專利名稱：用于流體應用的微系統(tǒng)以及其制造方法和使用方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于流體應用的微系統(tǒng)以及用于流體應用的微系統(tǒng)的相應的制造方法和使用方法。
背景技術：
在例如用于診斷學或者分析學的微流體系統(tǒng)中，必須引入試劑液體。這種微系統(tǒng)是理想無菌的一次性產品并且因此通常由塑料制成。按現(xiàn)有技術的通常的做法是在反應化驗(Assay)流程的過程中供給試劑液體。這種供給通過比如像噴射泵的外部設備來實現(xiàn)，所述噴射泵通過軟管與微流體系統(tǒng)連接。另外一種可能性是在井槽中液體的抽吸器，它是安裝在通道開口處的小壺。這里提出，液態(tài)的試劑放在微流體系統(tǒng)中。在此，液體位于玻璃安瓿中，所述玻璃安瓿被置入微通道中。這種 安瓿在化驗流程的過程中被機械地破壞并且因此清空。從外面對試劑液體的配量取決于用戶和/或設備并且受到例如體積波動、液體的污染以及錯誤試劑的加入的故障影響。文獻US 2006/0076068描述了在微系統(tǒng)中將膜片作為閥或者作為泵使用的可能性。

發(fā)明內容
按獨立權利要求1、10、12的本發(fā)明基于一種由堅硬的、形狀穩(wěn)固的、平坦的基質以及一種彈性的、活動的膜片或者說薄膜構成的多層結構?；|包含至少一個用于容納液態(tài)形式的試劑的凹槽以及一個通過預定破壞位置與其分隔開的、用于清空儲集件的微通道。借助于彈性的膜片封閉凹槽。通過使膜片偏移進凹槽將液體沿著清空通道的方向擠出，由此在通道區(qū)域中靠近預定破壞位置產生了提高的液體壓力，方法是在那里向上偏移膜片。如此設計預定破壞位置，使得其在超過臨界的壓力時斷裂。這種效果能夠通過不同的技術實現(xiàn)，例如借助于薄膜焊接通過使用確定的焊接參數(shù)或者通過接合縫或者說接合區(qū)的確定的幾何形狀來實現(xiàn)。通過這種類型和方式也能夠在系統(tǒng)中布置多個儲集件，這些儲集件在不同的臨界壓力時發(fā)生斷裂。用于清空儲集件的膜片偏移例如能夠機械地、熱動地或者氣動地完成。通過破壞預定破壞位置制造通往清空通道的流體連接并且能夠清空儲集件。本發(fā)明包括用于在微流體的系統(tǒng)的制造過程中包圍試劑液體的方法。此外本發(fā)明能夠實現(xiàn)有目標的打開以及在化驗流程的過程中在確定的時刻液體儲集件的隨后完全的
和主動的清空。本發(fā)明的一個重要的優(yōu)點是，避免了將大量液體儲存在與微流體系統(tǒng)相連的外部的容器中并且直到接下來歪曲分析結果時才出現(xiàn)的與其相關的無菌問題。本發(fā)明的其它的優(yōu)點是，所描述的利用聚合物材料和激光焊接的制造方法能夠實現(xiàn)用于所考慮的應用的一次性微系統(tǒng)的經濟的制造。
液體能夠以得到保 護的、密封的形式進行儲存。能夠質量監(jiān)控地，也就是說體積準確地在生產過程中提交體積。儲集件在使用時刻才準確地打開，由此由于運輸影響或者用戶影響對化驗流程的故障影響被最小化。儲集件準確地位于微流體系統(tǒng)中的使用位置上，從而最小化無效體積(Totvolumina)。由此避免了污染以及提高了與利用軟管連接到微系統(tǒng)的噴射泵相比的配量準確性。用戶不接觸試劑，由此改善了衛(wèi)生情況。通過主動地清空儲集件，與抽吸相比實現(xiàn)了較高的用戶友好性并且節(jié)省時間。此外，例如在激光焊接時節(jié)省了手工的工作步驟。通過適當?shù)闹圃旆椒ㄒ材軌虬鼑鸁岣袘脑噭１苊饬耸褂弥萌氩考?，比如玻璃安瓿。此外避免了用于試劑液體的附加的包裝步驟。


圖IA — D示意性地在A、C兩部分中示出了按本發(fā)明的一種實施方式的微系統(tǒng)的截取區(qū)段的縱剖面圖并且在B、D兩部分中示出了該截取區(qū)段的俯視圖，分別在A、B兩部分中示出了完好的連接片接合面(Steg — Fuegeflaeche)并且在C、D兩部分中示出了凸裂的連接片接合面，
