專利名稱：基于二維基板的三維結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流器件，該微流器件包括層疊結(jié)構(gòu)或構(gòu)造(在下文中，這兩個術(shù)語將用為同義詞)，本發(fā)明還涉及一種用于制造該微流器件的方法。
背景技術(shù)：
除了普通的平面或二維微流器件，還已知包括至少一個層的多層微流器件，該至少一個層具有流體通路或槽道或者流體結(jié)構(gòu)。這些多層器件或各個層通過公知技術(shù)來制造，例如蝕刻、注射模制、沖壓、切割等。
例如，WO 01/25137提出制造模塊式三維微流器件，該微流器件使用多層，大多數(shù)層通過蝕刻工藝(例如由光刻法可知)來制造和處理。在該所提出的器件中，流體槽道布置在多個層中，這些槽道在各層之間相互連接，從而形成三維流體網(wǎng)絡(luò)。
WO 99/19717或U S6827906分別提出了制造包含微結(jié)構(gòu)陣列的三維微流器件。通過微槽道來輸送流體是利用電滲流或通過電泳來實現(xiàn)。該微流器件是多層陣列，各層由一種從滾筒上連續(xù)拉出的層疊物形成，并通過處理步驟來產(chǎn)生開口、儲槽、流動槽道等。
而且，EP1542010還記載了一種分析芯片單元，它包括多個層，流動槽道延伸通過這些層。使得流體樣品流過該流動槽道(該流動槽道的截面為封閉形狀)，以便根據(jù)預(yù)定物質(zhì)與特定物質(zhì)之間的相互作用來對該流體樣品進行分析，該特定物質(zhì)布置成面對著所述流動槽道。該芯片還具有安裝在所述流動槽道上的凸出部件。因此，利用EP1542010的布置能夠非常精確且高效地分析流體樣品。
這些已知的三維微結(jié)構(gòu)和用于制造這些三維微結(jié)構(gòu)的方法的缺點在于，它們只能通過使用各種二維基板層或通過復(fù)雜處理(例如若干蝕刻工藝)而獲得。換句話說，這些已知的三維微結(jié)構(gòu)的制造成本很高。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種由簡單構(gòu)造或結(jié)構(gòu)構(gòu)成的三維微流結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一目的是一種制造用于微流器件的三維微結(jié)構(gòu)的方法，通過該方法，能夠以低成本來獲得三維結(jié)構(gòu)。
在第一方面，本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求1所述的用于制造微流器件的方法。
本發(fā)明的用于制造微流器件(該微流器件包括由各層疊層制成的層疊結(jié)構(gòu)或構(gòu)造)的方法的特征在于為了在優(yōu)選為平面二維層中形成包括三維結(jié)構(gòu)的至少一個層，通過蝕刻、沖壓、切割、激光切割、輥軋切割或通過任意其它合適方法來制成特定二維圖形或二維結(jié)構(gòu)，隨后進行機械和/或熱成形步驟，以便形成與該二維圖形或二維結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選是該基礎(chǔ)二維層由各向異性基板材料構(gòu)成，用于產(chǎn)生該三維結(jié)構(gòu)的該圖形通過合適方法(例如沖壓、切割或蝕刻等)形成在該基板材料上，隨后通過施加力對該基板進行成形，使得該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)圖形被迫使出到該二維基板外，以便形成該三維結(jié)構(gòu)。
該三維結(jié)構(gòu)的形成能夠以機械或熱方法或者通過其它合適方法而獲得。
該二維基板的各向異性(意思是特性依賴于方向)必須為這樣，即，在成形之后，在該基板上最初形成的該基礎(chǔ)圖形被迫使沿著該方向出到該平面外，使得該三維結(jié)構(gòu)影響在該至少一層(該層布置成靠近該另外的層)中的微流槽道。
