專利名稱：輸送極少液量的裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及輸送極少液量的一種裝置及其制造方法，其中載體包含一個(gè)微結(jié)構(gòu)空腔系統(tǒng)。
這類空腔可應(yīng)用在例如生物工程中涉及微量液體的各種場(chǎng)合中，但精確知道該空腔中所包含的微微升含量的液體體積是很重要的。如果形成的空腔呈微通道，則液體可借助動(dòng)電作用或加壓而連續(xù)地被輸送。密封的空腔用來(lái)封閉精確確定的試樣容積并阻止少量液體試樣的蒸發(fā)。在微液體顯示器的領(lǐng)域也需要這樣的類似結(jié)構(gòu)，在這種顯示器中，著色的液體必須通過(guò)微通道輸送到一個(gè)精確確定的位置。
多數(shù)已知的技術(shù)解決辦法強(qiáng)調(diào)了主要用于醫(yī)學(xué)、生物工程和藥物學(xué)的分析儀器的微結(jié)構(gòu)化近年來(lái)已取得了重大的進(jìn)展。
原來(lái)在玻璃毛細(xì)管中進(jìn)行的分析現(xiàn)已越來(lái)越多地在本身帶有分支通道結(jié)構(gòu)的板狀微液體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行。雖然這種通道結(jié)構(gòu)最初是象在半導(dǎo)體技術(shù)中制造集成電路那樣通過(guò)蝕刻制作在硅晶片上的，但現(xiàn)在已轉(zhuǎn)向采用塑料。采用塑料的動(dòng)機(jī)不僅是由于塑料的制造成本低廉，而且也由于塑料具有有利的性能，例如光學(xué)透明度、生物相容性和一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的低的熒光。
以液體引入通道中的并在通道分支中相互反應(yīng)的物質(zhì)在一個(gè)連續(xù)的通道中可利用光學(xué)的方法進(jìn)行分析。由于為此目的確定的通道橫截面尺寸迄今為止為10微米至100微米的范圍，所以對(duì)這類產(chǎn)品的制造提出了很高的要求。
例如根據(jù)美國(guó)專利US 5 376 252提出的一種微液體構(gòu)件，在兩層平板狀穩(wěn)定的底層之間放置一層彈性的中間層，該中間層包含一個(gè)通過(guò)模塑成型制成的微結(jié)構(gòu)通道系統(tǒng)。
這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是，彈性中間層的變形會(huì)影響整個(gè)構(gòu)件。計(jì)量和泄漏問(wèn)題會(huì)對(duì)適用性產(chǎn)生不利影響。
美國(guó)專利US 5 770 029描述了用于電泳目的的組合裝置形式的另一種已知的解決辦法，這個(gè)主要由兩部分組成的裝置在一塊底板內(nèi)設(shè)有微通道形式的微結(jié)構(gòu)，微通道用一塊蓋板層密封。這些微通道包含一個(gè)富集通道和一個(gè)電泳主流通道，這些通道是這樣布置的廢物不可能進(jìn)入主流通道中，而是通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的出口排出該裝置。作為一次性使用的經(jīng)濟(jì)方案，建議全部組成部分都用塑料制成。在這種情況下，當(dāng)這些通道的寬度和深度尺寸要求為10微米和小于此尺寸時(shí)，特別是這些尺寸的波動(dòng)范圍小于5％時(shí)，可用該專利所述的制造技術(shù)改變這些通道的形狀和橫截面。
在微液體顯示器的應(yīng)用范圍內(nèi)，對(duì)圖像顯示裝置的制造技術(shù)也提出了很高的要求，在這種顯示裝置中與圖像內(nèi)容一致的至少兩種對(duì)比度不同的液體通過(guò)微型泵在一個(gè)曲折形狀的微通道結(jié)構(gòu)中進(jìn)行泵送。在關(guān)掉泵后，形成一種包含液體段的穩(wěn)定的圖案，該圖案可再現(xiàn)顯示內(nèi)容。與液晶顯示比較，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，一個(gè)決定性的優(yōu)點(diǎn)是，用很低的電能消耗提供了清晰的字母數(shù)字顯示，因?yàn)檫@種顯示是在無(wú)電流的靜態(tài)中進(jìn)行的。如果需要改變圖像內(nèi)容，則用新的圖像內(nèi)容置換舊的圖像內(nèi)容，并將舊的圖像內(nèi)容移入一個(gè)分離器中，在該分離器的輸出端將分離的液體重新供給相應(yīng)的微型泵。