圖2A — D示意性地又在A、C兩部分中示出了按本發(fā)明的另一種實施方式的微系統(tǒng)的截取區(qū)段的縱剖面圖并且在B、D兩部分中示出了該截取區(qū)段的俯視圖，分別在A、B兩部分中示出了完好的連接片接合面并且在C、D兩部分中示出了凸裂的連接片接合面，
圖3A — C示意性地示出了按本發(fā)明的另一種實施方式的微系統(tǒng)的截取區(qū)段，在A部分中示出了該截取區(qū)段的具有凸裂的連接片接合面的側視圖，并且在B部分中示出了該截取區(qū)段的俯視圖，在C部分中示出了該截取區(qū)段的局部放大圖，
圖4示出了用于按本發(fā)明的一種實施方式的微系統(tǒng)的制造方法的流程圖，
圖5示出了用于按本發(fā)明的一種實施方式的微系統(tǒng)的使用方法的流程圖。
具體實施例方式圖I示出了根據本發(fā)明的一種實施方式的微系統(tǒng)在該微系統(tǒng)10的截取區(qū)段上的結構和作用原理。A部分示出了基本上平面類型的微系統(tǒng)10的層狀的構造，該微系統(tǒng)具有基礎基質層11、位于所述基礎基質層11上的流體基質層12以及位于所述流體基質層12上的彈性的薄膜13。所述基礎基質層11是非結構化的并且用作穩(wěn)固的底座。所述流體基質層12包含流體網絡的部件。所示出的截取區(qū)段具有儲集件15、與所述儲集件15相連的第一微通道16以及通過連接片17與所述第一微通道16分隔開的第二微通道18。在示出的截取區(qū)段外，流體網絡的其它的部件連接到所述第二微通道18上?；A基質層11和流體基質層12共同形成基質20?；|20具有鄰接到薄膜13的表面21。區(qū)域22中的基質材料、儲集件15的開口19、第一微通道16的背離儲集件15的端部27以及第二微通道18鄰接到表面21。儲集件15以及第一微通道16充有試劑液體23。第二微通道18不必充有試劑液體。圖I的B部分目前解釋了薄膜13與基質20的接合。薄膜13在區(qū)域22中平面地與基質20相連。薄膜13在基質20上形成彈性的第一薄膜部分24，所述第一薄膜部分利用耐久的、連續(xù)的、環(huán)繞的與基質20接合的接合面25封閉儲集件15。薄膜13在基質20上形成彈性的第二薄膜部分26，所述第二薄膜部分覆蓋連接片17以及第一和第二微通道16、18的端部27、28。第二薄膜部分26在其圓周上具有與基質20接合的、耐久的接合面30并且在連接片17上具有與基質20接合的、可凸裂的連接片接合面31，所述連接片接合面31在連接片17的兩個端部32上連接到耐久的接合面30上。第一微通道16在儲集件15與端部27之間延伸而不在基質的表面21上延伸。儲集件15以及與其連接的第一微通道16充有試劑液體23。它們共同形成了連通的空腔34，所述空腔完全被基質20、第一薄膜部分24以及第二薄膜部分26包圍。由于第一薄膜部分24的連續(xù)的、環(huán)繞的接合面25，儲集件15的開口 19是密封的。由于耐久的接合面30以及第二薄膜部分26的與其連接的連接片接合面31，第一微通道16的背離的端部27是封閉的。因此，連通的空腔34借助于薄膜部分24和26來封閉。薄膜13在所示出的區(qū)段外邊也如此與基質20連接，從而使得薄膜13遮蓋第二微通道18。第二微通道18因此不具有向外的開口。耐久的接合面25和30組合成耐久的接合面29?；|20上的薄膜13因而圍繞儲集件15具有與基質20接合的接合部33并且封閉儲集件15，其中接合部33具有耐久的接合面29并且在連接片17上具有可凸裂的連接片 接合面31，所述連接片接合面在連接片17的兩個端部上連接到耐久的接合面29上。根據圖I的C部分和D部分目前解釋了微系統(tǒng)10的截取區(qū)段的作用原理。首先將彈性的第一薄膜部分24壓入到儲集件15中，這個過程通過箭頭37表示。