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DE102016124059B4 - DEVICE FOR MICROFLUIDICS - Google Patents

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DE102016124059B4
DE102016124059B4 DE102016124059.1A DE102016124059A DE102016124059B4 DE 102016124059 B4 DE102016124059 B4 DE 102016124059B4 DE 102016124059 A DE102016124059 A DE 102016124059A DE 102016124059 B4 DE102016124059 B4 DE 102016124059B4
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Abstract

Vorrichtung für die Mikrofluidik, mindestens enthaltend ein auf einem Trägerelement angeordnetes 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 mindestens ein mit dem aktiven Teil des Funktionselementes elektrisch leitend verbundenes elektrisches Bauelement in Form einer elektrischen Leiterplatte, wobei als aktiver Teil des Funktionselementes mindestens ein Piezoelektrika aufweisendes Aktorelement in Form eines Interdigitalwandlers zur Manipulation elektrischer, akustischer, magnetischer, thermischer, optischer und/oder chemischer Eigenschaften des Fluids eingesetzt ist, und wobei als passiver Teil des Funktionselementes mindestens ein Mikrostrukturelement in Form von Mikrokanälen, Verbindungselementen, Reservoiren vorhanden sind, und wobei das elektrische Bauelement in Form der mindestens einen elektrischen Leiterplatte mit dem Funktionselement mittels elektrisch leitfähiger Kontaktstifte, Klemmen und/oder Federkontaktstifte elektrisch kontaktiert ist, und wobei die Elemente der Vorrichtung über die gas- und/oder flüssigkeitsdichten und elektrisch leitenden Verbindungsstellen als Module austauschbar angeordnet sind, und wobei die Verbindungsstellen der Elemente der Vorrichtung Führungsstifte, Führungsbolzen, Strukturen, Bohrungen, Federkontaktstifte, Klemmen und/oder Kontaktstifte zum Positionieren des Funktionselementes, des fluidischen Bauelementes und/oder der mindestens einen elektrischen Leiterplatte zueinander sind.Device for microfluidics, at least comprising a functional element arranged on a carrier element, which has at least one active and passive part, and a fluidic component which is connected to the passive part of the functional element in a gas-tight and / or liquid-tight manner, and at least one with the active part of the functional element electrically conductively connected electrical component in the form of an electrical circuit board, at least one actuator element having piezoelectrics in the form of an interdigital transducer for manipulating electrical, acoustic, magnetic, thermal, optical and / or chemical properties of the fluid being used as the active part of the functional element, and wherein passive part of the functional element at least one microstructure element in the form of microchannels, connecting elements, reservoirs are present, and the electrical component in the form of the at least one electrical circuit board with the Functional element is electrically contacted by means of electrically conductive contact pins, terminals and / or spring contact pins, and wherein the elements of the device are interchangeably arranged as modules via the gas and / or liquid-tight and electrically conductive connection points, and wherein the connection points of the elements of the device guide pins, guide bolts , Structures, bores, spring contact pins, clamps and / or contact pins for positioning the functional element, the fluidic component and / or the at least one electrical circuit board.

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 microsystem technology and microfluidics and relates to a device for microfluidics, such as that used, for example, for actuator or sensor lab-on-a-chip systems, impedance spectroscopy, surface plasmon resonance or electromagnetic separation in medical technology or in 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.Microfluidics deals with the behavior of liquids and gases in the smallest space (Wikipedia, search term "microfluidics"). Microfluidics is also increasingly being used for the analysis or manipulation of fluids. So-called lab-on-a-chip systems (also known as micro total analysis systems, µTAS) are now used as microfluidic systems that combine the functionality of a macroscopic laboratory on a chip substrate.

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.For this purpose, the necessary tasks, which are implemented on a macroscopic scale, must also be able to be carried out in all lab-on-a-chip systems. 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 main components that are necessary for the basic operations. One of the main components is the passive component, which implements simple techniques and does not require external energy, such as using the capillary effects to draw liquid into channels or fleeces, or using color change reactions in drug / pregnancy tests, such as mixing or transporting 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 options, such as impedance spectroscopy, liquid heating in the polymerase chain reaction, SAW Atomization, etc. The second component enables the processes for the analysis of fluids to run automatically.

