funktionselement, welches mindestens ein aktives und passives Teil aufweist, und ein mit dem passiven Teil des Funktionselementes gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbundenes fluidisches Bauelement, und ein mit dem aktiven Teil des Funktionselementes elektrisch leitend verbundenes elektrisches Bauelement, wobei die Elemente der Vorrichtung über die gas- und/oder flüssigkeitsdichten und elektrisch leitenden Verbindungsstellen als Module austauschbar angeordnet sind.The invention relates to the fields of microsystems technology and microfluidics and relates to a device for microfluidics, as for example, for actuarial or sensory lab-on-a-chip systems, impedance spectroscopy, Oberflächenplasmonenresonanz or electromagnetic separation in medical technology or in the analytical chemistry and biochemistry can be used. Object of the present invention is to provide a device for microfluidics, which is simple in construction and has improved flexibility to adapt to changing applications. The device according to the invention for microfluidics contains at least one functional element, which has at least one active and passive part, and a fluidically and gas-tightly connected to the passive part of the functional element fluidic component, and electrically connected to the active part of the functional element electrically connected Component, wherein the elements of the device via the gas and / or liquid-tight and electrically conductive connection points are arranged interchangeably as modules.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Mikrosystemtechnik und der Mikrofluidik und betrifft eine Vorrichtung für die Mikrofluidik, wie sie beispielsweise für aktorische oder sensorische Lab-on-a-Chip Systeme, die Impedanzspektroskopie, Oberflächenplasmonenresonanz oder die elektromagnetische Separation in der Medizintechnik oder in der analytischen Chemie und Biochemie zum Einsatz kommen kann.The invention relates to the fields of microsystems technology and microfluidics and relates to a device for microfluidics, as for example, for actuarial or sensory lab-on-a-chip systems, impedance spectroscopy, Oberflächenplasmonenresonanz or electromagnetic separation in medical technology or in the analytical chemistry and biochemistry can be used.

Die Mikrofluidik beschäftigt sich mit dem Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum (Wikipedia, Suchbegriff „Mikrofluidik“). Die Mikrofluidik wird zunehmend auch für die Analyse oder Manipulation von Fluiden eingesetzt. Dazu werden mittlerweile sogenannte Lab-on-a-Chip-Systeme (auch als Mikro-Total-Analyse-Systeme, micro total analysis systems, µTAS bezeichnet) als mikrofluidische Systeme eingesetzt, welche die Funktionalität eines makroskopischen Labors auf einem Chipsubstrat vereinen. Dazu müssen in allen Lab-on-a-Chip-Systemen auch die nötigen Aufgaben, die im makroskopischen Maßstab realisiert werden, ebenfalls ausgeführt werden können. Dazu gehören beispielsweise Mischen, Abmessen, zur Reaktion bringen, Transportieren, Analysieren (zum Beispiel optisch, elektrisch oder akustisch), usw. Microfluidics deals with the behavior of liquids and gases in the smallest space (Wikipedia, search term "microfluidics"). Microfluidics is also increasingly used for the analysis or manipulation of fluids. For this purpose, so-called lab-on-a-chip systems (also referred to as micro-total analysis systems, micro total analysis systems, μTAS) are now used as microfluidic systems, which combine the functionality of a macroscopic laboratory on a chip substrate. For this purpose, in all lab-on-a-chip systems, the necessary tasks, which are realized on a macroscopic scale, must also be able to be carried out. These include, for example, mixing, measuring, reacting, transporting, analyzing (for example, optically, electrically or acoustically), etc.

Derartige Lab-on-a-Chip-Systeme bestehen typischerweise aus zwei Hauptkomponenten, die für die Grundoperationen notwendig sind. Die eine Hauptkomponente ist die passive Komponente, die einfache Techniken realisiert und ohne äußere Energiezufuhr auskommt, wie Ausnutzung der Kapillareffekte zum Ansaugen von Flüssigkeit in Kanäle oder Vliese, oder Ausnutzung von Farbumschlagreaktionen bei Drogen-/Schwangerschaftstests, wie Mischen oder Transportieren der Fluide aus Kanälen, Reaktionskammern und vorgelagerten Reagenzien. Die entsprechenden Vorrichtungselemente sind meist Testträger oder Einwegkartuschen. Die zweite Hauptkomponente ist die aktive Komponente, die einen zusätzlichen Energieeintrag in das System (zum Beispiel magnetisch, elektrisch, akustisch, thermisch oder optisch) benötig und die vielfältige Sensorik-/Aktorikmöglichkeiten realisiert, wie Impedanzspektroskopie, Flüssigkeitserwärmung bei der Polymerase-Kettenreaktion, SAW-Zerstäuben, usw.. Die zweite Komponente ermöglicht es, die Prozesse für die Analyse von Fluiden automatisiert ablaufen zu lassen. Such lab-on-a-chip systems typically consist of two major components necessary for the basic operations. One major component is the passive component, which realizes simple techniques and does not require external energy input, such as utilizing capillary effects to aspirate liquid into channels or nonwovens, or exploiting color change reactions in drug / pregnancy tests, such as mixing or transporting the fluids from channels; Reaction chambers and upstream reagents. The corresponding device elements are usually test carriers or disposable cartridges. The second main component is the active component, which requires an additional energy input into the system (for example magnetic, electrical, acoustic, thermal or optical) and realizes the various sensor / actuator possibilities, such as impedance spectroscopy, liquid heating in the polymerase chain reaction, SAW Sputtering, etc. The second component makes it possible to automatically run the processes for the analysis of fluids.

Für Anwendungen in der Mikrofluidik sind aus dem Stand der Technik verschiedene Vorrichtungen bekannt. For applications in microfluidics, various devices are known from the prior art.

So ist ein Si/SiOx-Mikro-Refraktometer auf einem Si-Substrat bekannt ( A. Bernardi et al: Applied Physics Letters 93, 094106 (2008) ). Danach wird ein Mikroröhrchen mit einem Durchmesser von 2–3 µm und einer Länge von 100 µm bis 1 mm, welches aus einer aufgerollten Si/SiOx-Bischicht besteht, mit einer Flüssigkeit gefüllt. Mittels Mikrophotolumineszenz-Spektroskopie wird durch Anregung mittels eines Lasers der Brechungsindex der Flüssigkeit ermittelt. Thus, a Si / SiO x micro refractometer on a Si substrate is known ( A. Bernardi et al: Applied Physics Letters 93, 094106 (2008) ). Thereafter, a microtube having a diameter of 2-3 μm and a length of 100 μm to 1 mm, which consists of a rolled Si / SiO x layer, is filled with a liquid. By means of microphotoluminescence spectroscopy, the refractive index of the liquid is determined by excitation by means of a laser.