因此將試劑液體23的液體體積從連通的空腔34中擠出，所述液體體積向著彈性的第二薄膜部分26擠壓并且導致其變形。在此在第一微通道16的端部27的區(qū)域中在第二薄膜部分26下面形成了置換空腔，所述置換空腔容納擠出的試劑液體23。在第二薄膜部分26發(fā)生足夠的變形時，基質20與薄膜13之間的接合部33就在可凸裂的連接片接合面31上破裂。通過連接片17以及第一和第二微通道16、18的端部27、28形成空腔36，通過所述空腔36試劑液體23從第一微通道16流入到第二微通道18中。圖I的C部分和D部分目前示出了在連接片接合面31凸裂之后微系統(tǒng)10的截取區(qū)段的狀態(tài)。薄膜13沿箭頭37的方向壓入到儲集器15中。連接片接合面31以剩余殘留物41的方式在中間40發(fā)生凸裂。試劑液體23目前只填充儲集件15的儲集部分38，但是也填充第一微通道16、空腔36以及第二微通道18。在這種實施方式中可凸裂的連接片接合面31具有沿第一微通道16方向的箭頭尖部的形狀。這促使可凸裂的連接片接合面31的限定的凸裂在其功能上成為預定破壞位置(Sollbruchstelle)o在這種實施方式中基質20具有鄰接到薄膜部分24和26的、帶有流體結構的流體基質層12以及與薄膜部分24和26對置的、作為蓋層的基礎基質層11。因此能夠將流體基質層12的全部厚度用于如儲集件15以及第一微通道16的空腔。這簡化了微系統(tǒng)的制造，因為鄰接到蓋層上的全部空腔由蓋層限定。薄膜13并且因而第一和第二薄膜部分24、26優(yōu)選具有彈性的聚合物，例如聚氨酯。基質20優(yōu)選具有熱塑性的聚合物，例如聚碳酸酯。凹槽、儲集件15的有利的體積是I Ul到500 yl。除了聚合物之外也可以是由形狀穩(wěn)固的和彈性的基質構成的材料組合，所述材料組合能夠通過合適的制造方法局部地相互連接，例如通過超聲波焊接、粘接、激光焊接、微波焊接。按本發(fā)明的微系統(tǒng)10形成具有試劑樣品的加工集成片(Prozessierchip)。通過限定地壓入薄膜13以及凸裂具有試劑液體23的連通的空腔的封閉件夠一次地或者重復地將限定量的試劑液體23輸送到第二微通道中18并且因此在流體系統(tǒng)中輸送到任意位置。圖2示出了按照本發(fā)明的另一種實施方式的微系統(tǒng)50的截取區(qū)段的縱剖面圖，該縱剖面圖在A部分中具有完好的連接片接合面并且在B部分中具有凸裂的連接片接合面。與圖I的微系統(tǒng)10不同，微系統(tǒng)50具有唯一的基質51層?；|51具有儲集件52、與儲集件52相連的第一微通道53以及通過連接片54與第一微通道53分隔開的第二微通道55。流體網絡的全部空腔不鄰接到基質51的下側面56上，而是鄰接到與薄膜58鄰接的表面57上。因此第一微通道53從儲集件52延伸到基質51的表面57上的連接片54。儲集件52以及與其相連的第一微通道53充有試劑液體59。它們在表面57上形成連通的空腔60。彈性的薄膜58封閉儲集件并且覆蓋連接片54以及第一和第二微通道53、55的端部67、68。彈性的薄膜58圍繞儲集件52具有與基質51接合的、耐久的接合面65并且在連接片54上 具有與基質接合的、可凸裂的連接片接合面66，所述連接片接合面在連接片54的兩個端部67,68上連接到耐久的接合面65上。耐久的連接面65以及可凸裂的連接片接合面66圍繞儲集件52形成與基質51接合的接合部，所述接合部封閉儲集件52。在這種實施方式中，儲集件52以及到清空通道55的連接部布置在基質51的表面上，能夠有利地采取推桿驅動(StoBelaktuierung)以清空儲集件 52。圖2的C部分和D部分僅僅示出了在連接片接合面66凸裂之后微系統(tǒng)50的截取區(qū)段的狀態(tài)。將薄膜58壓入到儲集件52中。連接片接合面66以剩余殘留物71的方式在中間70凸裂。試劑液體59目前僅僅只充入儲集件52的儲集部分72，但是也填充第一微通道53、空腔73以及第二微通道55。