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

So ist ein Si/SiOxMikro-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/SiOxBischicht besteht, mit einer Flüssigkeit gefüllt. Mittels Mikrophotolumineszenz-Spektroskopie wird durch Anregung mittels eines Lasers der Brechungsindex der Flüssigkeit ermittelt.A Si / SiO x micro refractometer on a Si substrate is known ( A. Bernardi et al: Applied Physics Letters 93, 094106 (2008) ). Then a microtube with a diameter of 2-3 µm and a length of 100 µm to 1 mm, which consists of a rolled-up Si / SiO x layer, is filled with a liquid. Using microphotoluminescence spectroscopy, the refractive index of the liquid is determined by excitation using 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 required as sensors for biomedical analysis. These ring resonator structures consist of small capillaries through which the analysis liquid flows. Because of their manufacture, such resonator structures are either difficult to integrate 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 can be activated free of auxiliary energy by influencing environmental variables and which cause active functions by changing their swelling state or their mechanical properties. The system contains at least one structure carrier with at least one first channel, a cover which at least partially covers the structure carrier and at least one second channel, the second channel being arranged on the structure carrier or the cover. The channels each form reservoir spaces delimited by active elements, which are arranged in such a way that they have at least one overlapping area with respect 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. Also known from the DE 10 2011 112 638 A1 is a microfluidic chip that has 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 can be above and the chamber below, or the channel below and the chamber above. The input and the output area 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.Also known from the DE 10 2006 020 716 A1 is a microfluidic processor with integrated controllable elements for the handling of process media, with elements based on temperature-sensitive hydrogels, whose sensibilities relevant for media handling change due to deliberately changeable ambient temperature, whereby the ambient temperature can be controlled via electrical or electronic compatible interfaces. The integrated polymer network-based elements are interconnected in a basic logic configuration and can be controlled 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 on the output side and produces mixing ratios for different process media, which can be specified by the respective volumes of the pump chambers of the pumps and which convey the resulting mixture to 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 a method for the positioning of microstructure elements is known. At least two polymer layers are applied at least partially one above the other on a substrate, which are subsequently structured into at least one platform with a frame located on or around it, the frame has a greater height than the platform on at least partially and at least on opposite sides of the platform, and that Microstructure element within the frame, at least between the parts of the frame that 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 producing microfluidic systems is known. At least one polymer layer is applied to a substrate at least at the positions of connecting elements and the connecting element is subsequently brought into position on the polymer layer. Then at least one further polymer layer is applied at least partially over the connecting element at least with a thickness that 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.

Bekannt aus der WO 2009 / 078 115 A1 ist eine Vorrichtung zum Bestimmen der Nukleotidsequenz in einer Nukleinsäureprobenlösung umfassend: eine Chipkartusche mit einer Mehrzahl von ersten Elektroden, an denen jeweils erste Sonden-Nukleinsäuren immobilisiert sind, eine Mehrzahl von zweiten Elektroden, an denen zweite Sonden-Nukleinsäuren unterschiedliche Nukleotidsequenzen vorhanden sind und eine Vielzahl von Kontrollelektroden, an die Kontrollnukleinsäuren mit unterschiedlichen Nukleotidsequenzen von der ersten und zweiten Sonde jeweils Nukleinsäuren immobilisiert werden. Zudem weist die Vorrichtung ein Erfassungssystem, ein Fluidtransportsystem und einen Computer mit einem Schreibmodul auf, um einen Genotyp der Proben der Nukleinsäure zu identifizieren.Known from the WO 2009/078 115 A1 is a device for determining the nucleotide sequence in a nucleic acid sample solution comprising: a chip cartridge with a plurality of first electrodes, on each of which first probe nucleic acids are immobilized, a plurality of second electrodes on which second probe nucleic acids different nucleotide sequences are present and a plurality of control electrodes to which control nucleic acids with different nucleotide sequences are immobilized by the first and second probe. In addition, the device has a detection system, a fluid transport system and a computer with a writing module in order to identify a genotype of the samples of the nucleic acid.

Auch bekannt aus der EP 1 277 046 B1 ist ein Analysesysteme und -verfahren, das eine modulare Schnittstellenstruktur zum Bereitstellen einer Schnittstelle zwischen einem Probensubstrat und einer Analyseeinheit aufweist, wobei die Analyseeinheit eine bestimmte Schnittstellenanordnung zum Implementieren verschiedener Analyse- und Kontrollfunktionen aufweist. Zudem ist ein optisches Beleuchtungs- und Erfassungssystem zum gleichzeitigen Analysieren von Reaktionen oder Bedingungen in mehreren parallelen Mikrokanälen vorhanden.Also known from the EP 1 277 046 B1 is an analysis systems and method that has a modular interface structure for providing an interface between a sample substrate and an analysis unit, the analysis unit having a specific interface arrangement for implementing various analysis and control functions. There is also an optical lighting and detection system for simultaneous analysis of reactions or conditions in several parallel microchannels.

