PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69709864T2 19.09.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0901578
Titel VENTILLOSER FLÜSSIGKEITSMIKROSCHALTER UND METHODE
Anmelder University of Washington, Seattle, Wash., US
Erfinder BRODY, P., James, Seattle, US
Vertreter Vonnemann Kloiber Lewald Hübner, 80331 München
DE-Aktenzeichen 69709864
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 06.05.1997
EP-Aktenzeichen 979235827
WO-Anmeldetag 06.05.1997
PCT-Aktenzeichen PCT/US97/07732
WO-Veröffentlichungsnummer 0009745644
WO-Veröffentlichungsdatum 04.12.1997
EP-Offenlegungsdatum 17.03.1999
EP date of grant 02.01.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.09.2002
IPC-Hauptklasse F15C 1/00
IPC-Nebenklasse B01L 3/00   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft das Umschalten zwischen Strömungskanälen in integrierten Mikrofluidmehrzweckhandhabungssystemen.

Hintergrund der Erfindung

Integrierte Mikrofluidhandhabungssysteme, die Kontrolle über Flüssigkeitsvolumen in Nanolitergröße vorsehen, werden sowohl bei der Miniaturisierung derzeitiger analytischer Tests und bei der Handhabung der häufig in biomedizinischen Tests verwendeten kleinen Probengrößen außerordentlich nützlich sein. Das Ziel ist es, die komplette chemische Analyse in einem einzelnen mikrobearbeitenden Gerät von der Vorbehandlung der Probe zum Mischen der Reagenzien, der Trennung der Analyte von Interesse, Messung der Analyte und weitere Mischung, Trennungs- und Messungsstufen durchzuführen. Unter den mikroverarbeiteten Komponenten sind Kanäle, Ventile, Pumpen, Strömungssensoren, Mischungskammern und optische Detektoren erforderlich.

In einem Strömungsverteilerrohr mit verzweigenden oder zusammenführenden Strömungskanälen kann es notwendig sein, die Strömungsroute von einem Kanal zu einem anderen umzuschalten. Viele Mikroventile mit integralbeweglichen Teilen wurden beschrieben (siehe beispielsweise Shoji et al., J. Micromech Microeng. 4 (1994), 157-171). Sie wurden anfänglich für gasartige Fluide entwickelt, aber einige wurden nun auch für Flüssigkeiten verwendet. Die beweglichen Teile können beispielsweise ein Ventildeckel, der gegen einen Ventilsitz abdichtet, eine freitragende Verschlussplatte oder eine Membran sein. Ventilteile können aktiv unter Verwendung von magnetischen, piezoelektrischen, elektrostatischen, pneumatischen, elektromagnetischen oder bimetallischen Auslösern oder Auslösern mit einer Formgedächtnislegierung bewegt werden. Es gibt auch passive Mikroventile, die eine Strömung in eine Richtung erlauben, sich aber als Antwort auf Strömung in der entgegengesetzten Richtung schließen. Nachteile der Ventile, die bewegliche Teile verwenden, beinhalten die Komplexität, die teuere Herstellung, und die Zerbrechlichkeit der Komponenten.

Elektrokinetisches Pumpen kann die Fluidströmung innerhalb der Mikrokanäle ohne die Verwendung von integralen beweglichen Teilen leiten (s. beispielsweise Manz et al., Advances in Chromatography 33 (1993), 1-67). Jede Kapillare in dem Verteilerrohrnetzwerk ist mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden und Spannungen werden an Elektroden in dem Flüssigkeitsreservoir angelegt, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das die Flüssigkeit durch elektroosmotischen und elektrophoretischen Vortrieb antreibt. Strömungsrouten innerhalb dem Verteilerrohr werden durch die angelegten Felder kontrolliert. Elektrokinetisches Pumpen erfordert hohe angelegte Spannungen, typischerweise im Kilovolt-Bereich, und kann nur in nichtleitenden Kanälen durchgeführt werden. Während ebene Glasgeräte gut geeignet sind, kann der Schalter nicht auf Silikonwafern hergestellt werden, ohne eine isolierende Schicht hinzuzufügen. Solche Schichten unterliegen Durchbruch unter starken Feldern. Geräte wie die oben beschriebenen sind in der WO-A-96/04547 offenbart, die einen Flüssigmikroschalter entsprechend dem Oberbegriff für Anspruch 1 zeigt.

