In G. Blankenstein, L. Scampavia, J. Branebjerg, U. D. Larsen ; J.

Ruzicka ; Flow Switch for Analyte Injection and Cell/Particie Sorting in Analytical Methods Instrumentation, Special Issue RTas'96; (1996) 82-84 ist eine mikrosystemtechnische Vorrichtung beschrieben, die über zwei separate Trägerstromeinlässe, einen Probenstromeinlaß, einen alle Ströme aufnehmenden gemeinsamen Strömungsabsclmitt und zwei Auslässe verfiigt. Bei diesem Vorschlag wird über das Strömungsgeschwindigkeits-Verhältnis der beiden Trägerströme der Probenstrom in verschiedene Auslaßkanäle gelenkt. Die Durchflußgeschwindigkeiten in den beiden Trägerströmen sind dort über makroskopische Spritzenpumpen steuerbar. Es sind dort jedoch keine Mittel angegeben, wie die Verhältnisse der beiden Trägerstromgeschwindigkciten zueinander feinstuftg geregelt werden können.

Ein Überblick über die nach dem Stand der Technik gangigen Verfaliren zur Herstellung von Ventilen, regelbaren Drosseln und Pumpen für die Mikrosystemtechnik ist in"S. Shoji, M. Esashi ; Microflow devices and systems in J. Micromech. Microeng ; 4 (1994) 157-171"angegeben. Fast allen bekannten Vorrichtungen ist gemein, daß sie beweglich Teile, wie Membranen oder Lippen, zur Beeinflussung des Fluidstroms benötigen.

Bei elektromagnetischen oder pneumatischen Verfahren erweist sich zudem die Integration eines Transducers als problematisch. Bewegliche Teile weisen grundsätzlich den Nachteil einer höheren Alterungsgeschwindigkeit und einer größeren Störanfälligkeit auf.

Weiterhin sind einige wenige Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die keine beweglichen Teile erfordern und zum Auflbau von Pumpen in Mikrosystemen verwendet werden können. Dazu zählen das elektrohydrodynamische Prinzip [A. Richter, H. Sandmaier ; Electrohydrodynamic pumping and flow measurement in Proc.

IEEE-MEMS Workshop, (1991) 99-104], [S. F. Bart, L. S. Tavrow, M.

Mehrgany, J. H. Lang ; Microfabricated electrohydrodynamic pumps in Sensors Actuators (1990) A21-A23 193-197] und die Elektroosmose [D.

J. Harrison, K. Seiler, A. Manz, Z. Fan ; Chemical analysis and electrophoresis systems integrated on glass and silicon chips ; Digest of IEEE Solid State Sensor and Actuator Workshop; (1992) l 1~l 13. Diese Lösungsansätze sind allerdings nur sehr eingeschränkt zum Aufbau einer regelbaren Drossel oder eines Ventils verwendbar. Zudem benötigen diese Verfahren sehr spezielle Voraussetzungen an die zu pumpende oder zu regulierende Flüssigkeit. Die wichtigsten Voraussetzungen sind z. B. eine extrem geringe Eigenleitfahigkeit (in Falle der Elektrohydrodynamik) oder eine extrem hohe Eigenleitfahigkeit bzw. lonenstärke (im Falle der Elektroosmose). Für auf dem Prinzip der Elektroosmose arbeitende Vorrichtungen gilt zudem die Beschränkung, daß die Funktionsfahigkeit der Vorrichtungen nur gewährleistet ist, wenn Kapillaren mit einem Durchmesser von kleiner als 50 um eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen miniaturisierten Fluidstromschalter anzugeben, der keiner beweglichen Teile bedarf und bei dem keine beschränkenden Voraussetzungen, wie nach dem bekannten Stand der Technik, an die zum Einsatz gelangenden fluidischen Medien bestehen.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachgeordneten Ansprüche erfaßt.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich durch folgende technische Vorteile aus : Sie ist prädestiniert für die Integration in Mikrosysteme, sie kann mittels elektrischer Signale gesteuert und betrieben werden und sie weist keine beweglichen und damit störanfälligen Teile auf.

