專利名稱：由兩塊板構(gòu)成的流體容器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由結(jié)構(gòu)化板(structured plate)和蓋板構(gòu)成的具有微通道的微型化流體容器以及一種用于制造這種容器的方法。
背景技術(shù)：
在越來越多的任務(wù)中用到微型化流體容器，在藥物、化學(xué)物質(zhì)或生化樣品的分析當(dāng)中尤其如此。生產(chǎn)這種容器的典型方式為將所需結(jié)構(gòu)例如微通道蝕刻到板中，并將所述結(jié)構(gòu)化板與平坦蓋板放置在一起。
例如，在WO 01/54810A1中對這種方法進(jìn)行了描述，其中蓋板涂有熱膠(thermoglue)，在將蓋板和結(jié)構(gòu)化板放置在一起之后使所述熱膠固化。這種方法的兩個(gè)主要缺點(diǎn)在于，由于部件和膠厚度的偏差，對通道高度的控制不佳；以及內(nèi)通道表面上的熱負(fù)載可能會破壞裝置工作所需的某些(生物)化學(xué)處理。還可能將膠擠入微通道內(nèi)，或者由于過程控制不良而產(chǎn)生局部的空隙。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于這種情況，本發(fā)明的目的是提供一種具有微通道的可再現(xiàn)的一定尺度的微型化流體容器和制造其的簡單方法。
該目的是通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型化流體容器和根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法實(shí)現(xiàn)的。在從屬權(quán)利要求中公開了優(yōu)選實(shí)施例。
根據(jù)其第一方面，本發(fā)明涉及一種微型化流體容器，其中術(shù)語“微型化”是指這樣的情況容器結(jié)構(gòu)(尤其是其微通道)的尺度在1到1000μm的范圍內(nèi)，優(yōu)選在10到100μm的范圍內(nèi)。或者，可以說將微型化流體容器設(shè)計(jì)成處理體積通常為100nl到1ml的樣品。該流體容器包括以下部件
a)所謂的“結(jié)構(gòu)化板”，其特征在于從該板的一側(cè)(優(yōu)選以大約90°的角)突出的至少兩個(gè)相鄰的脊，其中所述脊的頂部處于相同的高度，即，處在與結(jié)構(gòu)化板的主平面平行的同一平面內(nèi)。此外，所述脊構(gòu)成流體容器的微通道的兩個(gè)邊界，其中微通道通常為更大的微通道系統(tǒng)和其他空腔的一部分。
應(yīng)該注意的是，要在局部的基礎(chǔ)上來理解“相鄰脊”的上述特征，即，所述至少兩個(gè)脊實(shí)際上可以是形成環(huán)路的一個(gè)長的連續(xù)脊的一部分。
b)“蓋板”，例如通過粘結(jié)將所述蓋板附著到所述結(jié)構(gòu)化板，并且該蓋板在所述至少兩個(gè)脊的頂部與它們接觸，其中頂部和蓋板之間的接觸區(qū)優(yōu)選埋入密封材料中。蓋板與結(jié)構(gòu)化板接觸的一側(cè)尤其可以是平坦的(完全地或者至少在接觸區(qū)中是平坦的)。此外，蓋板可以直接接觸所述脊的頂部，任選的密封材料圍繞在接觸區(qū)周圍，或者，在蓋板和頂部之間可以有(一小段)距離，該距離被任選的密封材料填充。例如，結(jié)構(gòu)化板和/或蓋板可以由玻璃、硅或適當(dāng)?shù)木酆衔镏瞥伞?br> 在上述流體容器中，微通道是以終止于同一高度的相對較窄的脊為邊界。這確保了是在脊的頂部支撐蓋板，而不是在距微通道某一距離的或多或少隨機(jī)分布的點(diǎn)處支撐蓋板。此外，脊本身非常適于進(jìn)行超聲波焊接，其中在磨擦點(diǎn)，即結(jié)構(gòu)化板和蓋板之間的接觸區(qū)，振動能被轉(zhuǎn)換為熱。在這種情況下，無需加熱周圍區(qū)域脊材料即可局部地熔化，而且不需要膠。如果施加密封材料，將頂部和蓋板之間的接觸區(qū)埋入所述材料中保證了微通道的緊密封閉，所述微通道具有確定的尺度，尤其具有由脊的高度確定的高度。所述板還可以具有集成的有源元件，用于流體的操控和檢測。