在第二方面，本發(fā)明涉及一種如權(quán)利要求5所述的微流器件。
本發(fā)明的微流器件包括一種多層層疊結(jié)構(gòu)或構(gòu)造，它包括多個層，這些層中的至少一個層包括微流槽道結(jié)構(gòu)或微流槽道，且所述層的至少一側(cè)有另外的層，該另外的層包括所謂的三維結(jié)構(gòu)，該三維結(jié)構(gòu)影響在該至少一個層中的微流槽道或結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動特性。
包括該三維結(jié)構(gòu)的層由包括各向異性材料的基礎(chǔ)二維層得到。
根據(jù)一種可能設(shè)計，本發(fā)明的微流器件包括至少四層，諸如底層、包含該三維結(jié)構(gòu)的該另外的層、包括該微流槽道結(jié)構(gòu)或構(gòu)造的該至少一個層、以及頂層，該底層和/或該頂層包含至少一個進口開口和一個出口開口。
本發(fā)明微流器件的其它優(yōu)選設(shè)計在從屬權(quán)利要求中確定。
根據(jù)本發(fā)明的一個可能示例，所使用的基板材料可以在其兩側(cè)或表面上具有不同的彈性模量、彎曲強度或熱拉伸系數(shù)。但是也可以是所使用的基板材料在其兩側(cè)具有在其它方面不相同的物理特性，例如不同的導(dǎo)熱系數(shù)，這能夠通過施加熱量而導(dǎo)致不同的熱成形。
還可以使用在兩側(cè)具有不同導(dǎo)電特性的材料，這樣，通過施加電流，在基板的兩側(cè)獲得不同加熱，這也能夠?qū)е虏煌臒岢尚巍?br> 根據(jù)本發(fā)明的還一可選方式，對于包括該微結(jié)構(gòu)的該至少一個另外的層，可以使用具有至少稍微增大厚度的一層基板材料。在該具有稍微增大厚度的該另外的層中，能夠通過沖壓、切割、蝕刻、激光切割等而產(chǎn)生三維圖形，包括孔、槽道等。該另外的層的三維特征通過該另外的層的該至少稍微增大的厚度以及相應(yīng)的圖形狀結(jié)構(gòu)而獲得。
本發(fā)明方法的其它實施例由從屬權(quán)利要求示例說明。


下面將通過示例來更詳細地介紹本發(fā)明，這些示例將在附圖中表示。附圖中圖1示意表示了要通過層疊而進行組合的四層，用于制造本發(fā)明示例的微流器件；圖2示意表示了圖1的各層的層疊，用于制造該微流器件；圖3示意表示了通過變形來制造三維微結(jié)構(gòu)；圖4表示了用于通過變形來制造三維微結(jié)構(gòu)層的還一可能方式；圖5再次表示了用于通過變形來制造三維微結(jié)構(gòu)層的還一可能方式；圖6再次表示了通過變形來制造三維微結(jié)構(gòu)層的還一可能方式；圖7再次表示了通過變形來制造三維微結(jié)構(gòu)層的還一可能方式；圖8表示了三維微結(jié)構(gòu)層的示例；圖9表示了包括圖8的三維微結(jié)構(gòu)的本發(fā)明微流器件的組裝；圖10表示了三維微結(jié)構(gòu)層的還一設(shè)計；圖11再次表示了三維微結(jié)構(gòu)層的還一可能設(shè)計；圖12表示了三維微結(jié)構(gòu)層的還一示例；圖13a表示了計劃作為三維微結(jié)構(gòu)層的還一層，它包括預(yù)定結(jié)構(gòu)的基板，具有例如用于檢測化學(xué)性質(zhì)的點；圖13b表示了圖13a的三維微結(jié)構(gòu)層的擴大部分在成形后的情況；圖14表示了通過切割具有擴大厚度的基板層來制造三維微結(jié)構(gòu)的還一可能方式；圖15表示了基于具有擴大厚度的基板層的還一三維微結(jié)構(gòu)；以及圖16表示了具有具有擴大厚度的基板層的三維微結(jié)構(gòu)的還一示例。
具體實施例方式