Wandstrahlfluidschalter wurden verwendet, um logische Fluidschaltungen auf einen Makromaßstab zu konstruieren. Jeder Schalter, auch als Fluidverstärker bezeichnet, weist einen Fluideingangskanal und zwei Ausgangskanäle auf. Aufgrund einer Unterdruckblase, die durch die Spannung der Fluidströmung in Richtung des Ausgangskanals erzeugt wird, haftet die Strömung sich selbst an diese Kanalwand an. Ein Kontrollkanal kreuzt jeden Ausgangskanal nahe der Vereinigung der Kanäle. Durch zeitweilige Anlegung eines Kontrolldruckes an einem Kontrollanschluss wird der Wandstrahl unterbrochen und die Fluidströmung wird zu dem gegenüberliegenden Ausgangskanal umgeschalten. Kürzlich wurde ein Wandstrahlverstärker in einem Mikromaßstab demonstriert (Vollmer et al., Sensors and Actuators 43 (1994), 330-334). Das Fluid, das durch den Wandstrahlverstärker umgeschalten wurde, ist gasförmig; der Wandstrahleffekt kann nicht mit Flüssigkeiten in einem Mikromaßstab verwendet werden, da die Reynolds-Zahl zu niedrig ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung sieht ein ventilloses Verfahren und eine Vorrichtung für Hochgeschwindigkeitsumschaltung von flüssigen Strömungen zwischen sich kreuzenden Mikrokanälen vor. Die Flüssigkeitsströmung wird kontrolliert durch die Beeinflussung äußerer Antriebsdrücke. Der Schalter ist leicht herzustellen, weist keine integralbeweglichen Teile auf, benötigt keine hohen Spannungen und kann in einem Silikonwafer hergestellt werden. Der Schalter arbeitet in dem niedrigen Reynolds-Zahl-Bereich, wo die Strömungsmechanik durch viskose Kräfte eher als durch inerte Kräfte beherrscht wird. Deshalb ist der Mikroschalter der vorliegenden Erfindung anlagebedingt verschieden von makroskopischen Geräten.

Der Schalter weist zumindest drei sich kreuzende Mikrokanäle auf, wobei jeder an seinem nichtgekreuzten Ende ein Flüssigkeitsreservoir für den Flüssigkeitseinlass und -auslass hat. Er beinhaltet weiterhin Mittel zum Anlegen eines Antriebsdruckes an jedes Reservoir und Mittel zum Umschalten der Antriebsdrücke. Für einen Flüssigkeitsströmungskanal mit einem höheren Druck an einem Ende als an dem anderen, liegt ein Druckgradient entlang dem Kanal an und der Druck an jedem Punkt hängt von dem Abstand entlang dem Kanal ab. Der Mikroschalter gemäß der Erfindung wirkt, um eine Flüssigkeitsströmung von einem ersten Kanal zu einem zweiten Kanal durch Anlegen einer Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Reservoir aufzubauen, während gleichzeitig die Strömung in dem dritten Kanal durch Anlegen eines Druckes an das dritte Reservoir verhindert wird, das den Druck an der Vereinigung der drei Kanäle ausgleicht. Durch Umschalten eines oder mehrerer Antriebsdrücke kann die Strömung zu dem zweiten Kanal gestoppt und die Flüssigkeitsströmung zu dem dritten Kanal zurückgeleitet werden. Der Schalter kann auch rückwärts betrieben werden, wobei die Flüssigkeit hinter der vor dem ersten oder dem zweiten Kanal ausgewählt werden kann, um in den dritten Kanal zu strömen.

In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet die Erfindung weiterhin Schalter, wobei mehr als drei Kanäle in dem Strömungsnetzwerk beinhaltet sind, entweder sich in einer einzigen Vereinigung kreuzend oder in vielen Vereinigungen. Diese können für die Auswahl zwischen mehr als zwei Proben oder Reagenzien zur Einführung in das Verteilerrohr, zur Trennung der Probe in mehr als zwei Ziele oder sowohl zum Mischen als auch zum Trennen der Flüssigkeiten verwendet werden.

Silikon oder andere mikroverarbeitbare Materialien können verwendet werden, um den Schalter herzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kanäle in eine Vorderfläche eines Wafers geätzt und Anschlüsse sind durch den Wafer hindurch zur Rückseite zur Fluidverbindung geätzt. Eine Abdeckplatte ist mit der Vorderfläche verbunden, um die Strömungskanäle abzudichten. Druck wird hinter den Anschlüssen unter Verwendung eines komprimierten Gaszylinders mit einem Regulator und einem Ventil angelegt, um die Drücke zu kontrollieren und zu schalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1, Fig. 1a-b umfassend, ist eine Draufsicht der Mikrokanäle des Mikroschalters, die die Umschaltung der Flüssigkeitsströmung zwischen einem ersten und einem zweiten Ausgangskanal zeigt.

Fig. 2 ist ein Querschnitt der Mikrokanäle.

Fig. 3, Fig. 3a-b umfassend, ist eine schematische Ansicht der Druckkontroll- und -schaltmittel, wobei der Druck (a) auf einem einzelnen Kanal und (b) auf zwei Kanälen gleichzeitig geschalten wird.

Fig. 4 zeigt die Mengen, die zur Berechnung der erforderlichen Antriebsdrücke verwendet wurden.

Fig. 5 zeigt die Flüssigkeitssensoren auf den Mikroschalterkanälen.

Fig. 6 ist ein Strömungscytometer, das den Mikroschalter zum Sortieren von Partikeln verwendet.

Fig. 7, Fig. 7a-b umfassend, zeigt die Mikroschalter mit (a) zwei Dreikanalvereinigungen und (b) einer Vierkanalvereinigung.