Das Prinzip des vorgeschlagenen Fluidstromschalters beruht auf der Viskositätsänderung einer Flüssigkeit mit Änderung ihrer Temperatur.

Wird mittels eines elektrischen Widerstandsheizers die Flüssigkeit in vordefinierten Leitungsabschnitten erwarmt, so ändert sich damit ihr hydrodynamischer Widerstand. Bei der elektrokalorischen Fluidsteuerung werden elektrokalorische Drosseln zur Steuerung eines Trägerstroms, mit dem eine Probenflüssigkeit auf verschiedene Kanäle verteilt wird, eingesetzt. Im einfachsten Fall wird die Trägerflüssigkeit in einen Kanal gepumpt, der sich symmetrisch in zwei Kanäle aufteilt. In diese beiden Trägcrstromkanälen ist jeweils ein Abschnitt mit einem gegenüber dem sonstigen Trägerstromkanalquerschnitt verjüngten Kanalquerschnitt vorgesehen, der mit einer regelbaren Heizeinrichtung versehen ist.

Weiterhin sind genannte Trägerstromkanalabschnitte von den übrigen Baugruppen des Fluidstromschalters thermisch isoliert. Die Trägerstromkanäle münden zusammen mit einem Probenkanal in den Kopf einer Verteilerkammer. Die Verteilerkammer ist spiegelsymmetrisch zum Probenkanal ausgebildet. Am Ende der Verteilerkammer sind zumindest zwei Auslaßkanäle vorgesehen. Über eine Ansteuerung der vorgesehenen Heizeinrichtungen wird die Probenflüssigkeit gezielt in einen der vorgesehenen Auslaßkanäle injiziert.

Das Verhältnis der Durchflußgeschwindigkeiten der beiden Trägerströme am Einlaß der Verteilerkammer bestimmt dabei, in welchen der vorgesehenen Auslaßkanäle die Probenflüssigkeit gedrückt wird.

Die Erfindung soll nachstehend anhand schematischer Ausführungs- beispiele näher erläutert werden. Es zeigen : Fig. 1 eine grundsätzliche Ausführungsform eines miniaturisierten Fluidstromschalters mit den wesentlichen Funktionsbaugruppen in Draufsicht und Fig. 2 eine detailliertere Ausfuhrungsform mit weiteren Funktionsbaugruppen in einer Explosionsdarstellung.

Figur l zeigt in Draufsicht ein Substrat S, in das ein Trägerstromkanal 10 eingebracht ist, der symmetrisch in zwei Trägerstromkanälen 11,12 aufgeteilt ist, denen im Beispiel eine Breite von 0, 5 mm und eine Tiefe Hardness, Shore A : > 80 E50 Modulus : > 900 psi E100 Modulus:>1000psi E200 Modulus:>1500psi E300 Modulus : > 2000 psi Ultimate Tensile Strength : > 5000 psi Ultimate Elongation: > 350 % Tear, C : > 500 pli

Also, because it is used in a wet environment, seal 22 is preferably made from a material that is resistant to degradation by water. Therefore, it is preferred that the material not exhibit significant reductions in the aforementioned properties after prolonged exposure to water. An example of a preferred polymer is a polyurethane, such as that sold by Utex Industries under the identifier 50399.

Referring now to Figure 3, the seal 22 of Figure 2 is shown mountee - Schaltstellungen

Es liegt im Rahmen der Erfindung, den Trägerstromkanal 10 in mehr als zwei Kanäle aufzuspalten, die auch unterschiedliche Kanalquerschnitte aufweisen können, wobei zumilldest jedoch jeweils zwei symmetrisch einander zugehörigen Teilkanälen identische Querschnitte gegeben sind.