圖1示意表示了由例如四個不同層構(gòu)成的微流器件結(jié)構(gòu)的可能示例，該四個層諸如有層1，該層1它包括微流槽道結(jié)構(gòu)3，例如樣品流體沿該微流槽道結(jié)構(gòu)3而流過各種截面、隔腔、儲槽等，以便以預(yù)定方式進行處理。緊接在具有微流槽道的層1之后示出了另一層11，該層11包括三維微結(jié)構(gòu)13。該微結(jié)構(gòu)13的這些面外(out of plane)延伸部分各自影響經(jīng)過層1內(nèi)的微槽道3的流體樣品的流動特征，以便保證例如該流體樣品在流過槽道3時合適混合、使流體內(nèi)的固體組分溶解、影響流阻等。
最后，在這兩層1和11的兩側(cè)上布置有頂層31和底層21，以便在兩側(cè)上完成該微流器件。在頂層31中提供有進口開口33和出口開口35，用于注入樣品以及用于收集最終經(jīng)處理、反應(yīng)和/或分析的測試樣品。
在圖2中示意表示了這四層1、11、21和31怎樣能夠例如通過層疊各層而進行組合。
根據(jù)本發(fā)明方法，該三維結(jié)構(gòu)可以首先獨立于包括微流槽道的該器件而由合適的二維基板(例如薄膜或金屬板)制造，然后與其它層組合，以便形成所述微流器件。當(dāng)然，該三維結(jié)構(gòu)優(yōu)選是根據(jù)微流槽道的設(shè)計來制造。下面將參考其它附圖詳細介紹用于構(gòu)成和形成該基板以便制造該三維結(jié)構(gòu)的可能方法。所有方法的共同點是，首先通過使用合適方法來構(gòu)造該平面二維基板，以便產(chǎn)生該微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)形式。然后，根據(jù)一種可能方法，將該基板成形為使得該結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)圖形被迫使出到該二維基板外，以便獲得該三維結(jié)構(gòu)。為了構(gòu)成該基板，各種已知方法都合適，例如蝕刻、激光切割、常規(guī)切割、沖壓、通過使用切割輥的微結(jié)構(gòu)切割等。該二維結(jié)構(gòu)的變形可以通過機械或熱方式來進行，或者通過使用其它合適方法?；旧?，優(yōu)選是使用平面基板，該平面基板可以有各向異性的取決于方向的特性，這些特性是指形成方向力的特性，該方向力優(yōu)選是垂直于基板平面，以便于該平面基板中的結(jié)構(gòu)圖形的面外變形。優(yōu)選是，該基板中的各向異性是這樣，即通過施加相應(yīng)的力，最終朝著該二維基板的相同側(cè)壓迫該預(yù)先構(gòu)造的圖形。
一種可能的變形技術(shù)是機械成形，該機械成形將參考后面的圖3至7表示。圖3a表示了平面二維基板11，其中，各結(jié)構(gòu)圖形12通過合適方法(例如切割)來產(chǎn)生。通過施加變形力，將該預(yù)定結(jié)構(gòu)的圖形12迫出到該平面11′外，以便產(chǎn)生如圖3b中所示的凸出部分13。該變形例如可以通過該平面11的簡單彎曲運動、通過將該基板11壓在輥或邊緣上、或者通過施加變形力等來實現(xiàn)。
類似地，可以從圖4a和5a中所示的各平面二維基板11出發(fā)通過機械變形來獲得如圖4b和圖5b中所示的三維結(jié)構(gòu)11′。
機械變形還用于獲得如圖6b和7b所示的三維結(jié)構(gòu)，其中，不是施加彎曲力或變形力，而是可以根據(jù)圖6b中所示的兩個箭頭K施加伸長擴張力。該三維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)還是平面二維基板11，在該基板11中產(chǎn)生各自的結(jié)構(gòu)12，如圖6a和7a中所示。當(dāng)然，可以代替拉伸力，而再次施加彎曲力，這特別能夠用于制造圖7b的該三維結(jié)構(gòu)。
圖8中表示了一個三維結(jié)構(gòu)示例的透視圖，其中，在基板11′上形成各微結(jié)構(gòu)13。