Fig. 8 ist die gemessene Strömung eines Dreikanalmikroschalters, wenn er von einem ersten zu einem zweiten Ausgangskanal geschalten wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 und 2 zeigen die Mikrokanäle des Mikroschalters der Erfindung in Draufsicht und inm Querschnitt. In dieser Ausführungsform sind die Kanäle 1, 2 und 3 im Trägermaterial 50 ausgebildet und durch die Abdeckplatte 51 abgedichtet. Die Abdeckplatte 51 kann transparent sein, um optischen Zugang zu den Kanälen zu erlauben. Es kann zusätzliche fluidische, optische, elektronische oder mechanische Elemente enthalten, wie es auch das Trägermaterial 50 kann. Ein Ende jedes Kanals 1-3, hier als Vereinigungsende bezeichnet, vereinigt sich mit den anderen Kanälen, um die Vereinigung zu bilden. Das andere Ende jedes Kanals, hier als Anschlussende bezeichnet, ist mit einem Flüssigkeitsreservoir (nicht gezeigt) verbunden. In dieser Ausführungsform ist die Verbindung durch die Anschlüsse 11, 12 und 13 hergestellt, die durch das Trägermaterial geätzt sind, um sie mit den Flüssigkeitsreservoirs auf der Rückseite zu verbinden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel tritt die Flüssigkeit durch den Kanal Eins ein und kann geschalten werden, um entweder durch Kanal Zwei (Fig. 1a) oder Kanal Drei (Fig. 1b) auszutreten. Alternativ kann die Flüssigkeit durch die Kanäle Zwei und Drei eintreten und der Schalter wählt aus, welche der Einlassflüssigkeitsströme durch Kanal Eins herausfließt. In einem anderen Betriebsmodus strömt die Flüssigkeit von Kanal 1 zu Kanal 2 in einem ersten Schaltzustand und von Kanal 3 zu Kanal 1 in einem zweiten Schaltzustand.

Die Kanäle Eins, Zwei und Drei sind Mikrokanäle. Die Bezeichnung Mikrokanal wird hier für einen Kanal verwendet, der Abmessungen aufweist, die einen niedrigen Reynolds-Zahl-Betrieb vorsehen, bei welchem die Strömungsmechanik durch viskose Kräfte eher als durch inerte Kräfte dominiert wird. Das Verhältnis inerte Kräfte zu viskosen Kräften ist

wobei u der Geschwindigkeitsvektor, ρ die Flüssigkeitsdichte, η die Viskosität des Fluides, d die charakteristische Dimension des Kanals und τ die Zeitskala ist, über welcher die Geschwindigkeit sich ändert (wobei u/τ = δu/δt). Die Bezeichnung "charakteristische Dimension" wird hier, wie im Stand der Technik bekannt, für die Dimension verwendet, die die Reynolds-Zahl bestimmt. Für einen zylindrischen Kanal ist es der Durchmesser. Für einen rechteckigen Kanal hängt es in erster Linie von der kleineren Breite und Tiefe ab. Für einen V-förmigen Kanal hängt es von der Breite der Oberseite des V ab.

Das Fluidströmungsverhalten im stationären Zustand τ → ∞ ist durch die Reynolds- Zahl, Re = ρur/η charakterisiert. Wegen der geringen Abmessungen und kleinen Geschwindigkeiten liegen die mikroverarbeiteten Fluidsysteme im niedrigen Reynolds-Zahlbereich (Re < 1). In diesem Bereich sind die inerten Effekte, die die Turbulenz und die sekundären Strömungen erzeugen, vernachlässigbar; viskose Effekte dominieren die Dynamik.

Da die Reynolds-Zahl nicht nur von den Kanalabmessungen, sondern von der Flüssigkeitsdichte, Flüssigkeitsviskosität, Flüssigkeitsgeschwindigkeit und der Zeitskala, auf welcher die Geschwindigkeit sich ändert, abhängt, lässt sich die absolut obere Grenze des Kanaldurchmessers nicht genau definieren. Jedoch gibt Tabelle 1 die Umschaltzeiten und entsprechenden Kanaldurchmesser für Wasser und der konservativen Beschränkung, dass R < 1 ist, wieder. Gemäß Tabelle 1 sollte die charakteristische Kanaldimension < 1 mm sein, um Schaltzeiten < 1 s zu erreichen. In Wirklichkeit können mit gut konstruierten Kanalgeometrien Turbulenzen für R < 100 und möglicherweise für R < 1000 vermieden werden, weshalb die wirkliche schnellste Umschaltgeschwindigkeit und größte charakteristische Dimension, die in dem Schalter gemäß der Erfindung verwendet werden kann, größer als die Werte in Tabelle 1 sind. Der bevorzugte kanalcharakteristische Dimensionsbereich liegt zwischen ungefähr 0,5 um und 1 mm. Ein bevorzugterer Bereich liegt zwischen ungefähr 5 um und 100 um.

Tabelle 1. Kanaldimension und Umschaltzeit für R < 1. Charakteristische Dimension Umschaltzeit

1 um 1 us

10 um 100 us

100 um 10 ms

1 mm 15

Der Kanal formt eine T-förmige Vereinigung in der dargestellten Ausführungsform. Diese Form wird durch Ätzen von Silikon leicht erhalten. Der Schalterbetrieb wird beschrieben, wobei der Stamm des T ein normaler Einlass (oder Auslass) ist und der Schalter wählt aus, zu welchem (oder von welchem) Querbalken die Flüssigkeit strömt. Wahlweise kann auch einer der Querbalken der normale Strömungskanal sein. Alternative Konfigurationen wie eine Y-förmige Vereinigung können auch in dem Mikroschalter verwendet werden. Eine Y-förmige Vereinigung kann durch Ätzen nichtkristalliner Trägermaterialien oder in kristallinen Trägermaterialen durch isotropisches Ätzen, beispielsweise reaktives Ionenätzen erreicht werden. In der dargestellten Ausführungsform sind alle Kanaldurchmesser gleich; sie können stattdessen variieren. Für größere Kanaldurchmesser können die Kanäle eher mit Kapillarschläuchen hergestellt werden als in ein Trägermaterial geätzt zu werden.