Ebenfalls bekannt sind optofluidische Ringresonatorstrukturen als Mikrostrukturen ( K. Scholten et al: Applied Physics Letters 99, 141108 (2011) ). Derartige Ringresonatorstrukturen werden als Sensoren für die biomedizinische Analyse benötigt. Diese Ringresonatorstrukturen bestehen aus kleinen Kapillaren, durch die die Analyseflüssigkeit fließt. Derartige Resonatorstrukturen lassen sich aufgrund ihrer Herstellung entweder nur schlecht in „lab-on-a-chip“-Mikrosysteme integrieren oder sie weisen vergleichsweise schlechte Eigenschaften (Q-Faktoren) auf.Also known are optofluidic ring resonator structures as microstructures ( K. Scholten et al .: Applied Physics Letters 99, 141108 (2011) ). Such ring resonator structures are needed as sensors for biomedical analysis. These ring resonator structures consist of small capillaries through which the analysis fluid flows. Due to their production, such resonator structures can either only be integrated poorly into "lab-on-a-chip" microsystems or they have comparatively poor properties (Q factors).

Aus der DE 10 2012 206 042 A1 ist ein mikrofluidisches mikrochemomechanisches System mit integrierten aktiven Elementen bekannt, welche frei von Hilfsenergie durch beeinflussbare Umgebungsgrößen aktivierbar ist und durch die Änderung ihres Quellungszustandes oder ihrer mechanischen Eigenschaften aktive Funktionen bewirken. Das System enthält zumindest einen Strukturträger mit zumindest einem ersten Kanal, eine Abdeckung, welche den Strukturträger zumindest teilweise abdeckt und zumindest einen zweiten Kanal, wobei der zweite Kanal auf dem Strukturträger oder der Abdeckung angeordnet ist. Die Kanäle bilden jeweils durch aktive Elemente begrenzte Reservoirräume aus, die so angeordnet sind, dass sie zueinander mindestens einen Überlagerungsbereich aufweisen und zusammen eine Reaktionskammer bilden.From the DE 10 2012 206 042 A1 a microfluidic microchemomechanical system with integrated active elements is known, which is activatable by auxiliary energy by influenceable environmental variables and cause active functions by the change of their swelling state or their mechanical properties. The system comprises at least one structural support with at least one first channel, a cover which at least partially covers the structural support and at least one second duct, wherein the second duct is arranged on the structural support or the cover. The channels in each case form reserve spaces which are limited by active elements and are arranged such that they have at least one overlapping area relative to one another and together form a reaction chamber.

Weiterhin bekannt aus der DE 10 2011 112 638 A1 ist ein mikrofluidischer Chip, der mindestens ein mikrofluidisches Kanalsystem, welches mindestens einen horizontalen Kanal und mindestens eine horizontale Kammer umfasst, wobei der mindestens eine Kanal und die mindestens eine Kammer durch eine Membran getrennt sind und der mindestens eine Kanal von einer zellhaltigen Flüssigkeit durchströmt werden kann, und eine Breite von mindestens 10 μm und höchstens 300 μm und eine Tiefe von mindestens 10 μm und höchstens 100 μm aufweist. Die mindestens eine Kammer kann unabhängig von dem mindestens einen Kanal gefüllt werden. Der Kanal kann oben und die Kammer unten, oder der Kanal unten und die Kammer oben liegen. Der Eingangs- und der Ausgangsbereich des mindestens einen Kanals sind trichterförmig ausgestaltet.Furthermore known from the DE 10 2011 112 638 A1 is a microfluidic chip comprising at least one microfluidic channel system, which comprises at least one horizontal channel and at least one horizontal chamber, wherein the at least one channel and the at least one chamber are separated by a membrane and the at least one channel can be flowed through by a cell-containing liquid , and has a width of at least 10 microns and at most 300 microns and a depth of at least 10 microns and at most 100 microns. The at least one chamber can be filled independently of the at least one channel. The channel may be at the top and the chamber at the bottom, or the channel at the bottom and the chamber at the top. The input and the output region of the at least one channel are funnel-shaped.

Weiterhin bekannt aus der DE 10 2006 020 716 A1 ist ein Mikrofluidik-Prozessor mit integrierten steuerbaren Elementen zur Handhabung von Prozessmedien, mit auf temperatursensitiven Hydrogelen basierenden Elementen, deren zur Medienhandhabung relevanten Sensibilitäten sich durch gezielt veränderbare Umgebungstemperatur ändern, wobei die Umgebungstemperatur über elektrische oder elektronikkompatible Schnittstellen steuerbar ist. Die integrierten Polymernetzwerk-basierten Elemente sind hardwaremäßig in einer logischen Grundkonfiguration zusammengeschaltet und über die Schnittstellen durch ein übergeordnetes System kontrollierbar. Der Mikrofluidik-Prozessor weist mindestens eine fluidische Mischeinheit auf, welche über ausgangsseitig zusammengeschaltete Hydrogelaktor-basierte Pumpen verfügt und für verschiedene Prozessmedien Mischungsverhältnisse herstellt, die durch die jeweiligen Volumina der Pumpenkammern der Pumpen konstruktiv vorgebbar sind und die entstandene Mischung in Reaktions- oder Analyseeinheiten befördern.Furthermore known from the DE 10 2006 020 716 A1 is a microfluidic processor with built-in controllable elements for Handling of process media with elements based on temperature-sensitive hydrogels whose sensibilities that are relevant for media handling change as a result of specifically changeable ambient temperatures, whereby the ambient temperature can be controlled via electrical or electronics-compatible interfaces. The integrated polymer network-based elements are interconnected in hardware in a basic logical configuration and controllable via the interfaces by a higher-level system. The microfluidic processor has at least one fluidic mixing unit, which has hydrogel actuator-based pumps connected together on the output side and produces mixing ratios for different process media, which can be predetermined constructively by the respective volumes of the pump chambers of the pumps and convey the resulting mixture into reaction or analysis units.

Aus der DE 10 2012 201 713 A1 ist ein Verfahren für die Positionierung von Mikrostrukturelementen bekannt. Dabei werden auf ein Substrat mindestens zwei Polymerschichten mindestens teilweise übereinander aufgebracht, die nachfolgend in mindestens eine Plattform mit einem darauf oder darum befindlichen Rahmen strukturiert werden, der Rahmen an mindestens teilweise und mindestens an gegenüberliegenden Seiten der Plattform eine größere Höhe als die Plattform aufweist und das Mikrostrukturelement innerhalb des Rahmens, mindestens zwischen die Teile des Rahmens, die über die Plattform hinausragen, auf der Plattform mindestens positioniert wird.From the DE 10 2012 201 713 A1 For example, a method for positioning microstructure elements is known. In this case, at least two polymer layers are at least partially stacked on a substrate, which are subsequently structured in at least one platform with a frame thereon or around, the frame has at least partially and at least on opposite sides of the platform a greater height than the platform and the Microstructure element within the frame, at least between the parts of the frame, which protrude beyond the platform, is at least positioned on the platform.