原則上，脊可以具有任何的形狀或截面，例如矩形、梯形、半圓形等。優(yōu)選地，脊的寬度(或者更一般地，在脊具有寬度不均勻的截面時(shí)為平均寬度)與脊的長度(從相關(guān)微通道的底部到脊的頂部所測得的長度)之比在0.1∶1到1∶0.1的范圍內(nèi)。換言之，脊的寬度相應(yīng)地在其高度的0.1和10倍之間，更優(yōu)選在其高度的0.3和3倍之間。
對于尖的錐形脊而言，頂部相當(dāng)于線。然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，脊的頂部是平坦的，例如具有窄條的形式。所述頂部的寬度(沿著相關(guān)微通道相對于脊的延伸橫向地測量)通常在脊的平均寬度的大約0.1到1倍的范圍內(nèi)。具有平坦頂部的脊更容易以精確的高度生產(chǎn)且提供更大更好的與蓋板的接觸區(qū)。
任選的密封材料的目的是埋入脊和蓋板之間的接觸區(qū)，從而補(bǔ)償其中任何的表面不規(guī)則并密封連接。為了實(shí)現(xiàn)這些目的，密封材料在制造期間優(yōu)選具有柔軟的(例如液體或塑料)稠度(consistency)，從而其可以容易地適應(yīng)脊和蓋板的形狀。在優(yōu)選實(shí)施例中，密封材料為膠，其密封連接，并同時(shí)在固化時(shí)將結(jié)構(gòu)化板固定到蓋板。為此目的可以施加多種膠，從PSA(壓敏粘合劑)、熱塑材料，到交聯(lián)材料，例如環(huán)氧樹脂或丙烯酸酯，可以通過照射或加熱或在混合時(shí)將其固化。可紫外固化的丙烯酸酯的優(yōu)點(diǎn)在于，可以在任一點(diǎn)及時(shí)地啟動固化反應(yīng)，并且以這種方法使膠和組件的施加不受化學(xué)反應(yīng)的影響。
為了提供或改善蓋板到結(jié)構(gòu)化板的附著，可以用膠部分地或完全地填充板間的剩余空腔。
根據(jù)流體容器的優(yōu)選實(shí)施例，結(jié)構(gòu)化板和/或蓋板包括至少一個(gè)開口，該開口直接或間接地通到由脊限定的微通道。
本發(fā)明還涉及一種制造微型化流體容器，尤其是上述種類的流體容器的方法。該方法包括如下步驟a)制備結(jié)構(gòu)化板，所述結(jié)構(gòu)化板具有至少兩個(gè)相鄰的脊，所述脊從該板的一側(cè)突出，其頂部處于同樣的高度，且所述脊形成在它們之間的微通道或作為該微通道的邊界。
b)提供蓋板，其例如可以只是平坦的，或者可以是結(jié)構(gòu)化的。
c)將結(jié)構(gòu)化板和蓋板放置在一起，使得脊的頂部接觸蓋板。在這種狀態(tài)下，例如通過超聲波焊接還可以使兩塊板永久地彼此相連。
上述方法允許生產(chǎn)上述種類的流體容器。因此參考前面對所述容器進(jìn)行的說明以獲得更多的關(guān)于所述方法、其改進(jìn)和優(yōu)點(diǎn)的信息。
根據(jù)該方法的優(yōu)選實(shí)施例，在步驟c)之前向結(jié)構(gòu)化板的脊的頂部和/或蓋板的一側(cè)施加密封材料(例如液體膠)。密封材料優(yōu)選在施加期間具有柔軟的稠度且在步驟c)之后固化。然后密封材料(僅)埋住兩塊板之間的接觸區(qū)。
可以通過任何適當(dāng)?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)向脊的頂部施加密封材料。優(yōu)選地，通過將脊的頂部浸入到液體密封材料層中來使脊的頂部具有密封材料。所述層可以是更深的密封材料池的表面，或者是分布在載體的平坦表面上的相對較薄的液體密封材料層。后一種選擇具有以下優(yōu)點(diǎn)可以通過載體上的層厚度容易地控制浸入深度，從而防止密封材料過度浸潤結(jié)構(gòu)化板。