Aus der DE 103 44 227 A1 ist ein mikroverfahrenstechnischer Baustein mit mindestens einem verfahrenstechnischen mikrofluidischen Element und mit Mikrofluidkanalanschlüssen bekannt, das ein das mikrofluidische Element umgebendes thermisch isolierendes Gehäuse aufweist, wobei die Mikrofluidkanalanschlüsse durch das Gehäuse hindurch geführt sind und Verbindungselemente zum Verbinden einzelner Gehäuse an dem Gehäuse angeordnet sind, so dass die jeweils zugeordneten Mikrofluidkanalanschlüsse dicht miteinander verbindbar sind. Das mikrofluidische Element ist zwischen einem Anschlussblock und einem Wärmeüberträgerblock angeordnet, wobei die Temperatur des Wärmeüberträgerblocks und des Anschlussblocks und damit auch des mikrofluidischen Elements regelbar ist.From the DE 103 44 227 A1 A microprocessing module with at least one process engineering microfluidic element and with microfluidic channel connections is known, which has a thermally insulating housing surrounding the microfluidic element, the microfluidic channel connections being guided through the housing and connecting elements for connecting individual housings being arranged on the housing, so that the each associated microfluidic channel connections are tightly connectable. The microfluidic element is arranged between a connection block and a heat transfer block, the temperature of the heat transfer block and the connection block and thus also of the microfluidic element being controllable.

Die US 2016/0 097 764 A1 gibt ein Verarbeitungs- und Nachweissystem zum Nachweis des Vorhandenseins mindestens eines Glutenproteins in einer Lebensmittelprobe an, das ein Reservoir mit einer Prozessflüssigkeit zum Verarbeiten der Lebensmittelprobe, einen Körper mit einer Kammer und eine Austrittsöffnung enthält, die konfiguriert ist, um die Flüssigkeit herauszuleiten. Zudem ist eine Kartusche mit mindestens einem Sensor vorhanden, der konfiguriert ist, um die Flüssigkeit aufzunehmen und ein elektrisches Signal in Reaktion auf eine Wechselwirkung mit dem mindestens einen Glutenprotein in der Flüssigkeit zu erzeugen.The US 2016/0 097 764 A1 specifies a processing and detection system for detecting the presence of at least one gluten protein in a food sample, which includes a reservoir with a process liquid for processing the food sample, a body with a chamber, and an outlet opening configured to discharge the liquid. There is also a cartridge with at least one sensor configured to receive the liquid and generate an electrical signal in response to an interaction with the at least one gluten protein in the liquid.

In M. Schuenemann et al.: „A highly flexible design and production framework for modularized microelectromechanical systems“; Sensors and Actuators 73, 1999, S. 153 - 168 wird ein mikroelektromechanisches System beschrieben und gezeigt, bei dem innerhalb eines Rahmens eine Vielzahl von Sensoren, Aktoren und Prozessoren und mikrofluidischen Kanälen integriert sind.In M. Schuenemann et al .: "A highly flexible design and production framework for modularized microelectromechanical systems"; Sensors and Actuators 73, 1999, pp. 153-168 describes and shows a microelectromechanical system in which a multiplicity of Sensors, actuators and processors and microfluidic channels are integrated.

Aus der WO 2015/085 262 A1 ist ein modulares Analysesystem umfassend eine Basis, mindestens ein Fluidproben-Verarbeitungsmodul, das so konfiguriert ist, dass es entfernbar an der Basis befestigt ist, mindestens ein Fluidproben-Analysemodul, das so konfiguriert ist, dass es entfernbar an der Basis befestigt ist, ein Fluidbetätigungsmodul, das auf der Basis positioniert ist, ein Fluidnetzwerk mit mehreren Fluidkanälen, in denen das Fluidbetätigungsmodul angeordnet ist, um den Transport einer Fluidprobe zwischen dem mindestens einen Probenverarbeitungsmodul und dem mindestens einen Probenanalysemodul durch das Fluidnetzwerk und einem elektronischen Prozessor zu steuern, in dem ein elektronischer Prozessor derart konfiguriert, um den Betrieb des Fluidbetätigungsmoduls zu steuern und Messdaten von dem mindestens einen Fluidprobenanalysemodul zu empfangen.From the WO 2015/085 262 A1 is a modular analysis system comprising a base, at least one fluid sample processing module configured to be removably attached to the base, at least one fluid sample analysis module configured to be removably attached to the base, a fluid actuation module positioned on the base, a fluid network having a plurality of fluid channels in which the fluid actuation module is arranged to control the transport of a fluid sample between the at least one sample processing module and the at least one sample analysis module through the fluid network and an electronic processor, in which an electronic Processor configured to control the operation of the fluid actuation module and to receive measurement data from the at least one fluid sample analysis module.