Des Weiteren ist aus der DE 10 2012 201 714 A1 ein Verfahren zur Herstellung von Mikrofluidsystemen bekannt. Dabei wird auf einem Substrat mindestens an den Positionen von Verbindungselementen mindestens eine Polymerschicht aufgebracht und nachfolgend das Verbindungselement in die Position auf der Polymerschicht gebracht. Anschließend wird mindestens eine weitere Polymerschicht mindestens teilweise über das Verbindungselement mindestens mit einer Dicke aufgebracht, die mindestens größer ist als die Höhe des Verbindungselementes, und danach wird eine Strukturierung und Aushärtung mindestens der mindestens zweiten Polymerschicht realisiert. Furthermore, from the DE 10 2012 201 714 A1 a method for the production of microfluidic systems known. In this case, at least at the positions of connecting elements, at least one polymer layer is applied to a substrate and subsequently the connecting element is brought into the position on the polymer layer. Subsequently, at least one further polymer layer is at least partially applied via the connecting element with at least a thickness which is at least greater than the height of the connecting element, and then structuring and curing of at least the at least second polymer layer is realized.

Nachteilig ist, dass die Kontaktierung beispielsweise der elektrischen und fluidischen Elemente bei bekannten Vorrichtungen für die Mikrofluidik aufwendig ist und eine zu geringe Flexibilität bei sich ändernden Anwendungen aufweisen. The disadvantage is that the contacting of, for example, the electrical and fluidic elements is complicated in known devices for microfluidics and have too little flexibility in changing applications.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe einer Vorrichtung für die Mikrofluidik, die einfach aufgebaut ist und eine verbesserte Flexibilität zur Anpassung an geänderte Anwendungen aufweist.Object of the present invention is to provide a device for microfluidics, which is simple in construction and has improved flexibility to adapt to changing applications.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer und -Verknüpfung mit einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the subclaims, wherein the invention also includes combinations of the individual dependent claims in the sense of a and linkage, as long as they are not mutually exclusive.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Mikrofluidik enthält mindestens ein Funktionselement, welches mindestens ein aktives und passives Teil aufweist, und ein mit dem passiven Teil des Funktionselementes gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbundenes fluidisches Bauelement, und ein mit dem aktiven Teil des Funktionselementes elektrisch leitend verbundenes elektrisches Bauelement, wobei die Elemente der Vorrichtung über die gas- und/oder flüssigkeitsdichten und elektrisch leitenden Verbindungsstellen als Module austauschbar angeordnet sind. The device according to the invention for microfluidics contains at least one functional element, which has at least one active and passive part, and a fluidically and gas-tightly connected to the passive part of the functional element fluidic component, and electrically connected to the active part of the functional element electrically connected Component, wherein the elements of the device via the gas and / or liquid-tight and electrically conductive connection points are arranged interchangeably as modules.

Vorteilhafterweise weist das Funktionselement und/oder die Vorrichtung als Substrat oder Trägerelement ein Substrat oder eine Platte oder einen Mikrochip aus Silizium, Glas/Gläsern, Keramik/Keramiken, Piezoelektrika oder Polymeren oder aus SiO2, Al2O3, LiNbO3, LiTaO3, AlN, ZnO, Si und/oder GaAs oder aus Kombinationen dieser Materialien auf.Advantageously, the functional element and / or the device as a substrate or carrier element, a substrate or a plate or a microchip of silicon, glass / glass, ceramics / ceramics, piezoelectric materials, or polymers or of SiO 2, Al 2 O 3, LiNbO 3, LiTaO 3 , AlN, ZnO, Si and / or GaAs or combinations of these materials.

Ebenfalls vorteilhafterweise ist als passiver Teil des Funktionselementes mindestens ein Mikrostrukturelement vorhanden. Also advantageously, at least one microstructure element is present as a passive part of the functional element.

Auch vorteilhafterweise sind Mikrostrukturelemente, wie Mikrokanäle, Verbindungselemente, Reservoire, aus und/oder in Polydimethylsiloxan, Polystyrol, Polycaprolacton, Polycarbonat, Cyclo-Olefin-Copolymer, Polymethylmethacrylat, Polyimid, Polyetheretherketon, Glas, Silizium, Metallen, Keramiken und/oder fotolithographisch strukturierten Polymeren, wie SU-8 oder KMPR Fotolack, vorhanden. Also advantageously are microstructural elements, such as microchannels, fasteners, reservoirs, from and / or in polydimethylsiloxane, polystyrene, polycaprolactone, polycarbonate, cyclo-olefin copolymer, polymethylmethacrylate, polyimide, polyetheretherketone, glass, silicon, metals, ceramics and / or photolithographically structured polymers , such as SU-8 or KMPR photoresist, available.

Vorteilhafterweise werden als aktiver Teil des Funktionselementes Sensor- und/oder Aktorelemente zur Vermessung und/oder Manipulation elektrischer, akustischer, magnetischer, thermischer, optischer und/oder chemischer Eigenschaften des Fluids eingesetzt.Advantageously, sensor and / or actuator elements for measuring and / or manipulating electrical, acoustic, magnetic, thermal, optical and / or chemical properties of the fluid are used as the active part of the functional element.

Noch vorteilhafterweise bestehen die Sensor- und/oder Aktorelemente in Form von Elektroden oder elektrischen Kontakten oder elektrisch angesteuerte Elemente aus Cr, Ag, Au, Al, Ti, W, Ru, Mo, Cu, Ta, Pt, Pd oder eine Kombination dieser Materialien.Even more advantageously, the sensor and / or actuator elements in the form of electrodes or electrical contacts or electrically driven elements made of Cr, Ag, Au, Al, Ti, W, Ru, Mo, Cu, Ta, Pt, Pd or a combination of these materials ,

Vorteilhafterweise sind zwischen den Bauelementen und/oder zwischen dem Funktionselement und dem Substrat mechanische Dämpfungselemente angeordnet und/oder weisen die Bauelemente Oberflächenstrukturierungen zur ortsfesten Positionierung untereinander auf. Advantageously, mechanical damping elements are arranged between the components and / or between the functional element and the substrate and / or the components have surface structures for stationary positioning with one another.

Auch vorteilhafterweise weist das fluidische Bauelement mindestens eine, noch vorteilhafterweise zwei oder mehr Fluidführungseinrichtungen auf. Also advantageously, the fluidic component has at least one, more advantageously two or more fluid guiding devices.

Weiter vorteilhafterweise ist das fluidische Bauelement aus einem Polymermaterial, insbesondere aus PEEK, PTFE, PC, PP, PE hergestellt. Further advantageously, the fluidic component is made of a polymer material, in particular of PEEK, PTFE, PC, PP, PE.

Vorteilhafterweise sind im und/oder am fluidischen Bauelement aktive und/oder passive Fluidkomponenten, wie eine oder mehrere Mikropumpen, Mikromembranen, Elektroosmosepumpen, Ventile, fluidische Umschalter, GMR-Sensoren, Reservoire und/oder magnetische Teile, vorhanden.Advantageously, active and / or passive fluid components, such as one or more micropumps, micro-membranes, electro-osmosis pumps, valves, fluidic switches, GMR sensors, reservoirs and / or magnetic parts, are present in and / or on the fluidic component.

Ebenfalls vorteilhafterweise weist das elektrische Bauelement eine elektrische Leiterplatte, ein oder mehrere Logikelemente, insbesondere ein oder mehrere Ansteuerungselemente, ein oder mehrere Ein-/Ausgabeschnittstellen, ein oder mehrere Auswerteelemente oder ein oder mehrere Displays oder beliebige Kombinationen dieser Baugruppen auf. Likewise advantageously, the electrical component has an electrical circuit board, one or more logic elements, in particular one or more control elements, one or more input / output interfaces, one or more evaluation elements or one or more displays or any desired combinations of these assemblies.