根據(jù)該方法的進(jìn)一步發(fā)展，通過毛細(xì)管力利用膠填充在步驟b)中將結(jié)構(gòu)化板和蓋板放置在一起之后仍保留在其間的至少一個(gè)空腔。所述膠可以提供或者至少加強(qiáng)結(jié)構(gòu)化板和蓋板之間所需的連接。由于結(jié)構(gòu)化板中的微通道被脊上的蓋板和密封材料緊密地封閉，因此防止多余的膠不利地散布到微通道中。


在下文中，借助附圖以舉例的方式對本發(fā)明進(jìn)行說明，附圖中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的流體容器的制造的第一步驟，即將結(jié)構(gòu)化板浸入膠中；圖2和3示出第二步驟，即組裝結(jié)構(gòu)化板和蓋板；圖4示出第三步驟，將多余的膠散布在流體容器的空腔中。
具體實(shí)施例方式
從電子冷卻到生物傳感器，許多領(lǐng)域都對微流體裝置有極大的興趣。通常，通過在一個(gè)基板(例如硅、玻璃或塑料)中形成溝槽并用平坦蓋板覆蓋該結(jié)構(gòu)化基板來制造所述裝置的微通道。對于微小通道而言，具有很高的通道精確度是至關(guān)重要的(因?yàn)榱髯枧c通道高度的四次方成比例)，通道的精確度不僅由基板的結(jié)構(gòu)化決定，而且還由蓋的結(jié)合過程決定。
基本上，可以使用多種技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，或者是直接結(jié)合或者是間接結(jié)合，直接結(jié)合意味著蓋和基板直接粘合，在間接結(jié)合中使用額外的“膠”層實(shí)現(xiàn)結(jié)合。直接技術(shù)在可能的材料組合上受到限制。為了獲得低成本裝置，基板通常由塑料制成。
塑料直接結(jié)合只能通過熱過程實(shí)現(xiàn)，其中必須要局部地熔化材料以實(shí)現(xiàn)良好的接觸和足夠的強(qiáng)度?？梢酝ㄟ^熱表面、輻射、超聲波、或激光輻射的吸收來提供用于熔化的能量。僅能利用熱塑材料實(shí)現(xiàn)熔化，不包括交聯(lián)材料。局部地熔化微通道的表面破壞了在結(jié)合之前進(jìn)行的任何表面處理。熔化總是伴隨有變形，而且由于在所加負(fù)載下的蠕變(creep)或從模制中恢復(fù)，基板中會存在應(yīng)力。熱結(jié)合總是需要壓力以確保良好的接觸。在實(shí)踐中，由于結(jié)構(gòu)化基板的高度和平坦度的容差小，很難局部地控制壓力，并且局部壓力取決于接觸面積，而接觸面積還取決于通道布局。
間接結(jié)合需要結(jié)構(gòu)化基板和蓋之間的膠層。膠的厚度增大了通道高度，必須小心地對其進(jìn)行控制。膠材料與通道內(nèi)部接觸，通過這種方式影響流動行為，并且可以在化學(xué)上干擾通道內(nèi)部的液體。流動行為受到機(jī)械和物理表面特性例如粗糙度和浸潤行為的影響。這限制了用于關(guān)鍵性應(yīng)用例如生物傳感器盒的可能材料的數(shù)量和應(yīng)用技術(shù)。
盡管膠間接結(jié)合對于基于聚合物的流體系統(tǒng)而言是最有吸引力的技術(shù)，但是需要解決如下問題，一方面是膠滲透到通道中，另一方面是接觸表面的不完全浸潤(在通道周圍產(chǎn)生毛細(xì)管)。需要使膠和通道壁的接觸面積最小化。這里所公開的方法提供了完美的通道密封，膠在通道內(nèi)的暴露達(dá)到絕對的可控制的最小化。密封質(zhì)量與通道布局和微流體系統(tǒng)的尺寸無關(guān)。在結(jié)合期間不需要施加力。由于接觸面積小，膠的收縮不會導(dǎo)致組件的翹曲。由于該應(yīng)用方法自身是穩(wěn)定的，因此能夠?qū)崿F(xiàn)合理的部件容差。