這種原理要求使用光學(xué)透明的聚合物材料，微通道的尺寸小于10微米。為了達(dá)到用兩種液體正確表示符號(hào)，對(duì)這些微通道的制作精度和重復(fù)性提出了特殊的要求。特別是，為了精確地確定液體段的位置，對(duì)重復(fù)性和通道橫截面的恒定性要求很高，以及為了微通道中的壓力降保持盡可能小，要求有極高的表面光潔度。
本發(fā)明的目的在于，在低成本進(jìn)行大批量生產(chǎn)的情況下也能滿足對(duì)微結(jié)構(gòu)的形狀和橫截面提出的高的精度要求。此外，還可保證光學(xué)分析技術(shù)的改進(jìn)的條件。
根據(jù)本發(fā)明，本發(fā)明目的是通過(guò)在一種載體中包含用于輸送極少量液體的微結(jié)構(gòu)空腔系統(tǒng)的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該載體除了具有微結(jié)構(gòu)空腔外，基本上是一種整體式結(jié)構(gòu)。
該載體用熱塑性材料制成，所以它與試樣物質(zhì)不發(fā)生相互作用。
載體的相當(dāng)于一個(gè)整體的單一結(jié)構(gòu)是這樣形成的即該載體是由板狀的載體部分與一層待粘接層制成的，該層材料成份在溶劑中與板狀載體部分的成分類同。其中，特別重要的是，該層的厚度比微結(jié)構(gòu)空腔的寬度和深度尺寸小得多。因此，通過(guò)例如在真空條件下經(jīng)熱模沖壓制成的微結(jié)構(gòu)空腔具有精度高的參數(shù)?？杀苊獬霈F(xiàn)邊緣變圓、材料增厚、彎曲和類似變化等現(xiàn)象，因而能對(duì)裝入空腔中的液體的流動(dòng)特性產(chǎn)生正面的影響。
由于該粘接層是以液態(tài)導(dǎo)入兩板狀載體部分之間的，所以在溶劑揮發(fā)以后，該層便與兩個(gè)板狀部分的表面形成反應(yīng)性粘接。即使用電子顯微鏡在連接面上也看不出有明顯的邊緣結(jié)構(gòu)，所以這樣制成的載體除微結(jié)構(gòu)空腔外呈一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。因?yàn)檩d體不含雜質(zhì)，材料性能不存在突變，這對(duì)封閉的試樣的測(cè)量精度產(chǎn)生正面的影響。避免了由一些物理參數(shù)例如折射指數(shù)、吸收系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)的空間變化所引起的影響。
此外，本發(fā)明還涉及一種制造輸送極少液量的裝置的方法，該裝置在一種載體中含有一個(gè)微結(jié)構(gòu)空腔系統(tǒng)。為了形成載體的一個(gè)相當(dāng)于一個(gè)整體的結(jié)構(gòu)，在板狀載體部分之間放一層處于溶解狀態(tài)的待粘接的層，該層的材料成分與板狀載體部分的材料成分類同，且其層厚比微結(jié)構(gòu)空腔的寬度和深度尺寸小得多。
下面結(jié)合示意附圖
來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。
附圖表示在制作一種試樣分析裝置時(shí)箭頭方向下的三個(gè)步驟。圖示只表示原理，所以不符合實(shí)際的尺寸比例。
根據(jù)附圖，制作本發(fā)明裝置從第一步驟開(kāi)始，首先將第一聚合物即板狀載體部分1用模具2例如在真空條件下通過(guò)熱模沖壓形成微結(jié)構(gòu)3。載體部分1在這里用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。但也可用別的材料，特別是熱塑性塑料例如聚碳酸酯(PC)或聚乙烯(PE)來(lái)制備。