Auch vorteilhafterweise ist das elektrische Bauelement mit dem Funktionselement mittels elektrisch leitfähigen Kontaktstiften, Klemmen und/oder Federkontaktstiften elektrisch kontaktiert.Also advantageously, the electrical component is electrically contacted with the functional element by means of electrically conductive contact pins, terminals and / or spring contact pins.

Weiter sind vorteilhafterweise das elektrische Bauelement und das fluidische Bauelement als ein Vorrichtungsbestandteil ausgeführt.Furthermore, advantageously, the electrical component and the fluidic component are designed as a device component.

Vorteilhafterweise sind die Verbindungsstellen der Elemente der Vorrichtung Mittel zum Positionieren des Funktionselementes, des fluidischen Bauelementes und/oder des elektrischen Bauelementes zueinander. Und noch vorteilhafterweise sind die Mittel zum Positionieren Führungsstifte, Führungsbolzen, Strukturen, Bohrungen, Federkontaktstifte, Klemmen und/oder Kontaktstifte.Advantageously, the connection points of the elements of the device are means for positioning the functional element, the fluidic component and / or the electrical component to each other. And even more advantageously, the means for positioning are guide pins, guide pins, structures, bores, spring contact pins, clamps, and / or contact pins.

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung für die Mikrofluidik bereitgestellt, die einfach aufgebaut ist und eine verbesserte Flexibilität zur Anpassung an geänderte Anwendungen aufweist.According to the invention, a device for microfluidics is provided that is simple in construction and has improved flexibility for adaptation to changed applications.

Erfindungsgemäß erreicht wird dies durch eine Vorrichtung für die Mikrofluidik, bei der die Bauelemente als Module flexibel auf geänderte Anwendungen austauschbar einsetzbar sind. Damit ist ein schneller und zeitsparender Austausch der Elemente der Vorrichtung realisierbar. Zudem ist mit der Vorrichtung eine sichere, jederzeit reproduzierbare mechanische, elektrische und fluidische Verbindung der einzelnen Module sichergestellt. This is achieved according to the invention by a device for microfluidics, in which the components can be flexibly used as modules as modules for changing applications. For a faster and time-saving replacement of the elements of the device can be realized. In addition, a secure, reproducible mechanical, electrical and fluidic connection of the individual modules is ensured with the device.

Unter „Module“ sollen im Rahmen der Erfindung einzelne Bauelemente einer Vorrichtung verstanden werden, die austauschbar sind und aus der Vorrichtung entnommen oder in die Vorrichtung eingesetzt werden können und mindestens teilweise über entsprechende Verbindungstellen miteinander interagieren können. Die einzelnen Module können industriell in großen Stückzahlen vorgefertigt sein, sodass die Module vor Ort für die jeweilige Anwendung ausgewählt und zur erfindungsgemäßen Vorrichtung zusammengebaut oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung entnommen und durch ein dazu passendes anderes Bauelement ersetzt werden können. In the context of the invention, "modules" are to be understood as meaning individual components of a device which are interchangeable and can be removed from the device or inserted into the device and at least partially interact with one another via corresponding connection points. The individual modules can be industrially prefabricated in large numbers, so that the modules selected locally for each application and assembled to the device according to the invention or removed from the device according to the invention and can be replaced by a matching other component.

Dabei enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Mikrofluidik mindestens ein Funktionselement, welches mindestens ein aktives und passives Teil aufweist, und ein mit dem passiven Teil des Funktionselementes gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbundenes fluidisches Bauelement, und ein mit dem aktiven Teil des Funktionselementes elektrisch leitend verbundenes elektrisches Bauelement, wobei die Elemente der Vorrichtung über die gas- und/oder flüssigkeitsdichten und elektrisch leitenden Verbindungsstellen als Module austauschbar angeordnet sind. In this case, the device according to the invention for microfluidics contains at least one functional element, which has at least one active and passive part, and a fluidically and gas-tightly connected to the passive part of the functional element fluidic component, and one electrically connected to the active part of the functional element electrical component, wherein the elements of the device are arranged interchangeably via the gas and / or liquid-tight and electrically conductive connection points as modules.

Das erfindungsgemäße Funktionselement, welches aus mindestens einem aktiven und passiven Teil besteht, und die gesamte Vorrichtung können auf einem Trägerelement oder Substrat angeordnet sein, welche beispielweise eine Platte oder ein Mikrochip, beispielsweise aus Glas/Gläsern, Silizium, Piezoelektrika, Keramik oder Polymer oder aus SiO2, Al2O3, LiNbO3, LiTaO3, AlN, ZnO, Si und/oder GaAs oder aus Kombinationen dieser Materialien besteht. The functional element according to the invention, which consists of at least one active and passive part, and the entire device can be arranged on a carrier element or substrate, which for example a plate or a microchip, for example of glass / glasses, silicon, piezoelectric, ceramic or polymer or SiO 2 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AlN, ZnO, Si and / or GaAs or combinations of these materials.

Vorteilhaft ist, wenn insbesondere das Substrat oder Trägerelement aus kostengünstigen Materialien besteht, die auch einfach in der Bearbeitung sind und zudem ein geringes Gewicht aufweisen, was insbesondere für den mobilen Feldeinsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung von Bedeutung ist. Als besonderer Vorteil bei Einsatz eines Substrates oder Trägerelementes gilt, dass es leicht austauschbar und preislich günstig ist, und somit als Wegwerfartikel für „single use“ eingesetzt werden kann.It is advantageous if in particular the substrate or carrier element consists of cost-effective materials which are also easy to process and also have a low weight, which is particularly important for the mobile field use of the device according to the invention. A particular advantage when using a substrate or carrier element is that it is easily replaceable and priced low, and thus can be used as a disposable item for "single use".

Der passive Teil des Funktionselementes ist mindestens ein Mikrostrukturelement, wobei das Mikrostrukturelement Mikrokanäle, Verbindungselemente, Reservoire, oder fotolithografisch strukturierte Polymermikrokanäle sein können, die beispielsweise aus und/oder in Polydimethylsiloxan, Polystyrol, Polycaprolacton, Polycarbonat, Cyclo-Olefin-Copolymer, Polymethylmethacrylat, Polyimid, Polyetheretherketon, Glas, Silizium, Metallen, Keramiken und/oder fotolithographisch strukturierten Polymeren (beispielsweise SU-8 oder KMPR Fotolack) vorhanden sind. Diese Mikrostrukturelemente weisen mindestens fluidische Verbindungsstellen auf, über die die gas- und/oder flüssigkeitsdichte Verbindung mit dem fluidischen Bauelement realisiert ist. Für eine sichere gas- und/oder flüssigkeitsdichte Verbindung von fluidem Bauelement und dem passiven Teil des Funktionselementes können vorteilhafterweise zusätzlich Dichtelemente angeordnet sein. The passive part of the functional element is at least one microstructure element, wherein the microstructural element may be microchannels, connecting elements, reservoirs, or photolithographically structured polymer microchannels, for example of and / or in polydimethylsiloxane, polystyrene, polycaprolactone, polycarbonate, cyclo-olefin copolymer, polymethylmethacrylate, polyimide , Polyetheretherketone, glass, silicon, metals, ceramics and / or photolithographically structured polymers (for example SU-8 or KMPR photoresist) are present. These microstructure elements have at least fluid connection points, via which the gas- and / or liquid-tight connection with the fluidic component is realized. For a secure gas and / or liquid-tight connection of the fluid component and the passive part of the functional element, additional sealing elements can advantageously be arranged.