Flüssigkeitsreservoirs und ein Antriebsdrucksystem sind schematisch in Fig. 3a dargestellt. Die Reservoirs 21, 22 und 23 sind an den Mikrokanälen 1, 2 und 3 über Verbindungsanschlüsse 11, 12 und 13 angebracht. Antriebsdrücke P&sub1;, P&sub2;, P&sub2;' und P&sub3; sind durch Druckkontrollmittel 60a-c vorgesehen, die unter Druck stehendes Gas zu jedem Reservoir über Gaseinlässe 31, 32 und 33 umleiten. Die Druckkontrollmittel in dieser Ausführungsform können ein Zylinder mit unter Druck stehendem Gas, vorzugsweise ein inertes Gas, sein, die zu einer Vielzahl von Druckregulatoren verbunden sind. In dieser Ausführungsform sind P&sub1; und P&sub3; konstant, aber nicht gleich zueinander. Der Druck hinter dem Reservoir 22 wird zwischen P&sub2; und P&sub2;' durch Schaltmittel 70 geschalten. Drücke sind in dem ersten Schaltzustand als Pn und in den zweiten Schaltzustand als Pn' bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel ist P&sub1; = P&sub1;' und P&sub3; = P&sub3;'.

Die Bezeichnung Flüssigkeitsreservoir ist hier für jeden Behälter zum Liefern einer Flüssigkeit zu einem Einlass oder zum Empfangen von Flüssigkeit von einem Auslass und über welchem Druck an einem Mikrokanal angelegt werden kann, verwendet. In dem Fall eines Auslassreservoirs muss das Reservoir eigentlich nicht die Flüssigkeit sammeln, sondern kann einfach ein Auslass von dem Kanal sein. Ein Reservoir kann ein integraler Teil eines Trägermaterials sein, das die Mikrokanäle enthält oder es kann mit dem Trägermaterial verbunden sein. Es kann jede Form haben, inklusive kanalförmig. Wenn der Schalter in ein größeres System integriert ist, bilden andere Elemente des Systems, die mit den Mikrokanälen verbunden sind und die Flüssigkeit davon eingeben oder aufnehmen, die Reservoirs des Mikroschalters. Falls ein Mikrokanal zwei Kanäle in einem größeren System vereinigt und jeder der zwei Kanäle mit einem Reservoir verbunden ist, umfasst das Mikrokanalreservoir beide Reservoirs. Falls Drücke an beiden Reservoirs angelegt werden, resultiert das in einem Nettoantriebsdruck, der an den Mikrokanal angelegt ist.

Die Bezeichnung Antriebsdruck wird hier für einen Druck verwendet, der an dem Flüssigkeitsreservoir anliegt. In der dargestellten Ausführungsform wird das Druckkontrollmittel durch unter Druck stehendes Gas reguliert. Es kann alternativ eine Vakuumpumpe zum Vorsehen von Drücken unterhalb von atmosphärischem Druck verwenden. Atmosphärischer Druck kann für eines der konstanten Drücke durch Entlüften eines Reservoirs an Luft vorgesehen werden. Andere Druckkontrollmittel können verwendet werden.

Die Bezeichnung Schaltmittel wird hier für Mittel zum Schalten eines oder mehrerer Antriebsdrücke verwendet. In den dargestellten Schaltmitteln wird die Verbindung zu dem Gaseinlass 32 zwischen einer ersten Gasversorgungsleitung bei P&sub2; und einer zweiten Gasversorgungsleitung bei P&sub2;' geschalten. Alternativ kann dort eine einzelne Gasversorgungsleitung liegen und das Umschaltmittel kann ein Regulator mit schaltbarem Ausgangsdruck sein.

Mindestens ein Reservoir muss einen schaltbaren Antriebsdruck haben. Für mehr Veränderbarkeit kann mehr als ein Reservoir einen schaltbaren Antriebsdruck haben. Jeder schaltbare Antriebsdruck kann ein getrenntes Schaltmittel haben oder ein einzelnes Schaltmittel kann zu mehr als einer Gasversorgungsleitung, wie in Fig. 3b dargestellt, verbunden sein. Der Druck vom Gaszylinder 61 wird durch den Regulator 62 kontrolliert. Konstanter Druck P&sub1; wird zum Reservoir 21 über die Gaseinlassleitung 31 zugeführt. Der Gasdruck wird bei einem niedrigeren Druck P&sub2; durch den Regulator 63 gehalten, der mit dem Schalter 70 verbunden ist. Der Druck P&sub3;, der in dieser Ausführungsform atmosphärischer Druck ist, wird ebenfalls dem Schalter 70 zugeführt. Der Schalter 70 verbindet eine Zufuhrleitung mit jedem der Gaseinlassleitungen 32 und 33 und kann die Verbindungen in umgekehrter Richtung schalten, so dass P&sub2;' = P&sub3; und P&sub3;' = P&sub2; ist. Diese Ausführungsform der Druckkontroll- und Schaltmittel ist besonders geeignet für einen Mikroschalter mit identischer Kanalgeometrie für die Kanäle 2 und 3, so dass ein gegebener Antriebsdruck denselben Vereinigungsdruck erzeugen wird, wenn er an jedem Kanal angelegt wird.