Die US 6 086 740 A beschreibt eine Multiplex-Mikrofluidikvorrichtung, umfassend eine Vielzahl von Mikrofluidikmodulen, wobei jedes Modul ein darin angeordnetes diskretes Kanalnetzwerk umfasst, mindestens ein erstes Substrat mit mindestens einem darin angeordneten ersten fluidischen Element, wobei die mehreren Mikrofluidikmodule so an dem ersten Substrat angebracht sind, dass das mindestens erste Fluidelement in separater Fluidverbindung mit einem Fluidelement steht, das in jedem der Mikrofluidikmodule angeordnet ist.The US 6 086 740 A. describes a multiplex microfluidic device comprising a plurality of microfluidic modules, each module comprising a discrete channel network arranged therein, at least one first substrate with at least one first fluidic element arranged therein, the plurality of microfluidic modules being attached to the first substrate such that the at least one first fluid element is in separate fluid connection with a fluid element which is arranged in each of the microfluidic modules.

Aus der US 2015 /0 082 465 A1 ist ein tierbasiertes Screening-Verfahren zum Identifizieren von Verbindungen bekannt, bei dem programmierbare Roboterarmmanipulatoren zum Installieren, Entfernen und Konfigurieren von Modulen eines Mikrofluidikmodul-Arrays vorhanden sind. Die Module weisen dichte Verbindungen mit anderen Modulen auf, wobei die Verbindungsstellen eingepresst oder mit mechanischen Laschen oder Stiften gesichert werden. Die Module können auch durch fluidische, elektrische, magnetische, thermische und mechanische Wechselwirkung mit einer aktiven Steuermatrix gesteuert und betätigt werden, die unterhalb der Modularrayebene liegt. Diese Steuermatrix kann elektrische Verbindungen, Analog-Digital-Schnittstellen und magnetische und mechanische Aktuatoren sowie Thermoelemente und fluidische Verbindungen sowie Auslassöffnungen für die Entsorgung von Flüssigkeits- und Partikelabfällen aus dem Mikrofluidikarray enthalten.From the US 2015/0 082 465 A1 an animal-based screening method for identifying connections is known, in which there are programmable robotic arm manipulators for installing, removing and configuring modules of a microfluidic module array. The modules have tight connections with other modules, the connection points being pressed in or secured with mechanical tabs or pins. The modules can also be controlled and actuated through fluidic, electrical, magnetic, thermal and mechanical interaction with an active control matrix that is below the modular array level. This control matrix can contain electrical connections, analog-digital interfaces and magnetic and mechanical actuators as well as thermocouples and fluid connections as well as outlet openings for the disposal of liquid and particle waste from the microfluidic array.

Und außerdem ist aus der US 2014/0 030 752 A1 eine modulare Vorrichtung zum Kultivieren von Zellen bekannt, die ein System bestehend aus einer Kontrollplatte sowie einem ersten Zellkulturgefäß, das reversibel mit der Kontrollplatte gekoppelt ist und zum Kultivieren eines ersten Zelltyps konfiguriert ist, einem zweiten Zellkulturgefäß, das reversibel mit der Kontrollplatte gekoppelt ist und zum Kultivieren eines zweiten Zelltyps konfiguriert ist und einem Aktuator innerhalb der Steuerplatte, um einen Fluidfluss zwischen dem ersten und dem zweiten Zellkulturgefäß erzeugen zu können.And besides, is out of US 2014/0 030 752 A1 a modular device for cultivating cells is known which comprises a system comprising a control plate and a first cell culture vessel which is reversibly coupled to the control plate and is configured to cultivate a first cell type, a second cell culture vessel which is reversibly coupled to the control plate and Cultivating a second cell type is configured and an actuator within the control plate in order to be able to generate a fluid flow between the first and the second cell culture vessel.