圖9表示了與圖1和2中所示器件相對應(yīng)的微流器件的實施例的組裝。用于該微流器件的基礎(chǔ)還是一個類似于層1的平面二維板，微流槽道結(jié)構(gòu)3布置在該平面二維板中。微流槽道結(jié)構(gòu)包括各種槽道、儲槽、混合區(qū)域等。為了影響沿槽道通路3流動的樣品在另一層15中的流動，還布置了三維微結(jié)構(gòu)13，該三維微結(jié)構(gòu)13能夠通過插入基板11′而引入該層15中，該基板11′包括如圖8中所示的三維微結(jié)構(gòu)13。最后，圖9的微流器件包括底層21和頂層31，該頂層31包括進口開口35和出口開口33。當(dāng)然，可以不是只有一個三維結(jié)構(gòu)層11′，另一三維結(jié)構(gòu)層也可以布置在該層15上，以便影響流體樣品沿該槽道或流動通路3的流動。
可以不是使平面二維基板11通過機械或熱方式進行成形以獲得三維微結(jié)構(gòu)，而是可以通過利用專用工具(例如成形工具)來處理平面該基板11的一側(cè)面，以獲得如圖10和11中示意性示出的成形結(jié)構(gòu)17和18，從而制成三維結(jié)構(gòu)。在圖10中表示了斜槽17，而在圖11中表示了斷開的橫向槽18。這些槽之間的距離可以是例如10-100μm，槽的深度可以是例如30μm。通常，在圖11中的槽的角度可以是例如45°。
也有可能具有所謂的柱陣列19來代替這些槽，如圖12中示意所示。這些柱陣列可以例如通過按照光刻法工藝的蝕刻而制造。在各柱19之間的距離可以是例如200μm，柱的直徑可以是例如100μm，各柱的高度可以是例如50μm。
參考圖1至12的所示結(jié)構(gòu)通常用于微流器件。優(yōu)選是，這些三維微結(jié)構(gòu)用于具有層狀結(jié)構(gòu)的器件中，該層狀結(jié)構(gòu)的意思是器件具有多層。如參考圖1、2和9所述，這些器件包括作為底層的基礎(chǔ)、頂層、具有微流通路的一層或多層、以及具有本發(fā)明所述三維結(jié)構(gòu)的一層或多層。
優(yōu)選是，本發(fā)明的器件用作-混合結(jié)構(gòu)，例如所謂的魚脊形，用于使樣品液體與一種或多種溶劑和/或試劑均勻混合，或者用于使兩種或更多組分混合，或者用于迫使該樣品液體具有特定流量，或者用于改變槽道中的流阻。
-溶解結(jié)構(gòu)，該溶解結(jié)構(gòu)是能夠在與樣品液體流動方向相垂直的方向上進行物質(zhì)傳送的結(jié)構(gòu)，這樣，能夠使得例如粘在微流槽道的槽道底部的干縮組分能夠均勻分布在整個槽道方形截面上。而且，通過使用該三維微結(jié)構(gòu)，通常使得流體槽道中的固體組分能夠更好地由液體樣品溶解，或者在槽道中的干縮組分能夠通過使用溶劑而被潤濕并再次溶解。
-使用該三維微結(jié)構(gòu)的另一效果是分別影響在槽道中運動的流體的流量、流速或流阻，以及實現(xiàn)在該微流槽道中的特定流動剖面。
例如，在槽道中部的干縮組分能夠在沒有危險的情況下通過使用微結(jié)構(gòu)而溶解，受毛細作用的影響，組分將積累在槽道壁上。一旦進行積累，組分將很難從壁上析取，因為在該處的流速減小(由于拋物線形流動剖面)。
溶解結(jié)構(gòu)(例如圖12中所示的柱陣列)能夠促進槽道內(nèi)的干縮組分的溶解，這是因為干縮組分不會以緊湊體積的形式干縮。由于作為柱陣列的微結(jié)構(gòu)，具有干縮組分的溶解區(qū)域提供了用于溶劑的多個基礎(chǔ)點，因此，與沒有結(jié)構(gòu)的情況相比，干縮組分能夠更快溶解。
還一用途是通過產(chǎn)生所謂的微鏡陣列而獲得的微光學(xué)用途，以便在微流槽道中獲得共焦光學(xué)檢測。在這一方面，我們參考圖13a和13b，圖中示意表示了另一專用三維微結(jié)構(gòu)。在圖13a中，在平面基板11上表示了一個三角形結(jié)構(gòu)圖形12，該結(jié)構(gòu)圖形12包括在各三角形峰頂處的檢測點14。通過施加彎曲力或扭轉(zhuǎn)力，將迫使各三角形出到該平面11外，以便產(chǎn)生向上彎曲的三角形狀部分13，該部分13包括在各峰頂處的檢測點14。通過施加特定的照明步驟(例如光束沿特定角度射向該彎曲部分13)，光可以從檢測點14反射，這樣，并不彎曲的部分的背景信號將減小。用于減小不彎曲部分的背景信號的另一方法是僅以共焦方式使檢測光聚焦在彎曲部分上，這意味著焦點之外的所有光都被遮蔽。