Die erforderlichen Antriebsdrücke können aus den Kanalgeometrien berechnet werden, wie in Fig. 4 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Kanäle 1, 2 und 3 in derselben Tiefe und derselben Breite geätzt. Die Längen der Kanäle sind l&sub1;, l&sub2; und l&sub3; und die Flüssigkeitsgeschwindigkeiten der Kanäle sind v&sub1;, v&sub2; und v&sub3;. Wenn die gesamte Strömung von Kanal 1 zu Kanal 2 geht, ist v&sub1; = v&sub2; und v&sub3; = 0. Dies wird durch Setzen des Druckes P&sub1; > P&sub2; erreicht, um einen Druckgradient entlang der Kanäle 1 und 2 durch Setzen des Drucks P&sub3; gleich dem Druck an der Vereinigung der Kanäle PJ zu erzeugen. Der Vereinigungsdruck PJ liegt zwischen P&sub1; und P&sub2;. Wenn P&sub3; = PJ ist, fließt keine Flüssigkeit entlang Kanal 3, da keine Druckdifferenz zwischen der Vereinigung und dem dritten Reservoir vorliegt. Der erforderliche Druck P&sub3; als Ausdruck der angelegten Drücke P&sub1; und P&sub2; ist

Dieser Ausdruck kann durch Analogie zu einem elektrischen Schaltkreis von drei Widerständen abgeleitet werden, wo Länge, Geschwindigkeit und Druck jeweils analog zu Widerstand, Strom und Spannung sind. Falls die Kanäle verschiedene Tiefen und Breiten haben oder andere Merkmale beinhalten, die die Leitung beeinflussen, wird die Berechnung komplizierter, aber leicht verständlich für den Fachmann.

Für den Betrieb des Schalters mit einem Einlasskanal und zwei Auslasskanälen, wie oben beschrieben, werden die Antriebsdrücke zwischen einem ersten Zustand mit > P&sub2;, P&sub3; = PJ und einem zweiten Zustand mit P&sub1;' > P&sub3;' und P&sub2;' = PJ' geschalten. Um zwischen den zwei Einlasskanälen mit einem normalen Auslasskanal zu schalten, werden die Antriebsdrücke zwischen P&sub2; > P&sub1;, P&sub3; = PJ und P&sub3;' > P&sub1;', P&sub2;' = PJ' geschalten. Um zwischen der Strömung von Kanal 1 zu Kanal 2 und der Strömung von Kanal 3 zu Kanal 1 zu schalten, werden die Antriebsdrücke zwischen > P&sub2;, P&sub3; = PJ und P&sub3;' > P&sub1;', P&sub2;' = PJ' geschalten. In allen Fällen liegt eine Druckdifferenz zwischen den Strömungskanälen an und der Antriebsdruck hinter den nichtströmenden Kanälen (aus) gleicht den Vereinigungsdruck aus. Die Antriebsdrücke, die diese Bedingungen erfüllen, liegen in einem großen Bereich. Die Antriebsdrücke sind ausgewählt, um die gewünschten Strömungsraten vorzusehen und mit den Druckkontroll- und Schaltmitteln kompatibel zu sein.

Der Druck an den Vereinigungen muss nicht notwendigerweise direkt gemessen werden, kann aber wie in Gleichung 2 bestimmt werden. Die hier verwendete Bezeichnung Vereinigungsdruck bezieht sich entweder auf den wirklichen oder auf den berechenbaren Druck an der Vereinigung. Um die Strömung in einem Kanal zu stoppen wird der Antriebsdruck an dem entsprechenden Reservoir näherungsweise gleich dem Vereinigungsdruck gesetzt. Abhängend von der besonderen Schaltgeometrie müssen die Drücke nicht genau gleich sein, um die Strömung in den Kanälen zu stoppen. Außerdem kann abhängig von der Anwendung, in welchem der Schalter verwendet wird, ein bisschen Leckage in dem Schalter toleriert werden, so dass die Drücke nur innerhalb einem tolerierbaren Leckagebereich gleich sein müssen. Für Fälle wo der Vereinigungsdruck eher berechnet als gemessen wird, kann der Antriebsdruck exakt gleich dem kalkulierten Vereinigungsdruck, aber nur annähernd gleich dem wirklichen Vereinigungsdruck sein. Empirisch muss der Antriebsdruck, wenn die Strömung in einem Kanal gestoppt wird, hinter diesem Kanal näherungsweise gleich dem Vereinigungsdruck sein.