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.It is disadvantageous that the contacting, for example, of the electrical and fluidic elements in known microfluidic devices is complex and has 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.The object of the present invention is to provide a device for microfluidics which is simple in construction and has improved flexibility for adapting to changed 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 refinements are the subject of the subclaims, the invention also including combinations of the individual dependent claims in the sense of an and link as long as they are not mutually exclusive.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die Mikrofluidik enthält mindestens ein auf einem Trägerelement angeordnetes 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 mindestens ein mit dem aktiven Teil des Funktionselementes elektrisch leitend verbundenes elektrisches Bauelement in Form einer elektrischen Leiterplatte, wobei als aktiver Teil des Funktionselementes mindestens ein Piezoelektrika aufweisendes Aktorelement in Form eines Interdigitalwandlers zur Manipulation elektrischer, akustischer, magnetischer, thermischer, optischer und/oder chemischer Eigenschaften des Fluids eingesetzt ist, und wobei als passiver Teil des Funktionselementes mindestens ein Mikrostrukturelement in Form von Mikrokanälen, Verbindungselementen, Reservoiren vorhanden sind, und wobei das elektrische Bauelement in Form der mindestens einen elektrischen Leiterplatte mit dem Funktionselement mittels elektrisch leitfähiger Kontaktstifte, Klemmen und/oder Federkontaktstifte elektrisch kontaktiert ist, und wobei die Elemente der Vorrichtung über die gas- und/oder flüssigkeitsdichten und elektrisch leitenden Verbindungsstellen als Module austauschbar angeordnet sind, und wobei die Verbindungsstellen der Elemente der Vorrichtung Führungsstifte, Führungsbolzen, Strukturen, Bohrungen, Federkontaktstifte, Klemmen und/oder Kontaktstifte zum Positionieren des Funktionselementes, des fluidischen Bauelementes und/oder der mindestens einen elektrischen Leiterplatte zueinander sind. The device according to the invention for microfluidics contains at least one functional element arranged on a carrier element, which has at least one active and passive part, and a fluidic component which is connected to the passive part of the functional element in a gas and / or liquid-tight manner, and at least one with the active part of the Functional element electrically conductively connected electrical component in the form of an electrical circuit board, at least one actuator element having piezoelectrics in the form of an interdigital transducer for manipulating electrical, acoustic, magnetic, thermal, optical and / or chemical properties of the fluid being used as the active part of the functional element, and wherein at least one microstructure element in the form of microchannels, connecting elements, reservoirs is present as a passive part of the functional element, and the electrical component in the form of the at least one electrical L eiterplatte is electrically contacted with the functional element by means of electrically conductive contact pins, terminals and / or spring contact pins, and wherein the elements of the device are arranged interchangeably as modules via the gas and / or liquid-tight and electrically conductive connection points, and wherein the connection points of the elements of the device Guide pins, guide bolts, structures, bores, spring contact pins, clamps and / or contact pins for positioning the functional element, the fluidic component and / or the at least one electrical printed circuit board are in relation to one another.

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, AIN, ZnO, Si und/oder GaAs oder aus Kombinationen dieser Materialien auf. The functional element and / or the device advantageously has, as substrate or carrier element, a substrate or a plate or a microchip made of silicon, glass / glasses, ceramics / ceramics, piezoelectrics or polymers or made of SiO 2 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AIN, ZnO, Si and / or GaAs or combinations of these materials.

Auch vorteilhafterweise sind Mikrostrukturelemente 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 advantageous are microstructure elements made of and / or in polydimethylsiloxane, polystyrene, polycaprolactone, polycarbonate, cyclo-olefin copolymer, polymethyl methacrylate, polyimide, polyether ether ketone, glass, silicon, metals, ceramics and / or photolithographically structured polymers, such as SU-8 or KMPR photoresist , available.

Vorteilhafterweise werden als aktiver Teil des Funktionselementes Sensorelemente zur Vermessung elektrischer, akustischer, magnetischer, thermischer, optischer und/oder chemischer Eigenschaften des Fluids eingesetzt.Sensor elements for measuring electrical, acoustic, magnetic, thermal, optical and / or chemical properties of the fluid are advantageously 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, AI, 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 controlled elements consist 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.Mechanical damping elements are advantageously arranged between the components and / or between the functional element and the substrate and / or the components have surface structures for stationary positioning with respect to one another.

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

Weiter vorteilhafterweise ist das fluidische Bauelement aus einem Polymermaterial, insbesondere aus PEEK, PTFE, PC, PP, PE hergestellt.The fluidic component is further advantageously made from a polymer material, in particular from 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.Active and / or passive fluid components, such as one or more micropumps, micromembranes, electroosmosis pumps, valves, fluidic switches, GMR sensors, reservoirs and / or magnetic parts, are advantageously present in and / or on the fluidic component.

Ebenfalls vorteilhafterweise weist das elektrische Bauelement 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.The electrical component also advantageously has 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 modules.