圖3示出了按本發(fā)明的另一種實施方式的帶有凸裂的連接片接合面的微系統(tǒng)80。微系統(tǒng)80如同圖I的微系統(tǒng)10—樣具有基礎基質層81、位于基礎基質層81上的流體基質層82以及位于流體基質層81上的彈性的薄膜83?；A基質層81以及流體基質層82形成基質84。所示出的截取區(qū)段又具有儲集件85、與儲集件85連接的第一微通道86以及通過連接片87與第一微通道分隔開的第二微通道88。在第二微通道88上在示出的截取區(qū)段外邊連接有流體網絡的其它部件。薄膜83具有與基質84接合的、耐久的接合面89并且具有與基質84接合的、可凸裂的、在這里已凸裂地示出的連接片接合面，所述連接片接合面在連接片87的兩個端部上連接到耐久的接合面89上。與圖I的微系統(tǒng)10不同，微系統(tǒng)80具有鄰接到薄膜83上、與基質84對置的保護層92，該保護層在連接片87上可凸裂的接合面的區(qū)域中具有空隙93并且在儲集件85的區(qū)域中具有空隙94。如果薄膜83圍繞儲集件85的區(qū)域或者在連接片87上撕裂，那么保護層92—方面保證了薄膜83不受損害并且另一方面提供了對溢出的試劑液體95的保護?？障?4僅僅局部地允許膜片或者說薄膜83的偏移。彈性的膜片或者說薄膜83的偏移于是導致破壞了在這個區(qū)域中完整的接合部并且導致構造了從第一微通道86到第二微通道88的流體連接。根據圖3的C部分放大地示出了，在連接片87上薄膜83的連接片接合面如何凸裂。通過連接片87以及第一和第二微通道86、88的端部形成了空腔，穿過該空腔試劑液體95從第一微通道86流入到第二微通道88中。微系統(tǒng)10、50、80形成了具有試劑樣品的加工集成片 。圖4示出了用于按本發(fā)明的實施方式的微系統(tǒng)10、50、80的制造方法的流程圖100。該制造方法從用于流體應用的、具有基質20、51、84的微系統(tǒng)10、50、80出發(fā)，所述基質具有儲集件15、52、85、與儲集件15、52、85相連的第一微通道16、53、86以及通過連接片與第一微通道16、53、86分隔開的第二微通道18、55、88。以使儲集件15、52、85充有試劑液體的方法步驟a)開始所述方法。接下來是方法步驟b)在基質20、51、84上進行布置并且形狀配合連接地使薄膜13、64、58、83與基質20、51、84接合，其中薄膜13、64、58、83圍繞儲集件15、52、85形成與基質20、51、84接合的接合部，所述接合部形成了將第一和第二微通道16、53、86 ;18、55、88分隔開的、在連接片上可凸裂的與基質20、51、84接合的接合面。例如借助于吸液機器人(Pipettierroboter)將例如是PCR緩沖劑、Lyse緩沖劑、洗滌緩沖劑、洗提緩沖劑的試劑液體填充到儲集件15、52、85中這種方式實現(xiàn)為儲集件15、52、85充有試劑液體。膜片或者說薄膜13、64、58、83布置在基質20、51、84上方并且形狀配合連接地焊接，由此試劑液體包圍在儲集件15、52、85中。局部地優(yōu)選借助于激光焊接、超聲波焊接、微波焊接或者粘接沿著儲集件15、52、85的輪廓實現(xiàn)接合。對此可凸裂的接合面作為膜片或者說薄膜13、64、58、83的預定破壞位置進行制造。能夠通過應用比在膜片的耐久的接合時弱的接合參量、例如狹窄的焊縫的方式或者通過接合縫的形狀在一個位置上引起機械應力集中的方式獲得預定破壞位置。在圖I到3的實施方式中，兩種方案都得到應用，即一方面在薄膜13、64、58、83與基質表面進行平面焊接時在連接片上應用薄膜13、64、58、83的狹窄的焊縫并且另一方面在連接片上以箭頭尖端的形狀應用薄膜13、64、58、83的焊縫，所述箭頭尖端將機械應力在尖端上集中。圖5示出了用于按本發(fā)明的實施方式的微系統(tǒng)10、50、80的使用方法的流程圖110。