通過使該點(例如只是該點的一部分區(qū)域)定位成覆蓋彎曲部分，有效點尺寸(該點的位于彎曲位置上的部分)相比于全部點面積來說是降低了。這能夠產(chǎn)生較小的有效點，而不需要減小該點區(qū)域的總尺寸。
在本發(fā)明中要分析的流體樣品例如可以是所準(zhǔn)備的人體或動物體液，例如血液。
還可以通過使用另外層(該另外層的層厚優(yōu)選是充分大于例如包括微流槽道的層的厚度)來產(chǎn)生三維微結(jié)構(gòu)。具有增大厚度的層的各示例如圖14至16所示。在具有增大厚度的基板41中例如通過使用切割刀來形成結(jié)構(gòu)圖形42，如圖14a中所示。通過沖壓出該所形成的結(jié)構(gòu)件42，將形成在基板層41中的孔49，如圖14b示意所示。以類似方式可形成微結(jié)構(gòu)三維圖形44和46，如圖15和16中示意所示。再有，如圖14至16中所示的基板可以與包含微流槽道的層相組合，以便產(chǎn)生與圖1、2和9中所述類似的微流器件。不用說，圖14-16中所示的結(jié)構(gòu)也能夠影響微流層中的槽道或通路內(nèi)的液體樣品的流動，該微流層布置成緊鄰該三維結(jié)構(gòu)(例如在該三維結(jié)構(gòu)的頂部上)。
本發(fā)明的較大優(yōu)點是微流器件的三維微結(jié)構(gòu)不必以非常精確的方式相對于含有槽道的層相對齊。三維微結(jié)構(gòu)的制造能夠獨立于含有槽道的結(jié)構(gòu)。然后再通過使這兩層交疊而使兩個結(jié)構(gòu)布置在一起。這降低了在最終微流器件的裝配過程中使這兩層對齊的要求。
圖1至16只表示和介紹了三維微結(jié)構(gòu)示例和使用本發(fā)明三維微結(jié)構(gòu)的微流器件示例，其它設(shè)計和其它組合也可以制造微流器件。重要的是，該三維微結(jié)構(gòu)在獨立層中制造，并與其它層組合成微流器件。換句話說，并不需要在一個基板上構(gòu)造多層，例如使用多個蝕刻步驟，如在光刻技術(shù)中所知。而且，并不必須使用多層來獲得該三維結(jié)構(gòu)，而是該三維結(jié)構(gòu)可以通過使用一層并隨后通過例如機械或熱處理(如上所述)來實現(xiàn)。還可以使用具有增大厚度的基板層來獲得該三維結(jié)構(gòu)，而代替機械、熱或化學(xué)處理。
通過使用本發(fā)明方法和本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)，可以以簡單方式獲得三維多功能微結(jié)構(gòu)，而不需要使用掩模來構(gòu)造多層(如本領(lǐng)域中所知)。通過使用所述三維微結(jié)構(gòu)，制造微流器件的制造成本可以更低。而且，根據(jù)流量、流速、微流功能、使用的各種流體樣品、使用的干組分、化學(xué)反應(yīng)等的要求，三維微結(jié)構(gòu)可以根據(jù)微流槽道或結(jié)構(gòu)的功能而分別進行變化。
權(quán)利要求