Der Mikroschalter dieser Erfindung kann weiterhin Mittel zum Messen des Antriebsdruckes an einem oder mehreren Reservoirs oder Mittel zur Messung des Druckes in einem oder mehreren Kanälen oder an der Vereinigung der Kanäle beinhalten. Es kann eine aktive Rückmeldung zwischen dem Antriebssensor und dem Antriebskontrollmittel vorliegen, um den gewünschten Druck aufrechtzuerhalten.

Die Strömung in einem oder mehreren Kanälen kann direkt mit Strömungssensoren auf den Kanälen, wie in Fig. 5 gezeigt, gemessen werden. Sensoren 42 und 43 sind entsprechend entlang den Kanälen 2 und 3 positioniert. Die Sensoren können zu den Druckkontrollmitteln 60 rückmelden, um aktiv die Strömung in den Kanälen zu kontrollieren. Die in diesem Schalter verwendeten Sensoren müssen nicht die exakte Strömungsrate bestimmen; es ist ausreichend, einen Nullströmungssensor zu verwenden, um zu bestimmen, ob die Flüssigkeit strömt oder stationär ist. In der Ausführungsform der Fig. 3b kann das Schaltmittel 70, sobald die Drücke eingestellt worden sind, um die Strömung in einem Ausgangskanal zu stoppen, zwischen den zwei Ausgangskanälen schalten, ohne weitere Einstellungen der Antriebsdrücke, womit ein Strömungssensor nur auf einem Kanal erforderlich ist. In einem System mit aktiver Rückmeldungskontrolle der Antriebsdrücke kann ein ausfallsicherer Mechanismus beinhaltet sein, um anzuzeigen, wenn die Antriebsdrücke über einen erwarteten Bereich hinaus angestiegen sind, was auf eine Kanalverstopfung hinweist.

Viele Flüssigkeitsmikroströmungssensoren sind im Stand der Technik bekannt (Shoji et al., J. Micromech Microeng. 4 (1994), 157-171). Diese können beispielsweise auf Thermotransfer, thermische Laufzeit oder Differentialdruck gestützt werden. Die Strömung kann auch optisch unter Verwendung einer Lichtquelle und eines Photodetektors bestimmt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden der Flüssigkeit fluoreszente Mikrokugeln als Strömungsindikator zugegeben. Die Mikrokugeln sind optisch angeregt und die Bewegung der Kugeln wird durch einen Photodetektor überwacht, wie beispielsweise ein menschliches Auge oder einen elektronischen Photodetektor. Die Kugeln werden in dem Aus-Kanal durch manuelle oder automatische Einstellung der Antriebsdrücke in stationäre Lage versetzt. Die Streuung des Lichts von Partikeln in der Flüssigkeit kann auch verwendet werden, um die Strömung optisch zu messen. Die Rate bei welcher streuende oder fluoreszierende Partikel den Detektor passieren kann gemessen werden. Für einen Nullströmungssensor kann der Antriebsdruck eingestellt werden, bis keine Partikel den Detektor passieren.

Der Mikroschalter dieser Erfindung kann in einer großen Anzahl von mikrofluiden Systemen verwendet werden. Fig. 6 zeigt den Schalter, verwendet als Strömungssortierer in Kombination mit einem Strömungscytometer. Das Strömungscytometer weist eine Lichtquelle 110 und einen Photodetektor 120 auf. Der Photodetektor kann positioniert werden, um kleine oder große Winkel zerstreuten Lichtes oder Fluoreszenz zu detektieren. Ein mikroverarbeitetes Strömungscytometer ist im Detail beschrieben in WO-A-97/12223. In der vorliegenden Ausführungsform charakterisiert der Photodetektor 120, der eine Signalanalyseelektronik beinhalten kann, Zellen oder andere Partikel in der Probe, basierend auf ihrer Fluoreszenz oder ihrer Streuung. Der Photodetektor sendet Anweisungen zu dem Schaltmittel 70, das dann jedes Partikel zu dem entsprechenden Ausgangskanal leitet. Dies kann verwendet werden, um weiße und rote Blutkörper zu trennen oder um andernfalls Partikel auf Basis ihrer Größe, Form oder Fluoreszenzcharakteristika zu trennen. Für ein Strömungscytometer mit einer Strömungsrate in der Größenordnung von 10³ Partikeln pro Sekunde muss die Schaltzeit im Millisekundenbereich liegen. Diese Geschwindigkeit kann durch den Mikroschalter der Erfindung vorgesehen werden.

Mehr als drei Kanäle können mit dem Mikroschalter dieser Erfindung kontrolliert werden. In Fig. 7a schließt sich ein vierter Kanal 4 mit dem Anschluss 14 an den Kanal 1 an, um eine zweite Vereinigung zu bilden. Dies teilt Kanal 1 in die Abschnitte 1 und 5 mit dem Anschluss 15. Dies kann auch als Ersetzen des einzelnen Anschlusses an Kanal 1 durch die Kombination der Kanäle 4 und 5 und die Anschlüsse 14 und 15 gesehen werden. Durch Kontrolle der Antriebsdrücke hinter jedem Kanal kann die Strömung im Kanal 1 zwischen den Kanälen 4 und 5 und die Strömung aus dem Kanal 1 heraus zwischen den Kanälen 2 und 3 geschalten werden. Die zwei Vereinigungsschalter können auch mit anderen Strömungsmustern zwischen den Kanälen arbeiten. Die Antriebsdrücke können so geschalten werden, dass jeder der Kanäle ein Einlass und jeder der Kanäle ein Auslass ist.