該使用方法從用于流體應用的、具有基質的微系統(tǒng)10、50、80出發(fā)，所述微系統(tǒng)具有充有試劑液體的儲集件15、52、85、與儲集件15、52、85相連的第一微通道以及借助于可凸裂的流體障礙物與第一微通道分隔開的第二微通道，其中儲集件利用彈性的薄膜封閉。以方法步驟a)將薄膜13、64、58、83偏移到儲集件15、52、85中并且從儲集件15、52、85擠出試劑液體開始所述方法。接下來是方法步驟b)凸裂可凸裂的流體障礙物?，F(xiàn)在接下來是方法步驟c)將試劑液體從儲集件15、52、85穿過第一微通道16、53、86沿著凸裂的流體障礙物輸送到第二微通道18、55、88中。微系統(tǒng)10、50、80優(yōu)選具有彈性的薄膜部分，所述薄膜部分覆蓋第一和第二微通道16、53、86 ;18、55、88的端部以及在它們之間的連接片，其中薄膜13、64、58、83圍繞儲集件形成與基質接合的接合部，所述接合部具有將第一和第二微通道16、53、86 ;18、55、88分隔開的、在連接片上可凸裂的、作為流體障礙物與基質接合的接合面。借助于控制設備有利地使薄膜13、64、58、83偏移到儲集件15、52、85中。
權利要求
1.用于流體應用的微系統(tǒng)(10，50，80)，其具有基質(20，51，84)以及位于所述基質(20，51，84)上的彈性的薄膜(13，58，83)，所述基質具有儲集件(15，52，85)、與所述儲集件(15，52，85)連通的第一微通道(16，53，86)以及通過連接片(17，54，87)與所述第一微通道(16，53，86)分隔開的第二微通道(18，55，88)，所述薄膜圍繞所述儲集件(15，52，85)具有與所述基質(20，51，84)接合的接合部并且封閉所述儲集件(15，52，85)，其中所述接合部(33，68)具有耐久的接合面(29，65，89)并且在所述連接片(17，54，87)上具有可凸裂的連接片接合面(31，66)，所述連接片接合面在連接片(17，54，87)的兩端連接到所述耐久的接合面(29，65，89)上。
2.按權利要求I所述的微系統(tǒng)，其特征在于，所述薄膜(13)具有第一薄膜部分(24)以及第二薄膜部分(26)，所述第一薄膜部分封閉所述儲集件(15，52，85)，所述第二薄膜部分覆蓋并且封閉所述連接片(17，54，87)以及所述第一微通道(16，53，86)和第二微通道(18，55，88)的端部。
3.按權利要求2所述的微系統(tǒng)，其特征在于，所述第一薄膜部分(24)和第二薄膜部分(26)是同一薄膜(13，58，83)的部分。
4.按上述權利要求中任一項所述的微系統(tǒng)，其特征在于，所述可凸裂的接合面(31，66)沿著所述第一微通道(16，53，86)的方向具有箭頭尖端的形狀。
5.按上述權利要求中任一項所述的微系統(tǒng)，其特征在于，所述薄膜(13，58，83)具有彈性的聚合物。
6.按上述權利要求中任一項所述的微系統(tǒng)，其特征在于，所述基質(20，51，84)具有熱塑性的聚合物。
7.按上述權利要求中任一項所述的微系統(tǒng)，其特征在于，所述基質(20，51，84)具有鄰接到所述薄膜(13，58，83)上的、具有流體結構的流體基質層(12)以及與所述薄膜(13，58，83)對置的蓋層(11)。
8.按上述權利要求中任一項所述的微系統(tǒng)，其特征在于，所述微系統(tǒng)(10，50，80)具有鄰接到所述薄膜(13，58，83)上的保護層(92)，所述保護層相對于所述基質(20，51，84)在所述可凸裂的接合面(31，66)的區(qū)域中具有空隙(93)。
9.按上述權利要求中任一項所述的微系統(tǒng)，其特征在于，所述微系統(tǒng)(10，50，80)形成了具有試劑樣品的加工集成片。