圖1示出根據(jù)本發(fā)明的微型化流體容器的制造的第一步驟。該圖示意性地示出結(jié)構(gòu)化板10的一小部分的側(cè)視截面，該結(jié)構(gòu)化板10例如可以由透明聚合物基板構(gòu)成。在板10的下側(cè)，通過本領(lǐng)域公知的方式提供所需的結(jié)構(gòu)。從流體容器的功能部件的角度，在截面中示出兩個(gè)高度不同的微通道11和12。盡管通常將這種微通道蝕刻或機(jī)加工成平坦表面，但是微通道11、12至少部分地以從結(jié)構(gòu)化板10的下側(cè)垂直突出的脊13、14為邊界。在所示的實(shí)例中，脊13、14具有梯形截面，底部寬而頂部窄，其中所有脊的頂部15、16都是平坦的且處于同一高度(即，在一個(gè)平面中)。在這里所示的情況下，脊的平均寬度d大致與它們的高度h相同，典型值為d＝h＝70μm。通常，比值d∶h可以在0.1到10的范圍內(nèi)。
例如，可以通過直接對通道板進(jìn)行微加工，或者通過然后由模制或壓紋技術(shù)復(fù)制的模板來制造脊13、14。用于制造這種模板的優(yōu)選技術(shù)是所謂的LIGA(光刻、微電鑄、微成型(Lithographie，Galvanoformung，Abformung))工藝，由如下步驟組成對基板上的抗蝕劑材料進(jìn)行光刻結(jié)構(gòu)化，通過電鍍在Ni墊片中復(fù)制該結(jié)構(gòu)，以及使用該Ni墊片作為模型插入物以對聚合物進(jìn)行(注入)模制。作為Ni墊片的替代品，還可以使用深蝕刻的硅或玻璃。
圖1還示出被液體膠的薄層31覆蓋的載體30。如箭頭所示，將結(jié)構(gòu)化板10浸入到所述膠層31中以便利用數(shù)量受到控制的膠32覆蓋脊13、14的頂部15、16(參考圖2)。膠的量取決于頂部的寬度、膠的粘度和浸入深度。
如可以從圖2和3所看出的那樣，然后將結(jié)構(gòu)化板10與平坦蓋板20放置在一起，所述蓋板20例如可以由與結(jié)構(gòu)化板10相同的材料構(gòu)成。蓋板20可以是非結(jié)構(gòu)化的，或者可以包含與表面對準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，以在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)與脊的接觸。脊13、14的頂部15、16與蓋板20的內(nèi)表面(直接)接觸，根據(jù)蓋板20的浸潤行為分布膠32。在均衡之后，通過照射或熱量使膠固化，以在板10、20之間提供牢固的結(jié)合。
如果在結(jié)構(gòu)化板10上微通道11、12之間有大的水平距離，則可能會相應(yīng)地形成板10、20之間的大的未連接區(qū)域。為了改善結(jié)合，在這種情況下可以在結(jié)構(gòu)化板10上提供額外的脊，其中這些“偽脊”無需作為微通道的邊界，只是為了穩(wěn)定性。
圖4示出另一個(gè)步驟，可以任選地執(zhí)行該步驟以改善結(jié)構(gòu)化板10和蓋板20之間的結(jié)合。在該步驟中，利用膠33填充在所獲得的流體容器中不起作用的空閑空間或空腔?？梢酝ㄟ^在流體容器的開放邊緣處從噴嘴34施加所述膠33而容易地實(shí)現(xiàn)其的分布，從該邊緣膠33被毛細(xì)管力驅(qū)動而分散在蓋板20和結(jié)構(gòu)化板10之間。適于該目的的膠需要具有低粘度(10-10000mPa)，以實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管流動，并且它們應(yīng)當(dāng)在室溫下固化，以避免破壞傳感器中的生物材料。氰基-丙烯酸酯、丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂和硅樹脂是該應(yīng)用的合適候選者。兩塊板10、20之間的間隙應(yīng)當(dāng)足夠小(大約0.015-0.5mm)，以通過毛細(xì)管力實(shí)現(xiàn)粘合劑流動。