Erfindungsgemäß ist das elektrische Bauelement mit dem Funktionselement mittels elektrisch leitfähigen Kontaktstiften, Klemmen und/oder Federkontaktstiften elektrisch kontaktiert.According to the invention, 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 Bauelement ausgeführt.Furthermore, the electrical component and the fluidic component are advantageously designed as one component.

Erfindungsgemäß sind die Verbindungsstellen der Elemente der Vorrichtung Mittel zum Positionieren des Funktionselementes, des fluidischen Bauelementes und/oder des elektrischen Bauelementes zueinander.According to the invention, the connection points of the elements of the device are means for positioning the functional element, the fluidic component and / or the electrical component with respect to one another.

Und auch erfindungsgemäß sind die Mittel zum Positionieren Führungsstifte, Führungsbolzen, Strukturen, Bohrungen, Federkontaktstifte, Klemmen und/oder Kontaktstifte.And according to the invention, 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 which is simple in construction and has improved flexibility for adapting 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 for changing applications. This means that the elements of the device can be replaced quickly and in a time-saving manner. In addition, the device ensures a secure, reproducible mechanical, electrical and fluidic connection of the individual modules at all times.

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 understood to mean individual components of a device which are interchangeable and can be removed from the device or inserted into the device and can 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 can be selected on site for the respective application and assembled to form the device according to the invention or removed from the device according to the invention and replaced by a suitable 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.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 fluidic component that is connected to the passive part of the functional element in a gas-tight and / or liquid-tight manner, and one that is electrically conductively connected to the active part of the functional element Electrical component, the elements of the device via the gas- and / or liquid-tight and electrically conductive Junctions are arranged interchangeably 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, AIN, 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 consists of a plate or a microchip, for example made of glass / glasses, silicon, piezoelectrics, ceramics or polymer SiO 2 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AIN, 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 inexpensive materials that are also easy to process and also have a low weight, which is particularly important for mobile field use of the device according to the invention. A particular advantage of using a substrate or carrier element is that it is easy to replace and inexpensive, and can therefore 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 microstructure element can be microchannels, connecting elements, reservoirs or photolithographically structured polymer microchannels which are made, for example, of and / or in polydimethylsiloxane, polystyrene, polycaprolactone, polycarbonate, cyclo-olefin copolymer, polymethyl methacrylate, polyimide , Polyether ether ketone, glass, silicon, metals, ceramics and / or photolithographically structured polymers (for example SU-8 or KMPR photoresist) are present. These microstructure elements have at least fluidic connection points via which the gas and / or liquid-tight connection to 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, sensor and / or actuator elements for measuring and / or manipulating electrical, acoustic, magnetic, thermal, optical and / or chemical properties of the fluid, for example, being 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, AI, 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 can have electrodes and electrical contacts or electrically controlled elements. The material of the electrodes and the electrical contacts can 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 an electrically controllable sensor and / or actuator elements. Such sensor and / or actuator elements can 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.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung ein Trägerelement auf, 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.According to the invention, the device has a carrier element, on which in particular the functional element is arranged. The carrier element, for example, accommodates the components arranged thereon and / or also ensures that the components can be positioned at any time in a reproducible manner relative to one another and / or for example on a wafer or other components. Thus, a surface of the carrier element can be structured, as a result of which, for example, the functional element arranged on the carrier element is fixed in position 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, if modules are exchanged, that 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, bores, spring contact pins, clamps and / or contact pins. With these positioning means, on the one hand, time-saving assembly of the individual components as modules of the device according to the invention is possible. It is also achieved that there is no need to subsequently align the individual modules when assembling the device, since the positioning means can be used for self-aligning assembly (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 in a gas-tight and / or liquid-tight manner. The gas- and / or liquid-tight connection allows fluids to be supplied and / or removed. For this purpose, for example, there are two fluid guide devices that implement 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 can consist, for example, of the same materials as the passive part of the functional element and can also be produced using the same methods, and / or of polymer material, in particular of PEEK. PTFE, PC, PP, PE can be made. It should be noted that the materials of the fluidic component 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.Active and passive fluid components, such as one or more micropumps, micromembranes, valves, fluidic switches, electroosmosis pumps, GMR sensors, reservoirs and / or magnetic parts, can advantageously 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 has an electrical component which is electrically conductively connected to the active part of the functional element. The electrically conductive connection is advantageously implemented 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. The electrical signals required for the application are transmitted to the active part of the functional element via the electrical contacts and information is transmitted from the functional element, for example to an evaluation unit or a display.