1.一種用于制造微流器件的方法，該微流器件包括由各層疊層制成的層疊結(jié)構(gòu)，其中為了在優(yōu)選為平面二維層中形成包括三維結(jié)構(gòu)的至少一個層，通過蝕刻、沖壓、切割、激光切割、輥軋切割或通過任意其它合適方法來制成特定圖形或二維結(jié)構(gòu)，隨后進行機械和/或熱成形步驟，以便形成與該二維圖形或二維結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)，其特征在于用于形成該三維結(jié)構(gòu)層的該基礎(chǔ)二維層由各向異性材料構(gòu)成，該二維層通過機械或熱成形來處理，使得該二維圖形或二維結(jié)構(gòu)被迫使出到平面外，以便形成該三維結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該二維層被彎曲、或者被壓在一邊緣上、或者通過施加扭轉(zhuǎn)力而旋轉(zhuǎn)，使得在該二維層中最初形成的該圖形或結(jié)構(gòu)被迫使出到平面外，以便形成該三維結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于包含該三維結(jié)構(gòu)的至少一個層與包含微流槽道結(jié)構(gòu)的層相組合或布置成緊接著該層，使得該三維結(jié)構(gòu)影響流體流經(jīng)該微流槽道的流動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于至少四層組合以便制成該微流器件，這四層包括底層、包括該微流槽道結(jié)構(gòu)的至少一個層、包含該三維結(jié)構(gòu)的至少一個另外的層以及一個頂層，且該底層和/或頂層包含至少一個進口開口和一個出口開口。
5.一種微流器件，包括層疊結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)包括多個層，這些層中的至少一個層包括微流結(jié)構(gòu)或微流槽道，其特征在于所述層的至少一側(cè)布置有一另外的層，該另外的層包括三維結(jié)構(gòu)，使得該三維結(jié)構(gòu)影響流體在該微流槽道內(nèi)的流動特性，該另外的層由二維基板得到，該二維基板包括各向異性層狀材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流器件，其特征在于在該另外的層中的該三維結(jié)構(gòu)可通過對包括各向異性層狀材料的該二維基板進行機械成形或熱成形而獲得。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微流器件，其特征在于包含該三維結(jié)構(gòu)的該另外的層包括至少稍微增大的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任意一項所述的微流器件，其特征在于該器件包括至少四層，諸如底層、包含該三維結(jié)構(gòu)的該另外的層、包括該微流結(jié)構(gòu)的該至少一個層、以及頂層，該底層和/或該頂層包含至少一個進口開口和一個出口開口。
9.根據(jù)權(quán)利要求5、6或8所述的微流器件，其特征在于在該另外的層中的該三維結(jié)構(gòu)可通過向優(yōu)選為平面二維結(jié)構(gòu)層上施加彎曲或扭轉(zhuǎn)力而獲得，該平面二維結(jié)構(gòu)層在其兩側(cè)具有不同的物理和/或熱特性，這樣，通過施加該彎曲力或扭轉(zhuǎn)力，該結(jié)構(gòu)被迫使出到該二維平面外，以便產(chǎn)生該三維結(jié)構(gòu)。
全文摘要
微流器件包括層疊結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)包括多個層。至少一個層(1)包括微流結(jié)構(gòu)或微流槽道(3)，所述層的至少一側(cè)布置有另外的層(11)，該另外的層(11)包括三維結(jié)構(gòu)(13)，使得該三維結(jié)構(gòu)影響流體在微流槽道(3)中的流動特性。
文檔編號G01N30/00GK101037032SQ20071000544
公開日2007年9月19日 申請日期2007年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月9日
發(fā)明者R·桑多茨, C·厄芬豪瑟 申請人:霍夫曼-拉羅奇有限公司