在未連接到流體容器的邊緣的空腔中，可以通過蓋板20或結(jié)構(gòu)化板10中的孔(未示出)施加膠33。由于脊13、14和蓋板20之間的連接被第一膠32緊密地密封，額外的膠33不能進(jìn)入到微通道11、12中，并且不可能在其中造成不利影響。
上述方法適用于各種材料組合與通道形狀，且已經(jīng)成功地進(jìn)行過試驗(yàn)測試。在這種試驗(yàn)中，例如，從注射成型的聚烯烴(Zeonex 48 R)結(jié)構(gòu)和傳遞成型的環(huán)氧樹脂基板根據(jù)所提出的方法制造微流體通道裝置。在硅晶片上旋涂厚度為8μm的膠層(具有引發(fā)劑Irgacure的丙烯酸酯混合物)。在利用氧等離子體進(jìn)行處理之后，將Zeonex結(jié)構(gòu)浸入該膠層中，然后將其轉(zhuǎn)移到環(huán)氧樹脂基板，在該環(huán)氧樹脂基板處在不用力的情況下施加所述Zeonex結(jié)構(gòu)并通過紫外光照射使膠固化。類似地，從玻璃基板上的模板利用用于粘合的同一樹脂通過UV復(fù)制獲得通道結(jié)構(gòu)。通過同樣的方法成功地將這些結(jié)構(gòu)化樣品結(jié)合到用氨基硅烷(A1120)處理過的玻璃基板。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，可以通過旋涂將膠施加在蓋板上，此后將具有脊的結(jié)構(gòu)化板施加在靜止的液體膠層中。通過這種方式也避免了通道溢出。這種方法對于蓋板不含功能元件的應(yīng)用是有用的，所述功能元件將被膠層破壞。在這種情況下，在封閉該系統(tǒng)之后，例如為了生物學(xué)相互作用需要對通道壁進(jìn)行特殊處理。
上述結(jié)合工藝的周期時(shí)間短，使其適于產(chǎn)業(yè)化。該工藝中的第一步涉及兩個(gè)部件的拾取、對準(zhǔn)和放置，這將耗時(shí)約1到5s。在下一步中，例如通過自動分散(dispensing)施加粘合劑，這耗時(shí)約0.5到2s。粘合劑將立即開始流動，并將在大約5s之內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全填充。氰基丙烯酸酯粘合劑在室溫下于數(shù)秒內(nèi)固化而無需任何附加設(shè)備。光固化粘合劑也在數(shù)秒內(nèi)固化，但需要光源。
結(jié)構(gòu)化板10和/或蓋板20可以包括出現(xiàn)在微通道11、12內(nèi)部的開口或孔(未示出)，以便為裝填或分散提供來自外部的通路。
上述方法實(shí)現(xiàn)了流體容器的可靠而堅(jiān)固的組裝而與流體布局無關(guān)。它們對于所有微流體應(yīng)用都很重要，例如就地診斷裝置、生物傳感器、氣體傳感器、電子器件和光源的冷卻、芯片上試驗(yàn)室、尤其是那些使用塑料通道材料的應(yīng)用。
最后要指出，在本申請中，術(shù)語“包括”并不排除其他元件或步驟，“一個(gè)”并不排除多個(gè)，并且單個(gè)處理器或其他單元可以完成幾個(gè)裝置的功能。本發(fā)明體現(xiàn)在每個(gè)新穎的特征以及特征的每種組合之中。此外，權(quán)利要求書中的附圖標(biāo)記不應(yīng)被視為是對權(quán)利要求的保護(hù)范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種微型化流體容器，包括a)結(jié)構(gòu)化板(10)，具有至少兩個(gè)相鄰的脊(13、14)，所述脊從該板的一側(cè)突出，其頂部(15、16)處于同一高度(h)，并且所述脊限定其間的微通道(11、12)；b)蓋板(20)，附著到所述結(jié)構(gòu)化板(10)且與所述至少兩個(gè)脊(13、14)在其頂部(15、16)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