Die daraus resultierenden Teilkanäle können alle mit einer der genannten regelbaren Heizeinrichtung 5 versehen sein, so daß in der Verteilerkammer 3 die Möglichkeit besteht, den Probenstrom äußerst präzise auszulenken. Dabei liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, am Ende der Verteilerkammer 3 mehr als nur zwei Auslaßkanäle vorzusehen. Ebenso können die Auslaßkanäle mit verjüngten Kanalabschnitten (analog zu den Abschnitten 111 und 121) und diesen zugeordneten Heizeinrichtungen 5 versehen sein (in Fig. l nicht dargestellt), wodurch sich die Ablenkwirk mg in der Verteilerkammer 3 weiter verstärken und verfeinern läßt. Wenn im Beispiel nach Fig. 1 die Heizeinrichtung im Trägerstromkanal 12 und im Auslaßkanal 41 eine analoge Heizeinrichtung an einem zum Kanalabschnitt 121 analog ausgebildeten Kanalabschnitt eingeschaltet werden würde, ließe sich die Probenflüssigkeit noch definierter in den Auslaß 41 drücken.

Der miniaturisierte Fluidstromschalter kann auch zur Sortierung von Teilchen, Molekülen oder sonstigen in den Probenstrom suspendierten bzw. gelösten Substanzen verwendet werden. Dazu ist in den Probenkanal 2 ein Detektor 7 integriert oder vorgeschaltet. Wird ein Teilchen der Wahl detektiert, so wird durch Ansteuerung der jeweils vorgesehenen Heizeinrichtungen das Teilchen in den gewünschten Auslaß gedrückt. Dabei spielt es keine Rolle, nach welcher Eigenschaft, z.B. Größe, Farbe, Fluoreszenzspektrum, Dielektrizität, Leitfähigkeit, Radioaktivität, chemische Reaktivität usw., sortiert werden soll ; es ist lediglich ein die genannten Größen delektierender Detektor 7 einzusetzen. Grundsätzlich kann der miniaturisierte Fluidstromschalter fur alle Aufgaben eingesetzt werden, bei denen Probenströme auf Trägcrströme verteilt werden sollen (Fluidmultiplexing). Wenn im Rahmen der Erfindung von fluidischen Medien gesprochen wird, sind darunter auch ausdrücklich Gase zu verstehen, die die Trägerströme und den Probenstrom bilden.

Die in Fig. 1 nicht näher dargestellte thermische Isolation der im verjüngten Kanalquerschnitt eingesetzten Heizeinrichtung von ihrer Umgebung und die Verwendung gut temperaturleitfahiger Materialien zur thermischen Ankopplung an den verjüngten Kanalquerschnitt dienen der Erhöhung die Arbeitsgeschwindigkeit.

In Figur 2 soll ein mikrosystemtechnisches Ausfuhrungsbcispiel eines miniaturisierten Fluidstromschalters detaillierter anhand einer Explosionsdarstellung erläutert werden. Der miniaturisierte Fluidstromschalter besteht in diesem Beispiel aus einem 15 mm - 60 mm großen Siliziumchip S, in den die Kanäle 10, 11, 12, 111, 121, 2,41, 42, die Verteilerkammer 3 und thermische Isolationszonen, hier in Form von durchgehenden Ausnehmungen A, die durch anisotropes naßchemisches zweistufiges Tiefenätzen eingebracht sind. Die Kanäle 11, 12,2, 41 und 42 weisen im Beispiel die in Fig. 1 genannten Dimensionen auf und sind in Fig. 2 ebenfalls nicht maßstäblich wiedergegeben. Die genannten Baugruppen sind im Beispiel mit einem 0, 2 mm starken Pyrexglaswafer D abgedeckt, wobei der dichtende Verschluß zum Substrat S vorteilhaft durch anodisches Bonden erfolgt. Durch Tiefenätzen oder Ultraschallbohren o. a. durch das Substrat S bzw. den Abdeckwafer D sind die Kanäle nach außen eröffnet, um Anschlußverbindungen 100, 21, 410,420 für den jeweiligen Kanäle nach außen zu bilden. Für nicht näher dargestellte externe Anschlüsse der Kanäle sind Aluminiumanschlußstücke auf die gebildeten Offnungen geklebt.