首先用一種很硬的材料一般為金屬或硅用顯微技術(shù)的方法制作所要求的微結(jié)構(gòu)3的結(jié)構(gòu)負(fù)片圖案。制作金屬模具例如可用眾所周知的稱為L(zhǎng)IGA技術(shù)的一種方法步驟(詳見(jiàn)LIGA方法，微電子(LIGA Process，Microelectron)，Eng.4(1986)35-56頁(yè))?？刮g層用X射線光刻方法通過(guò)一個(gè)掩模用同步加速器輻射進(jìn)行曝光。為此，例如可用德國(guó)專利DE 44 18 779 C1和DE 44 24 274 C1所述的裝置?？刮g材料經(jīng)顯影后產(chǎn)生的形狀用上述材料以電鍍方式進(jìn)行填充，所以去掉抗蝕層后，就顯示出微結(jié)構(gòu)3的結(jié)構(gòu)負(fù)片圖案作為模具2。為了用硅制作結(jié)構(gòu)負(fù)片圖案，例如可用濕化學(xué)蝕刻硅的眾所周知的方法或用反應(yīng)性離子蝕刻進(jìn)行表面處理的方法。
在采用微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的成形裝置的情況下，例如按德國(guó)專利DE 19648 844 C1將模具2與聚合物載體部分1一起加熱到超過(guò)聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度。將模具2中所顯示的結(jié)構(gòu)形態(tài)轉(zhuǎn)移到載體部分1上的步驟最好在真空條件下進(jìn)行，即將這兩部分在高壓作用下相互擠壓。由于載體部分1和模具2仍處在緊密接觸的狀態(tài)下冷卻到低于聚合物材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度，所以載體部分1的結(jié)構(gòu)成為固定的。這樣，在脫模后，微結(jié)構(gòu)3就保持下來(lái)，當(dāng)然，也可采用別的復(fù)制技術(shù)例如澆注、紫外線反應(yīng)澆注、注塑或別的沖壓方法。
用與載體部分1相同的聚合物材料制成的第二載體部分4作為微結(jié)構(gòu)3的蓋板用。這樣就形成了微結(jié)構(gòu)空腔5。這些空腔5的至少一部分通過(guò)通道6與外界連通，這樣就可保證腔內(nèi)注滿和排空。如圖所示，通道6可形成在載體部分4中或用其它方式例如可側(cè)向引到外界。
為了連接載體部分1和4，按步驟2在這兩個(gè)載體部分之間引入一層7，這層7在一種溶劑例如乙酰乙酸甲酯中只含有與兩個(gè)載體部分1和4的相同材料。在一定條件下，也可用一種其分子結(jié)構(gòu)與兩個(gè)載體部分1和4的分子結(jié)構(gòu)十分相似的聚合物。該層7的厚度特別重要，因?yàn)樗鼘?duì)微結(jié)構(gòu)空腔5的功能起決定性的影響。所以，必須避免該層材料進(jìn)入微結(jié)構(gòu)3中，特別是避免它的邊緣區(qū)被溶劑腐蝕。在通道橫截面為10×10微米至40×40微米的情況下，層厚必須小于0.6微米。此外，在兩載體部分1和4連接時(shí)必須避免毛細(xì)管效應(yīng)的負(fù)面影響。最后，層7在整個(gè)待連接的表面上具有均勻的分布也是很重要的。如果該層材料在通道6的區(qū)域聚積的話，則該材料通常有可能進(jìn)入微結(jié)構(gòu)3中。所以，在待涂敷的載體部分4中的通道6最好在涂敷期間用適當(dāng)加工的觸針?lè)忾]，從而形成充分封閉的表面。經(jīng)過(guò)也包括載體部分1在內(nèi)的清潔處理以后，進(jìn)行層7的涂敷。應(yīng)通過(guò)清潔處理將附著在表面上的會(huì)破壞該層7的均勻性和妨礙參與工件的完好連接的微粒，充分地去除掉。
首先例如用吸管吸取少量的大約幾微升已溶解的聚合物材料置于載體部分4的表面中心，然后通過(guò)固定在一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)上的載體部分4的快速旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)需要的層厚。確定厚度的主要因素是已溶解的聚合物材料的粘度和旋轉(zhuǎn)速度。例如如果在PMMA載體中的微結(jié)構(gòu)空腔5具有10微米范圍的寬度和高度在10微米范圍，則在PMMA與溶劑乙酰乙酸甲酯的比例為1∶7～1∶11的情況下，所需的轉(zhuǎn)數(shù)為每分鐘幾千轉(zhuǎn)(4000～6000轉(zhuǎn)/分鐘)。在這些條件下達(dá)到的層7的厚度可達(dá)到上述范圍并比微結(jié)構(gòu)空腔5的寬度和高度尺寸小得多。在層7涂敷后，立即將兩載體部分1和4通過(guò)機(jī)械接觸進(jìn)行相互粘接，微結(jié)構(gòu)3便通過(guò)載體部分4的粘接而成封閉狀態(tài)。