Das Funktionselement weist außerdem mindestens einen aktiven Teil auf, wobei als aktiver Teil des Funktionselementes beispielsweise Sensor- und/oder Aktorelemente zur Vermessung und/oder Manipulation elektrischer, akustischer, magnetischer, thermischer, optischer und/oder chemischer Eigenschaften des Fluids eingesetzt werden.The functional element also has at least one active part, wherein, for example, sensor and / or actuator elements for measuring and / or manipulating electrical, acoustic, magnetic, thermal, optical and / or chemical properties of the fluid are used as the active part of the functional element.

Diese können Elektroden und elektrische Kontakte oder elektrisch angesteuerte Elemente aufweisen. Das Material der Elektroden und der elektrischen Kontakte kann beispielsweise Cr, Ag, Au, Al, Ti, W, Ru, Mo, Cu, Ta, Pt, Pd oder eine Kombination dieser Materialien sein. Der aktive Teil des Funktionselementes kann auch als elektrisch ansteuerbare Sensor- und/oder Aktorelemente ausgebildet sein. Derartige Sensor- und/oder Aktorelemente können beispielsweise optische Sensoren für die Analyse von Fluiden, elektromagnetische Aktoren, Heizelemente, oder auch SAW-Bauelemente für die Zerstäubung von Fluiden oder für akustische Pinzetten sein. These may include electrodes and electrical contacts or electrically driven elements. The material of the electrodes and the electrical contacts may be, for example, Cr, Ag, Au, Al, Ti, W, Ru, Mo, Cu, Ta, Pt, Pd, or a combination of these materials. The active part of the functional element can also be designed as electrically controllable sensor and / or actuator elements. Such sensor and / or actuator elements may be, for example, optical sensors for the analysis of fluids, electromagnetic actuators, heating elements, or also SAW components for the atomization of fluids or for acoustic tweezers.

Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung ein Trägerelement aufweisen, auf dem insbesondere das Funktionselement angeordnet ist. Durch das Trägerelement werden beispielsweise die darauf angeordneten Bauelemente aufgenommen und/oder auch eine jederzeit reproduzierbare Positionierung der Bauelemente zueinander und/oder beispielsweise auf einem Wafer oder anderen Bauteilen sichergestellt. So kann eine Oberfläche des Trägerelementes strukturiert sein, wodurch beispielsweise das auf dem Trägerelement angeordnete Funktionselement ortsfest und in seiner Lage ausgerichtet in der realisierten Struktur der Oberfläche des Trägerelementes angeordnet ist. Damit wird sichergestellt, dass das auf dem Trägerelement angeordnete Funktionselement stets an einer vorbestimmten Position und in einer vorbestimmten Lage positioniert ist und im Falle des Austausches von Modulen das nachfolgend angeordnete Modul wieder die gleiche Position und Lage auf dem Trägerelement aufweist. Advantageously, the device may comprise a carrier element, on which in particular the functional element is arranged. For example, the components arranged thereon are received by the carrier element and / or a positioning of the components that is reproducible at any time is ensured relative to one another and / or, for example, on a wafer or other components. Thus, a surface of the carrier element may be structured, whereby, for example, the functional element arranged on the carrier element is arranged stationary and aligned in its position in the realized structure of the surface of the carrier element. This ensures that the functional element arranged on the carrier element is always positioned at a predetermined position and in a predetermined position and, in the case of the exchange of modules, the subsequently arranged module again has the same position and position on the carrier element.

Außerdem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Elementen der Vorrichtung auf, die Mittel zum Positionieren, wie beispielsweise Führungsstifte, Führungsbolzen, Strukturen, Bohrungen, Federkontaktstifte, Klemmen und/oder Kontaktstifte sind. Mit diesen Mitteln zum Positionieren wird einerseits erreicht, dass ein zeitsparender Zusammenbau der einzelnen Bauelemente als Module der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist. Außerdem wird erreicht, dass ein nachträgliches Ausrichten der einzelnen Module beim Zusammenbau der Vorrichtung entfällt, da durch die Mittel zum Positionieren eine selbstausrichtende Montage realisiert werden kann (Self-Alignment).In addition, the device according to the invention has connection points between the individual elements of the device, which are means for positioning, such as guide pins, guide pins, structures, holes, spring contact pins, terminals and / or contact pins. With these means for positioning on the one hand ensures that a time-saving assembly of the individual components as modules of the device according to the invention is possible. In addition, it is achieved that a subsequent alignment of the individual modules in the assembly of the device is eliminated, since the means for positioning a self-aligning assembly can be realized (self-alignment).

Des Weiteren weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein fluidisches Bauelement auf. Das fluidische Bauelement ist mit dem passiven Teil des Funktionselementes gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbunden. Durch die gas- und/oder flüssigkeitsdichte Verbindung können Fluide zugeführt und/oder abgeführt werden können. Dazu sind beispielsweise zwei Fluidführungseinrichtungen vorhanden, die die Zu- und Abführung von Fluiden zum und vom fluidischen Bauelement realisieren.Furthermore, the device according to the invention has a fluidic component. The fluidic component is connected to the passive part of the functional element gas and / or liquid-tight. By the gas and / or liquid-tight connection fluids can be supplied and / or removed. For this purpose, for example, two fluid guide devices are provided, which realize the supply and discharge of fluids to and from the fluidic component.

Das fluidische Bauelement kann beispielsweise aus den gleichen Materialien, wie der passive Teil des Funktionselementes bestehen und auch mit den gleichen Verfahren hergestellt werden, und/oder aus Polymermaterial, insbesondere aus PEEK, PTFE, PC, PP, PE hergestellt sein. Dabei ist zu beachten, dass die Materialien des fluidischen Bauelementes in jedem Fall kompatibel mit den eingesetzten Fluiden, insbesondere hinsichtlich ihrer chemischen Stabilität sein müssen. The fluidic component may for example consist of the same materials as the passive part of the functional element and be prepared by the same method, and / or be made of polymer material, in particular PEEK, PTFE, PC, PP, PE. It should be noted that the materials of the fluidic component in each case must be compatible with the fluids used, in particular with regard to their chemical stability.

Am und/oder im fluidischen Bauelement können vorteilhafterweise aktive und passive Fluidkomponenten, wie eine oder mehrere Mikropumpen, Mikromembranen, Ventile, Fluidische Umschalter, Elektroosmosepumpen, GMR-Sensoren, Reservoire und/oder magnetische Teile vorhanden sein. Advantageously, active and passive fluid components, such as one or more micropumps, micro-membranes, valves, fluidic switches, electro-osmosis pumps, GMR sensors, reservoirs and / or magnetic parts can be present on and / or in the fluidic component.