Auf die Unterseite des Siliziumchips S wurden Platin- und Aluminiumbeschichtungen aufgebracht, aus denen mittels gängiger mikrolithografischer Verfahren die Strukturen zur Bildung von Dünnschichtheizwiderständen 51 vmd Dünnschichttemperaturfihlern 52 hergestellt sind.

Den im Bereich der Heizeinrichtungen 5 liegenden verjüngten Kanalabschnitten 111, 121 sind die Dünnschichtheizwiderstände 51 mit einem Widerstand von ca. 10 Q zugeordnet, welche mit maximal 36 W betrieben werden. Die Dünnschichttemperaturfuhler 52 zur Regelung der Temperatur weisen einen Widerstand von ca. 2,2 ka und einen TK von 0, 00198 K-1 auf. Zur thermischen Isolation dieses Bereiches von den übrigen Baugruppen sind zumindest beidseitig der verjüngten

Kanalquerschnitte 111, 121 im Siliziumsubstrat S Ausnehmungen A vorgesehen.

Beim Beispiel nach Fig. 2 teilt sich der Trägerstromkanal 10 wieder in zwei Kanäle 111, 121 auf. In jedem dieser Kanäle ist in weiterer Ausgestaltung zu Fig. 1 ein Durchflußmesser 6 vorgesehen, der den beschriebenen verjüngten Kanalquerschnitten vorgeordnet ist. Das Prinzip der eingesetzten und vorteilhafterweise in Dünnschichttechnik in einem Arbeitsgang wie der Strukturierung der Dünnschichtwiderstandsheizer 51 und Dünnschichttemperatursensoren 52 hergestellten Durchflußmesser beruht auf der Messung der Verzerrung des Temperaturprofils eines Heizers, dem symmetrisch zwei Temperaturfülller zugeordnet sind, bedingt durch die Wärmetransportwirkung der im Kanal strömenden Flüssigkeit.

Zur oben genannten weiteren Erhöhung der Feinfuhligkeit der Auslenkung des Probenstroms im Kopf 31 der Verteilerkammer 3 sind in diesem Beispiel auch den beiden Auslaßkanälen 41,42 jeweils ein Durchflußmesser 6 sowie ein verjüngter Kanalabschnitt mit zugehöriger Heizeinrichtung zugeordnet, deren Ausbildung analog zu den vorherbeschriebenen erfolgt.

Mit einem miniaturisierten Fluidstromschalter nach den beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen lassen sich problemlos Schaltgeschwindigkeiten von 5 Hz realisieren.

Bei vorliegender Erfindung können alle notwendigen Baugruppen problemlos auf einem Chip, insbesondere Silizimchip untergebracht werden. Der miniaturisierte Fluidstromschalter ist damit ein echtes vollständiges Mikrosystem. Zudem weist der Fluidstromschalter nach der Erfindung keine beweglichen Bauteile auf und ist somit extrem störunanfallig.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste 10 - gemeinsamer Einlaß 100 - Trägerflüssigkeitszuffillrung I 1, 12 - Trägerstromkanal 111, 121 - verjiingte Kanalquerschnitte 2 - Probenstromkanal 21 - Probenflüssigkeitszuführung 3 - Verteilerkammer 31 - Kopf der Verteilerkammer 41, 42 - Auslaßkanäle 410, 420 - Anschlußverbilldunge 5 - Heizeinrichtung 51 - Diinnschiclitheizwiderstand 52 - Temperatursensor 6 - DurchfluBmesser A - Ausnehmungen D - Abdeckwafer S - Substrat (Siliziumchip) a, e - Schaltstellungen