Das elektrische Bauelement ist beispielsweise 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.The electrical component is, for example, 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 modules.

Vorteilhafterweise können erfindungsgemäß das elektrische Bauelement und das fluidische Bauelement als ein Bauelement ausgeführt sein.According to the invention, the electrical component and the fluidic component can advantageously be designed as one component.

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

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 load due to the mechanical and electrical contacting of the electrical component with the functional element can thereby be reduced, advantageously set specifically, for the device to have spring elements. For example, one or more spring elements can be arranged as damping elements on the surface of the carrier element or on the surface of the functional element that is in contact with the carrier element. The spring element or elements can be, for example, a foamed polymer material, a spring, a spring contact pin or an elastomer material. Arranging the spring elements, for example between the carrier element and the functional element arranged on the carrier element, on the one hand realizes reliable mechanical contacting of the carrier element with the functional element. On the other hand, the mechanical load due to the mechanical contacting of the electrical component with the functional element is significantly reduced. 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. A design of the electrically conductive contacts as spring elements leads to a secure electrical connection of the two components and to a mechanical relief of the functional element in the area 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 that 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 assembled and disassembled as modules in a simple manner by the exchangeable components. At the same time, a safe and reproducible device for microfluidics is provided, which can be flexibly adapted to the respective application by means of compatible and interchangeable components.

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 enables the integration of logic elements, control and evaluation electronics, displays or other active or passive electronic components in the electrical component, as a result of which an extensive analysis and evaluation of fluid data can be carried out in the field.

Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail using the following exemplary 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 × 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 carrier element made of Al has a CNC-milled surface structure 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 consists of LiNbO 3 with an orientation of 128 ° YX and has the dimensions 10 mm × 20 mm × 0.5 mm (BHT). A covered microfluid channel is applied to the surface of the microchip using a lithographic process as a passive part of the functional element with a channel geometry of 100 × 100 × 5000 µm 3 (BHT) and a wall / cover thickness of 100 µm / 10 µm, the ends of which are each one Have opening. In addition, two interdigital transducers (IDT, λ / 4, 100 µm wavelength, 1 mm aperture) made of a Ti / Al layer sequence are arranged on the surface of the microchip as an active part of the functional element. With the finger electrodes of the IDT, two electrical contact areas each with a size of 1 mm × 1 mm are connected by interconnects. The microfluidic channel is arranged between the IDT, whereby a partially standing acoustic wave is excited in the fluid in the channel when a high-frequency signal is applied to the IDT. On the two channel openings, two sealing rings made of EPDM with the dimensions 0.74 × 1.02 (inner diameter × cord 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.A fluidic component made of PEEK with the dimensions 10 mm × 20 mm × 3 mm (BHT) is then arranged on the microchip. The fluidic component has a fluid supply channel and a further fluid discharge channel on the inside. Furthermore, in the middle of the fluidic component there is an opening for optical inspection of the channel with a diameter of 5 mm and four openings (bushings) for the electrical contacting of the microchip. The ends of the two channels are each angled by 90 ° and each have an opening, which are each connected to the sealing rings on the microchip in a gas-tight and liquid-tight manner.

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.An electrical component in the form of a printed circuit board with 50 ohm-adapted interconnects (waveguides) is positioned on the fluidic component. The circuit board has a dimension of 10 mm × 20 mm × 1 mm (BHT). There is also an opening in the middle of the circuit board for optical inspection of the channel with a 5 mm diameter. 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.

Das elektrische Bauelement weist zudem elektrische Anschlüsse für den Anschluss einer elektrischen Signalquelle und Auswerteeinheit auf.The electrical component also has electrical connections for connecting an electrical signal source and evaluation unit.

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 takes place via two positioning pins provided on the carrier element, which enable the individual components to be assembled in a precise position by means of bushings for producing the device according to the invention.

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

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, the functional element can, for example, simply be removed from the device and replaced by another functional element, for example for analyzing 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 precisely and is immediately functional.