Außerdem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein elektrisches Bauelement auf, das mit dem aktiven Teil des Funktionselementes elektrisch leitend verbunden ist. Die elektrisch leitende Verbindung ist vorteilhaft über elektrisch leitende Kontaktstifte, Klemmen und/oder Federstifte realisiert, die beispielsweise auf dem Funktionselement oder auf dem elektrisch leitenden Bauelement angeordnet sind. Über die elektrischen Kontakte werden die für die Anwendung erforderlichen elektrischen Signale auf den aktiven Teil des Funktionselementes übertragen und Informationen vom Funktionselement beispielsweise zu einer Auswerteeinheit oder einem Display übertragen.In addition, the device according to the invention comprises an electrical component which is electrically conductively connected to the active part of the functional element. The electrically conductive connection is advantageously realized via electrically conductive contact pins, terminals and / or spring pins, which are arranged for example on the functional element or on the electrically conductive component. About the electrical contacts required for the application of electrical signals are transmitted to the active part of the functional element and transmit information from the functional element, for example, to an evaluation unit or a display.

Das elektrische Bauelement ist beispielsweise eine elektrische Leiterplatte, ein oder mehrere Logikelemente, insbesondere ein oder mehrere Ansteuerungselemente, ein oder mehrere Ein-/Ausgabeschnittstellen, ein oder mehrere Auswerteelemente oder ein oder mehrere Displays oder beliebige Kombinationen dieser Baugruppen. Vorteilhafterweise können erfindungsgemäß das elektrische Bauelement und das fluidische Bauelement als ein Vorrichtungsbestandteil ausgeführt sein.The electrical component is, for example, an electrical circuit board, one or more logic elements, in particular one or more control elements, one or more input / output interfaces, one or more Evaluation elements or one or more displays or any combination of these assemblies. Advantageously, according to the invention, the electrical component and the fluidic component can be designed as a device component.

Die Anordnung und Positionierung des elektrischen Bauelementes erfolgt vorteilhafterweise über Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Elementen der Vorrichtung, die Mittel zum Positionieren, wie elektrisch leitfähigen Kontaktstifte, Klemmen und/oder Federkontaktstifte, aufweisen. The arrangement and positioning of the electrical component is advantageously carried out via connection points between the individual elements of the device, the means for positioning, such as electrically conductive contact pins, terminals and / or spring contact pins have.

Die mechanische Belastung aufgrund der mechanischen und elektrischen Kontaktierung des elektrischen Bauelementes mit dem Funktionselement kann dadurch verringert, vorteilhafterweise gezielt eingestellt, werden, dass die Vorrichtung Federelemente aufweist. So kann oder können beispielsweise auf der Oberfläche des Trägerelementes oder auf der Fläche des Funktionselementes, die mit dem Trägerelement kontaktiert ist, ein der mehrere Federelemente als Dämpfungselemente angeordnet sein. Das oder die Federelemente können beispielsweise ein geschäumtes Polymermaterial, eine Feder, ein Federkontaktstift oder eine Elastomermaterial sein. Durch das Anordnen der Federelemente beispielsweise zwischen dem Trägerelement und dem auf dem Trägerelement angeordneten Funktionselement wird einerseits eine sichere mechanische Kontaktierung des Trägerelementes mit dem Funktionselement realisiert. Andererseits wird die mechanische Belastung durch die mechanische Kontaktierung des elektrischen Bauelementes mit dem Funktionselement wesentlich verringert. Derartige Dämpfungselemente können auch zwischen den anderen Elementen der Vorrichtung angeordnet sein.The mechanical stress due to the mechanical and electrical contacting of the electrical component with the functional element can thereby be reduced, advantageously set in a targeted manner, that the device has spring elements. For example, one of the plurality of spring elements may be arranged as damping elements on the surface of the carrier element or on the surface of the functional element which is in contact with the carrier element. The one or more spring elements may be, for example, a foamed polymer material, a spring, a spring contact pin or an elastomeric material. By arranging the spring elements, for example, between the carrier element and the functional element arranged on the carrier element, a secure mechanical contacting of the carrier element with the functional element is realized on the one hand. On the other hand, the mechanical stress is substantially reduced by the mechanical contacting of the electrical component with the functional element. Such damping elements can also be arranged between the other elements of the device.

Außerdem ist es möglich, dass die elektrisch leitenden Kontakte des elektrischen Bauelementes als Federelemente ausgeführt sind. Eine Ausführung der elektrisch leitenden Kontakte als Federelemente führt zu einer sicheren elektrischen Verbindung beider Bauelemente sowie zu einer mechanischen Entlastung des Funktionselementes im Bereich der Kontaktierung mit dem elektrischen Bauelement. It is also possible that the electrically conductive contacts of the electrical component are designed as spring elements. An embodiment of the electrically conductive contacts as spring elements leads to a secure electrical connection between the two components and to a mechanical relief of the functional element in the region of the contact with the electrical component.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erstmals eine, auch für die Massenindustrie einsetzbare Vorrichtung bereitgestellt, die sich durch eine mehrfach verwendbare Peripherie, beispielsweise eines Trägerelementes, auszeichnet und in einfacher Weise durch die austauschbaren Bauelemente als Module montiert und demontiert werden kann. Gleichzeitig wird eine sichere und reproduzierbare Vorrichtung für die Mikrofluidik bereitgestellt, die sich durch kompatible und austauschbare Bauelemente als Module flexibel an die jeweilige Anwendung anpassen lässt. With the solution according to the invention, a device which can also be used for the mass industry is provided for the first time, which is characterized by a reusable periphery, for example a carrier element, and can be easily assembled and disassembled as modules by the exchangeable components. At the same time a safe and reproducible device for the microfluidics is provided, which can be flexibly adapted to the respective application by means of compatible and exchangeable components as modules.

Zudem ermöglicht die Vorrichtung eine Integration von Logikelementen, Ansteuer- und Auswerteelektronik, Displays oder anderen aktiven oder passiver Elektronikkomponenten in das elektrische Bauelement, wodurch im Feldeinsatz eine umfangreiche Analyse und Auswertung von Daten von Fluiden vorgenommen werden kann. In addition, the device allows integration of logic elements, control and evaluation electronics, displays or other active or passive electronic components in the electrical component, which can be made in the field, a comprehensive analysis and evaluation of data from fluids.

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to the following embodiment.

Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1

Ein Trägerelement aus Al weist eine CNC-gefräste Oberflächenstrukturierung mit den Abmessungen 10.05 mm × 20.05 mm × 0.5 mm (BHT) auf, in der ein Funktionselement in Form eines Mikrochips angeordnet ist. Der Mikrochip besteht aus LiNbO3 mit einer Orientierung 128°YX und hat die Abmessungen 10 mm × 20 mm × 0.5 mm (BHT). Auf der Oberfläche des Mikrochips ist mittels lithographischer Verfahren ein abgedeckter Mikrofluidkanal als passiver Teil des Funktionselementes mit einer Kanalgeometrie von 100 × 100 × 5000 µm3 (BHT) und einer Wand-/Deckelstärke von 100 µm/10 µm appliziert, dessen beide Enden jeweils eine Öffnung aufweisen. Außerdem sind auf der Oberfläche des Mikrochips zwei Interdigitalwandler (IDT, λ/4, 100 µm Wellenlänge, 1 mm Apertur) aus einer Ti/Al-Schichtfolge als aktiver Teil des Funktionselementes angeordnet. Mit den Fingerelektroden der IDT sind durch Leitbahnen jeweils zwei elektrische Kontaktflächen mit einer Größe von 1 mm × 1 mm verbunden. Der Mikrofluidkanal ist zwischen den IDT angeordnet, wodurch im Fluid im Kanal bei Anlegen eines Hochfrequenzsignales an die IDT eine teilweise stehende akustische Welle angeregt wird. Auf den beiden Kanalöffnungen sind zwei Dichtungsringe aus EPDM mit den Abmessungen 0,74 × 1,02 (Innendurchmesser x Schnurstärke in mm) angeordnet, die einen gas- und flüssigkeitsdichten Zu- und Abfluss des Fluides in und aus dem Mikrofluidkanal gewährleisten, sobald das fluidische Bauelement aufgedrückt wird. A support element made of Al has a CNC-milled surface structuring with the dimensions 10.05 mm × 20.05 mm × 0.5 mm (BHT), in which a functional element in the form of a microchip is arranged. The microchip is made of LiNbO 3 with a orientation 128 ° YX and has the dimensions 10 mm × 20 mm × 0.5 mm (BHT). On the surface of the microchip a covered microfluidic channel is applied as a passive part of the functional element with a channel geometry of 100 × 100 × 5000 microns 3 (BHT) and a wall / lid thickness of 100 .mu.m / 10 .mu.m, whose two ends each have a Have opening. In addition, two interdigital transducers (IDT, λ / 4, 100 μm wavelength, 1 mm aperture) are arranged on the surface of the microchip of a Ti / Al layer sequence as an active part of the functional element. With the finger electrodes of the IDT are interconnected by interconnects two electrical contact surfaces with a size of 1 mm × 1 mm. The microfluidic channel is located between the IDTs, which excites a partially standing acoustic wave in the fluid in the channel when a high frequency signal is applied to the IDT. On the two channel openings two EPDM sealing rings with the dimensions 0.74 × 1.02 (inner diameter x line thickness in mm) are arranged, which ensure a gas- and liquid-tight inflow and outflow of the fluid into and out of the microfluidic channel, as soon as the fluidic Component is pressed.

Auf dem Mikrochip ist dann ein fluidisches Bauelement aus PEEK mit den Abmessungen 10 mm × 20 mm × 3 mm (BHT) angeordnet. Das fluidische Bauelement weist im Inneren einen Fluidzuführkanal und einen weiteren Fluidabführkanal auf. Weiterhin befindet sich in der Mitte des fluidischen Bauelements eine Öffnung zur optischen Inspektion des Kanals mit 5 mm Durchmesser und vier Öffnungen (Durchführungen) für die elektrische Kontaktierung des Mikrochips. Die Enden der beiden Kanäle sind um jeweils um 90° abgewinkelt und weisen jeweils eine Öffnung auf, die jeweils mit den Dichtungsringen auf dem Mikrochip gas- und flüssigkeitsdicht verbunden sind. On the microchip then a fluidic element made of PEEK with the dimensions 10 mm × 20 mm × 3 mm (BHT) is arranged. The fluidic component has a fluid supply channel and a further fluid discharge channel in the interior. Furthermore, an opening for the optical inspection of the channel with 5 mm diameter and four openings (feedthroughs) for the electrical contacting of the microchip is located in the middle of the fluidic component. The ends of the two channels are angled at 90 ° in each case and each have an opening, which are each gas-tight and liquid-tightly connected to the sealing rings on the microchip.

Auf dem fluidischen Bauelement ist ein elektrisches Bauelement in Form einer Leiterplatte mit 50 Ohm-angepassten Leitbahnen (Wellenleiter) positioniert. Die Leiterplatte weist eine Abmessung von 10 mm × 20 mm × 1 mm (BHT) auf. Weiterhin befindet sich in der Mitte der Leiterplatte eine Öffnung zur optischen Inspektion des Kanals mit 5 mm Durchmesser. Auf der Unterseite der Leiterplatte in Richtung des fluidischen Bauelementes sind vier elektrisch leitende, vergoldete Federkontaktstifte angeordnet, die mit den elektrischen Kontaktflächen auf der Oberfläche des Mikrochips durch Durchführungen im fluidischen Bauelement in mechanischen und elektrischen Kontakt stehen. Das elektrische Bauelement weist zudem elektrische Anschlüsse für den Anschluss einer elektrischen Signalquelle und Auswerteeinheit auf. On the fluidic component is an electrical component in the form of a printed circuit board with the 50th Ohm-adapted interconnects (waveguides) positioned. The printed circuit board has a dimension of 10 mm × 20 mm × 1 mm (BHT). Furthermore, in the middle of the circuit board, there is an opening for optical inspection of the 5 mm diameter channel. On the underside of the circuit board in the direction of the fluidic component, four electrically conductive, gold-plated spring contact pins are arranged, which are in mechanical and electrical contact with the electrical contact surfaces on the surface of the microchip through bushings in the fluidic component. The electrical component also has electrical connections for the connection of an electrical signal source and evaluation.

Die Positionierung des fluidischen Bauelementes auf dem Funktionselement und die Positionierung des elektrischen Bauelementes auf dem fluidischen Bauelement erfolgt über zwei auf dem Trägerelement vorgesehene Positionierstifte, die einen positionsgenauen Zusammenbau der einzelnen Bauelemente über Durchführungen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglichen. The positioning of the fluidic component on the functional element and the positioning of the electrical component on the fluidic component via two provided on the support member positioning pins that allow a positionally accurate assembly of the individual components via bushings for the preparation of the device according to the invention.

Mit dieser Vorrichtung können Partikel im Mikrokanal manipuliert, sortiert oder aufkonzentriert werden. With this device, particles in the microchannel can be manipulated, sorted or concentrated.