10.用于流體應用的、具有基質(20，51，84)的微系統(tǒng)(10，50，80)的制造方法，所述基質具有儲集件(15，52，85)、與所述儲集件(15，52，85)連接的第一微通道(16，53，86)以及通過連接片(17，54，87)與所述第一微通道(16，53，86)分隔開的第二微通道(18，55，88)，所述制造方法具有以下方法步驟 a.將所述儲集件(15，52，85)充有試劑液體； b.在所述基質(20，51，84)進行布置并且將薄膜(13，58，83)與所述基質(20，51，84)接合，其中所述薄膜(13，58，83)圍繞所述儲集件(15，52，85)形成與所述基質接合的接合部(33，68)，所述接合部形成了將所述第一微通道(16，53，86)和第二微通道(18，55，88)分隔開的、在所述連接片(17，54，87)上可凸裂的、與所述基質接合的接合面(31，66)。
11.按權利要求10所述的制造方法，其特征在于，所述接合借助于局部的接合方法，尤其是激光焊接、超聲波焊接來實現(xiàn)。
12.用于流體應用的、具有基質(20，51，84)的微系統(tǒng)(10，50，80)的使用方法，所述基質具有充有試劑液體的儲集件(15，52，85)、與所述儲集件(15，52，85)連接的第一微通道(16,53,86)以及借助于可凸裂的流體障礙物(31，66)與所述第一微通道(16，53，86)分隔開的第二微通道(18，55，88)，其中所述儲集件利用彈性的薄膜(13，58，83)封閉，所述使用方法具有以下方法步驟 a.使所述薄膜(13，58，83)偏移到所述儲集件(15，52，85)中并且從所述儲集件(15，52，85)擠出試劑液體； b.凸裂所述可凸裂的流體障礙物； c.將試劑液體從所述儲集件(15，52，85)穿過所述第一微通道(16，53，86)沿著所述可凸裂的流體障礙物(31，66)輸送到所述第二微通道(18，55，88)中。
13.按權利要求12所述的使用方法，其特征在于，所述微系統(tǒng)(10，50，80)具有彈性的薄膜(13，58，83)，所述薄膜覆蓋所述第一微通道(16，53，86)和第二微通道(18，55，88)的端部以及位于它們之間的連接片(17，54，87 )，其中所述薄膜(13，58，83 )圍繞所述儲集件(15，52，85)形成與所述基質(20，51，84)接合的接合部，所述接合部具有將所述第一微通道(16，53，86)和第二微通道(18，55，88)分隔開的、在所述連接片(17，54，87)上可凸裂的、作為流體障礙物與所述基質接合的接合面(31，66 )。
14.按權利要求12或13所述的使用方法，其特征在于，所述薄膜(13，58，83)借助于控制設備或者手動偏移到所述儲集件(15，52，85)中。
全文摘要
用于流體應用的微系統(tǒng)(10，50，80)具有基質(20，51，84)，所述基質具有儲集件(15，52，85)、與所述儲集件(15，52，85)連接的第一微通道(16，53，86)以及通過連接片(17，54，87)與所述第一微通道(16，53，86)分隔開的第二微通道(18，55，88)。所述微系統(tǒng)此外具有位于所述基質(20，51，84)上的彈性的薄膜(13，58，83)，所述薄膜圍繞所述儲集件(15，52，85)具有與所述基質(20，51，84)接合的接合部并且封閉所述儲集件(15，52，85)。在此，所述接合部(33，68)具有耐久的接合面(29，65，89)并且在所述連接片(17，54，87)上具有可凸裂的連接片接合面(31，66)，所述連接片接合面在連接片(17，54，87)的兩端連接到所述耐久的接合面(29，65，89)上。這樣的微系統(tǒng)(10，50，80)形成了具有試劑樣品的加工集成片。
文檔編號F04B43/04GK102633226SQ20121002714
公開日2012年8月15日 申請日期2012年2月8日 優(yōu)先權日2011年2月9日
發(fā)明者J.魯普, M.斯米特, M.道布 申請人:羅伯特·博世有限公司