體容器，其特征在于所述蓋板(20)和所述頂部(15、16)之間的接觸區(qū)埋入在密封材料中，優(yōu)選埋入在膠(32)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體容器，其特征在于所述脊(13、14)的平均寬度(d)為其平均高度(h)的0.1到10倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體容器，其特征在于所述脊(13、14)的所述頂部(15、16)是平坦的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的流體容器，其特征在于所述脊(13、14)的所述頂部(15、16)的寬度大約為所述脊的所述平均寬度的10％到100％。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體容器，其特征在于所述蓋板(20)接觸所述結(jié)構(gòu)化板(10)的表面在所述接觸區(qū)中基本是平坦的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體容器，其特征在于所述結(jié)構(gòu)化板(10)和所述蓋板(20)之間的至少一個(gè)空腔被膠(33)填充。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體容器，其特征在于所述結(jié)構(gòu)化板(10)和/或所述蓋板(20)包括至少一個(gè)通到所述微通道(11、12)的開口。
9.一種制造微型化流體容器的方法，包括以下步驟a)制備結(jié)構(gòu)化板(10)，所述結(jié)構(gòu)化板具有至少兩個(gè)相鄰的脊(13、14)，所述脊從該板的一側(cè)突出，其頂部(15、16)處于同一高度(h)，并且所述脊限定其間的微通道(11、12)；b)提供蓋板(20)；c)組裝所述結(jié)構(gòu)化板(10)和所述蓋板(20)，使得所述脊的所述頂部(15、16)接觸所述蓋板(20)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于將密封材料(32)施加到所述結(jié)構(gòu)化板(10)的所述脊的所述頂部(15、16)和/或所述蓋板(20)的一側(cè)，其中將密封材料(32)施加到所述結(jié)構(gòu)化板(10)的所述脊的所述頂部(15、16)是優(yōu)選通過將其浸入到液體密封材料層(31)中來完成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于通過毛細(xì)管力利用膠(33)填充所述結(jié)構(gòu)化板(10)和所述蓋板(20)之間的至少一個(gè)空腔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型化流體容器，其具有以脊(13、14)為邊界的微通道(11、12)，其中所述脊(13、14)的頂部粘合到蓋板(20)?？梢酝ㄟ^在微通道(11、12)之間的空腔中分布膠(33)來實(shí)現(xiàn)額外的穩(wěn)定性，所述膠的散布是由毛細(xì)管力來驅(qū)動的。
文檔編號B29C65/52GK101048338SQ200580036775
公開日2007年10月3日 申請日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月27日
發(fā)明者賴因霍爾德·溫貝格爾-弗里德爾, 克里斯蒂亞尼·德維茨, E.·A.·W.·揚(yáng)森, 伯納德斯·雅各布斯·約翰內(nèi)斯·范耶塞爾, 巴爾特·范尼內(nèi)恩, 馬里納斯·伯納德斯·奧爾德里克因克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司