Claims (11)

Vorrichtung für die Mikrofluidik, mindestens enthaltend ein auf einem Trägerelement angeordnetes 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 mindestens ein mit dem aktiven Teil des Funktionselementes elektrisch leitend verbundenes elektrisches Bauelement in Form einer elektrischen Leiterplatte, wobei als aktiver Teil des Funktionselementes mindestens ein Piezoelektrika aufweisendes Aktorelement in Form eines Interdigitalwandlers zur Manipulation elektrischer, akustischer, magnetischer, thermischer, optischer und/oder chemischer Eigenschaften des Fluids eingesetzt ist, und wobei als passiver Teil des Funktionselementes mindestens ein Mikrostrukturelement in Form von Mikrokanälen, Verbindungselementen, Reservoiren vorhanden sind, und wobei das elektrische Bauelement in Form der mindestens einen elektrischen Leiterplatte mit dem Funktionselement mittels elektrisch leitfähiger Kontaktstifte, Klemmen und/oder Federkontaktstifte elektrisch kontaktiert ist, und wobei die Elemente der Vorrichtung über die gas- und/oder flüssigkeitsdichten und elektrisch leitenden Verbindungsstellen als Module austauschbar angeordnet sind, und wobei die Verbindungsstellen der Elemente der Vorrichtung Führungsstifte, Führungsbolzen, Strukturen, Bohrungen, Federkontaktstifte, Klemmen und/oder Kontaktstifte zum Positionieren des Funktionselementes, des fluidischen Bauelementes und/oder der mindestens einen elektrischen Leiterplatte zueinander sind.Device for microfluidics, at least comprising a functional element arranged on a carrier element, which has at least one active and passive part, and a fluidic component which is connected to the passive part of the functional element in a gas-tight and / or liquid-tight manner, and at least one with the active part of the functional element electrically conductively connected electrical component in the form of an electrical circuit board, at least one actuator element having piezoelectrics in the form of an interdigital transducer for manipulating electrical, acoustic, magnetic, thermal, optical and / or chemical properties of the fluid being used as the active part of the functional element, and wherein passive part of the functional element at least one microstructure element in the form of microchannels, connecting elements, reservoirs are present, and the electrical component in the form of the at least one electrical circuit board with the Functional element is electrically contacted by means of electrically conductive contact pins, terminals and / or spring contact pins, and wherein the elements of the device are interchangeably arranged as modules via the gas and / or liquid-tight and electrically conductive connection points, and wherein the connection points of the elements of the device guide pins, guide bolts , Structures, bores, spring contact pins, clamps and / or contact pins for positioning the functional element, the fluidic component and / or the at least one electrical circuit board. 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 after Claim 1 , in which the functional element and / or the device as a substrate or carrier element is a substrate or a plate or a microchip made of silicon, glass / glasses, ceramics / ceramics, piezoelectrics or polymers or made of SiO 2 , Al 2 O 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , AlN, ZnO, Si and / or GaAs or combinations of these materials. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der Mikrostrukturelemente 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 after Claim 1 , in the microstructure elements made of and / or in polydimethylsiloxane, polystyrene, polycaprolactone, polycarbonate, cyclo-olefin copolymer, polymethyl methacrylate, polyimide, polyether ether ketone, glass, silicon, metals, ceramics and / or photolithographically structured polymers such as SU-8 or KMPR photoresist , available. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der als aktiver Teil des Funktionselementes zusätzlich Sensorelemente zur Vermessung elektrischer, akustischer, magnetischer, thermischer, optischer und/oder chemischer Eigenschaften des Fluids eingesetzt werden.Device after Claim 1 , in which additional sensor elements for measuring 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 1 oder 4, bei welcher die Sensor- und/oder Aktorelemente in Form von Elektroden oder elektrischen Kontakten oder elektrisch angesteuerte Elemente aus Cr, Ag, Au, AI, Ti, W, Ru, Mo, Cu, Ta, Pt, Pd oder einer Kombination dieser Materialien bestehen.Device after Claim 1 or 4 , in which the sensor and / or actuator elements in the form of electrodes or electrical contacts or electrically controlled elements made of Cr, Ag, Au, AI, Ti, W, Ru, Mo, Cu, Ta, Pt, Pd or a combination of these materials consist. 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 after 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 respect to one another. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das fluidische Bauelement mindestens eine, vorteilhafterweise zwei oder mehr Fluidführungseinrichtungen aufweist.Device after Claim 1 , in which the fluidic component has at least one, advantageously two or more fluid guiding devices. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das fluidische Bauelement aus einem Polymermaterial, insbesondere aus PEEK, PTFE, PC, PP, PE hergestellt ist.Device after Claim 1 , in which the fluidic component is made of a polymer material, in particular 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 after Claim 1 , in which active and / or passive fluid components, such as one or more micropumps, micromembranes, electroosmosis 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 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.Device after Claim 1 , in which the electrical component has 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 modules. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das elektrische Bauelement und das fluidische Bauelement als ein Bauelement ausgeführt sind.Device after Claim 1 , in which the electrical component and the fluidic component are designed as one component.
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