Vier Kanäle führen in Fig. 7b in eine einzelne Vereinigung zusammen. Die Strömung von Kanal 1 kann durch Einstellen der Antriebsdrücke zu jedem der Kanale 2, 3 oder 6 ausgelassen werden. Für die Strömung vom Kanal 1 zum Kanal 2 werden die Antriebsdrücke beispielsweise so gesetzt, dass P&sub1; > P&sub2; und P&sub3; = P&sub6; = PJ ist. Der Schalter kann in einer Anzahl von Modi betrieben werden, wobei jeder der Kanäle Einlass oder Auslass sein kann. Die Fig. 7a-b veranschaulichen zwei Schalter mit mehr als drei Kanälen. Viele Kanalnetzwerke können auch mit den Mikroschaltern der Erfindung kontrolliert werden. Zusätzliche Kanäle können zusammenführen und verzweigen, um zusätzliche Vereinigungen zu bilden und jede Vereinigung kann mehr als drei Kanäle aufnehmen.

Ein Mikroschalter der Erfindung wurde hergestellt und wie unten beschrieben betrieben. In den Fig. 1-2 gezeigte Kanäle wurden mikroverarbeitet in einem Silikon(100)-Wafer unter Verwendung von Standardphotolithographietechniken, um die Kanäle und Verbindungsanschlüsse zu bilden. Ethylendiamin, Pyrocatechol (EDP) wurde für ein Zweischrittätzen verwendet. Eine Pyrex 7740 Abdeckplatte wurde anodisch mit der Fläche des Silikons verbunden, um ein geschlossenes Flüssigkeitssystem vorzusehen. Die Flüssigkeitsanschlüsse wurden auf der Rückseite des Silikons hergestellt. Die Kanäle waren 10 um tief. Die kombinierten Längen der Kanäle 1 mit jedem Kanal 2 oder 3 war 1 cm. Kanal 1 war 10 um im Durchmesser und Kanal 2 und 3 waren jeweils 30 um im Durchmesser.

Eine 0,01% Lösung von fluoreszierenden Perlen mit einem 0,5 um Durchmesser wurde verwendet, um die Strömung zu visualisieren. Diese Polystrylolperlen beinhalten eine Färbung, die rot fluoresziert, wenn sie durch Licht um 550 nm angeregt ist. Sie sind im wesentlichen neutral schwimmend und stellen hervorragende Mittel zur Strömungsvisualisierung dar. Diese Perlen wurden abgebildet auf einem invertierten Zeiss-Mikroskop mit einer Dage SI- Multidiodentarget(SIT)-Videofrequenzkamera. Die Videodaten wurden auf einer S- VHS-Videokassette aufgezeichnet.

Wegen der kurzen Kanallänge (1 cm) und den winzigen Strömungsraten (10 nl/sek) waren nur maßvolle Drücke erforderlich, um die Flüssigkeit anzutreiben. Bei niedrigen Reynolds-Zahlenbedingungen bestimmt das Poiseuillsche Gesetz P/I = 128 ην/d&sup4; den Druckabfall einer Flüssigkeit der Viskosität η, die bei einer maximalen Geschwindigkeit ν in einem zylindrischen Kanal mit einem Durchmesser d und der Länge I strömt. Drücke von wenigen PSI wurden verwendet, um die Strömungsgeschwindigkeiten von wenigen mm/s zu erreichen. Die höchste Reynolds-Zahl, die erreicht wurde, war ca. ~10&supmin;¹.

Die Druckkontroll- und Schaltmittel verwendeten, wie in Fig. 3b gezeigt, einen unter Druck stehenden Stickstoffzylinder. Der Druck P&sub1; am Anschluss 1 wurde zuerst bei 1 PSI über atmosphärischem Druck festgesetzt und dann wurde der Druck bei P&sub2; eingestellt, so dass die Strömungsrate im Kanal 2 Null war, was bei 0,5 psi auftrat. Die gesamte Strömung trat von Kanal 1 zu Kanal 3 auf. Der Druck P&sub3; wurde zur Atmosphäre entladen. Das Schaltmittel 70 war ein 5-3-Ventil, das ein schnelles Schalten zuließ. Durch Betätigen dieses externen Ventils wurden die Drücke hinter Kanal 2 und 3 schnell geschalten. Dies zwang die Flüssigkeit, schnell zwischen dem Herunterströmen des Kanals 3 zu Kanal 2 umzuschalten. Da die Geometrien der Kanäle 2 und 3 identisch waren, konnten die Drücke zwischen ihnen einfach geschalten werden.

Videoabbildungen der fluoreszierenden Perlen wurden Bild für Bild analysiert und die relativen Strömungsgeschwindigkeiten in den beiden Kanälen wurden aufgezeichnet, wie in Fig. 8 gezeigt. Die Strömung zu einem Kanal ist mit Kreisen, die zum anderen Kanal mit schraffierten Linien dargestellt. Das Umschalten wurde innerhalb 100 ms abgeschlossen. Die Umschaltzeit ist begrenzt durch das Druckkontroll- und Schaltsystem, nicht durch die Strömungsdynamik auf dem Schalter. Die Leckage zu dem Aus-Kanal war kleiner 1%.