其中，應(yīng)避免傾斜誤差和橫向偏移并保證均勻的壓力條件。這項(xiàng)工作例如可在一種適當(dāng)?shù)难b置內(nèi)進(jìn)行，即把兩載體部分1和4精確配合和相互間沒(méi)有橫向滑動(dòng)并用一個(gè)模頭施加均勻的力。也可通過(guò)輥壓工序?qū)崿F(xiàn)粘接。為了避免溶劑的過(guò)早揮發(fā)，在20-60秒內(nèi)進(jìn)行快速粘接對(duì)達(dá)到永久的和均勻的粘接來(lái)說(shuō)，是特別重要的。否則，勢(shì)必或多或少地會(huì)損害兩個(gè)工件的確定的和長(zhǎng)期穩(wěn)定的連接。然后，溶劑在室溫下慢慢蒸發(fā)。當(dāng)然，可通過(guò)提高溫度或通過(guò)使用帶有或不帶真空設(shè)備的干燥爐來(lái)縮短加工時(shí)間。
在第三步驟中形成一個(gè)整體8的最終結(jié)構(gòu)，即在溶劑蒸發(fā)時(shí)由于溶劑在表面內(nèi)形成的斷開(kāi)部分實(shí)施重新連接，其中每個(gè)表面上邊界層區(qū)域內(nèi)的分子與層7的分子相結(jié)合。
在溶劑揮發(fā)后，就形成了一個(gè)單一的載體，這個(gè)單一的載體只由一種材料所組成并且在原先邊界層上也不存在材料性能不連續(xù)性的現(xiàn)象。
連接層的涂敷不限于上述的方法，雖然這種方法達(dá)到了特別好的結(jié)果。特別是作為另一選擇輥涂也是一種很適用的方法。
權(quán)利要求
1.一種在載體內(nèi)包含一個(gè)微結(jié)構(gòu)空腔系統(tǒng)、用來(lái)輸送極少液量的裝置，其特征為，該載體除了微結(jié)構(gòu)空腔(5)外，基本上是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。
2.按權(quán)利要求1的裝置，其特征為，該載體由一種熱塑性材料構(gòu)成。
3.按權(quán)利要求2的裝置，其特征為，該載體用板狀載體部分(1、4)與一待粘接的層(7)制成，在一種溶劑中，該層的材料成分和板狀載體部分(1、4)的材料成分類同，且其層厚比微結(jié)構(gòu)空腔(5)的寬度和深度尺寸小得多。
4.按權(quán)利要求3的裝置，其特征為，微結(jié)構(gòu)空腔(5)通過(guò)在真空條件下經(jīng)熱模沖壓至少在一個(gè)板狀載體部分(1)內(nèi)而形成。
5.按權(quán)利要求4的裝置，其特征為，微結(jié)構(gòu)空腔(5)呈通道形，這些部分通道從該載體中引出。
6.一種在載體中包含一個(gè)微結(jié)構(gòu)空腔系統(tǒng)、用來(lái)輸送極少液量的裝置的制造方法，其特征為，為了形成載體的相應(yīng)的整體結(jié)構(gòu)，在板狀載體部分(1、4)之間設(shè)置了一層已處于溶解狀態(tài)的待粘接的層(7)，該層的材料成分與板狀載體部分(1、4)的材料成分類同，且其層厚比微結(jié)構(gòu)空腔(5)的寬度和深度尺寸小得多。
全文摘要
一種輸送極少液量的裝置及其制造方法,其載體包含微結(jié)構(gòu)空腔系統(tǒng)。本發(fā)明在低成本進(jìn)行大批量生產(chǎn)的情況下,也能滿足對(duì)微結(jié)構(gòu)的形狀和橫截面提出的高的精度要求并保證光學(xué)分析測(cè)量技術(shù)的改進(jìn)的條件。整體結(jié)構(gòu)的載體的制法是,在板狀的載體部分之間設(shè)置了一層已處于溶解狀態(tài)的待粘接層,該層的材料成分與載體部分的材料成分類同,且其層厚比微結(jié)構(gòu)空腔的寬度和深度尺寸小得多。該裝置作為分析儀器主要用于醫(yī)學(xué)、生物工程和藥物學(xué)。
文檔編號(hào)G01N37/00GK1275202SQ99801402
公開(kāi)日2000年11月29日 申請(qǐng)日期1999年8月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月19日
發(fā)明者W·迪茨, H·布盧姆, H·貝克爾, L·馬勒, P·丹恩伯格, H·凱斯林, A·布勞爾 申請(qǐng)人:詹諾普蒂克股份公司, 弗蘭霍菲爾運(yùn)輸應(yīng)用研究公司