Sofern eine andere Anwendung gefordert wird, kann beispielsweise das Funktionselement einfach aus der Vorrichtung entfernt und durch ein anderes Funktionselement, beispielsweise für die Analyse der Zusammensetzung eines Fluides ersetzt werden. Abmessungen und Verbindungsstellen des anderen Funktionselementes sind identisch mit dem ersten Funktionselement, so dass das andere Funktionselement passgenau eingesetzt werden kann und sofort funktionsfähig ist.If another application is required, for example, the functional element can be easily removed from the device and replaced by another functional element, for example, for the analysis of the composition of a fluid. Dimensions and connection points of the other functional element are identical to the first functional element, so that the other functional element can be used accurately and is immediately functional.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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  • K. Scholten et al: Applied Physics Letters 99, 141108 (2011) [0006] K. Scholten et al .: Applied Physics Letters 99, 141108 (2011) [0006]

Claims (15)

Vorrichtung für die Mikrofluidik, mindestens enthaltend ein Funktionselement, welches mindestens ein aktives und passives Teil aufweist, und ein mit dem passiven Teil des Funktionselementes gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbundenes fluidisches Bauelement, und ein mit dem aktiven Teil des Funktionselementes elektrisch leitend verbundenes elektrisches Bauelement, wobei die Elemente der Vorrichtung über die gas- und/oder flüssigkeitsdichten und elektrisch leitenden Verbindungsstellen als Module austauschbar angeordnet sind. Device for microfluidics, at least comprising a functional element, which has at least one active and passive part, and a gas- and / or liquid-tightly connected to the passive part of the functional element fluidic component, and an electrically conductive connected to the active part of the functional element electrical component , Wherein the elements of the device are arranged interchangeably as modules via the gas and / or liquid-tight and electrically conductive connection points. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Funktionselement und/oder die Vorrichtung als Substrat oder Trägerelement ein Substrat oder eine Platte oder einen Mikrochip aus Silizium, Glas/Gläsern, Keramik/Keramiken, Piezoelektrika oder Polymeren oder aus SiO2, Al2O3, LiNbO3, LiTaO3, AlN, ZnO, Si und/oder GaAs oder aus Kombinationen dieser Materialien aufweist.Device according to Claim 1, in which the functional element and / or the device as substrate or carrier element is a substrate or a plate or a microchip of silicon, glass / glasses, ceramics / ceramics, piezoelectrics or polymers or of SiO 2 , Al 2 O 3 , comprising LiNbO 3, LiTaO 3, AlN, ZnO, Si and / or GaAs, or combinations of these materials. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der als passiver Teil des Funktionselementes mindestens ein Mikrostrukturelement vorhanden ist. Apparatus according to claim 1, wherein at least one microstructure element is present as a passive part of the functional element. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der Mikrostrukturelemente, wie Mikrokanäle, Verbindungselemente, Reservoire, aus und/oder in Polydimethylsiloxan, Polystyrol, Polycaprolacton, Polycarbonat, Cyclo-Olefin-Copolymer, Polymethylmethacrylat, Polyimid, Polyetheretherketon, Glas, Silizium, Metallen, Keramiken und/oder fotolithographisch strukturierten Polymeren, wie SU-8 oder KMPR Fotolack, vorhanden sind. Device according to claim 3, in which microstructural elements, such as microchannels, connecting elements, reservoirs, of and / or in polydimethylsiloxane, polystyrene, polycaprolactone, polycarbonate, cyclo-olefin copolymer, polymethylmethacrylate, polyimide, polyetheretherketone, glass, silicon, metals, ceramics and / or photolithographically structured polymers such as SU-8 or KMPR photoresist. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der als aktiver Teil des Funktionselementes Sensor- und/oder Aktorelemente zur Vermessung und/oder Manipulation elektrischer, akustischer, magnetischer, thermischer, optischer und/oder chemischer Eigenschaften des Fluids eingesetzt werden.Apparatus according to claim 1, in which sensor and / or actuator elements for measuring and / or manipulating electrical, acoustic, magnetic, thermal, optical and / or chemical properties of the fluid are used as the active part of the functional element. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Sensor- und/oder Aktorelemente in Form von Elektroden oder elektrischen Kontakten oder elektrisch angesteuerte Elemente aus Cr, Ag, Au, Al, Ti, W, Ru, Mo, Cu, Ta, Pt, Pd oder eine Kombination dieser Materialien bestehen. Apparatus according to claim 5, wherein the sensor and / or actuator elements in the form of electrodes or electrical contacts or electrically driven elements of Cr, Ag, Au, Al, Ti, W, Ru, Mo, Cu, Ta, Pt, Pd or a combination of these materials. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der zwischen den Bauelementen und/oder zwischen dem Funktionselement und dem Substrat mechanische Dämpfungselemente angeordnet sind und/oder die Bauelemente Oberflächenstrukturierungen zur ortsfesten Positionierung untereinander aufweisen.Device according to claim 1, in which mechanical damping elements are arranged between the components and / or between the functional element and the substrate and / or the components have surface structures for stationary positioning with one another. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das fluidische Bauelement mindestens eine, vorteilhafterweise zwei oder mehr Fluidführungseinrichtungen aufweist. Apparatus according to claim 1, wherein the fluidic component comprises at least one, advantageously two or more fluid guiding means. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das fluidische Bauelement aus einem Polymermaterial, insbesondere aus PEEK, PTFE, PC, PP, PE hergestellt ist. Apparatus according to claim 1, wherein the fluidic component is made of a polymer material, in particular of PEEK, PTFE, PC, PP, PE. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der im und/oder am fluidischen Bauelement aktive und/oder passive Fluidkomponenten, wie eine oder mehrere Mikropumpen, Mikromembranen, Elektroosmosepumpen, Ventile, fluidische Umschalter, GMR-Sensoren, Reservoire und/oder magnetische Teile, vorhanden sind.Device according to claim 1, in which active and / or passive fluid components, such as one or more micropumps, micro-membranes, electro-osmosis pumps, valves, fluidic switches, GMR sensors, reservoirs and / or magnetic parts, are present in and / or on the fluidic component. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das elektrische Bauelement eine elektrische Leiterplatte, ein oder mehrere Logikelemente, insbesondere ein oder mehrere Ansteuerungselemente, ein oder mehrere Ein-/Ausgabeschnittstellen, ein oder mehrere Auswerteelemente oder ein oder mehrere Displays oder beliebige Kombinationen dieser Baugruppen aufweist. Apparatus according to claim 1, wherein the electrical component comprises an electrical circuit board, one or more logic elements, in particular one or more control elements, one or more input / output interfaces, one or more evaluation elements or one or more displays or any combination of these assemblies. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das elektrische Bauelement mit dem Funktionselement mittels elektrisch leitfähigen Kontaktstiften, Klemmen und/oder Federkontaktstiften elektrisch kontaktiert ist.Apparatus according to claim 1, wherein the electrical component is electrically contacted with the functional element by means of electrically conductive contact pins, terminals and / or spring contact pins. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das elektrische Bauelement und das fluidische Bauelement als ein Vorrichtungsbestandteil ausgeführt sind.The device of claim 1, wherein the electrical component and the fluidic device are implemented as a device component. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Verbindungsstellen der Elemente der Vorrichtung Mittel zum Positionieren des Funktionselementes, des fluidischen Bauelementes und/oder des elektrischen Bauelementes zueinander sind.Apparatus according to claim 1, wherein the connection points of the elements of the device are means for positioning the functional element, the fluidic component and / or the electrical component to each other. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Mittel zum Positionieren Führungsstifte, Führungsbolzen, Strukturen, Bohrungen, Federkontaktstifte, Klemmen und/oder Kontaktstifte sind.Apparatus according to claim 14, wherein the means for positioning are guide pins, guide pins, structures, bores, spring contact pins, clamps and / or contact pins.
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