Der Mikroschalter gemäß der Erfindung wurde oben mit wenigen spezifischen Ausführungsformen dargestellt. Wie es dem Fachmann offensichtlich sein wird, sind viele andere Ausführungsformen und Anwendungen des Schalters konstruierbar. Der Schalter kann mit Kanälen aus anderen Materialien als Silikon, wie Glas oder Plastik hergestellt werden. Die Kanaldimensionen, -formen und -orientierungen können variiert werden. Viele Vereinigungen können in einem Netzwerk angewendet werden. Das Netzwerk kann anstelle von zweidimensional auch dreidimensional sein. Das Druckkontroll- und Schalt mittel kann verschiedene Konfigurationen und Betriebsbedingungen im Vergleich zu den dargestellten haben. Wie die Strömungskanäle können diese mikroverarbeitet sein. Schnellere Druckschalter können verwendet werden, wie beispielsweise piezoelektrische Schalter. Der Schalter kann mit anderen Flüssigkeitshandhabungs-, Behandlungs- und Analysevorrichtungen beispielsweise in einem Netzwerk inklusive Reagens, Spülung und Abfallreservoirs verbunden mit der Reaktionskammer, andere mikroverarbeitete Elemente sowie Ventile und Pumpen, oder chemischen, elektrischen und optischen Analysebereichen kombiniert werden. Diese und andere Variationen fallen in den Bereich der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.


Anspruch[de]

1. Flüssigkeitsmikroschalter mit wenigstens einem ersten, einem zweiten und einem dritten Mikrokanal (1, 2, 3), wobei jeder ein Anschlussende und ein Kanalende (11, 12, 13) aufweist, wobei die ersten, zweiten und dritten Mikrokanäle (1, 2, 3) an den Anschlussenden angeschlossen sind, um einen ersten Anschluss zu bilden; zumindest einem ersten, einem zweiten und einem dritten Flüssigkeitsreservoir (21, 22, 23), das jeweils an den Kanalenden (11, 12, 13) der ersten, zweiten und dritten Mikrokanäle (1, 2, 3) befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroschalter weiterhin umfasst:

Drucksteuermittel (60a-c) zum Anlegen eines ersten Antriebsdruckes P&sub1;, eines zweiten Antriebsdruckes P&sub2; und eines dritten Antriebsdruckes P&sub3; jeweils an die ersten, zweiten und dritten Flüssigkeitsreservoirs (21, 22, 23), wobei in einem ersten Schaltzustand P&sub1; größer oder kleiner als P&sub2; ist, und P&sub3; näherungsweise gleich PJ, dem Druck an dem ersten Anschluss, ist; und

mit den Drucksteuermitteln (60a-c) verbundene Schaltmittel (70) zum Schalten des ersten, zweiten und dritten Antriebsdruckes in einen zweiten Schaltzustand, wobei P&sub1;' größer oder kleiner als P&sub3;' ist, und P&sub2;' näherungsweise gleich PJ' ist.

2. Mikroschalter nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Schaltzustand P&sub1; > P&sub2; und in dem zweiten Schaltzustand P,' > P&sub3;' ist.

3. Mikroschalter nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Schaltzustand P&sub1; < P&sub2; und in dem zweiten Schaltzustand P&sub1;' < P&sub3;' ist.

4. Mikroschalter nach Anspruch 1, wobei in dem ersten Schaltzustand P&sub1; > P&sub2; und in dem zweiten Schaltzustand P&sub1;' < P&sub3;' ist.

5. Mikroschalter nach Anspruch 1, wobei das Schaltmittel gleichzeitig zwei der Antriebsdrücke schaltet.

6. Mikroschalter nach Anspruch 5, wobei das Schaltmittel gleichzeitig alle drei Antriebsdrücke schaltet.

7. Mikroschalter nach Anspruch 5, wobei die Antriebsdrücke so geschalten werden, dass P&sub2;' = P&sub3; und P&sub3;' = P&sub2; ist.

8. Mikroschalter nach Anspruch 7, wobei die Kanaldimensionen des zweiten und dritten Kanals gleich sind.

9. Mikroschalter nach Anspruch 1, der weiterhin einen Durchflussmengenmesser (42) auf einem der Mikrokanäle beinhaltet.

10. Verfahren zum Schalten der Flüssigkeitsfließstrecke an dem Anschluss der ersten, zweiten und dritten Mikrokanäle (1, 2, 3), wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Anlegen eines ersten Antriebsdruckes P&sub1;, eines zweiten Antriebsdruckes P&sub2; und eines dritten Antriebsdruckes P&sub3; hinter jeweils dem ersten, zweiten und dritten Mikrokanal (1, 2, 3), wobei P&sub1; größer oder kleiner als P&sub2; ist, und P&sub3; näherungsweise gleich PJ, dem Druck an dem Anschluss, ist; und

Schalten des ersten, zweiten oder dritten Antriebsdruckes in einem zweiten Schaltzustand, wobei P&sub1;' größer oder kleiner als P&sub3;', und P&sub2;' näherungsweise gleich PJ' ist.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com